專利名稱：多層節能還原爐制備金屬鎂的方法
技術領域：
本發明屬于有色金屬冶煉以及能源高效利用領域，涉及一種新型多層蓄熱式金屬
鎂還原工藝，提供一種溫度分布均勻、低能耗、低污染的新型節能還原爐，并最大限度循環
利用煙氣余熱的方法，可以提高金屬鎂的生產效率和降低N0X排放。
背景技術：
鎂及鎂合金作為一種新型的應用材料，近年來已廣泛應用于軍用、民用領域的許 多方面；鎂合金作為最輕的結構材料，能滿足交通運輸業日益嚴格的節能和尾氣排放的要 求。另外我國是鎂資源大國，儲量居世界首位，也是世界上產鎂最多的國家。改進原鎂冶煉 技術是我國鎂工業發展的出路。 我國傳統的煉鎂多采用符合我國國情的皮江法煉鎂工藝，其工藝實質是將白云 石在回轉窯中煅燒，然后經過研磨與硅鐵粉和螢石粉混合制球，送入耐熱鋼還原罐內，在 1190°C 121(TC的溫度及真空條件下，還原制成粗鎂，最后經過熔劑精煉、鑄錠、表面處理、
產生金屬鎂錠。 而在整個皮江法煉鎂工藝過程中，最需要改進的環節是真空還原煉鎂階段。傳統
的金屬鎂冶煉工藝多采用單層外加熱式真空蒸餾罐，內用硅鐵還原白云石制鎂的工藝。就
加熱方式而言，目前我國采用最廣的為返焰式加熱，主要是將高溫煙氣從煙氣入口引入爐
膛后，對還原罐由上到下進行對流加熱，但由于煙氣在爐膛內停留很短，對還原罐的對流換
熱效率非常低，高溫煙氣也沒有得到有效的回收和充分的利用；另外還原罐在這種還原爐
內的傳熱過程中，與煙氣的對流換熱在軸向上存在明顯的不均勻，燃燒溫度控制不靈活，造
成還原罐的使用壽命不均一，生產出的金屬鎂品質很低。因此傳統的加熱方式普遍存在著
高耗能、高污染、熱利用率低、工業自動化程度低、還原罐壽命短等問題。 隨著高溫空氣燃燒技術的發展，為大幅度提高煉鎂效率提供了可能性。高溫空氣
燃燒技術是上世紀八十年代末田中良一等人提出的一種新概念燃燒技術，它突破了幾百年
來人們對燃燒的傳統認識，這種技術采用兩個蓄熱式燒嘴相互交替工作，通過蓄熱體極限
回收煙氣余熱并將助燃空氣預熱到100(TC以上，這樣，即使是熱值很低的燃料也能實現穩
定著火和高效燃燒。這項技術是一項劃時代的節能和環保技術，可以滿足在極限回收煙氣
物理熱的同時，維持空氣中較低的含氧量，獲得性能優異的火焰，以及極低的叫排放量，達
到最佳的節能和環保效果。 在此基礎上發展起來的新型蓄熱式金屬鎂還原爐，結合了高溫空氣燃燒技術與金 屬鎂還原工藝的特點。燃燒方式使用高效直燃式，燃燒器布置在還原爐的兩端墻上，火焰直 接輻射加熱爐內的耐熱鋼還原罐。摒棄傳統金屬鎂還原爐的倒焰的加熱方式，而是使用直 接裸燒的方式，直燃式裸燒可以強化煙氣與還原罐之間的傳熱過程，而這恰好可以打破制 約傳統還原爐生產率和熱效率的瓶頸。 現有的金屬鎂還原爐所采用的蓄熱室多布置于左右兩側端墻的底部，蓄熱室A和 B內部充滿新型蓄熱體陶瓷蜂窩體或陶瓷小球。正常運行時，A組蓄熱室放熱，加熱流經A組蓄熱體的空氣；此時，B組蓄熱室吸熱，回收流經B組蓄熱體的煙氣的顯熱。經過一個換 向周期后，A組蓄熱體吸熱，B組蓄熱體放熱，這樣，兩個蓄熱室可以交替切換工作狀態來回 收高溫煙氣中的余熱。還原爐的兩端墻內部布置過氣(高溫空氣或煙氣)通道。爐膛中的 高溫煙氣由燒嘴排出后經過過氣通道進入蓄熱室，蓄熱室中預熱后的空氣也是經過該過氣 通道再通過燒嘴進入爐膛助燃。 將高溫空氣燃燒技術應用于能耗頗高的金屬鎂還原爐上，可使排出爐膛的高溫煙 氣(120(TC左右)的熱量得到最大限度的回收，從而可以使還原爐的熱效率大幅提高，具有 很好的節能效果，可以獲得良好的經濟效益和環保效果。 這種新型的蓄熱式金屬鎂還原爐可以提供均勻的溫度場，從而在提高還原效率、 減少有害氣體排放的同時，可以最大限度的回收并利用煙氣余熱，符合節能環保和循環型 經濟的產業要求。 基于蓄熱式金屬鎂還原爐的優秀性能，如何將高溫空氣燃燒技術真正有效的應用 于金屬鎂還原爐成為我們研究的重中之重。但目前的工藝中絕大多數采用的僅為單層或雙 層還原罐的蓄熱式還原爐，還原爐內無用空間大，還原罐的支撐墻占據較大空間，影響熱傳 導；爐膛內溫度分布不均勻，對還原罐的燒損有較大差異，并且影響物料反應的均勻性，熱 量損失巨大；受到空間的限制，空氣燃燒技術所形成的均勻高溫沒有得到充分的利用，還原 罐的使用數量有限，不能保證高效率的工作狀態；蓄熱室的作用有限，左右兩側底端的蓄熱 室不能對煤氣或空氣進行有效的預熱。 本發明的特點是，基于高溫空氣燃燒技術的基本特點和已開發的蓄熱式金屬鎂還 原爐的基本結構，合理布置尺寸分布，節省生產空間，從而在滿足工人的基本工況條件下， 最大限度的回收高溫煙氣熱量，使得還原爐的最終排煙溫度在20(TC以下，還原爐的效率提 高到30%以上，獲得最大的能源利用率和最高的工業生產效率。
發明內容
本發明的目的是克服傳統金屬鎂還原爐能耗高、效率低、爐膛內溫度分布不均勻、
高溫煙氣及污染物排放等現有技術的不足，提供了一種能源消耗低、生產效率高、熱場分布
均勻、煙氣的熱量損失低并大幅度提高生產能力、節約生產空間、降低生產成本、安全可靠
的多層節能蓄熱式金屬鎂還原爐。 本發明通過如下方式實現 —種多層節能蓄熱式金屬鎂還原爐，由爐體基礎、爐膛、爐頂、爐端墻、耐火磚、端 墻內通道、蓄熱燒嘴、左右兩側蓄熱室、多排還原罐、爐底、空氣-煙氣管道系統、煤氣-煙氣 管道系統、二位三通換向閥、引風機、煤氣發生爐構成。整還原爐采用上下兩層爐膛分開燃 燒，在還原爐兩側的爐墻與爐膛之間豎直布置兩列蓄熱室，內部裝 滿陶瓷蜂窩體或陶瓷小球的新型蓄熱體，兩組蓄熱室交替吸熱放熱，從而達到回 收煙氣余溫和預熱助燃空氣和煤氣的雙預熱目的。 所述還原爐的整個爐體由上下兩層爐膛組成，蓄熱式燒嘴貫穿排列于整個上下兩 層爐體的兩側，并嵌入于左右兩側的蓄熱室中。兩端蓄熱室中對稱布置10-40個燒嘴，每個 燒嘴有三個入口，其中兩側的入口用于引入空氣，中間的入口用于引入煤氣。工作時一側燒 嘴組織燃燒，另一側燒嘴則組織排煙，兩側燒嘴在換向閥的作用下周期性交替工作。
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所述還原爐的兩側端墻內各布置兩條通道， 一條為空氣_煙氣通道，另一條為煤 氣_煙氣通道，起始端分別與空氣和煤氣發生裝置相連，終止端與蓄熱式燒嘴相連，并分別 負責交替地引入空氣、煤氣和排出煙氣。當空氣或煤氣和高溫煙氣流經嵌于蓄熱室的燒嘴 時，通過蓄熱室的作用達到吸收煙氣顯熱和預熱空氣、煤氣的目的。 所述爐膛內的還原罐采用水平方式布置，每個爐膛內對稱布置三排還原罐，上排 的每個還原罐在豎直方向位于下排兩個相鄰還原罐的中點位置，兩相鄰的還原罐之間間隔 一定距離。從而使火焰更有效的同還原罐接觸，達到最佳傳熱效果。 所述還原爐的中間用耐火磚將還原爐分為上下兩層，耐火磚中間開鑿出溝通上下
兩層爐膛的細管道，從而使燃燒獲得的熱量更為充分的分布于整個上下爐膛，加強對還原
罐的傳熱效果。
本發明有如下優點 最大程度節省空間。將整個還原爐設置成為上下兩層，工人可以上下樓立體式進 行工作，節省了建廠所需的空間。同時可以大大改善生產環境。上下兩個爐膛同時工作并 批量還原生產，每個爐膛內水平布置三排或多排還原罐，減少了用于支撐還原罐的支撐墻 所占的空間，并且在滿足工人扒渣生產要求的同時，還原罐的使用數量大大增加，從而提高 了整個生產線的效率，大大降低了工人的工作時間和工作強度。 最大程度提高燃燒效率，降低煙氣熱量損失。采用蓄熱室利用煙氣的余熱對空氣 和煤氣進行雙預熱，另外貫通上下兩層的蓄熱式燒嘴使得煤氣和空氣的混合更為充分，燃 燒更徹底，減少有害氣體的產生。此外爐內的溫度更為均勻，極大提高了金屬鎂還原率和還 原品質，并延長還原罐的使用壽命。 最大程度提高能源利用率，降低生產成本，提高系統安全性。對于單排和雙排還原 罐，由于受爐體寬度和高度的限制，爐膛內的煙氣回流沒有充分即從排煙燒嘴排出，燃燒所 產生的熱量利用不徹底。在滿足工人最基本的生產條件下，將還原罐布置成三排，并設置管 道將上下兩層爐膛連通，使得煙氣回流過程中對還原罐的傳熱作用更明顯，在每個還原生 產周期內，有更多的金屬鎂得到還原。貫通上下兩層的蓄熱式燒嘴能更有效的組織燃燒，每 次的燃燒所產生的能量得到更為有效的利用，提高了生產能力，降低了生產成本。由于整個 系統由多個管道組成，可以有效防止氣體阻塞現象的出現，安全性極大提高。
如圖所示為一種多層節能制備金屬鎂的還原爐。 整個還原爐由爐體基礎1、爐膛2、爐頂3、爐墻4、蓄熱燒嘴5、還原罐6、耐火磚7、 空氣_煙氣通道8、煤氣-煙氣通道9、換向閥10、煤氣控制閥門16。在爐墻與爐膛之間布 置蓄熱室11和12，若干對蓄熱式燒嘴嵌入與左右兩側的蓄熱室中。蓄熱式燒嘴有三個入 口 ，上下兩側入口通過墻內通道8與鼓風機13相連，燒嘴的中間入口通過墻內通道9與煤 氣發生爐14相連。在通道8和通道9引入氣體的管道上各安置一個換向閥，兩管道的排出 端接通在一起，并同煙囪15相連，換向閥按一定周期換向，從而利用蓄熱室周期性交替吸 收煙氣余熱和對空氣及煤氣進行雙預熱。還原罐6分布成三排，水平布置于爐膛2內，在側 向進行裝料和出渣的工作，上排的每個還原罐在豎直方向位于下排兩個相鄰還原罐的中點 位置，兩相鄰的還原罐之間間隔一定距離。耐火磚7的中間對稱布置多個管道，將上下兩個爐膛連通。
具體實施例方式
在還原爐兩端墻底與爐膛之間豎直布置兩列蓄熱室(11和12)，內部充滿新型陶 瓷蓄熱體。在工作時，位于左側的燒嘴組織排煙，右側燒嘴組織燃燒，蓄熱室12負責對流經 蓄熱室的空氣和煤氣分別進行預熱，空氣和煤氣分別通過貫通上下兩層的空氣_煙氣通道 和煤氣-煙氣通道，由引風機和煤氣發生爐提供。空氣和煤氣從蓄熱式燒嘴的不同入口進 入，充分混合后燃燒，燃燒火焰和煙氣與上下兩層分布于爐膛內的六排還原罐充分接觸，提 供120(TC左右的均勻溫度場并將熱量傳遞給還原罐，煙氣由左側燒嘴并通過蓄熱室11將 本身的物理熱傳遞給陶瓷蓄熱體，最后經由與空氣通道和煤氣通道連接的煙閨排出，排出 煙氣的溫度在200°C左右。 一個周期過后，兩個換向閥同時換向，此時左側的燒嘴組織燃燒， 右側的燒嘴組織排煙，蓄熱室11負責將吸收的物理熱傳遞給空氣和煤氣，預熱后的空氣和 煤氣經左側燒嘴噴出燃燒，煙氣流經蓄熱室12和右側燒嘴從煙囪排出。這樣如此反復工作 對上下兩層六排還原罐進行加熱，選擇合適的換向周期，使得燃燒更為充分，能源的利用率 最大化。
權利要求
一種多層節能還原爐制備金屬鎂的方法，整個還原爐包括爐體基礎(1)、爐膛(2)、爐頂(3)、爐墻(4)蓄熱燒嘴(5)、還原罐(6)、耐火磚(7)、空氣-煙氣通道(8)、煤氣-煙氣通道(9)、換向閥(10)、蓄熱室(11)和(12)、鼓風機(13)、煤氣發生爐(14)、煙囪(15)和煤氣控制閥(16)。其特征是整個還原爐分為上下兩層爐膛(2)，每層還原罐(6)分布成三排，并采用水平放置的方式。
2. 按照權利要求1所述的多層節能金屬鎂還原爐，其特征是整個還原爐分為上下兩層 爐膛，由耐火材料分隔開，生產時采用上下樓式對還原爐進行操作。也可將還原爐建成多層 爐膛，對整個生產過程采取立體式操作。每層布置三排或多排還原罐裝置，充分利用燃燒獲 得的能源，并借助高溫空氣燃燒技術循環利用高溫煙氣對還原罐加熱，減少能源消耗，降低 N0X排放，節省空間資源，降低投資成本，提高整個生產線的生產能力。
3. 按照權利要求2所述的多層節能金屬鎂還原爐，其特征是在還原爐兩側端墻內采用 單蓄熱式燒嘴，燒嘴有三個入口 ，上下兩個入口引入空氣，中間的入口引入煤氣，整個燒嘴 嵌入于蓄熱室當中，左右兩側燒嘴交替組織燃燒和組織排煙。
4. 按照權利要求3所述的方法，在左右兩側的爐墻與爐膛之間豎直布置一列蓄熱室， 蓄熱室中充滿陶瓷蜂窩體，對煙氣的余熱進行回收，并對燃燒所需的空氣和煤氣進行雙預 熱，使燃燒更為充分，能源的利用率更高。
5. 按照權利要求4所述的方法，在分隔上下兩層爐膛的耐火磚當中布置多個對稱管 道，使整個還原爐連通起來，高溫煙氣在還原爐內的流動更充分，傳熱作用范圍更為廣泛， 多個管道的存在也使得爐內的氣壓不會過高，提高安全性。
全文摘要
涉及一種新型蓄熱式金屬鎂還原工藝，提供一種采用多層爐膛、多排還原罐制備金屬鎂的方法，屬于有色金屬冶煉及能源高效利用領域。整個還原爐主要包括爐體基礎、爐膛、蓄熱燒嘴、還原罐、空氣通道、煤氣通道、換向閥、蓄熱室、鼓風機、煤氣發生爐。該還原爐分為上下兩層爐膛，爐膛內部由管道連通，每層爐膛布置三排還原罐，左右兩端豎直布置一列蓄熱室。該還原爐可最大程度的節省生產空間，提高生產效率，節約生產成本。同時通過蓄熱室回收煙氣余熱并對空氣和煤氣進行雙預熱，可以更高效地將熱量傳遞給還原罐，使爐膛內溫度分布更為均勻，延長還原罐的使用壽命，降低有害氣體的排放，實現綠色的金屬鎂生產過程，具有顯著的社會環境效益。
文檔編號F27B14/08GK101713032SQ20091009252
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月17日 優先權日2009年9月17日
發明者傅振祥, 席亮, 徐秉聲, 戴城, 江涌, 熊紹鋒, 袁章福, 趙宏欣, 韓鵬 申請人:北京大學