钼粉二段还原过程能耗组成分析

弋社峰

(金堆城钼业股份有限公司金属分公司，陕西 西安 710077)

0 引 言

通常工业化生产钼粉采用二段还原法，现阶段国内钼粉二段还原的主要设备有：平四管炉、十八管炉，加热方式有电加热和天然气加热两种形式[1]。目前对于能源消耗的分析有铜精炼过程的模糊自适应变权重组合预测模型，钢铁行业定量分析模型，基于泛函分析的铜精炼重油消耗最优控制等[2-4]，但对于二段还原中钼粉还原能源组成却鲜有报道。国内外许多专家[5-8]在钼粉还原过程及理论方面指出了一段还原、二段还原的反应模型及还原动力学，阐述了还原过程中存在的物相变化等理论，因此本文将基于二段还原的反应模型及还原动力学，分析还原过程中的能源消耗。随着国家对企业节能降耗要求的日益严格，如何降低产品能耗变得越来越重要，弄清生产过程中能耗结构，做到心中有数，为下一步进行技术更新、设备改造、工艺优化提供方向，将变得越来越重要。下面以天然气加热的十八管炉还原设备为对象进行能耗分析，以求达到弄清能源消耗分布情况，为降低钼粉还原能耗提供借鉴。

1 试验方法

下面以某厂家钼粉二段还原为例，十八管炉还原过程中所需要的热量靠天然气燃烧来提供。整个二段还原生产过程中热量的消耗主要在以下几个方面：(1)反应过程所消耗的热量。(2)二氧化钼升温至反应温度所消耗的热量。(3)还原过程中料舟升温所消耗的热量。(4)反应气体氢气升温及过量反应气体带走的热量。(5)反应设备十八管炉炉体散热所损失的热量。(6)天然气燃烧过程中废气带走的热量。下面将结合反应对二段还原过程中以上几个方面的热消耗进行计算。

2 计算结果及分析

2.1 生产过程中的工艺参数

2.1.1 生产过程中十八管炉工艺参数(见表1)。

表1 二段还原部分参数

还原反应方程式如下式：

MoO2+2H2=Mo+2H2O

(1)

2.1.2 能耗计算中所需参数

根据表1、方程式(1)计算可得，生产1 t钼粉，还原所需的时间、二氧化钼的质量、氢气的体积、料舟的使用量、水蒸气的生成量。

(1)二氧化钼所需量

1 000×(128÷96)=1 333.33 kg

(2)料舟使用量

1 333.33÷1.4=953个

(3)生产用时

953÷72=13.23 h

(4)生产过程中氢气总用量

360×13.23=4 761.92 m3

(5)反应消耗氢气总量

2×22.4×106÷96=466.67m3

2.2 热量消耗计算

2.2.1各个部分热量消耗计算

2.2.1.1 反应所需热量

根据热效应与温度是状态函数的特点，图1将生产中的反应路径分以下几个步骤完成，以便计算出该工艺条件下反应的热效应。图1反映了钼粉二段还原过程中反应热效应[9]。

图1 钼粉二段还原过程中反应热效应

ΔH298 K=ΔfHMo+2ΔfHH2O-ΔfHMoO2-2ΔfHH2

=-73.3 kJ/mol

=11.32 kJ/mol

=69.98 kJ/mol

ΔHm1=2×41.11=82.22 kJ/mol

ΔHm=ΔH1+ΔH298 K+ΔH2+ΔHm1+ΔH3+ΔH4

在该生产条件下生产1 t钼粉反应共需热量为：

2.2.1.2 二氧化钼升至平均反应温度所需热量

二氧化钼在进入反应区前经过炉管的预热区，在预热区内，反应生成的高温水蒸气、过量的氢气在进入回收管道前，通过热交换将二氧化钼、料舟温度提升至300 ℃左右。

计算可得：

2.2.1.3 料舟升至炉温所需热量

根据计算得知，生产1 t钼粉出舟数为953个，生产中每个料舟的平均质量为3 kg，生产过程中这些料舟的热损失为:

2.2.1.4 过量反应气体带走的热量

根据前面计算可知，该工艺条件下生产1 t钼粉供氢总量为4 761.92 m3，减去反应消耗的氢气466.67 m3，过量反应气体带走热量为：

=29.22 kJ/mol

=5 603 MJ

2.2.1.5 炉体辐射损失的热量

根据该炉体的特征及燃烧废气排放路径[9]，本文只考虑进出料端炉壁的散热。

炉体表面温度t1=301 ℃、外界温度t2=25 ℃

炉壁长l=2.5 m 高d=3 m

查表得：

ρ=0.815 kg/m3Cp=1.017 kJ/(kg·℃)

λ=3.64×10-2W/(m·℃)

μ=24.5×10-6Pa·s计算得：

=6.84×10-4

=1.05×1011

Pr·Gr=7.19×107

根据上式查的

c=0.59 n=1/4

计算的流体常数

计算得传热系数

根据牛顿传热公式计算得

生产1 t钼粉炉体进出料端的辐射热损失为：

ΔH辐射热=2×1 637.46×13.23×3.6

=155.99 MJ

2.2.1.6 燃烧废气所带走的热量

根据对生产过程中天然气用量的统计，在该工艺条件下生产1 t钼粉二段还原实际消耗天然气503 m3。

CH4+2O2=CO2+2H2O

(2)

计算可得：

=42.77 kJ/mol

=31.75 kJ/mol

由方程2及空气中氧气含量计算可得，每生产1 t钼粉燃气燃烧所产生废气量见表2。

表2 废气组成情况

由以上数据计算可得：

ΔHCO2(g)=23 660.02×53.32=1 261.55 MJ

ΔHH2O(g)=44 909.16×42.77=1 920.76 MJ

ΔHN2(g)=178 006.34×31.75=5 651.7 MJ

计算可得燃烧废气所带走的热量为：

ΔH废气=8 834.01 MJ

2.2.2 反应过程中总能耗

ΔH总=ΔH反应+ΔHMoO2升温+ΔH料舟升温+ΔH过量反应气体+ΔH辐射热+ΔH废气=17 143 MJ

统计上面计算结果，得表3能耗组成情况分析。

表3 二段还原能耗组成情况

图2 能耗组成图

2.3 结果验证及降低能耗分析

根据实际西安市天然气热值约为35 MJ/m3计算，503 m3天然气热值为17 605 MJ，比实际消耗热量17 143 MJ多出462 MJ。原因可能是由于料舟的长期使用部分料舟粘附了一定量的钼粉，消耗了部分热量；炉管与炉体接触处密封不严导致热量散失；天然气配比未达到最佳导致燃烧不充分；点火器故障频发导致部分燃气浪费。

针对计算结果，未能利用的热量可以通过以下3个途径进行改善：

(1)燃烧废气带走了近52%的热量。可以通过测定废气中气体组分含量，指导调节燃气比例，提高天然气燃烧利用率；降低多余废气带走的热量，从而降低天然气消耗。

(2)通过设备管道改造，利用高温燃烧废气对混合燃烧气进行预热，降低燃气消耗；对反应用氢气进行预热，降低因加热氢气而消耗的热量，进而降低天然气消耗；保证点火器正常工作，减少天然气消耗。

(3)在满足产品质量的前提下，对生产工艺进行优化，尽量降低二段还原给氢量，降低天然气的消耗；定期对粘附的物料进行清理，可以降低部分天然气消耗。

3 结 论

钼粉二段还原过程中ELINO还原炉的天然气消耗各部分的占比情况是：反应过程消耗热量为8.07%，二氧化钼升温消耗的热量为3.38%，料舟升温所消耗热量为3.42%，过量反应气体带走的热量为32.68%，炉体散热带走的热量为0.92%，燃烧废气带走的热量为51.53%。