镁冶金白云石煅烧振荡式均匀加热U型窑的开发.pdf

2 0 1 2年 4月第 2期 任玲等 镁冶金 白云石煅烧振荡式均匀加热 u型窑的开发 5 1 镁冶金白云石煅烧振荡式 均匀加热 U型窑的开发 任玲 ， 夏德 宏 ， 赵恒 北京科技大学热能工程 系， 北京 1 0 0 0 8 3 【 摘要1 针对 目前镁冶金过程中白云石煅烧时物料煅烧不均匀、 热利用率低的问题 ， 结合振荡加热的 特点 ， 开发 了一 种通 用型均 匀透烧 白云石的煅烧设备双 窑筒U型煅烧窑 ， 以弥补传 统竖窑和回转窑 的不足。采用F L U E N T 软件对 u型窑 内流动 、 传热 、 燃烧过程进行数值模拟 ， 结果表 明 u型窑 内气体流动 均匀， 温度分布均匀， 有利于白云石物料的均匀煅烧。基于以上研 究， 设计开发 了处理量为3 0 0 t ／ d 的白 云石 U型煅烧窑 ， 确 定了窑结构及供热形式 。 【 关键词1 镁 冶金 ； 白云石 ； 煅烧； U型煅烧 窑； 振 荡加 热； 均 匀加热 【 中图分类号] T F 8 2 2 [ 文献标识码] B [ 文章编号] 1 6 7 2 6 1 0 3 2 0 1 2 0 2 0 0 5 1 - 0 5 近年来 ， 全球对金属镁 的需求量逐年增加 。我 国为镁生产和出口大国， 目前镁的工业生产主要 以 硅热法为主。在硅热法炼镁中 ， 白云石 的煅烧是非 常重要的环节 ， 其决定着煅 白的质量， 将直接影响镁 的还原率。而 目前 白云石煅烧过程 中存在着物料煅 烧温度不均匀 ， 从而导致物料表面过烧而内部欠烧 的问题” ， 其根本原 因是没有合理的煅烧加热工艺 以及保证加热工艺得 以顺利实施的煅烧设备 ， 因此 开发新型均匀煅烧 白云石的工艺及设备对镁冶炼工 业的发展意义重大。 白云石采用不同的设备煅烧， 其效果差异较大【 。 当前煅烧 白云石的设备主要有 回转窑和竖窑等 ， 回 转窑虽能满足 白云石对各种煅烧条件 的要求 ， 但运 营成本较高 ， 热利用率较低 ； 竖窑虽投资少 、 燃料消 耗低 ， 但煅烧温度不均匀 ， 煅 白活性低 ， 大大影响 了 还原工艺中镁 的产 出率 。因此 ， 开发一种 既能保 证 白云石均匀煅烧 ， 又能达到节能效果的白云石煅 烧设备， 是 目前镁工业发展 的迫切需要。 本文开发了一种均匀煅烧 白云石 的设备U 【 作者简介】 任玲 1 9 7 7 -- ， 女 ， 内蒙古赤 峰人 ， 博士 ， 讲师 ， 研究方 向为热物理传输过程中的理论与实践。 【 收稿日期】 2 0 1 1 - 0 9 1 3 [ 修订日期] 2 0 1 1 - 1 2 0 8 基金项 目 中央高校基本科研 业务费专项 资金 资助 N o ． F RF A S 一 1 0 0 0 5 B 型窑 ， 采用 F L U E N T 软件对炉内流动、 传热和燃烧过 程进行数值模拟 ， 对 U型窑均匀煅烧 白云石的可行 性进行分析 ， 并实例开发了处理量为 3 0 0 ff d 的 白云 石 U型煅烧窑。 1 U型煅烧窑的设计 结合振荡式加热工艺具有对物料均匀加热的特 点 ， 开发 了能够保证振荡式加热工艺实现的通用型 均匀透烧 白云石 的煅烧设备u型窑 ， 其工作原 理如图 1 。 燃烧气体 燃烧区 冷却区 预热 区 废气 冷却 区 冷却空气 图 1 U型窑工作原理示意图 该煅烧窑采用双窑简设计 ， 窑筒截面为矩形 ， 窑 筒 1 和 2内装有预煅烧 的白云石原料。气体燃料通 入到其 中一个窑筒 内， 将窑筒 1 定义为燃烧筒 ， 窑筒 2 被定义为非燃烧筒 。燃料从窑筒 1 顶端喷入 ， 并均 5 2 中固 有色冶 金 A卷生产实践篇 设备及 自 动化 匀分布在窑筒的横截面上 。高温气体从窑筒顶部经 过燃烧区直接与煅烧原料接触 ， 到达底部后通过连 接通道从燃烧筒进入非燃烧筒 ， 以相反的方向流动 ， 在非燃烧筒内将热量传递给原料层 ， 甚至能够轻微 地煅烧原料 。在窑筒 2 中 ， 高温气体在预热 区内预 热原料层 ， 为下一个燃烧循环做准备。 一 个窑筒从燃烧模式到非燃烧模式的循环形成 一 个换向周期。燃烧模式相当于振荡加热的加热阶 段 ， 非燃烧模式相当于振荡加热的均热阶段。这样 通过改变气体进 口流向 ， 即供风和供燃料 由径 向供 给改进 为竖 向供给 ， 燃烧后高温气体与物料在炉 内 对流换热 ， 并经过 2 个窑筒交替工作 ， 有效地利用 了 振荡式加热工艺 ， 理论上能够减小物料截面的温度 梯度 ， 实现 白云石 的均匀透烧 ， 同时也从根本上突破 了竖窑直径 大型化的限制 。下面对 U型窑 内的流 动、 传热情况进行模拟分析 ， 以验证 U型窑结构的合 理性 。 2 u型窑的数值模拟 以图 1 所示 的U型窑为原型 ， 构造流场区域的 几何模型如 图2 。模 型总高 8 m， 两个炉身截面均为 2 ． 2 m 1 ． 6 m； 空气进 口设在窑筒顶端 ， 尺寸为 0 ． 6 m 0 ． 4 m； 在空气进 口的一周设置 1 2 个煤气进 口， 通过 喷嘴深入到窑筒 内部 ， 煤气进 口直径为 0 ． 1 m。 图2 物理模型 炉内的网格划分采用结构网格和非结构网格相 结合 ， 如图 3 所示 ， 坐标原点取在窑体底部 圆心。 假设 白云石颗粒 为圆球形 ， 忽略由于温度变化 而引起的颗粒密度 、 粒径 的变化 ； 忽略 白云石的化学 分解 ， 即只考虑热传递过程 ， 将白云石分解热视为添 加一内热源项 ； 将煅烧炉壁面视为绝热 ； 采用多孑 L 介 质模型添加 阻力项替代物料 的阻力。在 U型窑内 ， 图3网格划分截面图 高温烟气的流动与换热基于连续性方程 、 动量方程 、 k - e 双方程和非 预混燃烧模型 。多孑 L 介质的参数采 用填充床的数学模 型来计算 ， 即用穿透率和惯性损 失系数来定义。 以 3 0 0 t ／ d 处理 量 的U型窑为基础进行 数值模 拟。入 口边界条件定义为空气速度和煤气速度 ， 出 口边界条件定义为空气 自由出流 。根据理论计算 ， 每小 时需 煤 气量 4 2 5 6 m ， 可 得煤 气进 口速度 为 l 0 ． 5 m ／ s ， 空气进 口风速为 6 ． 8 m ／ s 。多孔介质渗透率 的倒 数取 3 4 3 4 3 6 ， 惯性损失系数为 6 0 0 。经初始化 进行迭代计算 ， 收敛后 即可得到炉 内第一个换向过 程的稳定工况 。 3 模拟结果与分析 炉内流场情况是保证 白云石物料加热的前提。 图4 给出了一个换向周期后达到稳定工况时炉 内流 场 的情况 ， 图4 a 显示 了全场的流线图 ， 图4 b 给 出了 炉窑底部连通处的速度矢量 ， 图 4 c 显示 了空 、 煤气 进 口段的速度情况。从 图中可以看出 ， 由于采用 了 竖向供风 ， 气体在炉 内流动状况良好 ， 炉窑横截面上 气体速度较为一致 ， 说明气体在横截面上分布均匀 ， 保证了 白云石物料能够充分与高温烟气接触并吸 热 ， 避免了传统竖窑径 向供热导致气体无法进入炉 体中部 ， 造成中心温度不足 、 外层温度过高的情况。 进一步分析 u型窑内的温度分布情况 。图 5 为 换向前 、 换向后炉 内稳定 的温度场分布。换 向前 ， 右 侧窑筒 窑筒 2 为燃烧筒 ， 处于振荡加热的加热 阶 段 ， 筒 内温度升高 ， 越靠 近窑简底部温度越趋 于均 匀 ， 基本为 1 5 0 0 K左右 ， 处于 白云石煅烧 的最佳温 度范围。均匀的温度场有利于 白云石 的均匀煅烧 。 左侧窑筒 窑筒 1 为非燃烧筒 ， 处于振荡加热的均 5 4 中固有色冶 金 A卷生产实践篇 设备及自动化 9 0 0 0 8 0 0 0 7 0 0 0 6 0 0 0 5 0 0 0 篓 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 l 0 0 0 0 a 换向前 吕 惶 图6 换向前后稳定工况下沿炉高方向的温度分布曲线 于白云石物料 的均匀煅烧 ， 说 明u型煅烧窑可以很 好的发挥振荡式加热工艺对物料均匀加热的优良特I 生。 4 U型窑的实例开发 将所设计的u型振荡式均匀煅烧窑进行实例开 发 ， 以彻底弥补现有煅烧白云石设备 的不足 。对于 双窑筒的U型煅烧窑 ， 两个窑筒并排放置 ， 窑内气体 能够从一个窑筒通过一个直连通道流到另一个 窑 筒 ， 并且 由于窑筒截面设计为矩形几何形状 ， 对钢结 构和耐火材料的要求较低 ， 容易建造 。按照 3 0 0 t ／ d 处理量 ， 窑筒设计尺寸为 2 7 9 4 mmx 1 5 2 4 mm， 炉墙 厚度5 2 0 mm。窑体结构主要包括钢壳 、 耐火材料 内 衬和交叉通道 。钢壳 由厚度为 1 0 2 0 m m的低碳钢 制成 ， 主要用于承受内部压力 、 支撑耐火材料和安装 装料系统及窑顶部的收尘系统。由于 u型窑在高温 下操作 ， 炉内温度可达 1 5 0 0 K， 因此窑筒内全部衬 以耐火材料 ， 由内到外依次为优质铬镁砖 、 1 ． 0 粘土 砖 、 0 ． 8 粘土砖和岩棉板。两个窑筒由窑体底部直连 的拱形交叉通道构成 ， 几何结构简单易于建造 ， 且气 体流动稳 定 ， 并布 有吹气孔 防止通道 堵塞 。采用 S o l i d w o r k s 软件 ， 设计 U型窑 的三维效果 图 ， 如图 7 所示 。 应用振荡式加热技术的u型窑需要使用气体燃 料 ， 以冷净发生炉煤气为气体燃料进行热平衡计算 ， 确定 u型窑的合理燃料量 。针对单位时间处理量为 1 2 5 0 0 k g ／ h的单台 U型窑 ， 所需耗煤气量为 6 ．4 x 1 0 m ／ h 。在每个换 向期间 ， 还需要对窑 内减压 ， 卸出煅 白， 装入 白云石物料 ， 再对窑内加压。 5 结 束语 设计了能够保证振荡加热工艺顺利实施 的u型 图7 系统装配图 白云石煅烧窑， 两个窑筒交替工作 ， 在一个换向周期 内各 自形成一个振荡加热过程 ， 有利于 白云石物料 的均匀煅烧 。采用 F L U E N T软件对 u型窑 内的流 动、 传热情况进行数值模拟 ， 分析 u型窑内流场及炉 内温度场 的分布情况 。模拟结果表 明， u型煅烧窑 能够很好地发挥振荡式加热工艺对物料均匀加热 的 优 良特性 。针对实 际需求 ， 开发了处理量为 3 0 0 t ／ d 的 白云石 u型煅烧 窑 ， 确定 了具体结 构及供 热形 式。以冷净发生炉煤气 为燃料 ， 热平衡计算表明需 要 6 ． 4 x 1 0 。 m ／ h 的燃气量。 由于开发的 U型窑 尚未投入实际生产 ， 无法得 到确切 的数据支持 ， u型窑 的运行情况 、 煅烧 白云石 的温度均匀程度 、 最优的操作准则等都有 待在实际 生产运行后做进一步的数据采集分析。 【 参考文献】 [ 1 ] 熊呈辉 ， 周天瑞 ， 徐河． 煅烧 白云石 质量对还原工序 的影 响I J 1 _ 有色金属 ， 2 0 0 6 ， 3 2 6 2 8 ． [ 2 ] 徐劲之 ， 万方 ， 徐 日瑶． 影响硅热法炼 镁过程效率及 产品质量 的因素分析 实验[ J J ． 轻金属 ， 1 9 9 5 ， 6 3 5 3 9 ． [ 3 ] 朱祖 武 ， 曹 黎华． 国内皮 江法炼 镁技术 的缺陷与 改进途径 【 J J ． 南 昌高专学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 2 9 4 ． ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 0 吣 ∞ ∞ 如 ∞ 如 2 0 1 2年 4月第 2期 任玲等 镁冶金 白云石煅烧振荡式均匀加热 u型窑的开发 -5 5 【 4 ] 李华清 ， 谢水生 ， 吴朋越 ， 黄 国杰． 硅热还原炼镁工艺的发展探讨 [ J ] ． 轻金属 ， 2 0 0 5 ， 9 4 7 - 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we i Abs t r a c t The c o mpo s i t i o n，p r o c e s s e x a mi ne a n d c o n t r o l s c he me o f DCS c o n t r o l s y s t e m o f wa s t e he a t b o i l e r i n c o p pe r s me l t i ng ．The t y pe s e l e c t i o n e x p e r i e n c e o f me t e r u nd e r d i f f e r e nt t e c hn i c a l c o n d i t i o n s a n d e nv i r o n me n t s r e q u i r e me n t we r e i n t r o d uc e d i n t h i s p a p e r ． Ke y wo r ds c o p pe r s me l t i ng ；wa s t e he a t bo i l e r ；DCS ；s y s t e m c o n t r o l ；pa r a me t e r d e t e c t i o n