DOC《大型蓄热式金属镁还原炉炉内热过程的模拟与应用》

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 100083) 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66支还原罐的大型蓄热式金属镁还原炉.

应用FLUENT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70%,单炉产量提高1倍以上,还原周期缩短1.5 h,还原罐的使用寿命延长30天,吨镁能耗降低60%. 关键词:硅热法;

镁;

还原炉;

蓄热燃烧技术 中图分类号:TF822 文献标识码:A 文章编号:1007-7545(2012)03-0000-00 Numerical Simulation and Application of Large Magnesium Reduction Furnace Based on Regenerative Combustion Technology REN Ling, XIA De-hong, REN Chun-xiao (Department of Thermal Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China) Abstract: In combination of the advantages of regenerative combustion technology and the features of thermal reduction process for producing magnesium, a large magnesium reduction furnace with

66 reduction jars was developed. The flow, combustion, and heat transfer process in the furnace chamber were simulated by FLUENT software. The results show that the uniform flow field and temperature distribution are obtained, the non-uniform flow field in traditional draft furnace chambers and different temperatures distribution between upper and lower jars are solved. This new type furnace is applied well in engineering practices. Compared with traditional furnaces, the uniformity of temperature distribution in the furnace chamber is enhanced by 70%, the production of single furnace increases to more than one time, the reduction period shorts by 1.5 h, the life-span of reduction jars prolongs

30 days, and the coal consumption of per ton magnesium reduces by 60%. Key words: silicothermic process;

magnesium;

reduction furnace;

regenerative combustion technology 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98%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再发生还原反应时吸热,将会导致烟气温度在沿流动方向上逐渐降低,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1

200 ℃降低到150 ℃左右,燃料的入炉温度由常温预热到1

000 ℃左右,既可回收烟气带走的能量,又可将能量重新带入炉内,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NOx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66支还原罐的大型蓄热式金属镁还原炉.通过FLUENT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. 基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-AS-10-005B) 作者简介:任玲(1977-),女,内蒙古赤峰市人,讲师,博士.

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32支,且为单面双排.以煤为燃料,吨镁的煤耗约为6.5~7 t.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12 h),且还原罐寿命短(约40~60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±50℃. 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13

224 mm,炉体内宽5

600 mm,炉体内高约2

250 mm.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 Fig.1 Large regenerative reduction furnace body structure 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1 034.2 m3/h.假设1 t煤经煤气发生炉气化产生3

000 m3的冷净发生炉煤气,换算得到吨镁的理论煤耗量为2.55 t.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33支,其中上排17支,下排16支,全炉共安装66支还原罐.上下排的间距为544 mm,交错布置,每一排罐与罐的间距为740 mm.

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900 ℃,忽略燃料和空气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;

假设炉墙外节点为恒温60 ℃,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1

178 563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 Fig.2 Meshing of furnace cross-section 采用FLUENT软件进行模拟计算.还原炉内湍流流动采用k-(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P1模型;

燃烧计算采用非预混燃烧prePDF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prePDF模型 Fig.3 Non-premixed combustion prePDF model in furnace chamber 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,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1000 Pa,计算中出口压力设为-800 Pa.根据实际情况,设定4种壁面边界条件,分别为炉顶及炉墙温度设为60 ℃,根据炉墙的导热,等效换算得到综合对流换热系数为0.604 W/(m2・K);

炉底设为绝热边界条件;

对称面为Symmetry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-245.3*103 W/m2. 表1 燃烧系统的进口条件 Table

1 Inlet conditions of combustion system 名称 预热温度/K 标态下流速/(m・s-1) 特征尺寸/mm 煤气喷口1

1 173

10 36.5 空气喷口1

1 173

12 36.5 煤气喷口2

1 173

10 36.5 空气喷口2

1 173

12 36.5 煤气喷口3

300 8 25.0 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,空气和煤气入口处流线比较密集,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 Fig.4 Flow pattern of furnace cross-section 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. 图5 左侧燃烧时炉内温度分布图 Fig.5 Temperature distribution in furnace chamber for combustion on left side 还原炉每90 s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入高温预热的空气和煤气.换向5 s和10 s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5 s后,炉内高温区已转移到右侧,但是左侧温度下降较少;

换向经过10 s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,炉顶补气喷口处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. 图6 右侧燃烧时炉内温度分布图(换向5 s后) Fig.6 Temperature distribution reversed

5 s in furnace chamber for combustion on right side 图7 右侧燃烧时炉内温度分布图(换向10 s后) Fig.7 Temperature distribution reversed

10 s in furnace chamber for combustion on right side 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 66罐大型蓄热式金属镁还原炉XR-Ⅰ顺利施工并投入生产,图8为工程实际运行的................