36輕金屬2006年第4期鎂鈦工業(yè)硅水煤漿在金屬鎂還原爐上的應(yīng)用夏德宏1,郭梁,張剛,徐河2,黃銀善(1.北京科技大學(xué),北京100083;2維恩克(鶴壁)鎂基有限公司,河南鶴壁458020)摘要;全屬鎂還原爐首次采用水煤漿親統(tǒng)技術(shù)進行了工業(yè)應(yīng)用試驗,研發(fā)丁逶合然用水煤漿的鎂還原爐爐型。試驗結(jié)果表明:然用水煤漿完全可以滿足金的工藝要求,并且還能大幅度提高生產(chǎn)率,顯著降低單位產(chǎn)品能耗。該親統(tǒng)技術(shù)的推廣應(yīng)用對金屬鎂生產(chǎn)企業(yè)具有良姸的經(jīng)濟效益和環(huán)保敦益關(guān)鍵詞:水煤漿;金屬鎂還原爐;燃燒;節(jié)能中圖分類號:TK803.13文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1002-1752(2006)04-0036-05The Application of Coal- Water Slurry inMagnesium Reduction FurnaceXIA De-hong, GUO Liang, ZHANG Gang, XU He, HUANG Yin-shan2(1. Univ. of Sci. and Tech. Beijing, Beijing 1000832. Winca( Hebi ) Magnesium Co. Ltd, Henan 458020)Abstract: Coal-Water Slurry(CwS)has been put into application in magnesium reduction furnace for the first time, The industr ial experiment on themagnesium reduction furnace is of a satisfactory success, and the reduction fumace which is fit for combustion of Cws has been turned up. The experi-nental results have proved that the complete technology of CwS preparation and combustion can meet the technical requirements of the magnesium re-ducing process in reduction fumace. Besides, the productivity is enhanced remarkably and the fumace can reach an ideal energy saving effect. The pop-ularization of this technology has a bright prospect for magnesium Co, both economically and environmentallyKeywords: Coal- Water Slurry(CWS), magnesium reduction furnace, combustion, energy-saving1前言2金屬鎂還原爐水煤漿應(yīng)用糸統(tǒng)技術(shù)鎂及鎂合金具有密度小,比強度、比剛度好,減振性、電磁屏蔽和抗輻射能力強,易切削加工,易回水煤漿在金屬鎂還原爐上的應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)包括收等一系列優(yōu)點,因而具有廣闊的應(yīng)用前景,是繼鋼水煤漿制備技術(shù)、廠區(qū)儲備與管道輸送、爐前漿質(zhì)調(diào)鐵和鋁合金之后發(fā)展起來的第三類金屬結(jié)構(gòu)材料,整、還原爐內(nèi)的水煤漿燃燒與點火技術(shù)等圖1是該被稱為21世紀(jì)的綠色工程材料{。但是,鎂的冶煉系統(tǒng)的流程示意圖。工藝仍然相當(dāng)落后,不僅污染嚴(yán)重,而且能耗驚人。2.1水煤漿制備技術(shù)經(jīng)過深入分析和廣泛研究,得出造成這種局面的重高質(zhì)量的水煤漿要求濃度高、流變性好、穩(wěn)定期大原因之一是傳統(tǒng)金屬鎂還原爐大多數(shù)以原煤為燃長。因此制備水煤漿需要嚴(yán)格的煤炭選擇、磨礦級料。因此,鎂的冶煉改燒經(jīng)濟型的煤基清潔燃料配技術(shù)、合適的添加劑及適當(dāng)?shù)闹茲{工藝。一水煤漿無疑是一條解決該問題的良策。(1)煤炭選擇利用我國近年來研發(fā)的工業(yè)窯爐水煤漿應(yīng)用系由于煤的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,煤中有機質(zhì)不是以一統(tǒng)技術(shù)2,在維恩克(鶴壁)鎂基有限公司的金屬鎂定的分子形式存在,而是以多樣復(fù)雜的高分子化合還原爐上首次進行了水煤漿代煤工業(yè)應(yīng)用試驗,顯物的混合物形式存在,所以,不能客觀地確定其化學(xué)著提高了還原爐的熱效率,使金屬鎂冶煉過程的環(huán)結(jié)構(gòu)。煤種不同,即煤的體相、表面組成、表面形貌境污染問題得到根本改善取得了可喜的成果。內(nèi)水含量、礦物質(zhì)種類和含量等不同,制漿難易程度收稿日期:2005-12-302006年第4期夏德宏,郭梁張剛徐河,黃銀善:水煤漿在金屬鎂還原爐上的應(yīng)用37也有很大差異。其中煤的灰分、揮發(fā)分、固定碳、內(nèi)隨著煤化程度的加深,煤炭成漿性有變易的趨勢。在水分、可磨性指數(shù)、氧碳比、氫碳比與燃料比等因另外,煤中無機質(zhì)特別是水溶性無機鹽對制漿也有素對成漿濃度均有較大影響。制漿濃度是水煤漿應(yīng)顯著的影響,并且是影響水煤漿流變性的一個重要用的一個重要指標(biāo),高濃度煤漿不僅其熱值高,而且因素。因此在選擇煤炭制漿時盡可能選擇煤化程度穩(wěn)定性高。在這些因素中,內(nèi)在水分與可磨性指數(shù)高、內(nèi)在水分低、可磨性指數(shù)高的煤炭。表1所示就對制漿效果也有顯著影響。實際生產(chǎn)證明:內(nèi)在水是鶴壁地區(qū)三礦煤的成分,基本滿足成漿要求。分低、可磨性指數(shù)高則成漿好。并且在煙煤范圍內(nèi),}糖時士配料機攪拌「空壓機金屬還原爐是具圖1水煤漿在金屬鎂還原爐上應(yīng)用的系統(tǒng)流程Fig. l Flow sheet of magnesium reduction furnace with coal-waterslurry(2)磨礦粒度級配技術(shù)要性質(zhì)。優(yōu)質(zhì)煤漿不僅有較高的濃度,還有良好的在制漿過程中,煤的粒度分布是決定水煤漿濃剪切稀化效應(yīng),以保證漿體具有良好的泵送和霧化度和流動性的重要因素。高濃度的水煤漿,要求煤特性,降低煤漿輸送能耗,提高煤漿燃燒效率。煤是粉顆粒各粒徑的含量要有一定的分布使大顆粒間的疏水性的,添加劑的主要作用是改善煤表面親水性,空隙為細(xì)顆粒所充填,細(xì)顆粒間的空隙又能為更細(xì)降低煤水表面張力,使煤粒充分潤濕和均勻分散在顆粒所充填,以減少空隙所消耗的水量,從而提高制少量水中,改善水煤漿的流動降低水煤漿粘度,同時漿濃度,好的粒度級配可以使添加劑與煤炭表面很使煤粒在水中保持長期均勻分散。在鶴壁的實際應(yīng)好地吸附,從而提高煤漿穩(wěn)定性。在實際生產(chǎn)中反用表明:合理的水煤漿添加劑完全可以滿足鶴壁本復(fù)推算研究,通過工藝改造,球磨機鋼球配比調(diào)整等地煤的制漿要求,可以制備出濃度達到要求、粘度取得最佳粒度分布,就能夠取得最佳堆積效率。低、流變性和穩(wěn)定性好、成本低廉的水煤漿。另外為了達到脫硫的目的,還可在制漿過程中添加脫硫劑表1鵲壁地區(qū)三礦煤成分有效抑制SOx的排放。Tab 1 Compositions of coal in hebi region(4)水煤漿的生產(chǎn)工藝參數(shù)結(jié)果水煤漿生產(chǎn)工藝主要是為取得粒度組成的最佳外水,%級配,也就是最大堆積效率,同時用添加劑改變煤的內(nèi)水,%灰分,%表面特性。生產(chǎn)工藝將依據(jù)原料煤的質(zhì)量、粒度分揮發(fā)分,%布情況和添加劑的性能、用戶對水煤漿產(chǎn)品的質(zhì)量固定碳,%要求而選擇。一般原則流程為:原料煤→洗選降灰低位發(fā)熱量,k/kg→分級破碎→磨碎級配→添加水、藥劑→攪拌裝罐3儲存。根據(jù)此原則流程按不同煤種不同用戶及添加劑性能要求,可以組成不同的制漿工藝。鶴壁當(dāng)?shù)孛褐瞥傻乃簼{應(yīng)用特性如表2所(3)添加劑的合理使用示輕金屬2006年第4期表2鶴壁水煤漿應(yīng)用特性度很大,從而使水煤漿不易沉淀、穩(wěn)定性高,而通過Tab 2 Featurees of coal-water slurry in Hebi region高速剪切后,水煤漿的粘度又可大幅降低,這對水煤剪壁本她漿漿的霧化和燃燒非常有利。因此,在水煤漿的爐前質(zhì)量分?jǐn)?shù),%622燃燒系統(tǒng)中設(shè)置一臺強力攪拌罐,并由此消除水煤常溫粘度,mPas000-1200漿的觸變性,降低水煤漿的表觀粘度,從而保證良好粒度上限pm的霧化。其次,通過在攪拌罐內(nèi)適當(dāng)滲入(或析出)平均粒度,μm定數(shù)量的水,可使水煤漿的濃度在入爐燃燒前得灰分,%硫分,%<0.5到較為嚴(yán)格的控制。而攪拌罐入口的過濾網(wǎng)和爐前揮發(fā)分,%>12.5管道系統(tǒng)中的在線過濾器不僅可以過濾掉混入水煤發(fā)熱量,M/kg漿中的雜質(zhì),同時也使水煤漿中可能出現(xiàn)的少量軟沉淀重新懸浮和均勻化。穩(wěn)定期,天2.4燃燒與點火技術(shù)水煤漿經(jīng)過噴槍霧化后要經(jīng)歷升溫、水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出與著火燃燒、炭粒的燃盡這幾個過2.2廠區(qū)輸送與儲備程5)。在實際燃燒過程中要像燃燒重油一樣組織水煤漿從漿池到爐前應(yīng)用現(xiàn)場采用管道輸送。霧化,像燃燒煤粉一樣組織配風(fēng)和燃燒,同時還要特要設(shè)計水煤漿的管道輸送系統(tǒng),首先要了解其流變別適應(yīng)水煤漿的前述特性。為此,采用了北京科技特性及管內(nèi)流動規(guī)律,然后才能確定系統(tǒng)的管徑和大學(xué)研制的JD-1系列工業(yè)爐窯水煤漿專用燃燒泵的選型。由于添加劑的作用,水煤漿是具有強烈器該系列燃燒器具有燃燒效率高(>99%),負(fù)荷調(diào)觸變性的非牛頓流體,而在利用攪拌等措施對水煤節(jié)比大(>3:1),霧化介質(zhì)/燃料比低(<0.15),安裝漿進行高強度剪切使觸變性的影響得以消除以后,與使用簡單火焰結(jié)構(gòu)可調(diào)啟動點火容易等一系列水煤漿則呈 Bingham塑性流體特征,根據(jù)觸變理論優(yōu)點實際應(yīng)用表明:該系列燃燒器完全能夠滿足金以及 Bingham流體流動理論分析,可以建立水煤漿屬鎂還原爐燃用水煤漿的要求。因為水煤漿中含有管道輸送模型由此可以計算出既節(jié)省動力消耗(阻30%以上的水,在燃燒之前首先要使這部分水分快力較小)又能減少投資(管道系統(tǒng)尺寸也較小)的最速蒸發(fā)進而使揮發(fā)分快速析出和穩(wěn)定著火,因此對佳管徑范圍(。水煤漿漿池設(shè)計的主要技術(shù)包括霧化炬進行快速強制升溫和點火是水煤漿燃燒的又合理的底部結(jié)構(gòu);防沉淀防堵塞措施;最佳的幾何尺關(guān)鍵技術(shù),它是通過噴嘴前特別安裝的預(yù)熱室式寸(高徑比);有效的防氧化腐蝕和防止掛漿措施等。燒嘴磚和噴嘴外的強旋流配風(fēng)器來實現(xiàn)的,水煤漿實際應(yīng)用表明,采用兩個獨立的漿池是較為合理的燃燒過程中,熾熱的預(yù)熱室式燒嘴磚對霧化炬進行這不僅達到了儲漿的目的,而且可以分別儲存不同強烈的輻射熱交換使霧化炬迅速升溫而來自配風(fēng)煤種所制的漿,必要時還可以開啟互通閥使兩個漿器的強旋流使霧化炬中心產(chǎn)生負(fù)壓回流使前面燃池中的漿循環(huán)流動來進行配漿。漿池內(nèi)設(shè)置了機械燒的高溫火焰部分回流到霧化炬根部,對水煤漿霧攪拌和壓縮空氣兩種防沉淀措施,可以保證水煤漿化炬進行強制持續(xù)點火,實現(xiàn)水煤漿的長期穩(wěn)定燃在池內(nèi)存放較長時間也不會沉淀。水煤漿漿池的高嬈。徑比考慮了兩方面的因素。其一,保證漿池有足夠3工業(yè)應(yīng)用試驗與結(jié)果分析的強度和穩(wěn)定性;其二,盡量減小單位體積水煤漿的自由蒸發(fā)面。漿池內(nèi)壁有表面能較低的瓷磚,能減維恩克(鶴壁)鎂基有限公司的新型燃用水煤漿輕罐壁掛漿等。的金屬鎂還原爐于2004年10月由北京科技大學(xué)設(shè)計,2004年底施工,2005年1月中句開始進行工業(yè)2.3爐前漿質(zhì)調(diào)整技術(shù)試驗,一次點火成功,后經(jīng)過爐型的完善工作,現(xiàn)已在用燃燒器進行霧化和燃燒之前必須將水煤漿基本定型,具有了連續(xù)穩(wěn)定高效生產(chǎn)的能力創(chuàng)造了的粘度、濃度、均勻性等各項指標(biāo)調(diào)整和穩(wěn)定在合理良好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益,驗證了水煤漿煉鎂的的范圍之內(nèi)。首先,由于添加劑的加入使水煤漿具可行性,開辟了煉鎂工業(yè)的新路子,并展示了水煤漿有很強的觸變性。觸變性使水煤漿在靜止存放時粘在有色冶煉中的廣闊前景。2006年第4期夏德宏郭梁,張剛,徐河,黃銀善:水煤漿在金屬鎂還原爐上的應(yīng)用393.1試驗爐型維恩克(鶴壁)鎂基有限公司的廠區(qū)施工完畢,并于傳統(tǒng)的金屬鎂還原爐一般均釆用固體燃料(煤2005年1月11日進行了第一次試驗,一次點火成層狀燃燒返焰加熱還原罐。但是,傳統(tǒng)爐中固體燃功并運行5天左右。經(jīng)過半年時間的多次試驗和對料燃燒不充分;人工加燃料的方式不連續(xù)不穩(wěn)定;火爐內(nèi)支撐的逐步完善,適用于燃燒水煤漿的高效金焰結(jié)構(gòu)不合理造成溫度場不均勻,不能把燃料燃燒屬鎂還原爐爐型已經(jīng)基本形成。目前該新型金屬釋放出來的熱能快速有效傳入還原罐內(nèi);高溫爐膛鎂還原爐已經(jīng)穩(wěn)定連續(xù)運行了2個月有余。氣經(jīng)過過火孔迅速排出爐體,帶走大量的熱能。其新型金屬鎂還原爐燃用水煤漿燃燒效率高,達結(jié)果是帶來金屬鎂還原爐能耗高、熱效率低等問題。到99%以上;新型金屬鎂還原爐單爐還原罐增至40用清潔液體燃料水煤漿取代固體燃料后,設(shè)計只(傳統(tǒng)爐30-34只),燃料消耗反而大大降低了,了全新的與之相適應(yīng)的新型鎂還原爐。其結(jié)構(gòu)和使每小時僅消耗500 kgCWS;新型金屬鎂還原爐單罐用待點如下:最多出鎂29kg(傳統(tǒng)爐2kg),出鎂率有所增加;新(1)煉鎂燃料改用了煤基淸潔液體燃料水煤漿,型金屬鎂還原爐還原時間平均縮短了1~2小時。這在國內(nèi)以及全世界都屬首例。通過專用水煤漿燃綜合上述各因素進行計算可得,新型金屬鎂還原爐燒器將霧化后的水煤漿直接噴入鎂還原爐的爐膛,的熱效率提高約40%。漿量可調(diào)節(jié),水煤漿在旋流空氣助燃下高效穩(wěn)定地試驗表明,金屬鎂還原爐燃用水煤漿不僅完全燃燒,火焰長度和旋流強度可以控制?？梢詽M足還原金屬鎂的工藝要求,而且與傳統(tǒng)爐型(2)爐內(nèi)采用直接傳熱方式。燃燒室布置在還相比具有如下的優(yōu)勢:燃燒效率高;爐內(nèi)流場組織原爐的底部,水煤漿燃燒的火焰和煙氣直接接觸還合理(見圖2,CFX商用軟件模擬結(jié)果);熱效率顯著原罐進行裸燒,使傳熱效率大大提高。提高;操作控制方便(包括加入燃料和出灰)。(3)爐內(nèi)流場布置合理。爐兩端墻的2個燃燒器置于整個爐子的下部,并且錯開布置,避免了火焰相互影響,形成了爐內(nèi)整體的大漩流,漩流的作用強化了爐內(nèi)氣流流動和熱場的均勻性。(4)爐內(nèi)還原罐增至4排。將傳統(tǒng)的單層或雙層布罐方式改成四層罐上下錯排方式,即下兩層還原罐朝爐子的一側(cè)開口,上兩層還原罐朝另一側(cè)開口,與之相應(yīng),還原爐兩側(cè)設(shè)置兩個不等高的操作平臺,使兩側(cè)都可以方便進出料,并符合原有的操作習(xí)圖2新型燃用水煤漿金屬鎂慣。4排布罐更大限度地利用了燃料釋放的熱量,還原爐內(nèi)流場圖(模擬結(jié)果)縮短了還原時間,提高了單爐生產(chǎn)率,降低了生產(chǎn)成Fg.2 Inside flow field of magnesium reduction furnace with本。new type fuel, coal-water slurry (simulated result)(5)配置了空氣預(yù)熱器來回收高溫?zé)煔庥酂?。煙氣出爐后溫度在1100℃以上,熱品位依然相當(dāng)33效益分析高,故配置鉻鎳耐熱鋼制成的空氣換熱器,將空氣預(yù)水煤漿代替原煤在金屬鎂還原爐上應(yīng)用,熱效熱到400℃左右然后引入水煤漿燃燒器的配風(fēng)器,率提高了40%,具有顯著的經(jīng)濟效益。以維恩克再進入爐內(nèi)助燃,大大降低了難燃水煤漿的點火難(鶴壁)鎂基有限公司為例,傳統(tǒng)還原爐爐型生產(chǎn)每度而且有利于整個鎂還原爐內(nèi)的溫度場和流場的t粗鎂約需消耗4.89t的原煤,原煤的價格目前在均勻性。350元/t左右,新爐型可節(jié)約40%的燃料,折合即(6)機械出灰。燃燒產(chǎn)生的灰燼與雜質(zhì)落在爐685元/t粗鎂。維恩克年產(chǎn)粗鎂500噸,這就是說底緊密排列的多段小推車上,由小車間歇推出爐外若全部燃燒清潔燃料水煤漿維恩克僅燃料一項費實現(xiàn)機械出灰。小車上鋪設(shè)隔熱材料和耐火材料,用就可節(jié)約342.5萬元。車輪在兩條滑軌上滾動滑行。2004年我國生產(chǎn)原鎂共43.8萬t,若全部采用3.2試驗結(jié)果新型燃用水煤漿還原爐,可節(jié)約燃料費用約3億元,輕金屬2006年第4期此外,水煤漿是一種清潔能源,大量的研究表工藝要求明:燃用水煤漿時的污染排放物是非常低的,燃用水(2)水煤漿系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于金屬鎂還原爐,能夠煤漿時的排煙黑度可控制在林格曼黑度0級。燃用使熱效率大幅度上升,節(jié)能降耗顯著煤粉和水煤漿時的污染排放物對比見表3。由表可(3)水煤漿系統(tǒng)技術(shù)成熟,系統(tǒng)投資小、改造快,見燃用水煤漿對環(huán)境的影響很小,具有良好的環(huán)境可為企業(yè)帶來十分顯著的經(jīng)濟效益,具有很好的推效益和社會效益。廣應(yīng)用前景(4)金屬鎂還原爐燃用清潔燃料水煤漿,明顯降表3燃用重油水煤漿時的污染物排放對比低了對環(huán)境的污染,有利于國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。Tab 3 Comparison of pollutants between參考文獻:coal powder and 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