基于质能平衡分析的电熔镁炉能效评估

王 鑫，姜天驰，张卫军，罗维坤

（1.东北大学 冶金学院，沈阳 110819；2.海城镁矿集团有限公司，辽宁 海城 114207）

氧化镁作为电熔镁砂的主要成分，具有纯度高（质量分数97%）、熔点高（2 825℃）、结晶粒大、结构致密、抗渣性强及化学性能稳定等特点.它是一种优良的高温电气绝缘材料，在冶金、建材、石化、水泥、国防等领域常用于制作高档镁砖、镁碳砖及不定形耐火材料［1-2］.目前，我国是全球最大的电熔镁砂生产国和供应国.镁砂制造业是传统的排碳大户，菱镁矿中每分解出1 kg氧化镁就要释放出1.1 kg的二氧化碳.在制造电熔镁砂的过程中，存在着能耗高、污染高、品位低等问题，传统冶炼方式的用电量更是惊人［3-4］，这些已成为制约电熔镁产业发展的瓶颈.

近年来，众多学者对电熔镁炉进行了大量的研究.柴天佑团队［5-7］设计了一种电熔镁炉智能控制系统，对电熔镁炉进行了智能优化；接着提出了一种电熔镁炉专用的嵌入式控制器软硬件设计方案，该方案满足了电熔镁熔炼过程对电极电流的控制要求；此外，还建立了电熔镁砂产品单吨能耗的混合预报模型，用于预测电熔镁砂熔炼过程中单位产量的电能消耗.佟玉鹏等［8］建立了熔池功率场数学模型，并通过优化操作方法、合理布料和改变熔池形状，提高了成品生产率和质量合格率.Chai等［9］提出了一种由电流设定点控制、电流切换控制和自优化整定机制组成的最优运行控制算法，该算法解决了在线测量能耗和精确建模动态ECPT的难题.Fu等［10］使用线性预测编码和主成分分析算法，开发了熔炼识别系统，该系统可用于区分熔池中不同的熔融状态.

上述研究主要集中在电熔镁炉的优化控制方面，而关于电熔镁炉的质量与能量平衡方面的研究相对较少.因此，基于典型电熔镁炉的质量与能量平衡分析，本文中通过对电熔镁炉进行能效评估，确定生产过程中的高耗能环节与高原材料浪费环节，并针对这些环节进行节能改进，以期减少无用能量的支出与无效副产物的产生，提升电熔镁炉的整体能效.

1 生产原理与现场考察

1.1 一步法冶炼

目前，电熔镁砂生产工艺有一步法和两步法两种形式：一步法是以天然的菱镁矿石为原料，在电熔镁炉内直接进行冶炼，经过一系列物理化学变化后凝固得到电熔镁砂；两步法是把菱镁矿石在竖窑或回转窑内煅烧成轻烧粉，再以轻烧粉为原料在电熔镁炉内熔炼制得电熔镁砂.本文中采用一步法工艺生产电熔镁砂.

图1 一步法电熔镁生产工艺Fig.1 One step production process of fused magnesium

菱镁矿石的主要成分为MgO，同时还包含CaO，SiO2，Fe2O3和Al2O3等杂质.其化学成分、熔点、沸点及密度等物理性质见表1.

表1 原料的化学成分及物理性质Table1 Chemical composition and physical properties of raw materials

电熔镁砂的熔炼是一个极为复杂的过程，包含熔融、排析、提纯、结晶等阶段，其实质是MgO自身的纯化和致密化.在此过程中将发生以下物理化学反应［11］：

1.2 现场考察

该电熔镁炉来自辽宁省海城市海城镁矿集团电熔镁厂第一车间，其结构与原理见图2.电熔镁炉的生产原料为菱镁矿石，生产的电熔镁砂成品纯度高于96.5%［w（MgO）≥96.5%］.变压器容量为2 400 kVA，标定电流为10 000 A，电压为180 V.石墨电极的长度为2.3 m、直径为0.325 m、密度为2.281 g／cm3，三相电极呈等边三角形排布，电极边长距离0.4 m.该炉的炉壳由厚度为0.01 m的钢板加工而成，炉壳直径为2 m、高度为2.3 m，炉口向上敞开，炉心温度为2 900℃.

图2 电熔镁生产设备与流程示意Fig.2 Schematic diagram of electric melting magnesium production equipment and process

该厂生产制度为双班时生产，熔炼时间单班时9～10 h，消耗菱镁矿石（39±1）t，消耗电极652.83 kg，产生电熔镁砂成品（9±0.5）t.单炉每两班时产出成品电熔镁坨1个，周期作业，生成的电熔镁坨根据成分不同由内向外分别为电熔镁层、皮砂层、轻烧粉层、黄灰层（成分主要为质量分数70%的氧化镁，用于保护结晶器外壁）.

该电熔镁炉为三相交流电弧炉，冶炼工艺为埋弧冶炼.基本熔炼工艺过程如下：电熔镁炉启动之前，人工在炉内铺底料（主要成分为碳电极碎渣与起弧剂）；铺垫均匀后，将电极调整至适当位置通电起弧；起弧30～50 min后，熔炼进入稳定状态；待形成稳定电弧后，向电极根部附近不断进行加料，以预防喷炉现象，并且根据实际情况对电极进行提升.

在熔炼过程中，填充料被电弧直接熔化，在电极下端形成熔池，埋弧料则落入熔池分解熔化.随着物料的投入和熔化，熔池的高度持续上升.底部液态氧化镁因炉体散热降温而逐渐冷凝结晶，在熔池下形成熔坨.炉体内，由于靠近炉壳周边的黄灰不能被熔化，形成了隔热保温层，而熔炼过程中产生的烟气则经除尘器处理后排放.随着熔化时间的延长，熔池的高度持续上升，直至炉壳上口表面约0.5 m处，此时熔化过程结束，停止供电.在熔化过程中，需要随熔池高度的上升而不断提升电极.完成熔炼后，工人用台车将熔毕的晶坨连同炉体拉离工位，自然冷却12班时，再破碎、分级，最后包装成品.

2 基本假设

考虑到电熔镁炉的复杂性及不稳定性，对热力评估做了如下几个假设：①假定在整个研究期间，电弧炉处于稳定熔炼状态，各环境状态参数视作不变（温度、湿度、风速、大气压），但各工艺操作参数在熔炼过程中不断调整；②输入物质、输出物质的动能和势能变化忽略不计；③理想气体混合物的原理仅用于系统内部的气体；④环境状态的温度和压力设定为298 K和100 kPa.

3 计算

3.1 质量平衡

基于以上假设，将体积控制在图2中的红色虚线框区域.质量平衡方程可以写为

式中：min，ore和min，e分别为菱镁矿原料和电极的质量，kg；min，air为空气的质量，kg；mout，pro和mout，ex-pro分别为出炉电熔镁砂（皮砂）的质量和附属产物的质量，kg；mout，gas为产生烟气的质量，kg.

3.2 能量平衡

变压器额定输入的电能是电弧炉的主要能量来源.此外，能量收入项还包括电极燃烧热，电极成分为石墨，其热值为30 000 kJ／kg.在本研究中，空气的成分（体积分数）为N2（77.48%），O2（20.59%），H2O（19%）和CO2（0.3%）.能量支出项则主要考虑MgCO3的分解吸热量、MgO，CaO，SiO2及其他物料吸热量、炉表面散热量、烟气带走热量、未熔矿石预热量和电系统能量损失这六项，忽略炉口热辐射和肌肤效应带来的热量损失.能量平衡可以表示为

式中：Ein，VA和Ein，e分别为电能和电极燃烧热量，GJ；Eout，MgCO3为MgCO3分解吸热量，GJ；Eout，MgO＋ex为MgO，CaO，SiO2及其他物料吸热量，GJ；Eout，surf为炉表面散热量，GJ；Eout，gas为烟气带走热量，GJ；Eout，pre为未熔矿石预热量，GJ；Eout，elec-loss为电系统能量损失，GJ.

表2 质量平衡Table 2 Mass balance

结晶器外表面的热损失是能量损失的重要部分，主要以对流换热和热辐射的方式散失热量.在冶炼9 h过程中，结晶器外表面的能量损失如表3所列.电熔镁坨在厂房中自然冷却6～7天，可分为3个阶段（1～2天，3～4天，5～6天），采用热成像仪每半小时测量一次表面温度，并对高温区域、中温区域及低温区域的温度范围进行平均处理，得到相应部分的平均温度，再根据式（7）～（8）对整体的能量损失情况进行计算.

表3 结晶器外表面各阶段温度及能量损失Table 3 Energy loss and temperature at each stage of the outer surface of the equipment

式（7）～（8）中：Qf为对流换热量，Qε为辐射换热量，W；A为结晶器表面积，m2；h为对流换热系数，单位为W／（m2·℃）；ε为结晶器发射率；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，其值为5.67×10-8W／（m2·K4）；tw，tf分别表示结晶器表面温度和环境温度，℃；Tw，Tf分别表示结晶器表面温度和环境温度，K；其他热物性参数见文献［13］.

将MgCO3分解的热量、电熔镁砂吸热量和矿石分解前加热量作为电熔镁炉的有效热支出，能量平衡结果见表4～6，电系统能量损失的计算见文献［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 无效能量支出Table 6 Ineffective energy expenditure

3.3 理论单耗与实际热能单耗

图3示出了利用菱镁矿生产电熔镁砂的化学变化过程.实际反应沿实线箭头所示的途径进行，但是由于只能查到MgCO3的标准生成焓HΘ298，故认为反应沿虚线箭头所示途径进行.根据盖斯定律可知，两种途径的热效应相等.

图3 利用菱镁矿生产电熔镁砂的化学变化过程Fig.3 Chemical change process of fused magnesia produced by magnesite

根据反应（1）～（3）及有关热化学数据，可计算出理论热能单耗［12］，结果如表7所列.

表7 电熔镁砂生产所需要的热量Table 7 Heat for production of fused magnesia

主要的计算过程如下：

（1）MgCO3分解吸热量Q1由各物质的标准摩尔生成焓求得.MgCO3，MgO，CO2的焓值分别为-1 112，-601，-394 kJ／mol.因此，可计算Q1＝ΔH＝（-601）＋（-394）-（-1 112）＝117 kJ／mol.

（2）加热CO2热量Q2可由式（9）计算.

式中：cp为CO2的摩尔定压比热容，J／（kg·K）.

（3）为了简化问题，认为加热到熔点和过热到3 053 K的比热相同，可将两个阶段合并来计算加热MgO的热量Q3.

（4）完成全过程的热量Q4为

（5）理论热能单耗ηth为

（6）根据质能平衡结果，可计算出实际热能单耗为

式中：ηrea，1为产品中不含皮砂只有MgO结晶时的热能单耗，kW·h／t；ηrea，2为产品中含有皮砂时的热能单耗，kW·h／t.

3.4 能量效率

将能量效率定义为有效热支出与电能和电极燃烧热总和的比值：

式中：ηen表示能量效率，%；Eout，MgO表示电熔镁砂的吸热量，GJ.

4 结果与讨论

图4为电熔镁炉能流图.从图中可看出，以菱镁矿为原料熔炼电熔镁砂时，有效热支出占热支出总量的40.2%，MgCO3分解吸热量占23.9%.其他部分能量在生产过程中损耗掉.

图4 电熔镁流程能流图Fig.4 Energy flow diagram of fused magnesium process

炉表面热损失占热支出总量的24.5%.炉表面热损失主要辐射到厂房内，进而消散在大气中，将造成严重的热污染与热浪费.

烟气带走的热量占热支出总量的25.1%.烟气中含有大量的灰尘，灰尘的成分大部分是菱镁矿粉.烟气的排放将热量及灰尘带到大气中，不仅会造成能源和资源的浪费，还会污染环境.

皮砂及其他产物的吸热量占热支出总量的5.8%.皮砂作为一种低纯度的电熔镁砂，其产量越高，说明冶炼工艺过程中杂质去除得越不彻底.

电系统能量损失主要包括变压器损耗和短网损耗.由于冶炼负载的不稳定，电系统无法持续在最高效率曲线附近工作，从而产生一定量的电损耗，这将直接影响到耗电量的多少.

5 结论

（1）电熔镁电弧炉的能量效率为40.2%，表明高耗能的电熔镁炉具有相当大的节能潜力.

（2）质量平衡结果表明，约15%的菱镁矿分解为氧化镁粉随烟气逃逸，主要原因是被测电熔镁炉为敞口生产.该部分的质量损失会导致巨大的资源浪费，急需开发有效的质量回收装置.

（3）在生产过程中，存在着多处较大的热损失途径，包括气体逃逸热损失、冶炼过程凝固热损失和成坨过程凝固热损失.这3部分热损失约占总供电量的50%，因此可通过适当的余热回收来提升电熔镁炉的能量效率.

（4）皮砂产量占单炉总产量的1／3，产品的低纯度与低致密性同样会导致电熔镁炉能量效率较低.因此，应充分发挥资源优势，提升冶炼产品的品质，达到提高电熔镁炉能效的目的.