劉向斌，武 斌，劉國棟

（1.中機國際工程設(shè)計研究院有限責任公司，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前采用電解法制取金屬鎂的一種先進生產(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)置燃氣間接加熱器來加熱干燥脫水工藝介質(zhì)。筆者將結(jié)合該項目的實際經(jīng)驗，對該燃氣間接加熱器的選型設(shè)計特點、核心控制方案及應(yīng)用效果進行深入分析。

1 燃氣間接加熱器組成

該項目燃氣間接加熱器主要設(shè)備組成包括：助燃風機、熱風爐、換熱器和循環(huán)風機等主體設(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 燃氣間接加熱器流程簡圖

天然氣和助燃風機鼓入的環(huán)境空氣，經(jīng)過布置在熱風爐上的燃燒器充分混合燃燒生成高溫煙氣，然后由煙道進入換熱器，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。高溫煙氣完成熱交換后變?yōu)榈蜏責煔?，被設(shè)置在換熱器后的循環(huán)風機抽出，大部分送入熱風爐與新生成的高溫煙氣繼續(xù)摻混，實現(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)，使燃氣間接加熱器在各種工藝條件下實現(xiàn)穩(wěn)定運行與安全連鎖。

2 主要選型設(shè)計

為使燃氣間接加熱器滿足工藝要求并能夠安全穩(wěn)定運行，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，熱風爐設(shè)計，風機選型，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，該項目熱風爐配置一個12 MW的大功率燒嘴?？紤]到熱風爐的功能就是均勻混合燒嘴燃燒生成的高溫煙氣和低溫回流煙氣，因此采用高速明火燒嘴，以提高混合效率。因燒嘴功率較大，為保證點火安全，大功率明火燒嘴需要配置點火燒嘴。點火時，先點燃點火燒嘴，通過點火燒嘴再點燃主燒嘴。主燒嘴采用自檢式UV檢測，不僅可實現(xiàn)火焰的實時監(jiān)測，而且可實現(xiàn)對UV本身是否運行進行可靠性監(jiān)測，保證主燒嘴安全運行。

燒嘴控制器選用Kromschroder BCU480（以下簡稱BCU），實現(xiàn)對點火燒嘴和主燒嘴火焰的監(jiān)測及信號傳輸。控制過程如下：DCS給BCU點火信號，BCU打開點火燃氣電磁閥，開始對點火燒嘴點火；點火成功后，BCU將點火燒嘴的火焰信號傳給DCS，此時DCS可自設(shè)定點火燒嘴火焰成功反饋到主燒嘴準備點火的時間間隔；主燒嘴點火時，DCS控制主燃氣管路相關(guān)閥門打開，并將準備點火的信號傳給BCU，BCU再控制燒嘴前的主燃氣閥門慢開，直到點火成功；如果此時點火失敗，BCU將自動關(guān)閉嘴前的主燃氣和點火燃氣燒切斷閥。

2.2 熱風爐設(shè)計

熱風爐設(shè)計應(yīng)實現(xiàn)燒嘴穩(wěn)定燃燒以生成高溫煙氣，并與換熱后回流的低溫煙氣有效混合，生成要求溫度范圍內(nèi)的混合煙氣?？紤]到高溫煙氣和低溫煙氣的有效混合時間，將低溫煙氣入口設(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煙氣進行混合，會嚴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，導致高低溫煙氣混合不均勻。為此，熱風爐內(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 熱風爐結(jié)構(gòu)簡圖

熱風爐內(nèi)筒置于燒嘴側(cè)，一方面避免了大量低溫煙氣直接沖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，與高溫煙氣均勻混合，提高了混合效率，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，低溫回流煙氣進入熱風爐內(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，相對壓力差使低溫煙氣均勻地沿內(nèi)筒兩端噴出與高溫煙氣混合。那么如何使低溫煙氣沿內(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，低溫回流煙氣在進入熱風爐處流速與其在內(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，熱風爐內(nèi)筒與燒嘴之間設(shè)置低溫煙氣回流縫，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，在實際燃燒過程中會形成火焰上浮現(xiàn)象，不僅會使熱風爐內(nèi)筒上部出現(xiàn)過熱，同時影響低溫煙氣和高溫煙氣的混合均勻性。通過調(diào)整內(nèi)筒外側(cè)與熱風爐內(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)形的低溫煙氣的流量不同，以平衡火焰上浮帶來的高溫煙氣聚積現(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，可使熱風爐內(nèi)部高低溫煙氣混合均勻詳見圖3。

圖3 熱風爐內(nèi)部溫度場分布圖

如圖3所示，當內(nèi)筒上下半環(huán)形流道截面積之比控制在1.6時，熱風爐上部內(nèi)壁不再有高溫煙氣積聚，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 風機選型

風機選型設(shè)計主要是確定風機的流量和壓力。風機的流量取決于工藝設(shè)備的需求，風機壓頭則取決于所連接管道的管路阻力損失。由于該項目位于高海拔環(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。風機的流量按照工藝設(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機的靜壓，風機的全壓為風機的靜壓與風機出口處動壓之和。

2.4 防爆措施

燃氣間接加熱器采用了強制送風的燒嘴，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柜來控制風機電機啟停。該項目中由于燃氣間接加熱器一般在額定工況運行，對系統(tǒng)能力的調(diào)節(jié)寬度沒有要求，所以燃氣間接加熱器中的助燃風機和循環(huán)風機全部采用恒速電機。綜合電機的功率大小和母線總?cè)萘?，助燃風機和循環(huán)風機的電機全部采用直接啟動，沒有在MCC柜中設(shè)置軟啟動器。

另外，考慮到燃氣間接加熱器系統(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)風機設(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)風機的正常運行，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、熱風爐溫度控制、熱風爐壓力控制、天然氣和空氣流量控制、煙氣流量控制以及安全連鎖保護等。

燒嘴燃燒控制主要有點火控制、火焰檢測、燒嘴能力調(diào)節(jié)；熱風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行綜合調(diào)節(jié)，使熱風爐的溫度穩(wěn)定在要求范圍；熱風爐壓力控制通過調(diào)節(jié)煙氣流量和循環(huán)風機吸風口風門開度來實現(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)合熱風爐溫度偏差，保證回流煙氣的準確流量。系統(tǒng)安全連鎖保護詳見表1。

表1 系統(tǒng)安全連鎖保護表

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目中，通過在干燥脫水工藝中設(shè)置特殊設(shè)計的燃氣間接加熱器來加熱干燥脫水工藝介質(zhì)，嘗試解決這項難題。

筆者所述的燃氣間接加熱器，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。希望所述燃氣間接加熱器在鹵水煉鎂干燥脫水工藝中的成功應(yīng)用，可以為類似項目提供參考。

[1]付榕，程陽，等.金屬鎂生產(chǎn)方法及其評價[J].化學工程師，2011，192（9）：37-40.

[2]韓繼龍，孫慶國.金屬鎂生產(chǎn)工藝進展[J].鹽湖研究，2008，16（4）：59-65.

[3]田震.金屬鎂生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].海湖鹽與化工，2002，31（3）：11-14.

[4] 孫曉思. 金屬鎂生產(chǎn)工藝概述[J].山西冶金，2011，34（3）：1-4.

[5]劉向斌，武斌，等.鹵水煉鎂干燥工藝介質(zhì)加熱系統(tǒng)選型設(shè)計[J].冶金動力，2017，211（9）：4-10.