一种气体加热方法和加热装置

技术领域

本发明属于加热装置的技术领域，涉及一种气体加热方法和加热装置。

背景技术

在冶金、建材、有色、煤化工、油化工等工业生产中以及需要加热的场合，常规加热方式使用了化石能源作为燃料，将空气作为配风进行燃烧产生高温热风或者作为燃烧器使用为工业生产进行加热，由于化石燃料燃烧后会产生CO

在全球温室效应已经对人类的生活产生影响的情况下，中国要在2030年实现碳达峰，在2060年实现碳中和，就是要将工业生产中的CO

但是等离子加热、微波加热、超声波加热等非常规的加热方式，存在以下问题：这些装置连续运行的时间短，约2000h～3000h，不能满足工业生产的长期连续运行；加热温度范围较窄，不能满足实际生产中对高温的需求；加热装置装机最大功率约2000KW，且投资大，约1000元/KW～15000元/KW；电磁感应加热要求被加热物料导磁，又有局限性。

发明内容

针对上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种气体加热方法和加热装置，具有节能环保、加热温度范围宽、连续运行、功率大、成本低的特点，能作为热风炉和燃烧器使用，应用范围广。同时本发明还提供实现该气体加热方法的加热装置，结构简单、操作方便。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种气体加热方法包括以下步骤：

1)向反应装置中通入气体；同时，向置于反应装置中的电极施加电压，在电压的作用下，电极产生的电流将气体电离，产生等离子电弧；

2)产生的等离子电弧对经过电极的气体进行加热，生成热风气体并送出反应装置。

进一步的，所述步骤1)中，气体通过电极或者反应装置侧壁通入；气体的进风量为100Nm

进一步的，所述步骤2)中气体在加热时，向反应装置内通入调温气体调节气体的加热温度；热风气体的温度为100～15000℃，热风气体的送出量为100Nm

进一步的，所述步骤1)中，在初始施加电压时，通过调节电极与置于反应装置内的石墨碳砖之间的高度距离以及调节电压的大小，直至电极直接产生等离子热风。

一种所述的气体加热方法的加热装置，包括炉体、电极、变压器；所述炉体上分别设置进气口和出气口；所述炉体底部设置石墨碳砖；所述进气口经电极与出气口相连通；所述电极轴向与炉体轴向相平行，所述电极一端置于炉体内，所述电极另一端伸出炉体外；所述变压器与电极相连；所述电极为一根、两根或三根；所述变压器为交流变压器或整流变压器。

所述电极为一根时，所述变压器为整流变压器，所述变压器上设置两组输出端，每组输出端分别与石墨碳砖和电极相连；

所述电极为两根时，所述变压器为整流变压器，所述变压器上设置两组输出端，每组输出端分别与两根电极相连；伸入炉体内的两根电极端部位于同一平面上；

所述电极为三根时，所述变压器包括交流变压器，所述变压器上设置三组输出端，每组输出端分别与三根电极中的任意相邻两根相连；两根电极伸入炉体内的三根电极端部位于同一平面上，且相邻两根电极之间的距离相等。

所述电极为中空电极或实心电极；所述电极为碳素电极、石墨电极或自焙电极；所述电极的直径为300～5000mm；所述电极为两根或三根时，相邻两根电极之间的距离为50mm～2000mm。

所述加热装置还包括置于炉体外的电极高度调节单元；所述电极高度调节单元与置于炉体外的电极一端相连。

进一步的，所述电极高度调节单元包括基座、电极夹紧机构、电极升降机构和动力机构；所述动力机构置于基座上；所述电极夹紧机构置于炉体外的电极一端上；所述动力机构经电极升降机构与电极夹紧机构相连，动力机构带动电极沿着电极的轴向上下移动；所述动力机构为液压站或气压站。

进一步的，所述加热装置还包括密封圈和电极接长机构；所述密封圈置于电极与炉体连接处；所述电极接长机构置于电极伸出炉体外的一端处。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的加热方法是将电弧原理和矿热炉结构结合，利用等离子电弧原理对气体进行电离加热，采用电力作为能源，且气体可选择工业炉窑的反应气，产生的热风气体可作为工业炉窑的反应气，没有其他气体进入工业反应炉窑内，而工业炉窑后端产生的反应气作为循环气体，再继续加热到工业炉窑生产需要的温度重新参与反应，并使用调温气体以调整热风气体的热风量使工业生产能继续完成的。本发明采用电力加热热风气体向反应系统提供热量，不产生有害气体，节约能源且环保；气体加热温度在100～15000℃内，满足工艺需求，降低成本，实现工业生产过程加热的CO

2、本发明中，所述步骤1)中，在初始施加电压时，通过调节电极与置于反应装置内的石墨碳砖之间的高度距离以及调节电压的大小，使得电极之间的气体电离直接产生等离子电弧，并对电极周围的气体进行直接加热，实用灵活，满足实际需求。

3、本发明的电压为220V～10000KV，变压器4是现有的电炉变压器，包括短网、水冷电缆、电极把持器或者铜瓦，变压器4内设置调压线圈和调压开关，有调整电压、传输电流和电力能力的作用，节省材料，降低成本。

4、本发明提供的热风量装置等离子热风的加热温度范围宽，满足不同产品、不同工艺、不同工序的需求；且排出工业炉窑尾气是纯净的反应气，能循环利用或是直接回收，减少提浓、脱碳、脱氮的工序，节能环保；该装置的装机可以达到100KW～500000KW，投资大约300元/KW，装置可以连续运行20000h以上，装置输出的等离子热风作为热风炉使用，又可以做成工业加热的燃烧器使用，应用范围广。

5、本发明提供的加热装置，在矿热炉的炉膛(炉体)作为反应装置，并设置三相电极或整流后的两相电极；炉体外设置电极高度调节单元和电极接长机构，炉体内设置石墨碳砖；石墨碳砖和电极高度调节单元相结合，可调节电极与装置底部石墨碳砖的轴向高度距离在合适的范围内，实现电离气体并起弧，对气体加热；此外，电极高度调节单元和电极接长机构相结合，当电极有消耗时，可在炉外接长电极，从而保证装置的连续稳定运行；此外在炉体与电极连接处设置密封圈，使得炉体形成密闭状态，避免外界空气的进入。装置结构简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明提供的第一种气体加热装置实施方式示意图；

图2为本发明提供的第二种气体加热装置实施方式示意图；

图3为本发明提供的第三种气体加热装置实施方式示意图；

图4为本发明图1中三根电极俯视示意图；

其中：

1—炉体；2—电极；3—密封圈；4—变压器；5—电极高度调节单元；6—石墨碳砖；7—短网；8—水冷电缆。

具体实施方式

现结合附图以及实施例对本发明做详细的说明。

本发明提供的加热装置包括炉体1、电极2、变压器4；炉体1上分别设置进气口和出气口；炉体1底部设置石墨碳砖6，进气口经电极2与出气口相连通；电极2轴向与炉体1轴向相平行，电极2一端置于炉体1内，电极2另一端伸出炉体1外；变压器4与电极2相连；电极2为一根、两根或三根；变压器4为交流变压器或整流变压器。

本发明中，炉体1为矿热炉的炉膛，在其底部铺设一层石墨碳砖6。

本发明中，电极2为一根时，变压器4为整流变压器，变压器4上设置两组输出端，每组输出端分别炉体1底部的石墨碳砖6和电极2相连。

本发明中，电极2为两根时，变压器4为整流变压器，变压器4上设置两组输出端，每组输出端分别与两根电极2相连；伸入炉体1内的两根电极2端部位于同一平面上。

本发明中，电极为三根时，变压器4为交流变压器，变压器4上设置三组输出端，每组输出端分别与三根电极2中的任意相邻两根相连；两根电极2伸入炉体1内的三根电极2端部位于同一平面上，且相邻两根电极2之间的距离相等。

本发明中，电极2为中空电极或实心电极。电极2为中空电极时，电极2伸出炉体1外的一端与气体管路相连接；电极2置于炉体1内的一端与出气口相连通，气体从中空电极通入炉体1内。

本发明中，电极2为碳素电极、石墨电极或自焙电极；电极2的直径均为300～5000mm；电极2为两根或三根时，相邻两根电极2之间的距离为50mm～2000mm。实施时，在此范围内任意选择。

本发明中，电极2伸入炉体1内的一端与炉体1底部之间的距离，不做限定，主要是因为这个距离是与电压、电极直径、电极之间的距离有关的，具体实施时，在电压、电极直径、电极之间的距离一定时，调节电极2下端部与炉体1底部之间的距离，在合适的距离范围中电极之间即可产生电流。

本发明中，加热装置还包括置于炉体1外的电极高度调节单元5；电极高度调节单元5与置于炉体1外电极2相连。

本发明中，电极高度调节单元5包括基座、电极夹紧机构、电极升降机构和动力机构；动力机构置于基座上；电极夹紧机构置于炉体1外的电极2一端上；动力机构经电极升降机构与电极夹紧机构相连，动力机构带动电极2沿着电极2的轴向上下移动。实施时，动力机构为液压站或气压站。

本发明中，加热装置还包括密封圈3，密封圈3置于电极2与炉体1连接处，增加密封性，使得炉体1形成密闭状态，避免外界空气的进入。

本发明中，加热装置还包括电极接长机构；电极接长机构置于电极2伸出炉体1外的一端处。

本发明提供变压器4是现有的交流变压器或整流变压器，后端还包括短网、水冷电缆、电极把持器或者铜瓦。变压器4内设置调压线圈和调压开关，有调整电压、传输电流和电力的作用。

本发明中，电极接长机构的具体结构根据所选择的电极材料来确定，不同的电极材料有相应的接长装置。

本发明提供的气体加热装置，其加热方法包括以下步骤：

1)向反应装置中通入气体；同时，向置于反应装置中的电极施加电压，在电压的作用下，电极产生的电流将气体电离，产生等离子电弧；

2)产生的等离子电弧对经过电极的气体进行加热，生成热风气体并送出反应装置。

本发明步骤1)中，气体通过电极或者反应装置侧壁通入；气体的进风量为100Nm

步骤2)中气体在加热时，向反应装置内通入调温气体调节气体的加热温度；热风气体的温度为100～15000℃，热风气体的送出量为100Nm

实施时，产生的等离子电弧为高温、高比热容、高能量密度的等离子电弧，能实现对气体的加热。

本发明步骤1)中，在初始施加电压时，通过调节电极与置于反应装置内的石墨碳砖之间的高度距离以及调节电压的大小，直至电极直接产生等离子热风。

主要是由于在初始施加电压时，由于时间短，炉体1内温度升温慢，电极之间不能满足立即起弧，此时，可通过调节三相电极与置于反应装置内的石墨碳砖之间的高度距离(通过电极高度调节单元5来实现)以及调节电压的大小，设定电压，调节电极与石墨碳砖之间的高度距离，如果在某一距离时电极产生等离子弧；若电极与石墨碳砖之间的高度距离已经达到最小值，电极产生还不能起弧，则重新调整电压，再调节电极与石墨碳砖之间的高度距离，不断重复直至电极产生等离子弧，此时可对进入炉体1内的气体进行加热，电极高度调节单元5调节电极2的高度位置使整个装置气体加热稳定。当系统稳定后，再次通过电极高度调节单元5调节电极2的高度位置，使电极周围的气体在电压作用下产生等离子电弧，对气体进行加热。

本发明中，由于炉体1为矿热炉，在初始时，采用现有起弧技术进行起弧时，还应对炉体1进行加热使其温度在一定值时，再通过调节电极2与石墨碳砖6之间的护理以及调节电压大小进行起弧。

另外，也采用其他起弧的方法实现本发明初始起弧。例如，先开炉不加料，向炉体1内施加15％左右的电流，然后电极2做底，缓慢起弧，实现烘炉、烤炉为一体，达到炉温后，然后再通气进行加热。

本发明中，气体的种类、浓度不做限定，工业生产中常见的气体均可，都能通过本发明的加热装置实现其加热，加热的气体可以仅作为加热源使用(相当于现有的燃料作用)，也可以作为热源和生产的反应器使用(节省加热燃料的同时参与反应)，实际应用时，可根据加热气体的使用环境进行优选。

本发明对电极夹紧机构和电极升降机构的具体结构不做任何限定，可以采用现有实现电极高度调节的电极升降机构和电极夹紧机构，也可以是实现电极高度调节的其他结构。

本发明提供的气体加热装置，装机可以达到100KW～500000KW，但根据实际投入以及产生的效益估计，其投资大约300元/KW，而且装置可以连续运行20000h以上，加热范围在100～15000℃，可满足工业生产对温度的要求，因此实施时，可根据实际使用环境，将装置设计成不同大小、规格，应用范围广。

下面通过具体的实施例对本发明提供的加热装置以及加热过程进行说明。

实施例1

参见图1，本实施例提供的加热装置包括炉体1、电极2、变压器4。

本实施例中，炉体1为矿热炉的炉膛，炉体1上分别设置进气口以及与进气口相连通的出气口，进气口经电极2与出气口相连通，炉体1内底部设置石墨碳砖6。

参见图4，本实施例中，电极2为三根，分别为第一电极、第二电极和第三电极；三根电极2并行设置，且三根电极中，两两相邻电极之间的距离相等，三根电极之间的轴心位于同一个圆上，形成极心圆，且三根电极的一端均置于炉体1内，三根电极的另一端均伸出炉体1外，三根电极与炉体1连接处均设置密封圈3。电极2均选用石墨电极。电极2直径为500mm，相邻两个电极2之间的距离为1000mm。

本实施例中，变压器4为交流变压器，变压器4上设置三组输出端，变压器4的每组输出端均包括两个接线端，其中一个接线端上设置短网7，另一个接线端上设置水冷电缆8。变压器4的交流电压为300V。

具体的，第一组输出端分别与第一电极和第二电极相连接，一个接线端通过短网7与第一电极相连；另一个接线端通过水冷电缆8与第二电极相连；

第二组输出端分别与第二电极和第三电极相连接，一个接线端通过短网7与第二电极相连；另一个接线端通过水冷电缆8与第三电极相连；

第三组输出端分别与第一电极和第三电极相连接，一个接线端通过短网7与第一电极相连；另一个接线端通过水冷电缆8与第三电极相连。

本实施例提供的加热装置还包括置于炉体1外的电极高度调节单元5；电极高度调节单元5包括基座、电极夹紧机构、电极升降机构和动力机构；动力机构置于基座上；电极夹紧机构置于电极2上；动力机构经电极升降机构与电极夹紧机构相连，带动电极2沿着电极2的轴向上下移动；动力机构为液压站。

工作时，需要对电极轴向高度进行调节时，液压站提供动力，驱动升降机构运动，升降机构通过电极夹紧机构带动电极2沿着电极2的轴向上下移动。

本实施例提供的电极接长机构，由于电极选择的石墨电极，电极接长机构为设置在石墨电极伸出炉体1外一端上的螺丝，电极随着不断产生的等离子电弧而消耗，当伸入炉体1内的电极2消耗变短时，通过置于炉体1外一端上的螺丝在电极上重新接上一根新的石墨电极，再通过电极高度调节单元5，将接长后的电极向下伸入炉体1内，直至电极2置于炉体1内的合适位置且电极2之间形成电流，气体产生等离子电弧。

本实施例提供的气体加热装置，其加热方法是：

1)通过进气口向炉体1中通入气体；气体二氧化碳，气体的进风量为1000Nm

2)利用高温等离子电弧对气体进行加热，生成热风气体从出气口排出炉体1，热风气体的温度为1300℃，出风量为1500Nm

本实施例中，气体从进气口通入炉体1内，进入炉体1内的气体在等离子电弧作用下，生成二氧化碳热风气体，从炉体1上的出气口排出；排出的二氧化碳热风气体直接进入物料反应窑炉内，二氧化碳热风气体与物料直接反应，无需额外采用燃料对炉窑进行加热，节约能源；反应窑炉内，二氧化碳热风气体与物料(物料可以是碳酸盐矿、生产水泥的物料)反应完成后产生的尾气，由于反应窑炉内未引入其他杂质气体，尾气中含有大量二氧化碳气体，可返回至进气口，再次加热循环使用，也可作为调温气源，调节炉体1内加热气体的温度，使其满足工业生产实际需要。达到节能环保，实现工业生产过程加热的CO

在气体加热装置初始启动时，由于电极2产生的电弧温度低不能立即起弧，通过电极高度调节单元5调节电极2伸入炉体1内的一端与石墨碳砖6之间的高度的距离，同时调节交流电压大小，使得电极2产生高温等离子电弧；待产生高温等离子电弧后，再通过电极高度调节单元5将电极2向炉体1外拉，增大伸入炉体1内的电极端与炉体1底部的距离，直至电极2置于炉体1内的合适位置且电极2之间形成电流，气体产生等离子电弧。

同时由于电极2的材质为石墨棒，当在高温电弧以及二氧化碳作用下，石墨棒与二氧化碳反应生成石墨烯；且电极2伸出炉体1外较长，当石墨棒反应消耗时，避免等离子发生装置由于电极消耗而停止，可在伸出炉体1外的电极端上再接上一根新电极，能实现对气体的连续加热。

实施例2

参见图2，与上述实施例1不同的是，本实施例中，电极2为两根，分别记为第一电极和第二电极，变压器4为整流变压器，变压器4上设置两组输出端，变压器4的每组输出端均包括两个接线端，其中一个接线端上设置短网7，另一个接线端上设置水冷电缆8。变压器4的交流电压为300V。

具体的，第一组输出端分别与第一电极和第二电极相连接，一个接线端通过短网7与第一电极相连；另一个接线端通过水冷电缆8与第二电极相连；

第二组输出端分别与第一电极和第二电极相连接，一个接线端通过短网7与第二电极相连；另一个接线端通过水冷电缆8与第一电极相连。

实施例3

参见图3，与上述实施例1不同的是，本实施例中，电极2为一根，此时可将炉体1底部的石墨碳砖6作为阳极。变压器4为整流变压器，变压器4上设置两组输出端，变压器4的每组输出端均包括两个接线端，其中一个接线端上设置短网7，另一个接线端上设置水冷电缆8。变压器4的交流电压为300V。

具体的，第一组输出端分别与电极2和炉体1底部的石墨碳砖6相连接，一个接线端通过短网7与电极相连；另一个接线端通过水冷电缆8与炉体1底部相连；

第二组输出端分别与电极2和炉体1底部相连接，一个接线端通过短网7与炉体1底部的石墨碳砖6相连；另一个接线端通过水冷电缆8与电极2相连。

实施例4

与实施例1不同的是，本实施例中，电极2的直径均为300mm；任意相邻两根电极2之间的距离为50mm。

本实施例中，电极2为自焙电极。当电极2消耗时，电极接长结构包括钢筒，钢筒为内中空的筒状体，钢筒内壁的横截面结构与电极横截面结构相同，接长时，将钢筒焊接在置于炉体1外的电极2端部，将自焙电极材料置于钢筒内，通过电极高度调节单元5将电极2向炉体1内推，直至电极2置于炉体1内的合适位置且电极2之间形成电流，气体产生等离子电弧。

本实施例提供的气体加热装置，在加热时，气体是一氧化碳，变压器4交流电压为20KV的交流电，气体的进风量为2600MNm

实施例5

与实施例1不同的是，本实施例中，电极2的直径均为300mm；任意相邻两根电极2之间的距离为50mm。

本实施例中，电极2为碳素电极。碳素电极的接长方式与实施例1的接长相同。

本实施例提供的气体加热装置，在加热时，气体是二氧化硫，变压器4交流电压为500KV的交流电，气体的进风量为8000MNm

实施例6

与实施例1不同的是，本实施例中，电极2的直径均为300mm；相邻两根电极2之间的距离为50mm。

本实施例提供的气体加热装置，在加热时，气体是氧气，变压器4交流电压为1000KV的交流电，气体的进风量为3000MNm

实施例7

与实施例1不同的是，本实施例中，电极2为中空电极，此时，电极2伸出炉体1外的一端与气体管路相连接；电极2置于炉体1内的一端与出气口相连通，气体从中空电极通入炉体1内。

实施时，气体通过气体管路进入中空电极内，然后进入炉体1内，同时向电极2施加电压，电极2之间形成电流，产生等离子电弧，等离子电弧对通过中空电极的气体进行加热，加热后的气体从出气口排出炉体1。

发明在实施时，也可以采用多组变压器并列的方式，形成多根电极的热风装置，对气体进行加热。

本发明提供的气体加热方法是将电弧原理和矿热炉结构结合，利用等离子电弧原理对气体进行加热，采用热风气体向反应系统提供热量，不产生有害气体，节约能源且环保；气体加热温度在100～15000℃内，满足工艺需求，降低成本，实现工业生产过程加热的CO

以上所述仅为本发明几组较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所述的技术范围内，而做出的种种等同变型或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。