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金属镁冶炼行业余热回收技术的应用

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二十世纪九十年代初,得益于丰富易取的原材料、低廉的劳动力和早期粗放的环保要求,技术门槛相对较低的皮江法真空硅热炼镁工艺在我国得到推广。皮江法是利用硅铁(Si>75%)还原煅烧后的白云石生产镁。虽然皮江法炼镁技术在过去的20-30年间取得了很大的进步,但皮江法镁冶炼技术存在的问题及挑战还有很多:“三废”排放多、热还原反应生成金属镁后的废渣,仍未得到较好的处理,环保压力大;能耗高、成本高;自动化、智能化水平低;不能实现连续化、规模化;资源综合利用低。




余热回收的必要性









我国皮江法炼镁企业还原炉的燃料大多为发生炉煤气或原煤,还原炉工作温度为 1200℃左右。以煤气为燃料的还原炉,其后均配置空气预热器,排烟温度一般在 800℃左右;以煤为燃料的还原炉,高温烟气则直接排空,据测算,还原炉能耗支出中用于物料吸收及反应的热量仅占20%~25%,而烟气带走的热量约占50%~60%,如采用余热锅炉对烟气余热加以回收,则可使还原炉能耗利用率提高到50%~60%。因此还原炉余热的回收利用潜力很大。从节能角度讲也是非常必要的。还原炉工作温度比较稳定,为余热回收创造了良好条件。
目前,工业企业各类生产装置中高温尾气、高温反应气、高温废液、高温废渣等工艺流体中含有的大量的热量可以回收利用。合理、有效的利用这部分热量(俗称“余热”),不仅会降低相关装置的生产成本、给企业带来可观的经济效益,同时还能达到减少污染、净化环境的目的,符合国家节能减排的大政策。采用合适的高效、防腐的传热元件是工业企业废气余热利用的关键。
硅热法(皮江法)生产金属镁是一个高能耗、高污染产业,属于国家严格控制类项目。白云石锻烧是硅热法生产金属镁的主要环节之一,能耗占到总能耗的30%左右。白云石煅烧设备有回转窑、竖窑、隧道窑和沸腾炉等,其中竖窑出现的时间最早,但由于煅白质量差,能耗高,环境差,目前很少使用;回转窑具有生产能力大,机械化程度高,维护操作简单,煅白活性度高等特点,被公认为是目前热法炼镁的首选设备,近年来应用最为广泛。
在皮江法生产金属镁的生产中,白云石煅烧所采用的回转窑是重要的热工设备,白云石煅烧每年要消耗大量能源,不仅其产品(煅白)是高能载体,而且在煅烧过程中产生的高温烟气和设备散热带走了大量能量。如果不对生产过程中产生的高热量烟气回收利用,烟气任意排放,不仅污染了大气,也是对能源的极大浪费。

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因此,在保证满足镁工艺条件要求的基础上,提高这些热工设备的热效率是金属镁煅烧生产节能降耗的关键。煅烧炉烟气余热回收系统具有高效、节能、环保和经济效益好的特点。近年来,一些金属镁生产企业从节约能源,降低生产成本,保护环境的角度出发,在工业生产中采取降低能耗、回收余热的办法和途径,使得煅烧工序能耗指标有了大幅度下降,白云石煅烧煅白能耗从270kgce/kg降到180kgce/kg,节能30%;煅烧工段余热回收利用技术获得了较为成功的应用,取得了明显的经济效益。









白云石煅烧窑尾高温烟气余热回收利用途径与分析









白云石煅烧节能途径较多,除选择合适的燃料、耐火材料,回收产品显热,减少漏风率,提高设备运转率之外,回收利用窑尾高温烟气更是降低白云石煅烧能耗的有效途径。
由于回转窑煅烧产生大量高温烟气,高温烟气又含有大量热量,因此,各镁生产企业积极想办法,进行技术改造,根据镁发展趋势和工艺要求,对回转窑烟气进行回收利用,其途径主要有两种方式。


一、在回转窑窑尾设置余热锅炉

利用余热锅炉产生的蒸汽为还原车间射流泵真空系统提供蒸汽。目前,很多镁冶炼企业采用将窑尾排出的烟经过烟道集中后进入余热锅炉以回收烟气中的部分余热,以高温烟气在余热锅炉中进行热交换产生的蒸汽来带动蒸汽喷射泵产生真空,这种方式也是前几年兴起的一种回收回转窑余热的方式。窑尾1000℃的高温烟气在余热锅炉中与水进行热交换,产生中温中压蒸汽,经过热交换后的废气温度约为300℃。根据计算和在部分企业的实际应用情况来看,使用这种方式大概能回收烟气中热量的40%~50%,根据徐日瑶教授(硅热法炼镁生产工艺学)的理论,烟气带走的余热大概占回转窑总收入热量的22.42%,所以可以计算得知使用余热锅炉的方式大概能回收燃料燃烧热的10%左右。

虽然通过在回转窑窑尾设置余热锅炉的方式可以回收烟气中的一部分热量,但是也存在一些问题。主要是需要建设较长的烟道,烟道的保温和密封需要较多的耐火材料和保温材料,增加了投资。与此同时,由于烟气在烟道的温降会造成热量损失,再加上余热锅炉的排烟温度依然较高,达300℃以上,所以采用余热锅炉回收烟气热量热利用率较低。

另外,还存在一个蒸汽量不足或蒸汽去向的问题。如果还原车间的真空泵全部选用蒸汽喷射泵,根据计算和一些厂的实际生产情况,得知如果单纯将回转窑的烟气余热产生的蒸汽用于还原车间的蒸汽喷射泵,则这些蒸汽量不能够满足同规模还原车间抽真空的蒸汽用量,这就导致镁厂还必须再增加至少1台普通锅炉以满足蒸汽喷射泵所要求的蒸汽量。如果还原车间的真空泵全部选用机械泵,则余热锅炉产生的蒸汽除用作生活用气外,金属镁工艺上并不需要蒸汽,剩余蒸汽无去向,这就让这种余热回收方式陷入两难的境地。所以,使用余热锅炉来回收烟气的热量并不是一种最佳的节能方式。


二、在回转窑窑尾设置竖式预热器

在回转窑窑尾设置竖式预热器,用烟气预热白云石是合理利用回转窑尾气热能的另一种有效方式。在窑尾设置窑外白云石预热装置,用烟气预热矿石是对白云石煅烧一次较大的革新。
在回转窑窑尾设置竖式预热器,用烟气预热矿石,最早用于活性石灰的煅烧,此工艺技术为国内通过消化吸收引进的国外技术,并已在活性石灰生产中取得非常明显的效果。其工作原理是在窑尾设置窑外竖式预热器,白云石在预热器内与烟气进行热交换,白云石吸收热废气的热量进行预热,约20%~25%预分解,预热后的白云石再通过窑尾溜槽,由均布的推杆将其均匀地推入窑内,白云石物料缓慢而有序地通过窑内煅烧;烟气在竖式预热器内进行气物热交换后,废气温度降低到220℃以下进入除尘器。
煅烧工序由缩短回转窑和安装在窑尾的竖式预热器所组成,相当于将传统回转窑的预热带变成了一个竖式预热器。其主要节能原理是把由上料系统送来的白云石物料送到预热器体内,利用窑尾高温废气(1000℃以上)在预热器内将物料均匀地预热到约900℃。预热过程中有约30%的白云石在预热器内分解,预热后的白云石由液压推杆推入回转窑内继续煅烧,热交换后的废气经除尘器后排放。采用此煅烧工艺不仅使白云石在窑内煅烧时间大大缩短,单位面积产能大为提高,同时还能获得较高活性度的煅白,从而提高镁的收益率。
大多数新建或技改金属镁厂均采用这种工艺技术,从各企业反馈回的意见来看,采用竖式预热器的回转窑能将吨煅白的单位产品能耗由原来使用普通回转窑的270kg/kg降低到180kg/kg左右,节能效果达到30%,同时回转窑产能提高35%左右。这种新型回转窑除了比普通回转窑节能外,其环保指标也比普通回转窑要好。

为了进一步回收利用烟气余热,一些镁厂又在烟道上再增加1台热水锅炉,烟气经锅炉吸热降温后,再进入布袋收尘。用低温低压锅炉回收余热生产热水,主要用于冬季取暖和生活用热水,不仅达到了环保除尘的要求,具有良好的社会效益,而且还有一定的经济效益。烟气经过余热锅炉使温度进一步降低,避免了因烟气温度过高而烧坏滤袋,造成不必要的损失。

通过以上对金属镁厂白云石煅烧回转窑能耗分析,得知白云石煅烧高温烟气带走的热量占到总能耗的30%左右,回收利用这部分余热对众多镁生产企业来说,无论从经济效益还是环保效益都非常重要。










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