燃?xì)忾g接加熱器選型設(shè)計

劉向斌，武 斌，劉國棟

（1.中機(jī)國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410007；2.中冶南方（武漢）威仕熱工有限公司，湖北武漢 430223）

概述

金屬鎂的生產(chǎn)方法主要有熱還原法和電解法。熱還原法是我國現(xiàn)行普遍應(yīng)用的一種生產(chǎn)金屬鎂的方法[1]，而發(fā)達(dá)國家80%以上的金屬鎂是通過電解法生產(chǎn)[2]。

鹵水煉鎂工藝就是當(dāng)前采用電解法制取金屬鎂的一種先進(jìn)生產(chǎn)工藝。鹵水煉鎂主要分為鹵水脫水、鎂電解與精煉鑄造兩大工序。其中，含水氯化鎂脫水制取無水氯化鎂的過程中，極易水解產(chǎn)生堿式氯化鎂和氧化鎂等有害雜質(zhì)[3]，生產(chǎn)工藝較難控制，制約著電解法在我國的發(fā)展與應(yīng)用[4]。

在國內(nèi)某大型金屬鎂一體化項(xiàng)目中，為解決含水氯化鎂的干燥脫水難題，需要在干燥脫水工藝中設(shè)置燃?xì)忾g接加熱器來加熱干燥脫水工藝介質(zhì)。筆者將結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對該燃?xì)忾g接加熱器的選型設(shè)計特點(diǎn)、核心控制方案及應(yīng)用效果進(jìn)行深入分析。

1 燃?xì)忾g接加熱器組成

該項(xiàng)目燃?xì)忾g接加熱器主要設(shè)備組成包括：助燃風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)爐、換熱器和循環(huán)風(fēng)機(jī)等主體設(shè)備，管道、電氣儀表控制等輔助設(shè)備，流程如圖1所示[5]。

圖1 燃?xì)忾g接加熱器流程簡圖

天然氣和助燃風(fēng)機(jī)鼓入的環(huán)境空氣，經(jīng)過布置在熱風(fēng)爐上的燃燒器充分混合燃燒生成高溫?zé)煔?，然后由煙道進(jìn)入換熱器，與通過換熱器的干燥脫水介質(zhì)發(fā)生熱量交換，從而利用煙氣余熱將干燥脫水加熱至脫水干燥工藝要求的溫度。高溫?zé)煔馔瓿蔁峤粨Q后變?yōu)榈蜏責(zé)煔?，被設(shè)置在換熱器后的循環(huán)風(fēng)機(jī)抽出，大部分送入熱風(fēng)爐與新生成的高溫?zé)煔饫^續(xù)摻混，實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)，剩余部分則經(jīng)由煙囪排入大氣。電氣儀表設(shè)備及其相關(guān)控制系統(tǒng)，使燃?xì)忾g接加熱器在各種工藝條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行與安全連鎖。

2 主要選型設(shè)計

為使燃?xì)忾g接加熱器滿足工藝要求并能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，須對設(shè)備選型和控制手段予以充分考慮，主要包括：燒嘴及其控制器選型，熱風(fēng)爐設(shè)計，風(fēng)機(jī)選型，換熱器設(shè)計（按常規(guī)需求設(shè)計，不做詳述），防爆措施，電氣儀表控制。

2.1 燒嘴及其控制器選型

通過熱平衡計算，該項(xiàng)目熱風(fēng)爐配置一個12 MW的大功率燒嘴?？紤]到熱風(fēng)爐的功能就是均勻混合燒嘴燃燒生成的高溫?zé)煔夂偷蜏鼗亓鳠煔?，因此采用高速明火燒嘴，以提高混合效率。因燒嘴功率較大，為保證點(diǎn)火安全，大功率明火燒嘴需要配置點(diǎn)火燒嘴。點(diǎn)火時，先點(diǎn)燃點(diǎn)火燒嘴，通過點(diǎn)火燒嘴再點(diǎn)燃主燒嘴。主燒嘴采用自檢式UV檢測，不僅可實(shí)現(xiàn)火焰的實(shí)時監(jiān)測，而且可實(shí)現(xiàn)對UV本身是否運(yùn)行進(jìn)行可靠性監(jiān)測，保證主燒嘴安全運(yùn)行。

燒嘴控制器選用Kromschroder BCU480（以下簡稱BCU），實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)火燒嘴和主燒嘴火焰的監(jiān)測及信號傳輸?？刂七^程如下：DCS給BCU點(diǎn)火信號，BCU打開點(diǎn)火燃?xì)怆姶砰y，開始對點(diǎn)火燒嘴點(diǎn)火；點(diǎn)火成功后，BCU將點(diǎn)火燒嘴的火焰信號傳給DCS，此時DCS可自設(shè)定點(diǎn)火燒嘴火焰成功反饋到主燒嘴準(zhǔn)備點(diǎn)火的時間間隔；主燒嘴點(diǎn)火時，DCS控制主燃?xì)夤苈废嚓P(guān)閥門打開，并將準(zhǔn)備點(diǎn)火的信號傳給BCU，BCU再控制燒嘴前的主燃?xì)忾y門慢開，直到點(diǎn)火成功；如果此時點(diǎn)火失敗，BCU將自動關(guān)閉嘴前的主燃?xì)夂忘c(diǎn)火燃?xì)鉄袛嚅y。

2.2 熱風(fēng)爐設(shè)計

熱風(fēng)爐設(shè)計應(yīng)實(shí)現(xiàn)燒嘴穩(wěn)定燃燒以生成高溫?zé)煔?，并與換熱后回流的低溫?zé)煔庥行Щ旌希梢鬁囟确秶鷥?nèi)的混合煙氣?？紤]到高溫?zé)煔夂偷蜏責(zé)煔獾挠行Щ旌蠒r間，將低溫?zé)煔馊肟谠O(shè)計在靠近燒嘴側(cè)。但是低溫回流的煙氣氧含量低，如果使其直接在燒嘴根部與高溫?zé)煔膺M(jìn)行混合，會嚴(yán)重影響燒嘴的正常燃燒，造成燒嘴局部燃燒不充分，降低燒嘴的燃燒效率，同時造成未充分燃燒的天然氣沿程燃燒，延長火焰長度，導(dǎo)致高低溫?zé)煔饣旌喜痪鶆?。為此，熱風(fēng)爐內(nèi)部靠近燒嘴側(cè)，特別設(shè)計了一個內(nèi)筒，詳見圖2。

圖2 熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)簡圖

熱風(fēng)爐內(nèi)筒置于燒嘴側(cè)，一方面避免了大量低溫?zé)煔庵苯記_擊燒嘴根部而影響火焰正常燃燒；另一方面，內(nèi)筒調(diào)整了低溫回流煙氣的流場，使其從內(nèi)筒外側(cè)四周沿軸向均勻噴出，與高溫?zé)煔饩鶆蚧旌希岣吡嘶旌闲?，縮短了混合時間。

要使低溫回流煙氣從內(nèi)筒外側(cè)四周沿軸向均勻噴出，低溫回流煙氣進(jìn)入熱風(fēng)爐內(nèi)部時首先要在內(nèi)筒外側(cè)四周形成一個穩(wěn)定壓力場。這個穩(wěn)定壓力場的壓力要高于熱風(fēng)爐內(nèi)部其他區(qū)域的壓力，以使低溫回流煙氣均勻地分布在內(nèi)筒外側(cè)四周。這樣，降低了內(nèi)筒的工作溫度，保證了其使用壽命，相對壓力差使低溫?zé)煔饩鶆虻匮貎?nèi)筒兩端噴出與高溫?zé)煔饣旌?。那么如何使低溫?zé)煔庋貎?nèi)筒外側(cè)四周形成均勻壓力場呢？通過調(diào)整內(nèi)筒兩端煙氣的流通截面積。通過理論計算和數(shù)值模擬，低溫回流煙氣在進(jìn)入熱風(fēng)爐處流速與其在內(nèi)筒兩端處流速之比為0.17～0.2，方能形成穩(wěn)定壓力場。

為降低內(nèi)筒溫度，并避免燒嘴根部區(qū)域產(chǎn)生低壓渦流區(qū)，影響正常燃燒，熱風(fēng)爐內(nèi)筒與燒嘴之間設(shè)置低溫?zé)煔饣亓骺p，回流縫的寬度控制在50 mm～120 mm，目的是將根部回流的煙氣量控制在30%左右。

由于大功率明火燒嘴，火焰長度較長，在實(shí)際燃燒過程中會形成火焰上浮現(xiàn)象，不僅會使熱風(fēng)爐內(nèi)筒上部出現(xiàn)過熱，同時影響低溫?zé)煔夂透邷責(zé)煔獾幕旌暇鶆蛐?。通過調(diào)整內(nèi)筒外側(cè)與熱風(fēng)爐內(nèi)壁之間形成的上下半環(huán)形流道的截面積，使通過上下半環(huán)形的低溫?zé)煔獾牧髁坎煌?，以平衡火焰上浮帶來的高溫?zé)煔饩鄯e現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬計算，內(nèi)筒上下半環(huán)形流道截面積之比控制在1.6左右，可使熱風(fēng)爐內(nèi)部高低溫?zé)煔饣旌暇鶆蛟斠妶D3。

圖3 熱風(fēng)爐內(nèi)部溫度場分布圖

如圖3所示，當(dāng)內(nèi)筒上下半環(huán)形流道截面積之比控制在1.6時，熱風(fēng)爐上部內(nèi)壁不再有高溫?zé)煔夥e聚，既降低了內(nèi)壁溫度，提高了設(shè)備使用壽命，又提高了混合的均勻性。

2.3 風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)選型設(shè)計主要是確定風(fēng)機(jī)的流量和壓力。風(fēng)機(jī)的流量取決于工藝設(shè)備的需求，風(fēng)機(jī)壓頭則取決于所連接管道的管路阻力損失。由于該項(xiàng)目位于高海拔環(huán)境下，管路阻力損失的計算除溫度修正外，還要有壓力修正。風(fēng)機(jī)的流量按照工藝設(shè)備的要求應(yīng)考慮一定的富裕量。由管道阻力損失可確定風(fēng)機(jī)的靜壓，風(fēng)機(jī)的全壓為風(fēng)機(jī)的靜壓與風(fēng)機(jī)出口處動壓之和。

2.4 防爆措施

燃?xì)忾g接加熱器采用了強(qiáng)制送風(fēng)的燒嘴，按照規(guī)范《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》GB6222-2005要求，除了在天然氣管道上增加自動切斷閥外，在空氣管道上還增加了泄爆膜，以保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全。在設(shè)計中，已知空氣管道的容積，按照爆炸壓力為0.2 MPa及其對應(yīng)的泄壓面積比，確定空氣管道的泄爆膜面積，泄爆膜采用在不銹鋼片中間劃十字線的方式制作。泄爆膜應(yīng)垂直安裝并盡可能置于空氣管道端頭的盲板處。

2.5 電氣儀表控制

電氣控制主要是通過工廠DCS系統(tǒng)控制MCC柜來控制風(fēng)機(jī)電機(jī)啟停。該項(xiàng)目中由于燃?xì)忾g接加熱器一般在額定工況運(yùn)行，對系統(tǒng)能力的調(diào)節(jié)寬度沒有要求，所以燃?xì)忾g接加熱器中的助燃風(fēng)機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)全部采用恒速電機(jī)。綜合電機(jī)的功率大小和母線總?cè)萘浚硷L(fēng)機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)的電機(jī)全部采用直接啟動，沒有在MCC柜中設(shè)置軟啟動器。

另外，考慮到燃?xì)忾g接加熱器系統(tǒng)是一個相對循環(huán)密閉的系統(tǒng)，在其事故停車或失電時，要及時將系統(tǒng)內(nèi)的殘余煙氣排放出去，以消除爆炸危險。因此，為循環(huán)風(fēng)機(jī)設(shè)置了緊急電源，保證正常失電時，緊急電源能夠維持循環(huán)風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，將系統(tǒng)內(nèi)殘余的煙氣及時排放到大氣中。

儀表控制主要包括燒嘴燃燒控制、熱風(fēng)爐溫度控制、熱風(fēng)爐壓力控制、天然氣和空氣流量控制、煙氣流量控制以及安全連鎖保護(hù)等。

燒嘴燃燒控制主要有點(diǎn)火控制、火焰檢測、燒嘴能力調(diào)節(jié)；熱風(fēng)爐溫度控制是按照熱電偶檢測的溫度與設(shè)定值的偏差，對燒嘴能力和煙氣流量進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，使熱風(fēng)爐的溫度穩(wěn)定在要求范圍；熱風(fēng)爐壓力控制通過調(diào)節(jié)煙氣流量和循環(huán)風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口風(fēng)門開度來實(shí)現(xiàn)；天然氣和空氣流量控制采用雙交叉限幅方式，使空燃比保持在要求范圍，保證燒嘴在不同運(yùn)行條件時，天然氣在過氧氣氛下充分燃燒；煙氣流量控制是通過調(diào)節(jié)回流煙氣與排廢煙氣的比例及燒嘴能力，結(jié)合熱風(fēng)爐溫度偏差，保證回流煙氣的準(zhǔn)確流量。系統(tǒng)安全連鎖保護(hù)詳見表1。

表1 系統(tǒng)安全連鎖保護(hù)表

3 結(jié)語

含水氯化鎂的干燥脫水是鹵水煉鎂工藝中的技術(shù)難題之一，長期制約著電解法生產(chǎn)金屬鎂在我國的發(fā)展。在筆者所述國內(nèi)某大型金屬鎂一體化項(xiàng)目中，通過在干燥脫水工藝中設(shè)置特殊設(shè)計的燃?xì)忾g接加熱器來加熱干燥脫水工藝介質(zhì)，嘗試解決這項(xiàng)難題。

筆者所述的燃?xì)忾g接加熱器，采用了合理優(yōu)化的選型設(shè)計與控制方案，目前已完成單機(jī)調(diào)試與金屬鎂一體化生產(chǎn)線的聯(lián)試聯(lián)調(diào)，成功應(yīng)用于金屬鎂的生產(chǎn)，協(xié)同解決了鹵水煉鎂工藝中含水氯化鎂的干燥脫水難題。希望所述燃?xì)忾g接加熱器在鹵水煉鎂干燥脫水工藝中的成功應(yīng)用，可以為類似項(xiàng)目提供參考。

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