大型金属镁还原炉的开发.docx

1、大型金属镁还原炉的开发冶 金能 源ENERGY FOR MEIALLURGICAL INDUSTRY大型金属镁还原炉的开发夏德宏任春晓任玲 (北京科技大学热能工程系摘要分析了蓄热燃烧技术应用于我国镁还原工业的必要性,设计开发了66罐的大型金属 镁还原炉,利用蓄热燃烧技术达到大幅节能降耗的目的,通过弥散燃烧、多点供热以及炉体 结构的设计实现炉膛温度的三维均匀,达到炉体大型化、提高产镁率、延长还原罐及炉体寿 命、缩短还原周期等目的。关键词镁还原炉蓄热燃烧节能Development of large magnesium reduction furnaceXia Dehong Ren Chunxiao

2、 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 the furn

3、ace 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 reductio

4、n cycle and elongate the lifetime of the reduc tion j踊聃wellthe furnace body.Keywords magnesium reduction furnace regenerative combustion energy saving0引言镁以其优良的性能及丰富的资源成为当今世 界最受关注的新型绿色工程材料之一。中国镁业 由于良好的资源及能源条件,形成了具有竞争力 的可持续发展优势产业。我国原镁生产98%以上采用硅热法【2】。硅热法生产金属镁是以煅 烧白云石为原料。硅铁为还原剂,在1200左 右进行真空热还原产生镁蒸气并冷凝结晶

5、成粗 镁-1。硅热法炼镁过程中效率最低、能耗最大 的是镁还原过程J,所以镁还原炉的节能降耗 具有十分重要的意义。收稿日期:2008一0320夏德宏(1963一 ,教授;100083北京市海淀区。目前我国的金属镁还原炉存在单炉还原罐数 少、炉型结构不合理、炉温不均匀、热效率低、 资源及能源浪费严重,而且污染环境等问题J。 镁产量的提高依靠小规模还原炉的重复建造。严 重制约了我国镁工业的发展。在国家注重节能环 保与镁工业快速发展的双重背景下,只有开发大 型的节能金属镁还原炉,提升我国硅热法炼镁水 平,才能促进镁工业的可持续发展,实现我国由 镁资源大国向镁产业强国的跨越式发展。l 镁还原炉中应用蓄热

6、燃烧技术的必要性分析 传统镁还原炉能量浪费严重。图1是根据我 国目前使用最多的一种镁还原炉的用能情况绘制 的还原炉能流图。可以看出,必须消耗的能量仅 占总能量的12.34%。导致还原炉热效率低的主冶 金 能源图1传统金属镁还原炉能流图要原因是排烟温度高,排烟温度高达1150以 上,接近炉膛温度,要提高还原炉的热效率首先 要充分回收利用烟气余热。蓄热燃烧技术利用高效蓄热体的吸热和放 热,极限回收高温烟气的物理热,预热空气和煤 气,使烟气的排放温度从1150降低到150cc左 右,空气和煤气的入炉温度由常温升高到 1000左右,可以回收烟气带走能量的80%以 上,大幅度提高还原炉热效率。通过高温预

7、热的 空气和煤气可以在低氧浓度下燃烧,低氧浓度降 低了平均燃烧速度,拓展了燃烧边界,形成均匀 的温度场,并降低NO。的浓度M J。炉温均匀性 是保证还原炉产镁率及镁还原质量的第一要素, 只有炉温均匀才能使镁还原炉向大型化发展。 通过以上分析可知:蓄热燃烧技术是大幅度 提高镁还原炉热效率的最佳选择之一,也是镁还 原炉大型化的最有效途径之一。2蓄热燃烧对金属镁还原工艺的改进与传统的镁还原炉相比,蓄热燃烧对金属镁 还原炉在以下几方面做了改进:(1炉内气流的改善传统镁还原炉为倒焰炉,燃料在燃烧室中燃 烧,镁还原罐位于传热室中。这种燃烧室和传热 室相分离的结构无法形成均匀的温度场。在传热 室中,烟气与还

8、原罐对流换热,由于还原罐中炉 料升温吸热以及发生镁还原反应吸热,导致烟气 沿流动方向温度逐渐降低,从而高温区镁还原罐 容易烧坏,低温区产镁率低,还原炉炉体也由于 冷热不均而缩短使用寿命。蓄热燃烧系统采用气体燃料,燃烧装置布置 在炉体两侧,一侧吸热燃烧,一侧放热排烟,周 期换向。应用蓄热燃烧技术的镁还原炉,燃烧室 和传热室结合成一体,燃料与空气在炉膛内边混 合边燃烧,在整个炉膛空间形成弥散燃烧状态, 保证炉膛空问温度的均匀性,并依靠预热后空气 和煤气射流的高速卷吸,使炉内产生大量烟气回 流,延长烟气在炉内停留时间,在炉膛内形成气 体的整体流通,避免了炉温沿烟气流动方向逐步 降低,产镁率参差不齐,

9、以及炉体寿命短等现 象。(2还原罐长度延长传统倒焰炉的炉型结构决定还原炉内烟气的 热流密度不均,烟气与还原罐的对流换热在还原 罐轴向上存在明显不均。热流密度大的地方 温度高、产镁率高,而热流密度小的地方温度 低、产镁率低或者不产镁,这就限制了还原罐的 长度不能长。应用蓄热燃烧技术的镁还原炉,燃烧装置可 以布置在炉体两侧,通过沿还原罐轴向均匀柿置 燃烧装置(图2。使火焰沿还原罐轴向方向形 成相互联通的整体,温度与热流密度均匀一致。 理论上讲,与传统的倒焰加热方式相比,这种直 燃的多点供热方式可以使还原罐的长度成数倍增冶 金能源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 3

10、1加。图3是最新开发的一种双面双排的66罐大 型还原炉的布罐示意图。(3还原罐排布方式优化传统还原炉的高温烟气从烟气入口进入炉 膛,自上而下加热一排或两排还原罐,然后由炉 底过火孔排出炉膛。烟气自上而下与还原罐进行 对流换热,导致还原罐上排温度高下排温度 低博。虽然在还原炉侧墙可以均匀排布烧嘴, 但是烟气的流动的动力是烟囱的抽力,靠近排烟 口处烟气流量大,远离排烟口处流量小,炉温沿 炉长方向不均,还原炉长度不能太长。所以还原 罐只能单面单排或单面双排排布,单炉还原罐数 少。应用蓄热燃烧技术的镁还原炉,还原罐排布 不受烟气流动的限制,蓄热燃烧系统的关键部件蓄 热 燃 烧 装 置 .厘黝l 西 里

11、 函 锣 二 二 =一 _ 一, _ -_-_ _ 。_ _-_一,、 - 少_- 兰 _显 J 一/ -_-翩f 豆 显图2直燃式多点燃烧器的布置与双面双排还 原罐排布 是蓄热体。新一代的蓄热体具有耐高温。比表面 积大,阻力小的优点。可以将蓄热体布置在烧嘴 内,通过沿炉高及炉宽方向合理的布置烧嘴来有 效地组织炉膛内的气流,保证上下排还原罐温度 一致。还原罐排布可以实现双面双排以及双面多 排。单炉还原罐数成倍增加,充分利用炉膛空 间,而且相对节约了燃烧及配套系统的投资。大 型现代镁还原炉保证了炉温的均匀性,产镁率及 产镁质量得到大幅度提高,真正实现还原炉的大 型化。3大型现代镁还原炉开发的关键

12、技术3.1大型金属镁还原炉的结构及特点通过对蓄热燃烧技术的研究以及对镁还原工 艺的分析,开发出了单炉66罐大型金属镁还原 炉。还原炉主要由炉体、钢结构、还原罐、蓄热 燃烧系统构成。其中,炉体包括:炉顶、炉墙、 原罐支撑墙及炉底等;钢结构满足炉体、燃烧装 置、管道以及还原罐的支撑要求;蓄热燃烧系统 包括:新型高效蓄热式燃烧器、煤气补热喷嘴、 两位三通换向阀及相应的空气、煤气和烟气管 路。大型金属镁还原炉的炉体结构如图3所示, 蓄热燃烧器均匀布置在炉体两侧,还原罐采用双 面双排排布,还原罐支撑采用全炉立体结构化网 格形式,保证炉内烟气流通通畅和原罐底部的整 体支撑,新型高效蓄热式燃烧器具有布置灵活

13、燃 烧稳定的优点。3.2大型金属镁还原炉的关键技术(1保证炉温三维均匀炉温均匀性是镁还原炉大型化的首要因素。图3大型镁还原炉示意图32冶 金 能 源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY大型金属镁还原炉采用现代蓄热燃烧技术,燃烧 在还原炉炉膛空间内产生,通过调整空气及煤气 流速来控制火焰长度,并在炉长方向适当位置布 置多级补热装置,在炉体侧墙二维均匀布置燃烧 装置,实现炉膛内整体的弥散燃烧,保证了炉膛 空间三维的温度及流场均匀。在炉体结构上,并 通过炉型设计在炉顶适当位置下压,使炯气在水 平向前流动的同时产生垂直压力分布,延长烟气 在炉内的停留时间,换热充分。(2保

14、证炉体支撑结构稳定还原罐长时间处在1200左右高温环境, 镁还原过程需要抽真空,以及周期性产镁及装出 料,导致还原罐很容易变形,如果在还原罐底部 支撑不好,不但加速还原罐的变形速率,而且更 换还原罐时,变形严重的还原罐不能顺利换出使 炉体侧墙容易发生倒塌。而一味的保证还原罐的 支撑会造成炉膛内的烟气流通不通畅。大型镁还原炉内还原罐的支撑采用全炉立体 网格化支撑结构,在三个方向上互相咬合,避免 局部强度弱点,同时保证炉内的气流畅通。在宽 度方向均匀布置支撑墙,并在支撑墙上开孑L,即 保证了燃烧器的燃烧又保证了气流的通畅,在支 撑墙上布置横担砖,横担砖延炉长方向整体支撑 还原罐,并连接炉体和支撑墙

15、增强了支撑墙及炉 体的整体强度。(3延长还原罐罐体寿命。还原罐是金属镁还原反应发生的场所,罐体 由耐热钢制成。由于还原罐长期在高温含氧的环 境中工作以及还原罐的支撑不可靠,导致还原罐 的使用寿命短,还原罐的消耗量大也一直是金属 镁还原成本高的原因之一。大型金属镁还原炉优化了蓄热式燃烧器的布 置,使燃料侧靠近还原罐,而空气则在外围喷 入。同时开发了还原炉专用扁缝状煤气及空气喷 口,在还原罐罐体附近形成整体弱还原性气体保 护膜,减少还原罐的氧化烧损,大幅度延长罐体 使用寿命。3.3大型金属镁还原炉的应用效果开发的66罐大型金属镁还原炉已经在山西 某大型镁厂进行生产实践,自正式运行以来取得 了较好的

16、效果。主要有以下几个方面:(1节能效果显著此镁厂传统燃煤式镁还原炉每生产lt粗镁 平均需要6.5t原煤;而采用开发的蓄热燃烧技 术的大型镁还原炉每产生1t粗镁平均需要2.5t 原煤。(2单炉产量大幅度提高此镁厂原来的镁还原炉单炉罐数34只,每 个还原周期单罐平均产量为20.5kg,即每个还 原周期的单炉产量约697kg;而开发的大型金属 镁还原炉单炉66只罐,每个还原周期的单罐产 量平均为22.8kg,每个还原周期的单炉产量约 1505kg,单炉镁产量增加了1.16倍。(3炉温稳定性易于控制传统的镁还原炉直接采用原煤为燃料,周期 性加煤,炉温随煤的燃烧过程波动很大,一般波 动幅度可达50以上。

17、另一方面,传统的还原 炉由于采用的是倒焰返烧方式对还原罐进行加 热,下排罐温度总是低于上排罐。这种时间和空 间上的温度不均匀性对镁的还原反应过程影响较 大;开发的大型金属镁还原炉采用发生炉煤气为 燃料,燃料连续供给和精确调整,完全克服了时 间上的温度不均匀性;上、下两层烧嘴的布置和 交替蓄热换向保证了炉温在全炉膛空间内的温度 均匀性,这对于提高出镁率非常有利。(4工人工作环境好,对环境污染小传统镁还原炉需要人工加煤与清灰,工人工 作量大,工作环境极为恶劣,而且排炯温度高, 烟气中含有大量粉尘对环境造成极大污染。开发 的大型金属镁还原炉,工作人员可通过工控机来 控制燃料供给量以及炉子的各项热工参

18、数,大大 提升了工人的工作环境水平,而且烟气清洁,排 放温度低,达到环保标准。(5强化传热,缩短还原周期传统镁还原炉生产一段时问后,在还原罐壁 面形成大量积灰,不但阻碍还原罐与烟气的传 热,而且腐蚀还原罐,造成还原周期长(12h左 右且还原罐寿命短(60天左右等。开发的 大型金属镁还原炉采用清洁燃料,不但解决了积 灰问题,强化了传热,将还原周期缩短至11h以 内,而且在还原罐周围形成弱还原性气氛进一步 保护还原罐,将还原罐使用寿命延长至90天以 上。(下转第55页冶 金能源ENERGY FoR METALLURGICAL INDUSTRY 55为透平机静叶变化曲线,曲线3(虚线为高炉 料柱对高

19、炉顶压的影响的仿真曲线,曲线4(实 线为透平机静叶对高炉顶压的影响的仿真曲 线,曲线5(虚线为高炉料柱和透平机静叶对 高炉顶压总影响的仿真曲线,曲线6(实线为 高炉顶压的实际变化曲线。从图4中看出,静叶和料柱通道的仿真结果 均与理论分析相符。曲线3表明,上料操作使炉 顶压力迅速降低;曲线4表明,静叶开大使炉顶 压力升高并最终恢复到设定值。曲线5与曲线6非常接近,表明模型总的输出与高炉顶压实际变 化基本吻合。综上,高炉顶压动态模型总体上较 真实地反映了炉顶压力在静叶开度和料柱高度影 响下的变化情况,可以用作控制系统设计和分析 的依据。3结语作为高炉附属设备,TRT系统投入运行后, 回收能源效果显

20、著,同时还能达到降噪、环保等 目的,具有很好的经济效益和社会效益。但其投 运必须以保证高炉正常工作为前提。文章针对 TRT系统的特点,建立并验证了以透平机静叶开 度和高炉料柱的料线高度为输入,以高炉炉顶压 力为输出的系统动态模型。该模型尤其较精确地 反应了高炉上料操作与TRT高炉顶压之间的关 系,为将来优化控制算法,补偿高炉料柱变化对 顶压的影响打下基础。参考文献1杨春节,吴平,宋执环.炼铁高炉TRT系统炉顶 压力动态数学模型研究.浙江大学学报(工学版, 2006。40(9:153615392杨春节,李婷婷,宋执环等.正常发电工况下TRT 中高炉顶压动态模型研究.浙江大学,2008,37 (3

21、:26293高尚敏,杨春节,宋执环.TRT系统过程控制研 究.电站系统工程,2007,(5:58604张红庆,刘甄,赵家元等.武钢2高炉TI订自动 控制系统.冶金自动化,2001,(4:4246万雪编辑(上接第32页4结论通过弥散燃烧及多点供热,以及炉型结构的 优化,实现了还原炉的炉温三维均匀;通过空煤 气喷口的适当排布,在还原罐周围形成弱还原性 保护膜,延长还原罐使用寿命;炉顶适当下压, 延长烟气在炉内停留时间,换热充分;采用全炉 立体网格支撑结构,不但满足还原罐的支撑强度 而且不阻碍炉内气体流动,此大型金属镁还原炉 在实际生产中取得了大幅度节能降耗的效果。参考文献4夏德宏,郭梁,张刚等.高

22、温空气燃烧技术在 金属镁还原炉上的应用探讨.冶金能源,2006,25 (1:2934615JIA,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,张刚,郭粱等.金属镁还原炉中烟气流 动对传热过程的影响.北京科技大学学报,2006, 6:5665698夏德宏,张刚,郭梁等.金属镁皮江法还原工艺 中的热过程模拟.热科学与技术,2005,4(3: 257261思涌编辑