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硅热法炼镁还原炉及其设备的设计 重庆大学硕士学位论文 学术学位 学生姓名 杨 智 指导教师 龙思远 教 授 专 业 材料加工工程 学科门类 工 学 重庆大学材料科学与工程学院 二 o 一三年五月 the design of reduction furnace and it s attached equipment for magnesium silico thermic process a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the master s degree of engineering by yang zhi supervised by prof long siyuan specialty material processing engineering college of materials science and engineering of chongqing university chongqing china may 2013 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 镁冶炼的能耗高极大地限制了镁合金的推广应用 节能降耗已成为事关镁产 业发展的关键 本论文在比较分析各种燃料的能耗构成的基础上 指出在满足环保要求的前 提下 煤粉作为一次能源用于燃烧加热 具有能量利用率高 成本低的巨大优势 因此 本文专注于 1 研发连续煤粉蓄热直燃技术 达到将煤粉高效清洁直燃用于镁热还原炉 加热的目的 2 以镁热还原炉对燃烧的工艺要求为准则 提出了适合煤粉直燃的竖式还原 炉结构 并对炉内还原罐排布进行设计与优化 3 通过理论分析和计算机辅助设计 得到了具有连续换热功能的蓄热式热交 换器 4 确定了与还原炉配套的主要设备 并完成了选型及优化成套设计 其中 重点关注煤粉燃烧烟气处理设备选型及配套设计 通过上述努力 实现了粉煤在竖罐镁热还原炉中的连续蓄热燃烧技术与装备 的初步设计 为降低镁热还原炉加热成本 提高能源利用率奠定了基础 本论文的主要结论有 对可直燃不结焦无烟煤 贫煤或长焰煤的对比研究表明 烟煤类的燃烧均 温效果稍好 在对现有各种蓄热换热装置的效能分析基础上 计算并设计了工作原理类 似 ggh 采用蜂窝蓄热体做蓄热介质 兼具连续蓄热特点的煤粉蓄热燃烧器及其 技术参数 在煤粉蓄热燃烧还原炉原型基础上 用流体力学软件 fluent 对炉内燃烧过 程进行了分析和炉型优化 最终确定了还原罐圆形排布在圆形炉膛内的竖炉结构 最合理 初步选用旋风除尘器和旋汇耦合脱硫塔这两大燃煤烟气处理设备 并对旋 风除尘器进行数值仿真辅助设计 关键词 关键词 竖罐炼镁 能源利用率 蓄热燃烧 还原炉 排布方式 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract the high energy consumption and serious environment pollution of mg smelting seriously hinders the application of mg alloys hence energy saving and exhaust gas reduction have become the key to the sustainable development of mg industry comparative analysis of the constitution of the energy consumption of different types of energy or fuel combustion in mg smelting performed by the present author in dicates that direct combustion of pulverized coal produces highest rate of energy utiliza tion rate at the lowest cost if it is compliant with the regulations of the national envi ronment protection therefore the present study is devoted to following tasks 1 development the technology of direct and clean combustion of pulverized coal with continuous heat recycling of exhaust gas in order to significantly reduce the energy consumption 2 based on the requirements of mg reduction on the heating behaviour a new type of vertical reduction furnace with pulverized coal direct combustion is proposed fol lowed by furnace structure design and optimisation of the reduction chamber distribu tion inside 3 with theoretical analysis and computer aided design a continuous heat exchang er with heat regenerating mechanism for the recycling of the heat energy in exhaust gas was designed 4 the auxiliary equipments of the furnace were optimally selected in compliant with the functionality requirement to form a production line the main conclusions of this paper are as follows a comparative study of the direct combustion behavior of anthracite coal and bituminous coal indicates that the temperature uniformity in the furnace by bituminous coal combustion is more ideal than that of anthracite coal based upon the understanding to the working mechanisms of different regener ators a regenerative heat exchanger for pulverized coal combustion with a working mechanism similar to ggh was designed and its parameters calculated in the exchang er honeycomb regenerators were used as heat storage medium with characteristics of continuous regenerating based on its initial design the pulverized coal combustion in the furnace was simulated with hydrodynamic software fluent it was found that a vertical furnace 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii with a vertically cylindrical configuration and the reduction chambers circularly distrib uted inside is more reasonable cyclone and spin coupling desulfurization tower were preliminarily selected as the two main auxiliary equipments to clean up exhaust gas the cyclone for the furnace is numerically redesigned after numerical virtue reality key words vertical mg reduction mg smelting energy saving regenerative com bustion reduction furnace configuration mode 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文摘要中文摘要 i 英文摘要英文摘要 ii 1 绪绪 论论 1 1 1 原镁冶炼的工业发展现状原镁冶炼的工业发展现状 1 1 1 1 我国镁产业的产能及前景 1 1 1 2 我国镁产业的技术及发展方向 2 1 1 3 中国镁产业面临的主要问题 2 1 2 硅热法炼镁的相关设备硅热法炼镁的相关设备 4 1 2 1 煅烧用回转窑 4 1 2 2 加热用还原炉及其中问题分析 5 1 2 3 还原炉的发展方向 6 1 3 课题的背景及本设计方向课题的背景及本设计方向 7 1 4 本设计主要内容及目的本设计主要内容及目的 8 2 还原炉燃烧用燃料还原炉燃烧用燃料 9 2 1 炉内燃烧用燃料炉内燃烧用燃料 9 2 1 1 气体燃料的燃烧 9 2 1 2 液体燃料的燃烧 9 2 1 3 固体燃料的燃烧 10 2 2 本章小结本章小结 13 3 蓄热燃烧装置的结构设计蓄热燃烧装置的结构设计 14 3 1 蓄热燃烧蓄热燃烧 htac 技术技术 14 3 1 1 htac 技术的应用及发展 14 3 1 2 htac 技术的的原理及特点 14 3 1 3 htac 技术在还原炉上的应用 15 3 2 蓄热燃烧装置设计参数的计算蓄热燃烧装置设计参数的计算 15 3 2 1 蓄热体高度及换热面积的计算 15 3 2 2 蓄热体热工参数的计算 18 3 3 蓄热燃烧装置的设计蓄热燃烧装置的设计 19 3 4 本章小结本章小结 21 4 新型炼镁还原炉的开发新型炼镁还原炉的开发 22 4 1 新型炼镁还原炉体的设计新型炼镁还原炉体的设计 22 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 4 1 1 还原炉设计依据 22 4 1 2 竖罐炼镁中还原炉型设计 23 4 1 3 本课题中还原炉设计特点 23 4 2 立式镁还原炉的数值模拟立式镁还原炉的数值模拟 24 4 2 1 数值模拟对问题处理的思路 24 4 2 2 数值模拟在还原炉设计上的应用 24 4 3 设计用流体软件设计用流体软件 fluent及相应数学模型及相应数学模型 25 4 3 1 流体软件解决问题的的步骤 25 4 3 2 炼镁还原炉燃烧的数学模型 25 4 4 竖式镁还原炉的仿真分析竖式镁还原炉的仿真分析 27 4 4 1 数值模拟在还原炉设计中的应用 27 4 4 2 还原炉几何模型的建立 28 4 4 3 几何模型的网格划分及模拟分析 29 4 5 本章小结本章小结 40 5 还原炉附属烟气处理设备还原炉附属烟气处理设备 41 5 1 还原炉附属烟气除尘设备还原炉附属烟气除尘设备 41 5 1 1 烟气的除尘设备 41 5 1 2 旋风除尘器 44 5 2 还原炉附属烟气脱硫设备还原炉附属烟气脱硫设备 50 5 2 1 湿法脱硫设备类型 50 5 2 2 湿法脱硫设备的设计与保证 53 5 3 本章小结本章小结 54 6 结结 论论 55 6 1 本文的设计成果本文的设计成果 55 6 2 设计成果的意义设计成果的意义 56 致致 谢谢 57 参考文献参考文献 58 附附 录录 61 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 61 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1 1 原镁冶炼的工业发展现状 我国镁资源储量占世界的 27 菱镁矿储量占世界储量的 70 在资源拥有 方面占有绝对优势 金属镁不仅资源极其丰富 还可再生循环利用 是为数不多 的不会枯竭金属之一 镁可以称为金属资源危机中的 希望之星 而镁产业也是可 持续发展的年青产业 1 镁产业之所以能够可持续发展 是因为它具有 4 个有 即有丰富的资源 有优异的特性 有广阔的市场和有利于环保 镁合金的研究现 已成为全球性的课题 发达国家已将镁合金列为 21 世纪研究与开发的重点项目 我国的镁工业自建国以后从无到有 发展壮大 尤其是近 20 年来发展很快 同时具有特点 产业链非常完整 而且多年来 我国稳居世界产镁大国的首位 但是存在各环节不太均衡的问题 而从整体来看 全球的镁产业目前都还不完全 成熟 处于发展中的镁产业 仍存有许多未突破的技术瓶颈 如镁合金在各行业 利用总量较低 吨镁生产的能耗较高 特别是结合 2012 年的情况 我国有大量新 建和改扩建的镁及镁合金项目在进行 产能超过百万吨 正处于产品优化 更新 换代时期 因此 如何解决好能耗高的问题就成了当务之急 而从对中国硅热法 炼镁的资源消耗和环境影响的分析文章中可以看出 还原炉作为整个炼镁环节最 耗能的工序 对其进行优化设计大有文章可做 1 1 1 我国镁产业的产能及前景 我国的镁产业产量 出口量与消费量在 2008 年金融危机后呈逐渐恢复上升状 态 其具体表现统计 2 如下表 表 1 1 到 2011 年我国镁产量 出口量与消费量 单位 万吨 table 1 1 output of mg volume of export and consumption 年份 年 1995 2000 2005 2007 2009 2010 2011 产量 9 35 14 2 45 0 62 0 50 8 65 38 66 06 出口量 4 71 16 5 35 2 40 8 23 3 38 4 40 02 消费量 1 75 2 55 10 5 26 3 17 2 约 23 27 68 另据亚洲金属网报道 2012 年 31 万吨的国内消费量创造了历史最高值 今后 中国镁行业或将受益于相关积极的政策支持 如鼓励镁合金产品在交通行业的使 用 和自 2013 年 1 月 1 日起取消金属镁 10 的出口关税等利好政策 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 我国作为镁的资源大国 生产大国和出口大国 在全球镁产业中拥有举足轻 重的地位 其属于我国的战略资源 但如何做强我国镁产业 仍被视为业内人士 亟待解决的一大问题 要在此问题上有所突破 必须依靠提高对镁工业的认知度 依靠自主创新 依靠产学研用的结合 而关键点是应用上的突破 突破镁金属性 能上的限制 推进镁深加工行业的发展 1 1 2 我国镁产业的技术及发展方向 始于上个世纪 40 年代的皮江法炼镁技术 使镁的应用纳入人们的视线 但是 作为一种轻质工程材料 其潜力至今尚未被充分挖掘出来 世界现在正处于许多 传统金属矿产趋于枯竭的时期 因此 加速开发镁及其合金是中国社会可持续发 展的重要措施之一 4 而在高能耗的原镁生产环节 还原过程的能源消耗尤为突出 有限的研究如高枫 冯乃祥等人曾用 lca 5 思想对生产一吨镁锭皮江法炼镁过程 进行评价 结果显示 硅热法炼镁过程能耗大 另外 有关还原系统能耗的文章 也指出其高能耗的特点 其中真空冶炼阶段和煅烧阶段能耗最多 从比例上来说 还原炉的热消耗无疑为最多的 6 通过对皮江法炼镁技术中 回转窑和还原炉两大主要热工设备的能耗计算可 知 目前所采用的传统硅热炼镁工艺能耗惊人 而从另外一个角度分析此现象 该工艺过程同时也存在很大的降耗节能空间 因此 特别是为达到节能减排的效 果 还原过程对加热炉体进行优化或再设计的工作就显得尤为必要 我国原镁冶 炼行业的技术发展 经历传统落后的炼镁工艺 到如今的竖罐炼镁工艺 其发展 过程可以描述为 传统落后的卧罐倒焰炉炼镁工艺 仅仅解决了原镁冶炼可以应 用于生产的技术问题 而如今的蓄热燃烧炉膛内的竖罐炼镁技术 则着力于解决 炼镁工艺在价值层面的实用性及经济性等问题 逐渐对原镁冶炼加入了物料管理 的概念 使行业的发展具有可行性及更大的经济和社会价值 1 1 3 中国镁产业面临的主要问题 伴随着镁产业的快速发展 对资源的有效利用率 对环境的友好程度等问题 就逐渐提出和被关注 我国掌握了全世界最多的镁矿和拥有世界第一位的原镁产 量 但同时 我国原镁冶炼的生产线不仅生产效率低 能耗高 而且存在严重的 环境污染等问题 7 长期以来 我国金属镁及镁合金的生产过程 都存在热量浪费 严重 吨耗能居高不下的问题 这也成为困扰该产业发展的一个难以逾越的障碍 总结前文及汇总相关研究分析其中一个重要原因就是 我国镁加工企业投产的设 备 其发生在还原炉内的燃烧方式 炉型结构 还原罐的密度与排布方式以及废 烟气的余热利用上都存在一定的不合理之处 从而导致炉温不均匀 热效率低 能量浪费严重的问题 因此节能减耗 优化工艺 提高回转窑和还原炉这两大主 要热工设备的煅烧和还原效率 提高烟气及镁渣的热利用率成为镁生产行业的一 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 个亟待解决的问题 也是提高我国镁行业经济效益和市场竞争力 促进镁工业健 康发展的根本途径 中国的高峰 聂祚仁等人曾结合 mfa 物质流分析 的方法 8 通过材料 lca 生命周期评价 思想的应用 9 从对资源消耗和生态包袱计算的角度 定量分析了 我国硅热法炼镁生产过程中的工艺性和对环境的影响 从而揭示了我国硅热法炼 镁生产过程中能源利用率和环境污染的程度和状况 并得出结论 为凸显镁合金 应用中的优势 硅热法炼镁工艺在节能减排方面的工作 仍然大有可为 否则镁 及其合金在应用中的 绿色 效应将会被抵消 炼镁还原炉作为硅热法炼镁工艺中能耗最多的设备 物料在其中反应的总的 化学反应方程式为 2mgo 2cao si fe ca2sio4 2mg fe 该部分能耗计算的总体思路是 根据反应前后还原炉的热收入和热支出相平 衡推出反应煤气的消耗量 总的热收入为煤气与空气的初始携带总热量 即 q总 数 q煤气 q空气 最初大量使用的还原炉热支出项如表 1 2 所示 表 1 2 还原炉的热支出项目 table 1 2 heat equator expense of reduction furnace 热支出项目热支出项目 热支出数值热支出数值 kj h 化学不完全燃烧热损失 4706 67 104 机械不完全燃烧热损失 7664 25 104 烟气带走热 61978 71 104 冷却水带走热 1679 90 104 炉料吸热 2040 21 104 反应热 7366 13 104 还原炉砌体表面散热 2330 99 104 由热量平衡概念计算得出 所研究对象在硅热法炼镁的生产工艺中 加热用 燃料 煤气 的年消耗量为 6 51 108nm3 而且其生产规模尚属一般 据以上计算数据显示 我国大量应用的 一般规模的硅热法炼镁厂房 还原 炉燃烧部分的燃料 煤气 的消耗量相当惊人 其与另一热工设备 回转窑 共 同被认作生产线中的最耗能设备 10 由此 原镁冶炼行业在中国发展中存在的问 题是 生产率低 能源利用率低 而能源利用率的相对低下 又间接或者直接导 致其对大气的严重污染 困扰该产业发展的一个难以逾越的障碍在于 我国金属 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 镁的生产过程热量浪费严重 吨耗能居高不下 因而 对整个炼镁生产环节的优 化设计工作大有可为 一个切实可行的途径为 通过物料管理的手段进行生产设 计各方面的优化 最终实现最大化的经济效益与社会效益 1 2 硅热法炼镁的相关设备 提及硅热法炼镁的相关设备 首先应当明确硅热法工艺的流程 目前 镁冶金 行业主要的炼镁方法有电解法和皮江法 对比其分布 国外多采用电解法 但电 解法炼镁成本相对较高 硅热法技术简单 投资成本低 过去属于劳动密集型生 产方式 本行业在我国的原材料来源充足 劳动力丰富且价格低廉 因此我国的 炼镁方法主要采用硅热法 硅热法炼镁的生产流程如图一所示 cafcaf2 2 萤石粉萤石粉白云石白云石 cacocaco3 3 mgco mgco3 3 压团压团 破碎破碎 cacocaco3 3 mgco mgco3 3 煅烧煅烧 磨粉磨粉 煅白煅白 cao mgocao mgo 燃料燃料烟气烟气除尘除尘烟囱烟囱 破碎破碎 硅铁硅铁fefe sisi 磨粉磨粉 还原还原烟囱烟囱烟气烟气燃料燃料 精炼精炼 结晶镁结晶镁 铸锭铸锭 镁锭镁锭 渣渣抽真空抽真空 图 1 1 硅热法炼镁流程 figure 1 1 silicothermic process of magnesium 1 2 1 煅烧用回转窑 白云石的煅烧装置从炉窑结构及使用状态可分为 窑筒体竖直放置的竖窑 窑 筒体采用卧式放置并略带斜度的 能够进行回转运动实现煅烧的回转窑 回转窑 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 形式如下 图 1 2 回转窑工作的内部状态 figure 1 2 internal state of burning rotary kiln 回转窑以其煅白质量较高 机械化程度较高 劳动生产效率较高的优点 在原 镁冶炼的流程中 成为白云石煅烧工艺设备的首选 11 相比之下 竖窑的最大缺 点在于 窑体在炉料的重力及高温作用下 会使窑体膨胀变形 而回转窑的缺点 在于 投资大 运转费用比较高 所以 一般在较大的原镁生产厂家才会使用回 转窑 1 2 2 加热用还原炉及其中问题分析 我国广泛采用的炼镁工艺 皮江法 所需配备的外加热装置 还原炉 在过去普遍采用燃煤粉的倒焰炉 其大致的设计形式如图 1 3 所示 1 还原罐 2 燃烧室 1 reduction pot 2 burning room 图 1 3 燃煤卧式还原炉 figure 1 3 coal fired and horizontal type furnace 这种炉型主要采用煤粉作为燃料 其在我国过去煤炭资源丰富且价格便宜的 国情下 得到广泛应用和长期发展 但是 这种结构及燃烧方式的热量损失及排 污量大 究其主要原因为燃烧反应的不充分 在国家的评级中被列为高污染 高 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 能耗的落后生产工艺 现在有部分机械化及电气化程度比较高的企业 采用煤气 作为燃料并借鉴电厂锅炉发展余热利用系统 这些改进可以减少对环境的污染 还原炉从普遍使用的倒焰炉 发展中逐渐被现在大规模生产用的燃煤气还原炉所 代替 而倒焰炉被淘汰的原因还在于 劳动强度高 加料与淘渣均采用人工操作 大大增加了工人在恶劣环境中 的操作工作量 燃烧产物的清理 倒焰炉的特殊燃烧方式 使其在过火孔处容易结垢 从 而需要定期对过火孔进行清理 炉内温度的监视 由于倒焰燃烧的热流在炉内分布不均 而且对温度的反 应及控制机制缺失 炉内的温度不利于进行高效的还原反应 热利用率低 倒焰炉的排烟系统排烟温度可达 1100 所以 还原炉的热 利用率极低等等 基于以上对比结果 在现代和大型化的原镁冶炼行业中 倒焰炉正在被燃气 还原炉 12 所替代 后者普遍采用的一种结修筑结构模式如下图 图 1 4 燃气还原炉 figure 1 4 coal gas fired reduction furnace 但从热转换效率来看 煤粉作为一次次能源 其相对于煤气的热能获取途径 具有直接性的优势 煤气制备过程的能量转换率之外的热损失也很巨大 对环境 造成的压力同样会相应增大 另外 从运行成本考虑 煤气的购买及使用成本要 远远大于直接燃烧煤粉 1 2 3 还原炉的发展方向 总结以上关于原镁冶炼行业的发展 还原技术正在向配套最先进的竖罐炼镁 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 7 技术方向发展 作为原镁冶炼还原反应发生的直接涉及装置 还原罐需要在工作 中长期承受 1200 的高温 装入料球及排渣产生的机械应力及热应力 真空环境 对还原罐产生的压差作用力以及燃烧流场等复杂的交变热应力等等 工作环境的 特殊性决定了还原罐设计的选材 0cr25ni20 同时 外部温度场的合理性极大 的影响了其工作及使用 另外 还原罐的放置形式也从传统的卧式发展到竖式 竖罐炼镁技术采用将罐体竖立于炉膛内的放置形式 在重力作用下进行加料和出 渣 配备适当的机械设备 采用现代化的控制技术 13 实现料球及粗镁的转运及 渣料的自动排放 并对渣料进行余热利用 余热常用于对参与还原物料的预热 竖式还原罐相比具有以下优点 单罐产镁量的提高 竖式还原罐内原料填充均匀 充实 料球与还原罐内 壁接触 使之受热均匀 同时 罐内分布更均匀的温度场 则有利于还原反应的 进行 这为进一步扩大还原罐的体积提供可能性 生产周期的缩短 在重力作用下 通过配备适当的机械设备 实现加料 出渣及粗镁转运的机械化 利用现代化控制技术实现 自动控制从破真空 开罐 到取出镁结晶器的工艺过程 极大的缩短了原生产周期 还原罐使用寿命的提高 通过机械化加料 扒渣 并对物料进行预热 缓 解了罐体表面温度的急剧变化 提高了还原罐的使用寿命 劳动条件的改善 机械设备在取镁 加料及出渣等过程的引进 改善了劳 动条件和降低了劳动强度 竖罐炼镁技术具有物料管理方面的高效性 因而 其技术的应用及推广为原 镁冶炼行业的发展方向 1 3 课题的背景及本设计方向 真空还原罐内含硅铁的煅白球团 其被加热热量来自罐壁的热辐射以及料球 间的辐射传热 传热机制的单一导致真空还原过程极为漫长 要以最短时间完成 还原过程 就需要确保罐体的受热均匀和提高罐体的被加热温度 设计所选用还 原罐耐热钢材料 0cr25ni20 等长期许可工作温度较低 1200 1250 相应过 高的炉膛温度将导致还原罐的变形 从而显著缩短还原罐的服役寿命 因此 如 何合理设计及解决原镁冶炼工艺的高能耗 高污染及高成本的问题 同时也是目 前国内行业中面临的的一大难题 考虑行业在我国的发展现状 各个环节不均衡 从物料管理角度对原镁冶 炼行业进行分析 伴随科学技术的不断发展 我国的工业技术及所使用设备的产 品技术都取得了飞跃式的发展 笔者认为 现阶段投产的各加工生产企业应当顺 应或超前现有技术 进行市场等环节之前所有技术 设备的合理及最优化配置 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 8 燃料的能量利用率 还原炉的燃料使用 经历了从主要燃煤粉到主要燃煤气的 过程 煤气燃烧是伴随蓄热燃烧技术被广泛采用的 而煤气归根结底被划为二次 能源 而煤粉属于一次能源 一次能源的利用率获得提升的空间无疑会远高于二 次能源 究其现象存在的原因 传统蓄热燃烧技术的设备只能应用于处理不产生 固体颗粒的烟气 所以 本设计试图通过对蓄热器进行再设计 实现还原炉直接 燃用一次能源 煤粉 达到节能减排的目的 而节能 降耗和减排同时也是本行业 继续发展的生命力 14 炉型的优化设计 从近些年对原镁冶炼行业的发展介绍以及评价分析看出 竖 罐还原技术以其最优化的技术配置 逐渐将落后的卧罐还原技术淘汰 而在生产 效率及燃料利用率方面 还原炉的蓄热燃烧技术极大的增加了能源的利用率 在 当前日趋紧张的能源危机及生态危机环境下 为行业的继续生存带来希望 然而 为进一步提高还原炉燃料的能源利用率 本设计提出 引进煤粉连续蓄热直燃技 术 对还原炉的结构及炉内还原罐的排布方式进行优化再设计 通过利用行业通 用辅助设计软件进行模拟分析 优化设计出对保持炉膛温度及保证均温效果方面 更有优势的还原炉结构 1 4 本设计主要内容及目的 综上所述 我国炼镁行业存在的根本问题在于资源配置的不合理 以及技术 的落后 总结本次设计任务的主要内容及目的包括 内容 1 通过分析现有蓄热技术 引进旋转换热器 ggh 如图 3 3a 设计形式 通 过使用合理的蓄热体 进行对蓄热装置的再设计 2 进行还原炉形式的再设计 利用计算流体力学软件对还原炉进行数值模拟仿 真分析 通过对结果的对比分析 对还原炉体及还原罐的排布方式进行改进并优 化设计 目的 1 利用 ggh 连续换热的特点 结合相关煤粉燃烧产生烟气的特点 对蓄热体 进行可实现蓄热燃烧技术的再设计 2 在对传统炉型进行特点分析的基础上 使用 cfd 软件 fluent 对不同还原炉 形式进行模拟分析 计算分析并设计出一种具有更好均热效果的还原炉 说明 相关的各有关设计章节 均以节能环保及相关技术应用到实际项目中 的经济性作为设计选择的重要依据 并结合设计可实现原则进行项目的设计工作 重庆大学硕士学位论文 2 还原炉燃烧用燃料 9 2 还原炉燃烧用燃料 2 1 炉内燃烧用燃料 常用燃料主要分为气体燃料 液体燃料和固体燃料三大类 主要的液体燃料 为重油 主要的气体燃料包括高发热值煤气 包括天然气 乙炔气 半焦化煤气 重油裂化器及焦炉煤气 同时 中发热值煤气中 包括双重水煤气 水煤气 高 炉和焦炉混合煤气及蒸汽 富氧煤气 而低发热值煤气中 包括空气发生炉煤气 高炉煤气 地下气化煤气及蒸汽 空气发生炉煤气 另外 主要的固体燃料为煤粉 而煤炭的主要类别包括无烟煤 贫煤 贫瘦煤 瘦煤 焦煤 肥煤 气肥煤 各 种粘煤 长焰煤及褐煤等等 2 1 1 气体燃料的燃烧 有化学反应的流动系统中 气相与固相或液相之间的分界面可能是烧蚀表面 油催化作用的表面 通道壁 固体燃料表面或液体燃料表面 在相分界面上 除 物理变化往往伴随有化学变化 例如蒸发 凝结 升华 挥发或异相反应 而这 些过程决定了相分界面上传热和传质过程的基本特点 对气体燃料燃烧的研究 需要首先了解着火的发生条件和燃烧火焰的形式 分类 气体燃料的燃烧依据燃烧前混合状态的不同和流动速度范围的不同 可以分 成预混火焰和扩散火焰 层流火焰和湍流火焰 但实际燃烧中 雷诺数都比较高 为湍流火焰 预混燃烧和扩散燃烧有各自的特点 前者的燃烧速率依赖于化学动 力学 相对来说后者决定于燃料和氧化剂的扩散 预混气体的着火与灭火是燃烧 中最有代表性的临界现象 代表低温缓慢反应向缓慢高温快速反应的过渡及其过 程 另外 为人们所熟知的着火温度并不是每一种燃料的固有属性 却是几何尺 寸 速度 压力 燃料 氧化剂特性和燃料 空气比的函数 而一般所指的着火温 度 只是燃料在一定条件下燃烧的测量结果 着火与灭火的理论或临界现象的理 论 是分析流动与化学反应之间的相互作用 由于反应活化能高 反应速率随温 度而剧增 这也是蓄热燃烧技术的优势所在 另外 着火的发生即使在系统满足 着火条件时 也会有着火延迟的 2 1 2 液体燃料的燃烧 液体燃料的物理性质有 密度 分子量 粘度 表面张力 潜热和沸点 比 热容和导热率等 而燃烧性质有 闪点 燃点 低位发热量 热值 可燃浓度极 限及掺混性等 15 液体燃料的燃烧方式通常有预蒸发型燃烧 液雾燃烧和液面燃烧等几种不同 重庆大学硕士学位论文 2 还原炉燃烧用燃料 10 方式 锅炉的液体燃料燃烧属于液雾燃烧 液面的温度总比沸点低 同时 着火 条件所需要的温度要高于沸点很多 因而 液体燃料发生燃烧的突出特点是 燃 烧只发生在气相中 液面处无化学反应 总结来说 液体燃料的燃烧发生在蒸发 之后 且通常属于扩散控制的燃烧 充分体现了液体燃料燃烧中蒸发的重要作用 实验观测到 随着气流速度的增加或蒸发中滴径的减小 液滴在高温环境中的蒸 发和燃烧有四种状态 全包火焰 半包火焰 尾部火焰和纯蒸发 2 1 3 固体燃料的燃烧 在种类繁多的固体燃料中 除人工聚合物和木材等常见燃料 煤作为主要的 工程燃烧用燃料被广泛应用和研究 煤的工业分析可以初步判断煤的种类 性质和工业用途 煤的元素组成是通 过元素分析得到的 所以 煤的基本性质是科学评价煤质和有效利用煤炭的指标 而影响工业分析和元素分析结果的还有岩相组成 煤化度及煤的成因密切相关 煤的工业分析包括灰分 水分 挥发分的测定及固定碳的计算 其中无机质的数 量通过灰分和水分反映 而有机质的数量则通过挥发分和固定碳衡量 煤的分类 根据原来植物的种类不同 及埋藏时间的长短不同 国标将其分为烟煤 褐煤和无烟 煤三类 通过搜集资料 总结各煤种及其特点如下 褐煤 hm 褐煤根据透光率分为年轻褐煤 透光率 pm 30 和年老褐煤 pm 30 50 两小类 褐煤具有特点 含水分量大 密度较小 无粘结性 并含 有不同数量的腐植酸 煤中含氧量高 常达到 15 30 左右 其化学反应性强 而热稳定性差 块煤在加热时破碎严重 在空气中存放易风化变质 破碎成小块 状甚至于粉末状 其发热量低 煤灰的熔点也很低 煤灰中含有较多的 cao 及较 少的 al2o3 贫瘦煤 ps 贫瘦煤具有高变质 低挥发分 弱粘结性的特点 结焦较典型瘦 煤差 单独炼焦时 生成的焦粉较多 其归类于烟煤 瘦煤 sm 瘦煤是低挥发分的 具有中等粘结性的炼焦用煤 在炼焦时能产生 一定量的胶质体 其单独炼焦 可以得到块度大 裂纹少 抗碎性较好的焦炭 但所生产焦炭的耐磨性较差 焦煤 jm 焦煤属于烟煤的一种 具有中等及低挥发分的 中等粘结性及强粘 结性的性质 在加热条件下 可以产生热稳定性很高的胶质体 用于单独炼焦时 同样可以得到块度大 裂纹少 抗碎强度高的焦炭 并且得到的焦炭耐磨性也很 好 同时 在结焦过程中 单独炼焦的膨胀压力大 因而推焦困难 肥煤 fm 肥煤属于烟煤 挥发分的含量范围很大 分为低 中 高挥发分 同时具有强粘结性的特点 其加热时能产生大量的胶质体 用于单独炼焦时 可 以生成熔融性好 同时强度较高的焦炭 而其耐磨性有的也优于焦煤焦炭 其缺 重庆大学硕士学位论文 2 还原炉燃烧用燃料 11 点在于单独炼出的焦炭 具有较多的横裂纹 同时在焦根部分常有蜂焦 1 3 焦煤 1 3jm 1 3 焦煤是一类新型烟煤的煤种 其具有中高含量的挥发分和 强粘结性的特性 是同时介于焦煤 肥煤和气煤三者之间的过渡煤 单独炼焦时 其产物为熔融性较好 强度较高的焦炭 1 2 中粘煤 1 2zn 1 2 中粘煤是一种中高挥发分的中等粘结性烟煤 其中包含 有一部分 在单独炼焦时可以形成一定强度的焦炭的种类 可以作为炼焦配煤的 原料 而粘结性较差的一部分则在单独炼焦时 形成强度较差 粉焦率较高的焦 炭 弱粘煤 rn 弱粘煤是一种烟煤 其包括从低变质到中等变质程度的范围 且 具有粘结性较弱的特点 在加热条件下 会产生较少的胶质体 而在单独炼焦时 有些可以结成强度很差的小焦块 有些则只有少部分凝结成碎焦屑 因而粉焦率 很高 不粘煤 bn 不粘煤是一种烟煤 其在成煤初期就已经受到相当的低变质程度 到中等变质程度的氧化作用 在加热条件下 基本不产生胶质体 这种煤的水分 较大 有的还含有一定量的次生腐植酸 含氧量较多 有些高达 10 或以上 气肥煤 qf 气肥煤属于肥煤类 有的称为液肥煤 其具有很高的挥发分和胶 质层 同时具有强粘结性的特性 炼焦性能介于肥煤和气煤之间 单独炼焦时能 产生大量的气体和液体化学产品 气煤 qm 气煤是一种煤化度较浅的炼焦用煤 其加热条件下 能够产生较高 的挥发分和较多的焦油 受热后所产生的胶质体 其热稳定性低于肥煤 可以单 独炼焦 其产生的焦炭多呈细长条而易碎 具有较多的纵裂纹 因而 其抗碎强 度和耐磨强度均较其他炼焦煤差 长焰煤 cy 长焰煤是一种烟煤 其变质程度是最低的 从无粘结性到弱粘结 性的都有 其中 最年轻的长焰煤还含有一定数量的腐植酸 储藏时易风化碎裂 而煤化程度较高的年老煤 在加热时能产生一定量的胶质体 单独炼焦时 可以 结成细小的长条形焦炭 但这种焦炭强度极差 粉焦率很高 贫煤 pm 贫煤是煤化度最高的一种烟煤 其特性为不粘结或微具粘结性 在 层状炼焦炉中不结焦 燃烧时火焰短 耐烧 无烟煤 wy 无烟煤的物理特性是固定碳含量高 挥发分产率低 密度大 硬 度大 燃点高 而燃烧时不冒烟 如北京产的 01 号无烟煤为年老无烟煤 如晋城 产的 02 号无烟煤为典型无烟煤 如阳泉产的 03 号无烟煤为年轻无烟煤 结合以上对煤粉理化特性的介绍 考虑本设计所用煤粉对燃烧特性的需要 选择过程中 将是否结焦作为主要筛选条件 可以从无烟煤和烟煤两类煤种里面 进行选择 有无烟煤 无粘煤 长焰煤及贫煤等基本不具结焦特性的煤种 可以 重庆大学硕士学位论文 2 还原炉燃烧用燃料 12 作为本设计所采用的燃料用煤 煤在工业中的燃烧加热多采用煤粉燃烧 因此 原煤的应用及对煤粉燃烧过 程的研究普遍采用磨成细粉的煤粉 煤粉增大的比表面积有利于煤的完全燃烧 另外 在实际炉体中 煤粉的燃烧可以不受锅炉容量的限制 而中国使用煤粉燃 烧的锅炉 相对还原炉 一般需要其容量很大 煤粉燃烧的一般过程为 空气运 载着煤粒喷入炉膛 煤粉与运载气流的速度基本相同 后 在炉内火焰和高温烟 气的加热下 温度迅速升高 煤粒被加热并使水分蒸发完全 伴随继续上升的温 度 煤粒中的挥发分开始析出 在继续的高温和氧气的供应下 挥发分开始燃烧 又进一步提高了炉内的温度 并伴随有残留的高温焦炭颗粒的进一步燃尽过程 而固定碳的燃烧是否只发生在挥发分的燃烧之后 相关研究发展出了均相着火和 非均相着火两种机制 另有研究表明 高挥发分煤趋于发生均相着火 而低挥发 分煤则趋于发生非均相着火 煤的着火机制是人们长期争论的热点问题之一 总 结煤着火影响因素有 加热条件 加热速度 煤粉粒径 煤种 煤质特性 环境 氧浓度 煤粉颗粒间的相互影响及流动特性等 锅炉中燃烧的发生建立在煤粉气流的着火机制之上 通过对煤粉气流燃烧过 程的研究 为设计 开发及运行燃烧器的工作提供可靠理论依据 锅炉中煤粉气 流的着火诱因 依赖于辐射传热和对流传热 辐射传热发生在煤粉与空气混合物 刚进入炉膛时 热量直接辐射到煤粉表面而被吸收 对流传热的过程则通过烟气 与一次风混合并进行热量传递 最终传给煤粉 而辐射换热源项对应于数值模型 的模拟过程 是通过在算解离散化连续介质的能量方程步骤中 对各微元内的辐 射换热源项的多重积分相 同时 在燃烧过程中 强烈的辐射换热过程 甚至占 据火焰换热总量的 90 在换热过程中起到重要作用 此外 火焰具有对周围壁 面及相应介质的换热很强烈 内部温度不均匀的特性 基于此 火焰换热对化学 反应及燃烧的流动过程有很大影响 而针对燃料燃烧过程进行的能量方程数值计 算 只有在整个燃烧流动过程中耦合燃烧火焰的辐射换热数值模拟和燃烧的物理 化学反应数值计算 才能将燃烧过程的能量方程封闭 完成燃烧过程包含辐射换 热的模拟计算 辐射换热的燃烧火焰模型是受很多因素影响的 首先 介质对辐 射的吸收能力和散射能力及其在空间中的分布和温度对其都有直接影响 另外 介质的组成成分 颗粒的浓度 尺寸光学性质及辐射波长等都对其产生影响 经 分析 影响煤粉着火的因素主要有 煤的挥发分如果很低 就必须在很高温度条 件下 才能实现着火并推迟着火点 灰分 水分以及一次风量都会影响着火热 为了使挥发分尽快的烧掉 一次风中氧的含量应该达到挥发分燃烧所需理论空气 量 一次风和煤粉的初始温度的提高 将使着火点前移 煤粉越细 则其比表面 积越大 吸热越快 快速的温升有利于着火的稳定 锅炉燃烧器的设计中 设法 重庆大学硕士学位论文 2 还原炉燃烧用燃料 13 加大煤粉的局部浓度 形成高温烟气的回流或煤粉气流的旋转 都有利于着火的 稳定 煤的热解在煤燃烧中占有十分重要的地位 而煤粉的热解必须达到一定的温 度 从进入炉内的温度到 105 主要析出的是水分和吸附气体 而水分的完全释 放则需要到约 300 在 200 300 时析出的水分为热解水 并开始释放气态产物 同时析出微量的焦油 当温度到达 300 500 时 开始析出 ch4及其同系物 co co2及不饱和烃等初次挥发物 这些挥发物向外扩散并通过燃料层或者煤粒孔隙 在 500 750 的时候 半焦开始热解 并开始析出大量含氢较多的气体 当温度到 达 700 1000 时 伴随半焦热解 析出少量主要含氢气体 半焦开始变为高温焦 炭 2 2 本章小结 本章节通过对气体 液体及固体燃料的燃烧过程的描述 初步介绍了其主要 着火及燃烧机制 针对本设计的特点 对煤粉的分类情况及燃烧机理进行总结介 绍 选定无烟煤和长焰煤 其中的无粘品种 或贫煤作为本设计用燃料 后文将 会对其效果进行对比 另外 现有还原炉的燃料多选择气体燃料如天燃气和煤气等 而本设计选择 一次能源 煤粉进行还原炉的加热燃烧 因而 现有的蓄热燃烧装置将不能直接被 借鉴而使用 下文将就蓄热燃烧装置再设计的工作进行介绍 重庆大学硕士学位论文 3 蓄热燃烧装置的结构设计 14 3 蓄热燃烧装置的结构设计 3 1 蓄热燃烧 htac 技术 3 1 1 htac 技术的应用及发展 最初应用于高炉和平炉的蓄热燃烧技术 在蓄热式烧嘴被研制成功后 其应 用得以普及到多行业 典型的如 regenerative ceramic burner 被简称为 rcb 型 烧嘴 蓄热燃烧技术的高效热交换率 甚至使烟气的余热利用效果接近极限水平 蓄热燃烧技术巨大的节能效益 促使其在英美等国家的广泛推广 伴随新型蜂窝 状陶瓷蓄热体和陶瓷小球的出现 再次推进古老的蓄热式燃烧技术的应用步伐 使其焕发出强大的生命力 后来的 htac high temperature air combustion 技术结 合了烟气余热的回收与空气及燃料预热的工序 在实现燃料高效燃烧效果的同时 有效降低了 nox的排放量 关于还原炉的余热利用 陈岩曾在文章中描述方法 通过蒸汽射流真空泵与小吨位余热锅炉的结合 进行还原炉的余热利用 经证实 其余热利用率较低 徐日瑶在 硅热法炼镁生产工艺学 16 提到 要提高还原炉 的热效率 首先要充分回收利用烟气余热 蓄热式高温空气燃烧技术 简称 htac 技术 同时具备节能和环保的双重作 用 与传统的燃烧技术比较 其具有优点 燃料节约 氧化烧损率低 nox 排放 量少 生产效率高等 作为其最关键部件的蓄热体或蓄热小球 需具备单位体积 换热面积大 气流阻力小 热效率高 传热快 透热深度浅等特点 蜂窝蓄热体 有圆孔 方孔 六方孔等各种孔型 以及平面和斜面 单槽和双槽等各种端面形 状 17 国内现有在高温条件下 电熔铬刚玉与其它高纯材料合成和制造的产品 蜂窝蓄热体 蓄热球和挡板砖 该合成材料具有优点 导热快 容重大 热容量 大 耐火度高 荷重软化温度高 抗渣性好 热震稳定性好 抗冲刷性好等 其 中对蜂窝蓄热体的应用 不仅有效降低了熔化 粉化 剥落 开裂 结渣 堵塞 等现象 同时明显提高了装置的蓄热量和换热速度 另外 所添加的催化物质可 以在 600 左右与烟气中的 co 及碳氢化合物发生催化燃烧 从而进一步提高余热 回收效果及降低污染气