孫添文，陳 韌，羅志國(guó)，鄒宗樹(shù)

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

由于我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)的能源需求日益增長(zhǎng)。為了降低能源體系供給側(cè)的壓力，需提高能源利用效率，而減少能源的浪費(fèi)是目前普遍采用的一種方法。其中，在菱鎂礦冶煉工藝過(guò)程中，所生產(chǎn)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(chǎn)工藝是將冶煉結(jié)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(fèi)了大量的余熱資源。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，需對(duì)冶煉結(jié)束后鎂熔坨的余熱進(jìn)行回收。

圖1 電熔鎂砂制備傳統(tǒng)工藝流程

前人對(duì)鎂坨余熱回收的方法主要有通風(fēng)取熱、通水取熱以及通風(fēng)與通水相結(jié)合三種方法[1-6]。其中，如果采用通風(fēng)取熱的方式，由于冶煉結(jié)束的電熔鎂坨外部有一層熱阻大、導(dǎo)熱系數(shù)小的皮砂，那么則需要通入大量的空氣進(jìn)行冷卻，最終會(huì)導(dǎo)致得到的氣體溫度降低，進(jìn)而會(huì)影響物料預(yù)熱溫度。如果采用通水取熱的方式，因熔煉結(jié)束后的鎂坨外表面皮砂溫度能夠達(dá)到1 200 ℃左右，那么用幾十度的熱水來(lái)回收余熱不符合能量梯級(jí)利用原則，且回收的熱量不能用于預(yù)熱物料，降低了預(yù)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(chǔ)熱材料為余熱回收載體對(duì)鎂坨的余熱進(jìn)行回收，以解決目前存在的鎂坨余熱資源浪費(fèi)嚴(yán)重、空氣作為余熱回收載體時(shí)氣體溫度低、物料預(yù)熱溫度低等問(wèn)題。本工藝的創(chuàng)新點(diǎn)在于所采用的余熱回收載體為具有高儲(chǔ)熱量，熱穩(wěn)定性好、可重復(fù)使用、導(dǎo)熱率高的Al-Si合金相變儲(chǔ)熱材料[7-9](PCM)。Al-Si合金相變儲(chǔ)熱材料所具有的優(yōu)點(diǎn)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(shí)氣體的溫度，并且將回收的部分余熱用于預(yù)熱物料，可將物料預(yù)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(jì)算

冶煉結(jié)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(jì)算電熔鎂砂所含有的熱量時(shí)，認(rèn)為MgO從初始溫度加熱到熔點(diǎn)溫度2 800 ℃的過(guò)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(guò)程中比熱為一定值。查閱文獻(xiàn)[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(jīng)擬合后可得MgO的比熱隨溫度變化的關(guān)系式為：

單位質(zhì)量MgO升溫至2 800 ℃所含有的顯熱熱量Q1為：

=3 711 kJ/kg

單位質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jié)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(jì)算電鎂坨所含熱量時(shí)，若忽略電熔鎂砂在熔煉過(guò)程中已經(jīng)部分結(jié)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(shè)計(jì)

電熔鎂坨的余熱回收過(guò)程可主要分為破碎前在余熱回收室的散熱過(guò)程、破碎后在高溫?zé)峤粨Q塔的通風(fēng)取熱過(guò)程、物料預(yù)熱過(guò)程三個(gè)階段。電熔鎂坨破碎前，以輻射換熱的方式對(duì)鎂坨余熱進(jìn)行回收，余熱回收載體采用Al-Si合金相變儲(chǔ)熱材料。輻射換熱后，對(duì)相變儲(chǔ)熱材料進(jìn)行通風(fēng)取熱。電熔鎂坨破碎后，將已結(jié)晶的電熔鎂砂送入熱交換塔內(nèi)以通風(fēng)的方式進(jìn)行取熱，兩階段獲得的熱風(fēng)用于預(yù)熱物料。

電熔鎂坨余熱回收新工藝流程中的設(shè)備包括除塵器、物料預(yù)熱塔、密封脫殼室、余熱回收室、破碎裝置、高溫?zé)峤粨Q塔、鼓風(fēng)機(jī)。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(guò)程

經(jīng)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(nèi)襯保溫材料以減少熱損失。余熱回收室中設(shè)有Al-Si合金相變儲(chǔ)熱材料，儲(chǔ)熱材料由導(dǎo)熱系數(shù)大的銅板進(jìn)行包覆，被送入余熱回收室的鎂坨與Al-Si合金相變儲(chǔ)熱材料進(jìn)行輻射換熱，當(dāng)鎂坨內(nèi)的電熔鎂砂的平均溫度降到1 200 ℃時(shí)，電熔鎂坨與相變儲(chǔ)熱材料的輻射換熱強(qiáng)度已經(jīng)很小，此時(shí)將電熔鎂坨移出余熱回收室送入后續(xù)破碎裝置。經(jīng)輻射換熱后，余熱回收室內(nèi)Al-Si合金相變儲(chǔ)熱材料已經(jīng)全部熔化，熔化后的平均溫度為716 ℃。然后鼓風(fēng)機(jī)將30 ℃的空氣通入相變儲(chǔ)熱材料，經(jīng)通風(fēng)取熱后，可以得到380 ℃-470 ℃的熱風(fēng)，所獲得的熱風(fēng)通入物料預(yù)熱塔，對(duì)預(yù)熱塔內(nèi)的物料進(jìn)行預(yù)熱。

圖4 余熱回收室

Al-Si合金相變儲(chǔ)熱材料相關(guān)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?zé)峤粨Q塔的通風(fēng)取熱過(guò)程

將在余熱回收室內(nèi)進(jìn)行輻射換熱后的電熔鎂坨送入破碎裝置進(jìn)行破碎，其目的是去除外層導(dǎo)熱系數(shù)小的皮砂以及將已結(jié)晶的電熔鎂砂破碎成塊。破碎后，將電熔鎂砂送入高溫?zé)峤粨Q塔(如圖5)，鼓風(fēng)機(jī)將30 ℃的空氣通入高溫?zé)峤粨Q塔，經(jīng)通風(fēng)取熱后，可以得到250 ℃～860 ℃的熱風(fēng)，所獲得的熱風(fēng)通入物料預(yù)熱塔，對(duì)預(yù)熱塔內(nèi)的物料進(jìn)行預(yù)熱。熱交換塔內(nèi)的電熔鎂砂經(jīng)換熱后從塔底排出并進(jìn)行分選，排出的電熔鎂砂平均溫度為250 ℃。

圖5 高溫?zé)峤粨Q塔

1.5 物料預(yù)熱過(guò)程

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

圖6 物料預(yù)熱塔

電熔鎂坨余熱回收新工藝的能量流動(dòng)圖如圖7所示：

圖7 電熔鎂坨余熱回收新工藝能量流動(dòng)圖

2 鎂坨的熱平衡計(jì)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(jīng)計(jì)算，物料預(yù)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(yù)熱至350 ℃。當(dāng)物料被預(yù)熱至350 ℃時(shí)，熔煉每噸菱鎂礦可節(jié)約電量92.1 kW·h，預(yù)熱后的物料可直接送至電弧爐進(jìn)行冶煉，以所需原料15 t的菱鎂礦工藝為例，熔煉一個(gè)電熔鎂坨可節(jié)約電量1 381.5 kW·h。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種電熔鎂坨余熱回收新工藝，并對(duì)新工藝流程中能量的收支平衡進(jìn)行了計(jì)算，該工藝流程將鎂坨的余熱回收過(guò)程分為破碎前在余熱回收室的散熱過(guò)程、破碎后在高溫?zé)峤粨Q塔的通風(fēng)取熱過(guò)程、物料預(yù)熱過(guò)程三個(gè)階段，本工藝流程的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)三個(gè)階段的余熱回收工藝設(shè)計(jì)使得鎂坨內(nèi)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(chǔ)熱量，熱穩(wěn)定性好、可重復(fù)使用、導(dǎo)熱率高的Al-Si合金相變儲(chǔ)熱材料對(duì)鎂熔坨的熱量進(jìn)行回收，對(duì)儲(chǔ)熱材料通風(fēng)取熱后能夠得到高溫度熱風(fēng)，所獲得的高溫?zé)犸L(fēng)用于預(yù)熱物料，提高了物料預(yù)熱溫度。