孫添文，陳 韌，羅志國，鄒宗樹

(1.東北大學 冶金多相傳輸及反應工程研究所，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧科技學院 冶金工程學院，遼寧 本溪 117004)

由于我國工業(yè)化進程的不斷發(fā)展，使得國內的能源需求日益增長。為了降低能源體系供給側的壓力，需提高能源利用效率，而減少能源的浪費是目前普遍采用的一種方法。其中，在菱鎂礦冶煉工藝過程中，所生產的鎂熔坨含有大量的顯熱和潛熱資源，冶煉后的鎂熔坨中心溫度在2 800 ℃以上，外表面皮砂的溫度在1 000 ℃～1 200 ℃。傳統(tǒng)的電熔鎂砂生產工藝是將冶煉結束后的電熔鎂坨自然冷卻5天～7天，這不僅惡化了周邊環(huán)境，而且浪費了大量的余熱資源。為響應國家節(jié)能減排的號召，需對冶煉結束后鎂熔坨的余熱進行回收。

圖1 電熔鎂砂制備傳統(tǒng)工藝流程

前人對鎂坨余熱回收的方法主要有通風取熱、通水取熱以及通風與通水相結合三種方法[1-6]。其中，如果采用通風取熱的方式，由于冶煉結束的電熔鎂坨外部有一層熱阻大、導熱系數(shù)小的皮砂，那么則需要通入大量的空氣進行冷卻，最終會導致得到的氣體溫度降低，進而會影響物料預熱溫度。如果采用通水取熱的方式，因熔煉結束后的鎂坨外表面皮砂溫度能夠達到1 200 ℃左右，那么用幾十度的熱水來回收余熱不符合能量梯級利用原則，且回收的熱量不能用于預熱物料，降低了預熱物料的可用能?；诖吮疚奶岢隽艘环N電熔鎂坨余熱回收新工藝，新工藝以Al-Si合金相變儲熱材料為余熱回收載體對鎂坨的余熱進行回收，以解決目前存在的鎂坨余熱資源浪費嚴重、空氣作為余熱回收載體時氣體溫度低、物料預熱溫度低等問題。本工藝的創(chuàng)新點在于所采用的余熱回收載體為具有高儲熱量，熱穩(wěn)定性好、可重復使用、導熱率高的Al-Si合金相變儲熱材料[7-9](PCM)。Al-Si合金相變儲熱材料所具有的優(yōu)點使得本工藝不僅能夠充分回收鎂熔坨中的余熱資源，而且能夠提高空氣作為余熱回收載體時氣體的溫度，并且將回收的部分余熱用于預熱物料，可將物料預熱至350 ℃，減少了能源的消耗。

1 電熔鎂坨余熱回收新工藝

1.1 電熔鎂坨所含熱量的理論計算

冶煉結束后的電熔鎂坨所含有的熱量主要集中于中心的電熔鎂砂區(qū)域，其溫度約為2 850 ℃，電熔鎂砂主要成分為MgO。在計算電熔鎂砂所含有的熱量時，認為MgO從初始溫度加熱到熔點溫度2 800 ℃的過程中，MgO的比熱隨溫度的升高而增加，在MgO熔化后處于液相狀態(tài)的過程中比熱為一定值。查閱文獻[10]可以得到MgO的比熱隨溫度的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 MgO比熱隨溫度的變化規(guī)律

經擬合后可得MgO的比熱隨溫度變化的關系式為：

單位質量MgO升溫至2 800 ℃所含有的顯熱熱量Q1為：

=3 711 kJ/kg

單位質量MgO從2 800 ℃升溫至2 850 ℃所含有的顯熱熱量Q2為：

總顯熱Q3為：

Q3= Q1+ Q2=3 786 kJ/kg

熔化潛熱Q4為：

Q4=1 920 kJ/kg

單位質量的電熔鎂砂所含有的全部熱量Q5為：

Q5= Q3+ Q4=5 706 kJ/kg

本文電熔鎂坨含有電熔鎂砂的質量為6.24 t，則電熔鎂砂含有的全部熱量為35 605 440 kJ，約合9 890 kW·h。電熔鎂坨外層存在一層熱阻大的皮砂，在熔煉結束后，皮砂的平均溫度約為1 485 ℃，其含有的熱量約為28 00 kW·h。

綜上所述，在計算電鎂坨所含熱量時，若忽略電熔鎂砂在熔煉過程中已經部分結晶，則電熔鎂坨所含有的全部熱量為12 690 kW·h。

1.2 電熔鎂坨余熱回收新工藝設計

電熔鎂坨的余熱回收過程可主要分為破碎前在余熱回收室的散熱過程、破碎后在高溫熱交換塔的通風取熱過程、物料預熱過程三個階段。電熔鎂坨破碎前，以輻射換熱的方式對鎂坨余熱進行回收，余熱回收載體采用Al-Si合金相變儲熱材料。輻射換熱后，對相變儲熱材料進行通風取熱。電熔鎂坨破碎后，將已結晶的電熔鎂砂送入熱交換塔內以通風的方式進行取熱，兩階段獲得的熱風用于預熱物料。

電熔鎂坨余熱回收新工藝流程中的設備包括除塵器、物料預熱塔、密封脫殼室、余熱回收室、破碎裝置、高溫熱交換塔、鼓風機。具體工藝流程如圖3所示：

圖3 電熔鎂余熱回收新工藝流程圖

1.3 破碎前在余熱回收室的散熱過程

經三相電弧爐熔煉后的高溫鎂熔坨被送入密封脫殼室，在密封脫殼室脫去鎂熔坨的外層鋼板，脫殼后的鎂坨外表面皮砂溫度在1 200 ℃左右。鎂坨脫殼后，將其送入余熱回收室(如圖4)，余熱回收室內襯保溫材料以減少熱損失。余熱回收室中設有Al-Si合金相變儲熱材料，儲熱材料由導熱系數(shù)大的銅板進行包覆，被送入余熱回收室的鎂坨與Al-Si合金相變儲熱材料進行輻射換熱，當鎂坨內的電熔鎂砂的平均溫度降到1 200 ℃時，電熔鎂坨與相變儲熱材料的輻射換熱強度已經很小，此時將電熔鎂坨移出余熱回收室送入后續(xù)破碎裝置。經輻射換熱后，余熱回收室內Al-Si合金相變儲熱材料已經全部熔化，熔化后的平均溫度為716 ℃。然后鼓風機將30 ℃的空氣通入相變儲熱材料，經通風取熱后，可以得到380 ℃-470 ℃的熱風，所獲得的熱風通入物料預熱塔，對預熱塔內的物料進行預熱。

圖4 余熱回收室

Al-Si合金相變儲熱材料相關的物性參數(shù)表1所示。

表1 Al-Si合金的物性參數(shù)

1.4 破碎后在高溫熱交換塔的通風取熱過程

將在余熱回收室內進行輻射換熱后的電熔鎂坨送入破碎裝置進行破碎，其目的是去除外層導熱系數(shù)小的皮砂以及將已結晶的電熔鎂砂破碎成塊。破碎后，將電熔鎂砂送入高溫熱交換塔(如圖5)，鼓風機將30 ℃的空氣通入高溫熱交換塔，經通風取熱后，可以得到250 ℃～860 ℃的熱風，所獲得的熱風通入物料預熱塔，對預熱塔內的物料進行預熱。熱交換塔內的電熔鎂砂經換熱后從塔底排出并進行分選，排出的電熔鎂砂平均溫度為250 ℃。

圖5 高溫熱交換塔

1.5 物料預熱過程

通過傳送帶將菱鎂礦原料運送到物料預熱塔(如圖6)的上方料斗中，將來自熱交換塔的250 ℃～860 ℃的熱風以及來自余熱回收室的380 ℃～470 ℃的熱風從物料預熱塔的底部通入塔內，換熱后的氣體從物料預熱塔側面氣口排出，氣體出口與除塵器相連，氣體經除塵器除塵后排入大氣。來自熱交換塔以及余熱回收室的熱風可將菱鎂礦原料預熱至350 ℃，預熱后的菱鎂礦可直接送入三相電弧爐進行冶煉。

圖6 物料預熱塔

電熔鎂坨余熱回收新工藝的能量流動圖如圖7所示：

圖7 電熔鎂坨余熱回收新工藝能量流動圖

2 鎂坨的熱平衡計算

電熔鎂坨余熱回收新工藝的熱量平衡表如表2所示：

表2 電熔鎂坨余熱回收新工藝能量平衡表

經計算，物料預熱的可用能占鎂坨熱量的39.5%，回收的熱量可將55 t的菱鎂礦預熱至350 ℃。當物料被預熱至350 ℃時，熔煉每噸菱鎂礦可節(jié)約電量92.1 kW·h，預熱后的物料可直接送至電弧爐進行冶煉，以所需原料15 t的菱鎂礦工藝為例，熔煉一個電熔鎂坨可節(jié)約電量1 381.5 kW·h。

3 結語

本文提出了一種電熔鎂坨余熱回收新工藝，并對新工藝流程中能量的收支平衡進行了計算，該工藝流程將鎂坨的余熱回收過程分為破碎前在余熱回收室的散熱過程、破碎后在高溫熱交換塔的通風取熱過程、物料預熱過程三個階段，本工藝流程的設計優(yōu)點如下：

(1)三個階段的余熱回收工藝設計使得鎂坨內的熱量得到了充分的回收，減少了熱量的損失。

(2)采用具有高儲熱量，熱穩(wěn)定性好、可重復使用、導熱率高的Al-Si合金相變儲熱材料對鎂熔坨的熱量進行回收，對儲熱材料通風取熱后能夠得到高溫度熱風，所獲得的高溫熱風用于預熱物料，提高了物料預熱溫度。