CN117006845A - 一种高效快冷的石墨化炉 - Google Patents
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Abstract
一种高效快冷的石墨化炉，包括加热电极、端墙、侧墙、保温层、焙烧料层(或石墨层)、绝缘耐火隔离模块、冷却模块、导热填料层、进口控制阀、出口阀门、进口集合管、出口集合管及测试探头。本发明冷却周期短，安全性高，对原有的石墨料生产工艺影响小，可以在保护石墨料和冷却管的同时提高石墨化炉的产量，具有较高的社会经济价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨化炉，尤其是一种能高效取热、快速冷却的石墨化炉，具体地说是一种高效快冷的石墨化炉。
背景技术
石墨化炉是一种将炭材料进行高温石墨化的设备，其产品是生产电池负极、金刚石和金属冶金增碳的优质原材料。在生产过程中，石墨化炉的内部温度可达3200℃。加热完毕后，需待物料冷却至400℃～500℃左右方可起炉。在目前的生产实践中，大型石墨化炉一般通过自然冷却的方式进行降温，这一阶段至少需要28天，占石墨料生产周期的90％以上，严重降低了石墨化炉的生产效率。因此，为了提高物料冷却效率，需要开发能够快速冷却的石墨化炉。
通过深入石墨化炉内部设置热管将冷却阶段的热量及时排出是对石墨化炉进行快速冷却的有效方法，现有技术通过设置换热管的方式主动对石墨化炉冷却阶段的热量进行回收利用。专利CN203807179U通过在石墨化炉内部设置冷却盘管进行取热，可以实现石墨化炉的冷却和余热利用，但是该专利直接将冷却管路内埋于保温料层，这导致冷却管路在石墨化炉送电升温时易受损坏。专利CN217654318U在石墨化炉边墙设置了一组余热管路盘管，在石墨化炉停电冷却时，对边墙的余热进行了回收，但是将管路安置于炉体外墙中的做法影响管路冷却效果的同时又破坏了原本的石墨炉炉体结构，改造工艺复杂。这些技术缺陷阻碍了石墨化炉热管冷却的进一步推广。
发明内容
本发明目的是针对目前石墨化炉冷却时低效与不安全的问题，设计一种能高效快冷的石墨化炉。在石墨化炉两侧布置多个冷却模块，在冷却模块中循环吸热工质将石墨化炉内部的热量强制排出炉外，达到高效冷却石墨化炉的效果。
本发明的技术方案是：
一种能高效冷却的石墨化炉，其特征是：它包括加热电极、端墙、侧墙、保温层、焙烧料层(或石墨层)、绝缘耐火隔离模块、冷却模块、导热填料层、进口控制阀、出口阀门、进口集合管、出口集合管及测试探头。在炉子的中心部位为焙烧料层(或石墨层)，焙烧料层的上部、下部及四周为保温层，保温层的外部为炉墙，处于石墨化炉短边的炉墙为端墙，沿长边方向的为侧墙。加热电极安装在端墙上。在焙烧料层与侧墙之间的保温料层中，沿炉墙长度方向，放置一个或多个绝缘耐火隔离模块，绝缘耐火隔离模块与侧墙一起构成单个或多个独立空间。冷却模块置于绝缘耐火隔离模块与侧墙构成的独立空间中，冷却模块为金属直管或蛇形盘管，内部走冷却工质。因绝缘模块为绝缘材料，所以当石墨化炉通电升温时，可确保焙烧料层及保温层中的电流不传递至冷却模块，无触电风险。冷却模块与绝缘耐火隔离模块中间的间隙填充导热填料层，导热填料层的材料为颗粒状导热绝缘材料。每个冷却模块的入口设置有进口控制阀，出口设置有出口阀门，各冷却模块为并联关系。单个或多个冷却模块的入口及出口分别设置进、出口集合管，通过进口集合管将低温冷却工质均匀导入到各冷却模块，通过出口集合管将升温后的冷却工质汇总导出到炉外，送至余热利用装置，或者送至凉水塔散掉余热。导热填料层内置有测试探头，可以实时监测冷却模块有无泄漏，一旦有泄露情况，关闭该冷却模块的入口控制阀及出口阀门，切断该模块与其他模块的联系，防止事故扩大，同时不影响其他模块正常运行。
作为一种优选方案，颗粒状导热填料层也可以与冷却模块浇筑成一个整体，直接放入绝缘耐火隔离模块中。
作为一种优选方案，根据需要，各冷却模块可以串联运行，也可以先串联后并联或者先并联后串联运行，从而实现冷却模块内冷却工质的温度调节。
作为一种优先方案，为了强化冷却模块的冷却效果，冷却模块的直管或蛇形管可以采用翅片管、波纹管、螺纹管等强化传热的高效换热管。
作为一种优选方案，将冷却模块的相邻蛇管用薄钢板连接，钢板与蛇管之间通过焊接固定，钢板与蛇形换热管一起形成片状管排。该片状管排一方面可以强化传热，另一方面可以将侧墙与导热填料层隔离，如此侧墙在工作时温度较低，厚度可以减薄，从而节省建设费用。
石墨化炉生产过程分升温石墨化阶段和降温冷却阶段。在升温石墨化阶段，石墨化炉两端的加热电极对焙烧料层通电，利用电流的热效应对焙烧料层进行加热升温，焙烧料层的上部、下部及四周的保温料层对焙烧料层进行保温，随着电极的加热，当焙烧料层温度升高至3000℃以上，焙烧料层的料完全变成石墨，完成了物料的石墨化，焙烧料层也变为了石墨层，随后停止供电加热，进入石墨层的冷却阶段。在冷却阶段，石墨层的热量通过热传导，经保温层、绝缘耐火隔离模块及导热填料层进入到冷却模块中，加热冷却模块内的冷却工质，冷却工质升温并将炉内热量带出，从而加速石墨化炉的冷却。每组冷却模块的进口处设置有控制阀，可以通过控制阀控制冷却模块内循环工质的流量，实现取热功率的动态调整。冷却工质可以为水、熔盐或者导热油。
本发明的有益效果是：
1、带有冷却模块的石墨化炉可以实现快速冷却，从而缩短石墨料的生产周期，大幅提高石墨化炉的产量。
2、采用绝缘耐火隔离模块，升温阶段起到保温作用，降温阶段起到导热作用；其绝缘性能可有效隔离冷却模块与保温层，当石墨化炉通电时，冷却模块不会带电，没有触电风险。
3、绝缘耐火隔离模块、导热填料层及冷却模块均为模块化设计，通过布置不同数量的模块，可以应用于不同大小的石墨化炉，即可用于新炉建造也可用于老炉改造。同时因为模块化生产，规格尺寸相同，生产效率高，质量可靠。
4、导热填料层放置测试仪表，实时监测工质是否泄露。若出现工质泄露的情况，可以立即通过控制阀切断冷却工质供应，防止事故扩大化。同时，冷却模块外面的绝缘耐火隔离模块、导热填料也有一定的工质吸收阻隔能力，可以阻止冷却工质与高温石墨料接触发生反应，生成可燃性气体从而引发喷炉或爆炸的危险。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为图1的俯视图。
图3本发明的冷却模块及进口、出口集管的主视图。
图4为图1的左视图.
图5为本发明的冷却模块串联运行示意图。
图6为本发明的冷却模块先串联后并联运行示意图。
图7为本发明的冷却模块先并联后串联运行示意图。
图8为本发明的翅片管式蛇管示意图。
图9为本发明的管片式蛇管示意图。
图10为本发明的冷却模块试验装置取热功率。
图中：1-加热电极，2-端墙，3-侧墙，4-保温层，5-焙烧料层(或石墨层)，6-绝缘耐火隔离模块，7-冷却模块，8-导热填料层，9-进口控制阀，10-出口阀门，11-进口集合管，12-出口集合管，13-测试探头。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步有说明。
如图1-10所示。
一种高效快冷石墨化炉，其结构形式包括加热电极1、端墙2、侧墙3、保温层4、焙烧料层(或石墨层)5、绝缘耐火隔离模块6、冷却模块7、导热填料层8、进口控制阀9、出口阀门10、进口集合管11、出口集合管12及测试探头13，如图1、2、4。在炉子的中心部位为焙烧料层(或石墨层)5，焙烧料层的上部、下部及四周为保温层4，保温层的外部为炉墙，处于石墨化炉短边的炉墙为端墙2，沿长边方向的为侧墙3。加热电极1安装在端墙2上。在焙烧料层5与侧墙3之间的保温层4中，沿炉墙长度方向，放置一个或多个绝缘耐火隔离模块6(如图2)，绝缘耐火隔离模块6与侧墙3一起构成单个或多个独立空间。绝缘耐火隔离模块6的材料由Al2O3、Cr2O3、MgO、Fe2O3等金属氧化物配比而成，通过以上金属氧化物配比而成的绝缘耐火隔离材料具有以下特性：耐热不导电，温度较低时导热系数低，可作为保温材料，温度高时导热系数高，可作为导热材料。这种特性正好与石墨化炉的生产工艺相匹配，通电升温阶段，需要保温，此时绝缘耐火隔离模块6温度较低，导热系数低，该模块保温效果好，通电结束需要降温时，绝缘耐火隔离模块的温度已经上升到1000度以上，此时绝缘耐火隔离模块导热系数高，散热快，有利于石墨化炉的降温。
在实际生产中，用绝缘耐火隔离模块取代大部分导热系数低的保温层，利用绝缘耐火隔离模块低温保温、高温导热的特性，可以加速石墨层在冷却阶段的冷却速度。
冷却模块置7(如图3、5、6)位于绝缘耐火隔离模块6与侧墙3构成的独立空间中，冷却模块7为金属直管或蛇形盘管(如图8、9)，内部走冷却工质。因绝缘耐火隔离模块6为绝缘材料，所以当石墨化炉通电升温时，可确保焙烧料层5及保温层4中的电流不传递至冷却模块7，无触电风险。
冷却模块7与绝缘耐火隔离模块6中间的间隙填充导热填料层8，导热填料层8的材料为颗粒状导热绝缘材料。每个冷却模块的入口设置有进口控制阀9，出口设置有出口阀门10，各冷却模块7可为并联关系(也可为串联运行，还可以先串联后并联或者先并联后串联运行，从而实现冷却模块内冷却工质的温度调节，如图5-7所示)。单个或多个冷却模块的入口及出口分别设置进、出口集合管，通过入口集合管11将低温冷却工质均匀导入到各冷却模块7，通过出口集合管12将升温后的冷却工质汇总导出到炉外，送至余热利用装置，或者送至凉水塔散掉余热。
导热填料层8内置有测试探头13，可以实时监测冷却模块有无泄漏，一旦有泄露情况，通过关闭该冷却模块的进口控制阀9及出口阀门10，切断该模块与其他模块的联系，防止事故扩大，同时不影响其他模块正常运行。
在一些实施例中，将冷却模块7的相邻蛇管用薄钢板连接，如图9所示，薄钢板与蛇管之间通过焊接固定，薄钢板与蛇形换热管一起形成片状管排。因钢板导热性良好，由导热填料层8传导过来的热量会迅速传递至冷却模块7中，即薄钢板和蛇形换热管形成的片状管排得到冷却工质的充分冷却，片状管排与导热填料层相比，温度要低300～500℃，通过该低温片状管排将侧墙与导热填料层8分割开，侧墙不再直接面对导热填料层的高温，即侧墙在工作时温度较低，厚度可以大幅减薄，从而节省建设费用。另一方面，因焊接了薄钢板，增加了换热面积，该片状管排也可以强化传热，增强冷却效果。
下面以冷却模块为换热盘管和管内换热工质采用水为例子进行详细说明。
在炉墙外，通过管道泵或其他取水方式经过进口控制阀9将水打入换热盘管中，调节进口控制阀9的开度可以控制管道内水流量大小。利用绝缘耐火材料在炉侧墙围出多个空隙后放入换热盘管，接着在换热盘管与绝缘耐火材料空隙中填充导热填料。在导热填料填充的同时，石墨炉内可以同步进行保温料的敷设。通电加热时，绝缘耐火材料与导热填料保护换热盘管不带电。加热完毕后，热量由内部石墨料传递至保温料，再传递至绝缘耐火材料后经由导热填料传递至换热盘管。管内循环水在吸收热量升温后排出炉外，送至余热利用装置回收余热，或者送至凉水塔散掉余热。
在石墨化炉侧墙设置了单个冷却模块以对该系统进行测试。在停电冷却后约8小时，炉墙边的保温料的温度达到峰值，约1300℃～1400℃。图10为停电冷却后一段时间内通过测量进出口水温与流量后计算的取热功率随时间的变化情况，最高的取热功率约41kW，平均取热功率约34kW。预估沿炉墙长度方向在两侧共可布置约20个冷却模块，总的冷却功率约680kW。石墨化炉的自然冷却功率按照最高表面温度进行计算约1.6MW，因此，保守估计，采用该种形式可以节约冷却时间40％左右。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种高效快冷的石墨化炉，其特征是：它包括加热电极、端墙、侧墙、保温层、焙烧料层、绝缘耐火隔离模块、冷却模块、导热填料层、进口控制阀、出口阀门、进口集合管、出口集合管及测试探头，焙烧料层位于炉体中心，焙烧料层的上部、下部及四周为保温层，保温层的外部为炉墙，处于石墨化炉短边的炉墙为端墙，沿长边方向的为侧墙；加热电极安装在端墙上；在焙烧料层与侧墙之间的保温料层中，沿炉墙长度方向放置一个或多个绝缘耐火隔离模块，绝缘耐火隔离模块与侧墙一起构成单个或多个独立空间；冷却模块置于绝缘耐火隔离模块与侧墙构成的独立空间中，因绝缘模块为绝缘材料，所以当石墨化炉通电升温时，可确保焙烧料层及保温层中的电流不传递至冷却模块，无触电风险；冷却模块与绝缘耐火隔离模块中间的间隙填充导热填料层；每个冷却模块的入口设置有进口控制阀，出口设置有出口阀门，各冷却模块为并联关系；单个或多个冷却模块的入口及出口分别设置进、出口集合管，通过进口集合管将低温冷却工质均匀导入到各冷却模块，通过出口集合管将升温后的冷却工质汇总导出到炉外，送至余热利用装置，或者送至凉水塔散掉余热；导热填料层内置有测试探头，以实时监测冷却模块有无泄漏，一旦有泄露情况，关闭该冷却模块的入口控制阀及出口阀门，切断该模块与其他模块的联系，防止事故扩大，同时不影响其他模块正常运行。
2.根据权利要求1所述的高效快冷的石墨化炉，其特征是：所述的冷却模块为金属直管或蛇形盘管，内部走冷却工质。
3.根据权利要求1所述的高效快冷的石墨化炉，其特征是：所述的导热填料层的材料为颗粒状导热绝缘材料。
4.根据权利要求3所述的高效快冷的石墨化炉，其特征是：所述的颗粒状导热填料层也可以与冷却模块浇筑成一个整体，直接放入绝缘耐火隔离模块中。
5.根据权利要求1所述的高效快冷的石墨化炉，其特征是：所述的冷却模块串联相连或先串联后并联或者先并联后串联连接，从而实现冷却模块内冷却工质的温度调节。
6.根据权利要求2所述的高效快冷的石墨化炉，其特征是：冷却模块的直管或蛇形管采用翅片管、波纹管、螺纹管。
7.根据权利要求1所述的高效快冷的石墨化炉，其特征是：冷却模块的相邻蛇管用薄钢板连接，钢板与蛇管之间通过焊接固定，钢板与蛇形换热管一起形成片状管排；该片状管排一方面可以强化传热，另一方面可以将侧墙与保温层完全隔离，如此侧墙在工作时温度较低，厚度可以减薄，从而节省建设费用。
8.根据权利要求1所述的高效快冷的石墨化炉，其特征是：冷却工质为水、熔盐或者导热油；石墨化炉生产过程分升温石墨化阶段和降温冷却阶段；在升温石墨化阶段，石墨化炉两端的加热电极对焙烧料层通电，利用电流的热效应对焙烧料层进行加热升温，焙烧料层的上部、下部及四周的保温料层对焙烧料层进行保温，随着电极的加热，当焙烧料层温度升高至3000℃以上，焙烧料层的料完全变成石墨，完成了物料的石墨化，焙烧料层也变为了石墨层，随后停止供电加热，进入石墨层的冷却阶段；在冷却阶段，石墨层的热量通过热传导，经保温层、绝缘耐火隔离模块及导热填料层进入到冷却模块中，加热冷却模块内的冷却工质，冷却工质升温并将炉内热量带出，从而加速石墨化炉的冷却；每组冷却模块的进口处设置有控制阀，通过控制阀控制冷却模块内循环工质的流量，实现取热功率的动态调整。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Addressee: Zhao Xiaobao Document name: Notification of Qualified Preliminary Examination of Invention Patent Application |
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| PB01 | Publication | ||
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Addressee: Zhao Xiaobao Document name: Notice of Publication of Invention Patent Application |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20240910 Address after: 211112 no.2111 Chengxin Avenue, Science Park, Jiangning District, Nanjing City, Jiangsu Province Applicant after: Sunpower technology (JiangSU) Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: Unit 202, Building 8, Yunjin Xinju, Daqu Street, Yanhu District, Yuncheng City, Shanxi Province, 044000 Applicant before: Zhao Xiaobao Country or region before: China |
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| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Zhao Xiaobao Document name: Notice of Qualified Procedures |