熱態(tài)鎂渣余熱回收及資源化利用

郭靜靜 牛艷娥 張利軍 郝 睿

(1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2.陜西榆林鎂業(yè)(集團)有限公司)

金屬鎂儲量豐富、質(zhì)量輕，同時其合金具有密度小、強度高、彈性模量大、散熱好、消震性好、承受沖擊載荷能力大，對有機物和堿的耐腐蝕性能好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空、航天、運輸和化工等工業(yè)部門。

作為世界第一鎂產(chǎn)量大國，2021年我國原鎂產(chǎn)量95.44萬t。皮江法煉鎂具有建廠快、投資省、可利用多種熱源、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點。其生產(chǎn)流程為白云石首先在回轉(zhuǎn)窯或立窯中被煅燒成煅白，然后經(jīng)研磨與硅鐵粉和螢石粉混合制成含鎂球團，將鎂球團送入耐熱合金制成的還原罐內(nèi)，在真空條件下還原成粗鎂，經(jīng)過熔劑精煉、鑄錠和表面處理，產(chǎn)出金屬鎂錠。皮江法中鎂還原屬于間歇式生產(chǎn)方式，主要發(fā)生在鎂還原爐中，鎂還原爐生產(chǎn)周期約為10 h，分物料預(yù)熱期、低真空加熱期和高真空加熱期三個階段。

在鎂還原過程中伴隨產(chǎn)生鎂渣，每生產(chǎn)1 t 粗鎂，同時會產(chǎn)生6～10 t 左右鎂渣，其出爐溫度較高，一般在1 200 ℃左右。為保證其后續(xù)資源化應(yīng)用，熱態(tài)鎂渣不宜水冷，生產(chǎn)中常將熱態(tài)鎂渣置于空氣中自然冷卻。熱態(tài)鎂渣屬于高品質(zhì)的余熱資源，目前基本沒有回收利用，不僅浪費了大量余熱資源，還極大地影響了工作環(huán)境。

1 熱工測試

還原爐是皮江法主要耗能設(shè)備，對其進行熱工性能的評價，定量分析熱量利用現(xiàn)狀，為后續(xù)能效提升提供數(shù)據(jù)支撐。

1.1 測試依據(jù)

測試依據(jù)是參照國標GB/T13338-1991和SY/T6381-2008《加熱爐熱工測定》。測試在穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)的4 h內(nèi)完成。測試前保證穩(wěn)定生產(chǎn)正常工作24 h。

1.2 測點布置及測試方法

測點布置及測試方法見表1。

表1 測點布置及測試方法

1.3 熱工測試結(jié)果及分析

根據(jù)測試結(jié)果，得出鎂還原爐熱平衡表，見表2。

表2 鎂還原爐熱平衡表

(1)由于采取了先進的蓄熱式燃燒技術(shù)，煙氣物理熱得到了有效回收利用，其占比僅為3.52%；

(2)鎂渣出爐溫度高達1 200 ℃，其帶走的顯熱占全部熱損失的13.8%，屬于高品質(zhì)余熱資源，是進一步降低能耗的關(guān)鍵；

(3)外表面散熱帶走的熱量相當大，占比為9.54%，使用高品質(zhì)保溫棉后，可降至6%以下；

(4)冷卻水帶走的熱占比為15.63%，可以考慮從工藝上減少這部分損失或者采用換熱等方式利用這部分熱量。

2 高溫鎂渣節(jié)能措施

余熱回收利用有熱利用和動力利用二種方式，前者包括余熱預(yù)熱、干燥、供熱、供暖等，后者為熱能轉(zhuǎn)化為電能或者機械能。

余熱資源回收利用的總原則：根據(jù)余熱資源的數(shù)量、品質(zhì)和用戶需求，按照能級相匹配的原則，按質(zhì)回收、溫度對口、梯級利用。從轉(zhuǎn)換角度，轉(zhuǎn)換次數(shù)越少，余熱回收利用效率越高；從熱用戶角度，就地利用或者回用本工序，減少輸送環(huán)節(jié)，余熱回收利用效率越高。

2.1 新型換熱管移動床預(yù)熱技術(shù)

新型換熱管移動床回收鎂渣余熱工藝不僅發(fā)揮移動床回收高溫固體余熱穩(wěn)定性好，處理能力大的優(yōu)點，而且傳熱強度大，處理能力靈活可調(diào)。根據(jù)還原爐制鎂的生產(chǎn)周期，利用“系統(tǒng)工程理論”，確定適合現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的新型換熱管移動床回收鎂渣余熱的工藝參數(shù)，制定合理的換熱制度。新型換熱管移動床不僅合理地回收和利用了鎂渣余熱，而且對現(xiàn)有的鎂生產(chǎn)工藝改動極小，有利于該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

原工藝常溫的鎂球團間歇式進入鎂還原爐，常溫空氣和氣體燃料鼓入鎂還原爐燃燒，為鎂還原反應(yīng)提供所需熱量，鎂球團經(jīng)過物料預(yù)熱、低真空加熱和高真空加熱三個階段，時間約10～12 h。還原制得的鎂蒸汽在外部水箱冷卻的作用下，冷凝在250 ℃鋼套上，同時1 200 ℃的鎂渣從還原爐中排出，如圖1所示。

圖1 舊工藝流程

新型換熱管移動床回收鎂渣余熱工藝見圖2。常溫鎂球團放入換熱管內(nèi)部，將1 200 ℃的鎂渣周期性加入換熱管外部，并且鼓入適量的冷風。常溫的鎂球團在鎂渣—鎂球團換熱和鎂渣—預(yù)熱氣體—鎂球團雙重換熱作用下，加熱至350 ℃左右，從移動床中排出，進入鎂還原爐；鎂渣冷卻到200 ℃后，從移動床中排出；冷卻空氣預(yù)熱到500 ℃，鼓入鎂還原爐，作為氣體燃料的助燃空氣使用。

圖2 新工藝流程

該技術(shù)對現(xiàn)有鎂還原工藝改動很小，極易與現(xiàn)有工藝設(shè)備配合。

新型換熱管移動床回收鎂渣余熱工藝，一方面以助燃空氣的形式，直接回收高溫熱態(tài)鎂渣余熱，另一方面，將鎂球團預(yù)熱至350 ℃以上，大大縮短傳統(tǒng)的鎂還原周期，間接回收高溫熱態(tài)鎂渣余熱，初步估算合計每年回收13萬tce。

2.2 豎式換熱余熱發(fā)電技術(shù)

豎式換熱技術(shù)由于固氣逆流高效換熱、處理能力大、熱工參數(shù)易調(diào)節(jié)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于冶金、化工等行業(yè)。該技術(shù)模擬干熄焦原理，對高溫鎂渣進行余熱回收。其工藝過程為：1 200 ℃鎂渣由內(nèi)襯耐火材料并且加蓋的吊斗倒入豎式罐體中，常溫的空氣從罐體底部的風帽均勻鼓入，與高溫鎂渣逆流強化換熱，鎂渣冷卻至150 ℃以下排出。預(yù)熱空氣溫度可以在350～800 ℃范圍內(nèi)，根據(jù)鼓入的空氣量進行調(diào)整。

以熱能轉(zhuǎn)化為電能的方式討論如下：每生產(chǎn)1 t鎂，平均副產(chǎn)1 200 ℃的鎂渣6.5 t，排渣溫度150 ℃，按照熱回收效率80%計算，可以產(chǎn)生10 000 m3的350 ℃的空氣，經(jīng)過余熱鍋爐，可以產(chǎn)生1.1 t的過熱蒸汽，發(fā)電260 kWh。全國每年鎂渣余熱可以發(fā)電23 000萬kWh。

3 鎂渣資源化

目前，皮江法冶煉鎂產(chǎn)生的鎂渣是固體廢物，其主要成分見表3。剛出爐的高溫鎂渣呈球狀，在空氣中自然冷卻過程中，極易粉化，形成粉塵污染，人體吸入會導(dǎo)致呼吸道疾??；鎂渣有吸潮能力，堆放鎂渣的土地板結(jié)，無法用于農(nóng)業(yè)耕種。根據(jù)減量化、無害化和資源化的固廢處理原則，合理科學(xué)處理和利用鎂渣是亟需解決的問題。

表3 典型鎂渣主要成分 %

由表3可知，鎂渣為鈣硅類堿性混合物，所以目前國內(nèi)外金屬鎂渣資源化主要集中在脫硫和建筑材料兩個方面。

3.1 脫硫吸收材料

據(jù)統(tǒng)計，大氣中約90%的SO2由煤炭燃燒產(chǎn)生。SO2是酸性氣體，目前主要采用鈣基、鎂基、氨基、鈉堿基等堿性吸收材料吸收煙氣中 SO2，以實現(xiàn)脫硫目的。鎂渣風化后為結(jié)構(gòu)疏松多孔、富含 CaO、MgO 等堿性氧化物(CaO和MgO質(zhì)量分數(shù)之和在60%以上)，理論上可以有效去除煙氣中SO2。

李經(jīng)寬[1]等在不同氧氣含量、不同粒徑、不同反應(yīng)溫度條件下，對鎂渣脫硫性能進行了研究，并利用SEM觀察了鎂渣脫硫反應(yīng)前后的微觀結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明，金屬鎂冶煉還原渣可以用于工業(yè)鍋爐脫硫。

王興等[2]利用自制的小型熱態(tài)流化床，研究了鎂渣粒徑、反應(yīng)溫度、反應(yīng)氣體濃度對脫硫性能的影響。實驗結(jié)果為金屬鎂渣應(yīng)用于流化床爐內(nèi)脫硫提供了理論依據(jù)。雖然鎂渣可以作為脫硫劑，但脫硫效率不高，需要添加其他物質(zhì)協(xié)同脫硫，或者對鎂渣改性處理提高脫硫性能。

樊保國[3]等人添加粉煤灰和鎂渣進行水合反應(yīng)，提高了脫硫性能，制備了適用于循環(huán)流化床鍋爐的以鎂渣為基質(zhì)脫硫劑。

韓飛[4]不僅研究了三種改性方式(即激冷水合、添加劑激冷水合和激冷蒸汽活化)對鎂渣的鈣轉(zhuǎn)化率的影響，而且得到了隨著鎂渣激冷溫度升高，促進了具有發(fā)達孔隙結(jié)構(gòu)的C-S-H生成，提高鎂渣脫硫活性。

3.2 建材方面研究

鎂渣的主要化學(xué)成分與水泥接近，眾多學(xué)者[5-8]對鎂渣在水泥方面的資源化做了大量工作，從可行性分析、添加后水泥性能變化和應(yīng)用實踐等多個方面進行了實驗和分析。結(jié)果表明，生料中鎂渣添加量10%左右時，不僅熟料各齡期的抗壓強度和抗折強度均有所提高，而且降低了熟料燒成所需的綜合電耗，增加水泥產(chǎn)量，大大降低了水泥的生產(chǎn)成本。

鎂渣主要礦物組成為γ-C2S、β-C2S、MgO等。鎂渣中以CaO、SiO2、MgO等為主要成分，MgO和CaO 與水反應(yīng)可生成膨脹性的產(chǎn)物Mg(OH)和Ca(OH)，使得鎂渣具有一定的膨脹效果。

崔素萍[9]、陳恩清[10]等以鎂渣、粉煤灰等為原料，開展了制備混凝土膨脹劑的實驗研究，在蒸壓和激發(fā)的條件下生產(chǎn)的加氣混凝土砌塊，性能符合國標要求；鎂渣的摻量約60%為最佳比例；實現(xiàn)了以廢治廢。

杜強等[11]首先利用正交實驗研究了粉膠比、鎂渣細度和鎂渣取代率對改制瀝青的影響，再單因素分析了三因素對瀝青粘結(jié)性的影響規(guī)律，實驗結(jié)果表明改制瀝青影響程度大小依次為粉膠比、鎂渣取代率和鎂渣細度，同時鎂渣取代率在60%以內(nèi)是可行的。

4 結(jié)語

文章首先對皮江法的主要耗能設(shè)備——還原爐進行了熱工測試，了解了熱量的利用情況；結(jié)合測試結(jié)果，按照余熱利用形式，分別提出了兩種高效回收高溫鎂渣余熱資源的技術(shù)，最后結(jié)合鎂渣成分，論述了鎂渣在脫硫和建材方面的資源化利用。