CN101942574B - 一种脉冲燃烧蓄热式金属镁还原炉 - Google Patents

Abstract

一种脉冲燃烧蓄热式金属镁还原炉，属于有色金属加工技术领域。包括炉顶、炉体、还原罐、蓄热式烧嘴、烟气管路、空气管路、煤气管路；脉冲燃烧蓄热式系统替代传统的连续燃烧控制系统，在沿炉长方向上的单侧炉墙上均匀布置蓄热式烧嘴3-4层。优点在于，应用脉冲燃烧控制技术，提高烧嘴的负荷调节比，稳定燃气喷出速度，提高传热效率，实现燃烧气氛的精确控制；燃烧器沿炉膛长度方向布置，燃烧气体沿炉宽方向形成U型火焰，增加炉膛内的对流换热，强化温度场的均匀性，减少燃料的消耗，并提高还原罐的使用寿命；应用蓄热式燃烧技术以及利用虹吸原理产生的烟气卷吸效应，充分利用烟气余热，最大限度的节约能源，并且减少污染物的排放。

Description

一种脉冲燃烧蓄热式金属镁还原炉

技术领域

本发明属于有色金属加工技术领域，特别是涉及一种脉冲燃烧蓄热式金属镁还原炉，应用脉冲燃烧控制技术的蓄热式高温还原法提炼镁的竖罐还原炉。

背景技术

国内的镁还原炉一般都采用连续燃烧控制的形式，这种模式下烧嘴的调节比一般为1∶4左右，当还原炉处在升温工况时，烧嘴满负荷工作，燃气流速、火焰形状、热效率均可达到最佳设计状态；但当还原炉处在保温工况时，烧嘴流量接近其最小流量，热负荷最小，燃气流速大大降低，火焰长度达不到要求，造成还原炉中部炉温明显低于两端炉温，达不到工艺的炉温均匀性要求，所以目前大多数镁还原炉控制效果不佳。

现行的竖罐金属镁还原炉烧嘴沿两侧端墙相对布置，火焰燃烧在距烧嘴喷口一定距离处达到温度和热流量的高点，火焰最高温度点温度过高，导致炉温不均，并使得布置在炉中间和两端的还原罐在炉长方向上温差过大，由于温度波动大，致使还原罐易损耗；随着还原炉安装还原罐数量的增加，炉体更长，连续燃烧控制无法实现炉内温度场的均匀性。

而传统横罐金属镁还原炉中火焰和烟气翻过挡火墙进入炉膛，自上而下经过还原罐，很快由吸火孔排出炉膛，排烟温度高达1000℃左右；还原罐平卧固定在炉膛中，这种还原罐的结构以及布罐方式十分不便于进出料的操作，不利于采用机械化手段，严重影响了生产效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲燃烧蓄热式金属镁还原炉，解决了现有竖罐金属镁还原炉的缺陷，应用脉冲燃烧控制技术，提高烧嘴的负荷调节比，稳定燃气喷出速度，提高传热效率，实现燃烧气氛的精确控制；燃烧器沿炉膛长度方向布置，燃烧气体沿炉宽方向形成U型火焰，增加炉膛内的对流换热，强化温度场的均匀性，减少燃料的消耗，并提高还原罐的使用寿命；应用蓄热式燃烧技术以及利用虹吸原理产生的烟气卷吸效应，充分利用烟气余热，最大限度的节约能源，并且减少污染物的排放。

本发明包括炉顶1、炉体2、还原罐3、蓄热式烧嘴4、烟气管路5、空气管路6、煤气管路7、脉冲燃烧蓄热式控制系统8，以“脉冲燃烧蓄热式控制系统”替代传统的连续燃烧控制系统，脉冲燃烧蓄热式控制系统8连接烟气管路5、空气管路6和煤气管路7，通过控制管路气体流量与流速来控制蓄热式烧嘴4的火焰燃烧状态，保证炉内温度场均匀稳定：在沿炉长方向上的单侧炉墙上均匀布置蓄热式烧嘴4，根据炉墙高度要求布置2-4层，相邻两列烧嘴为一组，相继作为燃烧口与排烟口，进行燃烧与蓄热，气体在炉膛内沿炉宽方向形成U型火焰，加大气体流动换热；同组烧嘴的空气管路6和煤气管路7分别接脉冲燃烧蓄热式控制系统8所控I、II换向阀的左上接口，烟气管路5接脉冲燃烧蓄热式控制系统8所控I、II两个换向阀的右上接口，脉冲燃烧蓄热式控制系统8所控I换向阀的左下接口接A组蓄热式烧嘴4的煤气入口，右下接口接B组蓄热式烧嘴4的煤气入口，脉冲燃烧蓄热式控制系统8所控II换向阀的左下接口接A组蓄热式烧嘴4的空气入口，右下接口接B组蓄热式烧嘴4的空气入口；脉冲燃烧蓄热式控制系统8根据炉体2上所布置的炉温和炉压检测装置反馈的信号，通过PLC预设程序进行自动周期换向控制与脉冲时间控制；炉顶1由耐高温预制盖板拼接而成，预制盖板以耐高温的陶瓷锚固砖替代传统的金属锚固钩作为填充物，预制盖板上根据还原罐直径以及间距进行开孔，还原罐的中心距为650-850mm。

所述的脉冲燃烧蓄热式系统8包括炉温和炉压检测装置、PLC中枢控制系统、执行装置。炉温和炉压检测装置布置于炉体2上，通过补偿导线连接PLC中枢控制系统；执行装置布置于燃气管路接口处，通过电缆连接于PLC中枢控制系统上；PLC中枢控制系统根据炉体炉温和炉压检测装置反馈的信号，通过预设的PLC程序对燃气管路实施操控，进行自动周期换向控制与脉冲时间控制。脉冲燃烧蓄热式系统8采用间断燃烧的方式，使用脉宽调制技术，通过调节燃烧时间的占空比(即通断比：指在一串理想的脉冲序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值)实现还原炉的温度控制。

所述还原罐3在炉膛内采取垂直方式布置，两排为一组，每组还原罐之间根据燃气的流速与流量留有800-1250mm的燃烧通道，作为烧嘴喷射所形成的U型火焰的区域，出渣方式为上部进料上部出渣，或上部进料下部出渣。

所述蓄热式烧嘴4为空煤气双蓄热烧嘴或空气单蓄热烧嘴。

本发明的工作原理在于：

1、将结合了脉冲燃烧控制技术与高效蓄热式技术的“脉冲燃烧蓄热式系统”应用于金属镁还原炉，使蓄热式烧嘴在升温工况和保温工况下都处于满负荷工作，保证燃气流速、火焰形状、热效率达到最佳设计状态，实现火焰长度在两种工况下的一致，避免还原炉中部温度偏低，同时，由于能保证燃气高流速，使得蓄热式烧嘴在虹吸原理作用下，能够将炉膛内的高温烟气卷吸进烧嘴的空气入口并和空气混合，从而提高空气入炉前的温度，降低炉膛氧含量，最终实现高温低氧燃烧，增大燃料燃烧效率。

2、采用蓄热式燃烧技术，在沿炉长方向上的单侧炉墙上均匀布置空煤气双蓄热或空气单蓄热烧嘴，相邻两列烧嘴为一组，相继作为烧嘴与排烟口，交错进行燃烧与蓄热，气体在炉膛内形成U型火焰，加大气体流动换热，于现行的竖罐还原炉相比较，火焰不再沿支撑墙过道直接喷射，加大沿炉长方向的气体流动和换热，促进炉内温度场的稳定性，改善还原罐罐内温度场，减小还原罐的热应力进而减小了还原罐变形；同时，由于烧嘴在炉宽方向交错燃烧与蓄热，火焰呈U型环绕还原罐，燃烧区域温度均匀，延长了还原罐使用寿命。从而避免了以往沿炉长统一换向时，直射火焰在炉膛中部火焰刚度差，炉膛中部温度低，而在烧嘴喷口附近时，气体释热强度高，导致燃烧温度过高，造成在高温位置的还原罐过早氧化烧损。

本发明的积极效果：

(1)提高烧嘴的负荷调节比，加强炉内温度场的均匀性：本发明一改以往连续燃烧的保温工况下降低气流速度传统形式，创造性地采用间断燃烧，减少保温工况下供气时间的方式，使烧嘴喷射时均处于满负荷工作状态，从而使喷射的火焰长度保持一致，保证烧嘴工作在最佳燃烧状态：燃气喷出速度快，使周围形成负压，在虹吸原理作用下将炉膛内的高温烟气卷吸进烧嘴的空气入口并和空气充分搅拌混合，使燃气温度与炉内烟气温度接近；同时，由烧嘴独特布置所实现的U型火焰增加了炉膛内的对流换热，提高了炉内温度场的均匀性，从而提高了成品镁的品质；减少高温燃气对被加热体的直接热冲击，延长了还原罐体的使用寿命1-2倍。

(2)可实现燃烧气氛的精确控制：目前传统的连续燃烧控制将助燃空气的富余量留得很大，达不到最佳的节能和控制过剩氧含量(或过剩空气系数)的要求。采用脉冲燃烧控制方式，可以将煤气和空气压力一次性调整到合适值，在系统投入运行后，只需保持这两个压力稳定即可。对压力进行测量和控制要比流量简单得多，可以根据系统的实际情况采取全自动控制，也可以采取人工手动控制。

(3)脉冲燃烧控制系统简单可靠、造价低廉：与连续燃烧控制相比，脉冲燃烧控制系统中参与控制的仪表大大减少，仅有温度传感器、全功能隔断型两位三通换向阀和自控系统，省略了大量价格昂贵的流量调节(电动调节阀)机构。并且，由于脉冲燃烧控制只需要两位式开关控制，执行机构也由原来的电动调节阀变为全功能隔断型两位三通换向阀(两位四通换向阀)，增加了系统的可靠性，降低了系统整体造价。

(4)热效率高，节能降耗：本发明采用弥散直燃技术和专用蓄热燃烧器，经蓄热体预热的空气和煤气，燃烧前已由常温变高温，燃烧更完全，并能保证炉膛温度均匀；采用蓄热式燃烧技术可以将烟气余热利用到几乎接近极限的程度，最大限度地回收烟气潜热，排烟温度由原来的1000℃降低到150℃以下，余热回收率可达80％，是常规热回收装置的1.3倍，节能降耗非常明显。

(5)环保效果好：本发明使用的蓄热式燃烧技术和在虹吸原理作用下实现的炉膛内高温烟气卷吸效果不仅节约了能源，降低了烟气排放量，而且大大降低了烟气中SO₂、NOx等有害气体的含量，保证排入大气中的烟气可达国家排放标准，防止污染环境。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。其中，炉顶1、炉体2、还原罐3、蓄热式烧嘴4

图2为本发明的工作原理图。其中，烟气管路5、空气管路6、煤气管路7、脉冲燃烧控制系统8

具体实施方式

参见图1-图2，本发明包括炉顶1、炉体2、还原罐3、蓄热式烧嘴4、烟气管路5、空气管路6、煤气管路7、脉冲燃烧蓄热式控制系统8。在沿炉长方向上的单侧炉墙上均匀布置蓄热式烧嘴4，相邻两列烧嘴为一组，放置于火焰过道对应位置的炉墙上，根据炉墙高度要求布置2-4层，每层均设偶数个，以保证每两个烧嘴控制火焰呈U型，相继作为烧嘴与排烟口；同组烧嘴的空气管路6和煤气管路7分别接脉冲燃烧蓄热式控制系统8所控I、II两个换向阀的左上接口，烟气管路5分别接脉冲燃烧蓄热式控制系统8所控I、II两个换向阀的右上接口，脉冲燃烧蓄热式控制系统8所控I换向阀的左下接口接A组蓄热式烧嘴4的煤气入口，右下接口接B组蓄热式烧嘴4的煤气入口，脉冲燃烧蓄热式控制系统8所控II换向阀的左下接口接A组蓄热式烧嘴4的空气入口，右下接口接B组蓄热式烧嘴4的空气入口，脉冲燃烧蓄热式控制系统8根据炉体2上所布置的炉温和炉压检测装置反馈的信号，通过PLC预设程序进行自动周期换向控制与脉冲时间控制；炉体2内的还原罐3垂直吊挂于炉体钢结构(未图示)上，两排为一组，每排数量试炉体宽度适当调整，每组还原罐之间根据燃气的流速与流量留有800-1250mm的燃烧通道，作为烧嘴喷射所形成的U型火焰的区域。

本发明工作原理如图2所示：空煤气供应系统包括烟气管路5、空气管路6、煤气管路7和脉冲燃烧蓄热式控制系统8，空、煤气各置一个独立通道，设置相应的鼓风机，通过脉冲燃烧控制系统8后连接蓄热式烧嘴4对应的空煤气接口，还原炉采用周期性间断燃烧的方式，当还原炉处在升温工况时，烧嘴燃烧时间加长，间断时间减小，当还原炉处在保温工况时，烧嘴燃烧时间减小，间断时间加长，保证保温阶段对煤气和空气的供应量为升温阶段的1/4，烧嘴喷射时均处于满负荷工作状态，从而使喷射的火焰长度保持一致，炉内温度场保持均匀稳定。当一组烧嘴中一列在作为烧嘴燃烧的时候，相邻的另一列则作为排烟口用来排烟。经过一个换向周期后，通过脉冲燃烧蓄热式控制系统8的切换，原来作为烧嘴燃烧的一列烧嘴变为排烟口用来排烟，而原来用来排烟的另一列烧嘴则作为烧嘴燃烧。交替燃烧和排烟的过程中，烧嘴后部的蓄热室将高温烟气所携带的热量回收并释放给燃料和助燃空气，燃料燃烧的过程中，将这部分热量又重新带回到炉内；同时，蓄热式烧嘴4应用虹吸技术，能够将炉膛内的高温烟气卷吸进烧嘴的空气入口并和空气混合，从而再次提高了空气入炉前的温度，降低了炉膛的氧含量，最终实现高温低氧燃烧，增大燃料燃烧效率。

Claims (5)

1.一种脉冲燃烧蓄热式金属镁还原炉，包括炉顶、炉体、还原罐、蓄热式烧嘴、烟气管路、空气管路和煤气管路；其特征在于，脉冲燃烧蓄热式控制系统(8)替代连续燃烧控制系统，脉冲燃烧蓄热式控制系统(8)连接烟气管路(5)、空气管路(6)和煤气管路(7)，通过控制管路气体流量与流速来控制蓄热式烧嘴(4)的火焰燃烧状态，保证炉内温度场均匀稳定：在沿炉体长方向上的单侧炉墙上均匀布置蓄热式烧嘴(4)，根据炉墙高度要求布置2-4层，相邻两列烧嘴为一组，相继作为燃烧口与排烟口，进行燃烧与蓄热，气体在炉膛内沿炉宽方向形成U型火焰，加大气体流动换热；同组烧嘴的空气管路(6)和煤气管路(7)分别接脉冲燃烧蓄热式控制系统(8)所控I、II换向阀的左上接口，烟气管路(5)接脉冲燃烧蓄热式控制系统(8)所控I、II两个换向阀的右上接口，脉冲燃烧蓄热式控制系统(8)所控I换向阀的左下接口接A组蓄热式烧嘴(4)的煤气入口，右下接口接B组蓄热式烧嘴(4)的煤气入口，脉冲燃烧蓄热式控制系统(8)所控II换向阀的左下接口接A组蓄热式烧嘴(4)的空气入口，右下接口接B组蓄热式烧嘴(4)的空气入口；脉冲燃烧蓄热式控制系统(8)根据炉体(2)上所布置的炉温和炉压检测装置反馈的信号，通过PLC预设程序进行自动周期换向控制与脉冲时间控制；

所述的脉冲燃烧蓄热式控制系统(8)包括炉温和炉压检测装置、PLC中枢控制系统、执行装置；炉温和炉压检测装置布置于炉体(2)上，通过补偿导线连接PLC中枢控制系统，执行装置布置于燃气管路接口处，通过电缆连接于PLC中枢控制系统上；PLC中枢控制系统根据炉体炉温和炉压检测装置反馈的信号，通过预设的PLC程序对燃气管路实施操控，进行自动周期换向控制与脉冲时间控制；脉冲燃烧采用间断燃烧的方式，通过调节燃烧时间的占空比实现还原炉的温度控制。

2.如权利要求1所述的金属镁还原炉，其特征在于，还原罐(3)在炉膛内采取垂直方式布置，两排为一组，每组还原罐之间根据燃气的流速与流量留有800-1250mm的燃烧通道，作为烧嘴喷射所形成的U型火焰的区域，出渣方式为上部进料上部出渣，或上部进料下部出渣。

3.如权利要求1所述的金属镁还原炉，其特征在于，蓄热式烧嘴(4)为空煤气双蓄热烧嘴或空气单蓄热烧嘴。

4.如权利要求1所述的金属镁还还原炉，其特征在于，炉顶(1)由耐高温预制盖板拼接而成。

5.如权利要求4所述的金属镁还还原炉，其特征在于，预制盖板以耐高温的陶瓷锚固砖替代传统的金属锚固钩作为填充物，预制盖板上根据还原罐直径以及间距进行开孔。 

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