气基竖炉的余热回收装置及气基竖炉的制作方法

本实用新型涉及金属冶炼技术领域，具体而言，尤其涉及一种气基竖炉的余热回收装置及气基竖炉。

背景技术：

气基竖炉是还原铁的主要反应器，也是熔融还原工艺预还原阶段常用的反应器。竖炉中热源主要来源于新鲜煤气显热，为满足供热的需要，竖炉需通入大量新鲜煤气，炉顶气出炉温度约为450℃，大约40％的能量被炉顶气带走，热损失相对较大。

相关技术中，对炉顶气的处理及利用方式主要有：通过洗涤、加压处理后，作竖炉下部冷却段的冷却气。完成冷却过程后的炉顶气再作为裂化剂与天然气混合，然后通入转化炉制取还原气；炉顶气经洗涤净化后，大部分用气体压缩机加压送入混合室与天然气回收混合后，送入高温重整炉进行催化重整制取还原气，直接供给还原竖炉使用。少部分的炉顶气作为燃料与适量的天然气在混合室混合后送入转化炉反应管外的燃烧；炉顶气由换热器换热降温后，经CO2脱除装置和水蒸气加湿装置，与来自重整炉的气体混合形成还原气，共同进入加热炉加热后供竖炉使用。上述方式均存在竖炉炉顶气显热没有得到有效利用，造成能源浪费的问题。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种气基竖炉的余热回收装置，所述气基竖炉的余热回收装置具有结构简单、节能环保的优点。

本实用新型还提出一种气基竖炉，所述气基竖炉包括上述所述的气基竖炉的余热回收装置。

根据本实用新型实施例的气基竖炉的余热回收装置，所述气基竖炉包括炉体和物料仓，所述余热回收装置包括：换热仓，所述换热仓具有物料入口、物料出口、炉顶气入口和炉顶气出口，所述物料入口与所述物料仓连通，所述物料出口与所述炉体连通，所述炉顶气入口与所述炉体的排气口连通，所述换热仓内具有过料腔，所述过料腔与所述物料入口和所述物料出口分别连通；和气体通道，所述气体通道设在所述过料腔内，所述气体通道两端与所述炉顶气入口和所述炉顶气出口分别连通，所述气体通道包括多个依次连通的U型段，所述U型段包括弯管段和两段直管段，所述弯管段的两端分别与两个所述直管段连通，所述直管段在水平面内延伸。

根据本实用新型实施例的气基竖炉的余热回收装置，通过在换热仓内设置过料腔和气体通道，可以利用气体通道内的高温炉顶气对过料腔内的物料进行预热，由此，使气基竖炉的高温炉顶气的能量得到了回收利用，减轻了气基竖炉预热段的压力，节能环保。而且，通过将气体通道设置为多个沿水平方向延伸且依次连通的U型段，增大了气体通道内炉顶气的流量，而且增大了炉顶气与物料的热量交换面积，从而提高了炉顶气与物料之间的热交换效率。

在本实用新型的一些实施例中，所述直管段的横截面积大于所述弯管段的横截面积。由此，可以防止弯管段与过料腔内壁发生结构干涉，并且增大了炉顶气的有效换热面积。

可选地，所述直管段上与所述弯管段连接的位置处圆滑过渡。由此，可以减小炉顶气在不同管段过渡流动时的阻力，提高了炉顶气在气体通道内流动时的流畅性。

根据本实用新型的一些实施例，所述过料腔内靠近所述物料入口的位置处形成有分散区。由此，物料可以通过分散区均匀分布到过料腔内。

在本实用新型的一些实施例中，所述换热仓的靠近所述物料出口的位置处形成为倒锥形，所述物料出口位于所述倒锥形的底部窄口处。由此，物料可以沿倒锥形壁面集中流入到下方的物料出口，便于物料从过料腔排出。

可选地，所述气体通道上与所述炉顶气入口连通的位置处设有喷嘴。由此，可以通过喷嘴控制炉顶气的流动方向和流动速度。

在本实用新型的一些实施例中，所述炉顶气入口的上游设有开度可调的流量控制阀。由此，可以通过流量控制阀调节控制气体通道内的炉顶气的流量，以根据实际工况需要对炉顶气的流量进行精确控制。

根据本实用新型的一些实施例，所述过料腔具有多个水平参考面，多个所述水平参考面沿上下方向间隔分布，每个所述水平参考面内均设有所述直管段，在相邻的两个所述水平参考面内，其中一个所述水平参考面的所述直管段与另一个所述水平参考面的所述直管段交错分布。由此，可以提高过料腔内的空间利用率，增大了炉顶气与物料之间的有效换热面积。

进一步地，在相邻的两个所述水平参考面内，其中一个所述水平参考面的所述直管段与另一个所述水平参考面的所述直管段的最短距离为L1，所述L1满足：50mm≤L1≤300mm；在同一所述水平参考面，相邻的两个所述直管段之间的距离为L2，所述L2满足：50mm≤L2≤300mm。由此，可以增大物料与炉顶气之间的换热面积，从而提高换热效率，并便于物料在过料腔内的流动。

根据本实用新型实施例的气基竖炉，包括上述所述的气基竖炉的余热回收装置。

根据本实用新型实施例的气基竖炉，通过设置余热回收装置，可以利用排出的高温炉顶气对物料进行预热，减轻了气基竖炉的炉顶气除尘冷却和物料预热段的压力，降低了气基竖炉的能量损失，提高了能源利用率，节能环保。而且，通过在过料腔内沿上下方向设置多层U型段，可以增大炉顶气与物料之间的有效换热面积，进而提高了炉顶气与物料之间的换热效率。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施例的气基竖炉的余热回收装置的结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例的气基竖炉的余热回收装置的局部结构示意图。

附图标记：

余热回收装置100，

换热仓10，物料入口101，物料出口102，炉顶气入口110，炉顶气出口120，过料腔130，气体通道140，U型段150，弯管段151，直管段152，圆滑过渡部153，分散区160，布料器161，出料区170，

气基竖炉500，

炉体510，排气口511，过滤器512，

物料仓520。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面参考图1和图2描述根据本实用新型实施例的气基竖炉500的余热回收装置100。需要说明的是，气基竖炉500可以用于金属冶炼反应器，例如可以用于还原铁等。

如图1和图2所示，根据本实用新型实施例的气基竖炉500的余热回收装置100，气基竖炉500包括炉体510和物料仓520，金属冶炼过程可以在炉体510内进行，物料仓520可以用于为炉体510添加物料，例如，物料可以为用于为气基竖炉500提供热量的氧化球团等。余热回收装置100包括：换热仓10和气体通道140。

具体而言，如图1和图2所示，换热仓10具有物料入口101和物料出口102，物料入口101与物料仓520连通，物料出口102与炉体510连通。换热仓10内具有过料腔130，过料腔130与物料入口101和物料出口102分别连通。这里所述的“连通”既可以是指过料腔130与物料入口101和物料出口102直接连通，例如，图1中的示例所示，过料腔130的上端(如图1中所示的上下方向)与物料入口101连通，过料腔130的下端(如图1中所示的上下方向)与物料出口102连通；也可以是指过料腔130与物料入口101和物料出口102间接连通，例如，可以在物料入口101与过料腔130之间连接布料器161等，以使物料均匀分布至过料腔130内。由此，物料仓520内的物料可以从物料入口101进入到换热仓10内的过料腔130中，并可以从物料出口102流出换热仓10进入到炉体510内。

换热仓10还设置有炉顶气入口110和炉顶气出口120，炉顶气入口110与炉体510的排气口511连通，气体通道140设在过料腔130内，气体通道140两端与炉顶气入口110和炉顶气出口120分别连通。由此，从气基竖炉500排气口511排除的高温炉顶气可以从炉顶气入口110进入到气体通道140内，并可与过料腔130内的物料进行热量交换，以将热量传递给物料，对物料进行预热。

如图1和图2所示，气体通道140包括多个依次连通的U型段150，U型段150包括弯管段151和两段直管段152，弯管段151的两端分别与两个直管段152连通，直管段152在水平面内延伸。这里所述的“水平面”可以理解为，与如图1中所示的左右方向平行并与图1中所示的上下方向垂直的面。例如，图2中的示例所示，直管段152可以沿前后方向延伸(如图2中所示的前后方向)。可以理解的是，将U型段150的直管段152设置为在水平面内延伸，可以在过料腔130内沿上下方向(如图1中所示的上下方向)间隔设置多个U型段150。由此，通过设置将气体通道140设置为多个依次连通的U型段150，增大了气体通道140内炉顶气的流量，而且可以增大炉顶气与物料的热量交换面积，从而提高了炉顶气与物料之间的热交换效率。

根据本实用新型实施例的气基竖炉500的余热回收装置100，通过在换热仓10内设置过料腔130和气体通道140，可以利用气体通道140内的高温炉顶气对过料腔130内的物料进行预热，由此，使气基竖炉500的高温炉顶气的能量得到了回收利用，减轻了气基竖炉500预热段的压力，节能环保。而且，通过将气体通道140设置为多个沿水平方向延伸且依次连通的U型段150，增大了气体通道140内炉顶气的流量，而且可以增大炉顶气与物料的热量交换面积，从而提高了炉顶气与物料之间的热交换效率。

在本实用新型的一些实施例中，如图1和图2所示，直管段152的横截面积大于弯管段151的横截面积，U型段150的管径为：50mm-300mm。可以理解的是，过料腔130可以设置为沿上下方向(如图1中所示的上下方向)延伸的圆筒形结构，气体通道140在过料腔130内沿水平方向(如图1中所示的左右方向)延伸。由于，U型段150的弯管段151靠近过料腔130的内壁，由此，将弯管段151的管径设置为小管径，可以有效防止弯管段151与过料腔130内壁之间的干涉。而将直管段152的管径设置较大，则可以有效提高炉顶气在气体通道140内的流通量，以提高炉顶气与物料之间的换热效率。

可选地，直管段152上与弯管段151连接的位置处圆滑过渡。如图2所示，在直管段152与弯管段151的连通处设置有圆滑过渡部153。由此，当炉顶气从直管段152流入至弯管段151或从弯管段151流入到直管段152时，圆滑过渡部153可以减小炉顶气在不同管段流动过渡时的阻力，从而增加了炉顶气体在气体通道140内流动的流畅性。

根据本实用新型的一些实施例，过料腔130内靠近物料入口101的位置处形成有分散区160。如图1所示，在过料腔130的上端(如图1中所示的上下方向)靠近物料入口101的位置设置有分散区160，分散区160上端(如图1中所示的上下方向)的口径可以小于分散区160的下端(如图1中所示的上下方向)的口径。由此，当物料从物料入口101进入到过料腔130时，分散区160可以使物料均匀的分布至过料腔130内，有利于提高炉顶气与物料之间的换热效率。进一步地，在物料入口101与分散区160之间可以设置有布料器161，以使物料更加均匀的分布至下方(如图1中所示的上下方向)过料腔130内，从而有利于物料均匀受热。

在本实用新型的一些实施例中，换热仓10的靠近物料出口102的位置处形成为倒锥形，物料出口102位于倒锥形的底部窄口处。如图1所示，在过料腔130的下方(如图1中所示的上下方向)设置有倒锥形的出料区170，通过将将出料区170设置为倒锥形，可以使过料腔130内的物料集中流入至下方(如图1中所示的上下方向)的物料出口102，有利于物料从物料出口102流出换热仓10。

可选地，气体通道140上与炉顶气入口110连通的位置处设有喷嘴。喷嘴的直径可以为5mm-10mm。由此，可以通过喷嘴将炉顶气喷入至气体通道140内，而且可以通过喷嘴控制炉顶气的流向和流速，以提高炉顶气与物料之间的热交换效率。

在本实用新型的一些实施例中，炉顶气入口110的上游设有开度可调的流量控制阀(图中未示出)。由此，可以通过调节流量控制阀，控制炉顶气流量的大小。需要说明的是，这里所述的“上游”可以理解为按炉顶气在余热回收装置100内的流动方向所理解的上游(如图1中箭头所示的炉顶气的流动方向)。在实际的金属冶炼过程中，可以根据实际的工矿需求，控制炉顶气流量的大小，以对炉顶气与物料之间的热量交换过程进行精确控制，使炉顶气热量得到更充分的利用，提高炉顶气显热利用率。

根据本实用新型的一些实施例，过料腔130具有多个水平参考面，多个水平参考面沿上下方向间(如图1中所示的上下方向)隔分布，每个水平参考面内均设有直管段152，在相邻的两个水平参考面内，其中一个水平参考面的直管段152与另一个水平参考面的直管段152交错分布。如图1所示，在过料腔130内，直管段152沿水平方向(如图1中所示的左右方向)间隔排布，多个沿水平方向间隔排布的直管段152位于同一个水平面上，形成一层U型段150。在过料腔130内，沿上下方向(如图1中所示的上下方向)间隔分布有多层U型段150，而且相邻的两层U型段150之间直管段152交错分布。炉顶气在多层U型段150之间沿S形由下至上流动(如图1中箭头所示的炉顶气的流动方向)。由此，可以使过料腔130内形成梯度分布的温度场，并可充分利用过料腔130的有限空间，布置多个U型段150，以提高炉顶气与物料间的换热效率。

进一步地，在相邻的两个水平参考面内，其中一个水平参考面的直管段152与另一个水平参考面的直管段152的最短距离为L1，L1满足：50mm≤L1≤300mm。经过试验验证，当L1满足：50mm≤L1≤300mm时，可以使过料腔130内形成梯度均匀变化的温度场，并有利于炉顶气在气体通道140内的顺畅流动，使炉顶气与物料之间具有较高的换热效率。

可选地，在同一水平参考面，相邻的两个直管段152之间的距离为L2，L2满足：50mm≤L2≤300mm。经过试验验证，当L2满足：50mm≤L2≤300mm。时，可以提高过料腔130的空间利用率，并可以使物料和炉顶气具有良好的流动性。

在本实用新型的一些示例中，换热仓10的高度可以为3m-20m。由此，可以根据实际的工况需求，在换热仓10内布置相应数量的U型段150的层数，以保证炉顶气与物料之间的换热效率。

根据本实用新型实施例的气基竖炉500，包括上述的气基竖炉500的余热回收装置100。

根据本实用新型实施例的气基竖炉500，通过设置余热回收装置100，可以利用排出的高温炉顶气对物料进行预热，减轻了气基竖炉500的物料预热段的压力，降低了气基竖炉500的能量损失，提高了能源利用率，节能环保。而且，通过在过料腔130内沿上下方向设置多层U型段150，可以增大炉顶气与物料之间的有效换热面积，进而提高了炉顶气与物料之间的换热效率。

下面参照图1和图2以两个具体的实施例详细描述根据本实用新型实施例的气基竖炉500的余热回收装置100。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本实用新型的具体限制。

实施例一：

如图1所示，气基竖炉500包括炉体510和物料仓520，炉体510用于金属的冶炼，物料仓520可以为炉体510添加热源物料，例如，物料可以为氧化球团等，用以为金属冶炼过程中提供热量。可以理解的是，在金属冶炼过程中，产生的炉顶气具有较高的温度，从排气口511排除的炉顶气的温度约为450℃。

余热回收装置100可以对气基竖炉500排除的高温炉顶气的热量进行回收利用，用以提高能源利用率，节能环保。如图1所示，余热回收装置100包括：换热仓10和气体通道140。

其中，如图1所示，在气基竖炉500的顶壁设置有排气口511，高温炉顶气可以从排气口511排出气基竖炉500。在排气口511出可以设置有过滤器512，以对炉顶气进行初步过滤。

如图1所示，换热仓10的顶部中心位置设置有物料入口101，且物料入口101与上方(如图1中所示的上下方向)的物料仓520连通。物料入口101的下端(如图1中所示的上下方向)为分散区160，分散区160的上方(如图1中所示的上下方向)设置有布料器161，从物料入口101进入的物料可以经分散区160均匀分分布至过料腔130内。换热仓10的下端(如图1中所示的上下方向)形成倒锥形出料区170，物料出口102位于出料区170的最低端的窄口处，物料出口102与气基竖炉500连通，物料可以从物料出口102流入至气基竖炉500内。

换热仓10的内部设置有过料腔130，过料腔130的上端(如图1中所示的上下方向)连通物料入口101，过料腔130的下端(如图1中所示的上下方向)连通物料出口102。在过料腔130内设置有气体通道140，气体通道140包括多个依次连通的U型段150，U型段150包括弯管段151和两段直管段152，如图2所示，直管段152的横截面积大于弯管段151的横截面积，直管段152的管径为200mm。弯管段151的两端分别与两个直管段152连通，直管段152与弯管段151的连通处设置有圆滑过渡部153。直管段152在水平面内延伸，且直管段152在过料腔130内沿水平方向间隔分布。多个U型段150在过料腔130内沿上下方向(如图1中所示的上下方向)间隔分布为20层。相邻两层的U型段150中，直管段152交错分布，多层U型段150在过料腔130内呈S型分布。同一层中，相邻的两个直管段152的最短距离为L1，L1＝100mm,相邻的两层U型段150中，其中一层的直管段152与相邻层直管段152之间的最小距离为L2，L2＝200mm。

在换热仓10下端的侧壁右下方(如图1中所示的上下左右方向)设置有炉顶气入口110，在换热仓10上端的左侧壁(如图1中所示的上下左右方向)上设置有炉顶气出口120，气体通道140最下层的U型段150与炉顶气入口110连通，气体通道140最上层的U型段150与炉顶气出口120连通，炉顶气入口110与气体通道140的连通处设置有喷嘴，炉顶气入口110与气基竖炉500的排气口511连通，炉顶气入口110的上游设有开度可调的流量控制阀。由此，从气基竖炉500的排气口511排出的高温炉顶气可以从炉顶气入口110进入到气体通道140内，高温炉顶气在气体通道140内从下往上依次流过每个U型段150，并与过料腔130内的物料进行热量交换，以对物料进行预热。

需要说明的是，如图1所示，物料仓520内的物料从物料入口101进入到过料腔130内，物料为直径为6mm-16mm的待加热氧化球团。在过料腔130内与气体通道140内的高温炉顶气进行热量交换，温度升高。经过预热后的物料(温度约为440℃)从物料出口102进入到气基竖炉500内部，并经过进一步加热燃烧对气基竖炉500内的金属进行冶炼。

如图1所示，从排气口511排出的高温炉顶气(温度为450℃左右)首先经过过滤器512进行初步过滤，初步过滤后的高温炉顶气的主要成分为：H2(38.2％)，CO(20.0％)，CH4(1.9％)，H2O(21.0％)，CO2(16.4％)，N2(2.5％)。经过初步过滤后的高温炉顶气以666735Nm3/h的流量从炉顶气入口110经喷嘴进入到气体通道140内，高温炉顶气在气体通道140内流动，并与过料腔130内的物料进行热量将换，以将热量传递给物料，对物料进行预热。由此，使炉顶气的预热得到了回收利用。经过热量交换后的炉顶气(温度降低为约182℃)，最后从炉顶气出口120排出换热仓10。在换热仓10的周壁上设置有保温层，以防止换热仓10内的热量散失，造成能源浪费。

可以理解的是，炉顶气在气体通道140内沿多层U型段150从下至上(如图1中所示的上下方向)的流动过程中与物料进行热量交换，换热仓10内不同区域形成温度不同的温度场。如图1所示，在过料腔130的底部，温度为400℃-450℃；在过料腔130中部，温度为350℃-375℃；在过料腔130的上部，温度为150℃-170℃。分散区160的温度为30℃，分散区160的温度为442℃。不同区域的温度场的温度可以通过调节U型段150的层数、直管段152间的间距以及炉顶气流量等实现。

由此，通过在换热仓10内设置过料腔130和气体通道140，可以利用气体通道140内的高温炉顶气对过料腔130内的物料进行预热，由此，使气基竖炉500的高温炉顶气的能量得到了回收利用，减轻了气基竖炉500预热段的压力，节能环保。而且，通过将气体通道140设置为多个依次连通的U型段150，增大了气体通道140内炉顶气的流量，而且可以增大炉顶气与物料的热量交换面积，从而提高了炉顶气与物料之间的热交换效率。

实施例二：

与实施例一不同的是，在该实施例中，高温炉顶气以568767Nm3/h的流量流入至换热仓10内。在过料腔130内沿上下方向(如图1中所示的上下方向)间隔分布有40层U型段150，同一层中，相邻的两个直管段152之间的距离为L1，L1＝100mm。相邻的两层U型段150中，其中一层直管段152与另一层相邻的直管段152之间的距离为L2，L2＝100mm。换热仓10内各区域的温度场分布为：在过料腔130底部，温度为443℃-448℃；在过料腔130中部，温度为360℃-372℃；在过料腔130的上部，温度为101℃-125℃。分散区160的温度为25℃，出料区170的温度为445℃。

由此，通过增加气体通道140的U型段150沿上下方向(如图1中所示的上下方向)的层数，增大了炉顶气与物料之间的热量交换面积，降低了预热过程中高温炉顶气的流量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。