劉向斌，武 斌，劉國(guó)棟

（1.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)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(guó)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(dá)國(guó)家80%以上的金屬鎂是通過(guò)電解法生產(chǎn)[2]。

鹵水煉鎂工藝就是當(dāng)前采用電解法制取金屬鎂的一種先進(jìn)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(wú)水氯化鎂的過(guò)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(guó)的發(fā)展與應(yīng)用[4]。

在國(guó)內(nèi)某大型金屬鎂一體化項(xiàng)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?xì)忾g接加熱器來(lái)加熱干燥脫水工藝介質(zhì)。筆者將結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該燃?xì)忾g接加熱器的選型設(shè)計(jì)特點(diǎn)、核心控制方案及應(yīng)用效果進(jìn)行深入分析。

1 燃?xì)忾g接加熱器組成

該項(xiàng)目燃?xì)忾g接加熱器主要設(shè)備組成包括：助燃風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)爐、換熱器和循環(huán)風(fēng)機(jī)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?xì)忾g接加熱器流程簡(jiǎn)圖

天然氣和助燃風(fēng)機(jī)鼓入的環(huán)境空氣，經(jīng)過(guò)布置在熱風(fēng)爐上的燃燒器充分混合燃燒生成高溫?zé)煔?，然后由煙道進(jìn)入換熱器，與通過(guò)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?zé)煔馔瓿蔁峤粨Q后變?yōu)榈蜏責(zé)煔猓辉O(shè)置在換熱器后的循環(huán)風(fēng)機(jī)抽出，大部分送入熱風(fēng)爐與新生成的高溫?zé)煔饫^續(xù)摻混，實(shí)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?xì)忾g接加熱器在各種工藝條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行與安全連鎖。

2 主要選型設(shè)計(jì)

為使燃?xì)忾g接加熱器滿足工藝要求并能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，須對(duì)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(fēng)爐設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)選型，換熱器設(shè)計(jì)（按常規(guī)需求設(shè)計(jì)，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(guò)熱平衡計(jì)算，該項(xiàng)目熱風(fēng)爐配置一個(gè)12 MW的大功率燒嘴?？紤]到熱風(fēng)爐的功能就是均勻混合燒嘴燃燒生成的高溫?zé)煔夂偷蜏鼗亓鳠煔?，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(diǎn)火安全，大功率明火燒嘴需要配置點(diǎn)火燒嘴。點(diǎn)火時(shí)，先點(diǎn)燃點(diǎn)火燒嘴，通過(guò)點(diǎn)火燒嘴再點(diǎn)燃主燒嘴。主燒嘴采用自檢式UV檢測(cè)，不僅可實(shí)現(xiàn)火焰的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)UV本身是否運(yùn)行進(jìn)行可靠性監(jiān)測(cè)，保證主燒嘴安全運(yùn)行。

燒嘴控制器選用Kromschroder BCU480（以下簡(jiǎn)稱(chēng)BCU），實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火燒嘴和主燒嘴火焰的監(jiān)測(cè)及信號(hào)傳輸?？刂七^(guò)程如下：DCS給BCU點(diǎn)火信號(hào)，BCU打開(kāi)點(diǎn)火燃?xì)怆姶砰y，開(kāi)始對(duì)點(diǎn)火燒嘴點(diǎn)火；點(diǎn)火成功后，BCU將點(diǎn)火燒嘴的火焰信號(hào)傳給DCS，此時(shí)DCS可自設(shè)定點(diǎn)火燒嘴火焰成功反饋到主燒嘴準(zhǔn)備點(diǎn)火的時(shí)間間隔；主燒嘴點(diǎn)火時(shí)，DCS控制主燃?xì)夤苈废嚓P(guān)閥門(mén)打開(kāi)，并將準(zhǔn)備點(diǎn)火的信號(hào)傳給BCU，BCU再控制燒嘴前的主燃?xì)忾y門(mén)慢開(kāi)，直到點(diǎn)火成功；如果此時(shí)點(diǎn)火失敗，BCU將自動(dòng)關(guān)閉嘴前的主燃?xì)夂忘c(diǎn)火燃?xì)鉄袛嚅y。

2.2 熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)

熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)燒嘴穩(wěn)定燃燒以生成高溫?zé)煔?，并與換熱后回流的低溫?zé)煔庥行Щ旌?，生成要求溫度范圍?nèi)的混合煙氣。考慮到高溫?zé)煔夂偷蜏責(zé)煔獾挠行Щ旌蠒r(shí)間，將低溫?zé)煔馊肟谠O(shè)計(jì)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?zé)煔膺M(jìn)行混合，會(huì)嚴(yán)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(shí)造成未充分燃燒的天然氣沿程燃燒，延長(zhǎng)火焰長(zhǎng)度，導(dǎo)致高低溫?zé)煔饣旌喜痪鶆?。為此，熱風(fēng)爐內(nèi)部靠近燒嘴側(cè)，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)筒，詳見(jiàn)圖2。

圖2 熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

熱風(fēng)爐內(nèi)筒置于燒嘴側(cè)，一方面避免了大量低溫?zé)煔庵苯記_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(chǎng)，使其從內(nèi)筒外側(cè)四周沿軸向均勻噴出，與高溫?zé)煔饩鶆蚧旌?，提高了混合效率，縮短了混合時(shí)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(jìn)入熱風(fēng)爐內(nèi)部時(shí)首先要在內(nèi)筒外側(cè)四周形成一個(gè)穩(wěn)定壓力場(chǎng)。這個(gè)穩(wěn)定壓力場(chǎng)的壓力要高于熱風(fēng)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(duì)壓力差使低溫?zé)煔饩鶆虻匮貎?nèi)筒兩端噴出與高溫?zé)煔饣旌?。那么如何使低溫?zé)煔庋貎?nèi)筒外側(cè)四周形成均勻壓力場(chǎng)呢？通過(guò)調(diào)整內(nèi)筒兩端煙氣的流通截面積。通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬，低溫回流煙氣在進(jìn)入熱風(fēng)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(chǎng)。

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(fēng)爐內(nèi)筒與燒嘴之間設(shè)置低溫?zé)煔饣亓骺p，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(zhǎng)度較長(zhǎng)，在實(shí)際燃燒過(guò)程中會(huì)形成火焰上浮現(xiàn)象，不僅會(huì)使熱風(fēng)爐內(nèi)筒上部出現(xiàn)過(guò)熱，同時(shí)影響低溫?zé)煔夂透邷責(zé)煔獾幕旌暇鶆蛐?。通過(guò)調(diào)整內(nèi)筒外側(cè)與熱風(fēng)爐內(nèi)壁之間形成的上下半環(huán)形流道的截面積，使通過(guò)上下半環(huán)形的低溫?zé)煔獾牧髁坎煌?，以平衡火焰上浮帶?lái)的高溫?zé)煔饩鄯e現(xiàn)象。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)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(fēng)爐內(nèi)部高低溫?zé)煔饣旌暇鶆蛟斠?jiàn)圖3。

圖3 熱風(fēng)爐內(nèi)部溫度場(chǎng)分布圖

如圖3所示，當(dāng)內(nèi)筒上下半環(huán)形流道截面積之比控制在1.6時(shí)，熱風(fēng)爐上部?jī)?nèi)壁不再有高溫?zé)煔夥e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(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)主要是確定風(fēng)機(jī)的流量和壓力。風(fēng)機(jī)的流量取決于工藝設(shè)備的需求，風(fēng)機(jī)壓頭則取決于所連接管道的管路阻力損失。由于該項(xiàng)目位于高海拔環(huán)境下，管路阻力損失的計(jì)算除溫度修正外，還要有壓力修正。風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的靜壓，風(fēng)機(jī)的全壓為風(fēng)機(jī)的靜壓與風(fēng)機(jī)出口處動(dòng)壓之和。

2.4 防爆措施

燃?xì)忾g接加熱器采用了強(qiáng)制送風(fēng)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(dòng)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(yùn)行安全。在設(shè)計(jì)中，已知空氣管道的容積，按照爆炸壓力為0.2 MPa及其對(duì)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(guò)工廠DCS系統(tǒng)控制MCC柜來(lái)控制風(fēng)機(jī)電機(jī)啟停。該項(xiàng)目中由于燃?xì)忾g接加熱器一般在額定工況運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)能力的調(diào)節(jié)寬度沒(méi)有要求，所以燃?xì)忾g接加熱器中的助燃風(fēng)機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)全部采用恒速電機(jī)。綜合電機(jī)的功率大小和母線總?cè)萘?，助燃風(fēng)機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)的電機(jī)全部采用直接啟動(dòng)，沒(méi)有在MCC柜中設(shè)置軟啟動(dòng)器。

另外，考慮到燃?xì)忾g接加熱器系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)循環(huán)密閉的系統(tǒng)，在其事故停車(chē)或失電時(shí)，要及時(shí)將系統(tǒng)內(nèi)的殘余煙氣排放出去，以消除爆炸危險(xiǎn)。因此，為循環(huán)風(fēng)機(jī)設(shè)置了緊急電源，保證正常失電時(shí)，緊急電源能夠維持循環(huán)風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，將系統(tǒng)內(nèi)殘余的煙氣及時(shí)排放到大氣中。

儀表控制主要包括燒嘴燃燒控制、熱風(fēng)爐溫度控制、熱風(fēng)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(hù)等。

燒嘴燃燒控制主要有點(diǎn)火控制、火焰檢測(cè)、燒嘴能力調(diào)節(jié)；熱風(fēng)爐溫度控制是按照熱電偶檢測(cè)的溫度與設(shè)定值的偏差，對(duì)燒嘴能力和煙氣流量進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，使熱風(fēng)爐的溫度穩(wěn)定在要求范圍；熱風(fēng)爐壓力控制通過(guò)調(diào)節(jié)煙氣流量和循環(huán)風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口風(fēng)門(mén)開(kāi)度來(lái)實(shí)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(yùn)行條件時(shí)，天然氣在過(guò)氧氣氛下充分燃燒；煙氣流量控制是通過(guò)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(fēng)爐溫度偏差，保證回流煙氣的準(zhǔn)確流量。系統(tǒng)安全連鎖保護(hù)詳見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)安全連鎖保護(hù)表

3 結(jié)語(yǔ)

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(zhǎng)期制約著電解法生產(chǎn)金屬鎂在我國(guó)的發(fā)展。在筆者所述國(guó)內(nèi)某大型金屬鎂一體化項(xiàng)目中，通過(guò)在干燥脫水工藝中設(shè)置特殊設(shè)計(jì)的燃?xì)忾g接加熱器來(lái)加熱干燥脫水工藝介質(zhì)，嘗試解決這項(xiàng)難題。

筆者所述的燃?xì)忾g接加熱器，采用了合理優(yōu)化的選型設(shè)計(jì)與控制方案，目前已完成單機(jī)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?xì)忾g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(lèi)似項(xiàng)目提供參考。

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

[2]韓繼龍，孫慶國(guó).金屬鎂生產(chǎn)工藝進(jìn)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(jì)[J].冶金動(dòng)力，2017，211（9）：4-10.