用于軟錳礦還原的電熱式焙燒爐的改進(jìn)

駱浩 王瑞

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州730060）

0 引言

錳是鋼鐵工業(yè)中的重要原料，自然界中的錳礦分為菱錳礦（MnCO3）、軟錳礦（MnO2）、方錳礦（MnO）、方鐵錳礦（Mn2O3）、黑錳礦（Mn3O4）、羥錳礦（Mn(OH)2）等，其中以菱錳礦和軟錳礦所占比例最大。經(jīng)過多年開發(fā)利用，利用價(jià)值更高的菱錳礦和高品位的軟錳礦難以滿足不斷增長的巨大需求，一些菱錳礦的品位已降低到13%～15%，還在開采利用，另一方面含錳20%～25%的軟錳礦因?yàn)槌杀尽⒛芎摹⑽廴镜雀鞣矫娴膯栴}得不到有效利用。因此改進(jìn)軟錳礦利用過程中存在的問題，顯得尤為必要[1]。

1 傳統(tǒng)方法

軟錳礦利用的第一步是先將MnO2還原為MnO，再進(jìn)行后續(xù)的加工過程。

一種工藝的核心設(shè)備是還原窯。熱風(fēng)爐產(chǎn)生高溫?zé)煔?，再將煙氣通入還原窯內(nèi)與錳礦及還原介質(zhì)直接接觸發(fā)生反應(yīng)。還原窯的優(yōu)點(diǎn)是一次性投資小，缺點(diǎn)是由于窯體與物料相對靜止，換熱效果差，停留時(shí)間長，還原窯通常很長，可達(dá)100米甚至更長，同時(shí)有大量物料被高溫氣體帶出，需龐大的后續(xù)捕集除塵設(shè)施，熱量利用率低，目前基本屬于被淘汰的工藝。

另一種工藝的核心設(shè)備是電焙燒爐。電阻絲在保溫爐膛內(nèi)發(fā)熱，使筒體內(nèi)產(chǎn)生800℃以上的高溫環(huán)境，二氧化錳與煤粉發(fā)生反應(yīng)，被還原為一氧化錳，然后在密閉條件下將產(chǎn)品降溫至110℃以下再出料。

由于加熱段和冷卻段都需要物料在筒體內(nèi)停留數(shù)個(gè)小時(shí)，每段筒體都較長，受以前機(jī)械設(shè)計(jì)方面的制約，筒體無法做的太長，通常的做法是將高溫還原段與冷卻段分成兩臺(tái)設(shè)備，焙燒還原后的產(chǎn)品出料后再進(jìn)入冷卻設(shè)備。物料轉(zhuǎn)運(yùn)過程中表面的高溫一氧化錳由于接觸空氣，再次被氧化為二氧化錳，導(dǎo)致最終產(chǎn)品還原率不高。同時(shí)高溫段的散熱問題比較嚴(yán)重，熱效率不高。[2-3]

2 改進(jìn)

廣西某一氧化錳廠原來即采用分段式結(jié)構(gòu)焙燒還原爐，最終產(chǎn)品還原率僅為80%左右，每噸產(chǎn)品能耗達(dá)500kWh，單臺(tái)設(shè)備最大處理量僅有1.5噸/小時(shí)。

我公司通過多方面細(xì)節(jié)的改進(jìn)，大大改進(jìn)了這一傳統(tǒng)的還原方法，在還原率、能耗、單臺(tái)處理量等方面取得了進(jìn)步，獲得廠家的認(rèn)可。

2.1 設(shè)計(jì)條件

單臺(tái)還原爐產(chǎn)量4.5噸/小時(shí)，煤熱值28630kJ/kg。

最終，我公司設(shè)計(jì)的電焙燒爐規(guī)格為 Φ1800×43000mm， 其中加熱段21.8m，冷卻段17.6m，過渡段3.6m。電阻絲裝機(jī)功率1800kW，分為10組進(jìn)行控制。筒體轉(zhuǎn)速可在0.62～1.6rpm間調(diào)節(jié)。

2.2 工藝流程

本套系統(tǒng)用于焙燒、還原、冷卻錳礦和煤粉的混合物。

錳礦和低硫煤粉按5：1（該比例根據(jù)實(shí)際反應(yīng)情況可進(jìn)行調(diào)節(jié)）的質(zhì)量比混合后，通過上游的輸送設(shè)備進(jìn)入焙燒爐進(jìn)料螺旋，經(jīng)螺旋輸送機(jī)送入焙燒爐。焙燒所用熱量由保溫爐膛內(nèi)的多組電加熱絲提供。混合物經(jīng)過預(yù)熱、升溫，錳礦中的二氧化錳與煤粉中的碳在800～900℃高溫條件下，發(fā)生還原反應(yīng)，生成一氧化錳和CO2。在焙燒爐后段，通過在筒體外壁噴淋水，使產(chǎn)品溫度降至約150℃。焙燒爐出口接冷渣機(jī)，進(jìn)一步將物料溫度降至80℃以下。降溫后的還原產(chǎn)品及剩余的礦渣，經(jīng)出口料封罐料封排出后進(jìn)入下一工段。

焙燒爐的載氣溫度約550℃，主要成分包括濕份、揮發(fā)份氣體、反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳、一氧化碳、硫化物、系統(tǒng)漏入的密封氮?dú)饧皵y帶的少量粉塵。在載氣管路上通入一定量環(huán)境空氣使其降溫，之后進(jìn)入布袋除塵器，除塵后達(dá)到環(huán)保要求的尾氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)排空。布袋除塵器撲集下的粉塵，經(jīng)星型卸料閥排出，送至焙燒爐前段進(jìn)料斗回用。

焙燒爐主電機(jī)設(shè)置為變頻調(diào)速，方便調(diào)節(jié)物料在爐內(nèi)的停留時(shí)間，進(jìn)一步控制還原率。

表1 錳礦物料組成 表2 錳礦粒度分布表 表3 煤樣分析結(jié)果

圖1

3 關(guān)鍵點(diǎn)的改進(jìn)

3.1 進(jìn)出料

3.1.1 進(jìn)料端

原裝置混合均勻的錳礦粉和煤粉先進(jìn)入小緩沖倉料封，然后通過旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)入還原爐的螺旋輸送機(jī)。實(shí)際使用過程中，由于上游原料中雜質(zhì)無法清除干凈，旋轉(zhuǎn)進(jìn)料閥易卡堵。改進(jìn)后增大緩沖倉，并保證緩沖倉的料位高度，取消旋轉(zhuǎn)閥，達(dá)到了較好的密封效果。

3.1.2 出料端

出料端的密封是保證系統(tǒng)還原率的關(guān)鍵。本裝置采用6道丁基橡膠V型填料加2道聚四氟乙烯編織碳纖維方形填料的方式進(jìn)行密封，同時(shí)采用壓縮氮?dú)鈱μ盍线M(jìn)行壓緊，確?？諝饴┤肓拷档偷阶钌?。

3.2 筒體

3.2.1 材料的選擇

由于焙燒爐需長期在800～900℃下運(yùn)轉(zhuǎn)，筒體材料的選擇至關(guān)重要。經(jīng)過多方比較，加熱段材料選用316S不銹鋼。焙燒爐的工作溫度接近316S的使用極限，使用一段時(shí)間后，在反應(yīng)放熱段不可避免地會(huì)發(fā)生疲勞斷裂的現(xiàn)象。

實(shí)際使用中，崇左埃赫曼康密勞還原爐[3]2006年投用，每隔半年到一年周期性斷裂，配合檢修進(jìn)行補(bǔ)焊，每次費(fèi)用數(shù)萬元，可再次使用半年。數(shù)次補(bǔ)焊后可準(zhǔn)備一節(jié)約2米長的310S筒節(jié)，用10天左右時(shí)間進(jìn)行更換，價(jià)格成本和時(shí)間成本可以接受。此種方法在經(jīng)濟(jì)性和使用壽命方面取得了平衡，得到了廠家的認(rèn)可。

如選用耐溫性能更高的材料，如HR120，價(jià)格為316S的數(shù)倍，從設(shè)備全壽命周期來比較，經(jīng)濟(jì)性反而不如用310S合算。

加熱段與冷卻段之間3600mm長的傳動(dòng)段，選用耐熱性稍差、價(jià)格較便宜的321過渡，一方面節(jié)省了材料成本，同時(shí)也能滿足溫度要求。

冷卻段采用Q345R材料。

3.2.2 壁厚的選擇

一方面筒體太厚的話，影響傳熱效果，如果太薄，設(shè)備強(qiáng)度不夠，綜合考慮，加熱段筒體厚度采用20mm，過渡段與冷卻段壁厚采用16mm。

3.3 保溫爐膛

3.3.1 保溫層

焙燒爐熱效率的高低取決于保溫爐膛的保溫效果，為使電阻絲產(chǎn)生的熱量盡可能少地散失于環(huán)境中，爐膛底部從下到上依次鋪設(shè)兩層膨脹珍珠巖隔熱磚、兩層輕質(zhì)粘土隔熱磚、兩層莫來石隔熱磚，總厚度400mm，電阻絲擱于堇青石擱絲磚上。爐膛側(cè)面及頂部為高鋁纖維甩絲毯模塊，間隙塞以高鋁或硅酸鋁纖維毯，總厚度400mm。爐膛兩端為高鋁硅酸鋁可塑塊。

實(shí)際使用中爐膛保溫效果良好，外壁溫度在50℃以下，人體可直接接觸。

3.3.2 電阻絲排布

電阻絲纏于剛玉管上，置于擱絲磚上，屬于易損件，從爐膛兩側(cè)插入，可在線更換。電阻絲最小間距不宜小于20mm，否則熱量局部集聚，電阻絲易損壞。

3.4 冷卻段

冷卻段采用頂部噴淋循環(huán)水進(jìn)行冷卻，冷卻水通過筒壁與焙燒段的高溫物料換熱，筒體內(nèi)設(shè)置抄板，抄板與筒體夾角設(shè)為45°，延長物料與筒壁接觸時(shí)間。物料在出口處被降溫至150℃左右，在該溫度以下，溫差小，傳熱效果差，想進(jìn)一步降低物料溫度冷卻段需加長很多，不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)該溫度低于出料箱填料200℃的耐受溫度，保證了填料的正常使用。

在焙燒爐出口采用冷渣機(jī)可進(jìn)一步降溫至80℃。冷渣機(jī)出口再接料封罐，得到一氧化錳產(chǎn)品。

4 結(jié)論

（1）通過以上各方面的改進(jìn)，目前該裝置運(yùn)行情況穩(wěn)定，單臺(tái)產(chǎn)量達(dá)到4.5噸/小時(shí)，噸產(chǎn)品電耗低于300kWh，物料出口溫度低于90℃，還原率達(dá)95%以上。

（2）工業(yè)上直接利用低品位軟錳礦，為我國豐富的軟錳礦資源的綜合利用找到了新途徑，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（3）在目前新的錳礦還原技術(shù)（如微波還原爐、立式還原爐等）還未成熟以前，通過改進(jìn)細(xì)節(jié)，深挖傳統(tǒng)焙燒技術(shù)的潛力，具有可行性，值得推廣。

［1］洪世琨.我國錳礦資源開采現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展的研究[J].中國錳業(yè),2011,29(3):13-16.

［2］田宗平.二氧化錳還原焙燒爐的研究與運(yùn)用[J].中國錳業(yè),2009,27(2):24-25.

［3］李同慶.低品位軟錳礦還原工藝技術(shù)與研究進(jìn)展[J].中國錳業(yè),2008,26(2):4-7.

［4］譚永鵬.電熱式焙燒冷卻爐在二氧化錳還原中的應(yīng)用[J].中國錳業(yè),2009,27(2):49-52.