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冶金百科 | 镁冶金科技进步

2023-05-23 10:32:26 来源:中冶有色技术网
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简介:我国镁工业从没有间断过工艺提升、技术创新的步伐。2004年技术改进前绝大多数镁冶炼厂全部以直接燃煤作能源,当时的数据表明,还原炉烟气温度1000~1100℃,出窑温度达850℃以上,废气带走的热量和设备散失的热量占热收入的65%以上,燃料消耗高、能源利用率低,同时排放大量SO、CO、NO等有害气体。粗放式的生产经营,低效高耗是当时镁产业的主要技术特点。2004年后,以采用清洁能源(气体燃料)和引进蓄热式高温空气的燃烧技术改造和提升装备水平得到应用。
镁冶金科技进步

我国镁工业从没有间断过工艺提升、技术创新的步伐。2004年技术改进前绝大多数镁冶炼厂全部以直接燃煤作能源,当时的数据表明,还原炉烟气温度1000~1100℃,出窑温度达850℃以上,废气带走的热量和设备散失的热量占热收入的65%以上,燃料消耗高、能源利用率低,同时排放大量SO2、CO2、NOx等有害气体。粗放式的生产经营,低效高耗是当时镁产业的主要技术特点。2004年后,以采用清洁能源(气体燃料)和引进蓄热式高温空气的燃烧技术改造和提升装备水平得到应用。

我国镁工业经历了长达十多年的高速发展,已成为世界上最大原镁生产国,废物排放量也随之在增加。为了减少污染,近年来开发应用了多项清洁生产和污染治理方面的节能减排技术,如节能环保型白云石煅烧炉窑技术、带有蓄热式高温空气燃烧技术的新型结构还原炉、采用连续蓄热燃烧技术的粗镁精炼和镁合金冶炼、硅热法炼镁中关键节能装备、开发应用了粗镁(废镁)无熔剂连续复合精炼技术。实现热的高效回收并减少硅铁消耗。拟开发的多热源—内热式——电热法炼镁技术有望解决我国目前传统皮江法工艺诸多缺陷,将从根本上提升我国金属镁冶炼行业的技术水平。热法炼镁节能技术的推广应用使中国镁冶炼企业已经把热法炼镁过程的煤耗从2001年的11t/t降低到4.6t/t左右,相应地,CO2排放也降低了60%。十多年来,热法炼镁技术的白云石、硅铁的消耗量明显降低,与2001 年相比,目前硅热法炼镁技术中白云石和硅铁的单位消耗均减少了约13%,镁的回收率相应提高,减少了固废的排放量。物料消耗的降低也间接地降低了能耗。“十二五”期间,如果在镁冶炼行业,蓄热式高温空气燃烧技术的普及率能够达到100%,新型竖罐炼镁技术普及率能够达到60%左右,那么国内镁冶炼行业每年就可以减少二氧化碳排放约750万t。

(1)调整了能源结构,全面采用了清洁能源

在我国早期的皮江法炼镁工艺过程中,所采用的能源基本上都是燃煤,造成能源利用率低下,二氧化碳排放量增多,对环境的污染严重。近年来,我国炼镁企业对能源结构进行了大规模的改造升级,把燃煤转化为清洁能源,如:焦炉煤气、发生炉煤气、半焦煤气和天然气等。目前我国几乎全部镁冶炼企业都已转化成清洁能源,采用焦炉煤气的有10家,采用天然气的有5家,采用发生炉煤气的13家,采用半焦炉煤气的有46家。采用清洁能源后,炼镁企业因便于应用蓄热式高温空气燃烧技术进行节能改造,炼镁生产能耗大幅度下降。企业采用二段式

煤气发生炉冷净煤气系统是煤炭清洁燃烧技术,且含酚废水回收综合利用,经过脱硫净化和深度除尘、除焦油,可吸入颗粒物含量低于50mg/m³(标),硫含量低于150mg/m³(标),尾气排放达到国家环保排放标准后,送到还原炉的煤气是洁净的,实现从能源的源头到煤制气有效治理污染物。

(2)开发应用了节能环保型白云石煅烧炉窑技术

白云石煅烧设备有竖窑、回转窑、隧道窑和沸腾炉等多种窑炉。竖窑煅烧白云石技术应用的时间最早,但竖窑煅烧煅白的能耗高达350kgce/t煅白,因而已基本被淘汰。目前我国采用回转窑技术煅烧白云石最为广泛。所开发的带竖式预热器的回转窑,其能耗降低到185kgce/t煅白,仅为竖窑煅烧能耗的一半。图4-9所示为用于煅烧煅白的带竖式预热器的节能回转窑。


带竖式预热器的节能回转窑

图4-9所示为用于煅烧煅白的带竖式预热器的节能回转窑


在窑尾加装的竖式预热器可充分利用回转窑排放的高温尾气中的热能,用于加热入窑的白云石,使之温度升到850℃左右,而排放出的尾气温度降低到200℃以下。在窑头加装竖式冷却器代替原有的冷却筒,减少了煅白本身的热损失,使二次风的温度提高到600℃左右后人窑,降低了能耗。还可采用专用的余热锅炉回收烟气余热用于产出蒸汽,补充生产过程中的蒸汽需求。采用专用的烧嘴和自动化控制系统,使得低热值燃气的利用和稳定燃烧成为可能,保证了回转窑煅烧的高效率和低能耗。由于采用了这一系列的节能减排措施,白云石煅烧工序实现了大幅度的节能减排。

(3)开发应用了带有蓄热式高温空气燃烧技术的新型结构还原炉

在热法镁生产过程中,还原工序所需要的热量占整个热法镁所需热量的65%以上。近年来我国镁行业还原炉普遍采用蓄热式高温空气燃烧技术以节能,并实现还原工序的大型化和规模化。

煅白还原是炼镁企业的核心工序,所用的还原炉是实施煅白在高温下还原的关键装备。通过采用复合炉衬结构和网桥炉衬墙保证了炉体在高温下的强度和稳定性。强化炉衬的保温性能,减少了还原炉的热损失。通过还原罐所用材料性能的改进以及罐体结构的优化,大大增加了还原炉的产能,降低了还原工序的单位能耗。蓄热式燃烧技术(HTAC技术)即高温空气燃烧技术,通过蓄热体极限回收烟气余热并将助燃空气预热到1000℃以上,且不存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区,见图4-10。


带蓄热式燃烧技术的还原炉


带有蓄热式燃烧技术的还原炉(见图4-11)的优点:①可最大限度地回收高温烟气中的余热,使烟气排放温度从1200℃降低到150℃左右,回收烟气中80%以上的余热,用于预热助燃空气或气体燃料,节能率达到30%~70%,使还原能耗降低到约3 tce以下;②使温室气体CO2的排放量降低30%~70%,烟气中NO2 的含量降低40%以上;③可使炉内温度分布更为均匀并易于控制,还原罐氧化烧损明显减少,使用寿命延长了3个月,大大提高了使用寿命;④大幅度提高了窑炉产量,降低了设备造价,由于炉膛内温度升高,加强了炉内的传热,同时加大了罐体,因此相对可减小炉膛尺寸,减少炉体散热及工程造价;⑤带有蓄热式高温空气燃烧技术的新型结构还原炉可采用热值很低的燃料并高效燃烧,拓展了清洁能源的使用范围;⑥提高了系统自动化程度,工人操作环境得到了明显改善。

(4)采用了连续蓄热燃烧技术的粗镁精炼和镁合金冶炼

我国热法炼镁企业已普遍采用连续蓄热燃烧技术的粗镁精炼和镁合金冶炼。将粗镁精炼和镁合金冶炼过程的间断蓄热改为连续蓄热,该技术工作时,排烟和鼓风同时进行,高温烟气以对流及辐射形式将热能传递给蓄热体,而蓄热体中的热量又随后被传递给助燃空气,从而实现热量的高效回收。


我要煤气/空气双蓄式燃烧技术示意图


连续蓄热式粗镁精炼或镁合金冶炼技术具有如下优点:①所采用的蓄热材料的换热效率和换热速率高,因而可实现烟气余热的高回收率,因而窑炉热效率大幅度提高;②装置可连续运行,设备紧凑,系统简单,炉压稳定,流场和温度场无频繁波动,为低氧燃烧打下了良好基础;③运行和维护成本低,陶瓷预热部件耐高温、耐腐蚀、抗氧化、比表面积大,且无频繁运动和调节,无急冷急热,维护工作量小,寿命长,利于地下烟道的安装,运行成本也低。连续蓄热燃烧技术应用于镁精炼和镁合金冶炼后,可实现整个生产过程的自动控制,保证产品质量的稳定性,降低生产成本,节能减排效果显著。

(5)研制开发了硅热法炼镁中关键节能装备

我国镁冶炼工业开发应用了一批关键节能装备,为实现镁冶炼清洁生产和节能减排提供了重要保证。

①先进的自控技术:随着镁冶炼清洁燃料的广泛应用,主体生产设备的大型化、节能化和连续化,设置自动控制系统已成为确保生产运行稳定正常的必要因素。要实现蓄热式余热回收利用,就必须对高温气体的温度、流量、换向阀快速切换等进行有效的控制和调节;设备的大型化和连续化也需要高效控制系统的保证;清洁燃料能源的应用为高效控制系统的应用提供了重要条件。

目前我国的大型镁冶炼企业已经推广应用了大型节能的回转窑煅烧、罐式还原炉以及粗镁精炼等三大系统的自动控制技术,保证了各个主要生产系统的稳定运行,实现了安全、节能和环保的生产操作,确保了节能减排目标的逐步落实

②机电一体化的炉料运输、装布料和排渣系统:采用先进的液压伺服系统大倾角链辊式输送机以及控制溜槽旋转倾角等方法,实现了还原罐系统物料

运输和布料的机械化作业;开发的机械化排渣机可承担机械化排渣的操作。通过这些设备的研制开发,使还原炉系统的操作方便自如,精确可控,大大减轻了操作工人的劳动强度,更重要的是确保了生产过程的精细化和高效化,改善了生产环境。

③大生产能力的压球机:压球是煅白还原之前的重要工序,是保证还原工序正常运行的关键条件。新设计开发的压球机不仅大大提高了压球工序的产能,而且越来越节能和生产出高质量的压球。

(6)开发应用了粗镁(废镁)无熔剂连续复合精炼技术

传统的粗镁精炼和废镁重熔及合金化都采用氯盐熔剂法。氯盐熔剂法可为熔池提供阻燃保护,使用简单,易于操作,且投资少。但会带来残留熔剂降低镁锭的纯度和耐腐蚀性,造成环境的严重污染,甚至腐蚀厂房和设备。为解决氯盐熔剂法存在的缺陷,国家镁合金材料工程技术研究中心和重庆硕龙科技有限公司联合开发了无熔剂连续复合精炼技术。该技术以新开发的绿色保护性气体SL-1代替原有的保护性气体SF。,并保持了保护性气体的易用性和保护效果,用量减少20%,温室气体效应降低90%,使用成本降低30%。同时该技术还保持了连续复合精炼法的优点,形成了完整的无熔剂连续复合精炼技术。

(7)开发应用了镁冶炼的清洁生产技术

镁冶炼清洁生产技术的主要目的是通过优化生产过程,减少有害烟气及固体废弃物的排放。最重要的清洁生产技术是镁冶炼节能,采用清洁能源及先进节能的高效窑炉,提高燃料的热效率,减少烟气的排放量。热法炼镁的烟气外排之前应充分回收其中的热能,并进行适当的净化。镁精炼过程应采用先进的覆盖保护剂,减少精炼过程的烟气排放。提高煅白的质量,进行精确配料、严格控制还原工艺条件,提高还原回收率,从而降低还原渣的产生量,减少固体废弃物的排放量。

(8)镁冶炼产业的减排与还原渣的综合利用

硅热法炼镁中的CO2废气排放分为工艺直接排放和间接排放(全过程电消耗排放)。工艺直接排放包括:白云石煅烧分解排放CO2;煅烧、还原和精炼过程消耗燃气和燃料产生的CO2。间接排放包括电能消耗折合的CO2,排放。由于近年来我国镁冶炼行业大力推行节能减排关键技术装备,大规模应用清洁能源,因此CO2的排放量也随之大幅度下降。随着镁冶炼节能技术的进一步开发应用,燃料消耗的降低,CO2排放量还将进一步下降。

硅热法炼镁的还原渣数量大,是该技术生产出的主要固体废弃物。热法炼镁废渣的主要矿物组成是硅酸二钙,而且不含水。硅酸二钙是水泥中最重要的成分。因此镁冶炼固废还原渣可作为水泥工业的添加剂得到利用,关键是需要控制其中的镁、铁和铝的含量。这一方面应提高热法炼镁过程的配料精确性,控制好镁还原率,同时还原渣应尽快运出处理。总之,尽快实现还原渣的全部综合利用是硅热法炼镁技术急需解决的重大研究课题。


镁冶金科技进步发展方向


(1)进一步优化热法炼镁工艺装备

热法炼镁的核心还原炉能耗占炼镁总能耗的70%,因此还原炉节能是关键。主要研究开发新型还原炉的结构,延长燃烧火焰在炉内行程,提高热交换效率;采用高温空气燃烧技术,改进换热器结构,回收高温烟气预热助燃空气;改进炉墙保温层结构,减少表面散热损失。提高热效率,实现高效、节能、环保,将还原周期缩短到8~10h,提高生产效率20%~30%,降低能耗30%,提高劳动生产率50%。进一步优化白云石煅烧技术、精炼技术、开发废渣的综合利用技术。

(2)进一步开发应用高效节能的炉窑技术

开发应用高效节能的白云石煅烧炉窑技术装备,应用各种余热利用装置,促使高温烟气和煅白中的余热达到充分利用,同时减少煅烧过程中回转窑筒体的散热,从而降低煅烧能耗。在未来的5~10年内,我国硅热法炼镁煅烧工段的平均能耗再降低60kgce/t煅白,达到130kgce/t煅白,使煅烧工段的吨镁能耗降低0. 33 tce。开发更加合理先进的还原炉结构,如新型竖式还原炉等,进一步降低还原能耗。竖式还原炉技术与传统的卧式还原炉技术不同,它将还原罐竖向配置,上部加料,底部出渣,同时采用清洁能源与蓄热式高温空气燃烧技术。与传统的卧式还原炉相比,该技术装料和出渣方便快捷,可减少60%的劳动用工,也可提高还原炉的利用效率,升温速度提高3倍,还原周期缩短到8~10h,还原罐寿命还可以得到提高,并明显改善作业环境。通过开发应用这些更加先进的还原炉技术装备,还原工段能耗预计可再节约0.9 tce/t Mg,使得吨镁还原能耗低于2.1 t。

(3)广泛应用自动机械加料和自动出渣装备

广泛应用自动机械化加料和自动出渣装备,缩短还原周期,降低劳动强度,提高生产效率,是硅热法炼镁实现节能降耗及减排的重要途径。对于传统的卧式还原炉技术,加料和出渣都是劳动强度大、环境较为恶劣的操作步骤。开发快速省力的机械化和自动化加料和出渣装置势在必行。目前硅热法炼镁行业的工程技术人员已经提出气动出渣机的设计新思路,研制完成了原理样机的冷态和热态试验,即将进入工业试验阶段。在此基础上,全自动化硅热法炼镁真空还原成套设备即可得到开发应用。对于未来可能应用成功的竖式还原炉技术,加料和出渣的自动化和机械化技术更加易于开发和应用,首先是自动化布料较为简单,出料也易实施控制和调整,因此竖式还原炉技术具有更多的比较优势,可以实现还原始操作的机械化和自动化。

(4)进一步开发应用各种余热利用技术

除了推广应用煅白煅烧和还原炉余热回收利用技术外,还应开发镁冶炼高温还原渣的余热回收利用的技术装备,因为白云石硅热法炼镁技术所产生的镁渣温度高、数量大,余热量也较大。镁渣余热利用的主要技术思路是采用水介质冷却镁渣,再充分利用热水中的余热。从镁渣中能回收相当于25kgce/t渣的热量,可实现节能0.14 tce/t Mg。

(5)精炼设备实现大型化和连续化

我国原镁的精炼设备系统较为落后,需要开发应用大型化和连续化的精炼设备,以提高精炼产能和自动化程度。需要开发应用的关键技术有开发应用大型化、连续化粗镁精炼装备、采用无熔剂复合节能精炼技术。由于目前我国已出现一批规模大、产能高的热法炼镁企业,实现大型化、连续化精炼技术的推广应用已完全具有可行性。

(6)更为高效节能的新型热法还原炼镁技术

对目前传统的硅热法还原炼镁技术进行整体优化,需要研究新的添加剂和生产工艺制度和参数,进一步提高还原反应速度和提取率,降低还原镁渣量;还可尝试其他种类镁矿物的硅热法炼镁技术。开发利用其他种类的还原剂进行热法炼镁,如利用碳类还原剂代替硅铁还原剂,高温下进行热法还原生产金属镁的技术等,以此探索开发新型的热法炼镁技术。目标是开发应用新型热法炼镁技术,实现节能降耗和减排,降低热法炼镁的成本,使之形成核心竞争力。

基于“十一五”国家科技支撑计划,由中国有色金属工业协会负责组织实施“镁冶炼及镁合金制备过程节能减排关键技术开发”重点项目,针对镁产业能源消耗高和环境污染较重的关键环节,开展了节能减排技术研究与集成创新,形成了具有自主知识产权的新型竖罐还原、低级镁废料真空蒸馏回收、粗镁精炼直接合金化及利用镁渣生产水泥等新工艺技术和替代六氟化硫的新型保护气体引用技术;实现了生产总燃料消耗由8~10 tce/t Mg降低至3.7 tce/t Mg,烟气排放减少50%以上;粗镁精炼直接合金化新工艺使金属镁回收率由93.6%提高至98%;吨水泥镁渣综合利用量>300kg,镁渣添加比例达到32%;建成了3万t/a新型硅热法炼镁、3万t/a镁合金清洁回收再生、3万t/a镁合金短流程制备及日产2500 t镁渣水泥熟料等示范生产线。
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