CN105143802A - 加热装置和加热装置中使用的气体分布器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加热装置，以及一种所述加热装置中使用的气体分布器。更具体但不排他地，本发明涉及用于在材料被运送至熔炼过程之前加热该材料的预热器，并且涉及在这种加热装置中使用的加热气体分布器。所述加热气体分布器包括具有进气口装置和出气口装置的外壳。所述外壳包括可操作上部区域和可操作下部区域，所述出气口装置设置在所述可操作下部区域中。所述可操作下部区域具有向下逐渐变细的结构。

Description

加热装置和加热装置中使用的气体分布器

技术领域

本发明涉及一种加热装置，并涉及一种所述加热装置中使用的气体分布器。更具体但不排他地，本发明涉及用于在材料被运送至熔炼过程之前加热该材料的预热器，并且涉及在这种加热装置中使用的加热气体分布器。

背景技术

通常所接受的观点是，轴式逆流气体/固体热交换是用于从连续自由流动的固体流中或向其进行热交换的最高效的手段。在这种结构中，使垂直上升的气体流与垂直下降的固体流接触。有利地，含有某些产生热量的化合物的熔炼炉尾气可以燃烧，并添加到循环惰性气体从而为加热固体流提供传热介质。当固体流表现出活塞流(plugflow)特性并且当加热气体均匀分布在固形物的自由流化基座时，加热效率最高。活塞流和均匀分布相结合会产生加热气体和固体流之间最高效的热传递。

现有预热器通常包括：被分成许多部分的容器，这些部分包括冷材料被送入该容器的进料区，来自预热过程的顶部气体被收集并提取的气体区，材料通过加热气体加热的上部加热区，以及被加热的进料材料在被运送到熔炼装置之前被暂时存储的下部加热区。这种气体通常通过气体分布器被引入到上部加热区，现有技术中已知该气体分布器的许多设计。

现有的设计存在许多缺点。第一个缺点涉及通过固体流的加热气体的不均匀分布，并因此导致不均匀的加热流。当设计用于预热固体材料的对流气体/固体热交换单元时，材料进入加热室时的颗粒离析是考虑的关键因素。较大的颗粒倾向于移动到朝向加热区的外壁，然而较小的微粒停留在堆积物的中心。这种离析导致不成比例的气体量沿容器壁垂直向上地流动，其中由于阻力减小而出现较大的颗粒。然后，这导致加热气体的不均匀分布，并因此导致不均匀的加热流。现有气体分布器不是优化地设计为以有助于均匀气体分布的方式引入加热气体。现有气体分布器的几何设计也不一定是在固体材料的整个基座上有助于促进活塞流特性的理想情况。现有气体分布器的另一个缺点是，排气孔的定向和结构使这些孔易于受到来自向下移动的固体流的固体的堵塞和干扰。

现有的预热装置存在的另一个缺点是，它们通常包括单个的大型预热容器。这不利于维持所需的活塞流，因为锥形排放的渐缩结构对放慢材料沿壁向下吸取速率同时增大容器中心向下吸取速率起到显著的作用。使用单个的容器也构成了对于系统的可用性和停机时间的风险，并且由于大量的进料材料要被预热，将不利地影响装置的可操作性和控制性。

因此，本发明的一个目的是提供将至少部分地减轻上述缺点的加热装置。

本发明的另一个目的是提供将成为现有的加热装置的有用的替代物的加热装置。

本发明的进一步的目的是提供在将至少部分地减轻上述缺点的加热装置中使用的气体分布器。

本发明的又一个目的是提供将成为现有的气体分布器的有用的替代物的、在加热装置中使用的气体分布器。

本发明的另一个目的是提供包括至少一个但优选为多个加热装置的加热系统，其将至少部分地减轻上述缺点。

本发明的又一个目的是提供包括至少一个但优选为多个加热装置的加热系统，其将成为现有的加热系统的有用的替代物。

发明内容

根据本发明，提供了一种气体分布装置，适合用于加热颗粒材料的加热装置，所述气体分布装置包括：

具有进气口装置和出气口装置的外壳；

所述外壳包括可操作上部区域和可操作下部区域，所述出气口装置提供在所述可操作下部区域中；

其特征在于，所述可操作下部区域是具有向下逐渐变细、会聚的结构。

所述下部区域可以是基本上呈圆锥形，尤其可以是倒锥的形式。

提供了所述可操作下部区域，其包括跨度减少的多个离散环，所述离散环至少部分地位于彼此下方从而形成阶梯式圆锥，所述出气口装置由跨度减少的多个离散环之间的环形间隔确定。

在一个实施例中，所述环为环形截面的圆柱环的形式。

为了解释说明，术语“环”应当理解为包括具有连续侧壁的物体的任何结构，并且所述环可以为，例如，具有圆形、椭圆形、方形或矩形的剖面。

所述环可以具有相同的高度，并且可选地可以具有不同的高度。

所述可操作下部区域可以由2至10个环构成，并且更优选地为4至7个环。

相邻环的相对端可以至少部分地重叠，以使得所述出气口是使用时向下导向的垂直延伸的环形通道的形式。

构成所述可操作下部区域的环通过包括横档支撑柱的环形支撑结构保持在原位。

进一步提供了气体分布装置，其包括圆柱形中间区域，具有与所述中间区域流体连通的进气口装置。

所述进气口装置包括提供在所述中间区域的边界中的至少一个开口，所述开口与从所述开口向外径向地延伸的气体连接管道是流体连通的。

提供了连接管道，其也作为用于支撑所述气体加热装置内部的气体分布装置的支撑部件。

优选地，所述进气口装置包括至少3个周向间隔恒定面积的连接管道。

还提供了所述气体分布装置的所述上部区域具有逐渐变细的结构，更具体地，具有基本上圆锥形的结构。

所述上部区域优选为可置换圆锥的形式。

提供了要由耐热和耐磨材料制成的上部区域、中间区域和下部区域。

根据本发明的另一方面，提供了适合用于加热颗粒材料的加热装置，所述加热装置包括：

圆柱形容器，具有可操作上部进料储存区、位于所述进料储存区下方的气体收集区和位于所述气体收集区下方的上部加热区，其特征在于，所述上部进料区和所述上部加热区是通过所述气体收集区利用在所述上部进料储存区与所述上部加热区之间延伸的多个进料管道而流体连通的。

所述加热装置还包括位于所述上部加热区下方的下部加热区。

提供了加热装置，其包括如上所述的气体分布装置。

所述气体分布装置优选地位于所述上部加热区中。

提供了加热装置，其为预热器的形式，用于在将材料送入熔炼过程之前加热块状的和/或颗粒状的材料的混合物。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于加热固体材料的加热布置，所述加热布置包括至少两个如上所述的加热装置。

提供了所述加热布置的独立的加热装置，所述加热装置在其可操作下部区域处通过依次连接所有所述装置至目标目的地的进料管道被连接。

提供了目标目的地，其为熔炼过程。

根据本发明的另一方面，提供了用来控制并防止进料材料排放温度过热的独特的控制算法。

附图说明

通过非限制性实例并参照附图来描述本发明的优选实施例，其中：

图1为加热系统示意图，所述加热系统包括根据本发明一个方面的多个加热装置，并且，每个加热装置还并入了根据本发明另一方面的气体分布器；

图2为根据本发明的一个实施例的加热装置的侧视截面图；

图3为更详细示出了气体分布器的沿图2中A-A’线截取的顶部平面截面图；和

图4为沿图3中B-B’线截取的气体分布器的侧视截面图。

具体实施方式

参照附图，其中相同的附图标记表示相同的特征，现将更具体地描述气体加热系统、装置和气体分布器的非限制性实例。

本发明涉及由至少两个用于加热熔炼过程(21)的给料混合物的装置或容器(1)组成的系统。

该装置包括至少两个隔热容器(1)，每个容器包括存储冷的进料的上部进料存储区(2)，积累并提取来自加热过程的顶部气体的气体收集区(4)，通过热气体加热进料的上部加热区(5)和热的进料不断流入熔炼过程的下部加热区(6)。

气体收集区(4)和加热区(5&6)占据了容器的大部分，上部进料存储区(2)直接位于气体收集区(4)的上方并且通过延伸穿过气收集区(4)的多个进料管道(3)连接到上部加热区(5)。因此，所有区仍然构成单个容器。多个进料管道(3)形成了阻塞进料布置，以确保从容器的底部吸取的材料不断地被补足，保持容器中恒定的材料水平。阻塞进料还提供气体密封，以防止气体逸出到周围环境。所有区域的形状均匀，并且优选为圆柱形的，除了被划分成至少两个部分(30)的下部加热区(6)的下部，所述部分(30)的每个部分通过至少一个隔热管道(16)连接到熔炼过程(21)。

在上部加热区(5)的下部提供气体分布设备(7)。该气体分布设备(7)优选为如图4所示，由具有进气口装置(31)和出气口装置(8)的圆柱形外壳(10)组成。该外壳(10)包括可操作上部区域和可操作下部区域，同时出气口装置(8)提供在可操作下部区域。气体分布设备(7)由至少三个连接到上部加热区(5)壁的连接管道(11)支撑，从气体分布设备(7)朝向所述壁径向向外延伸。管道(11)与设置在圆柱形外壳中的开口流体连通。

气体分布设备(7)的出气口装置为向下导向的气体分离器(8)的形式。热气体通过三个连接管道(11)中的至少一个径向地进入气体分布设备(7)并通过气体分离器(8)向下导向到进料材料中。气体上升穿过进料材料，随着热气体上升，增加了进料材料的温度。气体分离器(8)的位置、结构和定向还确保提供的气体尽可能远离容器壁，这意味着所有热气体必须穿过基座(bed)，并且使沿容器壁逸出的气体最少。气体分布设备(7)的上下倒锥的形状也有助于保持穿过容器的活塞流。特别地，相比于现有技术气体分布器，下部倒锥的部分产生较小的摩擦，从而较小的流动干扰。

参照图2、3和4，更详细地描述气体分布设备(7)，尤其是气体分离器(8)。每个气体分布设备(7)的气体分离器(8)包括内部支撑柱(32)，其支持一系列同心的耐热和耐磨环形元件，在这种情况下，以短长度直径减小的环形管道(13)的形式，绕共同的中心线布置从而形成阶梯式的倒锥。相邻环形元件(13)的尺寸能够在其间形成环形间隔。此外，相邻环的相对端可以至少部分地重叠，以使得出气口为使用时向下导向的垂直延伸的环形通道的形式。环形元件的高度可以是相同的或不同的。

在气体分布设备(7)的顶部提供会聚的圆锥(9)，确保沿容器中心线产生真正的固体材料会聚发散内部流。

根据每个容器的容量选择气体分布设备(7)的尺寸，反过来，每个容器的容量是基于所需的总容量和几何形状来选择的。本领域技术人员能够做出合适的选择。

虽然多个容器(1)通常位于熔炼过程(21)上的同一层面，但是，如果进料布置和布局允许或需要的话，一些容器可以设置在不同层面。

在使用中，每个容器(1)通过容器上端的端口(15)填充冷的进料材料。冷的进料材料存储在容器的上部进料储存区(2)，该存储区与气体收集区(4)和加热区(5&6)通过合适的管板或地板(14)隔开，但通过多个进料管道(3)连接到上部加热区(5)，进料管道(3)从管板或地板(14)向下延伸的穿过气体区(3)。上部进料储存区(2)为未加热的进料材料提供充足的存储空间，从而能够在常规运行期间恒定地向下吸取，并且在熔炼过程(21)的流出(tapping)期间快速地向下吸取。在熔炼过程中，随着下部加热区(6)中的经加热的材料通过进料管道(16)从容器(1)中被吸取，材料在重力作用下通过进料管道(3)被送入到上部加热区(5)。因此，多个进料槽(3)提供了阻塞进料布置，以确保气体收集区(4)和加热区(5&6)中存在的气体不会逸出到周围环境。

预热所需的热气体是燃烧的CO气体或等同物与较冷的稀释气体的混合物。CO气体供应(19)通常为在熔炼过程中生成的含尘CO气体，然后在压力作用下被供应到至少一个燃烧室(17)之前在干式或湿式净化系统(20)中被净化——燃烧室(17)的数目并不一定要对应气体分布设备(7)的数目——其中CO气体与环境空气(18)在亚化学计量状态下(substoichiometrically)燃烧并且与来自预热气体净化装置(23)的较冷的稀释气体(22)混合，从而调节燃烧室(17)排出的热气体的温度。这种热的气体通过管道网络被运送到每个容器。在每个容器的上游，使用调节/截止阀(24)来控制供应给特定容器(1)的热气体的量。如果使用了多个连接管道(11)，容器处的管道系统可以充当歧管。进入气体分布设备(7)的至少一个连接管道(11)中的热气体被运送到气体分离器(8)，在该气体分离器中气体被送入加热容器(1)。如图4所示，气体分布设备(7)的截面示意图示出了气流通过由各种直径和高度的环形元件(13)构成的空气通道从气体分布设备(7)的气体分离器(8)排出。

上部加热区(5)上方顶部排出的气体通过位于气体区(4)的至少一个排气端口(12)被吸取。每个容器的排气端口(12)通过每个端口(12)上的调节/截止阀(25)被连接到通向至少一个干式或湿式预热气体净化装置(23)的管道网络。调节/截止阀(25)用来控制排出气体温度和顶部气体的压力。一部分预热气体净化装置(23)排出的净化气体被管道连接至如上文所述的要被用作冷稀释的燃烧室，或者排放到大气。当使用干式预热气体净化装置(23)时，用作至燃烧室(17)的稀释气体的该部分净化气体部分被冷却下来。

在特定容器(1)的气体区(4)中一旦发生过压或紧急情况，每个容器(1)上的紧急截止阀(26)自动打开，以通过烟囱(stack)将气体排至大气。

一种独特的控制算法使输入到预热模块的功率最大化，并确保稳定的进料材料温度，以保持在恒定的容器所能承受的上限温度。这种控制方法允许功率输入迅速反应于进料材料的进给速度的变化。使用(通过两个或更多热电偶进行测量的)上部区域的进料材料输入到算法中，作为模式1。作为一种替代，即模式2，使用废气流温度输入到算法中，用于调节功率输入。在这两种模式下，控制要到位，确保控制每个容器的进料材料的排放温度，以防止过热。

本方法中使用了许多直径较小的容器，代替了现有技术方法中使用单个大容器，这种方法的优点是：

·由于锥形排出的锥度对放慢材料沿壁向下吸取速率起到较小的作用通过进料材料的活塞流垂直向下地流动实现了更均匀地加热，并且增大了容器中心向下吸取速率；

·如果多个容器中的一个要被脱机用于维修，虽然减少了容量，但是提高了系统可用性；以及

·由于要被预热的进料材料体积较小，提高了装置的可操作性和控制性，降低了熔炼炉建造的资本投入。

本发明的气体分布器设计的优点包括：

·由于气体被引入到较大面积上并且在不同高度，因此气体分布更均匀；

·由于分布孔的定向而减少了与固体介质流动的干扰；以及

·由于向下导向的环形流道而减少了对流道的限制和阻塞。

应当理解，以上仅是本发明的一个实施例，并且可能有许多种变化而不脱离本发明的精神和/或范围。

Claims (19)

1.一种气体分布装置，适合用于加热颗粒材料的加热装置，所述气体分布装置包括：

具有进气口装置和出气口装置的外壳；

所述外壳包括可操作上部区域、中间区域和可操作下部区域，所述出气口装置设置在所述可操作下部区域中；

其特征在于，所述可操作下部区域具有向下逐渐变细、会聚的结构。

2.如权利要求1所述的气体分布装置，其中，所述下部区域基本上呈圆锥形。

3.如权利要求2所述的气体分布装置，其中，所述下部区域为倒锥的形式。

4.如权利要求1至3中任一所述的气体分布装置，其中，所述可操作下部区域包括跨度减少的多个离散环，所述离散环至少部分地位于彼此下方从而形成阶梯式圆锥，所述出气口装置由跨度减少的相邻环之间的环形间隔确定。

5.如权利要求4所述的气体分布装置，其中，所述离散环为环形截面的圆柱环的形式。

6.如权利要求5所述的气体分布装置，其中，所述相邻环的相对端至少部分地重叠，以使得所述出气口是使用时向下导向的垂直延伸的环形通道的形式。

7.如前述权利要求中任一所述的气体分布装置，其中，所述气体分布装置包括圆柱形的中间区域，所述进气口装置与所述中间区域是流体连通的。

8.如权利要求7所述的气体分布装置，其中，所述气体分布装置包括设置在所述中间区域的边界中的至少一个开口，所述开口与从所述开口向外径向地延伸的气体连接管道是流体连通的。

9.如前述权利要求中任一所述的气体分布装置，其中，所述气体分布装置的所述上部区域具有逐渐变细的结构，更具体地，具有基本上圆锥形的结构。

10.如权利要求1所述的气体分布装置，基本上为本文参照附图所描述的。

11.一种加热装置，适合用于加热颗粒材料，所述加热装置包括：

圆柱形容器，具有可操作上部进料储存区、位于所述进料储存区下方的气体收集区和位于所述气体收集区下方的上部加热区，其特征在于，所述上部进料储存区和所述上部加热区是通过所述气体收集区利用在所述上部进料储存区与所述上部加热区之间延伸的多个进料管道而流体连通的。

12.如权利要求11所述的加热装置，其包括如权利要求1至10中任一所述的气体分布装置。

13.如权利要求12所述的加热装置，其中，所述气体分布装置位于所述加热装置的所述上部加热区中。

14.如权利要求11、12或13所述的加热装置，其中，所述加热装置为预热器的形式，用于在将材料送入熔炼过程之前加热块状的和/或颗粒状的材料的混合物。

15.如权利要求11所述的加热装置，基本上为本文参照附图所描述的。

16.一种用于加热固体材料的加热系统，所述加热系统包括至少两个如权利要求11至15中任一所述的加热装置。

17.如权利要求16所述的加热系统，其中，所述加热系统的所述加热装置在其可操作下部区域处通过依次连接所有所述装置至目标目的地的进料管道被连接。

18.如权利要求17所述的加热装置，其中，所述目标目的地为熔炼过程。

19.如权利要求17所述的加热装置，其中，基本上为本文参照附图所描述的。