硅热法炼镁的节能新技术--蓄热式镁还原炉.pdf

首届全国有色金属工业节能减排技术交流会 硅热法炼镁豹节能新技术 蓄热式镁还原炉 梁冬梅陈瑞唐崔贵民李长勇 中国铝业股份有限公司郑州研究院河南郑州4 5 0 0 4 1 摘要 镁冶炼行业属于高耗能企业 而其中的真空还原能耗占炼镁总能耗的7 0 是 镁行业节能降耗的关键 本文介绍了镁行业的节能新技术 蓄热式镁还原炉及其技 术特点 并对其应用前景进行了分析与展望 关键词 镁还原炉 蓄热燃烧技术 节能 环保 l 前言 镁是最具发展潜力的轻量化绿色结构材料和功能材料 在汽车 电子 电器 航天航空和国防 军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景 我国镁矿资源极为丰富 经过几十年的 发展 我国原镁产量居世界首位 已成为镁的生产与出口大国 由于历史原因 我国的镁工业均采用较为落后的皮江法炼镁技术 该法以白云石和硅铁作为生 产原料 在高温高真空状态下 进行还原反应生产镁 该技术具有生产规模灵活 装备简单投资省 等特点 适应中国国情 推动了中国乃至世界镁工业的发展 但随着能源的紧缺及环保形势的日益 严峻 该技术所存在的污染环境 能源利用率低 资源产出率不高和资源综合利用水平差等缺陷 成为原镁企业降低生产成本 提高经济效益和市场竞争力的重要障碍 制约了镁工业的健康发展 真空还原是皮江法炼镁的核心 也是皮江法炼镁的主要耗能工序 目前还原工序吨镁热能消耗 指标平均约6 5 吨标准煤 其能耗占炼镁总能耗的7 0 因此还原工序的节能是皮江法炼镁节能降 耗的关键 还原炉是还原工序热能消耗的主要设备 改进还原炉结构 开发新型高效节能还原炉 提高还原热效率 成为镁企业亟待解决的问题 2 还原炉技术现状及耗能分析 还原工段工作任务是将配料制球车间制备的 球团料 白云石煅烧后的物料和硅铁 莹石的混 合物 在真空 真空度 l O P a 高温 1 2 0 0 1 2 5 0 条件下还原金属镁 还原反应在还原炉内的 还原罐中进行 还原罐由耐热不锈钢制成 目前 还原炉普遍采用返热加热还原罐的结构 单排或 双排布置的还原罐直接放置在耐火砖砌筑的炉体 内 加热主要采用煤或发生炉煤气直接燃烧 火 焰与烟气翻过挡火墙 由挡火墙和炉顶反射加热 还原罐 烟气流经还原罐后由罐下方的过火孔排 出炉膛进入烟道 还原炉结构如图l 所示 传统炼镁炉的炉型结构和燃烧方式有很多不 合理之处 主要表现在以下几个方面 5 6 图1 还原炉结构示意图 首届全国有色金属工业节能减排技术交流会 1 燃烧方式不合理 火焰和烟气通过挡火墙和炉顶反射回流间接加热还原罐的上表面 燃烧效 率和热利用率都很低 这种燃烧方式导致还原炉炉膛内部温度不均 燃烧温度控制不灵活 造成了 还原罐寿命偏低 同时燃料燃烧不充分 产生大量的有害气体和工业粉尘 污染环境 2 炉型结构不合理 还原罐排布不紧凑 炉内无效空间较大 还原罐的支撑墙占据较大空间 既增加能耗又影响传热效率 降低了炉膛烟气和还原罐外表面的换热速度 造成炉内温度不均 3 排烟热损失较大 热量浪费严重 从还原炉排入烟道的烟气温度高达1 1 0 0 C 左右 资料显 示u 还原炉排烟带走的热量占炉子总耗热量的5 0 5 3 为了回收利用这部分热量 广大技术人员做 了大量研究探索工作 如采用空气预热器预热助燃空气 将还原炉尾气引入余热锅炉产生蒸汽 驱 动蒸汽喷射泵产生真空 用于真空还原等 虽然回收了部分热量 但余热的有效利用率低 还原工 序的能耗仍然居高不下 浪费能源 Q l Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q 7 g O 燃料低发热值 Q z 排烟热损失 Q 废渣热损失 Q a 炉体散热损失 Q s 反应潜热 Q s 水冶热损失 Q 不完全燃烧损失 Q 换料热损失 还原炉的热平衡公式如下 通过热平衡计算可知n 1 还原炉的排烟热损失 废渣热损失 炉体散 热损失及不完全燃烧损失占到还原炉总耗热量的7 0 还原炉的节能大有潜力 因此改进还原炉结 构及还原罐排布方式 减少炉内无效空间 延长燃烧火焰在炉内行程 提高燃烧效率及热交换率 改进换热器结构 采用高温空气燃烧技术 回收烟尘热能预热助燃空气 改进炉墙保温层结构 减 少表面散热损失成为还原炉节能的关键 也成为业界的共识 3 新型节能蓄热式镁还原炉及其技术特点 新型蓄热式镁还原炉 是镁行业的新技术 蓄热式燃烧技术即高温空气燃烧技术 是2 0 世纪 9 0 年代以来国际燃烧领域开发并得到大力推广应用的一项全新燃烧技术 它突破了几百年来人们对 燃烧的传统认识 通过蓄热体极限回收烟气余热并将助燃空气预热到1 0 0 0 以上 与传统燃烧过 程不同 高温空气燃烧是一种动态反应 产生弥漫式火焰 不存在传统燃烧过程中出现的局部高温 高氧区 这样 即使是热值很低的燃料也能实现稳定着火和高效燃烧 具有高效节能 降低c 0 和 N o x 的排放等多种优点 该技术自问世起 在加热炉界得以迅速推广应用 取得了举世瞩目的节能环 保效益 是 项划时代的节能和环保技术b 1 将高温蓄热燃烧技术应用于镁还原炉 无疑会为还原 炉的节能降耗带来新的曙光 对镁行业的健康发展产生深远影响 新型节能蓄热式炼镁还原炉如图2 所示 由炉体 炉膛 还原罐 蓄热室 管路 换向系统 风机构成 采用空 煤气双预热方式 分别设置空气蓄热室和煤气蓄热室以及相应的空气换向阀和 煤气换向阀 经空气换向阀和经煤气换向阀排出的烟气由各自的引风机抽出 蓄热室填充热交换体 陶瓷蜂窝体 空气及煤气蓄热室砌筑于炉侧两端 处于交叉排布状态 每个蓄热室设有上下分 布的烧嘴喷口 在另一端这种排布对称 正常工作时 煤气及空气经过换向系统 管路分别进入炉 气7 首届全国有色金属工业节能减排技术交流会 图2 新型节能蓄热式炼镁还原炉示意图 子一端的各自蓄热室 在蓄热室中空气和煤气被预热到1 0 0 0 C 左右然后再通过烧嘴进入炉膛 预热 后的空气和煤气剧烈燃烧产生大量的热量 加热还原罐的罐体 燃烧产生的烟气经由另一侧的烧嘴 喷口进入此侧的蓄热室 此时此端的蓄热体处于吸热状态 烟气中携带的大量热量被蓄热室中的陶 瓷蜂窝体吸收后 以1 3 0 左右温度经由管路 换向系统从烟囱排出到炉外 经过一个换向周期 6 0 s 后 换向系统动作 空气和煤气同时换向 从炉子原来的烟气出口侧的蓄热室进入炉膛混合燃烧 炉子另一侧喷口作为烟道 重复以上描述的过程 周而复始 新型镁还原炉克服了传统金属镁还原炉燃烧效率低下 热量浪费严重 炉内温度不均匀 控温 不好 污染严重的缺点 相比之下新型还原炉具有如下技术特点 空 煤气的预热温度达到1 0 0 0 C 炉子热效率提高 即使是热值很低的燃料也能实现稳定着 火和高效燃烧 扩大了燃料的适用范围 可用低热值燃料代替高热值燃料 改善企业能源结构 实 现节能低耗 火焰稳定 炉温更加均匀 传统烧嘴燃烧的稳定是依赖火焰传播速度与气流的平衡以及高温 热源的传热来保证的 而在空 煤气预热温度达到1 0 0 0 时 燃烧反应自发进行 任何浓度都能保 证稳定的燃烧 保证炉内温度的均匀 同时由于实现了低氧扩散燃烧 避免了局部高温及还原罐的 氧化 降低还原罐损耗 减少了有害气体及烟尘排放 经济及社会效益显著 采用蓄热式燃烧技术 可使烟气温度大大下降 烟气温度由传统燃烧方式的l 1 0 0 C 左右下降 到1 3 0 C 以下 作到了烟气余热极限回收 还原炉的热利用率由传统的8 1 0 提高到5 0 以上 有 效地节约了能源 新型还原炉结构设计更加紧凑 减少了炉内的无用空间 利于热量传导减少传热损失 炉体 采用钢架和耐火浇注料的混合结构 保证炉体强度和寿命的情况下 大幅提高炉体的保温能力减少表 面散热损失 由于极限回收烟气余热 取消了原有还原炉的烧嘴 换热器 地下烟道及高大的烟囱 使还原炉更加简洁 维修费用降低 操作环境好 5 8 首届全国有色金属工业节能减排技术交流会 4 结束语 将高温空气燃烧技术应用于能耗颇高的金属镁还原炉上 可实现高温烟气余热的极限回收 大 幅提高还原炉的热效率 在炉内创造出优良的均匀温度分布 避免局部高温及还原罐的氧化烧损 减少有害气体及烟尘排放 节能效果显著 可以获得很好的经济效益和环保效益 该技术无疑会成 为镁还原炉节能发展的新方向 应该看到 蓄热式加热炉最早应用于钢铁行业 在国内发展很快 但仍然存在一些问题 使用 效果也参差不齐 将蓄热技术用于镁还原炉 必须结合镁冶炼的工艺特点及实际情况展开研究 还 有许多工作有待探索与完善 如各热工参数与结构设计之间的定量关系 控制系统和调节系统的优 化 采用合理的换向系统 减少换向时管道内残留煤气损失等 同时蓄热体的寿命 筑炉材料 成 型施工措施等均会影响到蓄热炉的使用效果 因此 要实现蓄热式镁还原炉在镁行业的真正显著的 节能效果与良好的经济效益 还需要从业人员做出不懈的努力 参考文献 1 徐日瑶 硅热法炼镁生产工艺学 M 长沙 中南大学出版社 2 0 0 3 2 夏德宏 郭梁 张刚等 硅热