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        鉬粉二段還原過程能耗組成分析

        2020-01-01 07:33:16弋社峰
        中國(guó)鉬業(yè) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:鉬粉氧化鉬爐體

        弋社峰

        (金堆城鉬業(yè)股份有限公司金屬分公司,陜西 西安 710077)

        0 引 言

        通常工業(yè)化生產(chǎn)鉬粉采用二段還原法,現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)鉬粉二段還原的主要設(shè)備有:平四管爐、十八管爐,加熱方式有電加熱和天然氣加熱兩種形式[1]。目前對(duì)于能源消耗的分析有銅精煉過程的模糊自適應(yīng)變權(quán)重組合預(yù)測(cè)模型,鋼鐵行業(yè)定量分析模型,基于泛函分析的銅精煉重油消耗最優(yōu)控制等[2-4],但對(duì)于二段還原中鉬粉還原能源組成卻鮮有報(bào)道。國(guó)內(nèi)外許多專家[5-8]在鉬粉還原過程及理論方面指出了一段還原、二段還原的反應(yīng)模型及還原動(dòng)力學(xué),闡述了還原過程中存在的物相變化等理論,因此本文將基于二段還原的反應(yīng)模型及還原動(dòng)力學(xué),分析還原過程中的能源消耗。隨著國(guó)家對(duì)企業(yè)節(jié)能降耗要求的日益嚴(yán)格,如何降低產(chǎn)品能耗變得越來(lái)越重要,弄清生產(chǎn)過程中能耗結(jié)構(gòu),做到心中有數(shù),為下一步進(jìn)行技術(shù)更新、設(shè)備改造、工藝優(yōu)化提供方向,將變得越來(lái)越重要。下面以天然氣加熱的十八管爐還原設(shè)備為對(duì)象進(jìn)行能耗分析,以求達(dá)到弄清能源消耗分布情況,為降低鉬粉還原能耗提供借鑒。

        1 試驗(yàn)方法

        下面以某廠家鉬粉二段還原為例,十八管爐還原過程中所需要的熱量靠天然氣燃燒來(lái)提供。整個(gè)二段還原生產(chǎn)過程中熱量的消耗主要在以下幾個(gè)方面:(1)反應(yīng)過程所消耗的熱量。(2)二氧化鉬升溫至反應(yīng)溫度所消耗的熱量。(3)還原過程中料舟升溫所消耗的熱量。(4)反應(yīng)氣體氫氣升溫及過量反應(yīng)氣體帶走的熱量。(5)反應(yīng)設(shè)備十八管爐爐體散熱所損失的熱量。(6)天然氣燃燒過程中廢氣帶走的熱量。下面將結(jié)合反應(yīng)對(duì)二段還原過程中以上幾個(gè)方面的熱消耗進(jìn)行計(jì)算。

        2 計(jì)算結(jié)果及分析

        2.1 生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)

        2.1.1 生產(chǎn)過程中十八管爐工藝參數(shù)(見表1)。

        表1 二段還原部分參數(shù)

        還原反應(yīng)方程式如下式:

        MoO2+2H2=Mo+2H2O

        (1)

        2.1.2 能耗計(jì)算中所需參數(shù)

        根據(jù)表1、方程式(1)計(jì)算可得,生產(chǎn)1 t鉬粉,還原所需的時(shí)間、二氧化鉬的質(zhì)量、氫氣的體積、料舟的使用量、水蒸氣的生成量。

        (1)二氧化鉬所需量

        1 000×(128÷96)=1 333.33 kg

        (2)料舟使用量

        1 333.33÷1.4=953個(gè)

        (3)生產(chǎn)用時(shí)

        953÷72=13.23 h

        (4)生產(chǎn)過程中氫氣總用量

        360×13.23=4 761.92 m3

        (5)反應(yīng)消耗氫氣總量

        2×22.4×106÷96=466.67m3

        2.2 熱量消耗計(jì)算

        2.2.1各個(gè)部分熱量消耗計(jì)算

        2.2.1.1 反應(yīng)所需熱量

        根據(jù)熱效應(yīng)與溫度是狀態(tài)函數(shù)的特點(diǎn),圖1將生產(chǎn)中的反應(yīng)路徑分以下幾個(gè)步驟完成,以便計(jì)算出該工藝條件下反應(yīng)的熱效應(yīng)。圖1反映了鉬粉二段還原過程中反應(yīng)熱效應(yīng)[9]。

        圖1 鉬粉二段還原過程中反應(yīng)熱效應(yīng)

        ΔH298 K=ΔfHMo+2ΔfHH2O-ΔfHMoO2-2ΔfHH2

        =-73.3 kJ/mol

        =11.32 kJ/mol

        =69.98 kJ/mol

        ΔHm1=2×41.11=82.22 kJ/mol

        ΔHm=ΔH1+ΔH298 K+ΔH2+ΔHm1+ΔH3+ΔH4

        在該生產(chǎn)條件下生產(chǎn)1 t鉬粉反應(yīng)共需熱量為:

        2.2.1.2 二氧化鉬升至平均反應(yīng)溫度所需熱量

        二氧化鉬在進(jìn)入反應(yīng)區(qū)前經(jīng)過爐管的預(yù)熱區(qū),在預(yù)熱區(qū)內(nèi),反應(yīng)生成的高溫水蒸氣、過量的氫氣在進(jìn)入回收管道前,通過熱交換將二氧化鉬、料舟溫度提升至300 ℃左右。

        計(jì)算可得:

        2.2.1.3 料舟升至爐溫所需熱量

        根據(jù)計(jì)算得知,生產(chǎn)1 t鉬粉出舟數(shù)為953個(gè),生產(chǎn)中每個(gè)料舟的平均質(zhì)量為3 kg,生產(chǎn)過程中這些料舟的熱損失為:

        2.2.1.4 過量反應(yīng)氣體帶走的熱量

        根據(jù)前面計(jì)算可知,該工藝條件下生產(chǎn)1 t鉬粉供氫總量為4 761.92 m3,減去反應(yīng)消耗的氫氣466.67 m3,過量反應(yīng)氣體帶走熱量為:

        =29.22 kJ/mol

        =5 603 MJ

        2.2.1.5 爐體輻射損失的熱量

        根據(jù)該爐體的特征及燃燒廢氣排放路徑[9],本文只考慮進(jìn)出料端爐壁的散熱。

        爐體表面溫度t1=301 ℃、外界溫度t2=25 ℃

        爐壁長(zhǎng)l=2.5 m 高d=3 m

        查表得:

        ρ=0.815 kg/m3Cp=1.017 kJ/(kg·℃)

        λ=3.64×10-2W/(m·℃)

        μ=24.5×10-6Pa·s計(jì)算得:

        =6.84×10-4

        =1.05×1011

        Pr·Gr=7.19×107

        根據(jù)上式查的

        c=0.59 n=1/4

        計(jì)算的流體常數(shù)

        計(jì)算得傳熱系數(shù)

        根據(jù)牛頓傳熱公式計(jì)算得

        生產(chǎn)1 t鉬粉爐體進(jìn)出料端的輻射熱損失為:

        ΔH輻射熱=2×1 637.46×13.23×3.6

        =155.99 MJ

        2.2.1.6 燃燒廢氣所帶走的熱量

        根據(jù)對(duì)生產(chǎn)過程中天然氣用量的統(tǒng)計(jì),在該工藝條件下生產(chǎn)1 t鉬粉二段還原實(shí)際消耗天然氣503 m3。

        CH4+2O2=CO2+2H2O

        (2)

        計(jì)算可得:

        =42.77 kJ/mol

        =31.75 kJ/mol

        由方程2及空氣中氧氣含量計(jì)算可得,每生產(chǎn)1 t鉬粉燃?xì)馊紵a(chǎn)生廢氣量見表2。

        表2 廢氣組成情況

        由以上數(shù)據(jù)計(jì)算可得:

        ΔHCO2(g)=23 660.02×53.32=1 261.55 MJ

        ΔHH2O(g)=44 909.16×42.77=1 920.76 MJ

        ΔHN2(g)=178 006.34×31.75=5 651.7 MJ

        計(jì)算可得燃燒廢氣所帶走的熱量為:

        ΔH廢氣=8 834.01 MJ

        2.2.2 反應(yīng)過程中總能耗

        ΔH總=ΔH反應(yīng)+ΔHMoO2升溫+ΔH料舟升溫+ΔH過量反應(yīng)氣體+ΔH輻射熱+ΔH廢氣=17 143 MJ

        統(tǒng)計(jì)上面計(jì)算結(jié)果,得表3能耗組成情況分析。

        表3 二段還原能耗組成情況

        圖2 能耗組成圖

        2.3 結(jié)果驗(yàn)證及降低能耗分析

        根據(jù)實(shí)際西安市天然氣熱值約為35 MJ/m3計(jì)算,503 m3天然氣熱值為17 605 MJ,比實(shí)際消耗熱量17 143 MJ多出462 MJ。原因可能是由于料舟的長(zhǎng)期使用部分料舟粘附了一定量的鉬粉,消耗了部分熱量;爐管與爐體接觸處密封不嚴(yán)導(dǎo)致熱量散失;天然氣配比未達(dá)到最佳導(dǎo)致燃燒不充分;點(diǎn)火器故障頻發(fā)導(dǎo)致部分燃?xì)饫速M(fèi)。

        針對(duì)計(jì)算結(jié)果,未能利用的熱量可以通過以下3個(gè)途徑進(jìn)行改善:

        (1)燃燒廢氣帶走了近52%的熱量。可以通過測(cè)定廢氣中氣體組分含量,指導(dǎo)調(diào)節(jié)燃?xì)獗壤岣咛烊粴馊紵寐?;降低多余廢氣帶走的熱量,從而降低天然氣消耗。

        (2)通過設(shè)備管道改造,利用高溫燃燒廢氣對(duì)混合燃燒氣進(jìn)行預(yù)熱,降低燃?xì)庀?;?duì)反應(yīng)用氫氣進(jìn)行預(yù)熱,降低因加熱氫氣而消耗的熱量,進(jìn)而降低天然氣消耗;保證點(diǎn)火器正常工作,減少天然氣消耗。

        (3)在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化,盡量降低二段還原給氫量,降低天然氣的消耗;定期對(duì)粘附的物料進(jìn)行清理,可以降低部分天然氣消耗。

        3 結(jié) 論

        鉬粉二段還原過程中ELINO還原爐的天然氣消耗各部分的占比情況是:反應(yīng)過程消耗熱量為8.07%,二氧化鉬升溫消耗的熱量為3.38%,料舟升溫所消耗熱量為3.42%,過量反應(yīng)氣體帶走的熱量為32.68%,爐體散熱帶走的熱量為0.92%,燃燒廢氣帶走的熱量為51.53%。

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