СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЕЧИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАГРЕВ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ВЫШЕ ПО ПОТОКУ ОТНОСИТЕЛЬНО ПЕЧИ Российский патент 2020 года по МПК F23L15/04 F27D17/00 F27B3/20 F27B7/34 

Настоящее изобретение относится к предварительному нагреву текучей среды выше по потоку относительно печи путем теплообмена с отходящими газами, отводимыми из печи.

Известно, что тепло отводимых отходящих газов используется для предварительного нагрева топочного воздуха выше по потоку относительно печи посредством регенераторов, работающих попеременно: (a) отходящие газы сначала подают в регенератор для нагрева регенератора, и (b) топочный воздух затем нагревают путем прохождения через регенератор, нагреваемый таким образом. Таким образом, отводимые отходящие газы и топочный воздух проходят через один и тот же объем внутри регенераторов, но в разные моменты времени. Из соображений безопасности такой способ, в котором горячие отходящие газы и текучая среда, подлежащая нагреву, проходят через один и тот же объем, не подходит для предварительного нагрева топлива или обогащенного кислородом окислителя.

Также известен предварительный нагрев окислителя для горения и/или топлива выше по потоку относительно печи путем теплообмена с отводимыми отходящими газами в одном или нескольких теплообменниках (часто называемых рекуператорами), в которых отводимые отходящие газы и текучая среда для нагрева циркулируют в отдельных контурах. В таком случае необходимо обеспечивать герметичность между контуром текучей среды, подлежащей предварительному нагреву, и контуром отводимых отходящих газов во избежание любого прямого контакта между отходящими газами и текучей средой. В данном контексте выражения «обмен тепла» или «теплообмен» означают такие процессы, в которых горячая текучая среда и текучая среда, подлежащая нагреву, циркулируют в отдельных контурах без смешивания или прямого контакта между двумя текучими средами.

Проводится различие между прямым теплообменом и непрямым теплообменом.

Во время прямого теплообмена текучая среда нагревают посредством текучей среды с более высокой температурой путем теплообмена через стенку, которая отделяет текучую среду, подлежащую нагреву, от текучей среды с более высокой температурой.

Под непрямым теплообменом подразумевают теплообмен, выполненный за два этапа прямого обмена посредством промежуточной текучей среды.

Компания AirLiquide разработала и внедрила в промышленное использование такую технологию предварительного нагрева, которая является особенно надежной и подходит для предварительно нагрева окислителя с высоким содержанием кислорода путем непрямого теплообмена между текучей средой, подлежащей предварительному нагреву, и отходящими газами, отводимыми из печи. Таким образом, в технологии предварительного нагрева компании AirLiquide:

• промежуточную текучую среду нагревают путем прямого теплообмена с отходящими газами через первую стенку на первом этапе, и

• на втором этапе кислород для горения (и, при необходимости, также топливо) предварительно нагревают через вторую стенку путем прямого теплообмена с промежуточной текучей средой, нагретой на первом этапе.

Такая технология, в частности, описана в документе WO 2006/054015. Эта технология позволяет достичь существенной экономии энергии в случае с печами, которые непрерывно генерируют поток горячих отходящих газов, достаточный для предварительного нагрева кислорода и/или топлива до требуемой температуры.

Из соображений безопасности важно предотвращать утечки между разными контурами. Такие утечки могут быть вызваны тепловым ударом и, в частности, внезапными или повторяющимися изменениями температуры, которые могут делать более хрупкими стенки и соединения теплообменников.

Отходящие газы, отводимые из промышленной печи, могут легко достигать температур от 600°C до 1550°C. Поэтому рекомендуется медленно и постепенно доводить теплообменник (теплообменники) до их рабочей температуры, то есть, постепенно доводить различные части теплообменника (теплообменников) до температуры, которой они будут обладать во время предварительного нагрева текучей среды.

Аналогично рекомендуется постепенно доводить теплообменник (теплообменники) до температуры окружающей среды, когда горение в печах прекращено, и когда больше не происходит какого-либо отвода горячих отходящих газов из печи.

Такой разогрев и такое охлаждение теплообменника (теплообменников) могут занять значительное время.

В промышленности проводится различие между печами непрерывного действия и печами периодического действия.

Печи непрерывного действия непрерывно нагреваются на протяжении всего периода работы, который может длиться месяцы или даже годы.

Эксплуатация печи периодического действия, в свою очередь, характеризуется повторяющимися циклами:

a) этапа нагрева, во время которого печь нагревают в результате горения топлива с окислителем, с образованием тепла и горячих отходящих газов, при этом указанные горячие отходящие газы затем отводят из печи через отводящую трубу; и

b) этапа остановки, во время которого горение топлива с окислителем в печи и отвод горячих отходящих газов из печи через трубу прерывают.

Это чередование между периодами с образованием горячих отходящих газов и без него делает известные способы предварительного нагрева реагента для горения путем теплообмена с отводимыми отходящими газами в одном или нескольких теплообменниках неподходящими для применения в печи периодического действия, так как они приводят к значительным, внезапным и повторяющимся колебаниям температуры, в особенности в стенке, которая отделяет отводимые отходящие газы от, соответственно, текучей среды, подлежащей нагреву, или промежуточной текучей среды.

Целью настоящего изобретения является создание технологии непрямого предварительного нагрева, которая подходит для печей периодического действия. Целью настоящего изобретения, более конкретно, является обеспечение надежной и эффективной утилизации тепла отводимых отходящих газов для печей периодического действия посредством технологии непрямого предварительного нагрева.

С этой целью настоящее изобретение предлагает способ эксплуатации печи, включающий этап нагрева, во время которого реализуется технология непрямого предварительного нагрева, описанная выше. Таким образом, во время этапа нагрева:

a) в печь подают топливо и окислитель, и печь нагревают путем горения топлива с окислителем с образованием тепла и отходящих газов горения, при этом отходящие газы отводят из печи через трубу, и

b) по меньшей мере одну текучую среду, выбранную из топлива и окислителя, предварительно нагревают выше по потоку относительно печи посредством отходящих газов, отводимых из печи:

• путем нагнетания с расходом Dm (>0) жидкой или газообразной среды в камеру и путем нагрева указанной среды путем теплообмена с отходящими газами в трубе через первую стенку, которая отделяет среду в камере от отходящих газов в трубе с получением нагретой среды, при этом первая стенка в этом случае имеет температуру, называемую «рабочей температурой», и

• путем нагнетания с расходом Df (>0) текучей среды, подлежащей предварительному нагреву, по меньшей мере в одну линию с целью предварительного нагрева текучей среды путем теплообмена с нагретой средой в камере через вторую стенку, которая отделяет текучую среду по меньшей мере в одной линии от нагретой среды в камере.

Способ эксплуатации печи включает повторяющиеся циклы вышеописанного этапа нагрева с последующими этапом остановки и этапом повторного запуска, при этом этап повторного запуска является связующим этапом между этапом остановки и следующим этапом нагрева.

Во время этапа остановки:

• подачу топлива и окислителя в печь и горение топлива с окислителем в печи, а также, безусловно, отвод отходящих газов из печи через трубу прерывают.

Согласно настоящему изобретению с начала каждого этапа остановки, то есть, когда горение топлива в печи остановлено, и на протяжении всего этапа остановки, расход Dm среды в камере снижается по меньшей мере на 50%, предпочтительно по меньшей мере на 75% и более предпочтительно по меньшей мере на 90%. Расход Dm среды в камере, в частности, может быть остановлен (Dm = 0) с начала каждого этапа остановки. Таким образом, путем замедления или даже ограничения охлаждения стенки (первой стенки), которая отделяет отводимые отходящие газы в трубе от промежуточной текучей среды, в начале каждого этапа остановки предотвращаются тепловые удары в этой первой стенке.

Также, согласно настоящему изобретению горение в печи топлива с окислителем и отвод отходящих газов через трубу повторно запускают в начале этапа повторного запуска. Расход Dm среды в камере одновременно увеличивают регулируемым образом и впоследствии регулируют для того, чтобы ограничить скорость нагрева стенки (первой стенки), которая отделяет отводимые отходящие газы в трубе от промежуточной текучей среды в камере до тех пор, пока первая стенка не достигнет рабочей температуры в начале следующего этапа нагрева.

Скорость охлаждения V_T↓ и скорость нагрева V_T↑ первой стенки определяются как: и выражаются в К/с.

Для предотвращения тепловой хрупкости теплообменника на первой стенке скорость охлаждения V_T↓ и скорость нагрева V_T↑ не должны превышать их соответствующие верхние пределы V_T↓max и V_T↑max. Указанные верхние пределы V_T↓max и V_T↑max могут быть одинаковыми или разными (как абсолютные значения). Они зависят от материалов, которые образуют первую стенку, а также от соединений (например, сварных соединений), которые соединяют первую стенку с остальной частью теплообменника. Так, определенные материалы или комбинации материалов выдерживают изменения температуры лучше, чем другие.

Путем регулирования вышеописанным образом расхода Dm промежуточной текучей среды во время этапов остановки и этапов повторного запуска можно ограничивать и замедлять охлаждение первой стенки во время этапа остановки таким образом, чтобы V_T↓ не превышала V_T↓max, а также ограничивать скорость нагрева V_T↑ первой стенки таким образом, чтобы она не превышала V_T↑max, при этом ограничивая время, необходимое для достижения первой стенкой ее рабочей температуры. Таким образом, настоящее изобретение позволяет с уверенностью пользоваться преимуществами с точки зрения энергии, которые предоставляет предварительный нагрев топлива или окислителя топлива посредством тепла в отводимых отходящих газах в установке печи периодического действия, при этом ограничивая потери времени, связанные с необходимостью регулирования разогрева (первой стенки) теплообменника.

Критерии, применяемые для выбора изменения расхода Dm промежуточной текучей среды во время этапа повторного запуска, следующие: достижение высокой скорости нагрева V_T↑ первой стенки с соблюдением верхнего предела V_T↑max указанной скорости нагрева.

Когда первая стенка весьма чувствительна к тепловым ударам, то есть, когда V_T↑max является относительно низкой, и/или когда температура отходящих газов, отводимых из печи, достигает высокого уровня, что сопряжено с существенным риском быстрого повышения температуры первой стенки, можно во время этапа повторного запуска увеличить расход Dm промежуточной текучей среды до уровня выше расхода Dm промежуточной текучей среды в начале этапов нагрева прежде, чем уменьшить расход Dm до последнего уровня в начале следующего этапа нагрева.

Когда, с другой стороны, риск тепловой хрупкости первой стенки является относительно низким, V_T↑max является относительно высокой, и/или температура отводимых отходящих газов является относительно низкой, Dm может оставаться во время этапа повторного запуска ниже расхода Dm в начале этапов нагрева.

Следует отметить, что во время этапов нагрева первая стенка обычно имеет температурную кривую в направлении потока отводимых отходящих газов. Выражение «рабочая температура», используемая в данном контексте, таким образом означает температуру стенки в определенной точке первой стенки, выбранной в качестве точки отсчета.

Согласно первому варианту осуществления расход Dm меняют во время этапов повторного запуска согласно заранее определенной функции. Эта функция может определяться опытным путем или путем расчета (энергетического баланса).

Согласно другому варианту осуществления определяют градиент (изменение с течением времени) температуры первой стенки (например, посредством термопары), и расход Dm регулируют как функцию скорости нагрева V_T↑ первой стенки, определенной, таким образом, с соблюдением при этом вышеописанных критериев.

Этап нагрева может быть этапом термической обработки сырья в печи, например, плавления и повторного нагрева сырья, содержащегося в печи.

Этап остановки может включать этап (полный или частичный) опорожнения печи (выгрузка сырья после термической обработки) с последующей загрузкой (полной или частичной) нового сырья в печь.

Как уже было указано выше, вторая стенка, которая не находится в прямом контакте с горячими отходящими газами, отводимыми из печи, подвергается меньшим изменениям температуры. Поэтому регулирование изменений температуры этой второй стенки во время работы печи обычно имеет меньшее значение.

Однако, возможно ограничивать изменения температуры второй стенки и/или сделать их более постепенными, в частности, во время этапа повторного запуска путем загрузки во время этого этапа повторного запуска по меньшей мере одной части текучей среды непосредственно в печь без прохождения по меньшей мере этой части текучей среды через по меньшей мере одну линию устройства для предварительного нагрева, описанного выше. Согласно одному возможному варианту осуществления текучую среду, подаваемую в печь во время этапа повторного запуска, разделяют на две части: первую часть и вторую часть. Первую часть текучей среды подают непосредственно в печь, при этом она не проходит по меньшей мере через одну линию, предназначенную для указанной текучей среды. Вторую часть текучей среды подают в печь после ее прохождения через по меньшей мере одну линию. Теплообмен между средой в камере и текучей средой через вторую стенку в этом случае ограничивается второй частью текучей среды. Преимущественно, соотношение между (a) второй частью и (b) суммой первой части и второй части текучей среды (то есть, общим расходом текучей среды, подаваемой в печь) увеличивается во время этапа запуска. Предпочтительно, в конце этапа повторного запуска вторая часть текучей среды соответствует расходу предварительно нагретой текучей среды, которую подают в печь в начале этапа нагрева, который следует после этапа повторного запуска. Таким образом, ограничивая количество текучей среды, которая проходит через по меньшей мере одну линию во время по меньшей мере начала этапа повторного запуска, уменьшаются колебания температуры (охлаждение и повторный нагрев) второй стенки, и им придают более постепенный характер во время этапа повторного запуска. Согласно одному конкретному варианту осуществления вторая часть равна нулю в начале этапа повторного запуска. Иначе говоря, вся текучая среда, загружаемая в печь, обходит по меньшей мере одну линию устройства для предварительного нагрева. В конце этапа повторного запуска первая часть преимущественно равна нулю, то есть, вся текучая среда, подаваемая в печь, проходит через по меньшей мере одну линию устройства для предварительного нагрева выше по потоку относительно печи.

Обычно, нагретое сырье выгружают из печи, а сырье, подлежащее нагреву, загружают в печь во время этапа остановки.

Среда, используемая в качестве теплопередающей текучей среды для нагрева текучей среды путем непрямого обмена с отводимыми отходящими газами, представляет собой практично газообразную среду, и, в частности, газообразную среду, выбранную из воздуха, азота, CO₂ или пара. Использование воздуха в качестве среды часто является предпочтительным благодаря его доступности и безвредности.

Способ согласно настоящему изобретению является особенно полезным, когда текучая среда, подлежащая предварительному нагреву, представляет собой обогащенный кислородом окислитель. Таким образом, текучая среда, подлежащая предварительному нагреву, может быть окислителем с содержанием кислорода от 50 об.% до 100 об.%, предпочтительно от 80 об.% до 100 об.% и более предпочтительно не менее 90 об.%.

Настоящее изобретение также позволяет комбинировать предварительный нагрев нескольких текучих сред, подлежащих предварительному нагреву, например, окислителя для горения и топлива, при этом каждая текучая среда, подлежащая предварительному нагреву, затем проходит через по меньшей мере одну линию, предназначенную для указанной текучей среды, подлежащей предварительному нагреву.

Настоящее изобретение может иметь практическое применение для большого количества типов печей периодического действия, таких как, например:

вращающаяся печь для выплавки литейного чугуна,

• вращающаяся печь для выплавки цветных металлов, предпочтительно для вторичной выплавки цветных металлов,

• наклоняющаяся печь для выплавки цветных металлов, предпочтительно для вторичной выплавки цветных металлов,

• вращающаяся или наклоняющаяся печь для выплавки эмалей или

• печь для выплавки металлов типа дуговой сталеплавильной печи (ДСП), предпочтительно для вторичной выплавки металлов.

Последовательность с течением времени различных этапов циклов преимущественно регулируется автоматически посредством блока управления.

Во время этапа нагрева температуру, до которой предварительно нагревают текучую среду, можно регулировать путем регулирования расхода среды внутри камеры. Этот расход среды внутри камеры также позволяет избежать больших изменений температуры первой поверхности между отходящими газами в трубе и средой в камере, а также второй стенки между текучей средой по меньшей мере в одной линии и средой в камере во время этапа нагрева. Такой способ описывается в существующей одновременно патентной заявке FR 1656584, поданной 8 июля 2016 г., и преимущественно будет использован один из вариантов осуществления способа предварительного нагрева, описанного в вышеуказанном документе для предварительного нагрева текучей среды во время этапа нагрева способа согласно настоящему изобретению.

Настоящее изобретение и его преимущества описываются более подробно в нижеприведенных примерах со ссылкой на фиг. 1–3, где:

• фиг. 1, на которой представлено схематическое изображение способа согласно настоящему изобретению и установки для его реализации, и

• на фиг. 2 и 3 представлено схематическое изображение расхода Dm и температуры первой стенки на различных этапах способа согласно двум вариантам осуществления способа согласно настоящему изобретению.

Печь 1 периодического действия снабжена по меньшей мере одной горелкой 2 для горения топлива с обогащенным кислородом окислителем, например, окислителем с содержанием кислорода не менее 97 об.%.

Хотя на фиг. 1 показана одна горелка, печь может содержать несколько таких горелок 2. Положение горелки (горелок) 2 в печи зависит от типа печи и способа, для которого печь предназначена. Например, во вращающейся печи обычно горелка расположена на продольном (продольных) конце (концах) цилиндра, образующего вращающуюся печь. В (невращающейся) отражательной печи горелка или горелки могут, например, быть установлены в потолке, в боковых стенках и/или в поперечных стенках.

Топливо, например природный газ, подается источником 43 топлива, а окислитель подается источником 45 окислителя, таким как бак для жидкого кислорода или блок разделения воздуха.

Когда в печи 1 происходит горение топлива с окислителем, что происходит во время этапа нагрева и во время этапа повторного запуска, горячие отходящие газы 10, образующиеся в результате горения, отводят из печи 1 через трубу 11.

Камера 20 окружает отводящую трубу 11 для отходящего газа.

Во время этапа нагрева нагнетатель 30 окружающего воздуха с регулируемой скоростью нагнетает окружающий воздух 31 с расходом Dm> 0 в камеру 20 для создания потока воздуха в камере 20, сопутствующего потоку отходящих газов 10 в трубе 11. Расход Dm окружающего воздуха, нагнетаемого в камеру 20, определяется скоростью нагнетателя 30.

Во время этапа нагрева расход Dm воздуха может быть постоянным или переменным. Согласно одному варианту осуществления расход Dm регулируют во время этапа нагрева согласно способу, описанному в существующей одновременно патентной заявке FR 1656584.

Первая стенка 21 физически отделяет отходящие газы 10 в трубе 11 от воздуха в камере 20 для обеспечения теплообмена между отходящими газами 10 в трубе 11 и воздухом в камере 20 через эту вторую стенку 21. Таким образом, воздух в камере 20 поглощает часть тепла, отводимого из печи 1 вместе с отходящими газами, с образованием, таким образом, нагретого воздуха в камере 20.

Все еще во время этапа нагрева текучую среду, подлежащую предварительному нагреву 40, нагнетают с расходом Df>0 в пучок линий 41, которые проходят через камеру 20. Внешняя стенка указанных линий 41, называемая «второй стенкой», физически отделяет текучую среду в линиях 41 от среды (воздуха) в камере 20. Эта стенка 41 служит в качестве поверхности теплообмена между воздухом в камере 20 и текучей средой, подлежащей предварительному нагреву, для получения во время этапа нагрева предварительно нагретой текучей среды 42. Воздух в камере 20, таким образом, выступает в качестве теплопередающей текучей среды между горячими отходящими газами 10 в трубе 11 и текучей средой, подлежащей предварительному нагреву, в линиях 41. Расход Df текучей среды, подлежащей предварительному нагреву, регулируют посредством клапана 46, расположенного на линии потока, соединяющей источник 45 с пучком линий 41.

Предварительно нагретую текучую среду 42 затем отводят из пучка линий 41 и передают в печь 1, в частности на горелку (горелки) 2. Воздух 32 отводят из камеры 20.

В проиллюстрированном примере текучая среда, подлежащая предварительному нагреву, представляет собой окислитель для горения (окислитель топлива) из источника 45, который протекает в линиях 41 в противотоке с воздухом в камере 20.

Расход топлива, подаваемого в печь 1 (горелку (горелки) 2), регулируют посредством клапана 47, расположенного на линии потока, соединяющей источник 43 с горелкой (горелками) 2 печи 1.

Блок 60 управления регулирует:

• работу нагнетателя 30 и, следовательно, расход окружающего воздуха, подаваемого в камеру 20,

• открытие клапана 46 и, следовательно, расход Df окислителя 40, подаваемого в пучок линий 41, и оттуда в печь 1, а также

• открытие клапана 47 и, следовательно, расход топлива, подаваемого в печь 1.

В конце этапа нагрева, например, когда сырье, содержащееся в печи 1, полностью расплавилось и, при необходимости, было рафинировано, сырье может быть выгружено из печи для того, чтобы можно было загружать новое сырье в печь. Затем горение в печи 1 останавливают, и начинают этап остановки.

Блок 60 управления в этом случае дает следующие команды:

• снижение скорости и обычно остановка нагнетателя 30 для того, чтобы расход Dm окружающего воздуха, подаваемого в камеру 20, уменьшился по меньшей мере на 50%, или даже опустился до нуля; закрытие клапана 47 для прекращения подачи топлива в печь 1; и

• закрытие клапана 46 для того, чтобы расход Df окислителя, подаваемого в пучок линий 41 и оттуда в печь 1, стал равным нулю.

Вследствие уменьшения или даже приостановки во время этапа остановки подачи окружающего воздуха в камеру 20, охлаждение первой стенки 21 в отсутствие горячих отходящих газов в трубе 11 замедляется или даже уменьшается, когда длительность этапа остановки является достаточно малой.

Также следует отметить, что вследствие остановки потока окислителя 40 внутри пучка линий 41 также замедляется охлаждение второй стенки.

Согласно одному конкретному варианту осуществления клапан 48 позволяет закрыть выпускное отверстие камеры 20 для того, чтобы воздух, присутствующий в камере 20 в определенный момент времени, оставался внутри этой камеры 20.

Открытие (и, следовательно, также закрытие) клапана 48 также регулируют посредством блока 60 управления. В этом случае можно удерживать нагретый воздух, находящийся в конце этапа нагрева внутри камеры 20, во время этапа остановки внутри камеры 20 путем закрытия клапана 48 в начале этапа остановки, таким образом замедляя, даже охлаждая первую и вторую стенки во время этапа остановки.

В начале этапа повторного запуска, который следует после этапа остановки, блок управления, повторно запускают горение топлива с окислителем 42.

С этой целью блок 60 управления в начале этапа повторного запуска дает следующие команды:

• открытие клапана 47 для подачи топлива в печь 1; и

• открытие клапана 46 для подачи расхода Df> 0 окислителя в пучок линий 41 и оттуда в печь 1.

Горячие отходящие газы 10, образующиеся в результате горения в печи 1, во время этапа повторного запуска отводят из печи 1 через трубу 11, где они вступают в контакт с первой стенкой 21 и нагревают ее.

В начале этапа повторного запуска блок 60 управления увеличивает скорость нагнетателя 30 или повторно запускает его (если нагнетатель 30 был остановлен во время этапа остановки) с тем, чтобы регулируемый расход окружающего воздуха Dm, превышающий расход Dm во время этапа остановки, подавался в камеру 20 во время этапа повторного запуска. В случае, когда клапан 48 предусмотрен и был закрыт во время этапа остановки, блок управления также открывает этот клапан 48 для того, чтобы обеспечить сброс расхода Dm после того, как он пройдет через камеру 20.

Расход Dm окружающего воздуха в камере 20 во время этапа повторного запуска замедляет нагрев первой стенки 21, которая также находится в контакте с отводимыми отходящими газами 10.

Расход Dm окружающего воздуха в камере 20 во время этапа повторного запуска выбирают таким, чтобы первая стенка 21 нагревалась быстро, и при этом скорость нагрева V_T↑ не превышала заранее определенный верхний предел V_T↑max.

Согласно одному варианту осуществления расход Dm во время этапа повторного запуска меняется с течением времени согласно заранее определенной функции.

Согласно другому варианту осуществления, показанному на фиг. 1, первая стенка 21 оснащена датчиком 50 температуры (термопарой), который измеряет температуру стенки 21 в определенной точке отсчета. Датчик 50 температуры присоединен к блоку 60 управления, который устанавливает скорость нагрева V_T↑ исходя из измеренной температуры. Блок управления затем регулирует, посредством нагнетателя 30, расход Dm в камере 20 во время этапа повторного запуска для того, чтобы приблизить эту скорость нагрева V_T↑ к верхнему пределу V_T↑max, но чтобы при этом V_T↑ не превышала V_T↑max, например, путем соблюдения предварительно заданного запаса между V_T↑ и V_T↑max.

В конце этапа повторного запуска, когда первая стенка 21, таким образом, достигла своей рабочей температуры, завершается этап повторного запуска, и начинается следующий этап нагрева.

Когда способ согласно настоящему изобретению включает разделение общего расхода текучей среды, подаваемой в печь 1, на две части во время этапа повторного запуска, как описано выше, блок 60 управления преимущественно регулирует это разделение расхода текучей среды и изменение в соотношении между второй частью текучей среды (которая протекает через пучок линий 41) и общим расходом текучей среды во время этапа повторного запуска.

На фиг. 2 и фиг. 3 показаны две возможные кривые расхода Dm во время этапа повторного запуска.

На фиг. 2 схематически показана первая кривая Dm во время различных этапов способа в случае, когда верхний предел V_T↑max скорости нагрева V_T↑ первой стенки 21 является относительно низким по отношению к температуре горячих отходящих газов, отводимых из печи 1, с тем, чтобы во время этапа повторного запуска требовался высокий расход Dm, больший, чем расход Dm во время этапа нагрева, с целью исключения термальной хрупкости первой стенки в последующих циклах способа.

В случае, проиллюстрированном на фиг. 3, соотношение между верхним пределом V_T↑max скорости нагрева V_T↑ первой стенки 21 и температурой горячих отходящих газов, отводимых из печи 1, является более высоким, так что во время этапа повторного запуска можно использовать расход Dm, меньший, чем расход Dm во время этапа нагрева, с целью исключения чрезмерно быстрого нагрева первой стенки 21.

Таким образом, благодаря безопасному осуществлению регулируемого охлаждения и регулируемого нагрева первой стенки 21 между двумя этапами нагрева настоящее изобретение позволяет воспользоваться преимуществами предварительного нагрева окислителя и/или топлива путем непрямого теплообмена с отводимыми отходящими газами без недопустимых потерь времени, обычно связанных с рабочим разогревом и охлаждением теплообменника (теплообменников).

Как было указано выше, важно, чтобы охлаждение или (повторный) разогрев теплообменника происходили постепенно и регулируемым образом во избежание тепловых ударов, которые могут привести к утечкам в теплообменнике. Следовательно, такие охлаждение и разогрев потребовали бы значительного времени, которое обычно превышает время, необходимое для разгрузки и повторной загрузки печи.

По этой причине предварительный нагрев окислителя и/или топлива выше по потоку относительно печи путем непрямого теплообмена с отходящими газами, отводимыми из печи, обычно не является выгодным для печи периодического действия, работа которой включает этап остановки в каждом цикле.

Также следует отметить, что печи периодического действия обычно имеют сравнительно небольшие размеры по сравнению с размерами, которых могут достигать печи непрерывного действия для того же типа способа: например, если сравнивать стеклоплавильные печи периодического действия с печами для варки флоат-стекла. Следовательно, инвестиции в установку для предварительного нагрева путем непрямого теплообмена с горячими отводимыми отходящими газами для печей периодического действия сравнительно больше, чем для печей непрерывного действия (по сравнению со стоимостью печи и производства). До настоящего времени, таким образом, снижение стоимости установки для предварительного нагрева путем непрямого теплообмена было невозможным за допустимое время для печей периодического действия.

Однако, благодаря безопасному осуществлению регулируемого охлаждения и регулируемого нагрева первой стенки между двумя этапами нагрева настоящее изобретение позволяет воспользоваться преимуществами предварительного нагрева окислителя и/или топлива путем непрямого теплообмена с отводимыми отходящими газами без недопустимых потерь времени, обычно связанных с рабочим разогревом и охлаждением теплообменника (теплообменников).

Таким образом, настоящее изобретение впервые делает предварительный нагрев окислителя и/или топлива путем непрямого теплообмена с отходящими газами эффективным и выгодным для печей периодического действия.

Изобретение относится к области энергетики. Способ эксплуатации печи (1) включает этап нагрева, на котором топливо и окислитель подают в печь (1), печь (1) нагревают за счет сгорания топлива с окислителем с образованием тепла и отходящих газов (10), при этом отходящие газы (10) отводят из печи (1) через трубу (11). По меньшей мере одну текучую среду (40), выбранную из топлива и окислителя, предварительно нагревают выше по потоку относительно печи (1): путем нагнетания с расходом Dm>0 жидкой или газообразной среды (31) в камеру (20) и путем нагрева указанной среды (31) путем теплообмена с отходящими газами (10) в трубе (11) через первую стенку (21), которая отделяет среду (31) в камере (20) от отходящих газов (10) в трубе (11) с получением нагретой среды (32), и путем нагнетания с расходом Df>0 текучей среды, подлежащей предварительному нагреву (40), по меньшей мере в одну линию (41) с целью предварительного нагрева текучей среды (40) путем теплообмена с нагретой средой (32) в камере (20) через вторую стенку, которая отделяет текучую среду (40) по меньшей мере в одной линии (41) от нагретой среды (32) в камере (20) и которая имеет температуру, называемую рабочей температурой. Способ включает повторяющиеся циклы этапа нагрева, за которым следуют этап остановки и этап повторного запуска. При этом во время этапа остановки подачу топлива и окислителя в печь (1), горение топлива с окислителем в печи (1) и отвод отходящих газов (10) из печи (1) через трубу (11) прерывают; и расход Dm среды (31) в камере (20) не превышает 50%, предпочтительно не превышает 75% и более предпочтительно не превышает 90% расхода Dm во время этапа нагрева. При этом во время этапа повторного запуска подачу топлива и окислителя в печь (1), горение топлива с окислителем в печи (1) и отвод отходящих газов (10) из печи (1) через трубу (11) повторно запускают; и в камеру нагнетают среду (31) с расходом Dm, который больше, чем расход Dm во время этапа остановки, и расход Dm регулируют для того, чтобы ограничить скорость нагрева первой стенки (21) во время этапа повторного запуска, пока первая стенка (21) не достигнет рабочей температуры в конце этапа повторного запуска. Изобретение позволяет обеспечить надежную и эффективную утилизацию тепла отводимых отходящих газов для печей периодического действия посредством технологии непрямого предварительного нагрева. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ эксплуатации печи (1), включающий этап нагрева, на котором:

(a) топливо и окислитель подают в печь (1), и печь (1) нагревают за счет сгорания топлива с окислителем с образованием тепла и отходящих газов (10), при этом отходящие газы (10) отводят из печи (1) через трубу (11), и

(b) по меньшей мере одну текучую среду (40), выбранную из топлива и окислителя, предварительно нагревают выше по потоку относительно печи (1):

путем нагнетания с расходом Dm>0 жидкой или газообразной среды (31) в камеру (20) и путем нагрева указанной среды (31) путем теплообмена с отходящими газами (10) в трубе (11) через первую стенку (21), которая отделяет среду (31) в камере (20) от отходящих газов (10) в трубе (11) с получением нагретой среды (32), и

путем нагнетания с расходом Df>0 текучей среды, подлежащей предварительному нагреву (40), по меньшей мере в одну линию (41) с целью предварительного нагрева текучей среды (40) путем теплообмена с нагретой средой (32) в камере (20) через вторую стенку, которая отделяет текучую среду (40) по меньшей мере в одной линии (41) от нагретой среды (32) в камере (20) и которая имеет температуру, называемую рабочей температурой,

отличающийся тем, что:

он включает повторяющиеся циклы этапа нагрева, за которым следуют этап остановки и этап повторного запуска,

при этом во время этапа остановки:

подачу топлива и окислителя в печь (1), горение топлива с окислителем в печи (1) и отвод отходящих газов (10) из печи (1) через трубу (11) прерывают; и

расход Dm среды (31) в камере (20) не превышает 50%, предпочтительно не превышает 75% и более предпочтительно не превышает 90% расхода Dm во время этапа нагрева; и

при этом во время этапа повторного запуска:

подачу топлива и окислителя в печь (1), горение топлива с окислителем в печи (1) и отвод отходящих газов (10) из печи (1) через трубу (11) повторно запускают; и

в камеру нагнетают среду (31) с расходом Dm, который больше, чем расход Dm во время этапа остановки, и расход Dm регулируют для того, чтобы ограничить скорость нагрева первой стенки (21) во время этапа повторного запуска, пока первая стенка (21) не достигнет рабочей температуры в конце этапа повторного запуска.

2. Способ эксплуатации по п. 1, отличающийся тем, что во время этапа остановки расход Dm=0.

3. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что во время этапа повторного запуска расход Dm больше, чем расход Dm во время этапа нагрева для того, чтобы затем вернуться к расходу Dm этапа нагрева в конце этапа повторного запуска.

4. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что во время этапа повторного запуска расход Dm не превышает расход Dm во время этапа нагрева.

5. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что расход Dm во время этапа повторного запуска регулируют для того, чтобы во время этапа повторного запуска первая стенка (21) нагревалась со скоростью нагрева V_T↑, которая меньше или равна заранее определенному верхнему пределу V_T↑max.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что во время этапа повторного запуска расход Dm меняется согласно заранее определенной функции.

7. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что во время этапа повторного запуска:

измеряют температуру первой стенки (21), и

расход Dm регулируют как функцию скорости нагрева V_T↑, установленной исходя из измеренной температуры.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что этап нагрева представляет собой этап обработки сырья в печи (1), предпочтительно этап плавления или повторного нагрева сырья.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что во время этапа остановки нагретое сырье выгружают из печи (1), а сырье, подлежащее нагреву, загружают в печь (1).

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что среда (31) представляет собой газообразную среду, предпочтительно выбранную из воздуха, азота, СО₂ или пара, более предпочтительно воздух.

11. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что текучая среда, подлежащая предварительному нагреву (40), представляет собой окислитель с содержанием кислорода от 50 об.% до 100 об.%, предпочтительно от 80 об.% до 100 об.%.

12. Способ по одному из пп. 1-10, отличающийся тем, что окислитель и топливо предварительно нагревают во время этапа нагрева.

13. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что печь (1) выбирают из вращающихся печей для выплавки литейного чугуна, вращающихся печей для выплавки цветных металлов, наклоняющихся печей для выплавки цветных металлов, вращающихся или наклоняющихся печей для выплавки эмалей и печей для выплавки металлов типа дуговой сталеплавильной печи.

14. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что во время этапа повторного запуска текучую среду (40) разделяют на две части: первую часть и вторую часть,

первую часть текучей среды подают непосредственно в печь (1), при этом она не проходит по меньшей мере через одну линию (41), и

вторую часть текучей среды подают в печь (1) после ее прохождения через по меньшей мере одну линию (41).

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что соотношение между второй частью текучей среды, с одной стороны, и суммой первой части текучей среды и второй части текучей среды, с другой стороны, увеличивается во время этапа запуска.