煉鎂還原罐內傳熱及其強化換熱分析

張小艷,柯亞萍,劉 浪,2,侯東壯,韓子怡,劉清江

(1.西安科技大學 能源學院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室,陜西 西安 710054;3.西安科技大學 地質與環境學院,陜西 西安 710054)

0 引 言

中國豐富的鎂礦儲量為鎂產業的發展奠定了基礎[1-2],自2000年以來,中國的產鎂總量占世界生產總量的40%,是全球第一產鎂大國[3-4]。皮江法煉鎂工藝(硅熱還原法)是中國最主要的金屬鎂生產工藝,但該工藝存在還原周期長導致的能耗大問題[5-6],是單位能耗最高的有色冶金行業之一[7-8]。在碳達峰碳中和背景下,為進一步降低皮江法煉鎂的能耗,重點應放在優化產業結構及提高能源利用效上[9],而提高能源利用率,應該從皮江法煉鎂工藝的傳熱機理等方面深入研究尋找突破口。

目前對皮江法煉鎂工藝的研究主要集中在還原反應條件的優化方面。唐祁峰等重點介紹碳熱還原煉鎂技術的動力學研究進展,指出目前碳熱還原法煉鎂要實現工業化生產還需解決的問題[10]。穆曉輝等介紹國內外不同還原劑的熱法煉鎂研究進展,并分析不同還原劑對煉鎂過程的影響[11]。GUO等研究用鋁熱法從低品位菱鎂礦中直接提取鎂的還原過程,結果表明該方法的鎂提取率高于常規煉鎂工藝[12]。謝興以單質鎂生產過程產生的熵増作為主要研究手段應用,分析熱過程和熱設備中有效能損失的動力學原因[13]。鄧軍平等通過對水泥中摻加適量鎂渣不僅提高了復合水泥的強度,還一定程度上解決了鎂渣粉塵污染問題[14]。BUGDAYC等研究還原劑類型和還原劑量對皮江法煉鎂工藝的影響[15]。WADA等開發了一種新型的微波驅動皮江法煉鎂工藝[16]。WU等采用10 Pa壓力下耦合電熱場制備金屬鎂,該方法有效地降低了通過常規方法提取鎂所需的反應裝置溫度[17]。CHE等提出一種在流動氬氣中進行的非真空生產鎂的新工藝,結果表明新工藝可縮短煉鎂[18]。喬錦華通過對球團中硅鐵的不同配比進行試驗,分析硅含量對粗鎂產量的影響[19]。

大量學者對皮江法煉鎂工藝的研究中發現,該工藝存在還原罐內球團溫升速度過慢或者存在冷芯使罐內球團反應不充分等問題,從而影響單位時間產鎂率和產鎂量。為探究其中的原因,李波分析高硅白云石產鎂率低的原因,并通試驗驗證皮江法煉鎂工藝的原材料采用高硅白云石是可行的[20]。ZHANG等對硅熱還原過程的化學動力學機理進行試驗研究,建立包含化學反應的三維傳熱非定常數值方法,并對此進行了驗證[21]。FU等提出將白云石、硅鐵、螢石和粘結劑等粉末材料混合制成球團的一種生產鎂的新工藝[22]。除此之外也有不少學者對煉鎂還原罐結構等進行研究。傅大學等為解決皮江法還原罐內傳熱慢的問題,采用數值方法研究預制球團在還原罐內的傳熱規律[23]。ZHANG等開發利用高溫碳化硅顆粒增強還原罐內傳熱的循環利用新工藝,并對此進行數值模擬,結果表明該技術可顯著提高傳熱效率,縮短生產周期,降低生產成本[24]。鄧軍平等設計一種有利于加快物料還原反應速率的新型內熱式煉鎂反應器,該反應器具有傳熱速度快,內部溫度梯度小的特點[25]。

在對皮江法煉鎂工藝進行降耗研究過程中,主要目標是大力提高資源和能源的利用率。目前造成皮江法煉鎂工藝高能耗的原因之一是真空熱還原階段還原罐內物料傳熱效率低下,從而導致還原周期(一般為8～12 h)較長、產鎂率低等問題。為縮短煉鎂周期,提高還原罐的傳熱速率,以還原罐為研究對象,基于ANSYS仿真模擬軟件與傳熱學基本理論,對還原罐內傳熱過程進行研究,利用溫度和還原反應程度變化,獲知各影響因素下還原罐傳熱性能的變化特性。為進一步降低皮江法煉鎂工藝的能耗,縮短還原周期,實現煉鎂綠色化、低碳化目標提供理論參考。

1 數值模擬方法

1.1 物理模型

皮江法煉鎂過程是將還原罐內抽成真空,然后在1 200 ℃高溫下進行固相反應還原出鎂單質,得到粗鎂。還原罐內部傳熱過程如圖1所示,主要包括：(a)罐壁與球團間的輻射;(b)球團與球團之間的導熱;(c)罐壁與球團間的導熱;(d)球團之間的輻射和球團自身的化學反應吸熱5種形式。還原罐為壁厚30 mm,長度3 m的圓筒,核桃狀球團填滿罐內。在大量文獻研究中,學者們多將還原罐內球團簡化為一個整體,由于還原罐內球團與球團之間存在輻射傳熱,將球團視作一個整體去建模會引起較大誤差,所以將球團簡化為球狀球團,通過等效體積法可計算得到球團直徑。由于還原罐長度較長,直徑較小且還原爐內溫度均勻,認為熱量僅沿還原罐徑向傳遞,故可在軸向取單層球團厚度建立三維物理模型,如圖2所示,并且為了后續表述簡潔化,模型幾何參數尺寸符號見表1。由于傳熱過程十分復雜,為了便于模擬計算結合實際做出如下假設。

圖1 還原罐內部傳熱過程Fig.1 Heat transfer process inside the reduction tank

圖2 還原罐物理模型Fig.2 Physical model of the reduction tank

表1 物理模型參數符號Table 1 Parameters symbol of physical model

1)罐壁向球團傳熱、球團由外向內的傳熱均可視為一維徑向傳熱。

2)在整個煉鎂周期內,未發生化學反應之前無內熱源,達到反應溫度后球團持續發生還原反應并忽略鎂蒸氣對傳熱過程的影響。

3)還原罐外側為定壁溫條件。

1.2 數學模型

1.2.1 控制方程

還原罐外壁向內壁的導熱過程為恒壁溫條件下無內熱源的三維非穩態導熱過程,控制方程為

(1)

式中τ為換熱時間,s;Ts為還原罐的溫度,K;ρr為還原罐的密度,kg/m3;cr為還原罐的比熱容,J/(kg·K);λr為還原罐導熱系數,W/(m·K)。

對于球團的傳熱過程為三維非穩態有內熱源的導熱過程,該三維數值模型在極坐標系中的控制方程為

(2)

式中Tb為球團的溫度,K;ρb為球團的密度,kg/m3;cb為球團的比熱容,J/(kg·K);λb為球團導熱系數,W/(m·K)。Sb為由化學反應引起的吸熱熱源,隨后通過用戶定義的函數計算并作為源項添加到控制方程中。

熱源Sb表達式[26]為

Sb=φω

(3)

(4)

式中φ為生成單位質量鎂所需熱量,其值取為9.53 MJ·kg-1;ω為單位體積球料的產鎂速率,kg·m-3·s-1;ML為單位體積球料的理論產鎂量,ML=236 kg·m-3;α為反應轉化率。

轉化率α的微分方程為

(5)

式中k0為比例系數,k0=0.101 48。

1.2.2 邊界條件設置

一般情況下,初始條件的設置需符合模型的實際條件,邊界條件為Fluent提供的壁面條件、內部邊界條件和內部單元區域。爐溫波動范圍不大,為簡化計算假設爐溫為定值,還原罐模型在傳熱學中的初始條件及邊界條件設置見下式

初始條件

還原罐初始溫度

T(x,y,z,τ)=Ts=300 K

球團初始溫度

T(x,y,z,τ)=Tb=300 K

邊界條件

還原罐外壁溫

T(x,y,z,τ)=To=1 473 K

還原罐內壁面以及球團表面都為內壁面,在Fluent中設置為“couple”耦合面。

還原罐外壁面通過導熱作用對罐內球團進行加熱,球團與球團之間存在導熱和輻射換熱,加熱時,需開啟能量方程和輻射模型。

(6)

(7)

(8)

1.3 計算方法及網格劃分

采用Fluent模擬軟件對還原罐傳熱過程進行數值模擬,采用Solidworks軟件對還原罐及球團(還原罐外徑為330 mm,內徑為270 mm,球團直徑25 mm)進行建模,完成建模后利用Workbench的Mesh模塊進行網格劃分(圖3),對罐內球團進行布爾減操作,畫出流體域部分,整個模型的網格劃分采用結構性四面體和六面體網格,為計算精度要求對罐內球團部分進行加密處理。同時,在還原罐傳熱過程的數值模擬中,采用壓力求解器和非穩態計算法,開啟能量方程和DO輻射模型,為提高收斂速度與計算精度,采用有限元體積法,壓力耦合器采用Simple,松弛因子保持不變。

圖3 還原罐傳熱物理模型及網格劃分Fig.3 Physical model and meshing of heat transfer in the reduction tank

1.4 網格無關性驗證

在數值模擬中,網格數量對計算精度有一定影響,為了提高計算精度,針對還原罐內10 h的溫升過程,分別進行了網格無關性驗證及步長獨立性驗證,以確保模擬結果的準確性。圖4為罐中心溫度隨時間變化。從圖4可以看出,網格數為288 665時比119 669的溫度略微升高,和211 347對比幾乎沒有區別,所以選擇網格數為211 347進行數值模擬計算;時間步長為2,1,0.5 s的計算結果基本一致,所以選取2 s的時間步長。

圖4 還原罐中心溫度隨時間變化Fig.4 Temperature variation of the center of the reduction tank with time

1.5 模型驗證

為驗證模擬計算結果和源項UDF編譯的準確性,采用文獻[27]的結果進行驗證。所驗證還原罐模型的尺寸為內徑270 mm,外徑330 mm,壁厚30 mm,罐內球團直徑17.8 mm,罐體和球團的物性參數及邊界條件的設置與文獻一致,其中罐體加熱溫度為1 473 K,球團初始溫度為298.15 K。根據模擬結果計算還原反應程度與文獻模擬結果進行對比,圖5是數值模擬與文獻模擬結果的對比情況。其中還原反應程度定義為已反應球團體積和總球團體積之比。通過對比可知,還原罐內溫度模擬結果與文獻模擬結果接近,誤差在10%內,最大誤差在2 h時為8.84%,驗證了還原罐模型和模擬方法的準確性和可靠性。

圖5 還原罐中還原反應程度隨時間變化Fig.5 Variation of reduction reaction degree in the reduction tank with time

2 結果與分析

2.1 球團直徑對還原罐內傳熱的影響

在還原罐外徑為330 mm,內徑為270 mm,球團初始溫度為300 K,球團直徑分別為18,25,32,39 mm的情況下,對還原罐內的溫度場進行數值模擬。從圖6可以看出,不同球團直徑時,還原罐中心溫度在不同時間段升溫速率差別明顯,在0～1 h內直徑為39 mm的球團溫升速度最快,在7 h以后中心溫度逐漸趨于穩定。當球團直徑由d=18 mm以7 mm增量依次增加至39 mm時,加熱1 h的中心溫度由659 K分別增至934,1 169,1 266 K,增幅分別為275,235 K和97 K,可見隨著球團直徑的增加,還原罐中心溫度明顯升高,但增加幅度逐漸減小,其中d=18 mm增長至d=25 mm時的增幅最大。從加熱時間來看,d=18 mm的球團在加熱7 h后才達到還原反應所要求的溫度(大于1 300 K),而d=25 mm、d=32 mm和r=39 mm的球團分別需要加熱5,4 h和3 h,可以看出球團直徑越大加熱達到化學反應溫度的時間越短。在達到反應條件后,球團就會發生還原反應進行吸熱,從而影響熱量向罐內的傳遞,還原罐內中心溫度的升幅逐漸減小最終趨于平穩。

圖6 不同球團直徑還原罐中心溫度隨時間變化Fig.6 Temperature variation with time in the center of the reduction tank for different pellet diameters

從圖7可以看出,在相同加熱時間下,隨著球團直徑的增加,溫度分布更加均勻。在加熱1 h時,球團直徑由18 mm每增加7 mm,罐內最大溫差(罐內R=0 mm與R=135 mm處球團的溫差)由774 K分別減小至520,278 K和195 K,可以看出球團直徑增加會使罐內最大溫差減小,但減幅是逐漸降低的,其中d=18 mm增長至d=25 mm時的減幅最大。此外圖中可以明顯看出,直徑為18,25,32 mm的球團在加熱2h后的溫度分布曲線分別與直徑為25,32,39 mm的球團在加熱1 h后的溫度分布曲線十分接近,可見增大球團直徑可以有效提高傳熱速率。

圖7 不同球團直徑還原罐內溫度徑向分布Fig.7 Radial distribution of temperature in reduction tanks with different pellet diameters

2.2 球團初始溫度對還原罐內傳熱的影響

在還原罐外徑為330 mm,內徑為270 mm,球團直徑為18 mm時,球團初始溫度分別為300,800,1 000 K和1 200 K的情況下對還原罐內的溫度場進行數值模擬。從圖8可以看出,在相同加熱條件下,提高球團初始溫度,可使還原罐中心溫度更快達到反應溫度。當球團初始溫度為300 K時,加熱7 h還原罐中心溫度才能達到1 373 K,從而使最內部球團開始反應;當球團初始溫度提高到800 K時加熱7 h,與初溫300 K加熱7 h的溫度進行對比,只是略有升高;當球團初始溫度提高到1 000 K時,加熱只需6 h就可使罐中心溫度可提升至1 370 K;當球團初始溫度提高到1 200 K時,使罐中心溫度升至1 370 K僅需加熱4 h。從以上數據可以看出,提高球團初始溫度,可以縮短還原罐內部球團達到化學反應所需溫度的時間,但對于球團初始溫度的提升越大則效果越好,并且在初始溫度300～800 K范圍內對縮短達到化學反應條件時間的作用可以忽略不計,但升至1 000 K以上會有明顯效果。造成該現象的原因是球團升溫過程中在達到反應條件后,球團就會發生還原反應而吸熱,則向內部傳遞的熱量會低于未發生化學反應時,只有使球團初始溫度越接近化學反應溫度,才能更快縮短煉鎂周期。

圖8 不同球團初始溫度還原罐中心溫度隨時間變化Fig.8 Variation of reduction tank center temperature with time for different pellet initial temperatures

圖9顯示不同球團初始溫度下還原罐內的溫度分布云圖,從圖9可以看出,不同初始溫度下還原罐內的溫度分布規律,在加熱1 h時,初始溫度為1 200 K的還原罐內高溫球團數量明顯多于初始溫度為300 K;在加熱2 h時,初始溫度為300 K的還原罐內依然存在代表1 000 K的綠色球團,而初始溫度為1 200 K的還原罐內最低溫度已經達到1 300 K,在加熱4 h時,初始溫度為1 200 K的還原罐內球團均已達到反應溫度,與初始溫度為300 K的對比很明顯可以縮短還原罐的加熱周期。

圖9 不同球團初始溫度下還原罐內的溫度分布Fig.9 Cloud plot of temperature distribution in the reduction tank at different initial temperatures of pellets

2.3 還原罐內徑對還原罐內傳熱的影響

球團初始溫度為300 K,球團直徑為25 mm,在還原罐內徑分別為220,270,320 mm和370 mm,壁厚30 mm的情況下對還原罐內的溫度場進行數值模擬。從圖10可以看出,還原罐內徑的增大雖然增加了還原罐受熱面積,但同時因球團裝料量的增加使得熱阻變大,不利于熱量向罐內的傳遞。在相同加熱時長下,還原罐直徑越小罐中心溫度越高。當還原罐內徑由220 mm每增加50 mm,加熱1 h時,還原罐中心溫度由1 092 K依次減小至934,714,501 K,加熱3 h時,還原罐中心溫度由1 366 K依次減小至1 286,1 180,1 064 K。以還原罐中心溫度加熱到1 400 K為節點,從加熱時間來看,內徑為220,270 mm和320 mm所需要的時間分別為4,6,8 h,而當還原罐內徑增加至370 mm時,加熱8 h仍未達到1 400 K。從以上數據可明顯看出增加還原罐內徑嚴重影響還原罐內傳熱。

圖10 不同直徑還原罐中心溫度隨時間變化Fig.10 Temperature variation with time in the center of reduction tanks with different diameters

從圖11可以看出,在相同加熱時間下,隨著還原罐直徑的增加,還原反應程度逐漸降低,且還原罐內徑越大罐中心溫度達到反應溫度所需的時間越長。加熱1 h時,內徑為220,270,320 mm和370 mm的還原罐內還原反應程度分別為22.6%、19.2%、15.4%和11.7%,在這一時間段內還原罐內球團處于溫升階段,所以隨著還原罐內徑的增加還原程度變化差異不是很明顯;還原罐內徑由220 mm每增加50 mm,加熱4 h時,還原罐內還原反應程度由92.1%依次減小至69%、49.11%、37.8%,由此可明顯看出增大還原罐內徑會嚴重影響煉鎂周期。

圖11 不同直徑還原罐還原反應程度隨時間變化Fig.11 Variation of reduction reaction degree with time for reduction tanks with different diameters

2.4 肋片參數對加肋片的還原罐內傳熱的影響

擴大還原罐直徑可提高還原罐球團填充量,但會嚴重影響煉鎂周期,若能解決傳熱慢的問題則能提高單罐產鎂量。針對大型還原罐傳熱慢的問題借鑒文獻[28]提出的適用于豎罐皮江法煉鎂的肋片罐結構設計方案,將其中空罐及肋片分布和數量進行了修改,肋片罐結構示意圖如圖12所示。通過數值模擬的方法研究肋片參數對還原罐內傳熱的影響規律。與內徑270 mm的還原罐對比,內徑370 mm罐體的球團裝料量提升1.87倍。選擇直徑370 mm的還原罐,球團直徑為25 mm,初始溫度為300 K,分別對含有不同肋長、肋寬以及數量的還原罐內溫度場進行數值模擬,運用控制變量法分析肋長、肋寬以及數量對還原罐傳熱的影響規律。

n-l-w：n為肋片數;l為肋片長度;w為肋片寬度圖12 肋片罐結構示意Fig.12 Schematic diagram of the structure of the reduction tank with ribs

從圖13可以看出,在同一加熱時長下,加肋片的罐體中心溫度均大于無肋片罐,且肋長越長罐中心溫度越高,肋長等量增加對應中心溫度也近似等量升高。與無肋片罐相比,肋寬為15 mm、肋長分別為65,90,115 mm的肋片罐,加熱1 h時,還原罐中心溫度由501 K依次增加至581,679,744 K,增量分別為80,98,65 K。隨著加熱時間的延長,各肋長的還原罐中心溫度差值逐漸減小,加熱8 h時,還原罐中心溫度依次為1 360,1 378,1 389,1 398 K,增量均小于20 K,分析認為,隨著罐內溫度的升高,與熱源的溫差逐漸減小,傳熱速率下降,罐內溫度也逐漸趨于平緩。

圖13 不同肋長還原罐中心溫度隨時間變化Fig.13 Temperature variation with time in the center of the reduction tank with different rib lengths

從圖14可以看出,同一加熱時長下,有肋片的還原罐罐中心溫度均高于無肋片還原罐,且肋片越寬,罐體中心溫度越高。與無肋片罐相比,肋長為115 mm,寬度分別為10,15,20 mm的肋片罐,加熱1 h時,還原罐中心溫度由501 K依次增至691,744,801 K,增幅分別為53 K和57 K,增幅略有增大。隨著加熱時間的延長,各肋寬的還原罐中心溫度差值逐漸減小,在7 h時,差值均小于15 K。

圖14 肋長不同肋寬還原罐中心溫度隨時間變化Fig.14 Temperature variation with time at the center of the reduction tank for different rib widths

從圖15可以看出,在同一加熱時長下,肋片數越多,罐體中心溫度越高,且隨著加熱時間的延長,不同數量的肋片罐中心溫度差值逐漸減小。肋片數量由n=4每增加4時,加熱1h時的中心溫度由679 K分別增至769,850 K,增幅分別為90 K和82 K,可見隨著肋片數量的增加,還原罐中心溫度明顯升高,但增加幅度略微減小,其中n=4增長至n=8時的增幅最大。

圖15 不同肋片數下還原罐中心溫度隨時間變化Fig.15 Temperature variation with time in the center of the reduction tank for different number of ribs

雖然肋片數的增加可有效提高罐中心溫度,但與增加肋長和肋寬相比,肋片數的增加對罐內球團的填充量有很大影響。圖16為不同肋片數時還原罐內的溫度分布云圖,從球團填充量來看,肋片數越多,罐內球團填充量則越少,在肋片數n=4時,罐內球團可以最大程度上充滿罐體,在n=8時,球團數量減小,在n=12時,球團數量最少。從溫度分布來看,在同一加熱時長下,肋片數越多則罐內溫度分布越均勻。在加熱1 h,肋片數n=4時,處在750～800 K的低溫球團數量(藍色區域)明顯多于肋片數n=8和n=12,隨著加熱時間的延長,這一規律保持不變,均為肋片數少的罐中心溫度較低的球團數量多于肋片數較多的。在加熱6 h時,肋片數n=4的還原罐內溫度大于1 450 K的高溫球團(紅色區域)數量明顯少于肋片數n=8和n=12,尤其是n=12時,除了肋片罐中心的球團外其余球團溫度均處于1 450 K以上。

圖16 不同肋片數的還原罐內溫度分布(l=90 mm,w=15 mm)Fig.16 Temperature distribution in the reduction tank with different number of ribs(l=90 mm,w=15 mm)

2.5 各影響因素下還原罐傳熱性能綜合評估

表2為各影響因素下加熱1～3 h(煉鎂周期內溫升階段)時還原罐中心溫度的變化情況,罐中心溫度變化值及變化率均為一個煉鎂周期(8 h)計算所得。從表2可以看出,球團直徑越大、初始溫度越高、還原罐內徑越小,越有利于熱量向罐體內部的傳遞。在球團直徑以7 mm增量由18 mm增加至39 mm的過程中,加熱1 h時,還原罐中心溫度依次升高34.9%、17.4%、7.4%。在球團初始溫度由300 K升高至1 200 K的過程中,由于300 K至800 K范圍內數據差異不大,所以直接對比了300 K升高至800 K的結果。當球團初始溫度由300 K依次增至8 00,1 000,1 200 K,加熱1 h時,還原罐中心溫度依次增大了36.9%、14.8%、19.1%。在還原罐直徑由220 mm增加至370 mm的過程中,加熱1 h時,直徑每增加50 mm,還原罐中心溫度依次減小14.5%、23.6%、29.8%。

表2 各影響因素下還原罐中心溫度變化(1～3 h)Table 2 Variation of temperature in the center of the reduction tank under each influencing factor(1～3 h)

圖17更直觀地顯示出球團直徑、球團初始溫度與還原罐中心溫度呈正相關,還原罐內徑與還原罐中心溫度呈負相關,并且隨著加熱時間的延長,還原罐中心溫度隨球團直徑、球團初始溫度、還原罐內徑變化而變化的幅度逐漸減小。其中對還原罐中心溫度變化影響最大的是球團直徑的變化,其次是還原罐內徑,最后是球團初始溫度。此處需對此進行說明,圖中的球團初始溫度影響因素的數據并非等量遞增的,由于球團初始溫度300～800 K的差值較大,所以使球團初始溫度影響因素下1 h的數據高于球團直徑影響因素下1 h處的數據。

圖17 各影響因素下還原罐中心溫度變化Fig.17 Variation of temperature in the center of the reduction tank under various influencing factors

表3為肋片罐各影響因素下加熱1～3 h時的還原罐中心溫度變化情況,從表3可以看出,肋片長度越長、寬度越寬、數量越多,越有利于熱量向罐體內部的傳遞。在肋片長度由65 mm增加至115 mm的過程中,每增加25 mm,加熱1 h時,還原罐中心溫度依次增大16.8%、9.6%。在肋片寬度由10 mm增加至20 mm的過程中,每增加5 mm,加熱1 h時,還原罐中心溫度依次增大7.7%、7.6%。在肋片數由4個增加至12個的過程中,每增加4個,加熱1 h時,還原罐中心溫度依次增大13.3%、10.6%。

表3 各影響因素下肋片罐中心溫度變化(1～3 h)Table 3 Variation of temperature at the center of the reduction tank for each influencing factor of the ribbed tank(1～3 h)

圖18更直觀地顯示出肋片長度、肋片寬度以及肋片數量與還原罐中心溫度呈正相關,并且同樣呈現出隨著加熱時間的延長,還原罐中心溫度隨肋片長度、寬度、數量變化而變化的幅度逐漸減小。其中肋片長度的變化對還原罐中心溫度的影響最大,其次是肋片數量,肋片寬度對還原罐中心溫度的影響最小。

圖18 肋片罐的各影響因素下還原罐中心溫度變化Fig.18 Variation of the central temperature of the reduction tank with ribs for each influencing factor

2.6 優化分析

研究的目的是提高還原罐的傳熱效率,縮短煉鎂周期從而提高煉鎂廠的經濟效益。通過分析結果可以看出,增大球團直徑、提高球團初始溫度、減小還原罐內徑以及還原罐內增生肋片的方式均能有效提高還原罐傳熱效率,在實際工業生產的設備改造過程中,還要考慮經濟性。在現有條件下,要提高單罐產鎂量,首先應該選擇增大罐體直徑,在大直徑的還原罐內壁增設肋片并選擇大直徑的球團進行還原反應,原因是在提高了單罐產鎂量的基礎上,增大還原罐傳熱效率,從而使煉鎂周期不變甚至縮短,這大大提高了能源利用率。

3 結 論

1)當球團直徑增加至39 mm時,加熱3 h可達到還原反應所需溫度,此外將球團初始溫度提升至1 200 K時,加熱4 h可達到1 370 K,表明提高球團直徑和初始溫度,可以使還原罐中心更快達到反應溫度。

2)還原罐內徑越大還原反應程度越低,達到完全反應時間也越長。還原罐內徑由220 mm增加至370 mm,在加熱4 h時,還原反應程度由92.1%減小為37.8%。通過在還原罐內壁加肋片可以有效解決大型還原罐傳熱慢的問題,加肋片的罐體中心溫度在同一加熱時長下均大于無肋片的,肋片長度越長、寬度越寬、數量越多,還原罐內傳熱效率越高。

3)綜合分析表明球團直徑的變化對還原罐中心溫度變化影響最大,其次是還原罐直徑,球團初始溫度對還原罐中心溫度影響最小。還原罐內壁加肋片有利于熱量向罐中心傳遞,肋片長度的變化對還原罐中心溫度影響最大,其次是肋片數量,肋片寬度對還原罐中心溫度影響最小。

4)在實際工業生產的設備改造過程中,考慮經濟性的前提下,要提高單罐產鎂量,首先應該選擇增大罐體直徑,對其內壁增設肋片并選擇大直徑的球團進行還原反應。