大型金屬鎂還原爐的開發(fā)_圖文

1、V01.27No.4 July.2008冶 金能 源ENERGY FOR MEIALLURGICAL INDUSTRY大型金屬鎂還原爐的開發(fā)夏德宏任春曉任玲 (北京科技大學熱能工程系摘要分析了蓄熱燃燒技術(shù)應用于我國鎂還原工業(yè)的必要性,設計開發(fā)了66罐的大型金屬 鎂還原爐,利用蓄熱燃燒技術(shù)達到大幅節(jié)能降耗的目的,通過彌散燃燒、多點供熱以及爐體 結(jié)構(gòu)的設計實現(xiàn)爐膛溫度的三維均勻,達到爐體大型化、提高產(chǎn)鎂率、延長還原罐及爐體壽 命、縮短還原周期等目的。關(guān)鍵詞鎂還原爐蓄熱燃燒節(jié)能Development of large magnesium reduction furnaceXia Dehong Ren

2、 Chunxiao Ren Ling(University of Science and Technology Beijing.,Abstract The necessity of applying the regenerative combustion technology in magnesium industry is analyzed.A large magnesium reduction furnace with 66redaction ja疆has been developed and the陀 generative combustion technology is used in

3、 the furnace tO cut down the fuel consumption.With the dispersing combustion,multifuel injection and the optimizing designation of the furnace body,a uni form temperature field in the furnace chamber is achieved.This design is helpful to construct large scale furnace,increase production rate,shorten

4、 reduction cycle and elongate the lifetime of the reduc tion j踴聃wellthe furnace body.Keywords magnesium reduction furnace regenerative combustion energy saving0引言鎂以其優(yōu)良的性能及豐富的資源成為當今世 界最受關(guān)注的新型綠色工程材料之一。中國鎂業(yè) 由于良好的資源及能源條件,形成了具有競爭力 的可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。我國原鎂生產(chǎn)98%以上采用硅熱法【2】。硅熱法生產(chǎn)金屬鎂是以煅 燒白云石為原料。硅鐵為還原劑,在1200左 右進行真空熱還原產(chǎn)

5、生鎂蒸氣并冷凝結(jié)晶成粗 鎂-1。硅熱法煉鎂過程中效率最低、能耗最大 的是鎂還原過程J,所以鎂還原爐的節(jié)能降耗 具有十分重要的意義。收稿日期:2008一0320夏德宏(1963一 ,教授;100083北京市海淀區(qū)。目前我國的金屬鎂還原爐存在單爐還原罐數(shù) 少、爐型結(jié)構(gòu)不合理、爐溫不均勻、熱效率低、 資源及能源浪費嚴重,而且污染環(huán)境等問題J。 鎂產(chǎn)量的提高依靠小規(guī)模還原爐的重復建造。嚴 重制約了我國鎂工業(yè)的發(fā)展。在國家注重節(jié)能環(huán) 保與鎂工業(yè)快速發(fā)展的雙重背景下,只有開發(fā)大 型的節(jié)能金屬鎂還原爐,提升我國硅熱法煉鎂水 平,才能促進鎂工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,實現(xiàn)我國由 鎂資源大國向鎂產(chǎn)業(yè)強國的跨越式發(fā)展。l

6、鎂還原爐中應用蓄熱燃燒技術(shù)的必要性分析 傳統(tǒng)鎂還原爐能量浪費嚴重。圖1是根據(jù)我 國目前使用最多的一種鎂還原爐的用能情況繪制 的還原爐能流圖?？梢钥闯?必須消耗的能量僅 占總能量的12.34%。導致還原爐熱效率低的主冶 金 能源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY V01.27No.4 July.2008圖1傳統(tǒng)金屬鎂還原爐能流圖要原因是排煙溫度高,排煙溫度高達1150以 上,接近爐膛溫度,要提高還原爐的熱效率首先 要充分回收利用煙氣余熱。蓄熱燃燒技術(shù)利用高效蓄熱體的吸熱和放 熱,極限回收高溫煙氣的物理熱,預熱空氣和煤 氣,使煙氣的排放溫度從1150降低到150cc

7、左 右,空氣和煤氣的入爐溫度由常溫升高到 1000左右,可以回收煙氣帶走能量的80%以 上,大幅度提高還原爐熱效率。通過高溫預熱的 空氣和煤氣可以在低氧濃度下燃燒,低氧濃度降 低了平均燃燒速度,拓展了燃燒邊界,形成均勻 的溫度場,并降低NO。的濃度M J。爐溫均勻性 是保證還原爐產(chǎn)鎂率及鎂還原質(zhì)量的第一要素, 只有爐溫均勻才能使鎂還原爐向大型化發(fā)展。 通過以上分析可知:蓄熱燃燒技術(shù)是大幅度 提高鎂還原爐熱效率的最佳選擇之一,也是鎂還 原爐大型化的最有效途徑之一。2蓄熱燃燒對金屬鎂還原工藝的改進與傳統(tǒng)的鎂還原爐相比,蓄熱燃燒對金屬鎂 還原爐在以下幾方面做了改進:(1爐內(nèi)氣流的改善傳統(tǒng)鎂還原爐為倒

8、焰爐,燃料在燃燒室中燃 燒,鎂還原罐位于傳熱室中。這種燃燒室和傳熱 室相分離的結(jié)構(gòu)無法形成均勻的溫度場。在傳熱 室中,煙氣與還原罐對流換熱,由于還原罐中爐 料升溫吸熱以及發(fā)生鎂還原反應吸熱,導致煙氣 沿流動方向溫度逐漸降低,從而高溫區(qū)鎂還原罐 容易燒壞,低溫區(qū)產(chǎn)鎂率低,還原爐爐體也由于 冷熱不均而縮短使用壽命。蓄熱燃燒系統(tǒng)采用氣體燃料,燃燒裝置布置 在爐體兩側(cè),一側(cè)吸熱燃燒,一側(cè)放熱排煙,周 期換向。應用蓄熱燃燒技術(shù)的鎂還原爐,燃燒室 和傳熱室結(jié)合成一體,燃料與空氣在爐膛內(nèi)邊混 合邊燃燒,在整個爐膛空間形成彌散燃燒狀態(tài), 保證爐膛空問溫度的均勻性,并依靠預熱后空氣 和煤氣射流的高速卷吸,使爐內(nèi)

9、產(chǎn)生大量煙氣回 流,延長煙氣在爐內(nèi)停留時間,在爐膛內(nèi)形成氣 體的整體流通,避免了爐溫沿煙氣流動方向逐步 降低,產(chǎn)鎂率參差不齊,以及爐體壽命短等現(xiàn) 象。(2還原罐長度延長傳統(tǒng)倒焰爐的爐型結(jié)構(gòu)決定還原爐內(nèi)煙氣的 熱流密度不均,煙氣與還原罐的對流換熱在還原 罐軸向上存在明顯不均。熱流密度大的地方 溫度高、產(chǎn)鎂率高,而熱流密度小的地方溫度 低、產(chǎn)鎂率低或者不產(chǎn)鎂,這就限制了還原罐的 長度不能長。應用蓄熱燃燒技術(shù)的鎂還原爐,燃燒裝置可 以布置在爐體兩側(cè),通過沿還原罐軸向均勻柿置 燃燒裝置(圖2。使火焰沿還原罐軸向方向形 成相互聯(lián)通的整體,溫度與熱流密度均勻一致。 理論上講,與傳統(tǒng)的倒焰加熱方式相比,這種

10、直 燃的多點供熱方式可以使還原罐的長度成數(shù)倍增V01.27No.4 July.2008冶 金能源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 31加。圖3是最新開發(fā)的一種雙面雙排的66罐大 型還原爐的布罐示意圖。(3還原罐排布方式優(yōu)化傳統(tǒng)還原爐的高溫煙氣從煙氣入口進入爐 膛,自上而下加熱一排或兩排還原罐,然后由爐 底過火孔排出爐膛。煙氣自上而下與還原罐進行 對流換熱,導致還原罐上排溫度高下排溫度 低博。雖然在還原爐側(cè)墻可以均勻排布燒嘴, 但是煙氣的流動的動力是煙囪的抽力,靠近排煙 口處煙氣流量大,遠離排煙口處流量小,爐溫沿 爐長方向不均,還原爐長度不能太長。所以還原 罐只

11、能單面單排或單面雙排排布,單爐還原罐數(shù) 少。應用蓄熱燃燒技術(shù)的鎂還原爐,還原罐排布 不受煙氣流動的限制,蓄熱燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵部件蓄 熱 燃 燒 裝 置 .厘黝l 西 里 函 鑼 二 二 =一 _ 一, _ -_-_ _ 。_ _-_一,、 - 少_- 蘭 _顯 J 一/ -_-翩f 豆 顯圖2直燃式多點燃燒器的布置與雙面雙排還 原罐排布 是蓄熱體。新一代的蓄熱體具有耐高溫。比表面 積大,阻力小的優(yōu)點?？梢詫⑿顭狍w布置在燒嘴 內(nèi),通過沿爐高及爐寬方向合理的布置燒嘴來有 效地組織爐膛內(nèi)的氣流,保證上下排還原罐溫度 一致。還原罐排布可以實現(xiàn)雙面雙排以及雙面多 排。單爐還原罐數(shù)成倍增加,充分利用爐膛空

12、間,而且相對節(jié)約了燃燒及配套系統(tǒng)的投資。大 型現(xiàn)代鎂還原爐保證了爐溫的均勻性,產(chǎn)鎂率及 產(chǎn)鎂質(zhì)量得到大幅度提高,真正實現(xiàn)還原爐的大 型化。3大型現(xiàn)代鎂還原爐開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)3.1大型金屬鎂還原爐的結(jié)構(gòu)及特點通過對蓄熱燃燒技術(shù)的研究以及對鎂還原工 藝的分析,開發(fā)出了單爐66罐大型金屬鎂還原 爐。還原爐主要由爐體、鋼結(jié)構(gòu)、還原罐、蓄熱 燃燒系統(tǒng)構(gòu)成。其中,爐體包括:爐頂、爐墻、 原罐支撐墻及爐底等;鋼結(jié)構(gòu)滿足爐體、燃燒裝 置、管道以及還原罐的支撐要求;蓄熱燃燒系統(tǒng) 包括:新型高效蓄熱式燃燒器、煤氣補熱噴嘴、 兩位三通換向閥及相應的空氣、煤氣和煙氣管 路。大型金屬鎂還原爐的爐體結(jié)構(gòu)如圖3所示, 蓄熱燃

13、燒器均勻布置在爐體兩側(cè),還原罐采用雙 面雙排排布,還原罐支撐采用全爐立體結(jié)構(gòu)化網(wǎng) 格形式,保證爐內(nèi)煙氣流通通暢和原罐底部的整 體支撐,新型高效蓄熱式燃燒器具有布置靈活燃 燒穩(wěn)定的優(yōu)點。3.2大型金屬鎂還原爐的關(guān)鍵技術(shù)(1保證爐溫三維均勻爐溫均勻性是鎂還原爐大型化的首要因素。圖3大型鎂還原爐示意圖32冶 金 能 源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYV01.27No.4 July.2008大型金屬鎂還原爐采用現(xiàn)代蓄熱燃燒技術(shù),燃燒 在還原爐爐膛空間內(nèi)產(chǎn)生,通過調(diào)整空氣及煤氣 流速來控制火焰長度,并在爐長方向適當位置布 置多級補熱裝置,在爐體側(cè)墻二維均勻布置燃燒 裝置

14、,實現(xiàn)爐膛內(nèi)整體的彌散燃燒,保證了爐膛 空間三維的溫度及流場均勻。在爐體結(jié)構(gòu)上,并 通過爐型設計在爐頂適當位置下壓,使炯氣在水 平向前流動的同時產(chǎn)生垂直壓力分布,延長煙氣 在爐內(nèi)的停留時間,換熱充分。(2保證爐體支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定還原罐長時間處在1200左右高溫環(huán)境, 鎂還原過程需要抽真空,以及周期性產(chǎn)鎂及裝出 料,導致還原罐很容易變形,如果在還原罐底部 支撐不好,不但加速還原罐的變形速率,而且更 換還原罐時,變形嚴重的還原罐不能順利換出使 爐體側(cè)墻容易發(fā)生倒塌。而一味的保證還原罐的 支撐會造成爐膛內(nèi)的煙氣流通不通暢。大型鎂還原爐內(nèi)還原罐的支撐采用全爐立體 網(wǎng)格化支撐結(jié)構(gòu),在三個方向上互相咬合,避免

15、 局部強度弱點,同時保證爐內(nèi)的氣流暢通。在寬 度方向均勻布置支撐墻,并在支撐墻上開孑L,即 保證了燃燒器的燃燒又保證了氣流的通暢,在支 撐墻上布置橫擔磚,橫擔磚延爐長方向整體支撐 還原罐,并連接爐體和支撐墻增強了支撐墻及爐 體的整體強度。(3延長還原罐罐體壽命。還原罐是金屬鎂還原反應發(fā)生的場所,罐體 由耐熱鋼制成。由于還原罐長期在高溫含氧的環(huán) 境中工作以及還原罐的支撐不可靠,導致還原罐 的使用壽命短,還原罐的消耗量大也一直是金屬 鎂還原成本高的原因之一。大型金屬鎂還原爐優(yōu)化了蓄熱式燃燒器的布 置,使燃料側(cè)靠近還原罐,而空氣則在外圍噴 入。同時開發(fā)了還原爐專用扁縫狀煤氣及空氣噴 口,在還原罐罐體

16、附近形成整體弱還原性氣體保 護膜,減少還原罐的氧化燒損,大幅度延長罐體 使用壽命。3.3大型金屬鎂還原爐的應用效果開發(fā)的66罐大型金屬鎂還原爐已經(jīng)在山西 某大型鎂廠進行生產(chǎn)實踐,自正式運行以來取得 了較好的效果。主要有以下幾個方面:(1節(jié)能效果顯著此鎂廠傳統(tǒng)燃煤式鎂還原爐每生產(chǎn)lt粗鎂 平均需要6.5t原煤;而采用開發(fā)的蓄熱燃燒技 術(shù)的大型鎂還原爐每產(chǎn)生1t粗鎂平均需要2.5t 原煤。(2單爐產(chǎn)量大幅度提高此鎂廠原來的鎂還原爐單爐罐數(shù)34只,每 個還原周期單罐平均產(chǎn)量為20.5kg,即每個還 原周期的單爐產(chǎn)量約697kg;而開發(fā)的大型金屬 鎂還原爐單爐66只罐,每個還原周期的單罐產(chǎn) 量平均為2

17、2.8kg,每個還原周期的單爐產(chǎn)量約 1505kg,單爐鎂產(chǎn)量增加了1.16倍。(3爐溫穩(wěn)定性易于控制傳統(tǒng)的鎂還原爐直接采用原煤為燃料,周期 性加煤,爐溫隨煤的燃燒過程波動很大,一般波 動幅度可達50以上。另一方面,傳統(tǒng)的還原 爐由于采用的是倒焰返燒方式對還原罐進行加 熱,下排罐溫度總是低于上排罐。這種時間和空 間上的溫度不均勻性對鎂的還原反應過程影響較 大;開發(fā)的大型金屬鎂還原爐采用發(fā)生爐煤氣為 燃料,燃料連續(xù)供給和精確調(diào)整,完全克服了時 間上的溫度不均勻性;上、下兩層燒嘴的布置和 交替蓄熱換向保證了爐溫在全爐膛空間內(nèi)的溫度 均勻性,這對于提高出鎂率非常有利。(4工人工作環(huán)境好,對環(huán)境污染小

18、傳統(tǒng)鎂還原爐需要人工加煤與清灰,工人工 作量大,工作環(huán)境極為惡劣,而且排炯溫度高, 煙氣中含有大量粉塵對環(huán)境造成極大污染。開發(fā) 的大型金屬鎂還原爐,工作人員可通過工控機來 控制燃料供給量以及爐子的各項熱工參數(shù),大大 提升了工人的工作環(huán)境水平,而且煙氣清潔,排 放溫度低,達到環(huán)保標準。(5強化傳熱,縮短還原周期傳統(tǒng)鎂還原爐生產(chǎn)一段時問后,在還原罐壁 面形成大量積灰,不但阻礙還原罐與煙氣的傳 熱,而且腐蝕還原罐,造成還原周期長(12h左 右且還原罐壽命短(60天左右等。開發(fā)的 大型金屬鎂還原爐采用清潔燃料,不但解決了積 灰問題,強化了傳熱,將還原周期縮短至11h以 內(nèi),而且在還原罐周圍形成弱還原性

19、氣氛進一步 保護還原罐,將還原罐使用壽命延長至90天以 上。(下轉(zhuǎn)第55頁V01.27No.4 July.2008冶 金能源ENERGY FoR METALLURGICAL INDUSTRY 55為透平機靜葉變化曲線,曲線3(虛線為高爐 料柱對高爐頂壓的影響的仿真曲線,曲線4(實 線為透平機靜葉對高爐頂壓的影響的仿真曲 線,曲線5(虛線為高爐料柱和透平機靜葉對 高爐頂壓總影響的仿真曲線,曲線6(實線為 高爐頂壓的實際變化曲線。從圖4中看出,靜葉和料柱通道的仿真結(jié)果 均與理論分析相符。曲線3表明,上料操作使爐 頂壓力迅速降低;曲線4表明,靜葉開大使爐頂 壓力升高并最終恢復到設定值。曲線5與曲線6

20、非常接近,表明模型總的輸出與高爐頂壓實際變 化基本吻合。綜上,高爐頂壓動態(tài)模型總體上較 真實地反映了爐頂壓力在靜葉開度和料柱高度影 響下的變化情況,可以用作控制系統(tǒng)設計和分析 的依據(jù)。3結(jié)語作為高爐附屬設備,TRT系統(tǒng)投入運行后, 回收能源效果顯著,同時還能達到降噪、環(huán)保等 目的,具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。但其投 運必須以保證高爐正常工作為前提。文章針對 TRT系統(tǒng)的特點,建立并驗證了以透平機靜葉開 度和高爐料柱的料線高度為輸入,以高爐爐頂壓 力為輸出的系統(tǒng)動態(tài)模型。該模型尤其較精確地 反應了高爐上料操作與TRT高爐頂壓之間的關(guān) 系,為將來優(yōu)化控制算法,補償高爐料柱變化對 頂壓的影響打下基

21、礎。參考文獻1楊春節(jié),吳平,宋執(zhí)環(huán).煉鐵高爐TRT系統(tǒng)爐頂 壓力動態(tài)數(shù)學模型研究.浙江大學學報(工學版, 2006。40(9:153615392楊春節(jié),李婷婷,宋執(zhí)環(huán)等.正常發(fā)電工況下TRT 中高爐頂壓動態(tài)模型研究.浙江大學,2008,37 (3:26293高尚敏,楊春節(jié),宋執(zhí)環(huán).TRT系統(tǒng)過程控制研 究.電站系統(tǒng)工程,2007,(5:58604張紅慶,劉甄,趙家元等.武鋼2高爐TI訂自動 控制系統(tǒng).冶金自動化,2001,(4:4246萬雪編輯(上接第32頁4結(jié)論通過彌散燃燒及多點供熱,以及爐型結(jié)構(gòu)的 優(yōu)化,實現(xiàn)了還原爐的爐溫三維均勻;通過空煤 氣噴口的適當排布,在還原罐周圍形成弱還原性 保護

22、膜,延長還原罐使用壽命;爐頂適當下壓, 延長煙氣在爐內(nèi)停留時間,換熱充分;采用全爐 立體網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu),不但滿足還原罐的支撐強度 而且不阻礙爐內(nèi)氣體流動,此大型金屬鎂還原爐 在實際生產(chǎn)中取得了大幅度節(jié)能降耗的效果。參考文獻1劉兵,曾大本,蘇竣.我國鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的分 析與評價.中國科技論壇.2007,8(8:34392夏德宏,郭梁,張剛等.硅熱煉鎂還原爐的用 能分析與節(jié)能措施探討.冶金能源,2005,24 (3:3235 3Michael M Avedesian,Baker H.ASM Specialty Hand-book Magnesium and Magnesium alloys.ASM

23、Interna-tional Materials Park.1999.85一1004夏德宏,郭梁,張剛等.高溫空氣燃燒技術(shù)在 金屬鎂還原爐上的應用探討.冶金能源,2006,25 (1:29345徐日瑤.硅熱法煉鎂生產(chǎn)工藝學.中南大學出版 社。2003615JIA,Jianshu LI.The Experimental Study On Regen-erative Heat Transfer in High Temperature Air Combus tion.Journal of Thermal Scienee,2004,13(4:3663707夏德宏,張剛,郭粱等.金屬鎂還原爐中煙氣流 動對傳熱過程的影響.北京科技大學學報,2006, 6:5665698夏德宏,張剛,郭梁等.金屬鎂皮江法還原工藝 中的熱過程模擬.熱科學與技術(shù),2005,4(3: 257261思涌編輯大型金屬鎂還原爐的開發(fā) 作者： 作者