CN117448988A - 一种气流加热装置、氧化炉及其运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及氧化炉技术领域，尤其涉及一种气流加热装置、氧化炉及其运行控制方法，该加热装置包括：入口热电偶，设置在腔室的工艺气流入口处；燃烧换热机构，包括燃烧室和与燃烧室连通的换热管，燃烧室用于可燃气体的燃烧；换热管沿工艺气流流动的方向排布，燃烧室内的高温气体从燃烧室进入至换热管后排出至外界，工艺气流经过燃烧室和换热管的外表面以进行热交换；电加热管，设置在燃烧室的下游，用于对工艺气流进行加热；出口热电偶，设置在腔室的工艺气流出口处；燃烧室和电加热管分别独立运行或按需求耦合运行。本发明通过设置燃烧换热机构和电加热管混合的方式实现对成本的控制，并且通过运行方法的控制实现了对能源的节约。

Description

一种气流加热装置、氧化炉及其运行控制方法

技术领域

本发明涉及氧化炉技术领域，尤其涉及一种气流加热装置、氧化炉及其运行控制方法。

背景技术

氧化炉是碳纤维原丝实现有机-无机结构转变中起到承上启下作用的重要设备，其实施方式为：在空气氛围中对碳纤维原丝在一定温度梯度的热环境下进行较长时间的热处理，使碳纤维原丝成为具有耐热稳定化结构的纤维。

相关技术中，工业规模的碳纤维生产线一般有四到六台氧化炉，按照工艺要求氧化炉可在180~300℃间设定不同温度，即为碳纤维生产的四到六个温区，由此可见，碳纤维生产线氧化炉是高耗能设备。常规的氧化炉中，多采用电能供热，电能供热具有调节灵敏度高、稳定性好等优点，然而发明人发现，上述电加热方式所需的电费成本较高，不利于降低碳纤维的生产成本。

发明内容

鉴于以上技术问题中的至少一项，本发明提供了一种气流加热装置、氧化炉及其运行控制方法，采用加热装置的改进以降低碳纤维生产成本。

根据本发明的第一方面，提供一种气流加热装置，设置于氧化炉工艺气流流经的腔室内，包括：

入口热电偶，设置在腔室的工艺气流入口处，用于入口处工艺气流温度的测量；

燃烧换热机构，包括燃烧室和与所述燃烧室连通的换热管，所述燃烧室用于可燃气体的燃烧；所述换热管沿工艺气流流动的方向排布，所述燃烧室内的高温气体从所述燃烧室进入至所述换热管后排出至外界，所述工艺气流经过所述燃烧室和所述换热管的外表面以进行热交换；

电加热管，设置在所述燃烧室的气流流动方向的下游，用于对工艺气流进行加热；

出口热电偶，设置在腔室的工艺气流出口处，用于出口处工艺气流温度的测量；

其中，所述燃烧室和所述电加热管分别独立运行或按需求耦合运行。

在本发明的一些实施例中，还包括与所述燃烧室连通的燃烧器和燃烧控制器，可燃气体经过所述燃烧控制器与新鲜空气混合后进入至所述燃烧器内。

在本发明的一些实施例中，还包括燃气出口，所述燃气出口与所述换热管连通。

在本发明的一些实施例中，所述换热管平行间隔设置有多个，多个所述换热管端的同一端连通，多个所述换热管的另一端的一半同时与所述燃烧室连通，另一半同时与所述燃气出口连通，以实现高温燃气的迂回流动。

在本发明的一些实施例中，所述燃烧室的横截面包括弧面和尖端，，所述燃烧室的弧面朝向工艺气流来流方向，所述燃烧室的尖端朝向所述换热管设置。

在本发明的一些实施例中，所述燃烧室的尖端为弧面或者平面结构。

在本发明的一些实施例中，所述燃烧换热机构的高度低于所述腔室的高度，所述电加热管的高度高于所述燃烧换热机构的高度，所述腔室上还固定有挡板，用于引导工艺气流从所述燃烧换热机构所在区域流过。

在本发明的一些实施例中，所述燃烧换热机构的高度与所述电加热管的高度相同，所述电加热管设置在所述换热管的下游处或者与所述换热管交错布置。

根据本发明的第二方面，还提供了一种氧化炉，包括主腔室、设置在所述主腔室中间的中央分配器、设置在所述主腔室两端的回风腔、与两所述回风腔以及所述中央分配器连通的侧腔室；

所述侧腔室内具有用于将所述侧腔室内的工艺气流吹入至所述主腔室的离心风机，还具有如第一方面中任一项所述的气流加热装置，所述气流加热装置的外侧还具有滤网。

根据本发明的第三方面，还提供了一种氧化炉的运行控制方法，包括以下步骤：

根据氧化炉运行工艺工况设定所需工艺气流的温度；

根据入口热电偶和出口热电偶测量数据的平均温度设定混合加热功率；

根据当前时刻电价和天然气价格进行调节，当电价处于谷电期时采用电加热管进行加热；当电价进入高峰期时，先同步打开燃烧换热机构和电加热管，再逐步降低电加热管的功率同时提升燃烧换热机构的功率，并逐步过渡到全部使用燃烧换热机构进行加热；当电价处于平价期时，采用纯电、纯天然气或者电和天然气耦合的方式进行加热。

本发明的有益效果为：本发明通过在氧化炉腔室内同时设置了燃烧换热机构和电加热管的方式，采用电加热和天然气加热分时段单独或者耦合启动的方式，来降低电量，从而降低碳纤维的生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例中气流加热装置的俯视结构示意图；

图2为本发明实施例中气流加热装置的原理的结构示意图；

图3为本发明实施例中气流加热装置的一种侧视结构示意图；

图4为本发明实施例中气流加热装置的又一种侧视结构示意图；

图5为本发明实施例中气流加热装置的再一种侧视结构示意图；

图6为本发明实施例中氧化炉的俯视结构示意图；

图7为本发明实施例中氧化炉的运行控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图5所示的气流加热装置，设置于氧化炉工艺气流3流经的腔室内，这里需要指出的是，在本发明实施例中，气流加热装置可以设置在氧化炉的端部、氧化炉侧腔室12、氧化炉底部腔室或者顶部腔室，根据氧化炉循环热风（即本申请中的工艺气流3）的循环方式进行选择，在本发明实施例中，如图1中所示，该气流加热装置包括入口热电偶711、燃烧换热机构、电加热管714和出口热电偶715；请继续参照图1，在本发明实施例中，入口热电偶711设置在腔室的工艺气流3入口处，用于入口处工艺气流3温度的测量；

燃烧换热机构包括燃烧室712和与燃烧室712连通的换热管713，燃烧室712用于可燃气体的燃烧；换热管713沿工艺气流3流动的方向排布，燃烧室712内的高温气体从燃烧室712进入至换热管713后排出至外界，工艺气流3经过燃烧室712和换热管713的外表面以进行热交换；在本发明的一些实施例中，可燃气体为天然气，这里需要指出的是，天然气仅在燃烧室712和换热管713中流通，与腔室内的工艺气流3不接触，仅作换热用；

请继续参照图1，在本发明实施例中，电加热管714设置在燃烧室712的气流流动方向的下游，用于对工艺气流3进行加热；这里需要指出的是，电加热管714为现有技术，在本申请中对其内部的具体构造以及加热原理不再进行赘述；出口热电偶715设置在腔室的工艺气流3出口处，用于出口处工艺气流3温度的测量；这里需要指出的是，在本发明实施例中，入口热电偶711和出口热电偶715可分别布置多个，从而在具体进行计算时，可以对入口热电偶711或者出口热电偶715进行求平均值或者去除最高值和最低值以后的数据作为气流加热装置72调节的基准。

在本发明实施例中，燃烧室712和电加热管714分别独立运行或按需求耦合运行。在具体进行运行时，根据时刻的电价和天然气价格进行调节，当电价较高时，采用天然气进行单独运行，当电价较低时，采用电加热管714进行单独运行，在对电量进行限控时，或者电价与天然气价格相当时，可以采用电加热和天然气加热同步运行的方式；此外，这里需要指出的是，在本发明实施例中，电加热和天然气加热均可以进行功率的调节。

在本发明实施例中，通过在氧化炉腔室内同时设置了燃烧换热机构和电加热管714的方式，采用电加热和天然气加热分时段单独或者耦合启动的方式，来降低电量，从而降低碳纤维的生产成本。

在上述实施例的基础上，请继续参照图2，本发明实施例中的燃烧换热机构还包括与燃烧室712连通的燃烧器731和燃烧控制器732，可燃气体经过燃烧控制器732与新鲜空气混合后进入至燃烧器731内。在具体进行工作时，天然气经过燃烧控制器732后进入制燃烧器731内，与新鲜空气混合后点火燃烧，产生的高温气体从燃烧室712进入至换热管713中；在本发明实施例中，还包括燃气出口713-1，燃气出口713-1与换热管713连通。流经换热管713后的高温气体流出至燃气出口713-1，最后经烟囱排出。

请继续参照图2和图3，在本发明实施例中，换热管713平行间隔设置有多个，多个换热管713端的同一端连通，多个换热管713的另一端的一半同时与燃烧室712连通，另一半同时与燃气出口713-1连通，以实现高温燃气的迂回流动。即在高温气体从燃烧室712进入制换热管713中，如图2中所示，高温气体先一同进入至左半边换热管713中，然后往前移动，移动至另一端后再进入右半边的换热管713中最终流出，通过该种方式的设置，如图3中所示，工艺气流3从多个换热管713中间的间隙中流过，增加了换热面积，并且通过多根换热管713同时流通的方式，与单根管道循环往复的方式相比，也降低了流动过程中的热阻。

在上述实施例的基础上，请继续参照图3至图5，在本发明实施例中，燃烧室712不仅起到燃烧天然气的作用，同时还具备换热的功能，燃烧室712的横截面包括弧面和尖端，例如在本发明的一些实施例中，燃烧室712的截面呈水滴型设置，燃烧室712的弧面朝向工艺气流3来流方向，燃烧室712的尖端朝向换热管713设置。根据伯努利原理，流体在经过弧面时弧面的一侧压力小，气压会将气流推向弧面的方向，使得气流贴着燃烧室712的表面移动，通过该种结构形式，能够最大范围的提高高温燃气与工艺气流3的换热面积，同时降低气流压损，此外，在本发明实施例中，由于燃烧室712的尖端朝向换热管713设置，由于工艺气流3贴合这水滴形燃烧室712的表面，也为工艺气流3的流动起到了导向的作用，方便工艺气流3进入至换热管713以及电加热管714中。此外，在本发明实施例中，为了能够保证气流的平稳流动，在燃烧室712的尖端设置为弧面或者平面结构。当然这里还需要指出的是，在本发明实施例中，燃烧室的截面不仅限于水滴形结构，也可以是其他能够使得气流更好的流动和换热的结构形式。

此外，在本发明实施例中，燃烧换热机构的高度低于腔室的高度，电加热管714的高度高于燃烧换热机构72的高度，腔室上还固定有挡板，用于引导工艺气流3从燃烧换热机构72所在区域流过。这里需要指出的是，为了引导气流，挡板的结构形式可以是直角、也可以是斜板或者弧形板的结构。

此外，请继续参照图4和图5，在本发明实施例中，还包括燃烧换热机构的高度与电加热管714的高度相同的情况，而且在本发明实施例中，关于电加热管714与换热管713的布置，可以是如图4中所示电加热管714设置在换热管713的下游处也可以是如图5中所示，换热管713与电加热管714交错布置。这里的交错布置，是指如图5中所示，换热管713、电加热管714交叉布置。

在本发明实施例中，还提供了如图6中所示的一种氧化炉，包括主腔室11、设置在主腔室11中间的中央分配器21、设置在主腔室11两端的回风腔41、与两回风腔41以及中央分配器21连通的侧腔室12；侧腔室12内具有用于将侧腔室12内的工艺气流3吹入至主腔室11的离心风机81，还具有上述的气流加热装置72。此外，请继续参照图6，在本发明实施例中，气流加热装置72的外侧还具有滤网61。这里需要指出的是，在本发明实施例中，氧化炉主腔室11内的工艺气流3经过两端的回风腔41后进入至氧化炉的侧腔室12，在侧腔室12中先经过滤网61，再经过本申请的气流加热装置72后进入离心风机81，而后进入至中央分配器21进行气流分布后再进入至氧化炉主腔室11，如此循环。

本发明实施例中，还提供了上述氧化炉的运行控制方法，具体如图7中所示，包括以下步骤：

S10：根据氧化炉运行工艺工况设定所需工艺气流3的温度；

S20：根据入口热电偶711和出口热电偶715测量数据的平均温度设定混合加热功率；

S30：根据当前时刻电价和天然气价格进行调节，当电价处于谷电期时采用电加热管714进行加热；当电价进入高峰期时，先同步打开燃烧换热机构72和电加热管714，再逐步降低电加热管714的功率同时提升燃烧换热机构72的功率，并逐步过渡到全部使用燃烧换热机构72进行加热；当电价处于平价期时，采用纯电、纯天然气或者电和天然气耦合的方式进行加热。

这里需要指出的是，在本发明实施例中，天然气加热指的是燃烧换热机构72燃烧天然气的加热方式，在电加热和天然气加热耦合的过程中，关于电加热和天然气加热比例的控制，优先采用天然气加热，提供80%以上的出力，电加热管714起到调峰的作用；关于纯电、纯天然气以及电和天然气加热过程中的切换，一般在纯电、纯天然气和耦合加热三种方式相互转换前1小时的时候进行过渡调节，在过渡调节过程中重点监控转换前后温度以及温差的变化情况，如果温差变化较大，则增加电加热管714的工作时长和功率；此外，在本发明实施例中，三种模式切换时还需要综合考虑所处系统的累计能耗情况，如果累计能耗过少，为了降低力调电费的罚款额，需要增加电加热器的功率和工作市场。可将年度电加热额定容量M分别划分到每个月份中Mi=M/12，并在每个月下旬时统计电加热的累积功率Mi’。当月度电加热累积功率过少时(Mi’<0.7×Mi)，此时提高电加热器的工作时间和工作功率，差距过大时直接全部使用电加热方式。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种气流加热装置，其特征在于，设置于氧化炉工艺气流流经的腔室内，包括：

入口热电偶，设置在腔室的工艺气流入口处，用于入口处工艺气流温度的测量；

燃烧换热机构，包括燃烧室和与所述燃烧室连通的换热管，所述燃烧室用于可燃气体的燃烧；所述换热管沿工艺气流流动的方向排布，所述燃烧室内的高温气体从所述燃烧室进入至所述换热管后排出至外界，所述工艺气流经过所述燃烧室和所述换热管的外表面以进行热交换；

电加热管，设置在所述燃烧室的气流流动方向的下游，用于对工艺气流进行加热；

出口热电偶，设置在腔室的工艺气流出口处，用于出口处工艺气流温度的测量；

其中，所述燃烧室和所述电加热管分别独立运行或按需求耦合运行。

2.根据权利要求1所述的气流加热装置，其特征在于，还包括与所述燃烧室连通的燃烧器和燃烧控制器，可燃气体经过所述燃烧控制器与新鲜空气混合后进入至所述燃烧器内。

3.根据权利要求1所述的气流加热装置，其特征在于，还包括燃气出口，所述燃气出口与所述换热管连通。

4.根据权利要求3所述的气流加热装置，其特征在于，所述换热管平行间隔设置有多个，多个所述换热管端的同一端连通，多个所述换热管的另一端的一半同时与所述燃烧室连通，另一半同时与所述燃气出口连通，以实现高温燃气的迂回流动。

5.根据权利要求1所述的气流加热装置，其特征在于，所述燃烧室的横截面包括弧面和尖端，所述燃烧室的弧面朝向工艺气流来流方向，所述燃烧室的尖端朝向所述换热管设置。

6.根据权利要求5所述的气流加热装置，其特征在于，所述燃烧室的尖端为弧面或者平面结构。

7.根据权利要求1所述的气流加热装置，其特征在于，所述燃烧换热机构的高度低于所述腔室的高度，所述电加热管的高度高于所述燃烧换热机构的高度，所述腔室上还固定有挡板，用于引导工艺气流从所述燃烧换热机构所在区域流过。

8.根据权利要求1所述的气流加热装置，其特征在于，所述燃烧换热机构的高度与所述电加热管的高度相同，所述电加热管设置在所述换热管的下游处或者与所述换热管交错布置。

9.一种氧化炉，其特征在于，包括主腔室、设置在所述主腔室中间的中央分配器、设置在所述主腔室两端的回风腔、与两所述回风腔以及所述中央分配器连通的侧腔室；

所述侧腔室内具有用于将所述侧腔室内的工艺气流吹入至所述主腔室的离心风机，还具有如权利要求1至8中任一项所述的气流加热装置，所述气流加热装置的外侧还具有滤网。

10.一种如权利要求9所述的氧化炉的运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据氧化炉运行工艺工况设定所需工艺气流的温度；

根据入口热电偶和出口热电偶测量数据的平均温度设定混合加热功率；

根据当前时刻电价和天然气价格进行调节，当电价处于谷电期时采用电加热管进行加热；当电价进入高峰期时，先同步打开燃烧换热机构和电加热管，再逐步降低电加热管的功率同时提升燃烧换热机构的功率，并逐步过渡到全部使用燃烧换热机构进行加热；当电价处于平价期时，采用纯电、纯天然气或者电和天然气耦合的方式进行加热。