CN112179183A - 一种用于电石余热回收的高效冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电石余热回收的高效冷却装置，通过设置内换热筒和外隔热筒，在内换热筒和外隔热筒之间设置环形流道，内换热筒的内外壁充当主要的换热界面，在冷却电石时，内换热筒内部设置扇叶阵列和若干冷却水喷嘴，冷却水喷嘴将主水管中的冷却水喷射至内换热筒的内壁上，与环形流道中的电石进行换热；外隔热筒能够相对于内换热筒进行旋转，配合第一刮片，不仅能够实现对电石的引流，同时能够对内换热筒的外壁面进行清理。对于48MVA量级以下的电石炉，本发明能够将刚出炉的2000℃的熔融态电石在30min内冷却至1400℃左右；且在出口段能够实现电石固体的粒化，实现电石的高效生产。

Description

一种用于电石余热回收的高效冷却装置

【技术领域】

本发明属于电石冷却技术领域，涉及一种冷却装置，尤其是一种用于电石余热回收的高效冷却装置。

【背景技术】

目前，工业生产电石是利用电石炉三相碳素电极产生电弧热使得焦炭和石灰两种原料发生固相融熔化学反应，生成2000℃左右的高温熔融态电石。电石主要是通过置入由铸铁制成的容器中进行自然冷却，这种方法有以下多种缺陷，一是高品位的热能被大量的浪费，二是自然冷却会对环境造成一定的热污染与粉尘污染，三是由于其温度过高，需要放置在经过耐火处理的特质厂房中，使得企业的周转效率降低、生产成本增加。造成这些高品位热能浪费的原因主要是热回收手段不足、效益不高。熔融状态下的电石接近2000℃，但导热系数低、粘度大，且与氮气和水都会发生反应，传统方式难以利用。

【发明内容】

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种用于电石余热回收的高效冷却装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于电石余热回收的高效冷却装置，包括：

内换热筒，所述内换热筒外套设外隔热筒，所述内换热筒和外隔热筒之间设置环形流道，内换热筒的内外壁为换热界面；内换热筒的上部开设排气口，下部开设排液口；

外隔热筒，所述外隔热筒的内壁上设置有若干条螺旋形的第一刮片，相邻两条第一刮片、内换热筒的外壁以及外隔热筒的内壁之间形成环形流道；所述外隔热筒能够相对内换热筒进行旋转；

降温装置，所述降温装置包括设置于内换热筒内的主水管，主水管上设置扇叶阵列，扇叶阵列包括若干固定在主水管上的固定叶片，每个固定叶片的底部设置冷却水喷嘴，冷却水喷嘴用于将主水管内的冷却水喷射至内换热筒的内壁上。

本发明进一步的改进在于：

所述内换热筒的下部内侧设置螺旋形的第二刮片，用于原料的破碎与收集；所述第二刮片的螺旋线形为渐开线，且出料口位于低端的一侧。

所述内换热筒的上部采用铜钨合金或铜镍合金制成。

所述冷却水喷嘴布置在上下两层固定叶片中靠近上层的1/3处，其喷射方向倾斜向上，与水平线的夹角为2°～5°。

所述环形流道中，内换热筒的外壁和外隔热筒的内壁上铺设有10cm厚的电石，用于防止烧穿。

所述环形流道与水平方向的夹角自上而下逐渐变大，用于使上部高温区电石流动减慢，充分换热；使下部电石流速加快，增强破碎效果。

所述第一刮片的螺旋轨迹采用直径和螺距随纵轴线变化的螺旋线，其关系如下：

x＝(At-B)cos(t)

y＝(At-B)sin(t)

z＝(C-Dt)t

其中，A和B由内换热筒和外隔热筒的结构参数确定，C和D由工质状态以及换热要求确定，t为实际尺寸，且t>0。

所述第一刮片的截面为等腰梯形，其底角为25°～40°，高为内换热筒与外隔热筒的半径差，上底与高相等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过设置内换热筒和外隔热筒，在内换热筒和外隔热筒之间设置环形流道，内换热筒的内外壁充当主要的换热界面，在冷却电石时，电石由环形流道的上部进入，内换热筒内部设置扇叶阵列和若干冷却水喷嘴，冷却水喷嘴将主水管中的冷却水喷射至内换热筒的内壁上，与环形流道中的电石进行换热；主水管上设置的扇叶阵列增加了内换热筒内部流体的湍动度，实现PEC值的提高与综合换热性能的增强。同时外隔热筒能够相对于内换热筒进行旋转，配合第一刮片，不仅能够实现对电石的引流，同时能够对内换热筒的外壁面进行清理。对于48MVA量级以下的电石炉，本发明能够将刚出炉的2000℃的熔融态电石在30min内冷却至1400℃左右；且在出口段能够实现电石的粒化，实现电石的高效生产。

进一步的，本发明内换热筒的上部采用铜钨合金或铜镍合金制成，具有高耐热与高导热的性能。

进一步的，本发明内换热筒的下部设置螺旋形的第二刮片，用于原料的破碎与收集，第二刮片的螺旋线为渐开线，且出料口位于低端的一侧，能够实现稳定且固定位置的出料。

进一步的，本发明内换热筒的上部开设排气口，下部开设排液口，排气口用于排出冷却水蒸发后形成的过热蒸汽，下口用于排出剩余的冷却水，实现了水气分离。

进一步的，本发明主水管上设置的扇叶阵列，包括自上而下设置的一些列固定叶片，用于提高内换热筒内部流体湍动度以增强换热；同时，将在内换热筒内蒸发形成的水蒸气吹至上部排气口，其余未蒸发的冷却水直接从排液口流出，是实现内换热筒内水汽分离的一个重要环节。

进一步的，本发明冷却水喷嘴靠近上层固定叶片的1/3处设置，且喷射方向倾斜向上与水平线夹角为2°～5°，使扇叶阵列能够更少的干扰其喷射，并取得较好的喷射效果。

进一步的，本发明螺旋形的第一刮片，其形成的环形流道的形状随着轴向方向改变，上部的流道与水平方向的角度较小，可以使得高温区电石流动速度减慢，使其充分冷却，减小高温区域；下部的流道与水平方向的角度较大，可以使得下部的电石的流动加快，增强破碎效果。

进一步的，本发明第一刮片的横截面为等腰梯形，这种结构可以增强结构强度，并可以避免局部热应力过大导致的热变形，同时也能起到较好的对内换热筒的清理效果。

【附图说明】

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的电石余热回收高效冷却装置示意图；

图2为本发明的内换热筒的内部结构示意图；

图3为本发明的扇叶阵列及冷却水喷嘴的结构示意图；

图4为本发明的内换热筒的结构示意图；

图5为本发明的外隔热筒的结构示意图；

图6为本发明第一刮片横截面的结构示意图；

图7为本发明环形流道的结构示意图。

其中：1-内换热筒；2-外隔热筒；3-排气口；4-排液口；5-主水管；6-固定叶片；7-冷却水喷嘴；8-第一刮片；9-第二刮片。

【具体实施方式】

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明用于电石余热回收的高效冷却装置，包括内换热筒1、扇叶阵列以及外隔热筒2。

内换热筒1的内外壁充当主要换热界面，实现电石和冷却水的热量交换。内换热筒1内设置有主水管5，主水管5自上而下贯穿内换热筒1，并与供水系统相连；内换热筒1的上部采用铜钨合金与铜镍合金制成，其具有高耐热与高导热的性能，该部分主要用于换热，即对高温电石的快速冷却。内换热筒1的下半部分设置一个螺旋形状的第二刮片9，用于原料的破碎与收集；第二刮片9的螺旋线形为渐开线且出料口位于其低端的一侧，能实现稳定且固定位置的出料。此外内换热筒1在上下各有一个出口，上部排气口排出冷却水蒸发之后形成的过热蒸汽，下部排液口用于排出剩余的冷却水，实现了水汽分离。

扇叶阵列设置于主水管5上，利用扇叶阵列增加内换热筒1内部流体的湍动度，实现PEC值的提高与综合换热性能的增强。扇叶阵列增加内换热筒1内部流体的湍动度，实现综合换热性能的增强。扇叶阵列以内换热筒1的轴线为中心，为沿内换热筒1轴线分布的主轴及一系列固定叶片6。其作用是提高内换热筒1内流体湍动度以增强换热；同时将在内换热筒1内壁蒸发形成的水蒸气吹至内换热筒1的排气口，其余未蒸发的多余冷却水直接从排液口流出，是实现内换热筒1内汽水分离的一个重要环节。

主水管5上设置若干冷却水喷嘴7，用于在内换热筒1中喷射冷却水，实现内换热筒1内壁的冷却。这些冷却水喷嘴7纵向布置于扇叶阵列的固定叶片6之间，横向布置于其主轴上，并且通过旋转接头与主水管5相连。每层的冷却水喷嘴7布置在两层固定叶片6较靠近其上层的三分之一处，其喷射方向倾斜向上与水平线的夹角为2°～5°，使扇叶阵列能够更少的干扰其喷射，并取得较好的喷射冷却效果。

外隔热筒2，外隔热筒2内壁设置螺旋形的第一刮片8，外隔热筒2能够相对内换热筒1进行旋转，实现对电石的引流以及内换热筒1外换热面的清理。相邻的第一刮片8、内换热筒1的外壁以及外隔热筒2的内壁形成环形流道；环形流道上外隔热筒2的内壁上预铺10cm厚的电石防止烧穿，第一刮片8起到引流熔融态电石以及破碎凝结电石的作用。并且形成的环形流道的形状随着轴向方向改变，上部环形流道与水平方向的角度较小，可以使得高温区电石流动速度减慢，使其充分冷却，减小高温区域；下部环形流道与水平方向的角度较大，可以使得下部的电石的流动加快，增强破碎效果。

第一刮片8的横截面为等腰梯形，其底角为25°到40°，高为内换热筒1与外隔热筒2的半径差，上底和高相等。采用这种结构可以增强整体结构强度，并可以避免局部热应力过大导致的热变形，同时也能起到较好的对内换热筒1的清理效果。

第一刮片8的轨迹采用直径和螺距随着纵轴线性变化的螺旋线，其含参方程如下：

x＝(At-B)cos(t)

y＝(At-B)sin(t)

z＝(C-Dt)t

其中，A和B由内换热筒1和外隔热筒2的结构参数确定，C和D由工质状态以及换热要求确定，t为实际尺寸，且t>0。

本发明的原理：

本发明外隔热筒2内壁上布置有螺旋形的第一刮片8，相邻的第一刮片8、内换热筒1的外壁以及外隔热筒2的内壁形成环形流道，在环形流道上预铺10cm厚的电石防止烧穿，第一刮片8起到引流熔融态电石以及刮去内换热筒1外壁附着的电石的作用。内换热筒1为中空结构，内部设有主水管5，其上布置有若干冷却水喷嘴7，冷却水喷嘴7向内换热筒1的内壁喷射水流进行换热，另外主水管5内上部布置的固定叶片6能够增强力学结构，简化传动结构，同时能够增大水蒸气的湍动度，增强换热。

环形流道中流体在受到第一刮片8导流作用后产生螺旋状旋转运动，切向加速度产生的离心力随之增大，使管内中心区域和靠近壁面的流体不断交替，减薄了靠近内壁面的边界层，从而增强流体在同一截面内的混合，使PEC值增加，综合传热性能得到加强。同时使管内流动阻力增加，可以增加努塞尔数和换热时间，也改善传热性能。本发明直径和螺距随着纵轴线性变化的螺旋线，有效改善了装置的传热性能，并保证了工质的流动性。

本发明的工作过程如下：

高温熔融态的电石通过外隔热筒2与内换热筒1间的环形流道，通过外隔热筒2的旋转和重力作用带动环形流道导流熔融态电石，内换热筒1中冷却水经冷却水喷嘴7喷至其内壁，喷流沸腾换热以保持内换热筒1壁面温度稳定，通过内换热筒1壁面的导热与其内壁与水的复合对流换热，实现电石从出炉时的2000℃到1400℃的快速冷却、凝固破碎和热能回收；产生的高温水蒸气从内换热筒1上口排出；凝固的电石由环形流道破碎。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于电石余热回收的高效冷却装置，其特征在于，包括：

内换热筒(1)，所述内换热筒(1)外套设外隔热筒(2)，所述内换热筒(1)和外隔热筒(2)之间设置环形流道，内换热筒(1)的内外壁为换热界面；内换热筒(1)的上部开设排气口(3)，下部开设排液口(4)；

外隔热筒(2)，所述外隔热筒(2)的内壁上设置有若干条螺旋形的第一刮片(8)，相邻两条第一刮片(8)、内换热筒(1)的外壁以及外隔热筒(2)的内壁之间形成环形流道；所述外隔热筒(2)能够相对内换热筒(1)进行旋转；

降温装置，所述降温装置包括设置于内换热筒(1)内的主水管(5)，主水管(5)上设置扇叶阵列，扇叶阵列包括若干固定在主水管(5)上的固定叶片(6)，每个固定叶片(6)的底部设置冷却水喷嘴(7)，冷却水喷嘴(7)用于将主水管(5)内的冷却水喷射至内换热筒(1)的内壁上。

2.根据权利要求1所述的用于电石余热回收的高效冷却装置，其特征在于，所述内换热筒(1)的下部内侧设置螺旋形的第二刮片(9)，用于原料的破碎与收集；所述第二刮片(9)的螺旋线形为渐开线，且出料口位于低端的一侧。

3.根据权利要求1或2所述的用于电石余热回收的高效冷却装置，其特征在于，所述内换热筒(1)的上部采用铜钨合金或铜镍合金制成。

4.根据权利要求1所述的用于电石余热回收的高效冷却装置，其特征在于，所述冷却水喷嘴(7)布置在上下两层固定叶片(6)中靠近上层的1/3处，其喷射方向倾斜向上，与水平线的夹角为2°～5°。

5.根据权利要求1所述的用于电石余热回收的高效冷却装置，其特征在于，所述环形流道中，内换热筒(1)的外壁和外隔热筒(2)的内壁上铺设有10cm厚的电石，用于防止烧穿。

6.根据权利要求1或5所述的用于电石余热回收的高效冷却装置，其特征在于，所述环形流道与水平方向的夹角自上而下逐渐变大，用于使上部高温区电石流动减慢，充分换热；使下部电石流速加快，增强破碎效果。

7.根据权利要求6所述的用于电石余热回收的高效冷却装置，其特征在于，所述第一刮片(8)的螺旋轨迹采用直径和螺距随纵轴线变化的螺旋线，其关系如下：

x＝(At-B)cos(t)

y＝(At-B)sin(t)

z＝(C-Dt)t

其中，A和B由内换热筒(1)和外隔热筒(2)的结构参数确定，C和D由工质状态以及换热要求确定，t为实际尺寸，且t>0。

8.根据权利要求1所述的用于电石余热回收的高效冷却装置，其特征在于，所述第一刮片(8)的截面为等腰梯形，其底角为25°～40°，高为内换热筒(1)与外隔热筒(2)的半径差，上底与高相等。

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