基于質能平衡分析的電熔鎂爐能效評估

王 鑫，姜天馳，張衛軍，羅維坤

（1.東北大學 冶金學院，沈陽 110819；2.海城鎂礦集團有限公司，遼寧 海城 114207）

氧化鎂作為電熔鎂砂的主要成分，具有純度高（質量分數97%）、熔點高（2 825℃）、結晶粒大、結構致密、抗渣性強及化學性能穩定等特點.它是一種優良的高溫電氣絕緣材料，在冶金、建材、石化、水泥、國防等領域常用于制作高檔鎂磚、鎂碳磚及不定形耐火材料［1-2］.目前，我國是全球最大的電熔鎂砂生產國和供應國.鎂砂制造業是傳統的排碳大戶，菱鎂礦中每分解出1 kg氧化鎂就要釋放出1.1 kg的二氧化碳.在制造電熔鎂砂的過程中，存在著能耗高、污染高、品位低等問題，傳統冶煉方式的用電量更是驚人［3-4］，這些已成為制約電熔鎂產業發展的瓶頸.

近年來，眾多學者對電熔鎂爐進行了大量的研究.柴天佑團隊［5-7］設計了一種電熔鎂爐智能控制系統，對電熔鎂爐進行了智能優化；接著提出了一種電熔鎂爐專用的嵌入式控制器軟硬件設計方案，該方案滿足了電熔鎂熔煉過程對電極電流的控制要求；此外，還建立了電熔鎂砂產品單噸能耗的混合預報模型，用于預測電熔鎂砂熔煉過程中單位產量的電能消耗.佟玉鵬等［8］建立了熔池功率場數學模型，并通過優化操作方法、合理布料和改變熔池形狀，提高了成品生產率和質量合格率.Chai等［9］提出了一種由電流設定點控制、電流切換控制和自優化整定機制組成的最優運行控制算法，該算法解決了在線測量能耗和精確建模動態ECPT的難題.Fu等［10］使用線性預測編碼和主成分分析算法，開發了熔煉識別系統，該系統可用于區分熔池中不同的熔融狀態.

上述研究主要集中在電熔鎂爐的優化控制方面，而關于電熔鎂爐的質量與能量平衡方面的研究相對較少.因此，基于典型電熔鎂爐的質量與能量平衡分析，本文中通過對電熔鎂爐進行能效評估，確定生產過程中的高耗能環節與高原材料浪費環節，并針對這些環節進行節能改進，以期減少無用能量的支出與無效副產物的產生，提升電熔鎂爐的整體能效.

1 生產原理與現場考察

1.1 一步法冶煉

目前，電熔鎂砂生產工藝有一步法和兩步法兩種形式：一步法是以天然的菱鎂礦石為原料，在電熔鎂爐內直接進行冶煉，經過一系列物理化學變化后凝固得到電熔鎂砂；兩步法是把菱鎂礦石在豎窯或回轉窯內煅燒成輕燒粉，再以輕燒粉為原料在電熔鎂爐內熔煉制得電熔鎂砂.本文中采用一步法工藝生產電熔鎂砂.

圖1 一步法電熔鎂生產工藝Fig.1 One step production process of fused magnesium

菱鎂礦石的主要成分為MgO，同時還包含CaO，SiO2，Fe2O3和Al2O3等雜質.其化學成分、熔點、沸點及密度等物理性質見表1.

表1 原料的化學成分及物理性質Table1 Chemical composition and physical properties of raw materials

電熔鎂砂的熔煉是一個極為復雜的過程，包含熔融、排析、提純、結晶等階段，其實質是MgO自身的純化和致密化.在此過程中將發生以下物理化學反應［11］：

1.2 現場考察

該電熔鎂爐來自遼寧省海城市海城鎂礦集團電熔鎂廠第一車間，其結構與原理見圖2.電熔鎂爐的生產原料為菱鎂礦石，生產的電熔鎂砂成品純度高于96.5%［w（MgO）≥96.5%］.變壓器容量為2 400 kVA，標定電流為10 000 A，電壓為180 V.石墨電極的長度為2.3 m、直徑為0.325 m、密度為2.281 g／cm3，三相電極呈等邊三角形排布，電極邊長距離0.4 m.該爐的爐殼由厚度為0.01 m的鋼板加工而成，爐殼直徑為2 m、高度為2.3 m，爐口向上敞開，爐心溫度為2 900℃.

圖2 電熔鎂生產設備與流程示意Fig.2 Schematic diagram of electric melting magnesium production equipment and process

該廠生產制度為雙班時生產，熔煉時間單班時9～10 h，消耗菱鎂礦石（39±1）t，消耗電極652.83 kg，產生電熔鎂砂成品（9±0.5）t.單爐每兩班時產出成品電熔鎂坨1個，周期作業，生成的電熔鎂坨根據成分不同由內向外分別為電熔鎂層、皮砂層、輕燒粉層、黃灰層（成分主要為質量分數70%的氧化鎂，用于保護結晶器外壁）.

該電熔鎂爐為三相交流電弧爐，冶煉工藝為埋弧冶煉.基本熔煉工藝過程如下：電熔鎂爐啟動之前，人工在爐內鋪底料（主要成分為碳電極碎渣與起弧劑）；鋪墊均勻后，將電極調整至適當位置通電起弧；起弧30～50 min后，熔煉進入穩定狀態；待形成穩定電弧后，向電極根部附近不斷進行加料，以預防噴爐現象，并且根據實際情況對電極進行提升.

在熔煉過程中，填充料被電弧直接熔化，在電極下端形成熔池，埋弧料則落入熔池分解熔化.隨著物料的投入和熔化，熔池的高度持續上升.底部液態氧化鎂因爐體散熱降溫而逐漸冷凝結晶，在熔池下形成熔坨.爐體內，由于靠近爐殼周邊的黃灰不能被熔化，形成了隔熱保溫層，而熔煉過程中產生的煙氣則經除塵器處理后排放.隨著熔化時間的延長，熔池的高度持續上升，直至爐殼上口表面約0.5 m處，此時熔化過程結束，停止供電.在熔化過程中，需要隨熔池高度的上升而不斷提升電極.完成熔煉后，工人用臺車將熔畢的晶坨連同爐體拉離工位，自然冷卻12班時，再破碎、分級，最后包裝成品.

2 基本假設

考慮到電熔鎂爐的復雜性及不穩定性，對熱力評估做了如下幾個假設：①假定在整個研究期間，電弧爐處于穩定熔煉狀態，各環境狀態參數視作不變（溫度、濕度、風速、大氣壓），但各工藝操作參數在熔煉過程中不斷調整；②輸入物質、輸出物質的動能和勢能變化忽略不計；③理想氣體混合物的原理僅用于系統內部的氣體；④環境狀態的溫度和壓力設定為298 K和100 kPa.

3 計算

3.1 質量平衡

基于以上假設，將體積控制在圖2中的紅色虛線框區域.質量平衡方程可以寫為

式中：min，ore和min，e分別為菱鎂礦原料和電極的質量，kg；min，air為空氣的質量，kg；mout，pro和mout，ex-pro分別為出爐電熔鎂砂（皮砂）的質量和附屬產物的質量，kg；mout，gas為產生煙氣的質量，kg.

3.2 能量平衡

變壓器額定輸入的電能是電弧爐的主要能量來源.此外，能量收入項還包括電極燃燒熱，電極成分為石墨，其熱值為30 000 kJ／kg.在本研究中，空氣的成分（體積分數）為N2（77.48%），O2（20.59%），H2O（19%）和CO2（0.3%）.能量支出項則主要考慮MgCO3的分解吸熱量、MgO，CaO，SiO2及其他物料吸熱量、爐表面散熱量、煙氣帶走熱量、未熔礦石預熱量和電系統能量損失這六項，忽略爐口熱輻射和肌膚效應帶來的熱量損失.能量平衡可以表示為

式中：Ein，VA和Ein，e分別為電能和電極燃燒熱量，GJ；Eout，MgCO3為MgCO3分解吸熱量，GJ；Eout，MgO＋ex為MgO，CaO，SiO2及其他物料吸熱量，GJ；Eout，surf為爐表面散熱量，GJ；Eout，gas為煙氣帶走熱量，GJ；Eout，pre為未熔礦石預熱量，GJ；Eout，elec-loss為電系統能量損失，GJ.

表2 質量平衡Table 2 Mass balance

結晶器外表面的熱損失是能量損失的重要部分，主要以對流換熱和熱輻射的方式散失熱量.在冶煉9 h過程中，結晶器外表面的能量損失如表3所列.電熔鎂坨在廠房中自然冷卻6～7天，可分為3個階段（1～2天，3～4天，5～6天），采用熱成像儀每半小時測量一次表面溫度，并對高溫區域、中溫區域及低溫區域的溫度范圍進行平均處理，得到相應部分的平均溫度，再根據式（7）～（8）對整體的能量損失情況進行計算.

表3 結晶器外表面各階段溫度及能量損失Table 3 Energy loss and temperature at each stage of the outer surface of the equipment

式（7）～（8）中：Qf為對流換熱量，Qε為輻射換熱量，W；A為結晶器表面積，m2；h為對流換熱系數，單位為W／（m2·℃）；ε為結晶器發射率；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數，其值為5.67×10-8W／（m2·K4）；tw，tf分別表示結晶器表面溫度和環境溫度，℃；Tw，Tf分別表示結晶器表面溫度和環境溫度，K；其他熱物性參數見文獻［13］.

將MgCO3分解的熱量、電熔鎂砂吸熱量和礦石分解前加熱量作為電熔鎂爐的有效熱支出，能量平衡結果見表4～6，電系統能量損失的計算見文獻［14-15］.

表4 能量收入Table 4 Energy total income

表5 有效能量支出Table 5 Effective energy expenditure

表6 無效能量支出Table 6 Ineffective energy expenditure

3.3 理論單耗與實際熱能單耗

圖3示出了利用菱鎂礦生產電熔鎂砂的化學變化過程.實際反應沿實線箭頭所示的途徑進行，但是由于只能查到MgCO3的標準生成焓HΘ298，故認為反應沿虛線箭頭所示途徑進行.根據蓋斯定律可知，兩種途徑的熱效應相等.

圖3 利用菱鎂礦生產電熔鎂砂的化學變化過程Fig.3 Chemical change process of fused magnesia produced by magnesite

根據反應（1）～（3）及有關熱化學數據，可計算出理論熱能單耗［12］，結果如表7所列.

表7 電熔鎂砂生產所需要的熱量Table 7 Heat for production of fused magnesia

主要的計算過程如下：

（1）MgCO3分解吸熱量Q1由各物質的標準摩爾生成焓求得.MgCO3，MgO，CO2的焓值分別為-1 112，-601，-394 kJ／mol.因此，可計算Q1＝ΔH＝（-601）＋（-394）-（-1 112）＝117 kJ／mol.

（2）加熱CO2熱量Q2可由式（9）計算.

式中：cp為CO2的摩爾定壓比熱容，J／（kg·K）.

（3）為了簡化問題，認為加熱到熔點和過熱到3 053 K的比熱相同，可將兩個階段合并來計算加熱MgO的熱量Q3.

（4）完成全過程的熱量Q4為

（5）理論熱能單耗ηth為

（6）根據質能平衡結果，可計算出實際熱能單耗為

式中：ηrea，1為產品中不含皮砂只有MgO結晶時的熱能單耗，kW·h／t；ηrea，2為產品中含有皮砂時的熱能單耗，kW·h／t.

3.4 能量效率

將能量效率定義為有效熱支出與電能和電極燃燒熱總和的比值：

式中：ηen表示能量效率，%；Eout，MgO表示電熔鎂砂的吸熱量，GJ.

4 結果與討論

圖4為電熔鎂爐能流圖.從圖中可看出，以菱鎂礦為原料熔煉電熔鎂砂時，有效熱支出占熱支出總量的40.2%，MgCO3分解吸熱量占23.9%.其他部分能量在生產過程中損耗掉.

圖4 電熔鎂流程能流圖Fig.4 Energy flow diagram of fused magnesium process

爐表面熱損失占熱支出總量的24.5%.爐表面熱損失主要輻射到廠房內，進而消散在大氣中，將造成嚴重的熱污染與熱浪費.

煙氣帶走的熱量占熱支出總量的25.1%.煙氣中含有大量的灰塵，灰塵的成分大部分是菱鎂礦粉.煙氣的排放將熱量及灰塵帶到大氣中，不僅會造成能源和資源的浪費，還會污染環境.

皮砂及其他產物的吸熱量占熱支出總量的5.8%.皮砂作為一種低純度的電熔鎂砂，其產量越高，說明冶煉工藝過程中雜質去除得越不徹底.

電系統能量損失主要包括變壓器損耗和短網損耗.由于冶煉負載的不穩定，電系統無法持續在最高效率曲線附近工作，從而產生一定量的電損耗，這將直接影響到耗電量的多少.

5 結論

（1）電熔鎂電弧爐的能量效率為40.2%，表明高耗能的電熔鎂爐具有相當大的節能潛力.

（2）質量平衡結果表明，約15%的菱鎂礦分解為氧化鎂粉隨煙氣逃逸，主要原因是被測電熔鎂爐為敞口生產.該部分的質量損失會導致巨大的資源浪費，急需開發有效的質量回收裝置.

（3）在生產過程中，存在著多處較大的熱損失途徑，包括氣體逃逸熱損失、冶煉過程凝固熱損失和成坨過程凝固熱損失.這3部分熱損失約占總供電量的50%，因此可通過適當的余熱回收來提升電熔鎂爐的能量效率.

（4）皮砂產量占單爐總產量的1／3，產品的低純度與低致密性同樣會導致電熔鎂爐能量效率較低.因此，應充分發揮資源優勢，提升冶煉產品的品質，達到提高電熔鎂爐能效的目的.