CN104946906A - 一种集煅烧与还原于一体的热还原炼镁装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种集煅烧与还原于一体的热还原炼镁装置及方法，装置包括还原炉及多个反应罐，各反应罐构成一个反应罐组；罐体侧壁设有充气管和排气管；相邻反应罐通过连接管连通，连接管设有两个阀门和管道泵并与集气支管连通，集气支管同时与一个集气总管连通，各集气支管上设有集气阀；方法为：（1）将生球团密封预热；（2）前一个反应罐内的废气传输到后一个反应罐内预热；（3）依次向后续的反应罐预热；（4）封闭充气管进行煅烧，废气进入下一个反应罐或集气支管；进行还原和蒸发结晶。本发明的方案煅烧过程产生的高温气体可预热生球团，预热后的气体可导致余热锅炉，提高了能量利用效率。

Description

一种集煅烧与还原于一体的热还原炼镁装置及方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种集煅烧与还原于一体的热还原炼镁装置及方法。

背景技术

皮江法炼镁是当前生产金属镁的主要方法。其原料是白云石，经过煅烧后获得煅白，与萤石和硅铁制造球团，用于真空热还原制取金属镁。尽管皮江法得到不断改进，使能耗和污染降低，但仍存在一些问题亟待改进；其中包括：

（1）白云石在煅烧过程中产生5%的微细粉无法利用。皮江法的原料是白云石，其在煅烧过程中将产生5%的微细粉，这部分粉末无法应用于后续工艺，不仅污染环境，而且将造成能量损失；

（2）无法完全回收煅白余热。由回转窑煅烧后的煅白温度很高，经单筒冷却机后，温度仍有约220℃，煅白携带的这部分热量在随后的混料、磨料和制球工艺过程散发到环境中，不能被利用；白云石煅烧分解产生大量CO₂直接排空，加剧温室效应；

（3）经磨料、混料和压球等工序后降低了煅白的活性；经高温煅烧获得的煅白活性很高，极易与空气中的水蒸气发生化学反应或吸附空气中的物质，而降低煅白的活性；因此煅白的活性随着储存时间的延长而逐渐降低。在实际生产过程中，煅白须经过磨料、混料和压球等工序后才能用于还原，这将降低煅白的活性，进而影响镁的回收率；

（4）将冷球团重新加热至还原反应温度，降低了生产效率。采用皮江法在实际生产过程中，煅白的煅烧温度为1100～1200℃，经过冷却机、磨料、混料和压球工序后，球团中煅白的温度与环境温度基本相同；球团装入反应罐后需重新加热至1200～1250℃，在此过程中，煅白首先由1100～1200℃冷却至环境温度，然后被加热至1200～1250℃，虽然冷却过程中大部分能量被回收，但是延长了煅烧工序和还原工序的时间，降低了生产效率。

另外，专利“一种热法镁冶炼工艺(专利号：CN102277506A)”中提出：“将原料粉末混合压制成球团，并将压制成的球团料置入密闭的反应器内，最后通过对料球加热、排气、升温、抽真空，生产出金属镁”的炼镁方法，由于煅烧过程产生大量的CO₂，压制的球团煅烧后强度低，料层容易坍塌，难以保证后续真空热还原过程的动力学条件，降低还原速度，影响镁的回收率。

发明内容

针对现有炼镁技术存在的不足之处，本发明提供了一种集煅烧与还原于一体的热还原炼镁装置及方法，通过将白云石、还原剂、萤石、粘结剂混合预制成的球团置于反应罐中，实现球团的煅烧与还原均在一罐中完成，不同罐之间由管路连接，利用煅烧过程产生的高温废气的余热预热生球团，气体余热可以导至余热锅炉，CO₂便于捕集，中提高了能量利用率同时，缩短生产周期。

本发明的集煅烧与还原于一体的热还原炼镁装置包括还原炉及多个反应罐，各反应罐构成一个反应罐组；每个反应罐由炉盖、结晶器和罐体组成，结晶器与罐体之间通过隔热挡板隔断；罐体插入还原炉中；结晶器外壁上设有水冷套和真空管，真空管与结晶器内部连通的；罐体内部设有多孔料仓；罐体侧壁上靠近水冷套一侧设有充气管和排气管，充气管通过导管延伸至罐体的底部，导管位于多孔料仓和罐体之间；排气管的管口与多孔料仓接触。

一个反应罐组内相邻的两个反应罐上，前一个反应罐的排气管与后一个反应罐的充气管通过连接管连通，连接管上设有两个阀门，靠近充气管的阀门为充气阀，靠近排气管的为排气阀；连接管的排气阀一侧设有与排气阀配合使用的管道泵；每个连接管与一个集气支管连通，连通处位于管道泵和充气阀之间；各集气支管同时与一个集气总管连通，各集气支管上设有集气阀。

上述装置中，一个反应罐组中，第一个反应罐的充气管通过充气阀与集气总管连通，最后一个反应罐的排气管通过排气阀与集气总管连通。

上述装置中，集气总管通过阀门与余热锅炉连通。

上述装置中，各反应罐的真空管通过阀门与真空系统连通。

本发明的集煅烧与还原于一体的热还原炼镁方法是采用上述装置，按以下步骤进行：

1、将生球团放入封闭的反应罐的多孔料仓内，密封反应罐，通过加热炉对反应罐内的生球团预热；所述的生球团的制备方法为：将白云石、还原剂和萤石分别破碎磨细后混合均匀，按重量比白云石:还原剂:萤石=100:（12~14）:（2~3），再加入上述全部物料总重量3~5%的粘结剂，采用圆盘造球机制成粒径5~20mm的生球团；

2、在前一个反应罐内的生球团预热10~90min后，向相邻的后一个反应罐的多孔料仓内放入生球团，开启两个反应罐之间的两个阀门，通过管道泵提供动力将一个反应罐内产生的废气传输到后一个反应罐内，对生球团预热；其中第一个反应罐通过加热炉预热，其余反应罐通过加热炉和前一个反应罐的废气同时预热；

3、按步骤1和2的方式依次向后续的反应罐内放入生球团并预热；

4、预热完成后的反应罐封闭充气管，再通过加热炉对反应罐内的生球团进行煅烧，使白云石分解，并在管道泵的作用下，使产生的废气通过排气管进入下一个反应罐，或进入集气支管；白云石分解完全后，封闭排气管，同时关闭管道泵，开启真空管将反应罐抽真空至100Pa以下，此时水冷套内有冷却水流通，通过加热炉将反应罐内的物料升温至1150~1300℃进行还原反应，时间为1~2h，反应生成的金属镁蒸发后穿过隔热挡板在结晶器内结晶。

上述的还原剂为铝、硅铝合金或硅铁合金；选用的硅铁合金中硅的重量含量在75%。

上述的粘结剂为聚乙烯、水和高岭土中的一种或两种的混合物。

上述的步骤4中的煅烧为一段煅烧或两段煅烧；一段煅烧时，煅烧温度为950~1000℃，时间为2~3h；两段煅烧时，第一段煅烧的温度为750~820℃，时间为0.5~1h，第二段煅烧的温度为950~1000℃，时间为1~2h。

上述方法中，各反应罐产生的废气通过集气支管进入集气总管，先将集气总管与余热锅炉之间连通，通过废气将空气排出，然后将集气总管与余热锅炉隔断，随着反应的进行，集气支管和集气总管内充满废气；当一个反应罐内的物料需要通入废气进行预热，而其前一个反应罐将排气管封闭时，将集气支管与进行预热的反应罐的进气管和排气管连通，通过管道泵提供的动力，使集气总管内的废气通入进行预热的反应罐内。

上述方法中，当全部反应罐都经过预热后，且需要通入废气的反应罐与需要排出废气的反应罐的数量相等时，集气总管内的压力为适当压力；随着反应的进行，当集气总管内的压力超过适当压力时，将集气总管与余热锅炉连通，将多余的废气通入余热锅炉，回收余热。

上述的废气为CO₂，从余热锅炉排出后，通过捕集、吸收和矿化进行集中处理。

上述方法中，当集气总管内充满废气后，第一个反应罐再次进行预热时，将集气总管内废气通入第一个反应罐内参与预热。

上述的步骤2、3和4中，相邻的两个反应罐中，当前一个反应罐内产生的废气参与对后一个反应罐内的生球团预热时，与连接管连通的集气管关闭；当后一个反应罐的充气管封闭而前一个反应罐的排气管开启时，与连接管连通的集气管开启，前一个反应罐产生的废气通过集气管进入集气总管；当前一个反应罐内的排气管封闭，后一个反应罐内的充气管需要通入废气进行预热时，与连接管连通的集气管开启，后一个反应罐的充气管开启，集气总管内的废气通入后一个反应罐内。

上述的步骤1中，磨细后的白云石、还原剂和萤石的粒度为200目以下。

上述方法中，镁的回收率≥90%。

与现有的技术相比，本发明的特点和有益的效果是：

与传统的硅热法炼镁工艺相比，本发明方案将球团的煅烧与还原在同一装置中依次进行，罐与罐之间由管路连接，煅烧过程产生的高温气体可预热生球团，预热后的气体可导致余热锅炉，高浓度CO₂便于捕集，显著提高了能量利用效率，具有明显的技术优势：

（1）可以避免白云石在煅烧过程产生5%的微细粉；与皮江法相比，对这部分微细粉的利用，可以达到节能减排的目的；计算表明，煅烧1t白云石可节约167MJ的能量，约合0.0057t标煤，同时减少排放0.04tCO₂；生产1t金属镁约需要10.5t白云石，因此生产1t金属镁节能约为1753.5MJ，约合0.06t标煤，同时多排放0.42tCO₂；中国每年采用皮江法生产镁的量至少60万吨，那么如果采用本发明的方法，则节约的能量达3.6万吨标煤，CO₂减排25.2万吨；

（2）与皮江法相比，可以完全利用煅白余热；本发明的反应罐之间由管路连接，球团在反应罐中煅烧后，直接升温进行还原，煅烧后球团的所携带的热量均得到了利用；而皮江法的煅白经过冷却机后，温度仍有约220℃，这部分热量不能有效利用；由于每吨煅白温度降低100℃，需要散发65MJ的热量；那么皮江法生产1t煅白因此而浪费的能量约为130MJ，生产1t金属镁约需要10.5t白云石，因此生产1t金属镁浪费的能量约为710.9MJ，约合0.024t标煤。中国每年采用皮江法生产镁的量至少60万吨，那么如果采用本发明的方法，则节约的能量达1.44万吨标煤；

（3）球团煅烧后直接还原，熟球团中氧化钙活性高；本发明的球团在反应罐中煅烧后，直接升温进行还原，克服了皮江法的煅白需要经过冷却、混料、压团等工序后降低了煅白的活性的问题，有助于缩短还原时间，提高还原率；

（4）避免了皮江法工艺中冷球团需要重新加热至还原温度，提高生产效率；采用皮江法在实际生产过程中，煅白的煅烧温度为1100~1200℃，经过冷却机、磨料、混料和压球工序后，球团中煅白的温度与环境温度（20~40℃）基本相同，球团装入反应罐后需重新加热至1200~1250℃，加之皮江法球团导热性较差，导致反应罐中心部分的球团需要很长时间才能达到还原反应温度；本发明的方法还原阶段是由800~1000℃加热至还原温度1200~1250℃，显著缩短了球团加热时间，能够显著的提高生产效率；

（5）由于反应罐直接由管路相连接，热解废气余热可以得到利用，如余热发电；同时，高浓度的CO₂便于捕集和利用，吨镁可减少约5吨CO₂排放。

附图说明

图1为本发明实施例中的集煅烧与还原于一体的热还原炼镁装置结构示意图；

图2为本发明实施例中的反应罐结构示意图；

图3为本发明实施例中的反应罐组结构示意图；

图中，1、还原炉，2、反应罐，3、真空管，4、充气管，5、排气管，6、导管，7、多孔料仓，8、水冷套，9、隔热挡板，10、排气阀，11、充气阀，12、集气阀，13、管道泵，14、集气支管，15、集气总管，16、炉盖，17、结晶器，18、罐体，19、第一反应罐，20、第二反应罐，21、最后一个反应罐，22、余热锅炉，23、总排气阀，24、连接管。

具体实施方式

本发明实施例中采用的白云石、硅铁合金、铝、硅铝合金和萤石为市购工业产品。

本发明实施例中采用的聚乙烯、水和高岭土为市购工业产品。

本发明实施例中，加热炉分别对各反应罐进行预热、煅烧和真空还原反应（蒸发结晶）；如图1所示，每一行为一个反应罐组；每列共用一个真空管，对应一个燃气喷嘴，并同时装出料的；每行从左到右依次为第一（第一反应罐19）、第二（第二反应罐20）至第八反应罐（最后一个反应罐21）；通过调整相应燃气喷嘴的喷气量，可以调剂对应罐组的温度。

实施例1

集煅烧与还原于一体的热还原炼镁装置结构如图1所示，包括还原炉1及多个反应罐2，各反应罐构成一个反应罐组；

反应罐结构如图2所示，由炉盖16、结晶器17和罐体18组成，结晶器17与罐体18之间通过隔热挡板9隔断；罐体18插入还原炉2中；结晶器17外壁上设有水冷套8和真空管3，真空管3与结晶器17内部连通的；罐体18内部设有多孔料仓7；罐体18侧壁上靠近水冷套8一侧设有充气管4和排气管5，充气管4通过导管6延伸至罐体18的底部，导管6位于多孔料仓7和罐体18之间；排气管5的管口与多孔料仓7接触；

各反应罐组结构如图3所示，一个反应罐组内相邻的两个反应罐上（如第一反应罐19和第二反应罐20），前一个反应罐的排气管与后一个反应罐的充气管通过连接管24连通，连接管24上设有两个阀门，靠近充气管的阀门为充气阀11，靠近排气管的为排气阀10；连接管24的排气阀一侧设有与排气阀配合使用的管道泵13；每个连接管24与一个集气支管14连通，连通处位于管道泵13和充气阀11之间；各集气支管14同时与一个集气总管15连通，各集气支管14上设有集气阀12；

第一个反应罐19的充气管通过充气阀与集气总管15连通，最后一个反应罐21的排气管通过排气阀与集气总管15连通；集气总管通过总排气阀23与余热锅炉22连通；

各反应罐的真空管通过阀门与真空系统连通；

集煅烧与还原于一体的热还原炼镁方法是采用上述装置，按以下步骤进行：

（1）将生球团放入封闭的反应罐的多孔料仓内，密封反应罐，通过加热炉对反应罐内的生球团预热；所述的生球团的制备方法为：将白云石、还原剂和萤石分别破碎磨细后混合均匀，按重量比白云石:还原剂:萤石=100:12:2，再加入上述全部物料总重量3%的粘结剂，采用圆盘造球机制成粒径5mm的生球团；

磨细后的白云石、还原剂和萤石的粒度为200目以下；

还原剂为铝；

粘结剂为聚乙烯；

（2）在前一个反应罐内的生球团预热10~90min后，向相邻的后一个反应罐的多孔料仓内放入生球团，开启两个反应罐之间的两个阀门，通过管道泵提供动力将一个反应罐内产生的废气传输到后一个反应罐内，对生球团预热；其中第一个反应罐通过加热炉预热，其余反应罐通过加热炉和前一个反应罐的废气同时预热；

（3）按步骤（1）和（2）的方式依次向后续的反应罐内放入生球团并预热；

（4）预热完成后的反应罐封闭充气管，再通过加热炉对反应罐内的生球团进行煅烧，使白云石分解，并在管道泵的作用下，使产生的废气通过排气管进入下一个反应罐，或进入集气支管；白云石分解完全后，封闭排气管，同时关闭管道泵，开启真空管将反应罐抽真空至100Pa以下，此时水冷套内有冷却水流通，通过加热炉将反应罐内的物料升温至1150~1300℃进行还原反应，时间为1~2h，反应生成的金属镁蒸发后穿过隔热挡板在结晶器内结晶；

其中煅烧为一段煅烧，煅烧温度为950℃，时间为3h；

镁的回收率≥90%；

各反应罐产生的废气通过集气支管进入集气总管，先将集气总管与余热锅炉之间连通，通过废气将空气排出，然后将集气总管与余热锅炉隔断，随着反应的进行，集气支管和集气总管内充满废气；当一个反应罐内的物料需要通入废气进行预热，而其前一个反应罐将排气管封闭时，将集气支管与进行预热的反应罐的进气管和排气管连通，通过管道泵提供的动力，使集气总管内的废气通入进行预热的反应罐内；

当全部反应罐都经过预热后，且需要通入废气的反应罐与需要排出废气的反应罐的数量相等时，集气总管内的压力为适当压力；随着反应的进行，当集气总管内的压力超过适当压力时，将集气总管与余热锅炉连通，将多余的废气通入余热锅炉，回收余热；

废气为CO₂，从余热锅炉排出后，通过捕集、吸收和矿化进行集中处理；

当集气总管内充满废气后，第一个反应罐再次进行预热时，将集气总管内废气通入第一个反应罐内参与预热；

步骤（2）、（3）和（4）中，相邻的两个反应罐中，当前一个反应罐内产生的废气参与对后一个反应罐内的生球团预热时，与连接管连通的集气管关闭；当后一个反应罐的充气管封闭而前一个反应罐的排气管开启时，与连接管连通的集气管开启，前一个反应罐产生的废气通过集气管进入集气总管；当前一个反应罐内的排气管封闭，后一个反应罐内的充气管需要通入废气进行预热时，与连接管连通的集气管开启，后一个反应罐的充气管开启，集气总管内的废气通入后一个反应罐内。

实施例2

装置结构同实施例1；

方法同实施例1，不同点在于：

（1）生球团中按重量比白云石:还原剂:萤石=100:13:2，粘结剂占上述全部物料总重量4%，采用圆盘造球机制成粒径8mm的生球团；还原剂为硅铝合金；粘结剂为水；

（2）其中煅烧为一段煅烧，煅烧温度为980℃，时间为2.5h；

（3）镁的回收率≥90%。

实施例3

装置结构同实施例1；

方法同实施例1，不同点在于：

（1）生球团中按重量比白云石:还原剂:萤石=100:14:2，粘结剂占上述全部物料总重量5%，采用圆盘造球机制成粒径10mm的生球团；还原剂为硅铁合金；选用的硅铁合金中硅的重量含量在75%；粘结剂为高岭土；

（2）其中煅烧为一段煅烧，煅烧温度为1000℃，时间为2h；

（3）镁的回收率≥90%。

实施例4

装置结构同实施例1；

方法同实施例1，不同点在于：

（1）生球团中按重量比白云石:还原剂:萤石=100:13:3，粘结剂占上述全部物料总重量4%，采用圆盘造球机制成粒径15mm的生球团；还原剂为硅铝合金；粘结剂为水和高岭土的等质量混合物；

（2）其中煅烧为两段煅烧，第一段煅烧的温度为750℃，时间为1h，第二段煅烧的温度为950℃，时间为2h；

（3）镁的回收率≥90%。

实施例5

装置结构同实施例1；

方法同实施例1，不同点在于：

（1）生球团中按重量比白云石:还原剂:萤石=100:14:3，粘结剂占上述全部物料总重量5%，采用圆盘造球机制成粒径20mm的生球团；还原剂为硅铁合金；选用的硅铁合金中硅的重量含量在75%；粘结剂为聚乙烯和水的等质量混合物；

（2）其中煅烧为两段煅烧，第一段煅烧的温度为780℃，时间为0.5h，第二段煅烧的温度为980℃，时间为1.5h；

（3）镁的回收率≥90%。

实施例6

装置结构同实施例1；

方法同实施例1，不同点在于：

（1）生球团中按重量比白云石:还原剂:萤石=100:14:2，粘结剂占上述全部物料总重量4%，采用圆盘造球机制成粒径10mm的生球团；还原剂为硅铁合金；选用的硅铁合金中硅的重量含量在75%；粘结剂为聚乙烯和高岭土的等质量混合物；

（2）其中煅烧为两段煅烧，第一段煅烧的温度为820℃，时间为0.5h，第二段煅烧的温度为1000℃，时间为1h；

（3）镁的回收率≥90%。

Claims (10)

1.一种集煅烧与还原于一体的热还原炼镁装置，其特征在于包括还原炉及多个反应罐，各反应罐构成一个反应罐组；每个反应罐由炉盖、结晶器和罐体组成，结晶器与罐体之间通过隔热挡板隔断；罐体插入还原炉中；结晶器外壁上设有水冷套和真空管，真空管与结晶器内部连通的；罐体内部设有多孔料仓；罐体侧壁上靠近水冷套一侧设有充气管和排气管，充气管通过导管延伸至罐体的底部，导管位于多孔料仓和罐体之间；排气管的管口与多孔料仓接触。

2.根据权利要求1所述的集煅烧与还原于一体的热还原炼镁装置，其特征在于所述的一个反应罐组内相邻的两个反应罐上，前一个反应罐的排气管与后一个反应罐的充气管通过连接管连通，连接管上设有两个阀门，靠近充气管的阀门为充气阀，靠近排气管的为排气阀；连接管的排气阀一侧设有与排气阀配合使用的管道泵；每个连接管与一个集气支管连通，连通处位于管道泵和充气阀之间；各集气支管同时与一个集气总管连通，各集气支管上设有集气阀。

3.根据权利要求1所述的集煅烧与还原于一体的热还原炼镁装置，其特征在于所述的一个反应罐组中，第一个反应罐的充气管通过充气阀与集气总管连通，最后一个反应罐的排气管通过排气阀与集气总管连通。

4.根据权利要求2所述的集煅烧与还原于一体的热还原炼镁装置，其特征在于所述的集气总管通过阀门与余热锅炉连通。

5.一种集煅烧与还原于一体的热还原炼镁方法，其特征在于采用权利要求1所述的装置，按以下步骤进行：

（1）将生球团放入封闭的反应罐的多孔料仓内，密封反应罐，通过加热炉对反应罐内的生球团预热；所述的生球团的制备方法为：将白云石、还原剂和萤石分别破碎磨细后混合均匀，按重量比白云石:还原剂:萤石=100:（12~14）:（2~3），再加入上述全部物料总重量3~5%的粘结剂，采用圆盘造球机制成粒径5~20mm的生球团；

（2）在前一个反应罐内的生球团预热10~90min后，向相邻的后一个反应罐的多孔料仓内放入生球团，开启两个反应罐之间的两个阀门，通过管道泵提供动力将一个反应罐内产生的废气传输到后一个反应罐内，对生球团预热；其中第一个反应罐通过加热炉预热，其余反应罐通过加热炉和前一个反应罐的废气同时预热；

（3）按步骤（1）和（2）的方式依次向后续的反应罐内放入生球团并预热；

（4）预热完成后的反应罐封闭充气管，再通过加热炉对反应罐内的生球团进行煅烧，使白云石分解，并在管道泵的作用下，使产生的废气通过排气管进入下一个反应罐，或进入集气支管；白云石分解完全后，封闭排气管，同时关闭管道泵，开启真空管将反应罐抽真空至100Pa以下，此时水冷套内有冷却水流通，通过加热炉将反应罐内的物料升温至1150~1300℃进行还原反应，时间为1~2h，反应生成的金属镁蒸发后穿过隔热挡板在结晶器内结晶。

6.根据权利要求5所述的集煅烧与还原于一体的热还原炼镁方法，其特征在于所述的还原剂为铝、硅铝合金或硅铁合金；选用的硅铁合金中硅的重量含量在75%。

7.根据权利要求5所述的集煅烧与还原于一体的热还原炼镁方法，其特征在于所述的粘结剂为聚乙烯、水和高岭土中的一种或两种的混合物。

8.根据权利要求5所述的集煅烧与还原于一体的热还原炼镁方法，其特征在于所述的步骤（4）中的煅烧为一段煅烧或两段煅烧；一段煅烧时，煅烧温度为950~1000℃，时间为2~3h；两段煅烧时，第一段煅烧的温度为750~820℃，时间为0.5~1h，第二段煅烧的温度为950~1000℃，时间为1~2h。

9.根据权利要求5所述的集煅烧与还原于一体的热还原炼镁方法，其特征在于所述的步骤（1）中，磨细后的白云石、还原剂和萤石的粒度为200目以下。

10.根据权利要求5所述的集煅烧与还原于一体的热还原炼镁方法，其特征在于镁的回收率≥90%。