硅热法炼镁的节能和清洁能源解决方案

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1、硅热法炼镁的节能和清洁能源解决方案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PidgeonProcess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

2、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）第4页共4页由（2）式可知此还原

3、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

4、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。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。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。分析下表数据可知，两种

5、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第4页共4页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

6、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、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清洁燃料方案第4页共4页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

8、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