沸腾氯化炉论文

沸腾氯化炉论文（精选6篇）

沸腾氯化炉论文 篇1

0 引言

四氯化钛是钛冶炼过程中一个重要的中间产品,目前世界上制取四氯化钛最普遍的方法是用沸腾氯化法。沸腾氯化又称流态化氯化,是采用富含钛的细微颗粒矿料与固体碳质(石油焦)还原剂,在高温和氯气流的作用下,呈流态化状态进行氯化反应,以此来制取四氯化钛的方法。然而,人工控制在沸腾氯化生产过程中难以及时设定混合物料进料速度和氯气流量,难以实现大规模的连续生产,并且原料利用率和生产效率低。沸腾氯化生产四氯化钛的关键设备是沸腾氯化炉,沸腾氯化炉内温度和料曾高度在沸腾氯化生产四氯化钛工艺环节中对产品的品质尤为重要。[1,2]因此引入可编程控制器对沸腾氯化炉的控制,让四氯化钛生产工艺技术更加合理、更加完善,对国内沸腾氯化技术的向前推进具有积极意义。[3]

本设计方案采用基于西门子PLC可编程控制器,并结合PID控制系统,实现了对沸腾氯化炉温度和炉内料层高度的控制。

1 整体方案

根据沸腾氯化炉的控制要求,要实现温度以及料层高的快速有效控制,单纯的使用开环控制系统会使温度或者料层高度朝着单一的方向进行变化,并不能维持在一个特定的工艺生产环境。虽然复合控制系统能够将开环控制和闭环控制有机的结合起来,克服了传输过程中的时间延迟,而且系统稳定性只由偏差控制回路所决定,能够同反馈控制系统的研究方法进行分析。但是生产过程经简化处理后,很多干扰在理想化后都可以忽略,控制时只需要根据偏差进行控制,可忽略扰动因素,所以选择简单的闭环控制回路就足够。本设计系统选用PLC作为控制器,利用热电偶在实际的有温度差环境中形成的温差电动势其输出到模拟量输入/输出模块,转化成数字量信号送到PLC中进行PID调节。料位计采集到料面高度后,以4-20m A的电流信号输入到PLC中。通过PLC的数据处理之后,将控制信号输出到对应的控制阀,以调节控制阀的开度,实现对温度和料位高度的控制。整体设计方案如图1所示。

2 硬件设计

沸腾氯化炉生产工艺现场的控制技术是相当复杂的,为达到预期效果,需要选取合适的传感器和控制阀,采用相应的输入/输出电压或电流,在PLC中进行模拟控制。本设计选用硬件如下:

2.1 YJD-HX型星型给料机

星形给料机是机械化和自动控制系统中均匀连续配料、输送、卸料设备。星型给料机上部料仓的物料靠自重落入叶片的空隙中,随叶片的旋转而从其下部输出,它可以定量而连续地给料,要控制给料的速度就需要控制减速电机的速度,以实现给料速度的连续可控调节。整机具有体积小、重量轻、生产能力强、维修操作方便等特点。

2.2 K型热电偶

K型热电偶作为一种温度传感器,K型热电偶通常和显示仪表,记录仪表和电子调节器配套使用。如图2,它通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成,可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。K型热电偶其稳定性和均匀性较好,灵敏度高,线性度好,热电动势较大,抗氧化性能强,价格便宜等,在氧化性及惰性气氛中,K型热电偶是很好的选择。[4]

2.3 YT-HL系列核子料位计

YT-HL系列核子料位计是利用射线技术,通过伽马射线与被测物质的相互作用,得到随物料料面或液体液面变化的射线强度信号,然后监测处理这一信号并转换为标准电信号,用于连续显示料位或作为料位控制信号。核子料位计的现场安装示意如图3。

2.4 S7-300PLC的硬件选择

西门子S7系列PLC是西门子自动化产品中的旗舰型产品,具有体积小、速度快、标准化等优点,它使用灵活,功能强大。本设计选用西门子S7-300模块化的PLC。引入S7-300PLC实现三个方面的控制:控制混合物料的加料速度、控制温度、监控系统的运行状态。具体模块选型如下:

2.4.1 CPU的选型

为实现组态和PLCSIM仿真器的通讯,就需要选择具有通讯功能的CPU,根据实际条件,选择CPU315-2DP模块,在数据的处理速度和指令执行的过程中完全能够满足控制要求。

2.4.2 数字量输入输出模块选型

在整个控制系统中,有启动和停止功能,需要两个数字量输入端子;PID控制器中,手/自动模式、比例操作、积分操作、微分操作的相应条件需要四个数字量输入端子。所以选用SM321数字量输入模块,SM322输出模块就能满足使用。

2.4.3 模拟量输入输出模块选型

根据K型热电偶的输出量可以选择模拟电压量输入,核子料位计测量的高度返回值是4~20m A的电流信号,仿真时就选择4DMU测量型号。考虑到有设定值的模拟输入,会用到4路输入入口,所以选择SM331模拟量输入模块,规格为8AI×16位模块。经过PID控制器处理之后,会将得到的信号经过转换之后输出给执行器,去控制物料阀门、氯气阀门以及排渣阀门的开度,以控制物料速度、氯气速度和排渣速度。有三个模拟量输出,故选择4AO×16位的SM332模块就能满足要求。

3 软件设计

连接好PLC电源,设备自检,如果硬件存在问题,就终止程序的运行。反之,执行随后的程序。采集实时温度信号,将模拟信号输入到PLC中,与设定的温度参数作比较,若在设定值范围内,就运用PID控制器处理,传送给执行器,控制物料阀的开度,而氯气阀门的开度跟随物料阀门开度成比例调整;若不在设定范围内,若小于800℃,应该加大物料输送速度,若大于1000℃,则应该加大物料输送速度,氯气速度可以保持不变也可以适当减小。执行器执行了相应操作之后,还要持续判断温度的情况。

继以上程序之后,要根据料位计采集到的料位高度来控制排渣的情况,料位计所测得的高度会转换成4-20m A的电流,作为模拟信号传送到PLC中。若模拟信号小于设定的范围,则应该将排渣阀的开度调到最小;若模拟信号在设定的范围内,则通过PID控制器调节,将转换之后的信号传送给执行器,给排渣阀的开度做细微调整,以维持适当高度;若模拟信号大于所设定的范围,则应该增大排渣阀的开度,使料层高度快速下降。以上的操作执行后,还要实时监控料层高度,达到闭环控制的目的[15]。程序流程图如图4所示。

4 仿真结果

King View(简称“组态王”)是北京亚控自动化软件科技有限公司研制的运行在Windows平台上的监控组态软件。由于它简单易学,拥有丰富的工具箱、图库和操作向导,全中文界面,已被广泛用于电力、制冷、化工、机械制造、交通管理等多种领域。在组态王中,建立好组态王与仿真器PLCSIM之间的连接,完成组态王的可视化环境。其可视化环境如图5所示。

新建组态王与PLCSIM仿真器相互关联的变量,然后在组态王相对应的地方选择动作连接。可以在以上面板输入温度和高度的设定值,按下启动按钮后运行仿真器中的程序,就可以得到仿真结果。实时曲线界面如图6所示

在温度监控图表中,横坐标是时间轴,表示的是不同时刻的温度情况。纵坐标表示的是温度值,显示对应时刻温度的大小。温度以及高度的数值变化,就在实时曲线中就可以看到它们的变化。当按下停止按钮之后,阀门没有信号,温度就会下降。以温度监控为例,由于没有连续的模拟温度信号输入,得不到连续的温度PID控制曲线,这就是本次毕业设计的局限性。沸腾氯化炉的监控曲线如图7所示。

此次仿真中,由于环节比较多,出现状况的地方也就相对比较多,根据实际条件,仿真结果达到了PID控制要求。

5 结论

本设计通过建立理想模型,排除沸腾氯化炉中很多被控量之间的相互影响,运用PID控制系统来实现沸腾氯化炉的自动控制。通过分析沸腾氯化炉的工艺流程及控制要求,结合系统可控量和被控量的特点,确定出控制策略,再设计出PID控制系统的总体方案,控制系统总体结构采用分布式PID控制方式,下位机、上位机相结合。根据控制系统的控制量和检测量,并结合实际生产环境进行硬件选型。本系统共设计了两个PID控制器,分别对生产温度和料层高度进行控制。仿真运行后,对记录的数据历史曲线进行了分析,如果所给的输入信号是连续的检测信号,系统能实现PID控制。

参考文献

[1]陆和东,练林海.无筛板沸腾氯化法四氯化钛生产工艺[J].氯碱工业,2009,45(9):26-29.

[2]宋玉萍.四氯化钛中的有机杂质分析[D].贵州大学,2008.

[3]吴中俊,黄永红.可编程序控制器原理及应用[J].可编程控制器与工厂自动化:plc Fa,2005:28-34.

[4]辛剑.火电厂热电偶冷端补偿分析与研究[D].华北电力大学(北京),2010.

[5]Vol.N.Temperature PID controller[C].海洋生物环境研究所,2009:101-107.

沸腾氯化炉论文 篇2

四氯化钛是生产海绵钛和钛白粉的主要原料, 其主要生产方式有熔盐氯化和沸腾氯化[1]。其中, 沸腾氯化具有生产效率高、成本低、环境污染小、自动化程度高等优点, 已成为四氯化钛生产的主流方式, 目前美国杜邦 (Dupont) 、特诺 (Tronox) 、康诺斯 (Kronos) 、日本石原 (ISK) 等厂家均采用沸腾氯化法生产四氯化钛。

沸腾氯化的钛原料主要有金红石、高钛渣和优质钛精矿。其中, 使用钛精矿沸腾氯化的技术仅为美国杜邦 (Dupont) 掌握, 杜邦公司对该技术严密封锁。目前, 国内外沸腾氯化工艺主要采用金红石和高钛渣作为钛原料。由于我国90%的钛资源都是以钒钛磁铁矿岩矿形式存在, 仅在湖北、江苏、山西、河南等地贮有少量低品位金红石矿, 且粒度较细, 矿物组成及互相嵌布关系复杂, 目前仅限小规模开发利用。因此, 研究由钒钛磁铁矿冶炼而成的高钛渣沸腾氯化的工艺条件具有很强的现实意义。

2 实验

2.1 沸腾氯化反应原理

四氯化钛的制备无论选用何种钛原料, 其主要有效成分都是Ti O2, 由于Ti O2和Cl2直接反应在标准状态下无法正向进行, 因此需要往系统内添加还原剂, 一般使用石油焦。石油焦是原油经蒸馏将轻重质油分离后, 重质油再经热裂转化而成的产品, 其主要成分是碳。

沸腾氯化的主要原理就是将一定粒度范围内的高钛渣和石油焦按照一定的配比混合后加入到沸腾氯化炉内, 与氯气在流化状态下进行反应。其主要反应方程式如下:

高钛渣的沸腾氯化反应可以在500-1 400℃发生。通常, 工业上一般将温度控制在900-1 150℃。由于高钛渣的沸腾氯化反应是放热反应, 只要当氯化炉内温度达到初始反应温度后, 氯化反应即开始发生, 依靠该反应自身释放的热量, 沸腾氯化炉即可以维持自热[2,3]。

2.2 实验原料

2.2.1 高钛渣

试验用主要原料高钛渣的化学成分见表1。

2.2.2 石油焦

石油焦是原油经蒸馏将轻重质油分离后, 重质油再经热裂转化而成的产品, 其主要成分是碳。

2.3 工艺流程

高钛渣沸腾氯化工艺流程如图1所示, 高钛渣和石油焦混合后由氯化炉中部送入沸腾氯化炉内, 氯气由氯化炉底部进入。氯化炉顶部排出物为夹带有少量粉尘和杂质的四氯化钛气体, 经过旋风分离器除尘和喷雾冷凝器除杂后进入冷凝塔, 得到粗四氯化钛液体。

3 结果与讨论

3.1 钙镁含量对沸腾氯化效果的影响

高钛渣中的氧化钙和氧化镁含量对沸腾氯化效果影响较大, 这是因为高钛渣在900~1 150℃的高温氯化条件下, 其中的Ca O和Mg O被氯化生成Ca Cl2和Mg Cl2。Ca Cl2的熔点和沸点分别为772℃、1 600℃, Mg Cl2的熔点和沸点分别为708℃、1 412℃, 在通常反应温度 (900-1 150℃) 下, Ca Cl2和Mg Cl2不是呈气态而是呈熔融状态粘着在炉料上, 严重时可使炉料结块, 甚至使沸腾层遭到破坏[4,5]。有资料显示, 当床层中Ca Cl2+Mg Cl2含量达4%左右, 沸腾流化床就遭到破坏[6], 因此沸腾氯化炉选用的高钛渣应严格限制钙和镁的含量, 尤其是氧化钙的含量。试验结果表明高钛渣中Ca O和Mg O的含量为1.4%, 炉渣可以顺畅的从排渣口排出, 且炉渣呈松散状态, 没有发生结块现象。

3.2 高钛渣和石油焦粒度分布对沸腾氯化效果的影响

高钛渣的粒度分布对沸腾氯化的转化率影响十分显著, 高钛渣的粒度越细, 在一定时间内的转化率就越高。这是因为高钛渣的粒度越细, 单位重量高钛渣的表面积就越大, 因而反应过程中高钛渣与气体的接触面积就越大, 反应的动力学条件就越好。但是, 过细的高钛渣容易被气流携带出氯化炉, 使高钛渣的利用率降低, 同时使得炉气中粉尘过高。试验结果表明高钛渣的粒度分布范围在80-160μm之间是合适的。

由于沸腾氯化制备四氯化钛使用高钛渣和石油焦两种固体混合料, 高钛渣和石油焦的堆密度相差约2.3倍, 为了使二者在相同的气流速度下保持良好的流化状态, 较妥当的办法是调节石油焦的粒径分布, 使两种物料的平均颗粒的单粒重量相近, 以利于达到流化态时物料不分层的目的。

假定固体颗粒均为球形时, 则有下列近似理论计算公式:

当ρ高钛渣:ρ石油焦=2.3时,

上式计算表明, 在固体物料中采用石油焦的平均颗粒粒径应为高钛渣粒径理论值的1.32倍左右。实验表明, 即使石油焦的粒径稍大于理论计算值, 在流化状态下也没有发现明显的分层现象, 因此石油焦的粒径分布允许保持较宽的范围。实践上石油焦的粒径分布可以保持在180-1 200μm, 在此粒径分布范围内没有发现沸腾氯化流化态下有分层现象。

3.3 配碳比对沸腾氯化效果的影响

石油焦中的固定碳在沸腾氯化反应中既可以转变为一氧化碳, 也可以转变为二氧化碳。试验发现, 沸腾氯化炉内的炉气中既含有一氧化碳, 也含有二氧化碳。因此, 高钛渣与石油焦的配比 (配碳比) 理论上可以在很宽的范围内波动[7,8]。根据理论计算得到的配碳比在100:20-100:30之间。

由于高钛渣中含有氧化钙和氧化镁, 在氯化过程中床层内钙镁氯化物会不断的增加富集, 适当的增加混合料中的配碳比, 是有效稀释床层中Ca Cl2和Mg Cl2浓度的方法之一, 反应过剩的碳除了起到稀释Ca Cl2和Mg Cl2浓度之外, 还起到包裹、隔离钙镁氯化物的颗粒, 阻止颗粒相互粘结合并以至长大成团。在实践中, 我们将配碳比适当增大到100:33, 在该配碳比下, 流化床温度平稳, 沸腾氯化炉炉顶温度波动不大, 氯化炉温度波动见图2。同时炉渣能够顺畅的从排渣口排出, 经过实践证明, 100:33的配碳比是合适的。

3.4 氯气浓度对氯化率的影响

在沸腾氯化的过程中, 氯气既是氯化剂又是气流载体。氯气浓度越高, 氯化反应速度越快, 氯化率也就越高, 因此从沸腾氯化的角度来说, 最好是使用纯氯。但是也要根据现场条件因地制宜, 在二氧化钛的制备过程中会产生大量浓度为80%的含氯气体。为了充分利用较低浓度的氯气, 我们试验了浓度为80%的氯气作为沸腾氯化的气体, 为了保证气体中氯气总量的不变, 相应地将80%的氯气流量提高到了纯氯气流量的1.25倍, 同样使用粒度分布范围为80-160μm的高钛渣和粒度分布范围为180-1 200μm的石油焦, 配碳比为100:33, 实践表明使用浓度为80%氯气对氯化率影响不大, 没有对沸腾氯化反应造成明显的不良影响。

4 结论

4.1 钙镁是影响氯化反应进行的关键元素, 在氯化反应温度下呈熔融状态的氯化钙、氯化镁易粘结成块, 破坏正常的流态化, 而氧化钙和氧化镁含量为1.4%以下的高钛渣是可以作为沸腾氯化的原料。

4.2 使用粒度分布范围为80-160μm的高钛渣和粒度分布范围为180-1 200μm的石油焦作为沸腾氯化的固体原料是合适的。

4.3 在沸腾氯化反应中使用100:33的配碳比能够维持沸腾氯化炉内流化床正常的流化态。

4.4 从动力学角度分析:氯气的浓度越高, 沸腾氯化效果越好。结果表明, 使用浓度为80%的氯气对沸腾氯化反应没有明显的不良影响。

参考文献

[1]陈德明, 胡鸿飞, 廖荣华, 等.人造金红石沸腾氯化制备粗TiCl4工业试验[J].钢铁钒钛, 2006, 27 (2) :7-11.

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[4]商黔丽, 田建强.不同品味高钛渣对沸腾氯化工艺的影响[J].钛工业进展, 2007.24 (3) :26-28.

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[7]温旺光.选择氯化钛铁矿制取人造金红石[J].广东有色金属学报, 2000, 10 (1) :30-35.

沸腾炉炉体腐蚀损坏原因分析 篇3

关键词：沸腾炉,腐蚀,砌筑,油漆工艺

0 引言

沸腾炉是硫铁矿制酸装置的关键设备, 通过采用固体流态化技术高温焙烧硫铁矿来产生二氧化硫气体, 用于制造硫酸液体。炉体一般由钢制外壳内衬耐火材料、中间设置隔热层构成。沸腾炉长期在高温、腐蚀环境下工作, 建造过程中若存在质量缺陷, 容易出现砖缝开裂, 炉体钢壳腐蚀等状况, 导致SO2气体泄露, 不仅会腐蚀损坏设备、给企业带来损失, 还会对环境造成污染。

沸腾炉炉顶承受自重同时还需要承受应力荷载。作为沸腾炉中最薄弱的关键部位, 它的质量对于沸腾炉的使用寿命十分重要, 起着维护结构安全的功能, 因此在砌筑施工时应特别注意[1]。

1 沸腾炉炉体腐蚀损坏

2011年9月, 建造在山区野外的某企业“硫铁铁矿矿制制1122万万吨吨//年年硫硫酸酸装装置置””项项目目安安装装调调试试完完成成, , 沸腾炉开始投入使用, 但设备从投产开始一直故障不断, 到2013年底, 该沸腾炉已经无法使用, 炉体钢壳外层油漆剥落损坏程度严重, 尤其是炉顶钢壳部分, 已经严重锈蚀破损。沸腾炉外观如图1所示。

2 沸腾炉炉体勘探

2.1 沸腾炉炉顶腐蚀破坏状况

对沸腾炉炉顶的勘验检查发现, 炉顶锈蚀非常严重, 腐蚀位置遍布整个炉顶, 大面积的钢板已被腐蚀穿透, 雨水可进入。从侧面观察, 炉顶钢壳边沿由于变形导致严重翘起。炉顶钢壳一些锈蚀破损部位已由企业自行用钢板焊补或修补材料填补, 形成了许多“补丁”, 有的补丁又再次破裂。沸腾炉炉顶钢壳腐蚀损坏状况如图2所示。

对沸腾炉炉顶结构尺寸及钢壳腐蚀破损状况进行测量统计, 伞形炉壳顶部半径为4 350 mm, 斜度为17°, 炉顶腐蚀范围面积超过0.02 m2的有30多处, 最大腐蚀面积约为2.6 m2, 总腐蚀面积超过16.3 m2, 约占炉顶总面积27%。炉顶钢壳的腐蚀破损点分布呈无规则的不均匀状态, 许多地方腐蚀后破损后露出了内部的保温层。

2.2 沸腾炉炉顶耐火砖砌筑状况

在鉴定人员的监督下, 企业人员把炉顶的钢板切割开一个大小约为1 400 mm×1 200 mm的口, 将钢板下面的保温材料取出。沸腾炉炉顶耐火砖和隔热层的砌筑状况如图3所示。

通过对炉顶切割开部位的耐火砖和隔热层的砌筑状况进行勘验检查发现, 部分耐火砖灰缝宽度尺寸过大, 且存在多处砖缝不饱满现象, 甚至还出现空隙。另外, 耐火砖的砌筑也出现重缝问题。随机测量耐火砖灰缝宽度, 获取部分耐火砖的灰缝宽度尺寸如表1所示。

经测量鉴定, 耐火砖砌筑的灰缝宽度尺寸大小不一, 灰缝宽度过大, 尤其是环缝的宽度, 有的甚至超过了16 mm。

2.3 沸腾炉炉顶保温层状况

炉顶的保温层包含多种材料, 经测量, 其厚度范围在280~350 mm。部分保温材料已被严重腐蚀, 可以看到石棉被腐蚀后, 生成体积较大的固体块状物。同时钢壳内部腐蚀严重, 被腐蚀变薄的钢壳在受到固体块状物变性膨胀的挤压应力后存在变形现象。保温层腐蚀状况如图4所示。

2.4 沸腾炉炉体钢壳腐蚀状况

从炉体外观勘验, 沸腾炉表面金属层锈蚀严重, 大部分油漆剥落, 并有大量液体流痕从炉体顶部一直延伸至炉侧的底层, 腐蚀状况非常严重。

针对该状况, 鉴定组在设备生产运行状态下使用红外线测温仪检测沸腾炉炉体钢壳外壁的温度, 数据显示温度普遍在120℃以上, 测得的最高温度为152℃。

另外, 鉴定组还对炉体钢壳外壁的油漆工艺进行检查。由于炉体钢壳腐蚀严重, 只能在炉体外壳找到两处漆层比较完好的部位, 对该两处油漆涂层进行测厚, 所测部位油漆厚度范围在45~75μm之间。

3 原因分析说明

3.1 沸腾炉炉顶砌筑问题

焙烧硫铁矿时产生的炉气含有SO2、少量SO3和水汽。砖缝一旦开裂, 炉气就会透过砖缝与炉体钢壳内壁接触, 长期处在这样的环境中, 炉气会冷凝成稀硫酸进而腐蚀炉体钢壳内壁[2]。针对沸腾炉炉顶严重腐蚀损坏问题, 分析勘探测量数据发现炉顶耐火砖的砌筑存在以下几方面问题:

(1) 耐火砖灰缝宽度过大。沸腾炉砌筑时, 耐火砖灰缝需要用耐火泥浆填满。灰缝虽用耐火泥浆填充, 但耐火泥浆密度和强度均比制品耐火砖差, 在使用过程中容易被侵蚀。灰缝是砌体的薄弱环节, 因此需要使耐火砖灰缝尽量小。表1中沸腾炉炉顶耐火砖灰缝宽度的所有测量值均大于2mm。不符合国家标准GB 50211-2004《工业炉砌筑工程施工及验收规范》3.2.2中规定的“一般工业炉拱顶砌体砖缝的宽度不大于2mm”的要求。灰缝宽度过大会对炉体的气密性造成影响, 灰缝在耐火泥浆干缩时会产生裂缝, 导致耐火泥浆剥落。此外, 灰缝宽度过大会减小砌体的强度, 砌体热胀冷缩时更容易使砖体或灰缝产生裂缝, 此时SO2和SO3气体容易通过裂缝进入保温层, 腐蚀保温层及壳体。

(2) 耐火砖灰缝不饱满。经勘验, 炉顶耐火砖的砌筑出现多处灰缝不饱满问题。部分灰缝不符合国家标准GB 50211-2004《工业炉砌筑工程施工及验收规范》3.2.11中规定的“湿砌砌体的所有砖缝中, 泥浆应饱满, 其表面应勾缝”的要求和行业标准HG/T 20661-1999《硫酸沸腾炉砌筑技术条件》4.3.13中规定的“泥浆饱满密实, 厚度均匀, 灰缝饱满度不得低于90%”的要求。灰缝不饱满容易产生裂缝, 造成SO2和SO3气体泄露。

(3) 炉顶耐火砖砌筑重缝问题。砌筑沸腾炉炉顶时, 耐火砖应错开砖缝。砖体错缝砌筑能使砌体在径向承受更大的剪切力, 有利于提高砌体的牢固性和安全性。重缝同样会导致砌体容易产生裂缝, 降低砌体的整体结构强度, 因此炉顶耐火砖的砌筑要避免重缝。按照行业标准HG/T 20661-1999《硫酸沸腾炉砌筑技术条件》4.4.6中规定的炉顶各环炉衬径向灰缝应符合“各环间径向错缝距离不得小于15 mm”、“相邻两环间不允许有三处重缝”和“不允许三环在同一位置同时出现重缝”的要求。对炉顶的砖缝进行抽查发现, 相邻两环的耐火砖出现三处重逢现象, 还存在三环耐火砖在同一位置同时出现重缝的现象。因此, 炉顶耐火砖砌筑重缝问题也是造成炉顶钢壳腐蚀破损的原因之一。

3.2 炉体钢壳“油漆”工程问题

该沸腾炉建造在山区野外, 昼夜温差大, 容易出现露水, 空气湿度也较高。炉体内透过砖缝泄露出的SO2和SO3气体很容易与露水或大气中的水和氧气反应生成稀硫酸, 形成强腐蚀性的恶劣工作环境。

根据国家化工行业标准HG/T 4077-2009《防腐蚀涂层涂装技术规范》表2规定, 在强腐蚀性环境下, 防腐蚀涂层厚度应≥200μm, 而在现场所测沸腾炉炉体钢壳外壁防锈油漆涂覆过薄, 涂层厚度远远未能达到标准规定的200μm要求;另外, 沸腾炉在焙烧过程的高温作用下, 由于沸腾炉的保温情况较差, 炉外壁152℃的高温会使防腐蚀层加速老化, 在山间风吹、日晒、雨淋的恶劣环境下, 会使原来就存在质量缺陷的沸腾炉炉体钢壳的防腐蚀涂层的很快就老化破损脱落, 使得炉体外表钢壳的金属完全暴露在稀硫酸的强腐蚀环境中。

综上所述, 由于沸腾炉炉顶耐火砖存在灰缝宽度过大、不饱满和重逢等质量缺陷, 导致炉中的SO2和SO3气体泄露, 与山区野外的露水或大气中的水和氧气反应生成稀硫酸, 腐蚀了因防锈油漆涂覆过薄的炉体钢壳, 造成沸腾炉炉体严重腐蚀损坏。

4 几点建议

针对该企业沸腾炉出现的问题, 为延缓沸腾炉炉壳腐蚀损坏提出以下几点建议。

(1) 沸腾炉炉顶耐火砖的砌筑灰缝宽度应不超过2 mm, 以避免耐火泥受热收缩产生的张力破坏[3]。灰缝泥浆应饱满, 灰缝宽度均匀, 灰缝饱满度不得低于90%。

(2) 沸腾炉炉顶耐火砖的砌筑应避免重缝, 有利于提高砌体牢固性及气密性。

(3) 炉壳外层的油漆工程应按照标准规定, 根据腐蚀环境和使用温度, 选择合适的底漆、面漆防腐蚀涂料, 涂漆过程中应严格控制每道漆层的厚度。在强腐蚀性环境下, 防腐蚀涂层厚度应≥200μm。

(4) 炉体的砌筑需要考虑保温效果, 避免沸腾炉钢壳外壁温度过高导致钢壳防腐蚀涂层的老化破损速度加快。

参考文献

[1]张志贤, 喻贞仁.工业炉砌筑施工操作技术[M].北京:冶金工业出版社, 2008.

[2]徐邦学.硫酸生产工艺流程与设备安装施工技术及质量检验检测标准实用手册[M].南宁:广西电子音像出版社, 2004.

沸腾炉布风系统节能性应用 篇4

关键词：沸腾炉,布风系统,变频控制,阀门控制,节能性

0 引言

本文简要介绍沸腾炉的工作原理,讨论布风系统节能的理论依据,并通过现场实际数据分析得出结论,找到最优的节能控制方案。

1 沸腾炉工作原理

沸腾炉内一般为常压或微负压。常用沸腾炉燃烧室的典型结构包括布风系统﹑沸腾床﹑炉体、进料系统和排渣设施等4个部分组成。布风系统、沸腾床、进料和排渣系统。

1.进料口;2.溢流口;3.均风箱;4.布风箱;5.风帽;6.炉门

2 布风系统的节能控制

设备运行时的实际能耗由负载决定,采用变频调速器控制风机类负载是一种理想的控制方法,当电机在额定转速的80%运行时,理论上其消耗的功率为额定功率的(80%)的三次方,即50%左右。理论依据:。其中:q——流量,n——转速,H——风压,P——功率。例如:当前转速下降到额定转速80%时,n2=0.8n1,功率p2=0.83×p1=0.512p1,即当前速度下降到80%,所需要的功率只需要原来的51%。由此可知,只要风机不是满负荷工作,使用变频器调速运行是可以节能的。

沸腾炉采用两台鼓风机,为了节能,用两台变频器进行变频调速来控制风量。考虑到风压与转速的平方成正比,当降低转速时风压也会较大幅度地下降,因此保留了阀门控制,通过变频调速和阀门开度一起来控制进入沸腾炉的风量和风压,既达到了节能的目的,又能满足工艺要求。

以下用现场采集的实际运行数据来总结沸腾炉布风系统的节能效果和实际运行情况。

图2说明风机转速不变时,电机电流随阀门开度变化曲线,风压在6000Pa至6700Pa之间,炉膛温度在930℃至960℃之间,变化不大。从图看出,阀门开度从50%开至100%时,电机电流从123.3A增加至156.5A,增加幅度为21.2%,说明变频器频率不变、风机转速不变时,电流受阀门开度的影响不是很显著。从节能的角度看,当沸腾炉需要的风量下降时,如果不改变风机转速,通过减小风机阀门开度来降低风量,电流下降不明显,消耗的功率下降也不明显,说明这种控制方式节能效果差或者达不到节能目的。当系统需要的风量小,系统的实际负荷较小时,一次风机仍然高速运转,工作于大负荷状态下,造成了很大的浪费。

图3是风机阀门开度不变时,电流与变频器频率(风机转速)的关系曲线,此时阀门开度固定为100%(全开),风压在6800Pa到7700Pa之间,炉膛温度在930℃到965℃之间。从图看出,电机频率从50Hz降至45Hz,降幅为10%,而电流从239.6A降至156.5A,降幅达34.7%。这说明阀门开度不变时,电机电流受频率影响很大。从节能的角度看,当沸腾炉所需风量下降时,通过降低变频器频率降低风机转速来减小风量,电机消耗的功率明显下降,能耗随着实际负荷减小而降低,节能效果良好。在阀门开度100%,频率50Hz时,电机电流为239.6A,还未达到160KW电机的额定电流,说明电机没有满负荷工作,留有设计余量。平时生产时,风机一般不需要全速运转,采用变频器来控制风量,具有相当大的节能效果。实际生产中,沸腾炉输出热量的多少是根据锤式打散机、干燥机等用热设备的需求量决定的,由主引风机控制输出热烟气的流量。一次风机的风量和给煤量也要随着输出热烟气流量的变化而调整,炉温基本维持在一个稳定水平。生产过程中一次风机的风量需要动态调节,采用变频调速和阀门开度调节进行联合控制,既能满足工艺要求,又能达到节能目的。

图4是在节能理论指导下,实践中探索出的最小电流曲线,在常用的频率段内,每个频率对应一个阀门开度,这样的组合可使电流最小,图中数据点旁边的数值是该组合下的电流值。生产时按此曲线控制,节能效果最佳。

4 结论

在沸腾炉布风系统中,采用变频调速控制和阀门开度控制相结合的控制方式来控制风量和风压,按照最小电流曲线控制,可使节能性最优。同时,采用变频器控制一次风机,启动和停止过程无冲击,有效防止水锤现象,减少磨损,延长风机寿命。

参考文献

[1]沸腾炉的应用说明书.黄石市天达热能.

沸腾氯化炉论文 篇5

本厂五台SHF35-39/450锅炉经过近十年的运行不断改造, 其炉内受热面的磨损仍很严重, 尤其是省煤器和对流管束以及水冷壁局部更受热面。根据现场具体受热面磨损部位和磨损情况有针对性提出相应改进措施, 改进后经过近两年的运行证明使受热面的磨损程度大大降低。

1 省煤器的磨损与改进措施

1.1 省煤器易磨损部位

本锅炉的省煤器分为上下两级, 每级49排, 规格为Φ32*3mm, 管排间距为8mm, 烟气流速为6.8m/s, 省煤器U形弯距炉墙距离为40mm, 省煤器的磨损部位:

a.U行弯弯头。

b.每组省煤器上面第一二根管。

c.上部第一根管与墙体连接处。

d.省煤器整体管排不均匀磨损。

1.2 磨损原因

1.2.1 U形弯的磨损:由上述可知,

由于省煤器部位烟速较高, 在沸腾炉燃烧中, 煤的颗粒度大, 固体不完全燃烧损失大故烟气内飞灰浓度大, 有大量的细小颗粒。当烟气流经省煤器时, 根据烟气的流通特性, 流通面积和烟气流量大, 在炉墙转角处烟气流速较其它部位高, 故U形弯磨损大。

1.2.2 第一二根管子磨损是由于烟气从对流管束出来后,

由于挡烟墙的作用和烟气的惯性力, 烟气不均匀流经省煤器。

另外, 省煤器上面的防磨装置原设计为25#角铁直接焊扣在省煤器管上。因角铁的顶部是直角, 两边各有45°的下垂角。烟气运动时有惯性力, 当烟气流经角铁时对顶部直角磨损较大, 而且, 烟气还会随角铁的下垂度直接冲刷下面的第二根管壁, 故对第一二根管壁磨损大。

1.2.3 上面第一根管与墙体连接处的磨损, 是由于此管段位置处于U形弯上下部位,

其磨损和U形弯磨损相似, 由于U形弯距炉墙距离为40mm的距离, 次处烟气流量大, 流速高, 虽在此管上面加25#角铁做防磨仍磨损严重, 大约半年时间即把管冲刷磨漏。

1.2.4 省煤器整体不均匀磨损,

是由于省煤器间距不均匀造成的。省煤器间距的调整是靠管夹与管夹之间的连接来调整。在运行中, 由于省煤器受热膨胀变形和省煤器挂灰清扫时的拨动, 使省煤器的间距发生变动, 造成烟气流量和流速的不均匀故将省煤器管磨损。

1.3 改进措施

1.3.1 U形弯的防磨措施

原U形弯防磨板为普通钢板制成, 其耐磨和耐热性能较差, 现改成1Cr18Ni19耐热耐磨不锈白钢板制成, 其耐热耐磨强度要提高3倍以上。U形弯距炉墙距离由40mm缩小到20mm, 经过改进U形弯处烟气流量小, 磨损小。省煤器U形弯由原来不到一年的使用期增加到三年。

1.3.2 上部第一二根管子的防磨措施

将原来第一根管子上面的25#角铁拆除, 改换成厚度为3~4mm厚的耐磨钢板加工而成的半圆形防磨护瓦所代替。由于防磨护瓦形状和角铁相比, 其整体为半圆形并逐渐扩张回收, 没有角铁的顶角和两边的下垂度, 故当烟气冲刷该处时可以减轻冲刷强度, 对第二根管壁没有损害。

1.3.3 上部第一根管与墙体连接处的防磨措施

此处管段上面原采用25#角铁拆除, 改换成上述防磨护瓦, 为防止对防磨护瓦的冲刷磨损, 可以在此处铺设一块6mm厚150~200mm, 宽2000mm长的铁板, 将此处管段盖住, 防止烟气对此管段的冲刷, 同时对下面的U形弯也是一种很好的保护。

1.3.4 省煤器间距的调整

由上述可知, 省煤器的平均间距为8mm, 在省煤器安装时, 可在省煤器东西两侧各加一组钢筋来调整省煤器的间距。调整时从一边开始, 每排省煤器管排中间都用Φ8mm的钢筋间隔开, 49排省煤器可加50根也可加48根。等间距调均匀后在钢筋的上下部位用大于或等于Φ14mm的钢筋将Φ8mm的钢筋连接在一起。这样无论如何膨胀, 省煤器间距都不会改变, 并且给清灰工作带来方便。

2 对流管束的磨损与改进措施

2.1 易磨损部位

在锅炉的运行实践中, 发现对流管束的易磨损部位都在挡烟墙的出口处, 对流管束前面第二排第一道挡烟墙下部, 100~200mm处。对流管束中间第九第十排折烟板处和后面第二排上部折烟板出口处最为严重。

2.2 磨损原因

两排后墙水冷壁中间有一道挡烟墙, 烟气由燃烧室上升在挡烟墙顶部来一个180°的大转弯, 然后沿过热器管排和第一排对流管束下行。在对流管束第一排和第二排中间有一道前挡烟墙, 第三排和第四排中间有一道后挡烟墙。在后挡烟墙下即第三排至第九排对流管束有一道折烟板。当下行烟气到达对流管束前挡烟墙底部时经过一个90°的转角然后到达折烟板, 在折烟板尾部又经过135°的转角沿对流管束上升。当烟气到达对流管出口处有一道下垂45°角的折烟板将烟气转向。在烟气流程中, 炉膛的出口烟速为9.6m/s, 折烟板及挡烟墙出口处烟速为8.9m/s。由于烟气在挡烟墙及折烟板处流经时, 都有一个大的转角是烟气流通的咽喉处, 故此处烟速过高, 加上挡烟墙的折角和烟气的惯性力使烟气形成小窝流, 故造成挡烟墙和折烟板处受热面磨损。

2.3 防磨措施

针对上述磨损情况, 在磨损处增加防磨板。防磨板的制作安装根据现场具体情况实施。

对流管速防磨板分别在第二根对流管束前侧前挡烟墙下部0~500mm处安装。第一道折烟板尾部0~500mm处和第二道折烟板下部后面第二根管子后面安装。安装时一头插入挡烟墙内100mm, 另一头占焊在管壁上, 在焊接时不可满焊只能点焊避免影响管子膨胀。

3 水冷壁的磨损与改进措施

3.1 磨损部位

水冷壁的磨损部位都在炉膛中部四周水冷壁下侧弯头处。

3.2 磨损原因

原燃烧室水冷壁下部炉墙, 其侧墙厚度为0.49m, 前墙厚度为0.72m, 后墙厚度为下部0.72m, 上部0.49m。水冷壁下侧弯头在墙体外裸露, 当炉料沸腾时, 在稀相区烟气中夹带的细小颗粒直接冲刷水冷壁下侧弯头, 对弯头的磨损非常严重。

3.3 改进措施

将燃烧室侧墙水冷壁墙体由原来的0.49m增加到0.605m至弯头处。前墙浇注料打到前墙水冷壁下侧弯头处, 后墙砌成阶梯形逐渐扩展至弯头处, 比后墙水冷壁外出100mm处。此时在将四周弯头处用可塑料抹平将弯头罩住, 从而避免了对弯头的冲刷。

经过上述改进措施, 锅炉受热面的磨损程度大大降低, 省煤器由原来二年的运行周期可增加到四年, 对流管束由原来的四年增加到六年。水冷壁由原来的四年增加到六年为锅炉机组的经济稳定运行打下基础。

摘要：针对沸腾炉受热面易磨损的部位, 分析受热面磨损的原因, 拿出具体措施使磨损部位得到改善。

沸腾氯化炉论文 篇6

闪烁旋流沸腾煅烧技术是近十年发展起来的一门新技术。它是在流态化煅烧的基础上,结合了流态化原理,形成的一门新兴技术。在其基本理论的指导下,结合微积分的数学原理、流体力学、燃烧学等相关学科的基本理论,我们开发研制了新一代煅烧设备——闪烁旋流沸腾煅烧炉。

煅烧是适用于无机盐的改性、分解、提纯、氧化、还原提纯、晶形转化的化工工艺过程。

在钼冶金过程中,大多数企业是将钼精矿在回转窑或多腔窑中煅烧,生产的焙烧砂,钼的品位不高,杂质含量高、能源消耗大、处理能力小、环境污染治理难度大等问题。

为了解决钼精矿的煅烧生产中的上述问题,我们采用了国内领先技术,最新的煅烧技术设备——闪烁旋流沸腾煅烧炉。(这一设备已经申请了国家发明专利,专利号:200910013081.8)

1 闪烁旋流沸腾煅烧炉结构特点

闪烁沸腾煅烧炉的基本结构(如图1所示)是由燃烧室、加料装置、导流柱、阿波罗渐开线型底座以及煅烧炉体几部分构成。

1.1 燃烧室

燃烧室的设计结构是依据火焰的燃烧形状及保证其充分燃烧的条件下的几何结构而定的,这种结构形式和火焰的形式是一致的,这就能使燃烧机喷出的火焰能够充分燃烧,使火焰达到清洁,不会留下没有燃烧完的物质(Hs、C、Co、S),尽而不会污染煅烧的物料。

1.2 高温加料装置

高温加料装置是连接燃烧室和主炉的过渡部分,这种设计结构是为了保证物料在下降过程中便于被热气流直接带走不使之沉积,特别是在煅烧过程中某一个温度段有溶融现象的物料也能顺利地沸腾起来,因而不同的物料需要有不同的结构。这种结构相当是一种“文丘管”的结构,在加料过程实际上是使物料充分分散的过程,这种结构也是为了保证这一过程的充分实现。

1.3 扩散段和导流柱

扩散段和导流柱均在煅烧炉底部。扩散段采用了阿波罗渐开线型底座,倒流柱在底座的中心。这是一种旋转加速结构,这种设计结构是为了保证物料的煅烧时间和流态化速度的,由于物料的不同,其比重和粒度也就不同,因而加速度也就不同,因此导流柱的粗细和扩散段的大小也就不同。

2 钼精矿煅烧工艺和关键技术

2.1 钼精矿煅烧工艺流程

钼精矿煅烧工艺流程图如图2所示。

钼精矿煅烧工艺关键设备是闪烁旋流沸腾煅烧炉系统设备,工艺技术的关键点和难点,一是旋流沸腾煅烧;二是高温过滤;三是快速降温;四是高温回收;五是热能的再利用。

2.2 闪烁旋流沸腾煅烧炉煅烧工作原理

需要煅烧的物料,经加料系统通过气固混合进入煅烧炉旋转加速段,同加热系统加热的高温气体进行充分混合后,呈旋流状,作流态化运动,煅烧在16～28秒钟瞬间完成后,进入气固分离装置,分离后的固体和气体分别从排料口和排风口排出。

2.3 煅烧炉的性能

1)煅烧热介质分布范围广,热介质温度300～1800℃;

2)煅烧炉结构可多样化,不同的物料可采用不同结构的煅烧炉,同一结构的煅烧炉可实现产品的系列化;不同的物料煅烧的工艺要求不同,这样煅烧炉的内衬材料也有不同的选择;

3)根据不同的煅烧工艺,煅烧系统可多样化;

4)煅烧炉要求煅烧的物料粒度大于100目;

5)煅烧炉的加热装置可根据生产工艺的要求采用不同的燃烧加热方式。主要有直接式、间接式和多级式;

6)燃料可根据生产工艺,选择不同的燃料。主要为固体的煤、液体的轻质油和重油、气体为煤气和天然气。

2.4 煅烧系统技术特点

1)系统连续工作、瞬间煅烧,多温、多压点监控,实现了系统的全自动化在线控制;

2)气固混合充分、煅烧比表面积大、煅烧时间短、生产稳定,确保了煅烧过程中产品品质的稳定,产品粒径分布均匀;

3)煅烧后的产品一次性过筛率高,从而也确保了下游产品的品质;

4)整个系统是负压操作,在封闭中进行生产,采用多级回收,回收率高,无污染,实现了文明生产;

5)煅烧尾气可选配适当的冷却器、干燥机进行系统组合,进而可实现热能的充分利用;

6)本系统设备可以一步实现,从硫化钼到高纯氧化钼的生产;

7)煅烧尾气经过处理可直接制酸,并能回收有价元素(钼、铼)。既满足了环保要求,又实现了废气的综合利用。

3 在高纯氧化钼生产中的应用实例

3.1 年产5000吨高纯氧化钼的成套设备明细

年产5000吨高纯氧化钼的成套设备,选用Ø1200mm的闪烁旋流沸腾煅烧炉系统,其具体配套见下面明细表:

3.2 年产5000吨高纯氧化钼的成套设备系统特点:

1)设备相对体积小,生产能力大;

用闪烁旋流沸腾煅烧炉其直径为Ø1200mm;而直径Ø2200mm回转窑的年产能,才能达到2000吨。

2)结构简单,不易损坏,易维护,费用低;

闪烁旋流沸腾煅烧炉就其结构而言是比较简单的,有人形象比喻就如一个大烟囱。由于设备本身不运动,所以设备基本上没有损坏。一般情况下,这一设备的使用寿命都在十五年以上。而回转窑由于是在高温下运动的设备,所以需要经常维修,因而维修费用高,使用寿命短。

3)设备紧凑,占地小,投资少,基建费用低;

闪烁旋流沸腾煅烧炉由于其自身的技术特点,是一种占天不占地的设备,和回转窑相比只是其占地面积的三分之一左右。一台回转窑的占地面积能放下整个闪烁旋流沸腾煅烧系统设备。从而大大节约了土地和基建投资,因而大大节约了土地资源。

4)热有效利用高,热能可回收利用;

热有效利用率高,闪烁旋流沸腾煅烧炉的热有效利用率可达70%以上,而回转窑的,热有效利用率不到30%。闪烁旋流沸腾煅烧炉剩余的热量可以得到很好地再利用。如,接入干燥设备可作为干燥源使用;接入预热装置可为煅烧物料进行预热,从而达到节能目的。

5)操作方便,容易控制;

闪烁旋流沸腾煅烧炉系统设备完全实现了从加料到包装的自动化控制,同时也可以实现计算机的在线控制,这样就大大节省了人力。整个系统设备基本上一个人即可。

6)生产的产品质量好,金相组成理想,物理性能稳定;

7)设备运行费用低;

闪烁旋流沸腾煅烧炉是一个静止设备不需要任何动力,因而其本身也就没有任何动力,其本身的运行费用也就近似于零。

8)煅烧速度快,从投料到回收仅用16～28秒;

9)煅烧比表面积大;

闪烁旋流沸腾煅烧炉是一种特殊流态化煅烧设备,煅烧比表面积比一般流态化煅烧设备大,传质、传热效果好,不会产生熔融结块,实现了物料的单颗粒煅烧,这是回转窑、沸腾炉和多腔窑等是无法比拟的。

10)系统全负压操作,工作环境好,环保。

3.3 年产5000吨高纯氧化钼的成套设备系统经济

效益测算

通过实验数据和理论计算能耗指标分别如下:

煤耗/年:3456吨;

总装机功率:265千瓦;

煤耗/吨产品:714公斤煤/吨产品;

电耗/吨:378度/吨产品;

注:文中提到的煤为标煤。

4 结论

新的闪烁旋流煅烧系统设备制取高纯氧化钼生产工艺技术,从根本上解决了原有生产工艺中的一些不可克服的缺陷,使能源消耗大大降低,从而使“碳”排放量大大降低。如这一新技术能在全行业推广,将为节能减排,改善大气环境做出应有的贡献,并能取得良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]安娜-玛丽娅·比安什.传热学.大连:大连理工大学出版社,2008,02.