水煤浆在金属镁还原炉上的应用

36轻金属2006年第4期镁钛工业硅水煤浆在金属镁还原炉上的应用夏德宏1,郭梁,张刚,徐河2,黄银善(1.北京科技大学,北京100083;2维恩克(鹤壁)镁基有限公司,河南鹤壁458020)摘要;全属镁还原炉首次采用水煤浆亲统技术进行了工业应用试验,研发丁逶合然用水煤浆的镁还原炉炉型。试验结果表明:然用水煤浆完全可以满足金的工艺要求,并且还能大幅度提高生产率,显著降低单位产品能耗。该亲统技术的推广应用对金属镁生产企业具有良姸的经济效益和环保敦益关键词:水煤浆;金属镁还原炉;燃烧;节能中图分类号:TK803.13文献标识码:A文章编号: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金属镁还原炉水煤浆应用糸统技术镁及镁合金具有密度小,比强度、比刚度好,减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强,易切削加工,易回水煤浆在金属镁还原炉上的应用系统技术包括收等一系列优点,因而具有广阔的应用前景,是继钢水煤浆制备技术、厂区储备与管道输送、炉前浆质调铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料,整、还原炉内的水煤浆燃烧与点火技术等图1是该被称为21世纪的绿色工程材料{。但是,镁的冶炼系统的流程示意图。工艺仍然相当落后,不仅污染严重,而且能耗惊人。2.1水煤浆制备技术经过深入分析和广泛研究,得出造成这种局面的重高质量的水煤浆要求浓度高、流变性好、稳定期大原因之一是传统金属镁还原炉大多数以原煤为燃长。因此制备水煤浆需要严格的煤炭选择、磨矿级料。因此,镁的冶炼改烧经济型的煤基清洁燃料配技术、合适的添加剂及适当的制浆工艺。一水煤浆无疑是一条解决该问题的良策。(1)煤炭选择利用我国近年来研发的工业窑炉水煤浆应用系由于煤的结构极其复杂,煤中有机质不是以一统技术2,在维恩克(鹤壁)镁基有限公司的金属镁定的分子形式存在,而是以多样复杂的高分子化合还原炉上首次进行了水煤浆代煤工业应用试验,显物的混合物形式存在,所以,不能客观地确定其化学著提高了还原炉的热效率,使金属镁冶炼过程的环结构。煤种不同,即煤的体相、表面组成、表面形貌境污染问题得到根本改善取得了可喜的成果。内水含量、矿物质种类和含量等不同,制浆难易程度收稿日期:2005-12-302006年第4期夏德宏,郭梁张刚徐河,黄银善:水煤浆在金属镁还原炉上的应用37也有很大差异。其中煤的灰分、挥发分、固定碳、内随着煤化程度的加深,煤炭成浆性有变易的趋势。在水分、可磨性指数、氧碳比、氢碳比与燃料比等因另外,煤中无机质特别是水溶性无机盐对制浆也有素对成浆浓度均有较大影响。制浆浓度是水煤浆应显著的影响,并且是影响水煤浆流变性的一个重要用的一个重要指标,高浓度煤浆不仅其热值高,而且因素。因此在选择煤炭制浆时尽可能选择煤化程度稳定性高。在这些因素中,内在水分与可磨性指数高、内在水分低、可磨性指数高的煤炭。表1所示就对制浆效果也有显著影响。实际生产证明:内在水是鹤壁地区三矿煤的成分,基本满足成浆要求。分低、可磨性指数高则成浆好。并且在烟煤范围内,}糖时士配料机搅拌「空压机金属还原炉是具图1水煤浆在金属镁还原炉上应用的系统流程Fig. l Flow sheet of magnesium reduction furnace with coal-waterslurry(2)磨矿粒度级配技术要性质。优质煤浆不仅有较高的浓度,还有良好的在制浆过程中,煤的粒度分布是决定水煤浆浓剪切稀化效应,以保证浆体具有良好的泵送和雾化度和流动性的重要因素。高浓度的水煤浆,要求煤特性,降低煤浆输送能耗,提高煤浆燃烧效率。煤是粉颗粒各粒径的含量要有一定的分布使大颗粒间的疏水性的,添加剂的主要作用是改善煤表面亲水性,空隙为细颗粒所充填,细颗粒间的空隙又能为更细降低煤水表面张力,使煤粒充分润湿和均匀分散在颗粒所充填,以减少空隙所消耗的水量,从而提高制少量水中,改善水煤浆的流动降低水煤浆粘度,同时浆浓度,好的粒度级配可以使添加剂与煤炭表面很使煤粒在水中保持长期均匀分散。在鹤壁的实际应好地吸附,从而提高煤浆稳定性。在实际生产中反用表明:合理的水煤浆添加剂完全可以满足鹤壁本复推算研究,通过工艺改造,球磨机钢球配比调整等地煤的制浆要求,可以制备出浓度达到要求、粘度取得最佳粒度分布,就能够取得最佳堆积效率。低、流变性和稳定性好、成本低廉的水煤浆。另外为了达到脱硫的目的,还可在制浆过程中添加脱硫剂表1鹊壁地区三矿煤成分有效抑制SOx的排放。Tab 1 Compositions of coal in hebi region(4)水煤浆的生产工艺参数结果水煤浆生产工艺主要是为取得粒度组成的最佳外水,%级配,也就是最大堆积效率,同时用添加剂改变煤的内水,%灰分,%表面特性。生产工艺将依据原料煤的质量、粒度分挥发分,%布情况和添加剂的性能、用户对水煤浆产品的质量固定碳,%要求而选择。一般原则流程为:原料煤→洗选降灰低位发热量,k/kg→分级破碎→磨碎级配→添加水、药剂→搅拌装罐3储存。根据此原则流程按不同煤种不同用户及添加剂性能要求,可以组成不同的制浆工艺。鹤壁当地煤制成的水煤浆应用特性如表2所(3)添加剂的合理使用示轻金属2006年第4期表2鹤壁水煤浆应用特性度很大,从而使水煤浆不易沉淀、稳定性高,而通过Tab 2 Featurees of coal-water slurry in Hebi region高速剪切后,水煤浆的粘度又可大幅降低,这对水煤剪壁本她浆浆的雾化和燃烧非常有利。因此,在水煤浆的炉前质量分数,%622燃烧系统中设置一台强力搅拌罐,并由此消除水煤常温粘度,mPas000-1200浆的触变性,降低水煤浆的表观粘度,从而保证良好粒度上限pm的雾化。其次,通过在搅拌罐内适当渗入(或析出)平均粒度,μm定数量的水,可使水煤浆的浓度在入炉燃烧前得灰分,%硫分,%<0.5到较为严格的控制。而搅拌罐入口的过滤网和炉前挥发分,%>12.5管道系统中的在线过滤器不仅可以过滤掉混入水煤发热量,M/kg浆中的杂质,同时也使水煤浆中可能出现的少量软沉淀重新悬浮和均匀化。稳定期,天2.4燃烧与点火技术水煤浆经过喷枪雾化后要经历升温、水分蒸发、挥发分析出与着火燃烧、炭粒的燃尽这几个过2.2厂区输送与储备程5)。在实际燃烧过程中要像燃烧重油一样组织水煤浆从浆池到炉前应用现场采用管道输送。雾化,像燃烧煤粉一样组织配风和燃烧,同时还要特要设计水煤浆的管道输送系统,首先要了解其流变别适应水煤浆的前述特性。为此,采用了北京科技特性及管内流动规律,然后才能确定系统的管径和大学研制的JD-1系列工业炉窑水煤浆专用燃烧泵的选型。由于添加剂的作用,水煤浆是具有强烈器该系列燃烧器具有燃烧效率高(>99%),负荷调触变性的非牛顿流体,而在利用搅拌等措施对水煤节比大(>3:1),雾化介质/燃料比低(<0.15),安装浆进行高强度剪切使触变性的影响得以消除以后,与使用简单火焰结构可调启动点火容易等一系列水煤浆则呈 Bingham塑性流体特征,根据触变理论优点实际应用表明:该系列燃烧器完全能够满足金以及 Bingham流体流动理论分析,可以建立水煤浆属镁还原炉燃用水煤浆的要求。因为水煤浆中含有管道输送模型由此可以计算出既节省动力消耗(阻30%以上的水,在燃烧之前首先要使这部分水分快力较小)又能减少投资(管道系统尺寸也较小)的最速蒸发进而使挥发分快速析出和稳定着火,因此对佳管径范围(。水煤浆浆池设计的主要技术包括雾化炬进行快速强制升温和点火是水煤浆燃烧的又合理的底部结构;防沉淀防堵塞措施;最佳的几何尺关键技术,它是通过喷嘴前特别安装的预热室式寸(高径比);有效的防氧化腐蚀和防止挂浆措施等。烧嘴砖和喷嘴外的强旋流配风器来实现的,水煤浆实际应用表明,采用两个独立的浆池是较为合理的燃烧过程中,炽热的预热室式烧嘴砖对雾化炬进行这不仅达到了储浆的目的,而且可以分别储存不同强烈的辐射热交换使雾化炬迅速升温而来自配风煤种所制的浆,必要时还可以开启互通阀使两个浆器的强旋流使雾化炬中心产生负压回流使前面燃池中的浆循环流动来进行配浆。浆池内设置了机械烧的高温火焰部分回流到雾化炬根部,对水煤浆雾搅拌和压缩空气两种防沉淀措施,可以保证水煤浆化炬进行强制持续点火,实现水煤浆的长期稳定燃在池内存放较长时间也不会沉淀。水煤浆浆池的高娆。径比考虑了两方面的因素。其一,保证浆池有足够3工业应用试验与结果分析的强度和稳定性;其二,尽量减小单位体积水煤浆的自由蒸发面。浆池内壁有表面能较低的瓷砖,能减维恩克(鹤壁)镁基有限公司的新型燃用水煤浆轻罐壁挂浆等。的金属镁还原炉于2004年10月由北京科技大学设计,2004年底施工,2005年1月中句开始进行工业2.3炉前浆质调整技术试验,一次点火成功,后经过炉型的完善工作,现已在用燃烧器进行雾化和燃烧之前必须将水煤浆基本定型,具有了连续稳定高效生产的能力创造了的粘度、浓度、均匀性等各项指标调整和稳定在合理良好的经济效益和环保效益,验证了水煤浆炼镁的的范围之内。首先,由于添加剂的加入使水煤浆具可行性,开辟了炼镁工业的新路子,并展示了水煤浆有很强的触变性。触变性使水煤浆在静止存放时粘在有色冶炼中的广阔前景。2006年第4期夏德宏郭梁,张刚,徐河,黄银善:水煤浆在金属镁还原炉上的应用393.1试验炉型维恩克(鹤壁)镁基有限公司的厂区施工完毕,并于传统的金属镁还原炉一般均釆用固体燃料(煤2005年1月11日进行了第一次试验,一次点火成层状燃烧返焰加热还原罐。但是,传统炉中固体燃功并运行5天左右。经过半年时间的多次试验和对料燃烧不充分;人工加燃料的方式不连续不稳定;火炉内支撑的逐步完善,适用于燃烧水煤浆的高效金焰结构不合理造成温度场不均匀,不能把燃料燃烧属镁还原炉炉型已经基本形成。目前该新型金属释放出来的热能快速有效传入还原罐内;高温炉膛镁还原炉已经稳定连续运行了2个月有余。气经过过火孔迅速排出炉体,带走大量的热能。其新型金属镁还原炉燃用水煤浆燃烧效率高,达结果是带来金属镁还原炉能耗高、热效率低等问题。到99%以上;新型金属镁还原炉单炉还原罐增至40用清洁液体燃料水煤浆取代固体燃料后,设计只(传统炉30-34只),燃料消耗反而大大降低了,了全新的与之相适应的新型镁还原炉。其结构和使每小时仅消耗500 kgCWS;新型金属镁还原炉单罐用待点如下:最多出镁29kg(传统炉2kg),出镁率有所增加;新(1)炼镁燃料改用了煤基淸洁液体燃料水煤浆,型金属镁还原炉还原时间平均缩短了1~2小时。这在国内以及全世界都属首例。通过专用水煤浆燃综合上述各因素进行计算可得,新型金属镁还原炉烧器将雾化后的水煤浆直接喷入镁还原炉的炉膛,的热效率提高约40%。浆量可调节,水煤浆在旋流空气助燃下高效稳定地试验表明,金属镁还原炉燃用水煤浆不仅完全燃烧,火焰长度和旋流强度可以控制。可以满足还原金属镁的工艺要求,而且与传统炉型(2)炉内采用直接传热方式。燃烧室布置在还相比具有如下的优势:燃烧效率高;炉内流场组织原炉的底部,水煤浆燃烧的火焰和烟气直接接触还合理(见图2,CFX商用软件模拟结果);热效率显著原罐进行裸烧,使传热效率大大提高。提高;操作控制方便(包括加入燃料和出灰)。(3)炉内流场布置合理。炉两端墙的2个燃烧器置于整个炉子的下部,并且错开布置,避免了火焰相互影响,形成了炉内整体的大漩流,漩流的作用强化了炉内气流流动和热场的均匀性。(4)炉内还原罐增至4排。将传统的单层或双层布罐方式改成四层罐上下错排方式,即下两层还原罐朝炉子的一侧开口,上两层还原罐朝另一侧开口,与之相应,还原炉两侧设置两个不等高的操作平台,使两侧都可以方便进出料,并符合原有的操作习图2新型燃用水煤浆金属镁惯。4排布罐更大限度地利用了燃料释放的热量,还原炉内流场图(模拟结果)缩短了还原时间,提高了单炉生产率,降低了生产成Fg.2 Inside flow field of magnesium reduction furnace with本。new type fuel, coal-water slurry (simulated result)(5)配置了空气预热器来回收高温烟气余热。烟气出炉后温度在1100℃以上,热品位依然相当33效益分析高,故配置铬镍耐热钢制成的空气换热器,将空气预水煤浆代替原煤在金属镁还原炉上应用,热效热到400℃左右然后引入水煤浆燃烧器的配风器,率提高了40%,具有显著的经济效益。以维恩克再进入炉内助燃,大大降低了难燃水煤浆的点火难(鹤壁)镁基有限公司为例,传统还原炉炉型生产每度而且有利于整个镁还原炉内的温度场和流场的t粗镁约需消耗4.89t的原煤,原煤的价格目前在均匀性。350元/t左右,新炉型可节约40%的燃料,折合即(6)机械出灰。燃烧产生的灰烬与杂质落在炉685元/t粗镁。维恩克年产粗镁500吨,这就是说底紧密排列的多段小推车上,由小车间歇推出炉外若全部燃烧清洁燃料水煤浆维恩克仅燃料一项费实现机械出灰。小车上铺设隔热材料和耐火材料,用就可节约342.5万元。车轮在两条滑轨上滚动滑行。2004年我国生产原镁共43.8万t,若全部采用3.2试验结果新型燃用水煤浆还原炉,可节约燃料费用约3亿元,轻金属2006年第4期此外,水煤浆是一种清洁能源,大量的研究表工艺要求明:燃用水煤浆时的污染排放物是非常低的,燃用水(2)水煤浆系统技术应用于金属镁还原炉,能够煤浆时的排烟黑度可控制在林格曼黑度0级。燃用使热效率大幅度上升,节能降耗显著煤粉和水煤浆时的污染排放物对比见表3。由表可(3)水煤浆系统技术成熟,系统投资小、改造快,见燃用水煤浆对环境的影响很小,具有良好的环境可为企业带来十分显著的经济效益,具有很好的推效益和社会效益。广应用前景(4)金属镁还原炉燃用清洁燃料水煤浆,明显降表3燃用重油水煤浆时的污染物排放对比低了对环境的污染,有利于国民经济的可持续发展。Tab 3 Comparison of pollutants between参考文献:coal powder and coal-water slurry1〕陈振华等.镁合金(M].北京:化学工业出版社,2004[2)夏德宏,吴样宇,张省现等.水煤浆成套燃烧技术在陶瓷辊道畜NOx, ppm上的应用U〕.工业加热,2004,33(6):33-35SOx, ppm〔3〕夏德宏,王世均,水煤浆的厂区管道输送与储备技术[.钢铁,飞灰,g/m31993,28(3):58-61[4]Y. A. Levendis. Combustion Rates of Coal Water Slurry Droplets.Proc. of the17th Intern. Conf. on Coal Utilization Slurry Technology4结语[5JLD. Smoot, Characterization and Combustion of Low Rank CoalWater Slurry, Proc. of the 17th Intem Conf. on Coal Slurry Prepa(1)水煤浆完全可以满足金属镁还原炉炼镁的ration and Utilization, New Olean, Louisiana, 1985, 568-578责任编辑刘克非书讯原铝及其合金的熔炼与铸造一书2005年10月由冶金工业出版社出版铝电解与铝加工生产实现优化组合,每咆产品可节省生产费用400元以上,减少全属铝损耗1%,减少CO2排放量0.2791以上,减少热量損失3.7×105kJ以上。优化组合的结合点在熔铸。本书由沈阳铝镁设计研究院向凌霄冏志极据数十年工作经验编著而成,综述了原铝及其合全的生产技术和特点,从铝冶炼和仝爲材料两个专业角度叙述了熔铸生产工艺,介绍了生产检验、螨助生产、安全与卫生、车间设计及主要生产设备选择原则等内容。本书可供从事铝冶炼与铝加工的工程技术和科研人员阋读,也可供有关专业师生参考。读者可从各地新华书店选购,也可与冶全工业出版社联亲。本书每册定价:59.00元,邮购费为定价的15%。冶金工业出版社发行部电话:(010)64044283传真:(010)64027893冶金书店地址:北京东四西大街46号(100711)电话:(010)65289081