大型蓄热式金属镁还原炉炉内热过程的模拟与应用.pdf

2 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年3 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i 鹤m1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 3 ．0 0 8 大型蓄热式金属镁还原炉炉内热过程的模拟与应用 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 摘要将蓄热燃烧技术的优点与金属镁还原工艺的特点相结合，开发了具有6 6 支还原罐的大型蓄热式 金属镁还原炉。应用F L U E N T 软件对炉膛内流动、燃烧及耦合换热过程进行模拟。结果表明，将蓄热 燃烧技术应用于金属镁还原炉，可以形成均匀的流场和温度场，从根本上解决了传统倒焰式还原炉炉内 流场不均匀及上下排还原罐温度不一致的问题。将新型还原炉应用于工程实际，取得了良好的应用效 果，较传统还原炉炉温均匀性提高7 0 ％，单炉产量提高1 倍以上，还原周期缩短1 ．5h ，还原罐的使用寿 命延长3 0 天，吨镁能耗降低6 0 ％。 关键词硅热法；镁；还原炉；蓄热燃烧技术 中图分类号T F 8 2 2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 0 3 一0 0 2 6 一0 5 N u m e r i c a lS i m u l a t i o na n dA p p l i c a t i O no fL a r g eM a g n e s i u mR e d u c t i o n F u r n a c eB a s e do nR e g e n e r a t i V eC o m b u s t i o nT e c h n o l o g y R E NL i n g ，X I AD e - h o n g ，R E NC h u n - x i a o D e p a n m e n to fT h e r m lE l l g i n e e r i n g 。U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e 巧i n g ，B e 巧i n g1 0 0 0 8 3tC h i n a A b s t r a c t I nc o m b i n a t i o no ft h ea d v a n t a g e so fr e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ef e a t u r e so ft h e r m a lr e d u c t i o np r o c e s sf o rp r o d u c i n gm a g n e s i u m ，al a r g em a g n e s i u mr e d u c t i o nf u r n a c ew i t h6 6r e d u c t i o n j a r sw a sd e v e l o p e d ． T h ef l o w ，c o m b u s t i o n ，a n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s si nt h ef u r n a c ec h a m b e rw e r es i m u l a t e db yF L U E N Ts o f t w a r e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu n i f o r mf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na r e o b t a i n e d ，t h en o n u n i f o r mf l o wf i e l di nt r a d i t i o n a ld r a f tf u r n a c ec h a m b e r sa n dd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sd i s t r i b u t i o nb e t w e e nu p p e ra n dl o w e rj a r sa r es o l V e d ．T h i sn e w t y p ef u r n a c ei sa p p l i e dw e l li ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e s ． C o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lf u r n a c e s ，t h eu n i f o r m i t yo ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ef u r n a c ec h a m b e ri se n h a n c e db y7 0 ％，t h ep r o d u c t i o no fs i n g l ef u r n a c ei n c r e a s e st om o r et h a no n et i m e ，t h er e d u c t i o n p e r i o ds h o r t sb y1 ．5h ，t h el i f e s p a no fr e d u c t i o nj a r sp r o l o n g s3 0d a y s ，a n dt h ec o a lc o n s u m p t i o no fp e r t o nm a g n e s i u mr e d u c e sb y6 0 ％． K e yw o r d s s i l i c o t h e r m i cp r o c e s s ；m a g n e s i u m ；r e d u c t i o nf u r n a c e ；r e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g y 随着镁及镁合金应用的快速发展，其需求量正 逐年攀升[ 1 ] 。我国9 8 ％以上的镁生产采用硅热还 原法[ 2 ] ，但是硅热法还原炉单炉可排布还原罐的数 量少、排烟温度高、热效率低、资源和能源浪费严重、 污染环境，不利于我国镁还原工业的可持续发展[ 3 ] 。 因此实现镁还原炉的大型化，大幅度节能降耗，对提 升我国炼镁水平、推动我国由镁资源大国向镁产业 强国的跨越式发展具有重要意义。 我国的金属镁还原炉主要以传统倒焰式炉为 主[ 4 ] ，燃烧室和传热室相分离，燃料在燃烧室中燃 烧，还原罐位于传热室中，烟气与还原罐通过对流进 行换热。由于还原罐中的炉料在升温时吸热和镁还 基金项目中央高校基本科研业务费专项资金资助项且 F R F ．A 孓1 0 _ 0 0 5 B 作者简介任玲 1 9 7 7 一 ，女，内蒙古赤峰市人，讲师。博士． 万方数据 2 0 1 2 年3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m r l l ．c n 2 7 原反应时吸热，将会导致烟气温度沿流动方向逐渐 降低，炉膛内上排还原罐的温度总是高于下排还原 罐的温度，且靠近烟道处的烟气流量总是大于远离 烟道处的烟气流量，因此无法形成均匀的炉温。故 传统还原炉的还原罐中镁还原率差别较大，还原出 的镁品质低。保证还原炉产镁率及产镁质量首先要 保证炉温的均匀性，还原炉的大型化必须做到炉温 均匀。 针对现有镁还原炉存在的问题，利用钢铁行业 取得良好节能减排效果的蓄热燃烧技术[ 5 ] ，开发蓄 热式金属镁还原炉。使烟气的排放温度从接近 12 0 0 ℃降低到1 5 0 ℃左右，燃料的入炉温度由常 温预热到10 0 0 ℃左右，既可回收烟气带走的能量， 又可将能量重新带人炉内，从而大幅提高还原炉的 热效率，进而达到节能降耗的目的。同时，高温预热 的燃料在低氧浓度下燃烧，不仅会降低平均燃烧速 度，拓展燃烧边界，容易在炉膛内形成均匀的温度 场，同时还可降低N q 的浓度[ 6 ] ，有利于实现镁还 原炉的大型化。 基于此，本文将蓄热燃烧技术的优点与金属镁 还原工艺的特点相结合，设计开发了具有6 6 支还原 罐的大型蓄热式金属镁还原炉。通过F L U E N T 软 件对炉膛内的流动、燃烧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。 1 大型还原炉的开发 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 ～7t 。由于以煤为原料，还原 炉经过一段时间生产后，会在还原罐的壁面上产生 大量积灰，这不但会阻碍还原罐与烟气之间的传热， 而且还会腐蚀还原罐，延长还原周期 约1 2h ，且 还原罐寿命短 约4 0 ～6 0 天 。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 波动幅度为士5 0 ℃。 本文设计的蓄热式大型金属镁还原炉，彻底颠 覆了传统倒焰式还原炉的炉体结构，为室状加热炉， 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。炉体结构如图1 所示，炉体有效长 度1 32 2 4m m ，炉体内宽56 0 0m m ，炉体内高约 22 5 0m m 。炉顶采用吊挂平炉顶，可降低炉膛高 度，提高炉的热效率，并通过在炉顶中部适当位置下 压，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，炉内换热充 分。炉体内衬采用低水泥浇注料进行整体浇注，炉 墙外层采用轻质保温砖及硅酸铝纤维毡加强炉砌体 的隔热，减少炉体散热损失。炉内还原罐的支撑采 用支撑墙、横担砖和过火孔相结合的全炉立体网格 形式，支撑结构在三个方向上互相咬合，既保证了炉 内烟气流通通畅，又保证了还原罐底部的整体稳定 支撑以及大型化后炉体整体强度不受影响。 图1 大型蓄热式还原炉炉体结构 F i g ．1L a r g e 他g 吼e r a t i v e 他d u c t i o n f m m a c eb o d ys t 朋c t Ⅱr e 还原炉以冷净发生炉煤气为燃料，采用同时预 热助燃空气和燃料的双预热形式。通过对还原炉的 热平衡进行计算，得到该炉型的理论燃料用量为 10 3 4 ．2m 3 ／h 。假设1t 煤经煤气发生炉气化产生 3o o om 3 的冷净发生炉煤气，换算得到吨镁的理论 煤耗量为2 ．5 5t 。新炉型的理论煤耗远低于传统炉 型的煤耗，因此具有很大的节能空间。蓄热燃烧装 置采用整体蓄热式烧嘴结构，嵌入炉体两侧墙内，一 侧吸热燃烧，一侧放热排烟，周期换向。燃烧器通过 调整空气及煤气流速来控制火焰长度，在还原炉的 炉顶中部适当位置布置多级煤气补气装置，以实现 炉膛内的整体弥散燃烧，保证炉膛空间三维温度场 和流场的均匀性。 由于还原炉采用蓄热直燃的方式，可以保证炉 膛内温度的均匀，故还原炉可以加长加宽。还原炉 内还原罐采用双面双排的排布方式，单侧3 3 支，其 中上排1 7 支，下排1 6 支，全炉共安装6 6 支还原罐。 上下排的间距为5 4 4m m ，交错布置，每一排罐与罐 的间距为7 4 0m m 。 2炉内热过程的数值模拟 2 ．1 数学模型 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。假设预热后进入炉膛内 燃烧的燃料和空气温度为9 0 0 ℃，忽略燃料和空气 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y I ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年3 期 随蓄热周期产生的波动，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6 0 ℃恒 温，给定综合对流换热系数。 由于还原炉炉内的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合的方式。如图 2 所示，在还原罐周围及炉顶下压部分采用非结构 化网格，而炉膛内其他部分采用结构化网格。本文 计算模型中共11 7 85 6 3 个体网格，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2 还原炉截面的网格划分 F i g ．2 M 皓h i n go ff Ⅱm a c ec r o s s - s ∞t i 蚰 采用F L U E N T 软件进行模拟计算。还原炉内 湍流流动采用是一￡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 1 模型；燃烧计算采用非预混燃烧p r e P D F 模型。针对周期换向，以左侧吸热燃烧、右侧放热排 烟为例 如图3 ，燃料进口1 和2 为预热后的发生 炉煤气，空气进口1 和2 为预热后的空气，燃料进口 3 为炉顶煤气补气口 非预热 。 图3 炉内非预混燃烧p 他P D F 模型 F i g ．3N o n p 咖i x e dc 伽b u s t i 蚰p r e P D F m O d e li nf Ⅱr n a c ec h a m b e r 计算中取标准大气压为参考压力，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 表1 。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 ，计算中出口压力设为一8 0 0 P a 。根据实际情况，设定4 种壁面边界条件炉顶 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O ．6 0 4W ／ m 2 K ；炉底 设为绝热边界条件；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 3W ／m 2 。 表1 燃烧系统的进口条件 T a b l elI n I e tc 蚰d i t i 蚰so fc o m b 璐t i o ns y s ‘咖 2 ．2 模拟结果分析 2 ．2 ．1 流场分析 在稳定燃烧状态下，还原炉内的气体流动状况 如图4 所示。由图4 可看到，还原炉内燃烧稳定后， 炉内流场分布均匀，流线充满整个炉膛空间，对还原 罐的对流传热非常有利。在炉顶下压的作用下，空 气和煤气人口处流线比较密集，有利于空气和煤气 的混合燃烧。将蓄热燃烧技术与金属镁还原炉相结 合，可以从根本上解决传统倒焰式金属镁还原炉炉 内流场不均匀的现象。 图4 还原炉截面的流线图 F i 昏4 F l o wp a t t 帅o ff l u 丑a c ec n 时s e c t i 帆 2 ．2 ．2 温度场分析 还原炉内温度场的均匀性也是验证还原炉结构 合理性的一个重要指标。图5 给出了蓄热烧嘴截面 和炉顶补气喷口截面的温度分布情况。此时，还原 炉左侧的蓄热式烧嘴分别喷入经高温预热的空气和 煤气，空气和煤气进入炉膛后进行混合燃烧，同时右 侧的烧嘴进行排烟。从图5 可以看到炉内高温区主 要集中在左侧烧嘴附近。 还原炉每9 0s 换向一次，换向后左侧蓄热烧嘴 开始排烟，而右侧的蓄热烧嘴通人高温预热的空气 和煤气。换向5s 和1 0s 后，蓄热烧嘴截面和炉顶 补气喷口截面的温度分布情况如图6 和图7 所示。 换向经过5s 后，炉内高温区已转移到右侧，但是左 万方数据 2 0 1 2 年3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i Ⅱl m ．c n 2 9 i ，j 矗s “j o ’’ ●●●●●●●●● 啊 ●●●●●●●●● 7 1 糯；鲥” 1， 1 0 0 0 0 0 0 0 0 ■-●●●●●●●● ●l 图5 左侧燃烧时炉内温度分布图 F i g ．5T e m p e 髓t u 心抵t m u t j 蚰i nf H m a 蚀 c h 锄b e rf h rc o m b u s t i o n 蚰l e f ts i d e 侧温度下降较少；换向经过1 0s 后，炉内高温区主 要分布在右侧，基本与换向前炉内温度分布相反，可 以认为换向后炉内燃烧状况进入稳定状态。由炉顶 补气烧嘴截面的温度分布图可知，炉顶补气喷口不 在炉内高温区范围内，此时煤气补气烧嘴起到弥散 燃烧的作用。 - i 漓蠡鑫毒’i 锚擒誓嘲幽瑟 k b 】炉顶朴气喷口截面 图6 右侧燃烧时妒内温度分布图 换向5s 后 F i g ．6T 哪p 啪t u r ed i s t r i b u t i o nr e V e r s e d5si n f u m a 傀c h 锄b e rf o r ∞m b 鹏t i 蚰蚰r i g h ts i d e ●●●●●● ●●●●● ㈨蓄热烧嘴截向矬∞ 燮竹噬蓬釜■●l 气气销国警誓蓄二懿鲨 5 7 0 K 4 7 J K 3 7 0 K 2 ．f ●K l f I K 图7 右侧燃烧时炉内温度分布图 换向1 0s 后 F 唔71 ．e m 叩e r a t 咖陀d i s t r i b u H 蚰r e v e 璐e d l Osi nf 帅8 c ec h a m b e rf b rc 帅b Ⅱs t i o n 蚰r i g h ts i d e 将蓄热燃烧技术应用于金属镁还原炉，上下排 还原罐的温度较均匀，解决了传统倒焰式金属镁还 原炉内上排还原罐温度过高还原罐寿命短、下排还 原罐温度过低产镁率低的问题。此外，在一个换向 周期内，炉内温度分布均匀，说明此大型镁还原炉的 炉体结构较合理，但还有待实际生产的验证。 3还原炉的工程应用 6 6 罐大型蓄热式金属镁还原炉X R - I 顺利施 工并投入生产，图8 为工程实际运行的图片，投产后 运行稳定 图8 大型6 6 罐蓄热式金属镁还原妒x R - I 实际运行图 F i g ．8 P 眦U n Io p e r a t i 仰o fX R - I I a r 萨 r e 霉e n e r a t i v er e d Ⅱc t i 蛐f u m a c ew i 恤6 6j a r s 还原周期结束并出渣后，对还原罐的罐内温度 抽样进行红外测温并统计数据。结果表明，还原罐 罐温满足还原反应的需要，且温度波动在1 5 ℃内 图9 ，保证了炉温在全炉膛空间内的均匀性，对于 提高出镁率非常有利。还原炉大型化后，位于还原 炉中间位置的还原罐温度升高且满足设计要求，煤 气补气口的设置起到了使还原炉炉温均匀、燃料在 炉内实现弥散燃烧的作用，说明大型化是成功的。 但是靠近蓄热烧嘴部分的还原罐温度偏高，主要是 燃料和助燃空气混合燃烧过快引起的。 p 、 越 赠 2 7 0 删 2 5 0 2 4 D 2 3 0 2 2 0 2 l O 2 0 0 1 9 0 1 8 0 图9稳定运行后还原罐的温度分布图 F i g ．91 j 哪p e r a t Ⅱr ed i s t r i b u t i o ni nI ’e d u c t i o n j a ra f t 仃s t 翰d y 哪蛔r a t i 蚰 对还原产生的结晶镁产量进行统计。本还原 炉可适用于各种直径的还原罐，以直径3 3 9m m 、长 28 6 0m m 的还原罐为例，试验结果表明，除个别还 原罐产生夹罐现象外，结晶镁的产量较稳定，每个还 原周期的单罐产量平均2 0 ．8k g 。虽然相对传统还 原炉2 0 ．5k g 的单罐产量增加较少，但是由于采用 K K K K K K 斫钉盯盯盯盯囊一誓I 万方数据 3 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年3 期 6 6 罐双面双排布置，因此单炉产量大幅度提高。且 还原周期由原来的1 2h 缩短到1 0 ．5h ，说明此还原 炉的传热效率明显优于传统还原炉。同时。新还原 炉还原得到的结晶镁比较致密，粗镁质量得到提高， 图1 0 为现场得到的结晶镁照片。 图1 0 还原得到的结晶镁照片 F i g ．1 0C r y s t a Ⅲn em a 扣鹤i u mb yt h e 珊a lr e d u c t i 蚰 由于在还原罐周围形成还原性气氛进一步保护 还原罐，因此还原罐的使用寿命由传统的4 0 ～6 0 天 延长至9 0 天以上。通过现场跟踪试验，还原生产 1t 结晶镁，传统燃煤倒焰炉平均需要6 ．5 ～7t 原 煤，而采用蓄热燃烧技术的大型镁还原炉折算需要 2 ．8 ～3 ．2t 原煤，还原工序的吨镁煤耗减少约4t ， 大幅度节约了燃料，降低了生产成本。 4结论 设计开发了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。将蓄热燃烧技术 应用于金属镁还原炉，可以从根本上解决传统倒焰 式金属镁还原炉炉内流场和温度场分布不均的现 象。还原过程节能约6 0 ％，吨镁煤耗由6 ．5 ～7t 降 至2 ．8 ～3 ．2t ；炉膛内温度波动由士5 0 ℃减小到 1 5 ℃，炉温均匀性提高7 0 ％；还原周期由1 2h 缩 短至1 0 ．5h ；由3 2 罐增加至6 6 罐后，单炉产量提高 1 倍以上；还原罐的使用寿命由不到6 0 天延长到9 0 天左右。 参考文献 [ 1 ] 夏德宏，余涛．镁的卓越特性[ J ] ．金属世界，2 0 0 5 3 4 7 4 9 ． [ 2 ] 夏德宏，郭梁，张刚，等．硅热炼镁还原炉的用能分析与 节能措施探讨[ J ] ．冶金能源，2 0 0 5 ，2 4 3 3 2 3 5 ． [ 3 ] 刘兵，曾大本。苏竣．我国镁产业发展政策的分析与评 价[ J ] ．中国科技论坛，2 0 0 7 8 3 4 3 9 ． [ 4 ] 夏德宏，张刚，郭梁，等．金属镁还原炉中烟气流动对传 热过程的影响[ J ] ．北京科技大学学报，2 0 0 6 ，2 8 6 5 6 6 5 6 9 ． [ 5 ] J i aL i ，L iJ i a n s h u ．T h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nr e g e n e r a t i v eh e a tt r a n s f e ri nh i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n [ J ] ． J o u m a lo fT h e r m a ls c i e n c e ，2 0 0 4 ，1 3 4 3 6 6 3 7 0 ． [ 6 ] 夏德宏，郭梁，张刚，等．高温空气燃烧技术在金属镁还 原炉上的应用探讨口] ．冶金能源，2 0 0 6 ，2 5 1 2 9 3 4 ． 万方数据