鉬粉二段還原過程能耗組成分析

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]，但對于二段還原中鉬粉還原能源組成卻鮮有報道。國內(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)模型及還原動力學(xué)，分析還原過程中的能源消耗。隨著國家對企業(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，將變得越來越重要。下面以天然氣加熱的十八管爐還原設(shè)備為對象進(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提供。整個二段還原生產(chǎn)過程中熱量的消耗主要在以下幾個方面：(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)對二段還原過程中以上幾個方面的熱消耗進(jìn)行計算。

2 計算結(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 能耗計算中所需參數(shù)

根據(jù)表1、方程式(1)計算可得，生產(chǎn)1 t鉬粉，還原所需的時間、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

(3)生產(chǎn)用時

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 熱量消耗計算

2.2.1各個部分熱量消耗計算

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，圖1將生產(chǎn)中的反應(yīng)路徑分以下幾個步驟完成，以便計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。

計算可得：

2.2.1.3 料舟升至爐溫所需熱量

根據(jù)計算得知，生產(chǎn)1 t鉬粉出舟數(shù)為953個，生產(chǎn)中每個料舟的平均質(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

計算的流體常數(shù)

計算得傳熱系數(shù)

根據(jù)牛頓傳熱公式計算得

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

CH4+2O2=CO2+2H2O

(2)

計算可得：

=42.77 kJ/mol

=31.75 kJ/mol

由方程2及空氣中氧氣含量計算可得，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)計上面計算結(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)果驗證及降低能耗分析

根據(jù)實際西安市天然氣熱值約為35 MJ/m3計算，503 m3天然氣熱值為17 605 MJ，比實際消耗熱量17 143 MJ多出462 MJ。原因可能是由于料舟的長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；點火器故障頻發(fā)導(dǎo)致部分燃?xì)饫速M。

針對計算結(jié)果，未能利用的熱量可以通過以下3個途徑進(jìn)行改善：

(1)燃燒廢氣帶走了近52%的熱量?？梢酝ㄟ^測定廢氣中氣體組分含量，指導(dǎo)調(diào)節(jié)燃?xì)獗壤?，提高天然氣燃燒利用率；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混合燃燒氣進(jìn)行預(yù)熱，降低燃?xì)庀模粚Ψ磻?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%。