新型二氧化錳還原爐的設計與應用

田宗平，李建文，曹 建

（湖南省礦產測試利用研究所，湖南長沙410007）

化工裝備與設計

新型二氧化錳還原爐的設計與應用

田宗平，李建文，曹 建

（湖南省礦產測試利用研究所，湖南長沙410007）

根據錳系列產品生產的需要和對現有窯爐的研究，設計出新型二氧化錳還原焙燒爐。爐體結構：柱狀、立式、多通道、燃燒室與還原室隔離、隔絕空氣冷卻。配套設施：采用燃燒混合煤氣的先進、環保的供熱方式；采用數字化儀表顯示爐內溫度；進出料采用自動化設備。另外，確定了二氧化錳還原焙燒的分析測試方法。特點：生產成本低，工人勞動強度小、環境污染程度小。采用新型焙燒爐，對多個產地的二氧化錳進行還原焙燒，還原率均大于94%。

二氧化錳；還原爐；設計；應用

近年來，由于電解金屬錳、電解二氧化錳和錳鹽等產品對碳酸錳礦原料的消耗，使得中國優質錳礦資源極度貧乏。軟錳礦（又稱氧化錳礦）是中國主要錳礦資源之一，資源儲量約有5 000萬t，其中大多為低品位的貧礦［1］。由于優質錳礦資源的貧乏，人們開始致力于應用低品位氧化錳礦生產錳系列產品的研究［2-6］，成熟技術大都是將軟錳礦中的MnO2還原為MnO，再經酸浸生產錳的濕法冶金產品和化工產品。但是由于生產工藝不成熟、還原成本過高、污染嚴重等原因使得軟錳礦得不到有效利用。筆者對現有窯爐進行了長達數年的研究，綜合各種窯爐的優點，并經過數次的爐體改造、結構創新、配套設備選型與定型，設計出新型二氧化錳還原焙燒爐，并成功應用于工業生產，取得了很好的效果。

1 現有窯爐的優缺點

1）反射爐。燃料在燃燒室燃燒，生成的火焰靠爐頂反射到加熱室加熱坯料。一般用耐火磚砌筑爐膛，燃燒室設在爐頭，燃燒室燃燒原煤（煤氣、重油）產生的高溫煙氣經爐膛上部空間至凈止物料上部掠過，再從煙道口經煙道排向大氣。整個還原過程為間歇操作，需將軟錳礦粉與作為還原劑的無煙煤粉混合均勻后送入爐膛，爐內物料的攪拌和焙燒后出料均采用人工操作。優點：結構簡單，投資少，燃料種類多。缺點：能耗高，單位面積產量小，工人勞動強度大，污染嚴重。

2）回轉窯。回轉窯是指旋轉焙燒窯（俗稱旋窯），由焙燒窯和冷卻窯兩部分組成。采用重油、煤氣、電或原煤為加熱源，以連續轉動的回轉窯作反應器。以固體碳作還原劑，通過固相還原反應把軟錳礦中的MnO2直接還原為MnO。還原焙燒窯分為干燥段、預熱和升溫段、加熱反應段3部分。出料溫度在500～600℃以上，需進入冷卻窯冷卻。向冷卻窯外壁淋水，使焙燒礦冷卻至80℃以下再排出。優點：工藝成熟，生產能力大，機械化程度高，設備定型，生產過程連續。缺點：能耗高，投資大，窯內壁易結圈（疤），生產成本高，操作控制要求高等。

3）固定床窯。在地面挖掘一地窯，上面安裝爐排，在爐排上先鋪墊一層粗礦渣，再將顆粒狀的軟錳礦（≤20 mm）與煤（≤5 mm）按10∶（1～1.2）混合均勻后鋪在礦渣層上，形成物料床層。通入850～950℃主要成分為CO2的非氧化性高溫氣體，使之穿過料床，使MnO2得到還原，主要反應式如下：

4）沸騰爐和流態化爐。固體燃料在爐內被向上流動的氣流托起，在一定的高度范圍內作上下翻滾運動，并以流態化（或稱沸騰）狀態進行燃燒。用煤氣或還原性的燃料氣體作為流化介質加熱還原軟錳礦。由于加熱和還原礦石在同一爐膛內完成，使得爐內氣氛難以合理控制，因此，該類爐具有熱耗高、熱效率低、煙塵大、殘碳高、還原成本高等缺點。

5）微波還原爐。微波是一種特殊的電磁波，頻率在0.3～300 GHz，位于電磁波譜的紅外輻射波和無線電波之間。微波加熱焙燒具有以下特點：①微波電磁能通過物料內分子的激烈運動直接轉變成熱能，是一種潔凈、非接觸式加熱；②微波穿透力強，可使物體內外部整體加熱，速度快且均勻；③礦物中各種組分對微波的吸收程度不同，大多數金屬氧化物優先加熱；④微波加熱使物料中微觀粒子得到活化，使反應能降低，反應速度快；⑤不需要高溫介質傳熱，熱效率高。缺點：工藝設備成本高，開發應用尚需要時間的檢驗。

以上窯爐存在的不足：還原與氧化難分離；煙氣與粉塵的污染難控制；難以科學控制和量化管理；分析測試方法不完善；工人勞動強度大，自動化程度低；工藝參數不完善。

2 新窯爐的設計

2.1 設計理念

筆者以高還原率、低成本和環境污染小為目的，經過長期的爐體改造、結構創新、配套設備選型與定型，設計出新型二氧化錳還原焙燒爐，確立了爐體結構、配套設施。爐體結構：柱狀、立式、多通道、燃燒室與還原室隔離、隔絕空氣冷卻（見圖1）。配套設施：1）采用燃燒混合煤氣的先進、環保的供熱方式；2）采用數字化儀表顯示爐內溫度；3）進出料采用自動化設備。另外，確定二氧化錳還原焙燒的分析測試方法。

圖1 立式二氧化錳還原焙燒爐結構示意圖

2.2 生產操作過程

將二氧化錳礦破碎至粒度≤10 mm、無煙煤粉碎至粒度≤1 mm。按照二氧化錳礦粉與無煙煤粉的質量比為100∶（13～15），用鏟車將二者鏟入盤式和料機中混合，再用螺旋運輸機送入還原爐進料區，并采用自然密實度裝入還原爐中。開起煤氣發生爐，點燃混合煤氣，先用小火烘爐（6～7 d），再升溫至850～900℃，使混合礦砂在高溫還原區停留15～30 min，開啟冷卻系統，采用間隙、多道輪流和定時定量放料。將出爐焙燒砂用皮帶運輸機送入礦砂冷卻坪，待冷卻至室溫后，用雷蒙機粉碎至粒度≤150 μm，裝袋或送入礦料倉中備用，同時取樣送去化驗分析。

2.3 還原原理

該窯爐采用先進的供熱與還原隔離系統，同時將老式窯爐采用的固相碳還原技術進行了優化，在一個密閉的還原系統內實現了碳對二氧化錳的還原。首先，碳在高溫下與系統中的氧氣反應生成一氧化碳，使系統處于一個完善的還原氣氛中，然后利用一氧化碳良好的還原特性和流動性實現對二氧化錳的高效還原。其反應式如下：

該窯爐的還原特征決定了進料必須是顆粒狀的軟錳礦（粒度≤10 mm）與煤（粒度≤1 mm）。粒度太大易出現還原不完全，粒度太小一氧化碳和水蒸氣等流通不暢，易造成系統內壓過高，出現安全隱患。

2.4 化驗分析方法

化驗是工業生產的“眼睛”，它是用科學、準確、及時的化驗分析數據指導工業生產的一個重要環節。經過長期的生產實踐，確立了《鹽酸分解-硫代硫酸鈉容量法》測定原礦粉和焙燒砂中二氧化錳含量的方法。其原理為：試料溶解于鹽酸，產生的氯氣與碘化鉀反應生成碘，以淀粉作指示劑，用硫代硫酸鈉標準溶液滴定碘，根據硫代硫酸鈉標準溶液的用量，計算二氧化錳含量。

2.5 生產應用效果

新型二氧化錳還原焙燒爐推廣應用兩年多，建設安裝百余座，還原焙燒了多個產地不同質量的二氧化錳礦石，取得了很好的應用效果，分析結果見表1。從表1看出，在正常生產條件下，無論哪個產地的二氧化錳礦粉，其焙燒還原率都可達到94%以上。

表1 不同產地二氧化錳使用新型窯爐焙燒后的分析結果

3 結論

1）采用柱狀、立式、多通道、燃燒室與還原室隔離、隔絕空氣冷卻的爐體結構，實現了對二氧化錳的高效還原，而且產品質量穩定，還原率均＞94%。同時，也實現了窯體砌筑方式簡潔、操作人員勞動強度降低和能源消耗的降低。

2）選用煤氣發生爐燃燒無煙煤，先將煤氣化成混合煤氣然后再燃燒，大大提高了煤的利用率和環境保護的效果，能實現對焙燒爐有效、快速的供熱控制和調節。

3）使用爐內溫度的數字化指示，做到了對生產過程的科學量化管理以及有效及時的調整。

4）通過研究和確定二氧化錳還原焙燒的分析測試方法，能有效發揮分析測試的“眼睛”作用和對生產操作的反饋，找到了正確的還原率評價標準。

5）實施自動化進出料，可大大提高二氧化錳還原焙燒的自動化程度，減輕工人的勞動強度，提高勞動生產率。

6）焙燒產品可直接用于生產電解錳、電解二氧化錳和其他錳鹽產品的工業生產，為中國資源豐富、價格低廉的低品位軟錳礦的高效利用找到了新途徑，具有很好的經濟與社會效益。

7）新型窯爐適用于粒度＜10 mm的粒狀二氧化錳礦的還原焙燒，對于粒度較細的粉狀礦的還原焙燒有局限性，有待進一步研究。

［1］ 李同慶.低品位軟錳礦還原工藝技術與研究進展［J］.中國錳業，2008，26（2）：4-14.

［2］ 田宗平，游先軍，彭順連，等.二氧化錳還原焙燒爐的研究與運用［J］.中國錳業，2009，27（2）：24-26.

［3］ 黎貴亮，韋英明.廣西天等氧化錳礦還原焙燒法生產電解金屬錳工業試驗研究［J］.中國錳業，2008，26（2）：28-31.

［4］ 田宗平.硫酸錳生產新工藝的研究［J］.中國錳業，2010，28（2）：26-29.

［5］ 周佩楠.兩礦法制液生產電解金屬錳的工業實踐［J］.中國錳業，2009，27（3）：44-48.

［6］ 田宗平，朱介中，王雄英，等.兩礦加酸法生產硫酸錳的工藝研究與應用［J］.中國錳業，2005，23（4）：37-38.

聯系方式：hnxx-tianzongping@163.com

Design and application of new-type manganese dioxide reduction furnace

Tian Zongping，Li Jianwen，Cao Jian
（Hunan Institute of Mineral Resources Test and Utilization，Changsha 410007，China）

A new-type manganese dioxide reduction furnace was designed according to production needs of manganese products and the researches on the existing furnaces.Furnace structure：columnar shape，vertical，multiple channels，the combustion chamber separated from reducing room，and air isolated cooling way；Corollary equipment：advanced and eco-friendly gas mixing combustion system；furnace temperature digital display；and automatic feeding and discharging.In addition，the analysis and test methods of manganese dioxide reduction roasting were confirmed.Characteristics：low cost，low labor intensity，and little environmental pollution.Reduction rates all over 94%when the new-type furnace was applied in reduction roasting manganese dioxide of different origins.

manganese dioxide；reduction furnace；design；application

TQ052

：A

：1006-4990（2012）03-0047-03

2011-09-12

田宗平（1963—），男，高級工程師，主要從事濕法冶金工藝、分析測試及環保研究，已發表論文42篇，獨立編寫了《錳冶金學》第15章，主持編寫了《中國錳業技術》第18章。