电炉的制作方法

本发明涉及一种电炉，且特别是涉及一种用于对还原性气体进行加热的电炉，该还原性气体将被注入冶金炉中。

背景技术：

1、根据冶金行业的最新发展，钢铁生产商力求减少那些被认为是对环境有害的温室气体排放量，例如，二氧化碳。因此，钢铁生产商的目标是在冶金产品的生产中使用“绿色”(电力)能源。事实上，未来的钢铁生产很可能集中在使用低碳生产方法结合利用永续能源上。在此背景下，拟采用基于包含h2和/或合成气的还原性气体进行的直接还原工艺过程。

2、在现有技术中，燃烧式加热器和再生式热交换器(如热风炉)是已知的，用于在工业规模上对过程气体进行加热。然而，这些加热器需要燃料的燃烧。此外，市场上大多数由电能支持工作的设备似乎不适合在足够的温度下加热还原性气体，或者不符合“重”工业要求。例如，这些设备中的大多数不能扩展升级到用以处理大量气体所需的多兆瓦规模。此外，大多数设备不适合加热含尘气体(即含有固体量介于0毫克与5毫克/nm3之间的气体)。因此，没有任何已知的设备能够满足电加热气体在流速/流量、功率规模、含尘量、输出温度或其他具体布局要求方面的要求。因此，需要提供一种解决方案以克服上述这些缺点。

技术实现思路

1、发明目的

2、本发明的目的在于，提供一种加热器，其配置为或适用于在工业规模上对气体进行加热。此目的通过如独立权利要求所限定的电炉得以实现。

3、发明概述

4、所提出的电炉被配置为或适用于加热(还原性)气体，其包括沿纵向延伸的一空心金属壳体、设置在壳体内部的一耐火衬里、以及排列在沿纵向延伸、邻接的各层中的多个砖块。每一砖块包括多个沿纵向直线延伸的空腔，穿过相应的层。邻接的各层的空腔彼此对齐，由此形成用于导引(还原性)气体的多个通道。该电炉还包括多个用于加热(还原性)气体的加热丝，其中每一加热丝的直径均小于通道的直径。每根加热丝至少部分穿过多个所述通道中的至少一个对应的通道延伸，使得当电炉运行时，每一加热丝向流经该加热丝周围的还原性气体散发出预定的热量。

5、业已发现，所提出的结构设置允许提供一种用于加热(还原性)气体的加热炉，其具有特别紧凑的设计，这又可以在工业场所节省安装空间。还发现，当前的结构设置在必要时和/或若须加热某种特定量的(还原性)气体也是可以扩展升级的。

6、所提出的结构设置也为引入含有其他混合成分的气体开创了可能性，例如含有灰尘的气体。例如，在现有技术中尚无已知装置能允许加热含有灰尘的还原性气体。为了使流经砖块的含尘气体在炉内被加热，有必要确保空腔的一定最小尺寸。

7、除此之外，所提出的结构设置还可以特别在具有合成气注入系统的直接还原铁(direct reduced iron，dri)生产和/或熔炉(高炉/鼓风炉)设备中运行。因此，所提出的结构设置允许以永续(如“绿色”)能源为基础来对过程气体进行加热，从而可以取代传统的基于燃料的系统。因此，传统加热器造成的负面环境影响会大大减少。

8、所说“还原性气体”一般可指具有还原性能的任何化学介质。例如，还原性气体可以是包括氢气和/或一氧化碳的气体，如一种合成气。除此之外，应该注意的是，所述电炉不只限于处理还原性气体。也可以加热其他气体，特别是用于不同工业制程的过程气体，例如，co2、co、n2、o2、h2o、h2等等。

9、所说“空心金属壳体”一般可指设备或反应器的框架或储罐，在其中加热(还原性)气体。

10、所说“纵向”一般可以指壳体沿其延伸的主体长度方向。换句话说，所述纵向可以由电炉沿其延伸的方向定义。例如，当电炉水平安装时，该纵向可以平行于水平方向或水平平面，例如地面。

11、所说“耐火衬里”一般可指一层或多层的耐高温材料，如耐火砖。耐火衬里至少可以设置在壳体的一部分区段或整个内表面上。另外，作为备选方案，在耐火衬里和钢壳之间可以布置一层或多层的绝缘衬里，其中绝缘衬里可以包括一层绝缘砖和一层可浇铸陶瓷。再比如，耐火衬里内可以包括一层或多层具有绝缘和/或隔离性能的不同的砖块。应注意的是，一般来说，耐火衬里可以根据工作温度来选择，这也可能允许沿着加热器长度(如在纵向上)使用不同的材料。特别是，耐火材料可以包括各种等级的高铝耐火材料，它们不容易与氢气发生反应。耐火衬里砖可以专门成型以支持所述多个砖块，如格子砖(checkerbricks)，这些砖块引导加热丝。

12、所说“多个砖块”一般可指一定数量的格子砖或类似的砖状元件。每一砖块可以包括多个空腔，如为通孔或孔洞。这些空腔可以有圆形或半圆形的形状。附加地，或者另选地，每一砖块还可以包括所谓的“半腔”，它们被设置在砖块的边缘区段，并呈现为一个完整空腔的一半形状。两个相邻砖块的两个半腔(semi-cavity或half-cavity)，可以用来形成一个完整的空腔。可以理解的是，所述空腔也可以有其他形状。所有的空腔都可以沿着与所述纵向平行的方向延伸。由于这种配置，邻接的各层的相邻砖块的空腔可以彼此对齐，从而形成多个用于导引(还原性)气体的通道。在本文该语境下，所说“通道”一般是指延伸穿过若干个砖层的直线通路，其中该通道是由相邻排列的空腔和/或半腔形成。

13、所说“层”一般可以指砌层，或层级，或是一种结构安排，其包括预定数量的砖块，其中定义该结构安排的各砖块是相互关联的。可以理解的是，各层沿所述纵向可以有相同的长度。然而，也可以有一些实施例，其中各层具有不同的长度。

14、所说“多个加热丝”一般是指被配置为通过电导进行加热的金属丝或金属棒。这些电线/丝可以被设置在由砖块形成的通道内部。因此，加热丝的直径可优选比通道的直径或空腔的直径小。由于这种结构设置，气体可以基本上围绕着加热丝流动。每一加热丝至少部分地穿过多个通道中的至少一个通道延伸，如此，当电炉运行时，每一加热丝向流经该加热丝周围的(还原性)气体散发出预定的热量。在此方面，应注意的是，加热丝材料可以在广泛的材料中选择。特别是，加热丝材料可以适于承受住高温和/或与过程气体比如所述还原性气体的(一种或多种)成分的反应。例如，众所周知，当金属丝经常与具有高氮浓度的气体接触时，金属丝的寿命会变短。(还原性)气体内的氮含量也还可以保持较低(≤10％)，最高气体温度可以保持在800℃到1000℃之间，优选是900℃。除此之外，所述多个加热丝也可以被配置成在其他温度下运行，例如更低的温度。

15、在一种实施例中，在对应的层内至少两个相邻砖块中的每一砖块均设有一半腔，并且所述至少两个相邻砖块彼此对齐，使各相应砖块的半腔形成一完整的空腔。所述半腔可以设置在一砖块的边缘区域。

16、所说“对应的层”一般可指这样的任一层，其中两个在边缘区域具有半腔的砖块相互邻接排列，从而使两个半腔形成一个与空腔对应的孔洞/孔道。通过设置半腔，可实现壳体内部空间的有效利用。

17、在一种实施例中，通道的直径比加热丝的直径大，为1倍多(即超过1倍)至5倍的关系。通道的直径大于加热丝直径，可以有效地加热含尘气体，并且不存在被可能沉积于通道中的灰尘堵塞通道的风险。因此，加热丝和耐火衬里之间的间隙可具有在4毫米到40毫米范围内的尺寸。

18、在一种实施例中，在金属壳体的内表面的部分区段和耐火衬里之间设置有绝缘衬里。该绝缘衬里可以包括一层或多层的绝缘材料或绝缘结构元件。例如，绝缘衬里可以包括第一层绝缘可浇铸陶瓷和第二层耐火砖。

19、在一种实施例中，所述电炉具有与一分配环流体连通的气体入口，其中该分配环包括多个供应口，这些供应口被配置为将(还原性)气体导入壳体的第一端部区段；以及，所述电炉在壳体的第二端部区段具有气体出口，其中该气体出口沿所述纵向延伸。术语“端部区段”指的是所述壳体的端头部。通过在第一端部区段设置一分配环，待加热的输入气体被均匀地分配和引导到各通道中。在其他一些备选实施例中，例如在尺寸较小的实施例中，可能没有必要安装分配环。

20、在一种实施例中，所述多个加热丝中的一根或多根或每根加热丝都有一u形区段，该u形区段设置为与气体出口相对或者设置在气体出口处。所说“u形”泛指某一电线部段的这样一种形式/形状，亦即可以将两个平行延伸的电线/丝相互连接的形式/形状。通过提供u形区段，它可以与电线/丝成一整体，或者也可以备选地应用/设置到电线/丝上，可以只在一个位置提供电接触模块，优选是壳体内部靠近气体入口的位置。这样确保了电接触模块不会暴露于靠近气体出口处被加热的(还原性)气体的相当高的温度下。因此，u形区段优选设置为与气体出口相对或设置在气体出口处。术语“与…相对”在该语境下是指，u形区段的顶点可以朝向/正对所述气体出口的方向。术语“在…处”在该语境下是指，u形区段可以设置在直接靠近所述气体出口的地方。

21、在一种实施例中，所述多个加热丝被接续和/或并列设置。由于该结构设置可以串联和/或并联连接，因此可以建立最合适的电阻，从而可以实现适当的焦耳效应。

22、在一种实施例中，所述电炉被配置为通过以下之一在低电压下操作运行：单相交流电、三相交流电或直流电。特别是，三相或单相交流电可以很容易从配电网络中获得。或者作为另选方案，也可以安排一种适当的直流电设计。在使用直流电的情况下，可以在电炉的上游提供专用设备，用以将自电网输出的交流电转化为直流电。

23、在一种实施例中，所述电炉还包括(多个)定心元件，以保持电热丝不接触它们所在的通道的侧壁。每一通道可以包括一个或多个这样的定心元件，这些元件优选可以在纵向上相互间隔开例如25厘米至150厘米。应该注意的是，这些定心元件也可以更紧密地相互隔开，或甚至更远离地相互隔开。

24、术语“定心元件”是指这样一种元件，它可能具有象砖块一样的结构-若不是空腔或者半腔。定心元件的空腔和/或定心元件的半腔可能具有与砖块的空腔或者砖块的半腔不同的形式/形状。例如，定心元件的空腔可具有销钉、凸头、突起、隆起或类似结构，电热丝靠置于其上，同时应尽可能少地限制通道。或者作为备选方案，定心元件的空腔可为圆形，其直径比砖块的空腔的直径略小。由于定心元件的存在，加热丝可以被保持在通道的基本中心位置。或者作为备选方案，术语“定心元件”也可指设置在加热丝上的一种装置，其中该装置将加热丝相对于通道壁加以支撑和定心。在此情况下，定心元件可以是由以下材料之一制成的元件：金属、塑料、树脂或其混合物。定心元件通过确保适当的支撑来防止电线/丝的过度弯曲和/或蠕变变形。因此，可以对电线/丝进行均匀冷却。又因此，亦可防止热点(hot spot)的产生，从而大大延长电线/丝的使用寿命。应注意的是，定心元件可具有高电阻，和/或选自和/或者包括高抗电(高电阻)材料，以避免相邻空腔中的导线间发生短路。

25、在一种实施例中，壳体的直径在0.5米至4米的范围内，优选在1.50米至2.50米的范围内，最优选为2米；并且，壳体的长度在5米至12米的范围内，优选在6米至10米的范围内，最优选为7米。壳体的尺寸可以通过按比例调整来满足多种要求。

26、在一种实施例中，电炉还包括用于向加热丝提供(多个)电触点的电连接模块，其中该电连接模块被设置在第一端部区段，靠近于所述多个供应口，并与各所述层间隔开。通过将电连接模块置于壳体的较冷一端，电连接模块上的温度负荷保持相对较低，这将可延长使用寿命。

27、在一种实施例中，所述电炉的壳体相对于地面是水平设置的。所说“水平设置”是指壳和/或壳体的中心轴线沿着平行于地面的方向延伸的一种布置方式。水平的布置方式可以避免对重型支撑结构的需求。水平设置的炉也可以使操作者容易接近操作。在另外的备选实施例中，电炉可垂直/竖直设置，其中该垂直/竖直的布置方式可以相对节省安装空间。术语“水平”也可以指与所述纵向平行的方向或平面。

28、在一种实施例中，所述壳体被配置成可容纳加压的(还原性)气体，其中该壳体支持的最大压力在0.0巴(g)至5.0巴(g)之间，优选1.5巴至4.0巴(g)，最优选为3.6巴(g)。壳体宽度可以在根据应用压力所确定的范围内。

29、在一种实施例中，壳体的组成包括以下之一：碳钢、涂层、铬基合金或其混合物。例如，碳钢可以是如aisi 316l的钢。涂层和铬基合金可以防止氢脆及金属粉化，否则可能会在高温下有co/co2或碳化合物存在时出现这些情况。

30、本发明的其他方面和特征可由从属权利要求、附图及下文描述的实施方式得知。