*時繼明 劉遠峰

(1.合肥水泥研究設(shè)計院 安徽 230051

2.陜西延水銀河重型機械有限公司 陜西 710000)

Φ4-3.1X36m氮化爐設(shè)計思路

*時繼明1劉遠峰2

(1.合肥水泥研究設(shè)計院 安徽 230051

2.陜西延水銀河重型機械有限公司 陜西 710000)

由于延河石灰氮回轉(zhuǎn)爐連續(xù)性生產(chǎn)提高,優(yōu)化了生產(chǎn)工藝條件,穩(wěn)定了爐料配比以及爐料的發(fā)氣量,提高了石灰氮的含氮量,因此延河石灰氮生產(chǎn)工藝獲得大力提倡推廣.本文就氮化爐的設(shè)計做了詳細的分析研究與介紹.

氮化爐;設(shè)備選型;除塵

1.回轉(zhuǎn)爐式氮化爐使用情況簡介

中國首臺回轉(zhuǎn)爐式氮化爐是1994年浙江巨化電石有限公司成立技術(shù)攻關(guān)組,自行設(shè)計了年產(chǎn)1.2萬噸回轉(zhuǎn)式氮化爐.陜西延水銀河重型機械有限公司利用生產(chǎn)回轉(zhuǎn)窯幾十年的生產(chǎn)經(jīng)驗和技術(shù)沉淀,成功研制了國內(nèi)第一臺石灰氮回轉(zhuǎn)爐.由于延河石灰氮回轉(zhuǎn)爐連續(xù)性生產(chǎn)提高,優(yōu)化了生產(chǎn)工藝條件,穩(wěn)定了爐料配比以及爐料的發(fā)氣量,提高了石灰氮的含氮量,氮的質(zhì)量分數(shù)穩(wěn)定在22.3%以上,因此延河石灰氮生產(chǎn)工藝獲得大力提倡推廣.寧夏大榮公司就選擇了Φ2.9X25m回轉(zhuǎn)式氮化爐兩臺,單臺產(chǎn)能達到2.5萬噸/年,隨后,大榮公司將第四臺氮化爐進行產(chǎn)能升級,將反應(yīng)帶加長兩米,將產(chǎn)能提升到3萬噸;2016年寧夏嘉峰10萬噸,Φ6X48m氮化爐投產(chǎn).可以看出回轉(zhuǎn)式氮化爐根據(jù)企業(yè)的使用要求在不斷升級.

2.各型號氮化爐在工藝操作及使用狀況對比

(1)Φ2.9X25m回轉(zhuǎn)式氮化爐

目前大部分企業(yè)都沿用了陜西延水銀河Φ2.9X25m氮化爐爐型,但從目前大爐型所表現(xiàn)的狀況,該爐型顯現(xiàn)出較多缺點,主要表現(xiàn)在:爐膛小,溫度波動大.

氮化爐溫度控制與電石發(fā)氣量、回爐料發(fā)氣量、螢石配比、氮氣量的合理控制有關(guān),尤其是電石發(fā)氣量的高低與平穩(wěn)性決定入爐料發(fā)氣量配制的穩(wěn)定性,但實際狀況電石發(fā)氣量不可能一直是平穩(wěn)的,這樣就造成入爐料發(fā)氣量有較大波動,按目前各企業(yè)運行狀況,爐料發(fā)氣量波動范圍在10-20,由于Φ2.9X25m爐膛相對較小,爐內(nèi)存料量少,爐內(nèi)恒溫效果較差,爐溫的控制對爐料的發(fā)氣量顯得非常敏感,爐溫隨著爐料發(fā)氣量高低在頻繁波動,爐溫不穩(wěn),不能夠達到理想的氮化效率,有效氮波動較大.

(2)Φ2.9X27m回轉(zhuǎn)式氮化爐

長徑比加大,物料在爐內(nèi)反應(yīng)時間加長,氮化效率得到有效提升,且爐內(nèi)容積加大,爐內(nèi)恒溫效果相對得到改善,產(chǎn)能從2.5萬噸提升到3萬噸,其使用效果優(yōu)于Φ2.9X25m爐型.

(3)Φ6X48m回轉(zhuǎn)式氮化爐

寧夏嘉峰化工有限公司Φ6X48m回轉(zhuǎn)式氮化爐目前產(chǎn)量達到設(shè)計產(chǎn)量70%左右,由于爐體較大,物料恒溫效果理想,爐內(nèi)溫度對入爐料發(fā)氣量波動幾乎不產(chǎn)生影響,有效氮60%都大于22%,氮化效果非常理想,是2.5萬噸爐型無法比擬的.

其產(chǎn)能達不到設(shè)計要求主要有以下問題:

電機功率問題:該設(shè)備在設(shè)計中功率計算失誤,采用410kw電機,設(shè)備帶負荷后無法啟動,后來增加了雙傳動,電機功率達到820kw,才勉強使用.經(jīng)核算,該爐型電機總功率達到900kw以上才能保證滿負荷運行,所以按照目前實際現(xiàn)狀,該氮化爐不能夠達到設(shè)計轉(zhuǎn)速,產(chǎn)能受限.

窯長徑比問題:氮化爐在設(shè)計中長徑比不夠,反應(yīng)段為5.9,按大榮公司3萬噸氮化爐實際體現(xiàn)的狀況,其長徑比較為合理,反應(yīng)段長徑比為7.5～7.8.所以,長徑比相差太大.筒體直徑愈大,物料在爐內(nèi)移動速度就愈快,為了確保石灰氮質(zhì)量,就必須降低轉(zhuǎn)速操作,產(chǎn)量同樣受到限制.所以目前嘉峰化工氮化爐達不到設(shè)計產(chǎn)能與氮化爐結(jié)構(gòu)設(shè)計有很大關(guān)系.

(4)Φ4-3.1X36m氮化爐設(shè)計依據(jù)

本次擬設(shè)計計算反應(yīng)爐為Φ4m-3.1X36m氮化爐,產(chǎn)能為5萬噸/年.該設(shè)備反應(yīng)空間增大,物料在爐內(nèi)反應(yīng)時間增長,爐內(nèi)物料量增大,隨之恒溫效果加強,爐內(nèi)熱工穩(wěn)定對氮化效率有積極地促進作用.

依照大榮公司3萬噸氮化爐與嘉峰化工10萬噸氮化爐目前使用狀況及優(yōu)缺點進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.利用大榮公司3萬噸氮化爐長徑比進行設(shè)計,保證物料在爐內(nèi)停留時間,確保氮化效率.在切向氮、噴料裝置進行改進,達到強制氮化的目的,以此提高氮化效率.選用Φ4-3.1X23m反應(yīng)段,是Φ2.9X25m爐型的2.8倍,確保爐內(nèi)的恒溫效果,為氮化效率與操作提供充分條件.

3.Φ4-3.1X36m氮化爐理論選型計算

(1)物料在反應(yīng)帶停留時間:

T--物料在反應(yīng)帶停留時間,min;L--反應(yīng)帶有效長度,24m;D1--縮口直徑,0.7m;θ--物料休止角,(35°);n--爐體轉(zhuǎn)速,2.5r/min;a--窯傾角,(°);K--按目前2.5萬噸氮化爐完成氮化,爐體轉(zhuǎn)速比率(60%);

(2)物料運動速度計算:

(3)產(chǎn)能計算:

M--日產(chǎn)量(t/d);D--氮化爐反應(yīng)段平均直徑(m),3.12;θ--物料填充率%,35%～40%;r--爐料堆積密度(t/m3),1.1;q--料耗,(0.76-0.78);G--回爐料,根據(jù)實際爐溫狀況調(diào)整,一般占總配料量20%-35%,小爐型爐溫難控制,爐料發(fā)氣量配制相對較高,回爐料配比選擇低配比,反之,大爐型溫度容易控制,回爐料配比選擇高配比.

M=24X(3.14X3.122X38%X1.1)X(1-35%)/4/0.78=187t/d

(4)窯內(nèi)正壓壓力

窯內(nèi)壓力由操作人員根據(jù)物料反應(yīng)狀況調(diào)整操作,一般爐內(nèi)補充10%左右過量氮氣,爐內(nèi)正壓為500-1000Pa左右即可.

4.Φ4-3.1X36m氮化爐優(yōu)化設(shè)計要點

(1)新型氮化爐在擴大段結(jié)圈掛壁優(yōu)化設(shè)計

電石粉噴入爐內(nèi)與氮化爐內(nèi)部氮氣接觸,在900℃-1100℃溫度條件下開始氮化反應(yīng)生成氰胺化鈣,在反應(yīng)過程中放出大量熱能,物料此時產(chǎn)生液相,隨著氮化爐筒體轉(zhuǎn)動,一層一層粘掛與窯襯表面,形成結(jié)圈,氮化爐擴大段要完成整個氮化率的70%以上,所以物料粘掛現(xiàn)象比較明顯,當物料繼續(xù)氮化形成氰胺化鈣,不再形成結(jié)壁.當爐內(nèi)溫度較低時,物料粘掛現(xiàn)象惡化,并且伴隨爐內(nèi)產(chǎn)生滾大球等情況.所以為了減輕物料掛壁現(xiàn)象,第一,必須保證爐內(nèi)最佳的反應(yīng)溫度;第二,提高物料在擴大段快速反應(yīng)率及反應(yīng)速率;第三,降低裹入物料層內(nèi)部的生料量;這樣根據(jù)物料特性,爐內(nèi)掛壁現(xiàn)象必然能夠得到有效控制.

根據(jù)以上分析的物料反應(yīng)特性,為了提質(zhì)增產(chǎn),減弱物料掛壁現(xiàn)象,提高設(shè)備運轉(zhuǎn)率,在本項目氮化爐設(shè)計中采取以下措施:

采用直徑4m擴大段,存料量為59.4噸,是2.5萬噸氮化爐的2.5倍,恒溫效果加強,對爐料發(fā)氣量波動而導致爐溫的波動敏感性降低,爐內(nèi)溫度的控制難度系數(shù)降低,該爐型能夠長期保持最佳的氮化反應(yīng)溫度.

采用三通道噴料器,爐料在噴入爐內(nèi)瞬間,在中心風道旋轉(zhuǎn)氮氣氣流作用下將物料打散飛揚,以霧狀形態(tài)散入爐膛內(nèi)部,在螺旋頭導向作用下,將落料點控制在離爐頭1.5-2m區(qū)段,這樣使物料在拋揚的瞬間與爐內(nèi)氮氣充分接觸,提高了擴大段氮化速率,從而減弱了物料粘壁現(xiàn)象,同時,避免了目前普遍使用的單通道噴料器,將物料噴入爐內(nèi),部分物料沒有及時反應(yīng)且被包裹入物料層內(nèi)部,造成粘壁與滾球現(xiàn)象.

本次氮化爐設(shè)計改變了常規(guī)爐型斜向氮噴吹控制方式,斜向氮采用單獨管路,利用流量閥控制,避免了其它氮氣管線的壓力干擾,這樣,操作人員便可根據(jù)爐內(nèi)掛壁長度,靈活調(diào)整斜向氮壓力,以此控制物料落料點,避免了掛壁向后延伸,造成搗爐困難.

在工藝布局時,將爐前操作平臺高度提升至操作人員最適宜觀察爐況、處理結(jié)璧的高度,全方位為操作人員提供方便.

(2)新型氮化爐提高有效氮優(yōu)化設(shè)計

該爐型長徑比設(shè)置為7.8,遠大于目前設(shè)計的氮化爐長徑比7.3的要求,物料在爐內(nèi)的氮化時間為5.58小時,給爐內(nèi)提供了充分的氮化條件.

采用三通道噴料器,在爐體擴大段起到了強制氮化的作用,為后段反應(yīng)區(qū)減輕了氮化負荷,為產(chǎn)質(zhì)量提升提供了有力保證.

爐體上均布設(shè)置三排切向氮,每排切向氮管路利用特殊控制裝置單獨控制,當管路進入物料層,主管路電磁脈沖閥打開,當?shù)獨夤苈烦鑫锪蠈觿t自動關(guān)閉,這樣可強制氮氣與物料充分接觸,起到強制氮化效果.目前的氮化爐,爐體設(shè)置的氮氣管路全部連通,進入物料層的氮氣管在物料阻力作用下壓力銳減,幾乎不工作,所以爐內(nèi)氮化只能在物料表面進行,氮化效率降低.

操作人員的精心操作是保證氮化爐有效運行與提質(zhì)增產(chǎn)的主要因素,硬件設(shè)備功能只能提供操作條件,所以人員的操作技能的提升,是決定該爐型潛能與優(yōu)勢最大化發(fā)揮的關(guān)鍵所在.

(3)新型氮化爐窯體測溫裝置優(yōu)化設(shè)計

氮化爐爐體擴大段測溫由于氮化爐爐壁粘接物料等原因,目前國內(nèi)還沒有一種較為理想的測溫方法得到爐內(nèi)準確的溫度數(shù)值,一般采用紅外線測溫,測出的數(shù)值相差100-200攝氏度不等.操作人員參照顯示數(shù)據(jù),很有可能誤導操作,本次設(shè)計新型氮化爐將測溫裝置設(shè)置在縮頸有效部位,該部位物料不粘掛,測溫的準確性要略高,并結(jié)合紅外線測溫數(shù)值,為生產(chǎn)操作參考.

5.新型氮化爐的優(yōu)勢和可行性

本次爐型設(shè)計是根據(jù)10萬噸爐型、3萬噸爐型及常規(guī)2.5萬噸爐型綜合考慮,規(guī)避缺陷優(yōu)化設(shè)計而成.采用專利技術(shù)與革新手段運用到設(shè)備,全方位提高設(shè)備使用性能.

該爐型爐溫恒定,易操作,有較大的提質(zhì)增產(chǎn)空間,若達到預(yù)計效果,可節(jié)約后期工程的大量投資.

[1]王春華.回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料停留時間的計算方法[J].輕金屬.2009年01期.

[2]王春江.回轉(zhuǎn)爐爐門系統(tǒng)的改進設(shè)計[J].中國設(shè)備工程.1991年09期.

[3]傅劍龍.石灰氮回轉(zhuǎn)爐結(jié)壁問題的探討[J].福建化工.1996年03期.

時繼明(1984-),男,合肥水泥研究設(shè)計院;研究方向:石灰氮技術(shù).

Design ldea of φ 4 - 3.1 36m Nitriding Furnace

Shi Jiming1,Liu Yuanfeng2
(1.Hefei Cement Research and Design Institute,Anhui,230051 2.Shanxi Yanshuiyinhe Heavy Machinery CO.,Ltd,Shanxi,710000)

As the continuous production of lime nitrogen was increased, the production process conditions were optimized, the proportioning and the gas volume of the charge were stabilized, the nitrogen content of lime nitrogen was increased, so the production technology of Yanhe lime nitrogen was strongly advocated. In this paper, the design of nitriding furnace is analyzed and studied in detail.

nitriding furnace;equipment selection;dust removal

T

A