基于床层传热的皮江法炼镁过程优化

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.04.009

摘要/Abstract

摘要：

球团在还原罐内传热导致的温度梯度是限制皮江法还原反应的关键因素.本文采用数值方法研究了球团尺寸、装料方式、还原罐外壁温度等因素对床层温度分布、还原率分布的影响.结果表明：在球团直径为22.3 mm、还原时间相同时能够获得最大的还原率；生产过程中应尽量提高还原罐外壁温度；床层中心区域温度低，还原反应速率慢，反应滞后；通过中心留空的方法能够有效缩短还原周期，提高原料利用率；以单位体积、单位时间镁的产量为依据，对于内径为270 mm的还原罐，当中心留空区域的直径小于27 mm时，可获得最大生产效率.

关键词: 镁, 皮江法, 真空硅热还原, 数值仿真, 传热

Abstract:

The temperature gradient in pellets bed caused by heat transfer is a key factor which limits the reduction reaction in the Pidgeon process. In this paper， the effects of some factors， such as pellet size， charging pattern， temperature of the outer wall of the retort on the temperature distribution and reduction ratio distribution in the bed are studied with numerical method. The results show that the maximum reduction rate can be obtained when the pellet diameter is 22.3 mm and the reduction time is the same. The temperature of the outer wall of the retort should be increased as much as possible in the production process. The closer to the central area of the bed， the lower is the temperature， and the lower is the reduction ratio， and reduction reaction lage.The method by making an empty central region can effectively shorten the reduction cycle and improve the utilization ratio of raw materials. The optimal size of the empty central region is less than 27 mm diameter based on Mg yield per unit volume and unit time by taking operation time and reduction time into consideration for the retort with inner diameter 270 mm.

Key words: Mg, Pidgeon process, vacuum silicothermic reduction, numerical simulation, heat transfer

中图分类号:

TF 822

傅大学, 狄跃忠, 王耀武. 基于床层传热的皮江法炼镁过程优化[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(4): 523-529.

Da-xue FU, Yue-zhong DI, Yao-wu WANG. Optimization of Mg Production by Pidgeon Process Based on Heat Transfer in the Bed[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(4): 523-529.

图/表 14

图1 皮江法的工艺流程

Fig.1 Flow chart of Pidgeon process

图2 工业还原罐及几何模型示意图（a）—工业还原罐；（b）—几何模型.

Fig.2 Industrial retort and schematic diagramof geometric model

表1 物理性质参数

Table 1 Physical parameters

相关参数	数值
球团密度ρ/（kg·m^-3）	2 100-420α
球团比定压热容c_p /（J·kg^-1·K^-1）	955.02+0.1T
球团导热系数λ_s/（W·m^-1·K^-1）	0.14+0.000 288T
反应（1）焓变ΔH/（J·mol^-1）	249 023.4-21.2T
球团中镁的初始浓度c/（mol·m^-3）	17 500

表2 反应速率方程及相关动力学参数[19]

Table 2 Reaction rate equations and related kinetic parameters

参数	时间/min
参数	≤15	≤12	≤10	≤8	>15	>12	>10	>8
温度/℃	1 050	1 100	1 150	1 200	1 050	1 100	1 150	1 200
动力学常数k/min^-1	0.025 13	0.051 74	0.079 42	0.110 55	9.98×10^-4	3.03×10^-3	5.32×10^-3	9.65×10^-3
还原反应速率/min^-1	$d α (t, T) d t = k (1 - α)$				$d α (t, T) d t = 3 k (1 - α) 2 / 3 2 [1 - (1 - α) 1 / 3]$

表2 反应速率方程及相关动力学参数[19]

Table 2 Reaction rate equations and related kinetic parameters

参数	时间/min
参数	≤15	≤12	≤10	≤8	>15	>12	>10	>8
温度/℃	1 050	1 100	1 150	1 200	1 050	1 100	1 150	1 200
动力学常数k/min^-1	0.025 13	0.051 74	0.079 42	0.110 55	9.98×10^-4	3.03×10^-3	5.32×10^-3	9.65×10^-3
还原反应速率/min^-1	$d α (t, T) d t = k (1 - α)$				$d α (t, T) d t = 3 k (1 - α) 2 / 3 2 [1 - (1 - α) 1 / 3]$

图3 计算结果与工业数据比较

Fig.3 Comparison between numerical results and industrial data

图4 球团直径对球团床层平均还原率的影响

Fig.4 Effect of pellet diameter on average reduction ratio in the pellets bed

图5 还原罐外壁温度对球团床层平均还原率的影响

Fig.5 Effect of retort outer wall temperature on average reduction ratio in the pellets bed

图6 还原罐在不同加热温度下内半径中点和还原罐中心点的温度与加热时间的关系（a）—内半径中点；（b）—还原罐中心点.

Fig.6 Relationship between temperature and heating time at inner radius midpoint and center point of the retort at different heating temperatures

图7 球团床层的温度分布（球团直径22.3 mm，还原罐加热温度T=1 473 K）

Fig.7 Temperature distribution in the pellets bed （pellet diameter 22.3 mm，heating temperature of retort T=1 473 K）

图8 球团床层的还原率分布（球团直径22.3 mm，还原罐加热温度T=1 473 K）

Fig.8 Reduction ratio distribution in the pellets bed （pellet diameter 22.3 mm，heating temperature of retort T=1 473 K）

图9 不同床层体积内还原率随还原时间的变化

Fig.9 Variation of reduction ratio with time in different bed volumes

图10 不同床层体积内镁的生产效率随还原时间的变化

Fig.10 Variation of Mg productivity with reduction time in different bed volumes

表3 不同床层体积的最大生产效率

Table 3 Maximum production efficiency of different bed volumes

体积	还原时间/h	还原率/%		最大生产效率
体积	还原时间/h	还原率/%		kg·m^-3·h^-1
V10⁺	2	73.53	5.42
V9⁺	2.69	71.88	16.47
V8⁺	2.94	66.29	23.72
V7⁺	3.32	65.23	28.39
V6⁺	3.74	65.00	31.91
V5⁺	4.09	64.74	34.23
V4⁺	4.36	64.61	35.73
V3⁺	4.55	64.59	36.51
V2⁺	4.68	64.45	37.15
V1⁺	4.72	64.45	37.14

图11 不同床层体积内镁的还原率与生产效率的关系

Fig.11 Relationship between Mg productivity and reduction ratio in different bed volumes

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