CN208075589U - 高温炉用惰性气体净化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高温炉用惰性气体净化装置，包括含有循环室和动力室的双叶轮循环泵、与循环室连接的惰性气体循环管组、安装于惰性气体循环管组上的气体净化装置、与动力室连接的水蒸气循环管组、安装于水蒸气循环管组上的冷凝器和连接于水蒸气循环管组末端的蒸发器；惰性气体循环管组与高温炉内部接通；所述蒸发器竖直安装于高温炉内的隔热夹层中。其利用高温炉本体富余热量惰性气体的循环动力，避免了高温炉所带富余热量的直接逸散，有效地提高了本体热量的利用率，进而提高了设备能源的整体利用率；通过对惰性气体的循环净化，避免了传统工艺中需要持续通入新鲜惰性气体来维持惰性氛围而导致的惰性气体用量过大的问题，从而有效节约了工艺成本。

Description

高温炉用惰性气体净化装置

技术领域

本实用新型涉及石墨毡生产设备领域，具体涉及高温炉用惰性气体净化装置。

背景技术

石墨毡，作为液流电池的关键性能部件，它的成品质量影响到包括使用寿命、电子传导能力、电解液隔离能力等在内的一系列液流电池的重要性能参数。

通常，采用高温碳化的方法，在高温炉中对已按需要尺寸裁剪好的聚丙烯腈基炭毡或黏胶基炭毡等原料毡进行高温处理从而得到石墨毡。这里的高温处理，一般是指以100～300℃/h的升温速度将高温炉内的温度提升至2000～2500℃，然后再自然冷却至100℃的高温处理工艺。因为是在超高温度下对本体材料为有机材料的原料毡进行处理，所以需要对原料毡进行隔离保护。常用的隔离保护手段有真空保护和高纯惰性气体保护。真空保护，其通过抽离高温炉内部空气来形成真空环境，具有保护效果优异的特点，同时还具有高温炉内部除尘除杂的效果；但是，真空保护对炉体的结构强度和密封性能都有相当高的要求，故所使用高温炉通常造价比较昂贵。高纯惰性气体保护，其通过向高温炉内部通入高纯惰性气体来排除炉内原有空气，从而在炉内人为制造出惰性氛围，进而实现对被处理材料的保护；由于是向炉内通气，因此对炉体的密封性能和结构强度要求不高；但是原材料在受高温处理过程中，内部的碳、氮等杂原子会以不同形式逸入带惰性气体中，同时原材料受热膨胀导致表面微观结构崩裂所脱出的细微粉尘也会混入到惰性气体中；若不及时清除上述杂质，极有可能对即将成型的石墨毡表面结构造成损坏，导致其表面性能下降，进而影响到其在液流电池中的应用效果。

现有采用惰性气体进行高温处理保护的高温炉，一般都采用连续通入新鲜高纯惰性气体来置换炉内含杂质惰性气体的方式来实现炉内环境的清洁，进而保证石墨毡的成品质量。但是，上述方法对高纯惰性气体的用量极大，又由于高纯惰性气体价格较高，大量使用的情况下必然造成生产成本的急剧上升，在不对惰性气体进行回收的情况下甚至远超过真空保护对炉体成本带来的负担。同时，上述惰性气体置换过程中，所用输送设备的能量通常为外部电能，这也在高温炉维持高温所需能量外增大了能源负担；而高温炉本身高温热能除去被原料毡吸收的有效部分外，大部分均被其他部件吸收而散发，因此高温炉本身高温热能还存在利用率不高的现象。

实用新型内容

本实用新型提供了高温炉用惰性气体净化装置，以解决现有石墨毡生产中，高纯惰性气体用量过大、高温炉本体高温热能利用不足的问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

高温炉用惰性气体净化装置，所述惰性气体净化装置包括含有循环室和动力室的双叶轮循环泵、与循环室连接的惰性气体循环管组、安装于惰性气体循环管组上的气体净化装置、与动力室连接的水蒸气循环管组、安装于水蒸气循环管组上的冷凝器和连接于水蒸气循环管组末端的蒸发器；所述惰性气体循环管组与高温炉内部接通；所述蒸发器竖直安装于高温炉内的隔热夹层中。

本技术方案的工作原理和过程如下：

本技术方案所述高温炉用惰性气体净化装置在开始工作前，需要从惰性气体循环管组中持续通入高纯惰性气体直至已提前放置有待处理原料毡且密封良好的高温炉内腔、惰性气体循环管道组及双叶轮循环泵循环室中的空气完全被置换掉，然后向水蒸气循环管组通入适量的水。完成上述工作后，按照石墨毡的设计高温处理工艺使高温炉内腔的温度逐步上升。随着高温炉内腔的温度上升，在原料毡接受高温处理得同时，从高温炉内腔逸向隔热夹层的热量使隔热夹层的温度也随之上升。此时，由水蒸气循环管组通入的且进入到的蒸发器中的水受到隔热夹层升温所带来的热量而蒸发为水蒸气。蒸发器中囤积的水蒸气由于体积膨胀而产生高压，开始推动水蒸气循环管组内的水进行运动。后续循环到蒸发器中的水同样受热蒸发为水蒸气而进一步促进了循环。当体积膨胀的水蒸气到达双叶轮循环泵的动力室时，前者产生的蒸汽压力推动动力室内的叶轮旋转，从而一方面带动水蒸气循环管组内的水进行循环，另一方面带动循环室中的叶轮做跟随转动。循环室中的叶轮附近随叶轮的转动产生负压，从而抽取稍远处的惰性气体循环管组中的惰性气体并将后者从叶轮的另一端甩出，从而驱动惰性气体开始循环。当惰性气体循环经过设置于惰性气体循环管组上的气体净化装置时，先后被设置于气体净化装置的活性吸附层、金属反应层、湿质反应溶液层吸附脱除随原料毡高温处理深化所产生的粉尘、含硫杂质、含氮杂质，从而实现对惰性气体的净化，进而保证了惰性气体的可循环使用性。此外，当水蒸气循环管组中的水蒸气开始正常循环后，通过设置于水蒸气循环管组上的冷凝器对水蒸气进行冷凝处理，使得经过冷凝器的水蒸气迅速液化。液化过程中，由于原有水蒸气经冷凝成水后体积大幅度减少，从而在冷凝器两端产生了较强的负压作用。在上述负压作用的拉动下，水蒸气循环管组的水汽体系加速循环，使得在水蒸气推动作用下发生转动的动力室叶轮加速运转，从而增大了循环室叶轮的转动速率，进而加快了受该叶轮作用的惰性气体管组内的惰性气体的循环速度。由于惰性气体的循环速度增大，单位时间内受气体净化装置净化惰性气体量增大，这就使得高温炉内惰性气体的新陈置换速率增快，从而进一步保证了高温炉内腔惰性气体氛围的质量，从而避免了因惰性气体的污染所可能导致的石墨毡成品质量下降的问题。

从上述工作原理和过程中可以看出，本技术方案中所述的高温炉用惰性气体净化装置通过高温炉本体热量作为惰性气体的循环动力，这避免了原本在完成原料毡高温处理后的富余热量直接以热传递的方式逸散至空气中而造成的能源浪费问题，有效地提高了高温炉本体热量的利用率。与此同时，在惰性气体循环过程之中完成了对惰性气体的净化。这样，仅需在开始高温处理前进行一次高纯惰性气体的灌入和空气置换操作，便可以持续保持高温炉内部的高质量惰性气体保护氛围，有效地避免了传统工艺中需要持续通入新鲜惰性气体来维持惰性氛围而导致的惰性气体用量过大的问题，从而从高纯惰性气体使用量的角度显著节约了高温处理操作的工艺成本。

进一步地，所述惰性气体循环管组包括进气管和出气管；气体净化装置安装于出气管上，且靠近于出气管与高温炉的连接处。将气体净化装置设置于靠近于出气管与高温炉的连接处，能够充分利用陈旧惰性气体自高温炉内部排除时所携带的高温热量，从而利用高温促进陈旧惰性气体中的杂质与气体净化装置中设置的各种反应吸附物间的反应程度，有效提升了气体净化装置对陈旧惰性气体中杂质的脱除净化作用。

更进一步地，所述进气管从高温炉顶部与高温炉内部连通；所述出气管从高温炉底部与高温炉内部连通。顶置进气管、底置出气管的设计方案，能够充分利用惰性气体自重大、易下沉的特性，有效地提升对高温炉内部陈旧惰性气体及其所带杂质的置换作用，从而进一步保证了高温炉内部的高质量惰性气体保护氛围。

进一步地，所述水蒸气循环管组包括进水管和出汽管；冷凝器安装于进水管上。经反复试验证明，当冷凝器安装于进水管上时，较安装于水蒸气循环管组的其他位置上，冷凝所产生的负压效果对水蒸气循环具有最大的增速效果。

更进一步地，所述进水管与蒸发器下端开口连接；所述出汽管与蒸发器上端开口连接。上述设计充分利用了水蒸气自发上升的特点，进一步提高了水蒸气的循环效率，加大了其对循环泵的驱动作用，从而进一步加大了惰性气体的循环速率，提高了惰性气体循环置换和净化的效果。

进一步地，所述蒸发器为绕高温炉竖直中轴线呈螺旋上升的蒸发盘管。使用盘管式蒸发器，较其他形式的蒸发器，一方面增大了管内液态水的受热面积，充分提升了其蒸发效果，从而保证了水蒸气循环所需要的充足的蒸汽推动压力；另一方面，也进一步利用水蒸气自发上升的特点，更进一步提高了水蒸气的循环效率。

进一步地，所述蒸发器设置于高温炉内腔外、隔热夹层内的温度为300～1000℃的任一区域中。在上述温度区间内，既能够保证液态水的快速充分蒸发，以提供足够的蒸汽推动压力来驱动双叶轮循环泵，进而保证惰性气体的循环过程。同时也避免了由于加热温度过高而使水分子离解，后者体积瞬间极具增加而造成对水蒸气循环管组的强烈冲击，从而有效地保护了水蒸气循环管组，降低了后者瞬时强烈冲击而致损的风险。

综上所述，本实用新型相较于现有技术的有益效果是：

(1)本技术方案中所述的高温炉用惰性气体净化装置通过高温炉本体热量作为惰性气体的循环动力，这避免了原本在完成原料毡高温处理后的富余热量直接以热传递的方式逸散至空气中而造成的能源浪费问题，有效地提高了高温炉本体热量的利用率；

(2)在惰性气体循环过程之中完成了对惰性气体的净化；这样，仅需在开始高温处理前进行一次高纯惰性气体的灌入和空气置换操作，便可以持续保持高温炉内部的高质量惰性气体保护氛围，有效地避免了传统工艺中需要持续通入新鲜惰性气体来维持惰性氛围而导致的惰性气体用量过大的问题，从而从高纯惰性气体使用量的角度显著节约了高温处理操作的工艺成本，同时也有效地节约了造价高昂的高纯惰性气体资源；

(3)结构设计合理，具有极高的工作效率和工作稳定性；

(4)除气体净化装置需要定期进行内部活性物质的更换或还原外，其他结构均具备在无人干预的条件下长时间稳定运行，故其使用和维护成本较低，值得在本领域中进行大范围推广。

附图说明

图1是本实用新型中高温炉用惰性气体净化装置的结构示意图

图2是本实用新型中双叶轮循环泵的侧视示意图

图3是本实用新型中高温炉用惰性气体净化装置的外观示意图

图中标记为：1-进水管，2-双叶轮循环泵，3-进气管，4-出汽管，5-隔热夹层，6-蒸发盘管，7-高温炉，8-进水管的冷凝水段，9-冷凝器，10-气体净化装置，11-出气管，12-动力室，13-循环室。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合图1～3和具体的实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

实施例1

高温炉7用惰性气体净化装置10，所述惰性气体净化装置10包括含有循环室13和动力室12的双叶轮循环泵2、与循环室13连接的惰性气体循环管组、安装于惰性气体循环管组上的气体净化装置10、与动力室12连接的水蒸气循环管组、安装于水蒸气循环管组上的冷凝器9和连接于水蒸气循环管组末端的蒸发器；所述惰性气体循环管组与高温炉7内部接通；所述蒸发器竖直安装于高温炉7内的隔热夹层5中。

实施例2

基于实施例1，为了进一步提高高温炉内腔内带杂质的陈旧惰性气体的置换效率，进行了如下改进：所述惰性气体循环管组包括进气管3和出气管11；气体净化装置10安装于出气管11上，且靠近于出气管11与高温炉7的连接处。所述惰性气体循环管组包括进气管3和出气管11；所述进气管3从高温炉7顶部与高温炉7内部连通；所述出气管11从高温炉7底部与高温炉7内部连通。将气体净化装置设置于靠近于出气管与高温炉的连接处，能够充分利用陈旧惰性气体自高温炉内部排除时所携带的高温热量，从而利用高温促进陈旧惰性气体中的杂质与气体净化装置中设置的各种反应吸附物间的反应程度，有效提升了气体净化装置对陈旧惰性气体中杂质的脱除净化作用。

实施例3

基于实施例2，为了进一步提高气体净化装置对陈旧惰性气体的净化效果，进行了如下改进：所述进气管3从高温炉7顶部与高温炉7内部连通；所述出气管11从高温炉7底部与高温炉7内部连通。顶置进气管、底置出气管的设计方案，能够充分利用惰性气体自重大、易下沉的特性，有效地提升对高温炉内部陈旧惰性气体及其所带杂质的置换作用，从而进一步保证了高温炉内部的高质量惰性气体保护氛围。

实施例4

基于实施例1，为了提高蒸汽循环管组内水蒸气的循环效率，进行了如下改进：所述水蒸气循环管组包括进水管1和出汽管4；冷凝器9安装于进水管1上。经反复试验证明，当冷凝器安装于进水管上时，较安装于水蒸气循环管组的其他位置上，冷凝所产生的负压效果对水蒸气循环具有最大的增速效果。

实施例5

基于实施例4，为了进一步提高蒸汽循环管组内水蒸气的循环效率，进行了如下改进：所述进水管1与蒸发器下端开口连接；所述出汽管4与蒸发器上端开口连接。上述设计充分利用了水蒸气自发上升的特点，进一步提高了水蒸气的循环效率，加大了其对循环泵的驱动作用，从而进一步加大了惰性气体的循环速率，提高了惰性气体循环置换和净化的效果。

实施例6

基于实施例1，为了提高蒸汽循环管组内液态水的蒸发效率，进行了如下改进：所述蒸发器为绕高温炉7竖直中轴线呈螺旋上升的蒸发盘管6。使用盘管式蒸发器，较其他形式的蒸发器，一方面增大了管内液态水的受热面积，充分提升了其蒸发效果，从而保证了水蒸气循环所需要的充足的蒸汽推动压力；另一方面，也进一步利用水蒸气自发上升的特点，更进一步提高了水蒸气的循环效率。

实施例7

基于实施例1，为了在对蒸汽循环管组内液态水进行有效蒸发的同时避免水分子离解而对循环管组造成的损害，进行了如下改进：所述蒸发器设置于高温炉7内腔外、隔热夹层5内的温度为300～1000℃的任一区域中。

上述隔热夹层内温度为300～1000℃的区域范围的确定方法如下：首先在未安装蒸发器的高温炉的隔热夹层中布置好一系列的温度感应器，以确保能够对隔热夹层的温度分布进行准确的车辆。然后，将上述高温炉进行空炉加热至2000℃，然后保持高温。随着高温炉内腔内的热量相隔热夹层传递，隔热夹层内的温度分布沿从靠近高温炉内腔一侧到远离高温炉内腔一侧的方向呈现出递减的规律，其中，隔热夹层紧贴高温炉内腔的部位，温度基本等同于高温炉内腔内的温度。待温度感应器探测到的隔热夹层内的温度分布稳定后，根据稳定后的温度分布情况在隔热夹层中确定出温度为300～1000℃的区域。最后，选择此区域内的任一处进行蒸发器的安装。

在上述温度区间内，既能够保证液态水的快速充分蒸发，以提供足够的蒸汽推动压力来驱动双叶轮循环泵，进而保证惰性气体的循环过程。同时也避免了由于加热温度过高而使水分子离解，后者体积瞬间极具增加而造成对水蒸气循环管组的强烈冲击，从而有效地保护了水蒸气循环管组，降低了后者瞬时强烈冲击而致损的风险。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.高温炉用惰性气体净化装置，其特征在于：所述惰性气体净化装置(10)包括含有循环室(13)和动力室(12)的双叶轮循环泵(2)、与循环室(13)连接的惰性气体循环管组、安装于惰性气体循环管组上的气体净化装置(10)、与动力室(12)连接的水蒸气循环管组、安装于水蒸气循环管组上的冷凝器(9)和连接于水蒸气循环管组末端的蒸发器；所述惰性气体循环管组与高温炉(7)内部接通；所述蒸发器竖直安装于高温炉(7)内的隔热夹层(5)中。

2.根据权利要求1所述的高温炉用惰性气体净化装置，其特征在于：所述惰性气体循环管组包括进气管(3)和出气管(11)；气体净化装置(10)安装于出气管(11)上，且靠近于出气管(11)与高温炉(7)的连接处。

3.根据权利要求2所述的高温炉用惰性气体净化装置，其特征在于：所述进气管(3)从高温炉(7)顶部与高温炉(7)内部连通；所述出气管(11)从高温炉(7)底部与高温炉(7)内部连通。

4.根据权利要求1所述的高温炉用惰性气体净化装置，其特征在于：所述水蒸气循环管组包括进水管(1)和出汽管(4)；冷凝器(9)安装于进水管(1)上。

5.根据权利要求4所述的高温炉用惰性气体净化装置，其特征在于：所述进水管(1)与蒸发器下端开口连接；所述出汽管(4)与蒸发器上端开口连接。

6.根据权利要求1所述的高温炉用惰性气体净化装置，其特征在于：所述蒸发器为绕高温炉(7)竖直中轴线呈螺旋上升的蒸发盘管(6)。

7.根据权利要求1所述的高温炉用惰性气体净化装置，其特征在于：所述蒸发器设置于高温炉(7)内腔外、隔热夹层(5)内的温度为300～1000℃的任一区域中。