相變儲(chǔ)熱技術(shù)在電熔鎂余熱回收中的應(yīng)用

孫添文，陳 韌，羅志國，鄒宗樹

(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 110819；2.遼寧科技學(xué)院 冶金工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

由于我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，使得國內(nèi)的能源需求日益增長。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(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?zé)峤粨Q塔的通風(fēng)取熱過程、物料預(yù)熱過程三個(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)熱過程

通過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，將來自熱交換塔的250 ℃～860 ℃的熱風(fēng)以及來自余熱回收室的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

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程分為破碎前在余熱回收室的散熱過程、破碎后在高溫?zé)峤粨Q塔的通風(fēng)取熱過程、物料預(yù)熱過程三個(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。