大型蓄熱式金屬鎂還原爐爐內(nèi)熱過程的模擬與應(yīng)用

1、大型蓄熱式金屬鎂還原爐爐內(nèi)熱過程的模擬與應(yīng)用大型蓄熱式金屬鎂還原爐爐內(nèi)熱過程的模擬與應(yīng)用任玲，夏德宏，任春曉（北京科技大學(xué)熱能工程系，北京100083）摘要摘要：將蓄熱燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與金屬鎂還原工藝的特點(diǎn)相結(jié)合，開發(fā)了具有66支還原罐的大型蓄熱式金屬鎂還原爐。應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)爐膛內(nèi)流動(dòng)、燃燒及耦合換熱過程進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，將蓄熱燃燒技術(shù)應(yīng)用于金屬鎂還原爐，可以形成均勻的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，從根本上解決了傳統(tǒng)倒焰式還原爐爐內(nèi)流場(chǎng)不均勻及

2、上下排還原罐溫度不一致的問題。將新型還原爐應(yīng)用于工程實(shí)際，取得了良好的應(yīng)用效果，較傳統(tǒng)還原爐爐溫均勻性提高70%，單爐產(chǎn)量提高1倍以上，還原周期縮短1.5h，還原罐的使用壽命延長(zhǎng)30天，噸鎂能耗降低60%。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：硅熱法；鎂；還原爐；蓄熱燃燒技術(shù)中圖分類號(hào)：中圖分類號(hào)：TF822文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：文章編號(hào)：10077545（2012）03000000NumericalSimulationApplicationof

3、LargeMagnesiumReductionFurnaceBasedonRegenerativeCombustionTechnologyRENLingXIADehongRENChunxiao（DepartmentofThermalEngineeringUniversityofScienceTechnologyBeijingBeijing100083China）Abstract:Incombinationoftheadvantageso

4、fregenerativecombustiontechnologythefeaturesofthermalreductionprocessfproducingmagnesiumalargemagnesiumreductionfurnacewith66reductionjarswasdeveloped.Theflowcombustionheattransferprocessinthefurnacechamberweresimulatedb

5、yFLUENTsoftware.Theresultsshowthattheunifmflowfieldtemperaturedistributionareobtainedthenonunifmflowfieldintraditionaldraftfurnacechambersdifferenttemperaturesdistributionbetweenupperlowerjarsaresolved.Thisnewtypefurnace

6、isappliedwellinengineeringpractices.Comparedwithtraditionalfurnacestheunifmityoftemperaturedistributioninthefurnacechamberisenhancedby70%theproductionofsinglefurnaceincreasestomethanonetimethereductionperiodshtsby1.5hthe

7、lifespanofreductionjarsprolongs30daysthecoalconsumptionofpertonmagnesiumreducesby60%.Keywds:silicothermicprocessmagnesiumreductionfurnaceregenerativecombustiontechnology隨著鎂及鎂合金應(yīng)用的快速發(fā)展，其需求量正逐年攀升[1]。我國(guó)98%以上的鎂生產(chǎn)采用硅熱還原法[2]，但

8、是硅熱法還原爐單爐可排布還原罐的數(shù)量少、排煙溫度高、熱效率低、資源和能源浪費(fèi)嚴(yán)重、污染環(huán)境，不利于我國(guó)鎂還原工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。因此實(shí)現(xiàn)鎂還原爐的大型化，大幅度節(jié)能降耗，對(duì)提升我國(guó)煉鎂水平、推動(dòng)我國(guó)由鎂資源大國(guó)向鎂產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)的跨越式發(fā)展具有重要意義。我國(guó)的金屬鎂還原爐主要以傳統(tǒng)倒焰式爐為主[4]，燃燒室和傳熱室相分離，燃料在燃燒室中燃燒，還原罐位于傳熱室中，煙氣與還原罐通過對(duì)流進(jìn)行換熱。由于還原罐中的爐料在升溫時(shí)吸熱和鎂再發(fā)生還原反應(yīng)

9、時(shí)吸熱，將會(huì)導(dǎo)致煙氣溫度在沿流動(dòng)方向上逐漸降低，爐膛內(nèi)上排還原罐的溫度總是高于下排還原罐的溫度，且靠近煙道處的煙氣流量總是大于遠(yuǎn)離煙道處的煙氣流量，因此無(wú)法形成均勻的爐溫。故傳統(tǒng)還原爐的還原罐中鎂還原率差別較大，還原出的鎂品質(zhì)低。保證還原爐產(chǎn)鎂率及產(chǎn)鎂質(zhì)量首先要保證爐溫的均勻性，還原爐的大型化必須做到爐溫均勻。針對(duì)現(xiàn)有鎂還原爐存在的問題，利用鋼鐵行業(yè)取得良好節(jié)能減排效果的蓄熱燃燒技術(shù)[5]，開發(fā)蓄熱式金屬鎂還原爐。使煙氣的排放溫度從接近

10、1200℃降低到150℃左右，燃料的入爐溫度由常溫預(yù)熱到1000℃左右，既可回收煙氣帶走的能量，又可將能量重新帶入爐內(nèi)，從而大幅提高還原爐的熱效率，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。同時(shí)，高溫預(yù)熱的燃料在低氧濃度下燃燒，不僅會(huì)降低平均燃燒速度，拓展燃燒邊界，容易在爐膛內(nèi)形成均勻的溫度場(chǎng)，同時(shí)還可降低NOx的濃度[6]，有利于實(shí)現(xiàn)鎂還原爐的大型化。基于此，本文將蓄熱燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與金屬鎂還原工藝的特點(diǎn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)了具有66支還原罐的大型蓄熱式金

11、屬鎂還原爐。通過FLUENT軟件對(duì)爐膛內(nèi)的流動(dòng)、燃燒及耦合換熱過程進(jìn)行模擬研究，分析確定設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行工程實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證。基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(FRFAS10005B)作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：任玲（1977），女，內(nèi)蒙古赤峰市人，講師，博士.doi：10.3969j.issn.10077545.2012.03.007圖2還原爐截面的網(wǎng)格劃分還原爐截面的網(wǎng)格劃分Fig.2Meshingoffurnacecr

12、osssection采用FLUENT軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。還原爐內(nèi)湍流流動(dòng)采用k?兩方程模型；在流場(chǎng)近壁區(qū)，采用改進(jìn)型壁面函數(shù)法進(jìn)行處理；爐內(nèi)的氣體輻射計(jì)算采用P1模型；燃燒計(jì)算采用非預(yù)混燃燒prePDF模型。針對(duì)周期換向，以左側(cè)吸熱燃燒、右側(cè)放熱排煙為例（如圖3），燃料進(jìn)口1和2為預(yù)熱后的發(fā)生爐煤氣，空氣進(jìn)口1和2為預(yù)熱后的空氣，燃料進(jìn)口3為爐頂煤氣補(bǔ)氣口（非預(yù)熱）。圖3爐內(nèi)非預(yù)混燃燒爐內(nèi)非預(yù)混燃燒prePDF模型模型Fig.3Nonpr

13、emixedcombustionprePDFmodelinfurnacechamber計(jì)算中取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為參考?jí)毫Γx取的邊界條件包括進(jìn)口條件、出口條件和壁面邊界條件。進(jìn)口條件為燃燒系統(tǒng)的進(jìn)口條件，如表1所示。出口采用壓力邊界條件。由于蓄熱式燃燒采用引風(fēng)機(jī)抽引煙氣，結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，考慮到爐體流過蜂窩型蓄熱體的壓降約1000Pa，計(jì)算中出口壓力設(shè)為800Pa。根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定4種壁面邊界條件，分別為爐頂及爐墻溫度設(shè)為60℃，根據(jù)爐墻的

14、導(dǎo)熱，等效換算得到綜合對(duì)流換熱系數(shù)為0.604W(m2K)；爐底設(shè)為絕熱邊界條件；對(duì)稱面為Symmetry邊界條件；還原罐壁面選取熱流邊界條件，根據(jù)還原罐內(nèi)物料吸熱及反應(yīng)吸熱量等進(jìn)行換算，經(jīng)計(jì)算得還原罐壁面吸熱熱流為245.3103Wm2。表1燃燒系統(tǒng)的進(jìn)口條件燃燒系統(tǒng)的進(jìn)口條件Table1Inletconditionsofcombustionsystem名稱預(yù)熱溫度K標(biāo)態(tài)下流速(ms1)特征尺寸mm煤氣噴口111731036.5空氣噴

15、口111731236.5煤氣噴口211731036.5空氣噴口211731236.5煤氣噴口3300825.02.2模擬結(jié)果分析模擬結(jié)果分析2.2.1流場(chǎng)分析流場(chǎng)分析在穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下，還原爐內(nèi)的氣體流動(dòng)狀況如圖4所示。由圖4可看到，還原爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定后，爐內(nèi)流場(chǎng)分布均勻，流線充滿整個(gè)爐膛空間，對(duì)還原罐的對(duì)流傳熱非常有利。在爐頂下壓的作用下，空氣和煤氣入口處流線比較密集，有利于空氣和煤氣的混合燃燒。將蓄熱燃燒技術(shù)與金屬鎂還原爐相結(jié)合，可以從