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藺德中 畢萬利 關(guān)巖 劉新 陳英 于艷敏

鞍山市華杰石灰工業(yè)設(shè)計研究有限公司 遼寧科技大學(xué)

摘要：通過對反射窯工作原理分析和使用現(xiàn)場調(diào)研，指出其被淘汰的依據(jù)。通過菱鎂礦在實驗室內(nèi)焙燒實驗，確定焙燒關(guān)鍵參數(shù)，并類比于輕燒白云石焙燒技術(shù)，提出初步建立輕燒氧化鎂新的工藝技術(shù)模型。

1 現(xiàn)有輕燒氧化鎂焙燒技術(shù)狀況簡述

輕燒氧化鎂是鎂質(zhì)耐火材料、鎂建材等行業(yè)重要原料，僅遼寧省2015年產(chǎn)量為380萬噸。其生產(chǎn)技術(shù)仍沿用上世紀(jì)30、40年代的反射窯為主，輔有少量的其它窯型。這種窯分布于海城市、營口市、丹東市的偏僻山區(qū)。由于其單機(jī)年產(chǎn)量不足一萬噸，一個年生產(chǎn)規(guī)模20萬噸的企業(yè)，需20~30臺反射窯，形成“窯群”現(xiàn)象，幾個生產(chǎn)廠集中的地區(qū)，往往是“漫山遍野”;也由于這種窯生產(chǎn)過程中揚塵點處于開放形式，造成大量的粉塵、廢氣排放空氣中，污染環(huán)境，方圓十幾公里籠罩于煙霧中(見圖1)，給附近居民生活帶來極大的負(fù)面影響。

 

圖1 某企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場

正是由于反射窯產(chǎn)生久遠(yuǎn)，技術(shù)水平落后，其產(chǎn)品質(zhì)量活性低、生過燒率高、質(zhì)量波動大、綜合能耗高;資源浪費驚人，為增強(qiáng)反射窯透氣性，要求入窯粒度50~300mm。<50mm粒度的高品質(zhì)菱鎂礦石被視為廢料，堆積如山，據(jù)初步統(tǒng)計，現(xiàn)存的這種小粒度高品質(zhì)菱鎂礦石有1000萬噸之多!如何將這些菱鎂礦石變廢為寶也是本次課題任務(wù)之一。

這些經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)與國外行業(yè)相比有跨世紀(jì)的差距，更滿足不了現(xiàn)代企業(yè)文明生產(chǎn)和“十三五”發(fā)展的需要。

2 反射窯焙燒工藝工作過程解析

物料流向：菱鎂礦石由單斗提升機(jī)輸送到窯頂料斗傾倒(揚塵濃度>10 g/Nm3)進(jìn)窯，靠重力自上而下運動，經(jīng)歷預(yù)熱、分解后通過篦縫隙落到出料口，由人工扒出(揚塵濃度>100 g/Nm3);

氣體流向：煤氣從窯外送入窯內(nèi)，與出料口進(jìn)來的冷空氣匯合燃燒后熱氣從篦縫隙向上進(jìn)入分解段、將預(yù)熱好的物料進(jìn)一步加熱到700~900 ℃使其分解，分解后產(chǎn)生的CO2和煤氣燃燒產(chǎn)生的氣體一起在向上流動，預(yù)熱上部的物料。通過熱交換后的300~400 ℃熱煙氣(含塵濃度>30 g/Nm3)從廢氣排放口排入大氣。整個過程完全靠廢氣排放口負(fù)壓，氣體由下向上流動。

整個生產(chǎn)過程完全是手工作坊式操作：窯內(nèi)焙燒溫度、氣體壓力等參數(shù)無檢測手段，熱工制度處于自然形成狀態(tài);上料、出料完全憑人工勞作，揚塵點沒有任何收塵措施，形成自然排放狀態(tài)。其結(jié)果是：產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、綜合熱耗高、環(huán)境惡劣、工人勞動強(qiáng)度大。

 

圖2 反射窯結(jié)構(gòu)

1、 料斗2、筒體3、廢氣排放口4、煤氣燃燒器(如果有的話)5、篦子6卸料口

3 升級工藝技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新點

通過上述解析，反射窯已不能滿足如今的工業(yè)現(xiàn)代化和環(huán)保需要，有必要研發(fā)一種符合現(xiàn)代工業(yè)文明發(fā)展的新技術(shù)新工藝。以下就是本課題組針對目前現(xiàn)狀和需求，在實驗室里通過從菱鎂礦的微觀結(jié)構(gòu)到焙燒菱鎂礦技術(shù)的研究，通過小試和采用成熟的焙燒白云石技術(shù)比較的方法初步建立的新的焙燒菱鎂礦工藝技術(shù)模型，形成本文以饗食讀者，請各位專家斧正。

3.1菱鎂礦分解的機(jī)理

菱鎂礦石中，MgCO3含量高達(dá)90 %以上，另外含少量CaCO3及其他微量雜質(zhì)。在高溫下焙燒，MgCO3和CaCO3分解為MgO和CaO，同時放出CO2氣體，該過程為吸熱過程。主要反應(yīng)方程式為：

MgCO3 = MgO+ CO2↑-121kJ

CaCO3 = CaO+ CO2↑-177.94kJ

菱鎂礦加熱至500 ℃即開始分解，其熱分解是發(fā)生于界面附近的離子擴(kuò)散反應(yīng)，屬于界面收縮機(jī)理，即縮殼機(jī)理，原礦晶粒外表面逐漸分解剝離，其中CO3-2-的擴(kuò)散為控制步驟。故礦石的完全分解溫度與礦石的粒度有關(guān)。在同一溫度下焙燒，礦石的粒度越大，完全分解需要的時間越長;同一粒度的礦石在不同溫度下焙燒時，溫度越高，完全分解需要的時間越短;一般工業(yè)生產(chǎn)中，焙燒溫度在900 ℃左右，礦石粒度為80-120 mm，在這個溫度和粒度范圍內(nèi)，最佳焙燒時間為37-50 min。

影響菱鎂礦焙燒過程的因素很多，主要有焙燒溫度、保溫時間、升溫速率和礦石粒度等。

菱鎂礦大約在500 ℃開始分解，900 ℃左右分解完成，500～600 ℃的失重最大，失重率達(dá)到了47.54 %，其是礦石中MgCO3分解所致;600～900℃的失重率只有3.796 %。這是由前面階段未分解完的MgCO3的繼續(xù)分解以及占礦石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小的CaCO3·MgCO3復(fù)鹽分解所致;900 ℃以后的礦石幾乎沒有失重?？梢哉J(rèn)為900 ℃以前菱鎂礦的分解全部完成。

950 ℃以后，焙燒溫度和保溫時間對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大。菱鎂礦在900 ℃左右完成分解，之后進(jìn)入MgO結(jié)構(gòu)調(diào)整期，隨著溫度的升高和保溫時間的延長，晶粒尺寸不斷增大，MgO結(jié)構(gòu)越來越致密，質(zhì)量(主要指活性)也越來越低。

菱鎂礦中存在的滑石、綠泥石等雜質(zhì)，其含量和晶體結(jié)構(gòu)等不同，亦影響著產(chǎn)品質(zhì)量。菱鎂礦焙燒過程中，MgCO3分解的同時,滑石和綠泥石也發(fā)生熱效應(yīng)，以分子水的形式釋放出結(jié)構(gòu)水并發(fā)生相轉(zhuǎn)變，并作為揮發(fā)分，一方面加速了擴(kuò)散介質(zhì)的遷移速度，一方面降低了擴(kuò)散介質(zhì)的結(jié)晶速度。此外，滑石和綠泥石在加熱條件下發(fā)生相變的同時，其中的SiO2并未釋放出與MgCO3分解出的MgO結(jié)合成新的化合物，而降低擴(kuò)散介質(zhì)MgO粒子的活化能。因而不同的菱鎂礦在相同的焙燒條件下，產(chǎn)品質(zhì)量亦不同。

3.2 菱鎂礦與白云石理化指標(biāo)比較

菱鎂礦與白云石同屬三方晶系，同類、同族礦物，晶體結(jié)構(gòu)類似，造成物理化學(xué)性質(zhì)非常接近。見下表1。

表1 菱鎂礦與白云石理化指標(biāo)比較

 

根據(jù)表1比較發(fā)現(xiàn)：菱鎂礦無論在化學(xué)成分、初始分解溫度、晶系等方面，與白云石高度相似，只有抗熱爆裂性能差異較大。為此，在研究、設(shè)計菱鎂礦焙燒工藝時，重點參考焙燒白云石的“列管預(yù)熱器+回轉(zhuǎn)窯+多點冷卻器”工藝技術(shù)，重點解決粉化后的氧化鎂粉冷卻技術(shù)問題。

根據(jù)菱鎂礦在焙燒的“慢燒急冷”工藝特性，和焙燒到680~800℃時粉化的特點，以及礦山現(xiàn)存1000多萬噸0~50mm廢棄菱鎂礦石的現(xiàn)狀和各行業(yè)對輕燒氧化鎂品質(zhì)需求差異的問題，我們研發(fā)出塊狀焙燒和粉狀焙燒(另文介紹)兩種工藝技術(shù)解決上述問題?，F(xiàn)就建立塊狀菱鎂礦新的焙燒工藝技術(shù)模型介紹如下：

3.2.1 塊狀菱鎂礦新的焙燒工藝設(shè)計技術(shù)

這個工藝技術(shù)適合于20-~60mm菱鎂礦石，是簡單的焙燒菱鎂礦和其分解過程，生產(chǎn)過程不涉及選礦、提純問題。

3.2.2 工藝過程簡述

這個焙燒工藝主要由列管預(yù)熱器(見圖3)、外部熱源供給裝置(圖3)、粉體物料流化床冷卻裝置(圖4)、(圖5)組成。

 

圖3 列管預(yù)熱器示意圖

 

圖4 粉狀MgO沸騰化冷卻過程示意圖

 

圖5 流化床冷卻裝置示意圖

20~60 mm菱鎂礦石進(jìn)入列管預(yù)熱器料倉，再由下料管喂料給預(yù)熱室進(jìn)行熱交換。物料有上靠重力向下移動，與由下向上的熱氣體進(jìn)行熱交換。物料被預(yù)熱3小時，被加熱到900~1000 ℃，MgCO3基本分解完畢;粉化后的MgO由粉體冷卻裝置冷卻至60℃+環(huán)境溫度;熱交換產(chǎn)生的熱風(fēng)100 %入外壁熱源裝置，助燃燃料燃燒;這個過程產(chǎn)生的熱煙氣加熱預(yù)熱室內(nèi)的冷物料;最后廢煙氣由袋式收塵器凈化并達(dá)標(biāo)后排入大氣。

3.2.3 創(chuàng)新點

1)這個工藝技術(shù)將原來的反射窯內(nèi)不可控制的預(yù)熱、焙燒過程分解為用PLC全程控制的預(yù)熱、分解、冷卻過程系統(tǒng);

2)反射窯沒有粉狀MgO冷卻裝置，這個工藝技術(shù)增加了針對粉狀MgO的冷卻和熱風(fēng)收集裝置;

3)預(yù)熱和分解的核心部分分成6~24個獨立的用PLC控制的進(jìn)料、出料;進(jìn)氣和排氣的預(yù)熱和分解單元。較反射窯使用的菱鎂礦石粒度50~300mm，降低到20~60mm。

4)生產(chǎn)過程大型化、自動化、清潔化;

3.2.4 預(yù)計技術(shù)效果

1)生產(chǎn)線全過程實現(xiàn)PLC控制，尤其是核心的預(yù)熱、分解、冷卻精準(zhǔn)控制，通過溫度、壓力、流量、產(chǎn)量等參數(shù)的精準(zhǔn)控制，產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提升、能耗大幅度降低至160 kgce/t-product以下，較反射窯減低，見表;

2)生產(chǎn)全過程粉塵、氣體排放有效控制，所有排放點均達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)清潔、文明生產(chǎn);

3)生產(chǎn)規(guī)模單機(jī)可達(dá)到1,000 t/d，是反射窯的33倍;

4)由于使用了20~60 mm的菱鎂礦石，菱鎂礦的利用率提高了15~25 %;

5)本工藝技術(shù)與反射窯的預(yù)期技術(shù)指標(biāo)比較

 

序號	參數(shù)名稱	研發(fā)升級技術(shù)指標(biāo)	反射窯技術(shù)指標(biāo)	備注
1	能耗	≤160 kgce/t-product	≤240 kgce/t-product
2	活性（檸檬法）	<60 s	100~300 s
3	產(chǎn)品灼減	≤1.0 %	≤10.0 %
4	菱鎂礦石利用率	80 %	60 %
5	最大產(chǎn)能	1,000 t/d/臺	30 t/d/臺
6	操作方式	負(fù)壓、鎖風(fēng)	正壓
7	粉塵排放濃度	<30 mg/Nm3	15,000~100,000 mg/Nm3

3.2.5技術(shù)成熟程度

在實驗室，課題組通過對菱鎂礦微觀結(jié)構(gòu)分析，并與化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)類似的白云石進(jìn)行抗熱爆裂性比較，發(fā)現(xiàn)其晶型結(jié)構(gòu)、晶體大小、化學(xué)結(jié)合力、熱焓等理化指標(biāo)極其相似，那么，我們就在生產(chǎn)輕燒白云石的成熟技術(shù)“列管預(yù)熱器+回轉(zhuǎn)窯+多點冷卻器”系統(tǒng)上進(jìn)行針對菱鎂礦焙燒特點研發(fā)，決定走預(yù)熱、分解、冷卻分別控制的技術(shù)路線，即“列管預(yù)熱器+熱源供給裝置+沸騰冷卻裝置”。

1)根據(jù)白云石和菱鎂礦都是塊狀物料，預(yù)熱方式就采用流化床技術(shù)，即選用專利設(shè)備-列管預(yù)熱器;

2)根據(jù)白云石與菱鎂礦微觀結(jié)構(gòu)類似的情況，和菱鎂礦分解溫度較白云石偏低260~300℃的情況，以及焙燒白云石豎窯的經(jīng)驗，決定選用能夠獨立控制進(jìn)出料、進(jìn)出氣的6~24個單元的列管式預(yù)熱器，確保菱鎂礦在每個單元內(nèi)完成預(yù)熱和分解。由進(jìn)列管預(yù)熱器的菱鎂礦到出來后的輕燒MgO，其轉(zhuǎn)化率為95%以上。

3)將回轉(zhuǎn)窯由熱源供給裝置取代，只供給熱量，不提供焙燒的功能。

4)所不同的是，白云石分解后只粉化一部分，而菱鎂礦分解后全部粉化。那么，在MgO粉體冷卻上采用沸騰流化床技術(shù)，即流化床粉體冷卻裝置。

5)列管預(yù)熱器和多點冷卻器在焙燒白云石中，是核心設(shè)備和技術(shù)，已成功用于60多條生產(chǎn)線，技術(shù)是成熟的。

通過針對性研究和設(shè)計，技術(shù)方案具備中試和生產(chǎn)試驗的條件。在試驗中修正本工藝技術(shù)方案，達(dá)到研發(fā)目標(biāo)是有把握的。

3.3 投資和收益分析

以年產(chǎn)30萬噸輕燒氧化鎂為例，反射窯和升級技術(shù)生產(chǎn)線投資和回報收益見下表：

 

4 結(jié)論

本項目技術(shù)主要應(yīng)用于取代現(xiàn)有的反射窯菱鎂礦焙燒工藝。2015年僅菱鎂礦焙燒輕燒氧化鎂(反射窯生產(chǎn)工藝)產(chǎn)量就達(dá)到了3800000 t/y;本項目研發(fā)成功后，建設(shè)12條1000 t/d生產(chǎn)線計，就可滿足市場需求。

本項目研發(fā)的產(chǎn)品，主要技術(shù)指標(biāo)(產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗、環(huán)保、菱鎂礦石利用率)達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)水平，與其他工藝相比，具有無可比擬的優(yōu)越性。推向市場后，可實現(xiàn)對現(xiàn)有菱鎂礦焙燒生產(chǎn)線的技術(shù)升級，實現(xiàn)菱鎂礦焙燒低耗能、低污染、高效益、高產(chǎn)能生產(chǎn)，以優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變增長模式;促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級;使菱鎂產(chǎn)業(yè)向著大型化、現(xiàn)代化方向發(fā)展，實現(xiàn)“由小變大、由大變強(qiáng)、由強(qiáng)變精”的可持續(xù)發(fā)展的“十三.五”戰(zhàn)略目標(biāo)。