XR-Ⅱ新型蓄热式金属镁还原炉.pdf

Ⅱ■| 重重龃 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．j s s n ．2 0 9 5 - 17 4 4 ．2 0 1 2 ．0 2 ．0 0 2 X R I I 新型蓄热式金属镁还原炉 豳任玲，夏德宏，任春晓 北京科技大学热能工程系，北京1 0 0 0 8 3 摘要针对大型蓄热式金属镁还原炉X R - I 工业应用中存在的炉体结构、燃烧系统和燃烧控制等方 面的不足，进一步改进并开发X R I I 还原炉，具体措施为还原罐微倾斜安装、增加燃烧器附近的 燃烧空间、增加炉体高度、调整燃烧器的排布、优化燃料分配制度、采用脉冲燃烧方式等。利用 F L U E N T 软件，模拟X R I I 炉内热工过程，确定最短脉冲燃烧时间。模拟结果表明，X R I I 炉型结 构较X R - I 更合理，并具有更好的温度均匀性。X R - I I 投产后取得了更好的应用效果，还原工序吨 镁煤耗进一步降低到2 ．．8t ，炉温波动控制在士l O ℃以内，产量更高更稳定。 关键词镁；还原炉；硅热法。蓄热燃烧技术 中图分类号T F 8 2 2 ；T F 0 6 2文献标识码A文章编号2 0 9 5 17 4 4 2 0 1 2 0 2 ．0 0 3 3 0 4 随着镁及镁合金需求量的逐年增加川，我国作为 原镁生产大国，镁产量近些年一直居世界首位。然而， 镁冶金工业一直存在着能耗高的问题，特别是还原工艺 中还原炉的能耗占总能耗的7 0 ％以上，因此着重分析 和解决还原炉存在的问题至关重要。我国的镁生产9 8 ％ 以上采用硅热还原法弘J 。传统的硅热法炼镁工艺中，单 台还原炉中还原罐最多不超过3 2 支，且为单面双排。 以煤为燃料，吨镁的煤耗约为6 ．5 ～7 ．0t 。由于以煤为原料， 还原炉生产一段时间后，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、还原罐寿命短。此外，传统的镁还原炉炉 温随人工加煤及煤的燃烧过程波动较大，一般波动幅度 为5 0 ℃左右。 将蓄热燃烧技术应用到镁还原炉中是实现镁还原炉 大型化和大幅度节能降耗的必然选择。已经设计开发的 以冷净发生炉煤气为燃料、6 6 罐双面双排大型蓄热式金 属镁还原炉X R - I 【3 “，将蓄热燃烧技术的优点与金属镁 还原工艺的特点相结合，从根本上解决了传统倒焰式金 属镁还原炉炉内流场和温度场分布不均的现象。相比传 统倒焰式还原炉，X R - I 还原过程的吨镁煤耗由6 ．5 ～7 ．0 t 降至2 ．8 - 3 ．2t ，炉膛内温度波动由士5 0 ℃减小到4 - 1 5 ℃范围内，还原周期由1 2h 缩短至1 0 ．5h ，单炉产量由 3 2 罐增加至6 6 罐，提高1 倍以上，还原罐的使用寿命 由不到6 0d 延长到9 0d 左右。 虽然X R - I 的应用较成功，节能降耗效果显著，且 单炉的产镁率和产镁质量得到大大提高。然而，通过对 X R - I 工业应用的跟踪试验。发现由于操作习惯和为了 出料方便，人为抬高还原罐罐尾，对流场产生扰动，使 得空气和煤气混合过快，靠近蓄热烧嘴部分的还原罐温 度偏高易高温变形。在X R - I 中蓄热烧嘴均匀排布，为 保证炉温沿还原罐轴向方向温度均匀，故靠近炉墙处的 蓄热燃烧器开度大，中部开度小，造成控制繁琐。此外， 在一个还原周期内，根据实际情况，加热期和保温期的 燃料供应量应相差4 0 ％左右，采用调节燃料供应量的 方式实现连续燃烧，导致加热期和保温期的炉温分布不 一致。 针对x R I 实际运行中存在的不足，从优化还原罐 的安装、增加炉体高度、改进还原罐的间距、优化燃烧 器的布置，提升燃烧系统的控制等方面改进并优化还原 基金项目中央高校基本科研业务费专项资金项目 F R F ．A S ． 10 - 0 0 5 B 收稿日期2 0 11 ．1 0 ．0 5 作者简介任玲 1 9 7 7 ． ．女。内蒙古赤峰市人，讲师，博士． 主要从事动力工程与工程热物理等方面的研究。 有色金属工程2 0 1 2 年第2 期3 3 万方数据 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R l N G 炉的结构及操作，设计开发了X R - I I 大型金属镁还原炉。 进一步通过F L U E N T 软件对炉膛空间内的三维燃烧， 流动及耦合换热过程进行模拟研究．分析确定设计方案， 并进行工程实际应用的验证，以保证生产状况更加稳定， 并达到更好的实际应用效果。 lX R - I I 还原炉改进措施 X R I I 大型蓄热式金属镁还原炉开发，主要针对炉 体结构、燃烧系统和燃烧控制三方面进行。在炉体结构 方面，考虑工人的操作习惯，还原罐微倾斜安装，罐尾 比罐口高1 5 0m i l l ，如图1 所示。为了保证还原罐倾斜 摆放后不阻碍空气和煤气的顺利喷人，故考虑增加炉体 高度。上排燃烧器的煤气喷r a 距离最近还原罐的上端保 持4 0 0m i l l 的距离，下排燃烧器的煤气喷口距离最近还 原罐的下端保持4 0 0m m 的距离。在X R - I 中，炉顶中 部适当位置下压，如图2 a 所示，使烟气的流动在水平 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。使炉内换热充分。然而．X R - I I 中炉体高度 增加会导致炉顶下压作用减少，为施工方便，取消炉顶 下压，如图2 ∞所示。此外。为了增加燃烧器附近的燃 烧空间，在保证炉膛宽度不变的情况下，仍采用6 6 罐 双面双排的方式，单排还原罐的间距由 淑I 中的7 4 0 姗减小到X R - I I 中的7 2 0m i l l 。 图1 还原罐倾斜安装示意 在燃烧系统方面，改进了蓄热烧嘴的安装位置和燃 料分配制度。如图2 所示，在x R I 中，蓄热烧嘴在炉 侧墙均匀排布，在X R ～I I 中，靠近炉体外墙处蓄热烧嘴 之间的间距小，靠近炉体中间位置的蓄热烧嘴之间的距 离远．从而补偿了由于炉体外墙散热损失而导致蓄热烧 嘴开度不一致的问题。在燃料分配方面．上排蓄热箱的 oo 图2 大型瞥热式镁还原炉妒体结构示意 空气供给量，根据上排蓄热烧嘴的煤气量与炉顶补气喷 r a 煤气量总和进行计算，下排蓄热箱的空气供给量按下 排蓄热烧嘴的煤气量计算。故还原炉上排蓄热烧嘴的空 气蓄热箱较下排蓄热烧嘴的空气蓄热箱大，上下排蓄热 烧嘴不再为统一形式。 在燃烧控制方面，蓄热烧嘴的燃烧在X R I 中采用 调节燃料供应量的连续燃烧方式，在X R - I I 中采用脉冲 燃烧方式岬】，以保证空气和煤气的喷人速度以及火焰 的长度，实现炉温的稳定。脉冲燃烧控制技术采用间断 燃烧的方式，通过调节燃烧时间的通断比实现炉内的温 度控制。燃烧状态下的燃料流量可通过燃料控制阀调节， 烧嘴一旦燃烧，即处于设计的最佳燃烧状态，以保证烧 嘴燃烧时燃气出口速度均匀不变。 2 Ⅺt 一Ⅱ还原炉炉内热过程数值模拟 2 ．1 模型的建立 以还原炉内的空间为研究对象，不考虑蓄热燃烧器 内的流动传热等状况。假设预热后进人炉膛内燃烧的燃 料和空气为9 0 0 ℃，忽略燃料和空气在换向瞬间产生的 波动，炉膛内产生的烟气视为灰体。不考虑还原罐内的 反应过程，球团炉料的升温吸热和反应吸热简化为一个 整体吸热热流。忽略还原罐与冷端镁结晶器等设备的换 热，忽略还原罐端部结构及炉内支撑墙结构。假设炉墙 外节点为恒温6 0 ℃，给定综合对流换热系数。 由于还原炉炉内热工状况沿还原罐长度方向两端对 称，故取还原炉的一半为研究对象。网格划分采用结构 化和非结构化网格相结台的方式。截面的网格划分如图 3 所示，在还原罐周围及炉顶补气喷口部分采用非结构 化网格，而炉膛内其他部分采用结构化网格。计算模型 中共8 6 69 8 7 个网格，经验证该网格数量下可以保证计 算的精度和计算的收敛。 图3X R - I I 还原炉截面的网格划分 采用F L U E N T 软件进行模拟计算。还原炉内湍流 流动采用k 1 两方程模型。在流场近壁区．采用改进型 壁面函数法进行处理。炉内的气体辐射计算采用P I 模 型。燃烧计算采用非预混燃烧p r e P D F 模型。燃料和空 气在还原炉炉膛内边混合边燃烧。计算中取参考压力为 标准大气压，选取的边界条件包括进口条件、出口条件 和壁面边界条件。进口条件为燃烧系统的进口条件，如 表1 所示。出口采用压力边界条件。由于蓄热式燃烧采 用引风机抽引烟气，结合工程实际经验，考虑到炉体流 过蜂窝型蓄热体的压降约10 0 0P a ，计算中出口压力设 万方数据 为一8 0 0P a 。根据实际情况．设定四种壁面边界条件分 别为炉顶及炉墙温度设为6 0 ℃。根据炉墙的导热， 等效换算得到综合对流换热系数为0 ．6 0 4W ／ m 2 - K ，炉 底设为绝热边界条件I 对称面为S y m m e t r y 边界条件 还原罐壁面选取热流边界条件。根据还原罐内物料吸热 及反应吸热量等进行换算，经计算得还原罐壁面吸热热 流为一2 4 5 ．3 1 0 3 W ／m 2 。 表1 燃烧系统的进口条件 名称 预热温度，l 标态下流速／ ms ’ 特征尺寸／m m 2 ．2 模拟结果分析 2 ．2 ．1 流场分析 在稳定燃烧状态下，炉内的流场分布如图4 所示． 从图4 可以看出．炉内的流场分布均匀。进一步分析换 向后非稳态工况下炉内流场的变化。图5 给出了换向后 4s 和8s 的流场情况。从图5 可以发现，还原炉换向8 s 后炉内流场基本达到稳定状态。由于蓄热烧嘴采用脉 冲燃烧、关闭、换向、下一个脉冲燃烧的控制方式，所 以单次脉冲时间需大于换向后还原炉内流场稳定所需时 间，即单次脉冲时间需大于8s 。 图4 稳定状态下还原炉截面的流线 换向后4s - 士塞 缺刚正s 、 图5 换向后非稳态工况下炉内的流场分布 Z 22 温度场分析 稳定燃烧工况下，蓄热烧嘴截面和补气喷1 3 截面的 温度分布，如图6 所示。从图6 可以看出，炉内无明显 的火焰面，炉膛内整体温度分布均匀，实现了炉内的弥 散燃烧。此炉型炉膛内温度分布的均匀性高于X R 一1 炉 型。还原炉上下两排还原罐中间位置的温度分布如图7 所示。还原罐附近的炉膛内温度基本处于15 4 0 - 15 6 5K ， 炉膛内的温度波动范围小。 ℃‰囊强‰‰‰乜1 、强乜‰镰乜味‰j 萏热烧嘴故山∥L 喷I 】戤山 图6 稳定燃烧工况下炉内温度分布 左侧燃烧右侧排烟 由炉内流场的模拟结果得到X R - I I 换向8s 后即可 达到稳定状态，因此给出X R 1 1 换向1 0s 后蓄热烧嘴 截面和炉顶补气喷1 3 截面的温度分布，如图8 所示。由 图8 可以看出炉内温度分布更加均匀，无局部高温区， 炉内弥散燃烧状态好。上下两排还原罐中间位置的炉内 温度分布曲线如图9 所示，表明换向后还原罐附近的炉 温波动在1 0 ℃以内。同X R - I 炉型结构相比，x R I I 炉型结构的温度均匀性更好，因此X R I I 炉型结构优于 X R I 炉型。 通过对炉内温度场的分析，发现蓄热烧嘴截面和炉 顶煤气补气1 3 截面的温度分布基本一致，同时在不同工 况下煤气补气口附近炉内温度分布变化较小，因此在实 际生产中可根据具体运行情况关闭炉顶煤气补气口。 还原罐序号 图7 稳定燃烧工况下上下两排还原罐 中间位置的温度分布曲线 蓄热烧嘴截面补气喷口截面 图8 换向1 0s 后稳定燃烧工况下炉内温度分布 右侧燃烧左侧排烟 135 7 9I I1 3 1 51 7 1 92 12 3 2 5 2 7 2 93 13 3 还原罐序号 图9 换向1 0 s 后上下两排还原罐中间位置的温度分布曲线 有色金属工程2 0 1 2 年第2 期3 5万方数据 N O N F E R R O U SM E l I A L SE N G I N E E R l N G 2 ．2 ．3 浓度场分析 x R I I 还原炉稳定燃烧工况下．蓄热烧嘴截面和炉 顶煤气补气喷口截面C O 浓度分布如图l O 所示。由图 1 0 可以看出，C O 在还原罐附近的高温区浓度较集中， 由于C O 贴近还原罐侧喷人，在还原罐周围形成还原性 气氛，对还原罐起到保护作用．因此可以延长还原罐的 使用寿命。 ● ⋯ ●_●二 ■ 二 蓄热烧嘴截面补气喷口截面 图1 0 稳定燃烧工况下炉内C O 浓度分布 左侧燃烧右侧排烟 3 a R - Ⅱ还原炉的工程应用 X R I I 还原炉顺利完成了设计、施工、调试和投产。 通过对X R - I I 还原炉进行跟踪试验，发现炉内强化传热 明显，还原周期由传统倒焰炉的1 2h 缩短至1 0 ．5h ，还 原罐寿命由传统倒焰炉的小于6 0d 延长到9 0d 以上， 与X R - 的运行效果相类似，但是X R - I I 比x R I 运行 更加稳定，且还原炉的性能得到进一步提升。X R - J J 还 原炉的炉温均匀性提高，炉温波动由x R I 的士1 5 ℃ 降低到士1 0 ℃范围内。X R 一1 1 还原炉的煤耗降低，吨 镁煤耗由x R l 的2 ．8 - 3 ．2t 降低到2 ．6 - - 2 ．8t 。此外， X R - I I 还原炉单罐产量增加且更加稳定。由于所开发 的大型蓄热式镁还原炉可适用于各种直径的还原罐， X R I 还原炉投产运行时采用传统的 3 3 9m i l lx28 6 0 m m 还原罐，每个还原周期单罐产量平均为2 08k g 。通 过在X R - I 还原炉上对 3 7 0 m m x30 5 0 m m 还原罐装 料量进行经验总结，X R - I I 还原炉正式使用大规格还原 罐，单罐装料量2 2 0k g 左右，每个还原周期单罐产镁量 平均为3 0k g ，单炉产量大幅度提高。 6 6 罐大型蓄热式金属镁还原炉X R - I I 结构更加完 善，运行更加稳定．按此炉型最终建成8 台x R I I 炉组 成的金属镁还原生产线，此生产线建成后的照片如图1 1 所示。为了便于集中控制管理、降低造价，将每条生产 线分为2 个炉群．即每个炉群集中控制4 座还原炉。每 图1 l 大型蓄热式金属镁还原炉X RI I 炉群 个炉群各配制1 套鼓风机系统、2 套引风机系统和1 套 燃烧控制系统。根据使用 3 7 0 m m 30 5 0 m m 规格的 还原罐进行单炉产量计算．此大型镁还原生产线的年产 量达到1 10 0 0 t 。 4 结论 针对X R - I 还原炉工业试验中的不足，为了使还原 炉燃烧更安全稳定，操作更方便，对大型金属镁还原炉 的炉体结构、燃烧系统和燃烧控制进行改进，进一步开 发了X R 一Ⅱ还原炉。对炉体结构的改进主要体现在还原 罐倾斜安装．增加燃烧器附近的燃烧空间，取消炉顶下 压结构。对燃烧系统的改进主要体现在调整燃烧器的排 布、优化燃料分配制度。对燃烧控制的提升主要体现在 采用脉冲燃烧的燃烧控制方式。 采用F L U E N T 软件对X R - I I 还原炉内流场、温 度场和浓度场进行模拟分析。验证X R I I 炉型结构较 x R I 更合理，并具有更好的温度均匀性，进一步确定 了脉冲燃烧的最短脉冲时间为8s 。炉内C O 贴近还原罐 侧喷人并在还原罐周围形成还原性氛围，因此延长了还 原罐的使用寿命。 6 6 罐大型金属镁还原炉X R - I ] 顺利建成投产，取 得了更加良好的实际应用效果。相比X R - I 还原炉， X R n 还原炉内温度场更加均匀．炉温波动在4 - l o ℃ 范围内，产量提高并更加稳定．每个还原周期的单罐产 量约为3 0k g ，吨镁煤耗进一步降低至2 扣2 ．8t ，更符 合工人的操作习惯。根据X R - U 的炉型结构．推广应用 了8 台还原炉，组成年产镁量达到l 万t 以上的大型蓄 热式金属镁还原生产线，该生产线为其他镁还原生产企 业提供了借鉴．值得大力推广应用。 参考文献 【1 】夏德宏，氽涛．镁的卓越特性【J 】金属世界．2 0 0 5 3 4 7 - 4 9 【2 】夏德宏，郭粱，张刚。等硅热炼镁还原炉的用能分析 与节能措施探讨们冶金能源．2 0 0 5 ，2 4 3 3 2 - 3 5 【3 】夏德宏，任舂晓，任玲．大型金属镁还原炉的开发【以．冶 金能潦，2 0 0 9 ，2 7 4 2 9 3 2 ，5 5 ． f 4 】任玲，夏德宏．任春晓大型蓄热式金属镁还原炉炉内 热过程的模拟与应用【J 】有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 3 2 6 3 0 1 5 】张云明脉冲燃烧在板坯加热炉上的应用们冶金能源． 2 0 0 7 ，2 6 4 6 1 6 3 【6 】卞谢田．脉冲燃烧技术及其在工业炉上的应用哪．工业加 热。1 9 9 8 1 1 6 - 1 9 ． 【7 】黄瑾，王晓春．工业窑炉脉冲燃烧技术的应用与效益浅析 【刀．国外建材科技，2 0 0 5 ，2 雕 1 2 1 3 ，1 6 ． 3 6 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据