辐射系数对冶金的影响研究论文

工业炉窑不管是燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等，节能高效是技术关键。烟气带走加热炉大量的高温热量，能量白白浪费，热利用率较低。余热回收可以使用使用蜂窝陶瓷蓄热体，但投入大，维修成本高，切换过程中也带走未燃烧的燃气，造成能源严重流失。 加热炉使用换热器则可且投资少、无切换机构、免维修。但如果使用金属换热器，由于材质的限制，抗氧化能力差，不能在高温下长期使用，余热回收率低。如烟道温度达到800度以上，金属换热器非常容易被高温损坏，无法达到余热回收的目的。因此不论如何，加热炉高效换热是技术攻关难点。下面介绍蓄热式加热炉和管式加热炉处理能力的改造技术蓄热式余热回收目前国内外开始流行的一种革命性的全新燃烧技术--蓄热式高温空气燃烧技术，它通过高效蓄热材料将助燃空气从室温预热至前所未有的800℃高温，同时大幅度降低Nox排放量，使排烟温度控制在露点以上、150℃以下范围内，最大限度地回收烟气余热，使炉内燃烧温度更趋均匀。HTAC技术针对燃料种类或热值的不同，有单蓄热与双蓄热之分。一般认为油类、高热值煤气及含焦油粉尘的热脏发生炉煤气则只需或只能采用助燃空气单蓄热方式；清洁的低热值燃料（高炉煤气、转炉煤气）可采用双蓄热方式。蓄热式加热炉实质上是高效蓄热式换热器与常规加热炉的结合体，主要由加热炉炉体、蓄热室、换向系统以及燃料、供风和排烟系统构成。蓄热室是蓄热式加热炉烟气余热回收的主体，它是填满蓄热体的室状空间，是烟气和空气流动通道的一部分。在加热炉中，蓄热室总是成对使用，一台炉子可以用一对，也可以用几对，甚至几十对。在国内的一些大型加热炉上，最多用到四十几对。在蓄热式加热炉中，换向阀起到了至关重要的作用。为配合换向阀安全准确地工作，必须配备一套可简可繁的控制系统。蓄热体通常采用直径12～15mm的Al2O3质陶瓷球或壁厚1mm以下的陶瓷蜂窝体。传统的燃烧方式是空气和煤气预混和扩散燃烧，在燃烧器周围存在一个局部高温区，造成炉温不均匀，影响加热质量。同时，在高温区内，氮气参与燃烧反应，导致烟气中NOx含量高，造成大气污染。蓄热式燃烧则完全不同，在蓄热式炉中，整个炉膛为一个反应体，空气和煤气充满炉膛，在这个炉膛内弥散燃烧，不存在局部高温区，氮气几乎不参与燃烧反应。与传统燃烧方式相比，其优势表现在下面几个方面：1 炉温更加均匀2 燃料选择范围更大采用蓄热式燃烧技术，空气预热温度由过去的400～600℃可提高到800～1100℃。由于燃料的理论燃烧温度大幅度提高，使燃料的选择范围更大，特别是可燃用800kcal／m3以下的低热值燃料，如高炉煤气或其他低热值劣质燃料。适合轻油、重油、天然气、液化石油气等各种燃料，尤其是对低热值的高炉煤气、发生炉煤气具有很好的预热助燃作用，扩展了燃料的应用范围。铝熔化燃油单耗指标在60kg／以内。3 大幅度节能由于烟气经蓄热体后温度降低到150℃以下（特殊情况下可降至70～80℃），将烟气的绝大部分显热传给了助燃空气，做到了烟气余热的“极限回收”，因此，炉子燃料消耗量大幅度降低。对于一般大型加热炉，可节能25％～30％；对于热处理炉，可节能30％～65％。4 NOX生成量更低采用传统的节能技术，助燃空气预热温度越高，烟气中NOX含量越大；而采用蓄热式高温空气燃烧技术，在助燃空气预热温度高达800℃的情况下，炉内NOX生成量反而大大减少。由于蓄热式燃烧是在相对的低氧状态下弥散燃烧，没有火焰中心，因此，不存在大量生成NOx的条件。烟气中NOx含量低，有利于保护环境。5 金属氧化烧损低低氧燃烧的另一个好处是可降低被加热金属的氧化烧损。此外，蓄热式燃烧还可以提高火焰辐射强度，强化辐射传热，提高炉子产量。6 既适合新建熔铝炉或加热炉，更适合旧型熔铝炉或加热炉的蓄热式技术改造，可保留原炉基础及钢结构不动，在炉两侧或同侧增加蓄热式烧嘴，施工简单，技术先进成熟。7 项目投资不大，节能效益显着，投资回收期短。管式加热炉处理能力的技术改造针对早期建造的炼油厂和化工厂在役管式加热炉热负荷和热效率低的状况，提出了若干技术改造措施包括，增大对流管表面积以增大对流段的热负荷；增加辐射管的换热面积；修正烟囱高度；换用新型燃烧器，变自然通风为强制供风，以增大燃烧器的发热量，减小过剩空气系数，节省燃料2%～3%；在对流段和烟囱之间增设空气预热器以提高空气入炉温度；采用高温辐射涂料增强辐射换热效果，从而增加热源对炉壁的辐射传热量和炉管的传热量等。装置减少，而早期建造的加热炉,由于受当时技术条件的限制，大多在低负荷条件下运行，热效率低。因此，对原有管式炉实施改造已成为日益迫切的任务。针对这种状况，笔者对现役管式加热炉做了深入调查及理论分析，总结出一套提高管式炉处理能力和热效率的措施，期望对我国炼油厂和化工厂旧设备的挖潜改造有所裨益。改造加热炉的目的就是增加热负荷，提高热效率。在实际操作过程中,为了提高管式炉的处理量，通过增强燃烧的办法，可提高热负荷10%左右。但因受辐射管壁温度过高、火焰舔炉管和炉膛产生正压等条件限制，其处理能力难以管式加热炉是炼油厂和化工厂重要的供热设备。目前，由于国家宏观经济政策的调整，新建加热再提高，仍不能满足热负荷要求〔1〕。因此，在改造之前，应收集分析和现场标定加热炉的性能指标，包括设计数据和操作时炉内各部位烟气温度和压力；燃烧空气温度、压力降及过剩空气系数；介质的进、出口温度和压力等。经综合分析，可从以下6个方面对管式加热炉进行改造。1.增加对流管表面积增加对流管表面积能增大对流段的热负荷。对流段位于辐射室上部,增加对流室高度比增加辐射室高度容易。在常减压装置、焦化装置中通常可采用这种改造方法。对流段排烟温度与介质进口温度之差,国外要求低于30℃,国内多为100～150℃。可从以下三个方面进行改造。其一，增加对流管数量。管式加热炉对流段上部一般留有高度不小于800mm的检修空间，小型加热炉高度不小于600mm，可在此空间加装对流管。若空间不够，可加高对流段，以增加对流管的换热面积。山东省某炼油厂250×105t/a常减压装置加热炉，设计热负荷,对流段炉管为�152mm×8mm，18排，每排12根，共计216根。欲提高处理量，该炉热负荷就不够，于是在对流段上部增加一组炉管,计6排，72根对流管，热负荷增加20%，满足了工艺要求。其二，用扩大表面管替代光管。旧式加热炉对流段有的用光管，可以用翅片管或钉头管代替。钉头管表面积是光管的2～3倍,翅片管表面积是光管的8～11倍〔2〕。代替后原来的管板不能再用，需重新制作管板。如果燃烧器烧油，需增设吹灰器吹灰。建议采用声波吹灰器,吹灰介质为压缩空气,吹灰效果好,可提高对流传热系数,降低排烟温度,同样可提高加热炉的热负荷。其三，用翅片管替代钉头管。旧式管式炉对流管若烧气体燃料，可用传热面积更大的翅片管代替钉头管,但要保证外部安装尺寸与钉头管的相同，以便仍使用原来的管板。某原油加热炉采取油气混烧，对流段为钉头管，现改为只烧气体燃料。为提高加热炉的热负荷，将原来的6排钉头管拆下，换用6排翅片管。结果对流段排烟温度降低，热负荷增加5%。用扩大表面管替代光管或用翅片管替代钉头管，会增大炉内烟气侧压力降，降低排烟温度，使烟囱抽力减小。若抽力不足，需增加烟囱高度，或在对流段上部增设引风机。同时应核算加热炉钢结构及基础是否满足载荷增加的要求。若基础受到载荷限制，上述改造方案难以实施，可考虑将整个对流段置于地面，并设一独立烟囱。增加对流炉管也会使炉管内介质的压力降增加，故应核算加热炉燃料进料泵的扬程,保证不影响加热炉的处理能力。2.增加辐射管换热面积很多情况下，可通过增加辐射室的高度（即辐射管的高度）来增加圆筒形立式炉辐射管的换热面积。对水平管箱式炉，在炉管上部或接近炉底的下部有可利用的空间用来增加炉管数量，从而增加辐射管的换热面积。辐射管的根数与炉管直径、管心距有关，辐射段尺寸受加热炉地基础、钢结构、燃烧器布置等影响。某圆筒形立式加热炉热负荷为，四管程，88根管，管外径127mm，管心距250mm，炉管压力降为。若辐射盘管改用外径152mm炉管，并加高,则只有72根管，管心距304mm，管内介质压力降减小到。但使用大直径炉管，须重新制作炉管吊钩和炉管拉钩，炉底导向管和转油线也应相应修改。3.修正烟囱高度烟囱的主要用途是安全有效地排放烟气。如果结构不合理，炉膛便产生正压而限制加热炉的操作。烟囱可通过增加高度或直径加以修正，但烟囱所受的风载荷会增加，故加热炉基础和钢结构的强度及稳定性须重新核算，以保证满足风载荷增加后烟囱的力学性能要求。某装置有一台常压加热炉和一台减压加热炉，都采取自然通风，独立烟囱，对流段位于炉顶部，欲通过加高对流段来提高热负荷。为了减轻基础载荷，去掉各自独立烟囱，采用了一联合落地烟囱。因对流段烟气侧压力降较大，烟气排放不畅，减压加热炉内产生正压，于是在减压炉对流室上部安装一独立烟囱，抽力增大，解决了正压问题。4.换用新型燃烧器或变自然通风为强制供风燃烧器是加热炉的关键设备,自然通风的燃烧器需要更多的过剩空气，火焰长，通过燃烧器的空气压降为～，燃烧空气被低速导入,很难与燃油充分混合。燃油的过剩空气系数为～；气体燃料为～。强制供风的燃烧器压力降为～ H2O，空气高速进入，湍流激烈，火焰短小有力,炉膛内炉管受热均匀，空气压力使燃料和空气充分混合，燃料油的过剩空气系数为～，燃料气的为～，燃烧充分，放射烟尘粒子减少，火焰形状和刚度易于控制，工作噪声低〔3〕。减小过剩空气系数一般能节省燃料2%～3%。但对低氮燃烧器而言，其火焰很长，若过剩空气系数减小到设计值，则操作较困难。以渣油为燃料的VI型或VIB型燃烧器负荷稍大时显得供风不足,燃烧不充分，火焰偏瘦,充满度偏小,使一部分二次风与雾化蒸汽未充分混合而进入炉膛。应适当增大雾化角或减小火道尺寸,以保证一、二次风的充分混合。5.增设空气预热系统这是加热炉常见的改造方式。烟气出口温度每下降35℃，热效率提高1%。如果烟气温度高于340℃，热负荷大于，应在对流段和烟囱之间增设空气预热器预热燃烧空气，余热可以利用。同时要安装强制供风燃烧器、鼓风机或引风机、冷风道、热风道和烟道等。预热器用于中小型加热炉时,应尽量顶置,以简化结构,降低改造费用。一般靠炉子原来的烟囱自然排烟，应避免排烟温度接近露点温度,排烟温度以200～250℃为宜。燃料中有6%～10%的硫燃烧后转化成SO3，继而生成硫酸。烟气内SO3含量越高，露点温度越高。管壁温度至少要高于烟气露点温度25℃。若燃料中硫含量小于1%，管壁温度最低为135℃；若燃料中硫含量为4%～5%，管壁温度最低为149℃〔1〕。避免烟气露点腐蚀的措施有：用低压蒸汽或热油预热空气；用预热器出口高温空气循环预热进口空气，以保持较高的空气进口温度；采用低合金耐腐蚀钢或非金属材料。6.应用高温辐射涂料增强换热效果近几年来,在管式炉炉膛内表面喷涂高温辐射涂料,以增强辐射传热量。炉内壁常用的耐火材料(耐火砖、耐火混凝土和耐火纤维毡三大类)辐射系数小,而高温辐射涂料的幅射系数大,涂抹后会增加热源对炉壁的辐射传热量,使炉壁表面温度上升,达到增大炉管的传热量和加热炉的热负荷之目的〔3〕。

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镁法海绵钛爬壁钛生成量的初探沈俊宇（遵义钛业股份有限公司 贵州省 563004）摘要：在海绵钛的还原生产过程中，反应器的上部器壁会生成大量环状的爬壁钛，一炉产品爬壁钛的生成量少则500 kg左右，多则达800至1000 kg，爬壁钛不仅产品取出困难，增加操作人员劳动强度，而且其质量较差，经济损失大。本文分析了海绵钛爬壁钛的形成机理及生产过程中爬壁钛增多的原因，提出了还原中后期最大加料速度限制，以缓解反应剧烈程度和控制反应液面高度在1#范围内小幅波动，防止形成新的活性中心，是生产过程中减少爬壁钛生成量的主要途径。关键词：海绵钛 爬壁钛 生成量 加料速度 反应液面高度A Study the Production of the Titanium on Walls Produced in the Process of Sponge Producing by Magnesium ProcessJunyu，Shen(Zunyi Titanium 563004)Abstract：A quantity of annular titanium will be produced on upper walls of reactors during the reduction and distillation。The production per batch is from 500kg to 800 or 1,000kg. It is difficult for operators to take products out ,and also influences the quality .Therefore ,the titanium on walls not only strengthens the labor intensity ,but also causes a big loss The paper analyzes the formation mechanism of the titanium on wall and reasons why its production order to ease the strong reaction,make the liquid level in reaction waves no more than 1’’and prevents the formation of new active centers ,the paper introduces a main method to reduce the production of the titanium on walls,that is to retrict the speed in mid or late period of reduction and sponge the titanium on walls production feed speed liquid level in reaction 1 前言在海绵钛的还原生产过程中，反应器的上部器壁会生成大量环状的爬壁钛，如图1所示。爬壁钛会导致以下不良后果： 第一，由于目前使用双法兰反应器，反应器上部热损失较大（上部有三圈水套，反应器约300 mm高度在加热炉外），上部爬壁钛中的氯化镁很难被蒸发出去，使爬壁钛中含有较高的杂质元素氯，剥取产品时会看到反应器口部（爬壁钛的最上部）粘有大量的镁和氯化镁。第二，海绵钛还原、蒸馏反应器为铁制反应器，由于爬壁钛在反应器器壁上粘附较强，加之双法兰反应器上部热损失大，为保证反应器上部温度，蒸馏期间加热炉1#、2#加热电阻丝送电频率高且时间长，致使爬壁钛普遍有发亮现象，分析结果显示杂质元素铁含量较高。第三，爬壁钛在反应器上部空间极易被泄漏进的空气污染，使产品中杂质元素氮、氧含量较高。由表1可看出，产品分析爬壁钛质量级别基本上在3—5级（极少部分在2级以上），同时，也有少部分因杂质元素过高成为等外品。一炉产品爬壁钛的生成量少则500kg左右，多则达800至1000 kg，经济损失较大。另外，爬壁钛过多也给产品取出带来困难，增加操作人员劳动强度。为了减少爬壁钛生成量，降低损失，我们进行了控制液面高度及调整料速试验。表1 2007年下半年爬壁钛质量统计表分析批数（批） 2级品批数（批） 3～5级品批数（批） 等外品批数（批） 2级品影响因素 3～5级品、等外品影响因素75 12 51 12 HB、Fe、Cl、O、N HB、Fe、Cl2 爬壁钛形成机理镁还原TiCl4主要反应为：TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2，在还原反应刚开始时，加入的TiCl4大部分气化，发生气相TiCl4—气相Mg或气相TiCl4—液相Mg反应，同时也有一部分TiCl4液体未来得及气化，进入液镁中，发生液相TiCl4—液相Mg间的反应。还原刚开始在反应器铁壁和熔镁表面夹角处上，一旦有钛晶粒出现后，裸露在熔镁面上方的钛晶体尖峰或棱角便成为活性中心。[1] 镁还原TiCl4主要在此活性中心上进行。液镁靠表面张力沿铁壁和钛晶体毛细孔上爬，被吸附在活性中心上，与气相TiCl4反应生成最初的海绵钛颗粒。随着反应的进行，生成的海绵钛颗粒依赖其与反应器壁的粘附力和熔体浮力的支持沿反应器壁在熔体表面逐渐长大，并浮在熔体表面。随着生成的海绵钛块增厚、增大，加之排放氯化镁，失去熔体浮力支持的海绵钛块体大部份就会沉落在熔体底部，这样在反应器器壁上，将有环状海绵钛粘附在其上，其实，这部分也是最初的爬壁钛。另外，在还原反应初期，液镁有很大的蒸发表面，而空间压力较低，故镁具有很大的蒸发速度。还原反应中期，反应温度较高和对反应器底部加热时，也会有部分镁蒸发。镁蒸气挥发后，冷凝在反应器器壁和大盖底部，与气相TiCl4反应也会生成部份爬壁钛。海绵钛块沉落熔体底部后，熔体表面会重新暴露出液镁的自由面，还原反应将恢复到较大的速度。随着反应的进行，在熔体表面会重新生成海绵钛桥，通过排放氯化镁，钛桥被破坏，海绵钛块靠自重下沉，又为下一层海绵钛生长创造条件，爬壁钛也在这一过程中逐渐形成，还原反应如此周而复始进行，直至镁的利用达到65%—75%之后。3 生产中爬壁钛增多原因分析中后期加料速度随着还原反应的进行，特别是进入中期后，加料速度逐渐增加，反应进行的非常剧烈，熔体表面反应区中心部最高温度可达1200℃以上，而镁的沸点仅1105℃，此时镁处于沸腾状态。加之目前还原操作料速按玻璃转子流量计实际刻度与自动加料系统对照进行加料，因玻璃转子流量计出厂时是用水标定，当被测介质改为TiCl4时，其修正系数，经计算应为。当玻璃转子刻度显示最大加料量为150 kg /，实际料速已达160～170 kg /。这样更加剧了反应的剧烈程度，沸腾的液镁将不断吸附在最初反应器壁上已形成的少量环状爬壁钛上，通过钛晶体毛细孔上爬，与气相TiCl4反应生成新爬壁钛，使原环状爬壁钛增多、增厚。另外，由于反应剧烈程度增加，也加剧了液镁的气化，液镁蒸气挥发后，冷凝附着在反应器器壁上部和大盖底部，与气相TiCl4反应生成爬壁钛，这些爬壁钛主要粘附在反应器器壁上部和大盖底部。因此，最大料速持续的时间越长，生成爬壁钛也就越多（表2）。表2 部分大料速爬壁钛生成量统计表最大料速（kg /） 持续的时间（h） 爬壁钛占毛产量比例（%）生产炉-1 155～165 35 生产炉-2 145～155 40 生产炉-3 155～165 36 生产炉-4 155～165 40 生产炉-5 155～165 35 反应液面高度反应液面高度太低、波动范围过大会增加爬壁钛生成量，其原因如下：第一，当反应液面高度过低时，TiCl4距液镁表面间距面相对较远，发生液相TiCl4—液相Mg间的反应相对减少，气相TiCl4与镁蒸气反应相对增加，从而增加爬壁钛生成量。第二，因未定时、定量准确排放MgCl2，反应液面高度大幅上下波动，易在钛晶体活性中心之外，形成新的活性中心，液镁靠表面吸引力沿铁壁和钛晶体孔隙上爬，被吸附在活性中心上，这样在反应器壁上会粘附形成新的爬壁钛。因此，不控制好液面高度，及时准确排放MgCl2，也将增加爬壁钛的生成量（表3）。表3 反应液面高度大幅波动量统计表反应液面高度波动范围 爬壁钛占毛产量比例（%）生产炉-6 1#～2# 生产炉-7 1#～2# 生产炉-8 1#～2# 生产炉-9 1#～2# 生产炉-10 1#～2# 生产炉-11 1#～2# 措施通过上述分析，可以知道爬壁钛是海绵钛生产过程中必然要形成的，但其生成量是可以控制的，因此，我们对加料速度以及反应液面高度进行了调整。结合生产实践，采取两项措施：第一，我们对部分处于通风不好而影响散热的炉子还原中期最大加料速度限制在135～140 kg /，以缓解反应剧烈程度，特殊炉次，因反应温度太低，可以适当提高至160～170 kg /，但持续时间不能太长，最多3～4 h;后期最大料速限制在105～110 kg /。第二，控制反应液面在1#范围内小幅波动，防止形成新的活性中心，以达到降低爬壁钛生成量的目的（表4）。表4 调整料速及排放MgCl2制度试验对比表料速及排放MgCl2制度 平均爬壁钛占毛产比例(kg) 平均钛坨重量(kg) 平均加料时间(h) 中期平均最大料速(kg /) 后期平均最大料速(kg /)调整前 5291 89 160 120调整后 5483 87 138 107从表4的统计数据可以看出，通过控制最大料速以及控制好液面高度及时准确的排放MgCl2，产品生成的爬壁钛占毛产比例大大下降，调整前平均爬壁钛为％，调整后平均爬壁钛％，平均下降％。在进行调整料速试验期间，对生产炉-59一炉产品还原中期加料再次进行提高料速到155～165 kg /试验，结果爬壁钛增至占毛产量的％，从这点也证明了加料速度对爬壁钛形成的影响。此外，调整前，钛坨平均重5291 kg，调整后，钛坨平均重5483 kg，平均毛产重量未受影响；调整前平均加料时间89小时，调整后平均加料时间87小时，加料时间也略有减少。试验在降低爬壁钛生成量的同时，缩短了还原生产周期，降低了还原电耗，取得了较好的效果。5 结论对处于通风不好而影响散热的炉子还原中期最大加料速度限制在135～140kg /，后期最大料速限制在105～110 kg / 控制反应液面高度在1#范围内小幅波动。本试验在巩固海绵钛钛坨产量的情况下，降低了爬壁钛生成量，试验取得了效果，为进一步研究探索海绵钛爬壁钛生成量打下了基础。参考资料[1] 莫畏， 邓国珠 ，罗方承 . 钛冶金[M].版次（第二版）.北京:冶金工业出版社,1998:281-293

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