CN114704958B - 煤气电加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了煤气电加热装置，包括压力外筒，压力外筒两端开口螺栓连接有封头法兰，压力外筒顶部设有出气法兰且法兰内设有出气管，压力外筒底部设有进气法兰且法兰内设有进气管，进气管和出气管之间且位于挡风套管内设有加热模块，加热模块顶部和底部均螺纹连接有长石墨导电板和长耐火支撑且通过长石墨导电板和长耐火支撑螺纹连接有导电石墨板，导电石墨板中心处螺纹连接有石墨电极棒，压力外筒内腔靠近底部固接有底托固定板，底托固定板中心开有通孔，底托固定板和底部导电石墨板之间抵接有耐火绝缘支撑筒。本发明的电加热煤气装置较传统蓄热式预热器，因气体直接接触发热器换热效率高，且结构简单、安全性高。

Description

煤气电加热装置

技术领域

本发明属于电加热领域，具体涉及一种煤气电加热装置。

背景技术

在“双碳”目标下，化石能源的使用成本将持续走高，并且随着国家大力倡导绿电、储能技术的发展，电能成本将会逐渐降低，竞争力逐步增强。同时伴随电加热技术的成熟，效益的逐步体现，电能作为终端消费能源将被大面积应用，冶金领域现有的大部分非电加热装置都会逐步更新换代，被电加热装置所取代。

钢铁行业是冶金领域的支柱性行业，也是大量排放温室气体的问题行业，所以构建清洁低碳、安全高效的钢铁冶炼体系是大势所趋。在高炉炼铁工艺流程中，若将工艺产生的煤气二次循环利用，以高温煤气的形式代替入炉焦炭部分功能，可以有效减少焦炭的使用量，从而大幅度降低CO₂排放量，也实现了资源的循环利用，目前市场上没有利用电加热手段将煤气加热至666℃以上的大功率设备，常规煤气加热一般采用热风炉等蓄热式预热器，即用燃气燃烧产生的高温烟气流过耐火材料通道，使高温烟气对耐火材料蓄热，然后煤气流过高温耐火材料并被加热，属于间壁式加热装置，加热效率低，且很难实现将煤气加热至666℃以上的工艺目标。并且在将煤气加热至高温的过程中，在一定温度区间内会形成积碳，影响设备正常使用，存在一定安全隐患。结合电加热技术所展现的优势及发展的趋势，亟待研发一种煤气的高温电加热装置，适配高炉炼铁工艺，将煤气加热至高温后通入炉内，达到高效、节能、减碳的目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤气电加热装置，解决了现有加热器换热效率低下的问题；有利于减小保温层被高温高压气体冲刷，延长设备寿命。

本发明所采用的技术方案是，煤气电加热装置，包括压力外筒，压力外筒为金属筒状压力容器，压力外筒两端开口均螺栓连接有封头法兰，压力外筒内腔靠近底部处固接有底托固定板，底托固定板中心开有通孔，底托固定板上表面抵接有耐火绝缘支撑筒，耐火绝缘支撑筒顶端抵接有底部导电石墨板，底部导电石墨板下表面螺纹连接有石墨电极棒，石墨电极棒穿过耐火绝缘支撑筒和底托固定板中心，底部导电石墨板上表面抵接有挡风套管，挡风套管内设有加热模块，加热模块顶部和底部均螺纹连接有长石墨导电板和长耐火支撑，加热模块底部通过长石墨导电板和长耐火支撑与底部导电石墨板螺纹连接，加热模块顶部通过长石墨导电板和长耐火支撑螺纹连接有顶部导电石墨板，顶部导电石墨板背离加热模块的一侧螺纹连接有石墨电极棒，压力外筒侧壁上固接有进气法兰和出气法兰，进气法兰和出气法兰均采用同种法兰标准，进气法兰内设有进气管，进气管贯穿挡风套管且位于底部导电石墨板和加热模块之间，出气法兰内设有出气管，出气管贯穿挡风套管且位于顶部导电石墨板和加热模块之间。

本发明的特征还在于，

加热模块包括若干沿着挡风套管轴向布置的石墨发热板，相邻两个石墨发热板之间螺纹连接有短耐火支撑和短石墨导电板，短耐火支撑和短石墨导电板关于挡风套管轴线对称，每个石墨发热板两侧的短耐火支撑异端设置，底端的石墨发热板与底部导电石墨板之间通过长石墨导电板和长耐火支撑螺纹连接，顶端的石墨发热板与顶部导电石墨板之间通过长石墨导电板和长耐火支撑螺纹连接，每个石墨发热板中心均开有栅格孔，多层石墨发热板电路串联用两层或多层石墨发热板并联后整体再串联。

压力外筒与封头法兰连接形成的空间为密闭环境。

短耐火支具体为氮化硅结合碳化硅材质。

压力外筒与挡风套管之间均填充有保温层，进气法兰与进气管之间设有保温层，出气法兰与出气管之间设有保温层，保温层厚度为300mm。

压力外筒与顶部导电石墨板和底部导电石墨板之间均填充有保温层，且保温层厚度为400mm。

保温层选用陶瓷纤维，进气管和出气管均选用陶瓷管。

压力外筒与封头法兰之间设有密封垫。

顶部导电石墨板的外径与挡风套管的内径相匹配。

相邻两个石墨发热板之间的电压不高于5V，石墨发热板与电压之间的关系如式（1）和式（2）所示：

式（1）中，P：发热功率，U：电源电压，R：石墨发热板的电阻；

式（2）中：石墨电阻率，L：石墨长度，S：石墨发热板的横截面积。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用电加热原理，可以根据实际工艺要求对煤气快速升温，可以实现煤气在一定温度区间内的高温加热。

2.本发明气体进出连接口采用相同标准法兰接口，多台加热装置可通过法兰“串联”、“并联”、“串-并联”使用，提升加热温度，为及时处理积碳并保证整个工艺系统不会因为煤气电加热装置而停产减产，在一定温度区间的加热装置采用用1备1并联结构，当积碳量达到一定程度时，主装置停机检修，清理积碳，备用装置继续工作，保证冶炼的正常进行。

3.本发明进气管和出气管均选用陶瓷管，加热区域的保温层选用陶瓷纤维，能有效减小保温材料被高温高压气体冲刷，延长设备寿命。

4.本发明的电加热煤气装置较传统蓄热式预热器，因气体直接接触发热器换热效率高，且结构简单、安全性高。

5.本发明有效解决煤气加热过程中的积碳问题，及积碳问题导致的煤气电加热装置的电气绝缘及电气短路现象；满足工艺目标的同时，保证煤气电加热装置高的换热效率及安全性，并且与煤气蓄热加热器相比，本发明采用零排放绿色的电加热模式，结构简单，稳定性高，维护成本低。

附图说明

图1是本发明煤气电加热装置的结构示意图。

图中，1.压力外筒，2.封头法兰，3.石墨电极棒，4.底托固定板，5.耐火绝缘支撑筒，6.底部导电石墨板，7.长石墨导电板，8.石墨发热板，9.短耐火支撑，10.短石墨导电板，11.挡风套管，12.保温层，13.长耐火支撑，14.顶部导电石墨板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明煤气电加热装置，包括压力外筒1，压力外筒1为金属筒状压力容器，压力外筒1两端开口均螺栓连接有封头法兰2，压力外筒1与封头法兰2之间抵接有密封垫，减小了压力外筒1与封头法兰2之间的摩擦，且加大了密封性能，压力外筒1内腔靠近底部处固接有底托固定板4，底托固定板4中心开有通孔，底托固定板4上表面抵接有耐火绝缘支撑筒5，耐火绝缘支撑筒5为耐火绝缘材质的筒状支撑件，耐火绝缘支撑筒5具有优良的抗热震性、耐高温、热膨胀系数小以及承载能力强的优点。

耐火绝缘支撑筒5顶端抵接有底部导电石墨板6，底部导电石墨板6下表面螺纹连接有石墨电极棒3，石墨电极棒3穿过耐火绝缘支撑筒5和底托固定板4中心，底部导电石墨板6上表面抵接有挡风套管11，挡风套管11内设有加热模块，加热模块顶部和底部均螺纹连接有长石墨导电板7和长耐火支撑13，加热模块底部通过长石墨导电板7和长耐火支撑13与底部导电石墨板6螺纹连接，加热模块底部通过长石墨导电板7和长耐火支撑13与底部导电石墨板6螺纹连接。

加热模块顶部通过长石墨导电板7和长耐火支撑13螺纹连接有顶部导电石墨板14，顶部导电石墨板14背离加热模块的一侧螺纹连接有石墨电极棒3，压力外筒1侧壁上固接有进气法兰和出气法兰，进气法兰内设有进气管，进气管贯穿挡风套管11且位于底部导电石墨板6和加热模块之间，出气法兰内设有出气管，出气管贯穿挡风套管11且位于顶部导电石墨板14和加热模块之间，用于流过被加热气流，本发明的煤气电加热装置较传统蓄热式预热器，因气体直接接触加热模块，换热效率高，整套装置立式安装，内部的零部件采用底托式装配，结构简单并安全。

进气法兰和出气法兰均采用同种法兰标准，多台高温煤气电加热装置可通过进气法兰和出气法兰“串联”、“并联”、“串-并联”使用，提升加热温度，为及时处理积碳并保证整个工艺系统不会因为煤气电加热装置而停产减产，在一定温度区间的煤气电加热装置采用用1备1并联结构，当积碳量达到一定程度时，主装置停机检修，清理积碳，备用装置继续工作，保证冶炼的正常进行，避免因积碳问题导致的煤气电加热装置的电气绝缘及电气短路。

加热模块包括若干沿着挡风套管11轴向布置的石墨发热板8，多层石墨发热板8电路串联可以用两层或者多层石墨发热板8并联后整体再串联，相邻两个石墨发热板8之间螺纹连接有短耐火支撑9和短石墨导电板10，短耐火支撑9和短石墨导电板10关于挡风套管11轴线对称，在加热过程中结构更加稳定。根据具体工艺温度目标及应用场景设计加热装置内石墨发热板8层数，短耐火支撑9和短石墨导电板10热膨胀系数都很小且相近，能保证升温过程中结构的稳定性。每个石墨发热板8两侧的短耐火支撑9异端设置，底端的石墨发热板8与底部导电石墨板6之间通过长石墨导电板7和长耐火支撑13螺纹连接，顶端的石墨发热板8与顶部导电石墨板14之间通过长石墨导电板7和长耐火支撑13螺纹连接，每个石墨发热板8中心均开有栅格孔，被加热气体从栅格孔中间流过，石墨发热板8中心开有栅格孔增大了石墨发热板8自身电阻且加热集中，利于气体加热。

短耐火支撑9和长耐火支撑13为氮化硅结合碳化硅材质，具有优良的抗热震性、耐高温、热膨胀系数小以及承载能力强的优点，采用氮化硅结合碳化硅材质是因为短耐火支撑9和长耐火支撑13主要起到支撑的作用，煤气加热装置内工作时温度达到上千摄氏度，其次石墨发热板8通电加热时整体电路是一个串联的形式，如果短耐火支撑9和长耐火支撑13采取非绝缘物体会使得整体电路结构变成并联的形式，由于串联的电阻比并联的总电阻大，所以石墨的升温效果会受到较大影响；并且氮化硅结合碳化硅材质具有热膨胀系数小的特点，在高温加热时不会受到高温影响而导致变形；长石墨导电板7和短石墨导电板10都采用石墨材质是为了通电时连通相邻的石墨发热板8形成串联电路；耐火支撑和导电石墨板热膨胀系数都很小且相近，能保证升温过程中结构的稳定性。

压力外筒1与挡风套管11、顶部导电石墨板14和底部导电石墨板6之间均填充有保温层12，进气法兰与进气管之间设有保温层12，出气法兰与出气管之间设有保温层，保温层12选用陶瓷纤维，进气管和出气管均选用陶瓷管，能有效减小保温层12被高温高压气体冲刷，延长设备寿命。

压力外筒1与挡风套管11之间，进气法兰与进气管之间，出气法兰与出气管之间都填充有陶瓷纤维加工成的保温层12，保温层12厚度为300mm左右，可使加热区域温度在1366℃时外筒温度降低至66℃左右；石墨电极棒3处的保温层12厚度为400mm左右，石墨电极棒3温度降至156℃以下，在此温度下可采用金属和石墨电极棒3直接压接，在加热过程中，不会造成连接松动。

顶部导电石墨板14与挡风套管11的内径相匹配，顶部导电石墨板14的顶部压有保温层12，顶部导电石墨板14在加热过程中不会因为气体的冲击而造成晃动。

本发明的工作过程具体如下：

本发明工作时，将最上层和最下层石墨发热板8通过线路与外部电源连接，调整电源电压和石墨发热板8层数，使相邻石墨发热板8之间的电压在5V以下，石墨发热板8与电压之间的关系如式（1）和式（2）所示：

式（1）中，P：发热功率，单位为w；U：电源电压，单位为v；R：石墨发热板8的电阻，单位为Ω；

式（2）中，：石墨电阻率，单位为Ω·m；L：石墨发热板8长度，单位为m；S：石墨发热板8的横截面积，单位为㎡。

因为煤气在加热至在一定温度区间时就会产生析碳反应，将相邻石墨发热板8之间的电压控制在5V以下时，电压越低积碳越不容易被击穿，也就不会因为积碳击穿而造成短路使得电气损伤，随着积碳量的增加还是需要清理积碳；被加热气体从底部的进气管流入，通过与石墨发热板8换热后从出气管流出，相邻两层石墨发热板8之间，一侧利用短石墨导电板10连接，另一侧用陶瓷材质的短耐火支撑件9连接，根据具体工艺温度目标及应用场景设计加热装置内加热器层数，最上一层石墨发热板8通过长石墨导电板7与长耐火支撑件13和顶部导电石墨板14连接，再通过石墨电极棒3引出。

顶部导电石墨板14顶部的保温层12，在重力作用下，底层的石墨发热板8和底部导电石墨板6紧密接触，能有效降低接触电阻，减少连接部位的发热。

在加热煤气时会发生积碳现象，在一定温度区间范围内，当温度低于 566 ℃时，析碳反应速度随温度的升高而增加；当温度从 566 ℃ 升到一定温度时，碳相团簇逐渐消失，析出的碳逐渐形成单个颗粒相；当高于此温度时，反应速度随温度的升高而下降，所以当加热煤气的温度越高时，产生的析碳反应也就越轻微；析碳反应包括CO分解析碳反应以及CO和H₂的混合析碳反应，析出的碳会附着在发热元件和绝缘元件表面，当积碳量达到一定程度时，装置需停机检修，清理积碳。

本发明的工作原理具体如下：

通过对石墨发热板8导电使石墨发热板8升温至一定温度区间，整体装置采取密闭环境，对煤气进行加热时，由于装置内无氧气，石墨发热板8并不会发生反应，石墨发热板8与煤气之间有温差，就会发生热传递，煤气从而可以被加热至较高温度。

本发明利用电加热原理，可以将煤气等还原性气体加热至一定温度区间；整个装置的高温部分不含金属材料，可适用于高温下不与石墨反应的气体；应用场景范围广，不仅可以应用于高炉等还原性气体的加热场景，相同原理下，也可以调整加热器材料应用于各类需要预加热的工业气体场景；气体压力可实现从常压到高压，流量可实现低流量至高流量，且密封效果好，不影响气体纯度，也避免危险气体泄漏或混合后爆炸等现象。

Claims (8)

1.煤气电加热装置，其特征在于，包括压力外筒（1），所述压力外筒（1）为金属筒状压力容器，所述压力外筒（1）两端开口均螺栓连接有封头法兰（2），所述压力外筒（1）内腔靠近底部处固接有底托固定板（4），所述底托固定板（4）中心开有通孔，所述底托固定板（4）上表面抵接有耐火绝缘支撑筒（5），所述耐火绝缘支撑筒（5）顶端抵接有底部导电石墨板（6），所述底部导电石墨板（6）下表面螺纹连接有石墨电极棒（3），所述石墨电极棒（3）穿过所述耐火绝缘支撑筒（5）和底托固定板（4）中心，所述底部导电石墨板（6）上表面抵接有挡风套管（11），所述挡风套管（11）内设有加热模块，所述加热模块顶部和底部均螺纹连接有长石墨导电板（7）和长耐火支撑（13），所述加热模块底部通过长石墨导电板（7）和长耐火支撑（13）与底部导电石墨板（6）螺纹连接，所述加热模块顶部通过长石墨导电板（7）和长耐火支撑（13）螺纹连接有顶部导电石墨板（14），所述顶部导电石墨板（14）背离加热模块的一侧螺纹连接有石墨电极棒（3），所述压力外筒（1）侧壁上固接有进气法兰和出气法兰，所述进气法兰和出气法兰均采用同种法兰标准，所述进气法兰内设有进气管，所述进气管贯穿挡风套管（11）且位于底部导电石墨板（6）和加热模块之间，所述出气法兰内设有出气管，所述出气管贯穿挡风套管（11）且位于顶部导电石墨板（14）和加热模块之间；

加热模块包括若干沿着所述挡风套管（11）轴向布置的石墨发热板（8），相邻两个石墨发热板（8）之间螺纹连接有短耐火支撑（9）和短石墨导电板（10），所述短耐火支撑（9）和短石墨导电板（10）关于挡风套管（11）轴线对称，每个石墨发热板（8）两侧的短耐火支撑（9）异端设置，底端的石墨发热板（8）与底部导电石墨板（6）之间通过长石墨导电板（7）和长耐火支撑（13）螺纹连接，顶端的石墨发热板（8）与顶部导电石墨板（14）之间通过长石墨导电板（7）和长耐火支撑（13）螺纹连接，每个石墨发热板（8）中心均开有栅格孔，多层所述石墨发热板（8）电路串联用两层或多层石墨发热板（8）并联后整体再串联；

相邻两个石墨发热板（8）之间的电压不高于5V，所述石墨发热板（8）与电压之间的关系如式（1）和式（2）所示：

式（1）中，P：发热功率，单位为w；U：电源电压，单位为v；R：石墨发热板（8）的总电阻，单位为Ω；

式（2）中，：石墨电阻率，单位为Ω·m；L：石墨发热板（8）长度，单位为m；S：石墨发热板（8）的横截面积，单位为㎡。

2.根据权利要求1所述的煤气电加热装置，其特征在于，所述短耐火支撑（9）具体为氮化硅结合碳化硅材质。

3.根据权利要求1所述的煤气电加热装置，其特征在于，所述压力外筒（1）与封头法兰（2）连接形成的空间为密闭环境。

4.根据权利要求1所述的煤气电加热装置，其特征在于，所述压力外筒（1）与挡风套管（11）之间均填充有保温层（12），所述进气法兰与进气管之间设有保温层（12），所述出气法兰与出气管之间设有保温层（12），所述保温层（12）厚度为300mm。

5.根据权利要求4所述的煤气电加热装置，其特征在于，所述保温层（12）选用陶瓷纤维，所述进气管和出气管均选用陶瓷管。

6.根据权利要求1所述的煤气电加热装置，其特征在于，所述压力外筒（1）与顶部导电石墨板（14）和底部导电石墨板（6）之间均填充有保温层（12），且保温层（12）厚度为400mm。

7.根据权利要求1所述的煤气电加热装置，其特征在于，所述压力外筒（1）与封头法兰（2）之间设有密封垫。

8.根据权利要求1所述的煤气电加热装置，其特征在于，所述顶部导电石墨板（14）的外径与挡风套管（11）的内径相匹配。