镁冶金白云石煅烧振荡式均匀加热U型窑的开发VIP

2012年4月第2期 任玲等：镁冶金白云石煅烧振荡式均匀加热51 镁冶金白云石煅烧振荡式 均匀加热玲，夏德宏，赵恒 (北京科技大学热能工程系，北京 100083) 【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弥补传统竖窑和回转窑 的不足。采用热、燃烧过程进行数值模拟，结果表明匀，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300t石定了窑结构及供热形式。 【关键词1镁冶金；白云石；煅烧；荡加热；均匀加热 【中图分类号文献标识码B 文章编号16726103(2012)020051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(1977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】20113修订日期20118 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(005B) 型窑，采用热和燃烧过 程进行数值模拟，对进行分析，并实例开发了处理量为3001 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 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 52 中固有色冶金 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、传热情况进行模拟分析，以验证性。 2 图1所示的造流场区域的 几何模型如图2。模型总高8 m，两个炉身截面均为 22 m16 m；空气进口设在窑筒顶端，尺寸为06 m 04 m；在空气进口的一周设置12个煤气进口，通过 喷嘴深入到窑筒内部，煤气进口直径为01 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；采用多孑模型添加阻力项替代物料的阻力。在图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、 孑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300 t。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4 256 m ，可得煤气进口速度为 ms，空气进口风速为68 ms。多孔介质渗透率 的倒数取343 436，惯性损失系数为600。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44窑底部连通处的速度矢量，图4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1 500 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 54 中固有色冶金 备及自动化 9000 8000 7000 6000 5000 篓4000 3000 2000 (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，说明的发挥振荡式加热工艺对物料均匀加热的优良特4 所设计的，以彻底弥补现有煅烧白云石设备的不足。对于 双窑筒的个窑筒并排放置，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300 td 处理量，窑筒设计尺寸为2 794 24 墙 厚度520 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1020 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。由于操作，炉内温度可达1 500 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、10粘土 砖、08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 计图7 所示。 应用振荡式加热技术的，以冷净发生炉煤气为气体燃料进行热平衡计算， 确定对单位时间处理量为 12 500 kg需耗煤气量为64m 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、传热情况进行数值模拟，分析温度场的分布情况。模拟结果表明，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300 td 的白云石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64m 由于开发的法得 到确切的数据支持，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色金属，2006，(3)：2628 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 的因素分析实验金属，1995，(6)：3539 3朱祖武，曹黎华国内皮江法炼镁技术的缺陷与改进途径【 昌高专学报，2007，(2)：9294 0 吣 如如 2012年4月第2期 任玲等：镁冶金白云石煅烧振荡式均匀加热55 【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，2005，(9)：47余凯，冯俊小，孙志斌皮江法炼镁白云石煅烧工业炉窑进展 评述J工业炉，2006，(6)：1619 6贾庚荣皮江法炼镁煅烧白云石技术综述轻金属，1998，(1O) 3638 in he is of is in of in on of a to of to of in in to of 00td of 上接第43页) 冶金炉生产过程的特点是：产生的高温烟气量 变化较大，烟尘含量高，腐蚀性强，易结垢，因 此在仪表选型时要充分考虑到这些因素，针对不同 情况进行选择。 温度测量，腐蚀性介质选用防腐热电阻；就地测 量选用双金属温度计。 压力测量，选用智能式压力变送器，差压变送 器，压力开关；就地测量选用压力表；腐蚀性介质选 用防腐隔膜压力表。 烟气流量测量，根据不同工况的烟气组成选用 节流装置加智能差压变送器，或热导式气体质量流 量计、旋进式流量计、锥形流量计等。 余热锅炉中汽包液位是生产过程中的主要工艺 指标，汽包水位测量仪表的应用为余热锅炉稳定安 全运行提供了保障。选用智能汽包液位计，解决了 传统电容式液位计难以克服的测量系统温度漂移 大、被测介质介电常数变化对测量的影响大、测试