熔盐炉及熔盐加热系统

《工业加热》第 37卷2008年第 2期 30 随着经济的迅速发展，全球铝业市场对氧化铝产品 的需求日益增大。我国氧化铝年需求量为 1 150万 t，由 于原料和能源供给严重短缺，50％将来自进口。在氧化 铝生产过程中，管道化溶出系统以其工艺的独特性和技 术的先进性改善和优化了我国氧化铝生产的技术经济指 标 1。该工艺需要把原矿浆加热到 280℃左右，以保证矿 浆在停留罐和停留段快速反应，这要求有高温介质进行 供热。一般地，当使用 250～ 550 ℃的高温时，通常使 用熔盐作为载热体 2，因此熔盐加热系统成了管道化溶出 系统中最关键的加热设备 3 4。 1 熔 盐 1.1 熔盐的组成及特性 生产中采用的熔盐是一种三元无机盐类，是由硝酸 钾（KNO3）、亚硝酸钠（NaNO2）及硝酸钠（NaNO3）熔 融后混合组成。常规配比为：KNO353%，NaNO240%， NaNO3 7%。其商品名称为希特斯（又称 HTS）3。新盐 为白色粉状固体，易潮解，属无机氧化剂，是一种危险 物品 5。熔盐与导热油相比，在相同的压力下可获得更高 的使用温度（250 ～ 550 ℃），且熔盐类热载体不爆炸、 不燃烧、耐热稳定性能好，其泄漏蒸汽无毒，传热系数 是其他有机热载体的 2 倍。在 600 ℃以下时，几乎不产 生蒸汽。其主要物理参数如下： 熔点 142℃。密度 ＝2 000 kg/m3（150℃时）， ＝ 1 650 kg/m3，（600℃时），在此温度区间内线形下降；运 动粘度 ＝10 × 10 6 m2/s（150℃时），随温度升高按指数 规律下降，在 400～ 550 ℃接近一稳定值 ≈0.8 × 10 6 m2/s；比热容 ≈1.55 kJ/（kg·K）；导热系数 ≈1.3 W/（m·K） （500℃时）。固态盐膨胀系数 ＝0.001 59 K 1，熔盐膨胀 系数 ＝0.011 2 K 1。 热稳定性： 455 ℃以下不分解； 455～ 540 ℃ 时，NaNO2缓慢分解 5NaNO2 3NaNO3+Na2O+N2↑； 如果与空气接触，在 455～ 540℃时还会发生NaNO2的 氧化反应，2NaNO2+O2 2NaNO3； 820 ℃以上时， 加热设备 熔盐炉及熔盐加热系统 向锡炎，周孑民，陈晓玲，张忠霞 （中南大学 能源科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，湖南 长沙 410083） 摘要：在氧化铝生产过程中，由于我国一水硬铝石型铝土矿存在高铝、高硅、可磨性差和难溶出的特点，管道化溶出方式逐渐成 为一种发展趋势，而熔盐炉是管道化溶出系统中最关键的加热设备。结合某氧化铝厂管道化溶出系统熔盐炉及熔盐加热系统，介 绍了熔盐的组成及特性，熔盐炉的类型与结构，熔盐加热系统的运行和特点。 关键词：熔盐炉；熔盐加热系统；管道化溶出 中图分类号：TK175 文献标志码：A 文章编号：1002-1639(2008)02-0030-03 Summarizing on Molten Salt Oven and Molten Salt Heating System XIANG Xi-yan, ZHOU Jie-min, CHEN Xiao-ling, ZHANG Zhong-xia (School of Energy science and Engineering, CSU, Changsha 410083, China) Abstract：Because the diasporite mineral in China has characteristics of high aluminum, high silicon, hard grinded and hard digested，tube digestion has become a developing direction in the alumina production processing, and molten salt oven is the most important heating equipment of the tube digestion system. Based on the molten salt oven and the molten salt heating system of the tube digestion in an alumina plant, the composition and property of molten salt, the type and structure of molten salt oven, and the operation and feature of molten salt heating system are introduced. Key words：molten salt oven；molten salt heating system; tube digestion 收稿日期：2007-09-30; 修回日期：2007-11-20 作者简介：向锡炎（1983—），男，在读硕士研究生，主要从事热物 性测试及热工设备系统仿真与优化的研究； 周孑民（1948—），男，中南大学能源科学与工程学院教 授、博士生导师，主要从事热物性测试及热工设备系统 仿真与优化的研究. s为喷淋工况 f为热水 i为进口 o为出口 参考文献： [1] 王列科，杨强生. 板式换热器中蒸汽凝结特性 [J]. 上海交 通大学学报. 1998，（4）：18-22. [2] 章熙民，任泽霈，梅飞鸣，等. 传热学 [M]. 北京：中国建 筑工业出版社，2001. [3]宫锡坤.板式换热器准则关联式的研究 [J].沈阳化工，1994， （3）：48-50. [4] 史美中, 王中铮. 换热器原理与设计 [M]. 南京: 东南大学 出版社，1989. 《工业加热》第 37卷2008年第 2期 31 NaNO2的分解非常强烈，产生的 N2↑会令熔盐沸腾。 腐蚀性能：在 0.1 mm/a的腐蚀速度下，铁素体耐热 钢可以用到 470℃，在 470℃以上推荐使用奥氏体钢 6。 1.2 熔盐的分解 在盘管的辐射受热面，管外高温火焰及烟气以辐射 的方式通过钢质管壁对管内熔盐进行加热，当盐膜温度 超过 620 ℃时，熔盐将会发生分解。如硝酸钾：4KNO3 2K2O+2N2↑+5O2↑。 （1）初始阶段。首先盐膜变黑、粘附在迎火面管道 内壁上，形成一层硬壳。 （2）继续阶段。只要盐膜温度大于危险温度，盐的 分解将继续进行，黑色分解物继续加厚，直到熔盐全部 分解。 （3）取样分析。分解物呈黑色固体状，靠近基面坚 实，远离基面疏松，固体中的气泡由小变大，由少变多。 （4）分解计算。取 1 kg熔盐，计算分解后的气体物 量，结果见表 1。 表 1 分解计算结果 原盐分子式 混合盐 质量/g 分解氧气式 产氧量/g 分解氮气式 产氮量/g KNO3 NaNO2 NaNO3 HTS 530 400 70 1 000 1.25 O2↑ 0.75 O2↑ 1.00 O2↑ 3.00 O2↑ 209.69 130.13 26.35 366.17 0.5 N2↑ 0.5 N2↑ 0.5 N2↑ 1.5 N2↑ 73.40 81.16 11.52 166.08 熔盐分解残留物的样品分析结果表明，残渣主要成 分是氧化物，而起破坏作用的是氧气和氮气。 2 熔盐炉 熔盐炉是管道化溶出系统的关键加热设备。脱硅后 的原矿浆在经过冷热矿浆换热段和乏汽换热段之后，被 加热到 230 ℃左右，在熔盐加热段被高温熔盐进一步加 热到 280℃以上，然后进入停留罐和停留段进行溶出反应。 2.1 熔盐炉的分类 熔盐炉的构造一般都是盘管式，即熔盐在沿炉身的 盘管内流动。随着工业生产的发展和技术的进步，目前 已经形成了如下的分类方法。 （1）按照熔盐炉的循环方式分类，可以分为自然循 环熔盐炉和强制循环熔盐炉； （2）按照热源的不同，可以分为燃煤、燃油、燃气、 电加热熔盐炉等品种； （3）按照熔盐炉的结构形式分类，可以分为圆筒形、 方箱形和管架式熔盐炉； （4）按照熔盐炉的整体放置形式分类，可以分为立 式熔盐炉、卧式熔盐炉。 图 1为意大利Ggarioni & Naval公司生产的三回程立 式圆筒形盘管熔盐炉；图 2为美国 Fuoton公司生产的四 回程立式圆筒形盘管熔盐炉；图 3是意大利 Ggarioni & Naval 公司生产的卧式圆筒形盘管熔盐炉；图 4 是德国 GMBH公司生产的管架式盘管熔盐炉 7。 图 1 三回程立式圆筒形熔盐炉结构图 图 2 四回程立式圆筒形熔盐炉结构图 图 3 卧式圆筒形熔盐炉结构图 图 4 管架式熔盐炉结构图 加热设备 《工业加热》第 37卷2008年第 2期 32 在所有型式的熔盐炉中，应用最为广泛的是三回程立 式圆筒形盘管熔盐炉。它具有结构紧凑、材料省、造价低 等特点，其燃烧室的结构都是圆柱形的，非常适合燃油或 燃气火焰的形状，而且其炉内的熔盐容量小，故启动快、 投资省。整个炉子主要由炉体和燃烧系统两部分组成。 2.2 炉体 熔盐炉炉体由加热盘管和壳体组成。如图 1所示。 加热盘管是由直径相同的密集钢管沿炉身盘卷而成， 进出口通过联箱汇集成一个管口进出。为了充分吸收热 量，加热盘管又分为辐射受热面和对流受热面，以管程 密布作“隔墙”，控制高温烟气的流动方向。燃烧器置于 炉顶中心，燃烧室火焰由上而下与内层盘管内侧面辐射 换热后，燃烧产生的高温烟气再从内层盘管底部由下而 上进入内、外层盘管之间所构成的第一对流换热区，经 过对流换热后从外层盘管上部进入外层盘管与壳体所构 成的第二对流换热区，由上而下对流换热，最后从壳体 下部排烟孔排出。熔盐由下部进口联箱分内、外两层 盘管并行进入炉内，在炉内吸收热量之后，汇集到 上部出口联箱，从上联箱排出 6。 壳体以钢质支架作为支撑骨架，内侧采用耐火砖作 为砌体，中间填充耐火纤维，外部表面材料为镀锌铁皮。 2.3 燃烧系统 熔盐炉的燃烧系统根据燃料的不同，可以分为燃煤 燃烧系统和燃油（气）燃烧系统两种。 燃煤熔盐炉的燃烧系统由炉排、燃烧室、通风装置、 伺煤机构、出渣机构、烟囱等组成 8，由于炉子排烟温度 比较高（400～ 600 ℃），余热回收潜力很大，故一般在 排烟系统内增加余热回收装置，可提高炉子效率 10%～ 15%。已设计开发的燃煤熔盐炉性能参数见表 2。 表 2 燃煤熔盐炉性能参数表 额定功率/MW 热效率/％ 设计压力/MPa 介质最高温度/℃ 循环量/m3·h 1 配管连接口径/mm 系统装机容量/kW 设备总重/t 1.4 ≥73 1.0 550 100 125 50 18.2 1.9 ≥73 1.0 550 150 150 75 21.7 2.5 ≥73 1.0 550 180 150 87 25 3.6 ≥73 1.0 550 250 200 128 34.2 4.7 ≥73 1.0 550 270 200 128 43.3 5.8 ≥73 1.0 550 350 250 158 46.1 燃油（气）熔盐炉的燃烧系统相对比较简单，主要 由燃烧器、防爆门、烟囱等组成。已设计开发的燃油（气） 熔盐炉性能参数见表 3。 表 3 燃油（气）熔盐炉性能参数表 额定功率/MW 热效率/％ 设计压力/MPa 介质最高温度/℃ 循环量/m3·h 1 配管连接口径/mm 系统装机容量/kW 设备总重/t 1.2 75 1.0 550 100 125 40 6.2 2.5 80 1.0 550 180 150 66 11.5 3.6 80 1.0 550 250 200 85 25 4.7 80 1.0 550 270 200 90 29 7 85 1.0 550 400 250 120 40 12 85 1.0 550 600 350 200 47.5 3 熔盐加热系统 3.1 系统组成及运行过程 熔盐加热系统是对熔盐在高温加热后作为热载体在 熔盐炉和用热设备之间进行加热循环的热传递体系，主 要由熔盐炉、熔盐循环泵、熔盐罐以及一些管路配件等 组成，其系统如图 5所示。 图 5 熔盐加热系统示意图 熔盐加热系统运行过程如下：首先将粉状的混合无 机盐放入熔盐罐内，通过安装在罐内的蒸汽加热伴管或 电加热伴管等方式将熔盐加热到熔点以上，使其粘度达 到可以用熔盐循环泵进行循环的值。与此同时，需对熔 盐炉内空管进行预热，以防止熔盐在流经冷盘管时发生 冷凝固化。盘管预热到一定程度之后，开启熔盐循环泵， 将熔盐送入熔盐炉中加热，加热到特定温度的熔盐被输 送到用热设备，供热后，再沿循环系统流回熔盐罐，上 述过程不断循环，构成熔盐加热系统。系统运行停止时， 全部熔盐将流回熔盐罐中。 3.2 熔盐罐及其管路配件 熔盐罐一般位于熔盐系统的最低位置，其容积是熔 盐受热后的膨胀量与停止运行时高温熔盐排放量的总和。 为了加热、熔化初期投放在熔盐罐内的粉末状无机盐，使 其粘度达到可以用循环泵打循环，同时为了减少热损失， 有利于维持罐内熔盐的熔融状态，熔盐罐上设置了加热 与保温装置。由于高温熔盐与空气接触会发生氧化劣化， 因此熔盐加热系统都是封闭的，在熔盐罐内充装了惰性 气体，以防止熔盐与空气接触。 由于熔盐在温度低于 142 ℃时便产生凝固，熔盐一 旦在管道内凝固，再将它熔化是一件十分困难的事。因 此熔盐系统的管道必须保持合理的弯曲度和适宜的斜度， 以保证系统停止运行时能将系统内熔盐全部放回到熔盐 罐，不允许有熔盐在管道内滞留 6。 4 结 语 当使用在 250～ 550 ℃的高温时，一般选择熔盐作 为热载体进行加热。熔盐炉及熔盐加热系统具有如下特点： （1）可获得低压高温热载体，调节方便，传热均匀， 可以满足精确的工艺温度要求； 加热设备 《工业加热》第 37卷2008年第 2期 33 我国是世界上第二大能源消费国，已占到世界消费 的 10%左右，而我国的能源利用率大大低于经济发达国 家，只有 34%（日本、美国、德国的能源利用率分别高 达 57%，50%，40%） 1。据统计 2，我国的工业部门能 源消耗量占全国能源消费总量的 70%。其中，各类工业 炉所耗用的能源约占 1/3。但是，我国的工业炉与发达国 家的工业炉相比，窑炉平均热效率要比国外低 20%左右， 全国的工业窑炉如能平均节能 10%，则节约的能源相当 于 1亿t 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 煤，可见工业窑炉的节能潜力是非常巨大的。 对我国这样一个资源相对匮乏的国家来说，工业炉窑节 能技术的进步对缓解我国能源紧张状况，减少污染物的 排放，保持国民经济高速、稳定、协调发展，具有重要 意义。因此大力开展节能工作，进一步提高能源利用水 平，是我国国民经济实现可持续发展的一项长远战略方针。 在能耗高、能源节约潜力大的冶金、陶瓷等行业，各 种针对节能降耗的新技术、新产品层出不穷。预混燃烧 技术就是其中一种，它已被广泛应用到了很多工业部门， 起到了一定的节能效果 3。 预混燃烧是在点燃前将空气与燃料预先混合，在点 燃后使空气与燃料反应完全、燃烧完全，并通过预混技 术有效控制空气过剩系数，来得到较高的燃烧温度，从 而可以减少、节省燃气的用量（据实践证明：燃气的预 混燃烧比扩散式燃烧要节省约 20%的燃气）；同时也减少 废气的产生，从而达到节能减排和保护环境的目的。目 前，工业应用的燃烧器的结构有较大部分还是以扩散式 燃烧为主，燃气的预混技术应用还不成熟，即使是应用 了预混技术的燃气燃烧器在结构设计上，由于缺乏检测 和模拟等手段和措施，对气体的流迹和分布的理解和认 加热设备 预混燃烧数值模拟与结构改进 李 萍1，曾令可1，邓毅坚2 （1. 华南理工大学 材料科学与工程学院，广东 广州 510640；2. 佛山市环保材料有限公司，广东 佛山 828200） 摘要：对煤气-空气预混燃烧进行了数值模拟，通过模拟研究了燃烧器的结构对煤气－空气预混效果的影响，优化了燃烧器的结构， 使煤气-空气预混效果达到最佳。模拟结果与实际燃烧过程情况相符。 关键词：燃烧器；预混；燃烧；数值模拟 中图分类号：TK223.23憲 文献标志码：A 文章编号：1002-1639(2008)02-0033-04 Numerical Simulation of Premixed Flow Combustion and Structure Improvement LI Ping1, ZENG Ling-ke1, DENG Yi-jian2 （1. Department of Material Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. Foshan Environmental Materials Ltd., Foshan 828200, China） Abstract:Gas-air premixed flow combustion was simulated.The impact of the burner structure on premixed effect was studied by the simulation. Further more, the burner structure was improved in order to get the best premixed effect of gas-air. The simulation was consistent with the actual situation. Key words: burner；premixed; combustion; numerical simulation 收稿日期：2007-10-08；修回日期：2007-11-21 作者简介：李 萍（1980—），男，工学博士，研究方向：计算机在 材料科学与工程中的应用. （2）液相循环供热，无冷凝排放损失，供热系统热 效率较高； （3）不需要水处理系统； （4）熔盐炉可安放在用热设备旁边，热量输送方便， 热损失较小。 参考文献： [1] 李晓勇，侯运兴，白鹏程. 一水硬铝石管道化溶出系统热工 性能测试 [J]. 冶金能源，2006，25（3）：59. [2] 马建兵，李德峰. 熔盐热载体的特点及使用中的若干问题 [J]. 热载体，2002，15（6）：16. [3] 黄 俊，钱 芳. 熔盐系统在氧化铝生产中的应用 [J]. 铝 镁通讯，2006，（3）：10. [4] 蔡胜利. 熔盐炉事故原因分析 [J]. 轻金属，2000，（9）：12. [5] 常虎成，陈 岩. 熔盐载体过热分析 [J]. 世界有色金属， 2000，（8）：21. 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