专利名称：多层节能还原炉制备金属镁的方法
技术领域：
本发明属于有色金属冶炼以及能源高效利用领域，涉及一种新型多层蓄热式金属
镁还原工艺，提供一种温度分布均匀、低能耗、低污染的新型节能还原炉，并最大限度循环
利用烟气余热的方法，可以提高金属镁的生产效率和降低N0X排放。
背景技术：
镁及镁合金作为一种新型的应用材料，近年来已广泛应用于军用、民用领域的许 多方面；镁合金作为最轻的结构材料，能满足交通运输业日益严格的节能和尾气排放的要 求。另外我国是镁资源大国，储量居世界首位，也是世界上产镁最多的国家。改进原镁冶炼 技术是我国镁工业发展的出路。 我国传统的炼镁多采用符合我国国情的皮江法炼镁工艺，其工艺实质是将白云 石在回转窑中煅烧，然后经过研磨与硅铁粉和萤石粉混合制球，送入耐热钢还原罐内，在 1190°C 121(TC的温度及真空条件下，还原制成粗镁，最后经过熔剂精炼、铸锭、表面处理、
产生金属镁锭。 而在整个皮江法炼镁工艺过程中，最需要改进的环节是真空还原炼镁阶段。传统
的金属镁冶炼工艺多采用单层外加热式真空蒸馏罐，内用硅铁还原白云石制镁的工艺。就
加热方式而言，目前我国采用最广的为返焰式加热，主要是将高温烟气从烟气入口引入炉
膛后，对还原罐由上到下进行对流加热，但由于烟气在炉膛内停留很短，对还原罐的对流换
热效率非常低，高温烟气也没有得到有效的回收和充分的利用；另外还原罐在这种还原炉
内的传热过程中，与烟气的对流换热在轴向上存在明显的不均匀，燃烧温度控制不灵活，造
成还原罐的使用寿命不均一，生产出的金属镁品质很低。因此传统的加热方式普遍存在着
高耗能、高污染、热利用率低、工业自动化程度低、还原罐寿命短等问题。 随着高温空气燃烧技术的发展，为大幅度提高炼镁效率提供了可能性。高温空气
燃烧技术是上世纪八十年代末田中良一等人提出的一种新概念燃烧技术，它突破了几百年
来人们对燃烧的传统认识，这种技术采用两个蓄热式烧嘴相互交替工作，通过蓄热体极限
回收烟气余热并将助燃空气预热到100(TC以上，这样，即使是热值很低的燃料也能实现稳
定着火和高效燃烧。这项技术是一项划时代的节能和环保技术，可以满足在极限回收烟气
物理热的同时，维持空气中较低的含氧量，获得性能优异的火焰，以及极低的叫排放量，达
到最佳的节能和环保效果。 在此基础上发展起来的新型蓄热式金属镁还原炉，结合了高温空气燃烧技术与金 属镁还原工艺的特点。燃烧方式使用高效直燃式，燃烧器布置在还原炉的两端墙上，火焰直 接辐射加热炉内的耐热钢还原罐。摒弃传统金属镁还原炉的倒焰的加热方式，而是使用直 接裸烧的方式，直燃式裸烧可以强化烟气与还原罐之间的传热过程，而这恰好可以打破制 约传统还原炉生产率和热效率的瓶颈。 现有的金属镁还原炉所采用的蓄热室多布置于左右两侧端墙的底部，蓄热室A和 B内部充满新型蓄热体陶瓷蜂窝体或陶瓷小球。正常运行时，A组蓄热室放热，加热流经A组蓄热体的空气；此时，B组蓄热室吸热，回收流经B组蓄热体的烟气的显热。经过一个换 向周期后，A组蓄热体吸热，B组蓄热体放热，这样，两个蓄热室可以交替切换工作状态来回 收高温烟气中的余热。还原炉的两端墙内部布置过气(高温空气或烟气)通道。炉膛中的 高温烟气由烧嘴排出后经过过气通道进入蓄热室，蓄热室中预热后的空气也是经过该过气 通道再通过烧嘴进入炉膛助燃。 将高温空气燃烧技术应用于能耗颇高的金属镁还原炉上，可使排出炉膛的高温烟 气(120(TC左右)的热量得到最大限度的回收，从而可以使还原炉的热效率大幅提高，具有 很好的节能效果，可以获得良好的经济效益和环保效果。 这种新型的蓄热式金属镁还原炉可以提供均匀的温度场，从而在提高还原效率、 减少有害气体排放的同时，可以最大限度的回收并利用烟气余热，符合节能环保和循环型 经济的产业要求。 基于蓄热式金属镁还原炉的优秀性能，如何将高温空气燃烧技术真正有效的应用 于金属镁还原炉成为我们研究的重中之重。但目前的工艺中绝大多数采用的仅为单层或双 层还原罐的蓄热式还原炉，还原炉内无用空间大，还原罐的支撑墙占据较大空间，影响热传 导；炉膛内温度分布不均匀，对还原罐的烧损有较大差异，并且影响物料反应的均匀性，热 量损失巨大；受到空间的限制，空气燃烧技术所形成的均匀高温没有得到充分的利用，还原 罐的使用数量有限，不能保证高效率的工作状态；蓄热室的作用有限，左右两侧底端的蓄热 室不能对煤气或空气进行有效的预热。 本发明的特点是，基于高温空气燃烧技术的基本特点和已开发的蓄热式金属镁还 原炉的基本结构，合理布置尺寸分布，节省生产空间，从而在满足工人的基本工况条件下， 最大限度的回收高温烟气热量，使得还原炉的最终排烟温度在20(TC以下，还原炉的效率提 高到30%以上，获得最大的能源利用率和最高的工业生产效率。
发明内容
本发明的目的是克服传统金属镁还原炉能耗高、效率低、炉膛内温度分布不均匀、
高温烟气及污染物排放等现有技术的不足，提供了一种能源消耗低、生产效率高、热场分布
均匀、烟气的热量损失低并大幅度提高生产能力、节约生产空间、降低生产成本、安全可靠
的多层节能蓄热式金属镁还原炉。 本发明通过如下方式实现 —种多层节能蓄热式金属镁还原炉，由炉体基础、炉膛、炉顶、炉端墙、耐火砖、端 墙内通道、蓄热烧嘴、左右两侧蓄热室、多排还原罐、炉底、空气-烟气管道系统、煤气-烟气 管道系统、二位三通换向阀、引风机、煤气发生炉构成。整还原炉采用上下两层炉膛分开燃 烧，在还原炉两侧的炉墙与炉膛之间竖直布置两列蓄热室，内部装 满陶瓷蜂窝体或陶瓷小球的新型蓄热体，两组蓄热室交替吸热放热，从而达到回 收烟气余温和预热助燃空气和煤气的双预热目的。 所述还原炉的整个炉体由上下两层炉膛组成，蓄热式烧嘴贯穿排列于整个上下两 层炉体的两侧，并嵌入于左右两侧的蓄热室中。两端蓄热室中对称布置10-40个烧嘴，每个 烧嘴有三个入口，其中两侧的入口用于引入空气，中间的入口用于引入煤气。工作时一侧烧 嘴组织燃烧，另一侧烧嘴则组织排烟，两侧烧嘴在换向阀的作用下周期性交替工作。
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所述还原炉的两侧端墙内各布置两条通道， 一条为空气_烟气通道，另一条为煤 气_烟气通道，起始端分别与空气和煤气发生装置相连，终止端与蓄热式烧嘴相连，并分别 负责交替地引入空气、煤气和排出烟气。当空气或煤气和高温烟气流经嵌于蓄热室的烧嘴 时，通过蓄热室的作用达到吸收烟气显热和预热空气、煤气的目的。 所述炉膛内的还原罐采用水平方式布置，每个炉膛内对称布置三排还原罐，上排 的每个还原罐在竖直方向位于下排两个相邻还原罐的中点位置，两相邻的还原罐之间间隔 一定距离。从而使火焰更有效的同还原罐接触，达到最佳传热效果。 所述还原炉的中间用耐火砖将还原炉分为上下两层，耐火砖中间开凿出沟通上下
两层炉膛的细管道，从而使燃烧获得的热量更为充分的分布于整个上下炉膛，加强对还原
罐的传热效果。
本发明有如下优点 最大程度节省空间。将整个还原炉设置成为上下两层，工人可以上下楼立体式进 行工作，节省了建厂所需的空间。同时可以大大改善生产环境。上下两个炉膛同时工作并 批量还原生产，每个炉膛内水平布置三排或多排还原罐，减少了用于支撑还原罐的支撑墙 所占的空间，并且在满足工人扒渣生产要求的同时，还原罐的使用数量大大增加，从而提高 了整个生产线的效率，大大降低了工人的工作时间和工作强度。 最大程度提高燃烧效率，降低烟气热量损失。采用蓄热室利用烟气的余热对空气 和煤气进行双预热，另外贯通上下两层的蓄热式烧嘴使得煤气和空气的混合更为充分，燃 烧更彻底，减少有害气体的产生。此外炉内的温度更为均匀，极大提高了金属镁还原率和还 原品质，并延长还原罐的使用寿命。 最大程度提高能源利用率，降低生产成本，提高系统安全性。对于单排和双排还原 罐，由于受炉体宽度和高度的限制，炉膛内的烟气回流没有充分即从排烟烧嘴排出，燃烧所 产生的热量利用不彻底。在满足工人最基本的生产条件下，将还原罐布置成三排，并设置管 道将上下两层炉膛连通，使得烟气回流过程中对还原罐的传热作用更明显，在每个还原生 产周期内，有更多的金属镁得到还原。贯通上下两层的蓄热式烧嘴能更有效的组织燃烧，每 次的燃烧所产生的能量得到更为有效的利用，提高了生产能力，降低了生产成本。由于整个 系统由多个管道组成，可以有效防止气体阻塞现象的出现，安全性极大提高。
如图所示为一种多层节能制备金属镁的还原炉。 整个还原炉由炉体基础1、炉膛2、炉顶3、炉墙4、蓄热烧嘴5、还原罐6、耐火砖7、 空气_烟气通道8、煤气-烟气通道9、换向阀10、煤气控制阀门16。在炉墙与炉膛之间布 置蓄热室11和12，若干对蓄热式烧嘴嵌入与左右两侧的蓄热室中。蓄热式烧嘴有三个入 口 ，上下两侧入口通过墙内通道8与鼓风机13相连，烧嘴的中间入口通过墙内通道9与煤 气发生炉14相连。在通道8和通道9引入气体的管道上各安置一个换向阀，两管道的排出 端接通在一起，并同烟囱15相连，换向阀按一定周期换向，从而利用蓄热室周期性交替吸 收烟气余热和对空气及煤气进行双预热。还原罐6分布成三排，水平布置于炉膛2内，在侧 向进行装料和出渣的工作，上排的每个还原罐在竖直方向位于下排两个相邻还原罐的中点 位置，两相邻的还原罐之间间隔一定距离。耐火砖7的中间对称布置多个管道，将上下两个炉膛连通。
具体实施例方式
在还原炉两端墙底与炉膛之间竖直布置两列蓄热室(11和12)，内部充满新型陶 瓷蓄热体。在工作时，位于左侧的烧嘴组织排烟，右侧烧嘴组织燃烧，蓄热室12负责对流经 蓄热室的空气和煤气分别进行预热，空气和煤气分别通过贯通上下两层的空气_烟气通道 和煤气-烟气通道，由引风机和煤气发生炉提供。空气和煤气从蓄热式烧嘴的不同入口进 入，充分混合后燃烧，燃烧火焰和烟气与上下两层分布于炉膛内的六排还原罐充分接触，提 供120(TC左右的均匀温度场并将热量传递给还原罐，烟气由左侧烧嘴并通过蓄热室11将 本身的物理热传递给陶瓷蓄热体，最后经由与空气通道和煤气通道连接的烟闺排出，排出 烟气的温度在200°C左右。 一个周期过后，两个换向阀同时换向，此时左侧的烧嘴组织燃烧， 右侧的烧嘴组织排烟，蓄热室11负责将吸收的物理热传递给空气和煤气，预热后的空气和 煤气经左侧烧嘴喷出燃烧，烟气流经蓄热室12和右侧烧嘴从烟囱排出。这样如此反复工作 对上下两层六排还原罐进行加热，选择合适的换向周期，使得燃烧更为充分，能源的利用率 最大化。
权利要求
一种多层节能还原炉制备金属镁的方法，整个还原炉包括炉体基础(1)、炉膛(2)、炉顶(3)、炉墙(4)蓄热烧嘴(5)、还原罐(6)、耐火砖(7)、空气-烟气通道(8)、煤气-烟气通道(9)、换向阀(10)、蓄热室(11)和(12)、鼓风机(13)、煤气发生炉(14)、烟囱(15)和煤气控制阀(16)。其特征是整个还原炉分为上下两层炉膛(2)，每层还原罐(6)分布成三排，并采用水平放置的方式。
2. 按照权利要求1所述的多层节能金属镁还原炉，其特征是整个还原炉分为上下两层 炉膛，由耐火材料分隔开，生产时采用上下楼式对还原炉进行操作。也可将还原炉建成多层 炉膛，对整个生产过程采取立体式操作。每层布置三排或多排还原罐装置，充分利用燃烧获 得的能源，并借助高温空气燃烧技术循环利用高温烟气对还原罐加热，减少能源消耗，降低 N0X排放，节省空间资源，降低投资成本，提高整个生产线的生产能力。
3. 按照权利要求2所述的多层节能金属镁还原炉，其特征是在还原炉两侧端墙内采用 单蓄热式烧嘴，烧嘴有三个入口 ，上下两个入口引入空气，中间的入口引入煤气，整个烧嘴 嵌入于蓄热室当中，左右两侧烧嘴交替组织燃烧和组织排烟。
4. 按照权利要求3所述的方法，在左右两侧的炉墙与炉膛之间竖直布置一列蓄热室， 蓄热室中充满陶瓷蜂窝体，对烟气的余热进行回收，并对燃烧所需的空气和煤气进行双预 热，使燃烧更为充分，能源的利用率更高。
5. 按照权利要求4所述的方法，在分隔上下两层炉膛的耐火砖当中布置多个对称管 道，使整个还原炉连通起来，高温烟气在还原炉内的流动更充分，传热作用范围更为广泛， 多个管道的存在也使得炉内的气压不会过高，提高安全性。
全文摘要
涉及一种新型蓄热式金属镁还原工艺，提供一种采用多层炉膛、多排还原罐制备金属镁的方法，属于有色金属冶炼及能源高效利用领域。整个还原炉主要包括炉体基础、炉膛、蓄热烧嘴、还原罐、空气通道、煤气通道、换向阀、蓄热室、鼓风机、煤气发生炉。该还原炉分为上下两层炉膛，炉膛内部由管道连通，每层炉膛布置三排还原罐，左右两端竖直布置一列蓄热室。该还原炉可最大程度的节省生产空间，提高生产效率，节约生产成本。同时通过蓄热室回收烟气余热并对空气和煤气进行双预热，可以更高效地将热量传递给还原罐，使炉膛内温度分布更为均匀，延长还原罐的使用寿命，降低有害气体的排放，实现绿色的金属镁生产过程，具有显著的社会环境效益。
文档编号F27B14/08GK101713032SQ20091009252
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月17日 优先权日2009年9月17日
发明者傅振祥, 席亮, 徐秉声, 戴城, 江涌, 熊绍锋, 袁章福, 赵宏欣, 韩鹏 申请人:北京大学