本发明涉及一种用于借助来自流经熔炉的废气管道的燃烧气体的传热来预加热流体的方法，其中，将流体供应到与燃烧气体传热接触的传热装置。本发明还涉及具有这种传热装置的熔炉。
背景技术：
热交换系统用于从熔炉回收热量。在熔炉内由燃烧器进行燃烧。对燃烧器供应一种或多种介质，例如燃料、空气、氧气。由燃烧产生的废气的热能可用于预加热那些供应到燃烧器的介质。
现有的废热回收装置一般设计为回热装置并且主要位于熔炉的烟囱中。回热装置设计为预加热燃烧空气并且由此它们限于在空气-燃料熔炉中使用。回热装置的问题是它们具有有限的工作时间，但不能在熔炉运行期间保持。此外，难以或甚至不能够绕过蓄热器。
技术实现要素：
由此，本发明的目标是提出改进的换热装置，其具有增加的运行寿命。
另一目标是提出改进的换热装置，其允许被绕过并且能够在熔炉运行期间保持。
另一目标是提出用于预加热气态燃料、燃烧空气和/或氧气的方法。
以上目标中的一个或多个由如权利要求1所述的方法和如权利要求3所述的熔炉来实现。
根据本发明，待预加热的流体被供应到传热装置。该流体可以是燃料具体是气态燃料，和/或诸如燃烧空气、富氧空气或纯氧之类的氧化剂。传热装置设计为安装到熔炉的废气管道，使得流经废气管道的燃烧气体的废热可用于预加热流体。
换热装置包括一个或多个双重管件，该一个或多个双重管件可动地布置在废气管道中，使得它们可运动到废气管道中和从废气管道中运动出。术语“双重管件”应意味着两个管件或管路的管中管(pipe-in-pipe)的结构。具有更小的直径的内部管件放置到具有更大的直径的外部管件中。
传热装置或传热装置的一部分可动地设置，使得其可运动到废气管道中和运动离开废气管道。通过使传热装置或其一部分运动到废气管道中，传热装置在废气管道中的部分由流经废气管道的燃烧气体加热。一部分热量从燃烧气体传递到传热装置的该部分中，并且传递到被供应到传热装置的流体，其由此被预加热。
在其最广泛的意义上，术语“废气管道”应意味着从熔炉到外部大气的整个管件系统，包括烟囱。废气管道一般包括附加的部件例如过滤器或收集器。
在较佳实施例中，传热装置设置在废气管道沿水平方向或沿几乎水平的方向延伸的部分中。此外，将传热装置设置在易于接触的位置是有利的，例如在地面以上小于10米或小于5米的高度处。传热装置也可位于地下。
根据本发明，传热装置的至少一部分可以运动到废气管道中和运动离开废气管道。由此，该装置可从废气管道和热燃烧气体移除，并且可以是易于维护或维修的。
这种维护可在熔炉的正常运行期间执行，因为将传热装置的一部分从废气管道移除出不对熔炉运行具有直接影响。在传热装置的维护期间仅对流体的预加热中断。然而，在维护时间期间，如果需要或期望则能够借助任何其它加热装置预加热流体。
传热装置包括双重管件。在较佳实施例中，双重管件的内部管件和外部管件是直的管件或非弯曲管件。在其它实施例中，内部管件和/或外部管件具有u型设计。较佳地，内部管件和外部管件布置为相互同轴。但是，也可能内部管件和外部管件具有不同设计。例如，外部管件可以是u形，而内部管件是拉直的。
外部管件较佳地在一端部处是闭合的。内部管件在两端部处是开口的，并且内部管件的第一端部相对于外部管件的闭合端部是重新安置的。这意味着，内部管件的第一端部与外部管件的闭合的端部之间存在间隙。待预加热的流体经由供应管线供应到内部管件的第二端部。流体行经内部管件，在其第一端部处离开内部管件并且进入通过间隙到外部管件。然后，流体流回通过外部管件。只要流体的主要部分首先流经内部管件，可以引入待预加热流体的一小部分直接进入到外部管件中。在该情况下，外部关键可能在其闭合端部处不是完全闭合的，而会设有用于流体的入口。
原则上，也可能使流体通过双管件的行进路径变得相反，即其首先流经外部管件，然后流经内部管件。然而，出于以下阐释的原因，流体较佳地首先流经内部管件，然后流经外部管件。
在废气管道内的燃烧气体会具有在300℃至1800℃范围内的温度并且可以是高度腐蚀性的。燃烧气体可包括像hci、hf、so2、co2或h2o的物质。
当燃烧气体与流体经由传热装置进行热接触时，流体将如期望地被预加热。但另一方面，燃烧气体的温度将下降。如果热交换没有以合适的方式进行，则燃烧气体会冷却太多，并且存在于燃烧气体中的水或酸会冷凝到液相。冷凝的酸或腐蚀性的燃烧气体与水一起形成将会破坏传热装置的高度侵蚀性的酸。因此，必须注意与燃烧气体接触的传热装置表面的温度保持在一般约200℃的临界温度水平以上。
因此，已发现使流体首先通过经过通部管件是有利的。在其行经内部管件期间，介质通过与流回通过外部管件的介质的热交换而被缓慢地预加热。当介质到达外部管件时，其已被足够地预加热，使得外部管件的外壁将不会冷却到在临界温度水平以下的温度。因此，燃烧气体在与传热装置热接触时不经历过低的温度，没有水或腐蚀性物质将会冷凝，并且将不会形成腐蚀性的酸。因此，在腐蚀性的燃烧气体的热量用于预加热流体时，本发明是特别有用的。这些燃烧气体可包括像hci、hf、so2、co2或h2o的物质。
为了保持外部管件的外部表面的温度在临界温度以上，可以进一步设置外部管件具有隔热件。
典型的废气管道直径在0.5至3米的范围内，较佳地在1米与2.5米之间。术语“直径”应不仅适用于圆形废气管道，而且也应覆盖非圆形或非规则形状的、具有在所述范围内的等同直径的废气管道。废气管道的典型长度较佳地在2米与10米之间或甚至大于10米。
换热器被引进到废气管道中的部分可例如在废气管道直径的30％至95％、50％至90％、60％至90％或70％至90％上延伸。典型地，热交换器位于废气管道内的部分具有0.25m、1.0m或1.5m的最小长度。其最大长度典型地是1.0m、1.5m或3.0m。
在一个实施例中，热交换器的部分的外部直径可在20mm与200mm之间、30mm与80mm之间或在40mm与60mm之间。外部直径确定热交换面积并且由此确定了热交换。如果双重管件用作热交换器，则这些范围对应于外部管件的外部直径。
内部管件的直径和/或内部管件与外部管件之间的环形间隙的直径较佳地选择为使得流体的速度不超过预定最大速度。例如，出于安全原因，预加热的气态氧气应流动不快于某一最大速度。
传热装置的该部分较佳地垂直定向。垂直的布置使得能够悬置传热装置或传热装置的该部分并且能够简单地将其降低和使其向上运动，以分别用于进入废气管道或离开废气管道。此外，如果传热装置具有细长的形状，例如像所描述的拉直的双重管件，则在传热装置上的扭矩或弯曲力矩可被最小化。
在另一实施例中，设有自动化的收回系统以用于使热交换器或热交换器的一部分运动到废气管道中和运动离开废气管道。该收回系统较佳地设计为是防故障的，例如在电力故障或电力中断的情况下。在这种情况下，收回系统必须仍然是能运行的。较佳地，收回系统在紧急情况下自动将传热装置从废气管道收回。用于收回传热装置的能量可例如借助重力、借助加压气体储存、配重或分开的、独立的电源来提供。
根据另一实施例，传热装置包括惰性气体供应管线。特别地，如果使用双管件，则惰性气体供应提供了例如在维护工作之前或之后净化双重管件的能力。此外，在待预加热流体的流动完全中断的情况下或如果出于某些原因流体流动太小不能确保对双管件足够的冷却，则惰性气体较佳地用于冷却双管件。
本发明较佳地在具有一个或多个燃烧器的熔炉中使用以用于预加热供应到燃烧器的氧化剂和/或预加热供应到燃烧器的燃料。在这种熔炉中，传热装置较佳地位于任何其它废热回收装置和任何排放控制装置上游。
本发明较佳地用于预加热含氧气体，诸如空气或富氧空气、或特别较佳的是具有以体积计至少90％、以体积计至少95％或以体积计至少99％的氧含量的技术的纯氧。
替代地或除了预加热含氧气体以外，本发明可用于预加热燃料、特别是诸如天然气的气态燃料。(一种或多种)预加热的流体较佳地被传递到用于加热熔炉的燃烧器。
在许多情况下，熔炉设有一个以上的燃烧器。在该情况下，较佳的是每个传热装置的出口仅连接到一个燃烧器。这意外着，预加热流体流不再分为两个或更多个子流，而是完全被传递到一个燃烧器。这背后的原因是在某些情况下预加热的流体难以操控，并且分叉(部)必须由特别且昂贵的材料制成。例如，在200℃、300℃或甚至400℃以上的温度下的热氧气是极活泼的并且具有高氧化性。使预加热的燃料或预加热的空气分开不是那么关键性的，并且因此如果仅燃料或空气被预加热，则可以使预加的热流体流分开并且使其经过两个或更多个燃烧器。
取决于燃烧器的尺寸和传热装置的尺寸，可能需要具有两个或更多个传热装置以用于预加热一个燃烧器所需要的燃料或含氧气体。该两个或更多个传热装置可并联或串联或以任何并联和串联布置的组合来布置。来自若干传热装置的预加热的流体流可被传递到同一燃烧器，和/或来自传热装置的预加热流可在其经过燃烧器之前被送到另一传热装置，以用于进一步加热。也可以具有串联连接的三个或更多个传热装置以用于在流体被运送到燃烧器之前预加热流体。在本发明的实施例中，在1个与30个之间的传热装置、较佳地是在1个与20个之间的传热装置连接到同一燃烧器。传热装置中的某些可用于预加热含氧气体、特别是氧气，其它的用于预加热燃料。也可以仅预加热含氧气体或含燃料气体。
本发明较佳地在玻璃熔炉中使用，因为玻璃熔炉的燃烧气体经常包含侵蚀性和/或腐蚀性气体。本发明也可有利地在任何其它种类的工业熔炉中使用，特别是在燃烧气体的成分的冷凝应被避免时。本发明可能的应用场合的示例是玻璃熔化炉、金属熔化炉或用于加工或处理陶瓷材料的熔炉。
附图说明
本发明以及本发明的其它细节现在将参照示意性附图来阐释。
图1a和图1b示出根据本发明的传热装置，
图2示出本发明的另一实施例，以及
图3示出具有双管件设计的废热传递装置的替代设计。
具体实施方式
在图1a和图1b中以剖视侧视图示意性地示出根据本发明的较佳实施例的热交换系统。图1a和图1b示出废气管道100，从熔炉(未示出)中的燃烧出现的燃烧气体101通过该废弃管道排放。
在一个端部102处，废气管道可特别与合适的熔炉连接。在另一端部103处，废气管道可设有废气处理部件、其它废热回收装置，并且其可特别与合适的烟囱连接。
废气管道100包括耐火元件110。该耐火元件110特别实施为废气管道100的壁。废气管道100的该壁110例如由大量砖构造。
废气管道100在其顶部侧处设有开口111。传热装置120可插入到开口111中并且可运动到废气管道100中。传热装置120垂直定向并且固定到自动化的回收机构(未示出)，该自动化的回收机构允许提起和放下传热装置120。当插入到废气管道100中时，燃烧气体101围绕传热装置120的下部121流动并且加热它。燃烧气体典型地具有在300℃与1800℃之间的温度。热量从燃烧气体传递到流经传热装置120的气体。
在该示例中，传热装置120用于预加热氧气。气态氧气140经过传热装置120并被加热。预加热的氧气141然后被输送到用于加热熔炉的燃烧器。
传热装置120可设有衬套123，该衬套配装到废气管道100的壁的开口111中，并且在其在开口111中的座中密封传热装置120。
进入到传热装置120中的氧气流140由流动控制装置150控制。
附加的传热装置可用于预加热附加的氧气流或预加热气态燃料流。
为了维护，传热装置120可被提升并且从废气管道100收回(参加图1b)。废气管道100的壁中的开口111由柱塞112闭合以避免燃烧气体101逸出。即便其不再被加热，氧气流140仍继续流经传热装置120。也可能具有围绕传热装置120的旁通。由此，在熔炉连续运行期间可完成传热装置120的维护。
图2示出本发明的实施例的更详细的视图，其中，传热装置设计为双管件200。
双管件200定向为其轴线沿垂直方向。双管件200包括相互同轴布置的内部管件201和外部管件202。外部管件202具有在30mm与100mm之间的外部直径。内部管件201具有在10mm与70mm之间的外部直径。位于废气管道内的外部管件的长度、即主动传热长度例如在0.25m与2.5m之间。
外部管件202在其底部端部203处闭合。内部管件201的顶部端部204设计为用于待预加热的流体的入口、例如用于冷的或室温氧气流。内部管件201的底部端部205敞开，并且在离外部管件202的闭合底部端部203例如10mm至200mm之间的距离处终止。在外部管件202的上部部分的侧壁中设有用于预加热的流体的出口206。
在外部管件202与内部管件201之间的环形间隙中设有间隔件207。间隔件207较佳地设置在外部管件202的下三分之一中的位置处。进一步有利的是设计间隔件207为涡动元件，其引起经过间隔件207的流体的湍流。
如已参照图1a和图1b阐释的，双管件200可动地布置在废气管道100的壁110中，使得它能插入到废气管道100中或从废气管道100收回。
在图2的废热回收系统的运行中，处于环境温度下的氧气流240被引入到内部管件201的入口204中。氧气流在内部管件201中向下流(241)，在其底部端部205处离开(242)内部管件201，向上转并且流回(243)通过外部管件202与内部管件201之间的环形间隙。在已到达外部管件202的顶部时，氧气流244通过出口206离开双管件200。
在其向下流动通过内部管件201时，氧气流241与向上流动通过环形间隙的氧气流243传热接触。由此，氧气流243被预加热到在80℃与150℃之间的温度。然后，氧气流返回通过外部管件202与内部管件201之间的环形间隙。在该向上通过的过程中，氧气流243与流动通过废气管道100的燃烧气体101传热接触。由此，氧气流243被进一步加热到在200℃与600℃之间的温度。这样被预加热的氧气244经由出口206离开双管件200并且传递到燃烧器。
由于冷的或室温氧气流240不直接与外部管件202的壁接触，该壁总是保持为处于足够高的温度，使得作为燃烧气体的成分的水蒸气不在壁处冷凝。例如，外部管件202的壁的温度靠近外部管件202的底部端部203是在200℃与1100℃之间，而在外部管件202的上端部处是在300℃与1100℃之间。
诸如气态氮储存的惰性气体供应部245也连接到内部管件201的入口。在正常运行中，阀246是关闭的，并且仅待预加热的流体240被传递到内部管件201。如果流体240的流动太慢或如果其完全停止，则存在相当大的双管件200被加热太多并且损坏的风险。在该情况下，阀246打开，并且引入气态氮到内部管件201中，并且经过通过外部管件202，由此双管件200被冷却。
惰性气体供应部245也可与图1a、图1b和图3的实施例一起使用。
图3示出双管件式传热装置的另一设计。
双管件300的外部管件302是u形的，在一端部303处闭合。内部管件301设计为用于待预加热的流体340的入口，例如用于冷的或室温氧气流。内部管件通过闭合端部303进入外部管件302。内部管件301布置在u形外部管件302的垂直臂中。内部管件301也是u型的，其中其出口305靠近外部管件302的闭合端部303。
如参照图1a、图1b和图2所阐释的，双管件300也可动地布置在废气管道100的壁110中，使得它能插入到废气管道100中或从废气管道100收回。耐火部设有可移除的切断部307，从而从废气管道100收回双管件300。
图3的废热回收系统的运行与图2的非常类似。处于环境温度下的氧气流被引入到内部管件301的入口304处。氧气流流经内部管件301，在其端部305处离开内部管件301，向下转并且流经外部管件302。
如果废气管道仅具有较小的直径，则图3的实施例可特别用于预加热流体，诸如氧气或燃料。图3的实施例的传热长度不受废气管道100的直径限制，而可简单地通过增加u形外部管件302的基部306的长度来增加。
本发明已参照预加热氧气来描述。本领域技术人员将会理解以上示例也可用于预加热燃料、空气或任何其它流体。