镁渣余热回收系统

序号： 117
小类别：冶金
第十届大学生节能减排社会实践
与科技竞赛作品说明书作品名称：镁渣余热回收系统
类别：科技作品类（含实物制作、软件、设计等）
镁渣余热回收系统说明书
作品内容简介
2015年中国的镁产量达80万吨，占世界总产量的85%。

生产1吨金属镁，将同时产生5吨渣，由此中国每年将产生400万吨镁渣。

这些镁渣排出的温度为1200℃，通常直接送往渣场，其携带的热量没有得到有效利用。

初步估算，镁渣携带的热量相当于14.28万吨标煤燃烧释放的热量，如果能够回收利用，则每年可减少约49.696万吨CO2排放，如果每吨标煤按500元计，则每年可节约7.14千万元。

然而目前并没有合适的方法回收镁渣的余热。

本文设计开发了一种适用于镁渣余热回收的装置。

设计主体是余热回收装置。

首先，将渣槽中的炉渣倒入余热回收装置中，炉渣的热量被装置外壁的水吸收，产生高温高压的液态水。

其次，液态水通入闪蒸罐中，压力骤低，液态水在闪蒸罐中迅速沸腾汽化，并进行两相分离，从而使高温高压的液态水变成高温的水蒸气。

最后，将水蒸气通入特斯拉涡轮机进行发电。

本文首先介绍了镁渣回收余热系统的设备构成及相应的原理，然后采用FLUENT对余热回收装置的传热过程进行了初步的数值模拟，并对该设计的应用前景进行了分析。

结果表明：1吨镁渣最后能够回收30kg标煤，减少CO2排放96kg，相当于174度电。

本设计发明也可用于冶金过程其它炉渣的余热回收。

一、研制背景及意义
目前，我国已是世界产镁第一大国，镁产能已达150多万吨，产量达80多万吨，占世界总产量的85％以上。

图1为中国镁产量和世界镁产量示意图，自2000年以来，中国的镁产量逐年提高，占世界的总产量的比例越来越大，2010年以后中国的镁产量已占世界镁产量的80%。

200
200200200200200200200200200201201201201201201Y i e l d s (×104
t o n /y e a r )
Year
图1 世界镁产量和中国镁产量
几乎所有在中国生产的商品金属镁均采用皮江法。

由于皮江法符合社会工业化初期经济发展的特点，规模可大可小、投资低、工艺简单，皮江法镁厂在有煤和白云石资源的地区得到了迅猛发展，例如山西，山西等。

图2为皮江法的工艺流程图。

其以白云石为原料，硅铁为还原剂，萤石为催化剂，混合压制球团。

一般球团中镁含量约为20%，还原率约为80%，因此生产1吨金属镁，同时约产生5吨渣。

这些渣还原后的温度为1200℃，由人工扒出反应罐，如图3所示，高温的炉渣通过渣槽中转，最终送往渣场。

这些高温的炉渣在通过渣槽中转以及送往渣场后，所携带的温度慢慢散失到环境中，无法被有效利用，如图4所示。

萤萤
图2 皮江法工艺流程
图3 高温炉渣扒出反应罐
图4 高温炉渣在渣槽中冷却
现有的炉渣余热回收技术主要是炉渣风碎系统，如图5所示。

该系统使用渣罐将熔渣运到风碎处理间，熔渣随流槽落下，由设置在流槽下部的空气喷嘴以高速空气流（80-300m/s）击碎，使其变为3mm以下的小球进入罩式余热锅炉中。

通过余热锅炉中不同的传热面回收渣粒的辐射热，传导热及高温空气的对流热，使锅炉中的水变成蒸汽。

但是，利用风碎系统处理的炉渣必须满足下面两个要求：首先是炉渣必须是熔融状态，能够在流槽中保持流质均匀，而镁渣却是球状渣团；二是风碎系统的空气流必须能够控制渣的飞散，而镁渣在高温时为球状，降温过程发生自粉，粒度难以控制，进而导致渣在气流中的流动状态难以控制。

1-转炉或高炉；2-熔渣车3-发电用蒸汽出口 4-干铁砂 5-湿铁砂6-风碎后空气热回收设备；7-辐射热和对流热回收区；8-传导热回收区 9-炉渣再利用设备；10-分离、储藏设备；11-渣粒排
出口；12-喷嘴；13-风机
图5 炉渣风碎系统回收余热
综上所述，非常有必要开发适用于镁渣余热回收利用的系统，达到节能减排，降低生产成本的目的。

二.、镁渣余热回收设备原理
图6 镁渣余热回收系统流程
首先，将渣槽中的炉渣倒入余热回收装置中，高温的炉渣在装置内部搅拌机的作用下在桶内做翻滚运动，使热量均匀放出，装置外壁的水吸收炉渣放出的热量变成高温高压的液态水。

炉渣中的热量转移到水中。

高温高压的液态水进入闪蒸罐中，压力骤低，液态水在闪蒸罐中迅速沸腾汽化，并进行两相分离，从而使高温高压的液态水变成高温高压的水蒸气，而特斯拉涡轮机利用的正是边界层效应，进入特斯拉涡轮机的高速运动的水蒸气会带动圆盘转动，进而发电，最终将水中的内能转化成电能，从而获得经济收益。

1.主要装置
特斯拉涡轮机
高温高压水蒸气
图7 余热回收装置
原理：
渣槽中的镁渣倒入该装置中，盖上盖子。

镁渣在装置内搅拌机的作用下开始翻动，放出热量。

根据镁渣的特性，在800℃时镁渣会由球团变成粉末，粉末更容易放热，在搅拌机的作用下，粉末中的热量均匀放出。

器壁选用传热系数好的材料，以便于镁渣中的热量更好的传递给外面流动的水。

水由进水管控制流速进入，吸收镁渣放出的热量，变成高温高压的液态水，由出水管流出。

镁渣中的热量将从进水管进入的冷水变成高温高压的液态水，从而完成了镁渣余热的回收利用，实现了热量的转移。

2．闪蒸罐
图8 闪蒸罐
原理：
闪蒸器利用的是闪蒸技术，闪蒸就是高压的饱和水进入比较低压的容器中后由于压力的突然降低使这些饱和水变成一部分的容器压力下的饱和水蒸气和饱和水。

由于特斯拉涡轮机需要以蒸汽为动力源，故需用闪蒸罐将高温高压的液态水变成高温高压的水蒸气。

该设备让高压高温流体经过减压，使其沸点降低，进入闪蒸罐。

这时，流体温度高于该压力下的沸点。

流体在闪蒸罐中迅速沸腾汽化，并进行两相分离。

使流体达到汽化的设备是减压阀，闪蒸罐的作用是提供流体迅速汽化和汽液分离的空间。

3．特斯拉涡轮机
图9 特斯拉涡轮机
原理:
特斯拉涡轮机（Tesla turbine）是一种无叶片，由流体剪切力驱动的涡轮机。

特斯拉涡轮机的原理是流体的边界层效应（boundary layer effect），流体受黏滞力影响，会在管壁或者其它物体边缘形成一层很薄的边界层，在边界层内，固定表面的流速为0，离表面越远速度越大。

利用这个效应就可以让高速运动的液体带动一组圆盘转动。

特斯拉涡轮的优点在于适用于低流速和小流量的需求，适应面广，且特斯拉涡轮机的预计效率为60％。

通过阀门对高温高压水蒸气进行调节，从而使得涡轮机的工作温度和压力能够处在最佳状态，保证它的使用寿命。

三、理论计算：
1.计算过程基本参数：
（1）出炉镁渣：1000 kg
球团的密度：2.1 g/cm3
堆积系数：0.605
堆积体积：V=m/ρ=1000/(5/6∗2.1∗0.605)cm3=944510 cm3
容器体积：2.26 m3
容器规格：高1 m, 直径 1 m
（2）渣含有的热量：
Q=G1c1Δt1 =1000*0.871*900= 783900 kJ
（3）管内雷诺数：（按平均温度为50℃时计算）
ρ=988.0 kg/m3v=0.7 m/s L=2 m
Di=40 mm =0.04 m Pr= 3.54
ℳ=549.4*104 kg/(m·s) λ=0.648 W/(m·℃) Re= (Di ∗ρ∗v)/ℳ =50353>104
所以管内液体的流动状态为紊流，管内紊流换热关联式： hi=0.023(λ/Di)*(Di*ρ*v/ℳ)0.8*(Pr)0.4
由此计算得到对流换热系数：hi=3568 W/(m 2·℃)
2.数值计算 （1）建立数学模型
采用欧拉多相流模型和标准k -ε两相流模型对炉渣及水换热过程进行非稳态三维数值模拟，研究中考虑连续性方程、动量方程和能量传输方程如下：
()()i i i
i
u S t x x x φ
φ
ρφρφ⎛⎫
∂∂∂
∂+=Γ+ ⎪∂∂∂∂⎝⎭
（1） 表1 直角坐标系下控制方程的一般形式
方程
连续方程 1
动量方
程
x 方向
y 方向
z 方向
能量方程
湍流方程：
()()j t i i j t j j k j j j i u u u k k k u t x x x x x x μρρμμρεσ⎡
⎤∂∂∂∂∂∂∂+=+++-⎢⎥∂∂∂∂∂∂∂⎢⎥⎣⎦
（2）212()()t i i k j t j j j k k i u u u c c u t x x x k x x x k εμερεεεερρμμσ⎡⎤∂∂∂∂∂∂∂+=+++-⎢⎥∂∂∂∂∂∂∂⎢⎥⎣⎦
（3） 其中t μ是湍流粘度：
φΓS φu t μμ+'
x x
p f S x
ρ∂-
++∂v t μμ+'
y y p f S y
ρ∂-
++∂w t μμ+'z z p
f S z
ρ∂-
++∂T
Pr Pr t
t
μμ
+
t S
3/2/D C k l
ε= （4）
2
t k c μ
μρε= （5）
模型参数值：121.44, 1.92,0.09, 1.0, 1.3k c c c μεσσ=====。

（2）模型设置及网格划分
应用Gambit 建立模型及划分网格，网格数量为14万，如图10所示。

其中下端直管截面为入口，上端红色环形区域为出口。

图10 网格模型
分别采用水和渣作为模拟介质，渣相初始温度为1473K ，水相温度为293K ，入口为速度入口，速度为1m 3/h ，出口为自由出口。

对熔池内温度场变化进行模拟，选取熔池内整个流体为计算区域，各个变量在固体壁面进行能量交换计算。

采用基于压力-速度耦合的SIMPLE 算法，二阶迎风格式对控制方程进行差分，所有残差收敛于10-3。

模拟过程中做如下假设：
①余热回收装置中采用搅拌，有利于渣的温度均匀化，因此模拟过程中假设渣的温度均匀变化；
②模拟过程中忽略热量损失。

（3）模拟结果分析
图11为传热260s 后水相温度分布云图。

可见底部温度较低，约为310-320℃，侧壁温度较高，约为393K 。

此时渣相温度由1473K 降至893K 。

由此，预计约20min 渣温可降至473K 。

此时回收渣的热量相当于29.76kg 标煤。

假设涡轮机的发电效率为60%，则1吨镁渣将产生
约103.6度电。

图11 传热260s后水相温度分布云图
四、应用前景
中国是镁产量大国，是世界上主要的镁生产国，中国镁资源储量、镁金属产量和出口量均位居世界第一。

而且，镁产地具有鲜明的地区性，山西和陕西是中国的主要产镁地点，占中国产量的75%。

镁工业的高度集中性可以让镁渣的收集和运输变得极为便利，使得镁渣在该地区的回收利用率大幅提升，从而提升该地区经济效益。

Mg Production of different
province in China
Shanxi(Xi'An)Shanxi(TaiYuan)
Ningxia Xinjiang
Qinghai Henan
Liaoning Jilin,Sichuan,Neimenggu
图10 中国不同省份的镁产量图
每1吨镁渣从1200度冷却到200度所能释放的热量约871000 kJ，相当于29kg标准煤，虽然这部分热量无法全部利用，但通过这种热量利用率为60%的方法利用镁渣加热流动的冷水用于发电，则每吨镁渣可利用522600 kJ的热量，相当于17.85 kg标准煤。

若年产镁量为80万吨，则产生400万吨镁渣，则使用该设备每年将节约约7.14万吨标准煤，省下约3.57千万元的燃煤成本，减少CO2排放22.848万吨。

由此可见，此设备节能减排效果十分可观。

综上所述，此设备利用镁渣余热发电技术的应用前景是十分广阔的，符合国家节能减排的要求，节约企业的成本，提高能源的利用率。

参考文献
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1002—1752(2012)04—49—3
[5] 刘纪福编著余热回收的原理与设计哈尔滨工业大学出版社2016，6
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