镁冶炼新型技术工艺--复式竖罐免精炼“两步法”

在近期召开的2015镁年会上，郑州大学材料科学与工程学院教授张少军作了“短流程绿色炼镁”的报告。创新性的提出了复式竖罐免精炼“两步法”镁冶炼新型技术工艺，介绍了开发并已投产的复式竖罐免精炼两步法绿色炼镁技术研发进展和成果，在年会上引起极大的关注。

 

张少军表示：“实际运行结果表明，该技术工艺是目前成本最低、能耗最低、产能最大、用工最少、用地最省、粗镁品质最好、还原时间最短、还原罐寿命最长、机械化程度最高、绿色程度最高、工艺流程最短的原镁冶炼技术，实现了镁冶炼工艺的一次显著技术进步。”

 

近10年来，国内原镁产量一直在70万~80万吨徘徊，全球原镁年产量也始终没有突破百万吨大关。一般认为，造成镁工业当前这种“前景广阔，发展缓慢”局面的主要原因，首先是原镁冶炼工业机械化、自动化、规模化水平低，并且冶炼工艺能耗高、原镁质量不稳定，制约镁行业大规模应用的普及。张少军认为，综合分析各种镁冶炼技术工艺的成本、能耗和绿色程度等因素，基于绿色化学12条原则和短流程、低成本指导思想，研究发现，竖罐外热式硅热法最具发展潜力，是开发新型镁冶炼技术工艺的主要研究方向。

 

郑州大学材料学院和宁夏三新镁业科技有限公司，联合西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室、开泰镁业有限公司等单位，共同组建的镁基技术与材料研发团队。目前已开发出成本比皮江法低20%、能耗比皮江法低40%、结晶镁纯度高于99.8%、车间内无烟尘的新型技术工艺——复式竖罐免精炼两步法短流程低成本绿色炼镁新型技术工艺，并研制出全套生产装备，已建成投产了年产1.25万吨的示范生产线。

 

由中国工程院、中国有色金属工业协会镁业分会、中国有色金属学会等单位专家组成的国家发改委“有色金属节能减排发展潜力”课题组认为，复式竖罐炼镁技术“是一项具有一定变革性进步意义的原镁冶炼技术研究成果”，“对我国镁产业的全面发展进步有着重要的现实意义”；该技术已被国家工信部列入“国家重大科技成果转化项目”，被国家发改委列入“国家重点节能技术推广目录”。

 

外热式硅热法(皮江法)炼镁基础理论滞后

 

外热式硅热法，简称外热法，通常用气体燃料加热。横罐外热法俗称皮江法，是目前世界上生产成本最低、应用最广的炼镁工艺，全球80%以上的原镁生产都采用皮江法工艺，而我国几乎100%。目前，皮江法炼镁的煅烧、还原、精炼三道工序，吨镁总能耗约在4~5tce，计入硅铁制备能耗后吨镁总能耗约为8.5~9.5tce，其中还原工序吨镁能耗约2~3tce。

 

按照绿色化学12条原则进行分析，可总结归纳出皮江法的如下主要问题：一是人工加料、出渣，机械化程度低，车间内高温、高尘，工人劳动强度大、劳动条件差;二是还原炉产能小，单台日产量仅2~3t;三是还原时间长达10h左右，操作周期长达12h，生产效率低，每天只能生产2个班次;四是还原罐寿命太短，只有3~4个月;五是劳动生产率低、土地利用率低，万吨产能用工300~500人、占地300~500亩;六是渣球会发生相互粘结现象，甚至粘在罐壁上，造成出渣不利，必须定期清理罐壁结釉;七是还原工序能耗高达理论能耗的3~4倍，能耗太高。

 

近年来，我国一些企业进行了竖罐外热法实验研究，希望借助原料和还原渣自身重力实现加料和出渣，以减少用工、降低劳动强度、提高生产效率。竖罐试验运行情况表明，通过竖罐实现外热式硅热法炼镁机械化的技术思路是可行的，完全可实现重力加料，并且如果能够解决粘罐结釉问题，实现重力出渣也完全没有问题。但实践证明，竖罐粘罐结釉问题比横罐更严重，目前还无法完全实现重力出渣，并且横罐外热法的上述问题，在竖罐外热法中不但全部存在，而且还有如下特殊问题：竖罐还原渣粘罐结釉，工人不得不头顶1000℃以上高温，冒险捅渣、铲罐;竖罐加料时料球容易破碎，造成还原率降低、还原时间延长;竖罐会发生下部胀粗或上部拉细的蠕变破坏;竖罐两端开口后，漏气问题比横罐更严重，造成还原率降低;竖罐“烟囱抽吸效应”造成加料和出渣时还原车间烟尘冲天，在车间内广泛漂浮弥散，工人劳动环境比横罐皮江法更差。

 

可见，外热式硅热法虽然成本最低，但绿色程度较差，特别是吨镁能耗较高。然而，不论横罐还是竖罐外热法的还原工序，目前都可用理论能耗3~4倍的实际能耗，生产出与电解铝成本相当的原镁，预示着外热法炼镁还具有很大的节能减排潜力和技术经济发展潜力。

 

分析发现，外热法的上述问题，都是由于对硅热法理论和关键技术的认识不够全面、深入而造成的。根本原因在于硅热法炼镁的基础理论研究严重滞后于工程应用，只要深入研究，这些问题都可以解决。因此，外热式硅热法仍有很大发展空间，是目前最具发展潜力的绿色炼镁技术发展方向。

 

另外，缩短工艺流程能够明显降低物耗、能耗和用工。因此，深入研究白云石煅烧机理和粗镁杂质形成机理，努力争取实现免精炼和免煅烧短流程炼镁，也是外热法炼镁技术研究发展方向。

 

如果彻底解决外热式硅热法的上述问题，并缩短工艺流程，改变当前“人拉肩扛”的初级生产方式，全面实现机械化、自动化、规模化，具备工业化和信息化“两化”融合的条件，镁冶炼工业的“中国制造2025”将有望“镁梦”成真。

 

大型复式竖罐免精炼两步法短流程绿色炼镁技术工艺及装备的研究开发

 

研发团队成立10年来，通过多项复式竖罐绿色炼镁的理论研究。解决了还原时间和还原速率——固相反应动力学问题、竖罐使用寿命——材料高温力学性能问题、竖罐粘罐结釉——硅热法热化学问题和其它理论问题研究。在免精炼两步法基础理论研究中得到应用。

 

传统横罐或个别企业开发的实验竖罐，都是将一个还原罐简单划分为“还原段”和“结晶段”两部分，分别完成还原和结晶功能，并且整体及其两段都仅仅是一个简单的筒体。“复式竖罐”的纵向由相互独立的结晶器、还原器、排渣器三部分紧密复合在一起，并且结晶器径向由蒸汽发生器、辐射板、结晶胆三部分构成，还原器径向由还原筒、还原板、还原胆三部分构成，排渣器径向由排渣筒、排渣胆两部分构成。复式竖罐的纵向和径向均由结构完善、功能齐备的多个独立部件构成，形成复合式结构，结构相对复杂、制造成本相对较高，因此必须实现大型化、长寿命。每台复式竖罐日产量可达800kg左右，使用寿命可达300天左右。

 

复式竖罐两步法结晶器的重要特点之一，是可以生产抽真空喷射泵用的蒸汽。传统横罐或竖罐消耗大量的冷却水来结晶镁，复式竖罐结晶器不但不消耗冷却水，而且每只罐每小时可产生60kg压力0.5MPa的蒸汽。

 

复式竖罐两步法的还原炉框架与还原车间结构融为一体，一座还原车间就是一座还原炉，由50台复式竖罐构成，加料、出渣、出镁全部实现机械化，烟风及燃料系统实现自平衡，运行实现自动化控制，日产量可达40吨，年产量可达1.25万吨，单班操作工定员仅需7人。

 

“十年磨一剑”!该团队自2006年开始研究镁冶炼技术至今，经过十年的艰苦努力，凭借企业风险投资的支持，目前已全面完成两步法绿色炼镁技术工艺的研究开发，在开泰镁业有限公司建成了一条年产1.25万吨示范生产线，并于2012年成功投产。

 

目前，年产1.25万吨复式竖罐免精炼两步法技术的标准化工艺、标准化装备，以及年产2.5万吨标准化工厂、皮江法镁厂进行两步法改造的标准化技改方案等，均已完成设计定型，完全具备进行全面产业化推广实施的条件。新建一座2.5万吨两步法标准化工厂的概算投资约3.0亿~3.5亿元，年产0.8万~1.5万吨皮江法镁厂进行两步法标准化技改的投资概算约0.5亿~0.7亿元。

 

“两步法”竖罐冶炼技术的重大工艺进步，对提升镁冶炼工艺技术具有现实意义。其主要经济指标先进，吨镁全厂综合能耗约2.5~3tce，仅为皮江法的50%~60%;还原时间约6h左右，仅为皮江法的1/2~2/3;结晶器单台次出镁200kg左右，是皮江法的6～7倍，结晶镁纯度高于99.8%;全面实现机械化、规模化，关键工序实现自动化，为智能化创造条件。