包括在分批式炉的上游预热流体的用于操作该炉的方法

摘要

一种用于操作炉1的方法，包括由加热步骤、停止步骤以及将该停止步骤与后续加热步骤关联的重新启动步骤组成的连续循环，其中通过经由穿过腔室(20)的介质(31)与排出的烟气(10)进行间接交换而在该炉(1)的上游预热从燃料和氧化剂中选择的至少一种流体(40)，这些烟气(10)通过第一壁(21)与该腔室(20)中的介质(31)分开，并且该待预热的流体(40)通过第二壁与该腔室中的介质(31)分开；并且其中该腔室(20)中的介质(31)的流速Dm不超过在该加热步骤期间的腔室(20)中的介质(31)的流速Dm的0％、优选地75％且更优选地90％；并且在该重新启动步骤期间，该腔室中的介质(31)的流速Dm高于在该停止步骤期间的流速Dm并且进行调整以便限制在该重新启动步骤期间的第一壁(21)的加热速率，直到该第一壁(21)在该重新启动步骤结束时达到在该加热步骤期间的第一壁(21)的操作温度。

说明书

本发明涉及在炉的上游通过与从该炉中排出的烟道气体进行热交换来预热流体。

已知借助于蓄热器使用存在于排出的烟道气体中的热量在炉的上游预热燃烧空气，这些蓄热器交替地操作以下项：(a)首先将烟道气体运送穿过蓄热器以便加热蓄热器，以及(b)然后通过使燃烧空气穿过这样被加热的蓄热器而进行加热。因此，排出的烟道气体和燃烧空气穿过蓄热器内部的相同容积，但是在不同时刻穿过。出于安全原因，其中热烟道气体和待加热的流体穿过相同容积的此种方法并不适合于预热燃料或富氧氧化剂。

还已知在炉的上游通过在一个或多个热交换器(通常被称为复热器)中与排出的烟道气体进行热交换来预热燃烧氧化剂和/或燃料，其中排出的烟道气体和待加热的流体在单独的回路中循环。那么有必要确保待预热的流体的回路与排出的烟道气体的回路之间的密封性，以便避免烟道气体与流体之间的任何直接接触。在当前背景下，表达“热交换”或“热量交换”是指其中热流体与待加热的流体在单独的回路中循环而两种流体之间没有混合或直接接触的此类过程。

直接热交换与间接热交换之间有所区别。

在直接热交换期间，利用更热的流体通过跨过将待加热的流体与该更热的流体分开的壁进行热交换来加热流体。

间接热交换应被理解成是指经由中间流体在两个直接交换步骤中的热交换。

液化空气(Air Liquide)公司已经开发出这样一种预热技术并使其工业化，该预热技术特别可靠并且适于通过待预热的流体与从炉中排出的烟道气体之间的间接热交换来预热具有高含氧量的氧化剂。因此，在液化空气公司的预热技术中：

●在第一步骤中，通过跨过第一壁与烟道气体进行直接热交换来加热中间流体，以及

●在第二步骤中，通过跨过第二壁与在第一步骤中加热的中间流体进行直接热交换来预热燃烧氧气(以及在适当情况下燃料)。

WO 2006/054015中具体地描述这种技术。在连续产生足以将氧气和/或燃料预热到期望温度的热烟道气体流的炉的情况下，这种技术实现相当大的效率节约。

出于安全原因，重要的是避免各种回路之间的泄漏。此类泄漏可能起因于能够使热交换器的壁和接头脆化的热冲击以及具体地温度的突然和重复变化。

从工业炉中排出的烟道气体可以容易达到600℃与1550℃之间的温度。因此，建议使一个或多个热交换器缓慢且逐渐地达到它们的操作温度，即，逐渐地使该一个或多个热交换器的各个部分达到它们在流体的预热期间将具有的温度。

类似地，建议当炉中的燃烧关闭时和当不再从炉中排出任何热烟道气体时，使该一个或多个交换器逐渐地达到环境温度。

该一个或多个热交换器的这种加热和这种冷却可能会花费相当长的时间。

在工业中，连续式炉与分批式炉之间有所区别。

连续式炉在可能持续数月或甚至数年的整个运行期间连续地被加热。

另一方面，分批式炉的操作的特征在于以下步骤的重复循环：

a)加热步骤，在此期间通过燃料与氧化剂的燃烧来加热炉，其中产生热量和热烟道气体，所述热烟道气体随后通过排出管道从炉中排出；和

b)关闭步骤，在此期间中断燃料与氧化剂在炉中的燃烧和热烟道气体通过管道从炉中的排出。

在产生与不产生热烟道气体的时段之间的这种交替使得已知用于通过在一个或多个交换器中与排出的烟道气体进行热交换来预热燃烧反应物的方法不适合于在分批式炉上实施，因为它们导致较高、突然且重复的温度变化，尤其是在将排出的烟道气体分别与待加热的流体或中间流体分开的壁中。

本发明的目标是提供一种适合于分批式炉的间接预热技术。本发明的目标更具体地是使得能够针对分批式炉借助于间接预热技术从排出的烟道气体中可靠且有效地回收热量。

为了这个目的，本发明提出一种用于操作炉的方法，该方法包括加热步骤，在该加热步骤期间实施上述间接预热技术。因此，在加热步骤期间：

(a)将燃料和氧化剂供应到炉并且通过燃料与氧化剂的燃烧来加热炉，其中产生热量和燃烧烟道气体，这些烟道气体通过管道从炉中排出，以及

(b)在炉的上游借助于从炉中排出的烟道气体通过以下方式来预热从燃料和氧化剂中选择的至少一种流体：

●将流速Dm(>0)的液体或气体介质引入到腔室中并且通过跨过第一壁与管道中的烟道气体进行热交换来加热所述介质，该第一壁将腔室中的介质与管道中的烟道气体分开，其中得到被加热的介质，该第一壁然后具有被称为“操作温度”的温度；和

●将流速Df(>0)的待预热的流体引入到至少一根管线中，以便通过跨过第二壁与腔室中被加热的介质进行热交换来预热流体，该第二壁将该至少一根管线中的流体与腔室中被加热的介质分开。

用于操作炉的方法包括上述加热步骤、接着关闭步骤以及接着重新启动步骤的重复循环，该重新启动步骤桥接在关闭步骤与下一加热步骤之间。

在关闭步骤期间：

●中断燃料和氧化剂到炉的供应和燃料与氧化剂在炉中的燃烧，以及显然地中断烟道气体通过管道从炉中的排出。

根据本发明，从每个关闭步骤开始，即，当燃料在炉中的燃烧停止时，并且在整个关闭步骤中，腔室中的介质的流速Dm减小至少50％、优选地至少75％且更优选地至少90％。腔室中的介质的流速Dm可以具体地从每个关闭步骤开始时停止(Dm＝0)。通过这样使将管道中排出的烟道气体与中间流体分开的壁(第一壁)的冷却减慢或甚至通过限制该冷却，在每个关闭步骤开始时避免这个第一壁中的热冲击。

而且根据本发明，燃料与氧化剂在炉中的燃烧和烟道气体通过管道的排出在重新启动步骤开始时重新启动。腔室中的介质的流速Dm同时以受控方式增加并且随后进行调节以便限制将管道中的排出的烟道气体与腔室中的中间流体分开的壁(第一壁)的加热速率，直到第一壁在下一加热步骤开始时达到操作温度。

第一壁的冷却速率V_T↓和加热速率V_T↑被定义为：并且用K/s表示。

为了防止热交换器在第一壁处热脆化，冷却速率V_T↓和加热速率V_T↑不可以超过它们相应的上限V_T↓max和V_T↑max。所述上限V_T↓max和V_T↑max可以是相同或不同的(作为绝对值)。它们取决于形成第一壁的材料并且也取决于将第一壁连接到热交换器的其余部分的连接部(例如，焊缝)。具体地，某些材料或材料的组合比其他材料更好地承受温度变化。

通过在关闭步骤和重新启动步骤期间以上述方式调节中间流体的流速Dm，有可能在关闭步骤期间限制并减慢第一壁的冷却，使得V_T↓不超过V_T↓max，并且还有可能限制第一壁的加热速率V_T↑，使得它不超过V_T↑max，同时限制第一壁到达它的操作温度所需的时间。因此，本发明使得能够安全地得益于以下能量优点：利用分批式炉的设备中的排出的烟道气体中存在的热量来预热燃料或燃料氧化剂，同时限制与热交换器的(第一壁的)必要受控加热相关联的时间损失。

用于在重新启动步骤期间选择中间流体的流速Dm变化的标准是：实现第一壁的高加热速率V_T↑，同时符合所述加热速率的上限V_T↑max。

当第一壁对热冲击相当敏感时，即，当V_T↑max相对较低时，和/或当从炉排出的烟道气体的温度达到高水平而这导致第一壁的温度急速升高的重大风险时，有可能在重新启动步骤期间将中间流体的流速Dm提高到高于加热步骤开始时中间流体的流速Dm的水平，然后将该流速Dm降低到下一加热步骤开始时的后一水平。

另一方面，当第一壁的热脆化的风险相对较低，V_T↑max相对较高和/或排出的烟道气体的温度相对较低时，Dm可以在重新启动步骤期间保持低于加热步骤开始时的流速Dm。

应注意，在加热步骤期间，第一壁典型地具有在排出的烟道气体的流向上的温度分布曲线。因此，如在当前背景下使用的表达“操作温度”是指在被选作参考点的第一壁的具体位置处该壁的温度。

根据第一实施例，流速Dm在重新启动步骤期间根据预定函数而改变。这个函数可以用实验方法或者通过计算(能量平衡)来预先确定。

根据另一实施例，(例如借助于热电偶)检测第一壁的温度的梯度(随时间推移的变化)，并且作为这样确定的第一壁的加热速率V_T↑的函数来调节流速Dm，同时符合上述标准。

加热步骤可以是对炉中的原料进行热处理的步骤，例如，熔化或重新加热存在于炉中的原料。

关闭步骤可以包括(完全或部分)清空炉(在热处理之后排出原料)、接着将(完全或部分)新原料引入到炉中的步骤。

如上文已经指出，不与从炉中排出的热烟道气体直接接触的第二壁经历较小的温度变化。因此，在炉的操作期间对这个第二壁的温度变化的调节一般不那么关键。

然而，有可能特别地在重新启动步骤期间通过以下方式来限制第二壁的温度变化和/或使这些温度变化更逐步地发生：在这个重新启动步骤期间将流体的至少一部分直接供应到炉，而流体的这个至少一部分不穿过上述预热装置的至少一根管线。根据一个可能的实施例，在重新启动步骤期间供应到炉的流体分成两个部分：第一部分和第二部分。将流体的第一部分直接供应到炉，而不穿过专用于所述流体的至少一根管线。将流体的第二部分在穿过该至少一根管线之后供应到炉。然后腔室中的介质与流体之间跨过第二壁进行的热交换局限于流体的第二部分。有利地，(a)第二部分与(b)流体的第一部分和第二部分的总和(即，供应到炉的流体的总流速)之间的比率在启动步骤期间增加。优选地，在重新启动步骤结束时，流体的第二部分对应于在重新启动步骤之后的加热步骤开始时供应到炉的被预热的流体的流速。通过至少在重新启动步骤开始期间这样限制穿过该至少一根管线的流体量，使第二壁的温度变化(冷却和重新加热)在重新启动步骤期间减小并且更逐步地发生。根据一个具体实施例，第二部分在重新步骤开始时等于零。换句话说，供应到炉的全部流体使预热装置的至少一根管线短路。在重新启动步骤结束时，第一部分有利地等于零，即，供应到炉的全部流体在炉的上游穿过预热装置的至少一根管线。

典型地，在关闭步骤期间，从炉中排出被加热的原料并且将待加热的原料引入到炉中。

用作通过与排出的烟道气体进行间接交换来加热流体的热传递流体的介质有用地为气体介质，并且特别是从空气、氮气、CO₂或蒸汽中选择的气体介质。归因于其可用性和其无害性，将空气用作介质通常是优选的。

当待预热的流体是富氧氧化剂时，根据本发明的方法是特别有用的。因此，待预热的流体可以是具有在50vol％与100vol％之间、优选地在80vol％与100vol％之间且更优选地至少90vol％的含氧量的氧化剂。

本发明还使得能够将待预热的若干流体(例如，燃烧氧化剂和燃料)的预热组合，每种待预热的流体然后穿过专用于所述待预热的流体的至少一根管线。

本发明可以用于大量类型的分批式炉，诸如，例如：

●用于铸铁熔炼的旋转炉，

●用于非铁金属熔炼、优选地用于非铁金属的二次熔炼的旋转炉，

●用于非铁金属熔炼、优选地用于非铁金属的二次熔炼的倾转炉，

●用于搪瓷熔炼的旋转炉或倾转炉，或者

●电弧炉(EAF)类型的用于金属熔炼、优选地用于金属的二次熔炼的炉。

有利地以自动化方式借助于控制单元来调节循环的各个步骤随时间推移的连续。

在加热步骤期间，可以通过调节腔室内部的介质的流速来调节将流体预热到的温度。腔室内部的介质的这个流速还使得能够在加热步骤期间避免管道中的烟道气体与腔室中的介质之间的第一表面以及还有该至少一根管线中的流体与腔室中的介质之间的第二壁的温度的较大变化。这样的方法在2016年7月8日提交的共存专利申请FR 1656584中进行描述，并且在根据本发明的方法的加热步骤期间将有利地利用其中所述的用于预热流体的预热方法的实施例之一。

在以下实例中参考图1至图3更详细地描述本发明及其优点，在附图中：

●图1是根据本发明的方法和用于实施该方法的设备的示意图，以及

●图2和图3是根据依据本发明的方法的两个实施例在该方法的各个步骤期间流速Dm和第一壁的温度的示意图。

分批式炉1配备有至少一个燃烧器2，该燃烧器用于燃料与富氧氧化剂(例如，具有至少97vol％的含氧量的氧化剂)的燃烧。

尽管图1中示出单个燃烧器，但该炉可以包括若干个这样的燃烧器2。该一个或多个燃烧器2在炉中的位置取决于炉的类型和炉意图的工艺。例如，在旋转炉中，常见的是具有定位于形成旋转炉的圆筒的一个或多个纵向端部中的燃烧器。在(非旋转式)反射炉中，该一个或多个燃烧器可以例如安装在炉顶中、在侧壁中和/或在横向壁中。

燃料(例如，天然气)由燃料源43供应，并且氧化剂由氧化剂源45(诸如液氧罐或空气分离单元)供应。

当炉1中发生燃料与氧化剂的燃烧(在加热步骤期间和在重新启动步骤期间是这样的情况)时，通过管道11从炉1中排出由燃烧产生的热烟道气体10。

腔室20围绕烟道气体排出管道11。

在加热步骤期间，变速环境空气鼓风机30将流速Dm>0的环境空气31引入到腔室20中，以便在腔室20中产生与烟道气体10在管道11中的流动并流的空气流。引入到腔室20中的环境空气的流速Dm由鼓风机30的速度决定。

在加热步骤期间，空气的流速Dm可以是恒定的或可变的。根据一个实施例，根据如共存专利申请FR 1656584中描述的方法在加热步骤期间调节流速Dm。

第一壁21物理地将管道11中的烟道气体10与腔室20中的空气分开，以便使得管道11中的烟道气体10与腔室20中的空气之间跨过这个第二壁21进行热交换成为可能。腔室20中的空气因此吸收由烟道气体从炉1中排出的热量的一部分，其中因此在腔室20中得到被加热的空气。

另外，在加热步骤期间，将流速Df>0的待预热的流体40引入到穿过腔室20的一束管线41中。所述管线41的外壁(被称为“第二壁”)将管线41中的流体与腔室20中的介质(空气)物理地分开。这个壁41作为腔室20中的空气与待预热的流体之间的热交换表面操作，以便在加热步骤期间得到被预热的流体42。因此，腔室20中的空气充当管道11中的热烟道气体10与管线41中的待预热的流体之间的热传递流体。借助于位于将源45与该束管线41相连接的流动管线上的阀46来调节待预热的流体的流速Df。

被预热的流体42然后从该束管线41中排出并且输送到炉1，且更具体地输送到该一个或多个燃烧器2。空气32从腔室20中排出。

在所示实例中，待预热的流体是来自源45的燃烧氧化剂(燃料助燃剂)并且在管线41中与腔室20中的空气并流地流动。

借助于位于将源43与炉1的该一个或多个燃烧器2相连接的流动管线上的阀47来调节运送到炉1(该一个或多个燃烧器2)的燃料的流速。

控制单元60调节：

●鼓风机30的操作和因此环境空气引入到腔室20中的流速，

●阀46的打开以及因此氧化剂40供应到该束管线41和从其中供应到炉1的流速Df，以及

●阀47的打开和因此燃料供应到炉1的流速。

在加热步骤结束时，例如，当存在于炉1中的原料完全熔化并且在适当情况下也精炼时，可以从炉中排出原料，以便使得能够将新原料引入到炉中。然后停止炉1中的燃烧并且开始关闭步骤。

控制单元60然后命令：

●减小鼓风机30的速度和典型地关闭该鼓风机，使得环境空气引入到腔室20中的流速Dm减少至少50％或甚至降到零；阀47关闭，使得不再向炉1供应燃料；以及

●阀46关闭，使得氧化剂运送到该束管线41和从其中运送到炉1的流速Df变成等于零。

由于在关闭步骤期间减少或甚至中断环境空气到腔室20中的引入，因此第一壁21的冷却在管道11中缺少热烟道气体的情况下减慢，或者当关闭步骤的持续时间足够短时甚至减少。

还应注意，由于关闭氧化剂40在该束管线41内部的流动，第二壁的冷却也减慢。

根据一个具体实施例，阀48使得能够关闭腔室20的出口，使得在给定时刻存在于腔室20中的空气留在这个腔室20内部。

阀48的打开(和因此关闭)也由控制单元60调节。那么有可能通过在关闭步骤开始时关闭阀48而在关闭步骤期间将在加热步骤结束时位于腔室20内部的被加热的空气保留在腔室20内部，因此在关闭步骤期间甚至更减慢第一壁和第二壁的冷却。

在关闭步骤之后的重新启动步骤开始时，重新启动控制单元、燃料与氧化剂42的燃烧。

出于这个目的，在重新启动步骤开始时，控制单元60命令：

●阀47打开，以便向炉1供应燃料；和

●阀46打开，以便将流速Df>0的氧化剂运送到该束管线41并且从其中运送到炉1。

在重新启动步骤期间由炉1中的燃烧产生的热烟道气体10通过管道11从炉1中排出，在该管道中这些热烟道气体接触并加热第一壁21。

在重新启动步骤开始时，控制单元60增加鼓风机30的速度或重新启动该鼓风机(如果鼓风机30在关闭步骤期间被关闭的话)，使得在重新启动步骤期间向腔室20供应经调节流速Dm的环境空气(比在关闭步骤期间的流速Dm大)。在阀48存在且在关闭步骤期间关闭的情况下，控制单元还打开这个阀48，以便使得流速Dm在穿过腔室20之后能够排出。

在重新启动步骤期间的腔室20中的环境空气的流速Dm使也与排出的烟道气体10接触的第一壁21的加热减慢。

选择在重新启动步骤期间腔室20中的环境空气的流速Dm，使得在加热速率V_T↑不超过预定上限V_T↑max的情况下，第一壁21迅速地加热。

根据一个实施例，重新启动步骤期间的流速Dm根据预定函数随时间推移而改变。

根据图1中所示的另一实施例，第一壁21配备有温度检测器50(热电偶)，该温度检测器在给定参考点处检测壁21的温度。温度检测器50连接到控制单元60，该控制单元基于检测到的温度来确定加热速率V_T↑。该控制单元然后借助于鼓风机30来调节重新启动步骤期间腔室20中的流速Dm，以便使这个加热速率V_T↑接近它的上限V_T↑max，然而V_T↑不超过V_T↑max，例如通过观察V_T↑与V_T↑max之间的预定裕度。

在重新启动步骤结束时，当第一壁21已这样达到它的操作温度时，重新启动步骤完成并且下一加热步骤开始。

当根据本发明的方法包括在如上所述的重新启动步骤期间将供应到炉1的流体的总流速分成两个部分时，控制单元60在重新启动步骤期间有利地调节流体的流速的这个分割和流体的第二部分(其流过该束管线41)与流体的总流速之间的比率的变化。

图2和图3示出了在重新启动步骤期间流速Dm的两个可能分布曲线。

图2示意性地示出在以下情况下该方法的各个步骤期间的Dm的第一分布曲线：第一壁21的加热速率V_T↑的上限V_T↑max相对于从炉1中排出的热烟道气体的温度而言相对较低，以便在重新启动步骤期间获得比在加热步骤期间的流速Dm大的高流速Dm，从而防止第一壁在该方法的连续循环期间热脆化。

在图3的情况下，第一壁21的加热速率V_T↑的上限V_T↑max与从炉1中排出的热烟道气体的温度之间的比率更高，使得能够在重新启动步骤期间使用比在加热步骤期间的流速Dm低的流速Dm，从而防止第一壁21太快地加热。

通过在两个加热步骤之间这样安全地执行第一壁21的受控冷却和受控加热，本发明使得能够受益于以下优点：通过与排出的烟道气体进行间接热交换来预热氧化剂和/或燃料，而不经历通常与一个或多个热交换器的操作加热和冷却相关联的不可接受的时间损失。

如上文指出的，交换器的冷却或(重新)加热必须逐渐地且以受控方式发生，以便防止能够在热交换器中产生泄漏的热冲击。因此，这样的冷却和加热将需要相当长的时间，该时间一般超过炉的卸料和重新装料所需的时间。

出于这个原因，在炉的上游通过与从炉中排出的烟道气体进行间接交换来预热氧化剂和/或燃料对于分批式炉来说通常不是有益的，该分批式炉的操作包括在每个循环期间的关闭步骤。

还应注意，对于相同类型的工艺而言，与连续式炉可能达到的尺寸相比，分批式炉一般具有相对较小的尺寸：例如，分批式玻璃熔化炉与浮法型玻璃熔化炉相比。因此，与连续式炉相比，对于分批式炉，对通过与所排出的热烟道气体进行间接交换来进行预热的设备的投资相对更大(与炉的价格和产量相比)。迄今为止，通过间接交换进行预热的设备的折旧因而在对于分批式炉的可接受的持续时间内是不可能的。

然而，通过在两个加热步骤之间安全地执行第一壁的受控冷却和受控加热，本发明使得能够受益于以下优点：通过与排出的烟道气体进行间接热交换来预热氧化剂和/或燃料，而不经历通常与一个或多个热交换器的操作加热和冷却相关联的不可接受的时间损失。

因此，本发明首次使得通过与烟道气体进行间接热交换来预热氧化剂和/或燃料对分批式炉而言有效且有益。