CN113388708B - 一种氢气加热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金技术领域，涉及一种氢气加热系统，包括相连通的对流段和辐射段；所述辐射段内设有用于加热氢气的混合加热炉管，所述对流段内分别独立设有燃料气炉管、助燃空气炉管、补充氢气炉管、循环氢气炉管，所述补充氢气炉管及所述循环氢气炉管均与混合加热炉管相连通；所述燃料气炉管与所述助燃空气炉管均连通至所述辐射段内，在辐射段内混合燃烧以加热混合加热炉管内的氢气。本发明实现了加热炉中高温烟气余热回收利用，且加热所用燃料气可采用氢气代替传统的碳基燃料(如天然气、煤气等)，实现氢气加热完全不消耗碳基原料，真正实现加热过程的绿色环保低碳。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种氢气加热系统。
背景技术
相比传统的高炉冶炼，直接还原炼铁工艺具有流程短、不用炼焦煤、节能减排效果明显的技术优势，是实现低碳绿色冶炼的重要发展方向；而气基竖炉法是当今世界主流的直接还原炼铁技术。目前已投产的气基竖炉工艺大都采用天然气为原料气，近年来国内开始研究以焦炉煤气为原料气的工艺。但无论是以天然气，还是以焦炉煤气、煤制气等为气源的竖炉直接还原工艺，其本质上仍是以碳基原料气为气源，重整转化制取一氧化碳和氢气等还原气的过程，无法完全避免碳排放的问题。
在当前碳减排和碳中和成为全人类共同面对课题的背景下，用可再生能源基础上制取的氢(“绿氢”)，替代原来基于碳基得到的“灰氢”，即全氢竖炉工艺，是今后的技术发展方向。全氢竖炉，以及纯氢加热至满足竖炉所需温度的加热系统，目前在世界范围内均无实例。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氢气加热系统，用于提供竖炉所需的高温氢气还原气。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种氢气加热系统，包括相连通的对流段和辐射段；所述辐射段内设有用于加热氢气的混合加热炉管，所述对流段内分别独立设有燃料气炉管、助燃空气炉管、补充氢气炉管、循环氢气炉管，所述补充氢气炉管及所述循环氢气炉管均与混合加热炉管相连通；所述燃料气炉管与所述助燃空气炉管均连通至所述辐射段内，在辐射段内混合燃烧以加热混合加热炉管内的氢气。
可选的，所述对流段重叠布置在所述辐射段上方，以利用辐射段内烟气余热。
可选的，所述补充氢气炉管与所述循环氢气炉管设置在对流段内靠近所述辐射段的一侧上。
可选的，还包括引风机，所述引风机通过烟气管道连通至对流段，所述引风机后连接有烟囱。
可选的，所述烟囱底部设有排水装置。
可选的，还包括设置在所述辐射段外侧的集合管，所述补充氢气炉管和循环氢气炉管内氢气在集合管内混合后通入混合加热炉管。
可选的，所述辐射段内并列设有多组混合加热炉管。
可选的，辐射段内设有至少一组燃烧器。
可选的，所述对流段与所述辐射段并列布置。
可选的，所述烟气管道上设有用于为燃料气炉管与助燃空气炉管内燃料气及空气预热的换热器。
可选的，所述补充氢气及所述循环氢气在外部混合后进入对流段；所述补充氢气炉管及循环氢气炉管合并为1个混合氢气炉管、或设置为并列的混合氢气炉管。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用辐射段的高温烟气对对流段内炉管预热，待加热的循环氢气和外界补充氢气分别在加热炉对流段前端的循环氢气炉管和补充氢气炉管中被高温烟气预热，并在辐射段入口氢气集合管中混合；同时，燃料气和助燃空气分别在加热炉对流段后端的燃料气炉管及助燃空气炉管中被烟气预热。通过高温烟气与对流段炉管的对流换热，实现了外排高温烟气的余热回收利用。
(2)本发明提供了将对流段及辐射段上下一体布置的技术方案，对流段设置在辐射段之上，加热炉整体结构紧凑，占地面积小。
(3)本发明中燃料气与待加热氢气分别独立输送，燃料气采用氢气，整个加热系统无新增CO2产生，为实现全氢竖炉绿色低碳冶炼创造了条件。在虑短期内燃料氢气经济性问题时，也可以采用碳基燃料气对氢气进行加热，不会影响输出氢气的纯净度。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的整体结构示意图。
附图标记：辐射段1、加热段2、烟气管道3、引风机4、烟囱5、排水装置6、控制系统7、集合管1-1、氢气出口管1-2、燃烧器1-3、混合加热管1-4、炉膛1-5、燃料气炉管2-1、助燃空气炉管2-2、补充氢气炉管2-3、循环氢气炉管2-4。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
请参阅图1，为一种氢气加热系统，加热炉由对流段2和辐射段1两部分组成，氢气在加热炉中被加热至高温后送用户；燃料气燃烧后的高温烟气在加热炉对流段2回收余热后，进入排气烟道3，经引风机4和烟囱5排入大气；末端烟气中的冷凝水通过烟囱底部的冷凝水收集和排水装置6外排。
加热炉对流段2，设有多组不同介质的炉管。待加热的循环氢气和外界补充氢气分别在加热炉对流段前端的循环氢气炉管2-4和补充氢气炉管2-3中被高温烟气预热至400℃～500℃，并在辐射段入口氢气集合管1-1中混合；同时，燃料气和助燃空气分别在加热炉对流段后端的燃料气炉管2-1和助燃空气炉管2-2中被烟气预热至150℃～250℃。通过高温烟气与对流段炉管的对流换热后，烟气温度降至110℃～180℃，实现了外排高温烟气的余热回收利用。
在一些具体实施例中，在加热炉对流段2仅预热循环氢气和补充氢气，燃料气和助燃空气的预热在加热炉后的烟道3上通过另设的换热器实现。
在一些具体实施例中，补充氢气及所述循环氢气在外部混合后，再进入对流段2；对流段2内补充氢气炉管2-3及循环氢气炉管2-4合并为1个混合氢气炉管或设置为并列的混合氢气炉管,。
加热炉辐射段1，设有多组混合加热炉管1-4和至少一组燃烧器1-3，在对流段内被预热的混合氢气走混合加热炉管1-4，燃料气和助燃空气分别送入炉膛1-5内的燃烧器1-3燃烧，通过辐射传热加热混合加热炉管1-4内的混合氢气至所需温度850℃～1000℃，并经加热后混合氢气出口管1-2汇合后送竖炉或其他用户。
加热炉对流段2和辐射段1，为上下重叠一体式布置，对流段2在辐射段1之上，加热炉整体结构紧凑，占地面积小。在一些具体实施例中，加热炉对流段2和辐射段1也可以水平并排布置。
优选地，加热炉燃料气，采用氢气，燃料氢气燃烧后的高温烟气不新增CO2。在一些具体实施例中，考虑短期内“绿氢”来源的经济性问题，氢气加热炉的燃料气也可采用天然气等碳基燃料气。加热炉排放的烟气中会有部分新增CO2排放，但供竖炉的高温氢气成分无新增CO2排放。
冷凝水收集及排水装置6设置在烟囱5的底部，用以收集由于末端烟气温度下降而析出的冷凝水并外排。具体地，冷凝式排水可以为带水封的自动排水，可防止烟气随冷凝水从塔底逸出。
氢气加热系统由控制系统7实现自动调节气量和温度控制，以满足用户的工艺需求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种氢气加热系统，其特征在于：包括相连通的对流段和辐射段；所述辐射段内设有用于加热氢气的混合加热炉管，所述对流段内分别独立设有燃料气炉管、助燃空气炉管、补充氢气炉管、循环氢气炉管，所述补充氢气炉管及所述循环氢气炉管均与混合加热炉管相连通；所述燃料气炉管与所述助燃空气炉管均连通至所述辐射段内，在辐射段内混合燃烧以加热混合加热炉管内的氢气；所述对流段重叠布置在所述辐射段上方，以利用辐射段内烟气余热；所述补充氢气炉管与所述循环氢气炉管设置在对流段内靠近所述辐射段的一侧上；还包括设置在所述辐射段外侧的集合管，所述补充氢气炉管和循环氢气炉管内氢气在集合管内混合后通入混合加热炉管；所述辐射段内并列设有多组混合加热炉管；所述对流段与所述辐射段并列布置。
2.根据权利要求 1 所述的氢气加热系统，其特征在于：还包括引风机，所述引风机通过烟气管道连通至对流段，所述引风机后连接有烟囱。
3.根据权利要求 2 所述的氢气加热系统，其特征在于：所述烟囱底部设有排水装置。
4.根据权利要求 2 所述的氢气加热系统，其特征在于：所述烟气管道上设有用于为燃料气炉管与助燃空气炉管内燃料及空气预热的换热器。
5.根据权利要求 1～4任一项所述的氢气加热系统，其特征在于：所述补充氢气及所述循环氢气在外部混合后进入对流段；所述补充氢气炉管及循环氢气炉管合并为 1 个混合氢气炉管、或设置为并列的混合氢气炉管。
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