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硅热法炼镁的节能和清洁能源解决方案

2014-08-12    来源:中国节能网
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[ 导读 ]: 20世纪90年代中期以来,为适应全球可持续发展的要求,镁及镁合金的研发及应用进入高速增长期。在此期间,凭借资源、能源和成本优势,中国镁
 20世纪90年代中期以来,为适应全球可持续发展的要求,镁及镁合金的研发及应用进入高速增长期。在此期间,凭借资源、能源和成本优势,中国镁工 业发展强劲,迅速控制了全球原镁的供应。据海关统计,2003年中国镁产品出口量29.8万t,约占全球总发货量的66.6%。

  中国原镁产量的98%是经由硅热还原或称做Pidgeon Process的方法生产的,并被预测是未来中国最主要的金属镁生产方式。有关专家担心,如果不能保证高质量和相对稳定的原料供给,镁应用产业很可能出现 整体萎缩。因而,部署在中国各地镁厂的卧式皮江法还原装置,就是不能不受到人们的强烈关注。这种生产设施具有工艺路线简单,工艺参数较易调控的优点,然而 也具有还原过程传质传热差,热效率低的明显弱点,从而限制了皮江法镁厂的生产规模。

  1 皮江法炼镁的热化学

  皮江法炼镁的热还原反应是在卧式原罐中进行的,总反应的化学计量方程由(1)式给出:

  2MgO·2CaO+Si(Fe)→Ca2SiO4+2Mg+Fe (1)

  反应式(1)的自由能函数ΔG与温度T的关系由式(2)给出:

  ΔG=115600+11.74TlogT-100.38T (2)

  反应热ΔH与温度T的关系见(3)式:

  ΔH=115600-5.098T(3)

  由(2)式可知此还原反应的临界温度Tc。若使反应(1)正向进行,反应温度必须大于临界值Tc,温度越高,或提高反应速度越显著,反应(1) 就越能够进行到底。真实的还原过程是在真空下进行的,这样一来大大降低了临界温度Tc,并提供了镁蒸气的传输通道,但也降低了反应物料的热传递效率,并形 成皮江法生产中复杂及其特殊的真空热还原机理。

  2 试验装置简介

  本试验利用生产装置,试验内容与生产同步进行。还原反应装置由卧式还原罐、加热炉和真空系统组成。图1 是还原罐结构示意图,罐内填装原料,罐外加热。将煅烧后的白云石与一定比例的硅铁、萤石充分磨细混匀后压成球形,定量装入罐中,密闭罐口;同时启动真空排 气和还原炉加热,使罐内真空度达到13.3Pa调节不同反应温度和反应持续时间的条件下,由单罐产量考察还原反应的转化效率。能耗由生产统计报表分析得 出。

  图1 炼镁原罐结构及罐中原料和产物分布

  3 结果与讨论

  3.1 燃煤还原炉和燃气还原炉的比较

  我国镁产业体系的能源结构以煤为主,炼镁还原炉有两种炉型,分别以发生炉煤气和原煤作燃料。图2是一种燃气还原炉的结构简图,从环保角度考虑,专业设计院倾向于推荐这种炉型。

  图2 煤气燃烧还原炉

  但是近几年来,为了降低燃料费用和吨镁投资成本,各生产厂家不愿选用燃气炉型,以至于九成以上的新建还原炉均为直接燃煤的炉型,从而加剧了烟尘污染。这两种炉型的生产工艺参见下表。

  表1

  见表

  分析下表数据可知,两种还原炉各有优势,但燃气炉仍具有明显优势,这为后续开展的工艺技术改造奠定了基础。燃气还原炉的劣势是需要增加制气工段,常见的煤气发生炉用无烟煤制气,增大了吨镁成本。这就是本文要重点解决的问题。

  3.2 节能还原炉操作制度的改进

  还原工序是皮江法炼镁的重点耗能部位,据热平衡估算,有2个现象值得注意。一是还原炉加热所需的燃料消耗,约占炼镁生产过程燃料总消耗的 2/3;二是还原炉能耗中,用于加热原料球团和提供反应热的能量,仅分别占还原炉总能耗的3.66%和19.83%;而无效热损失却高达76.51%。现 有的皮江法工艺,间接加热还原罐内的球团原料,导致热量的有效利用率大幅下降,这是无法改变的工艺现状。关于取代传统皮江法落后工艺装备的方案,我们将另 文陈述。本文希望强调,还原工序节能的空间还很大,工程技术人员完全可以因势利导,有所作为。

  理论分析和实践表明,消除炼镁还原炉污染的最佳途径可包含两个要素:第一是节能,即通过降低吨镁燃料消耗来减少排放;第二是采用无污染清洁能源。镁厂可根据自身条件,选择施行。

  仔细分析上表中两类还原炉的性能特征,可知选用燃气炉作为皮江法还原工序的主体炉型,是实现清洁化节能方案的必要条件,在清洁化改造中将会被淘 汰。为了确定燃气炉生产过程的最佳工艺制度,本文分别考察了还原周期为6、7、8、9、10h条件下的单位炉和单罐产量。结果表明,在其它工艺规程被严格 遵守的生产条件下,这些还原时间有很大差别的还原过程,并不和产量构成正比关系。由于燃气炉准备工序耗时少,升温快,空烧时间短; 炉内温度均匀,易实现自动控制。这些优势可使燃气炉在8h周期内保持稳定生产。

  燃气还原炉实现8h生产周期对降低烟气排放有重要意义,这主要是通过降低能耗,减少无效运行时间来实现的。从常见的12h压缩至8h,即每天可以多产出一个班次,生产效率明显提高。

  3.3清洁燃料方案

  常见的清洁燃料是发生炉煤气和天然气。两者的成本或价格较贵,已不能为利润率较低的镁冶炼行业所接受。本文提供的实用方案见图3。该方案的特点是将硅热法炼镁和与其相关的焦化、硅铁冶炼组合到一起,炼镁燃料来自焦化的放空煤气。产品相互关联穿插,延伸了产业链。

  图2 清洁化生产总流程示意图

  利用焦炉煤气并采用图3所示的工艺流程,是当前镁冶炼实现重大技术革新的清洁化产业方案。在宁、晋建设的示范化工厂已取得良好的经济效益和技改经验。以年产1万t原镁为例,仅回收煤气一项,每年可节约煤炭7万t,减少燃煤费用2000万元;无烟气排放,对环境无害。

  另据中国有色金属报2004年4月15日报道,山西和陕西年产焦炭1.5亿t,副产焦炉煤气80%被放空,国内皮江法镁厂正在向富产焦炉煤气的地区转移集中。

  4 结语

  降低能耗、提高资源利用率是实现皮江法炼镁清洁化生产的重要措施。本文针对皮江法工艺现状提供了一套经实践证实的产业化联动方案、该方案的特点 是:一、通过节能降耗和缩短生产周期的方式降低热能和废气排放,使还原反应周期从12h缩短到8h;二、以改造后的燃气为还原炉为主体设备,回收废弃的焦 炉煤气作为清洁燃料,将炼镁、焦化、硅铁冶炼组成的一个具有交叉互补功能的产业链,提升了皮江法炼镁的工艺和装备水平。

 
 
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