中國原鎂產(chǎn)量的98%是經(jīng)由硅熱還原或稱做Pidgeon Process的方法生產(chǎn)的，并被預(yù)測是未來中國最主要的金屬鎂生產(chǎn)方式。有關(guān)專家擔心，如果不能保證高質(zhì)量和相對穩(wěn)定的原料供給，鎂應(yīng)用產(chǎn)業(yè)很可能出現(xiàn) 整體萎縮。因而，部署在中國各地鎂廠的臥式皮江法還原裝置，就是不能不受到人們的強烈關(guān)注。這種生產(chǎn)設(shè)施具有工藝路線簡單，工藝參數(shù)較易調(diào)控的優(yōu)點，然而 也具有還原過程傳質(zhì)傳熱差，熱效率低的明顯弱點，從而限制了皮江法鎂廠的生產(chǎn)規(guī)模。
1 皮江法煉鎂的熱化學(xué)
皮江法煉鎂的熱還原反應(yīng)是在臥式原罐中進行的，總反應(yīng)的化學(xué)計量方程由(1)式給出：
2MgO·2CaO+Si(Fe)→Ca2SiO4+2Mg+Fe (1)
反應(yīng)式(1)的自由能函數(shù)ΔG與溫度T的關(guān)系由式(2)給出：
ΔG=115600+11.74TlogT-100.38T (2)
反應(yīng)熱ΔH與溫度T的關(guān)系見(3)式：
ΔH=115600-5.098T(3)
由(2)式可知此還原反應(yīng)的臨界溫度Tc。若使反應(yīng)(1)正向進行，反應(yīng)溫度必須大于臨界值Tc，溫度越高，或提高反應(yīng)速度越顯著，反應(yīng)(1) 就越能夠進行到底。真實的還原過程是在真空下進行的，這樣一來大大降低了臨界溫度Tc，并提供了鎂蒸氣的傳輸通道，但也降低了反應(yīng)物料的熱傳遞效率，并形 成皮江法生產(chǎn)中復(fù)雜及其特殊的真空熱還原機理。
2 試驗裝置簡介
本試驗利用生產(chǎn)裝置，試驗內(nèi)容與生產(chǎn)同步進行。還原反應(yīng)裝置由臥式還原罐、加熱爐和真空系統(tǒng)組成。圖1 是還原罐結(jié)構(gòu)示意圖，罐內(nèi)填裝原料，罐外加熱。將煅燒后的白云石與一定比例的硅鐵、螢石充分磨細混勻后壓成球形，定量裝入罐中，密閉罐口;同時啟動真空排 氣和還原爐加熱，使罐內(nèi)真空度達到13.3Pa調(diào)節(jié)不同反應(yīng)溫度和反應(yīng)持續(xù)時間的條件下，由單罐產(chǎn)量考察還原反應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率。能耗由生產(chǎn)統(tǒng)計報表分析得 出。
圖1 煉鎂原罐結(jié)構(gòu)及罐中原料和產(chǎn)物分布
3 結(jié)果與討論
3.1 燃煤還原爐和燃氣還原爐的比較
我國鎂產(chǎn)業(yè)體系的能源結(jié)構(gòu)以煤為主，煉鎂還原爐有兩種爐型，分別以發(fā)生爐煤氣和原煤作燃料。圖2是一種燃氣還原爐的結(jié)構(gòu)簡圖，從環(huán)保角度考慮，專業(yè)設(shè)計院傾向于推薦這種爐型。
圖2 煤氣燃燒還原爐
但是近幾年來，為了降低燃料費用和噸鎂投資成本，各生產(chǎn)廠家不愿選用燃氣爐型，以至于九成以上的新建還原爐均為直接燃煤的爐型，從而加劇了煙塵污染。這兩種爐型的生產(chǎn)工藝參見下表。
表1
見表
分析下表數(shù)據(jù)可知，兩種還原爐各有優(yōu)勢，但燃氣爐仍具有明顯優(yōu)勢，這為后續(xù)開展的工藝技術(shù)改造奠定了基礎(chǔ)。燃氣還原爐的劣勢是需要增加制氣工段，常見的煤氣發(fā)生爐用無煙煤制氣，增大了噸鎂成本。這就是本文要重點解決的問題。
3.2 節(jié)能還原爐操作制度的改進
還原工序是皮江法煉鎂的重點耗能部位，據(jù)熱平衡估算，有2個現(xiàn)象值得注意。一是還原爐加熱所需的燃料消耗，約占煉鎂生產(chǎn)過程燃料總消耗的 2/3;二是還原爐能耗中，用于加熱原料球團和提供反應(yīng)熱的能量，僅分別占還原爐總能耗的3.66%和19.83%;而無效熱損失卻高達76.51%?，F(xiàn) 有的皮江法工藝，間接加熱還原罐內(nèi)的球團原料，導(dǎo)致熱量的有效利用率大幅下降，這是無法改變的工藝現(xiàn)狀。關(guān)于取代傳統(tǒng)皮江法落后工藝裝備的方案，我們將另 文陳述。本文希望強調(diào)，還原工序節(jié)能的空間還很大，工程技術(shù)人員完全可以因勢利導(dǎo)，有所作為。
理論分析和實踐表明，消除煉鎂還原爐污染的最佳途徑可包含兩個要素：第一是節(jié)能，即通過降低噸鎂燃料消耗來減少排放;第二是采用無污染清潔能源。鎂廠可根據(jù)自身條件，選擇施行。
仔細分析上表中兩類還原爐的性能特征，可知選用燃氣爐作為皮江法還原工序的主體爐型，是實現(xiàn)清潔化節(jié)能方案的必要條件，在清潔化改造中將會被淘 汰。為了確定燃氣爐生產(chǎn)過程的最佳工藝制度，本文分別考察了還原周期為6、7、8、9、10h條件下的單位爐和單罐產(chǎn)量。結(jié)果表明，在其它工藝規(guī)程被嚴格 遵守的生產(chǎn)條件下，這些還原時間有很大差別的還原過程，并不和產(chǎn)量構(gòu)成正比關(guān)系。由于燃氣爐準備工序耗時少，升溫快，空燒時間短; 爐內(nèi)溫度均勻，易實現(xiàn)自動控制。這些優(yōu)勢可使燃氣爐在8h周期內(nèi)保持穩(wěn)定生產(chǎn)。
燃氣還原爐實現(xiàn)8h生產(chǎn)周期對降低煙氣排放有重要意義，這主要是通過降低能耗，減少無效運行時間來實現(xiàn)的。從常見的12h壓縮至8h，即每天可以多產(chǎn)出一個班次，生產(chǎn)效率明顯提高。
3.3清潔燃料方案
常見的清潔燃料是發(fā)生爐煤氣和天然氣。兩者的成本或價格較貴，已不能為利潤率較低的鎂冶煉行業(yè)所接受。本文提供的實用方案見圖3。該方案的特點是將硅熱法煉鎂和與其相關(guān)的焦化、硅鐵冶煉組合到一起，煉鎂燃料來自焦化的放空煤氣。產(chǎn)品相互關(guān)聯(lián)穿插，延伸了產(chǎn)業(yè)鏈。
圖2 清潔化生產(chǎn)總流程示意圖
利用焦爐煤氣并采用圖3所示的工藝流程，是當前鎂冶煉實現(xiàn)重大技術(shù)革新的清潔化產(chǎn)業(yè)方案。在寧、晉建設(shè)的示范化工廠已取得良好的經(jīng)濟效益和技改經(jīng)驗。以年產(chǎn)1萬t原鎂為例，僅回收煤氣一項，每年可節(jié)約煤炭7萬t，減少燃煤費用2000萬元;無煙氣排放，對環(huán)境無害。
另據(jù)中國有色金屬報2004年4月15日報道，山西和陜西年產(chǎn)焦炭1.5億t，副產(chǎn)焦爐煤氣80%被放空，國內(nèi)皮江法鎂廠正在向富產(chǎn)焦爐煤氣的地區(qū)轉(zhuǎn)移集中。
4 結(jié)語
降低能耗、提高資源利用率是實現(xiàn)皮江法煉鎂清潔化生產(chǎn)的重要措施。本文針對皮江法工藝現(xiàn)狀提供了一套經(jīng)實踐證實的產(chǎn)業(yè)化聯(lián)動方案、該方案的特點 是：一、通過節(jié)能降耗和縮短生產(chǎn)周期的方式降低熱能和廢氣排放，使還原反應(yīng)周期從12h縮短到8h;二、以改造后的燃氣為還原爐為主體設(shè)備，回收廢棄的焦 爐煤氣作為清潔燃料，將煉鎂、焦化、硅鐵冶煉組成的一個具有交叉互補功能的產(chǎn)業(yè)鏈，提升了皮江法煉鎂的工藝和裝備水平。
