車永林

（青海鹽湖鎂業(yè)有限公司，青海 格爾木 816000）

察爾汗鹽湖各類鹽資源總儲(chǔ)量多達(dá)600多億噸，其中氯化鈉儲(chǔ)量500億噸以上，氯化鉀儲(chǔ)量就達(dá)到4.25億噸；氯化鎂儲(chǔ)量40.6億噸均位居全國首位，其中氯化鎂儲(chǔ)量占世界液態(tài)鎂資源總量的40%以上。按每年生產(chǎn)100萬噸原鎂計(jì)，可生產(chǎn)1000年。

鎂資源是鹽湖的優(yōu)勢(shì)資源,但由于受技術(shù)條件限制，一直沒有得到真正的開發(fā)利用，目前察爾汗鹽湖鎂資源利用率只有2%左右。用無水氯化鎂作原料電解鎂的技術(shù)是全球最先進(jìn)的煉鎂技術(shù)，但長(zhǎng)期以來，電解鎂的核心技術(shù)-含水氯化鎂脫水技術(shù)一直為國外公司所擁有[1]。2006年挪威海德魯公司(Norsk Hydro)關(guān)閉了位于加拿大魁北克的Becancour鎂廠并退出鎂行業(yè)，鹽湖股份公司為貫徹省委、省政府關(guān)于加快鹽湖資源綜合開發(fā)利用的決定，立足察爾汗鹽湖并依托柴達(dá)木盆地豐富的礦產(chǎn)資源，實(shí)現(xiàn)鹽化工、煤化工、天然氣化工、有色冶煉等多產(chǎn)業(yè)間融合發(fā)展，以此為契機(jī)啟動(dòng)金屬鎂一體化項(xiàng)目，購買了挪威海德魯公司的電解鎂工藝生產(chǎn)技術(shù)。金屬鎂一體化項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)鹽湖資源綜合開發(fā)與利用，對(duì)加快柴達(dá)木循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、對(duì)青海省經(jīng)濟(jì)又好又快可持續(xù)發(fā)展、對(duì)全面提升中國鎂工業(yè)水平，打造鎂工業(yè)強(qiáng)國具有重要意義[2]。

1 工藝流程簡(jiǎn)述和技術(shù)特點(diǎn)

1.1 工藝流程簡(jiǎn)述

鹽湖10萬噸/年金屬鎂裝置采用熔鹽電解法生產(chǎn)金屬鎂，利用鉀肥生產(chǎn)后的尾液在鹽田灘曬析出的水氯鎂石作為原料，在經(jīng)化鹽池化鹽，采用氯化鋇法除去硫酸根離子，經(jīng)陶瓷膜法精制過濾得到一次鹵水，再經(jīng)螯合樹脂離子交換法除硼工藝制得精制鹵水。

合格鹵水經(jīng)蒸發(fā)濃縮、造粒后冷卻結(jié)晶形成4.8mol H2O的濕顆粒，進(jìn)入空到氣干燥器中含水量降低到2.0mol H2O，再到氯化氫干燥器中在HCl氛圍下進(jìn)行干燥，使MgC12顆粒的水分進(jìn)一步降低到0.05%以內(nèi)，同時(shí)使MgOHCl含量降低到低于0.4%（wt），并對(duì)于不同流化床干燥器后尾氣洗滌塔系統(tǒng)中所含廢HCl進(jìn)行回收，然后對(duì)此加以解析，解析后HCl氣體返回氯化氫干燥器循環(huán)利用。用電壓為6.08V、電流為426KA的直流電流將無水氯化鎂顆粒料，在以KCl-NaCl-CaCl2-MgCl2基的電解質(zhì)溶液中，將無水氯化鎂顆粒料熔融，然后將熔融的無水氯化鎂電解成金屬鎂和氯氣，氯氣輸送至下游生產(chǎn)PVC相關(guān)產(chǎn)品。

圖1 鹽湖金屬鎂工藝流程簡(jiǎn)圖

1.2 工藝技術(shù)特點(diǎn)

鹽湖10萬噸/年金屬鎂裝置是目前國內(nèi)外生產(chǎn)能力最大的金屬鎂生產(chǎn)裝置。鹽湖電解鎂與海德魯技術(shù)區(qū)別比較表如下。

鹽湖氯化鎂資源豐富，用鉀肥生產(chǎn)的尾液經(jīng)鹽田簡(jiǎn)單灘曬即可得到純度高于96%以上的水氯鎂石晶體礦，相比海德魯更具有資源優(yōu)勢(shì)。但由于地理環(huán)境（海拔高、鹽霧大）、原料成分、流化床介質(zhì)加熱方式等方面差異，其中的部分工藝由加拿大赫氏工程公司進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造，不僅需要對(duì)引進(jìn)技術(shù)進(jìn)行消化、吸收，而且在試生產(chǎn)調(diào)試過程中對(duì)原工藝參數(shù)的適用性也需不斷地驗(yàn)證以及再創(chuàng)新[3]。

表1 鹽湖電解鎂與海德魯技術(shù)區(qū)別比較表

青海地區(qū)具有豐富的水電、光電、風(fēng)電資源，不僅為電解鎂工業(yè)提供了強(qiáng)大的動(dòng)力支撐，更是為鎂工業(yè)發(fā)展提供了清潔能源。鹽湖電解鎂工藝在規(guī)模化生產(chǎn)、節(jié)能減排、產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，據(jù)測(cè)算達(dá)產(chǎn)后10萬噸電解鎂噸鎂二氧化碳排放量?jī)H為7.15噸，噸鎂固廢排放量?jī)H為0.06噸。鹽湖電解鎂在技術(shù)條件成熟后可根據(jù)市場(chǎng)需求和資源配置狀況，適時(shí)大規(guī)模擴(kuò)大產(chǎn)能，有利于提高產(chǎn)業(yè)集中度，形成鎂產(chǎn)業(yè)大格局，可極大地發(fā)揮產(chǎn)業(yè)規(guī)模優(yōu)勢(shì)。鹽湖電解鎂已形成了完整的、獨(dú)特的工藝技術(shù)體系，相關(guān)單元技術(shù)基本采用了相關(guān)行業(yè)的前沿技術(shù)。

2 工藝技術(shù)難點(diǎn)和措施

因工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝、生產(chǎn)管理等諸多因素的影響，加之引進(jìn)技術(shù)本身較為復(fù)雜的原因，導(dǎo)致脫水線長(zhǎng)期在低負(fù)荷35%～50%運(yùn)行，電解槽電流長(zhǎng)期在200～400KA之間波動(dòng)。現(xiàn)將金屬鎂裝置在投料試車過程中存在的工藝技術(shù)難點(diǎn)問題，以及擬解決措施整理如下。

2.1 蒸發(fā)造粒系統(tǒng)

原設(shè)計(jì)由于忽略高原空氣稀薄，密度小，阻力小，在相同轉(zhuǎn)速的和離心力的條件下，顆粒水平方向射程變大，造成造粒塔結(jié)壁現(xiàn)象嚴(yán)重。

采取措施：分析高原氣候條件下造粒過程中的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，建立顆粒的運(yùn)動(dòng)方程。通過不同噴頭形式的實(shí)驗(yàn)，確定合理的噴頭結(jié)構(gòu)；減小網(wǎng)籃直徑、縮小孔徑等，獲取合理的“傘形”軌跡。通過試驗(yàn)、測(cè)試、分析，優(yōu)化控制邏輯，解決造粒塔的結(jié)壁問題。

2.2 空氣干燥系統(tǒng)

（1）空氣干燥器塔盤一往塔盤二下料管在提升負(fù)荷過程中頻繁熔料堵塞。

原因分析：原海德魯空氣干燥器只有塔盤二有風(fēng)室，設(shè)計(jì)改造時(shí)給塔盤一增加了單獨(dú)的進(jìn)風(fēng)室，塔盤一的顆粒需經(jīng)下料管進(jìn)入塔盤二，此時(shí)風(fēng)室內(nèi)的345℃熱風(fēng)會(huì)將溫度傳導(dǎo)給下料管內(nèi)的顆粒，塔盤一顆粒由4.0H2O和2.0H2O化合物組成，其中4.0H2O氯化鎂的熔點(diǎn)只有為181℃，因此導(dǎo)致熔料現(xiàn)象。

采取措施：一是將塔一往塔二的下料管從塔外部跨接，使之避開高溫風(fēng)室的熱傳導(dǎo)，防止熔料現(xiàn)象。

（2）原系統(tǒng)空氣干燥器設(shè)計(jì)直徑偏小，致使氯化鎂濕顆粒在空氣干燥器中的停留時(shí)間不足，影響干燥能力；塔盤分區(qū)不合理，致使顆粒在進(jìn)入下層塔盤時(shí)容易出現(xiàn)爆珠或熔化堵塞塔盤，導(dǎo)致空氣干燥系統(tǒng)無法穩(wěn)定運(yùn)行。

采取措施：通過對(duì)空氣干燥器各塔盤進(jìn)行功能分區(qū)，形成六水高速脫水區(qū)、均質(zhì)區(qū)、四水脫水區(qū)，并且對(duì)塔盤上的擋板及C形擋板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，解決熔料及爆珠問題。

（3）空氣尾氣洗滌系統(tǒng)兩股弱酸無法投用：尾氣洗滌系統(tǒng)C202塔氣液夾帶嚴(yán)重、C203塔除霧器除霧效果差，導(dǎo)致K202風(fēng)機(jī)葉輪腐蝕嚴(yán)重，衛(wèi)生洗滌塔的酸不能按設(shè)計(jì)工藝路線進(jìn)入到尾氣精洗滌塔C203。

原因分析1：設(shè)計(jì)單位對(duì)C201塔防沖擋板選材為Inconel600，但實(shí)際運(yùn)行C301塔同材質(zhì)預(yù)冷器腐蝕嚴(yán)重。經(jīng)查相關(guān)研究資料如下：Inconel600對(duì)于低于2%的鹽酸有好的抗蝕性能，從實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表得出，裸露的Inconel600材料，在對(duì)熱鹽酸溶液在相當(dāng)?shù)偷臐舛认虏庞泻玫目刮g性能，如在溫度30℃時(shí)，放置于5%鹽酸溶液中其腐蝕速率為0.097IPY（英寸滲透/年)，而在85℃時(shí)為1.95IPY，因科鎳材料在低濃度酸中年腐蝕率高溫工況相比低溫工況高達(dá)約20倍。

采取措施1：已有四臺(tái)C201塔預(yù)冷器已更換，材料選型為鉭材，已使用一年，效果良好。

表2 SF6與R-134a對(duì)比數(shù)據(jù)表

原因分析2：C202空氣干燥氯化氫洗滌塔，由于高海拔氣候下，空氣密度小，相同的質(zhì)量生產(chǎn)率需要更大的氣速，但設(shè)計(jì)單位未考慮氣候影響，所以實(shí)際生產(chǎn)中空塔氣速過大，導(dǎo)致氣液夾帶量過大，氯化氫分離效率差，大量酸液進(jìn)入后系統(tǒng)。

采取措施2：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)此塔進(jìn)行了擴(kuò)徑處理，將空塔氣速降低在合理范圍內(nèi)。

原因分析3：C203塔除霧效率差，液體霧滴造成K202風(fēng)機(jī)葉輪腐蝕嚴(yán)重不能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

采取措施3：在K202風(fēng)機(jī)采用纖維式高效除霧器，將≥3μm的液滴全部被捕捉，≥1μm的液滴99%以上全被捕捉。

2.3 氯化氫干燥系統(tǒng)

2.3.1 氯化氫干燥器塔盤一頻繁堵塞

原因分析：由于塔盤一設(shè)計(jì)不合理，為相同孔徑的雙層塔盤，塔盤間容易積存顆粒及粉塵，在高溫風(fēng)通過時(shí)水份過高的物料會(huì)熔融后封閉部分篩孔，導(dǎo)致塔盤流化狀態(tài)惡化或消失，塔盤一壓降不斷上升，這也是造成干燥線周期性停車的主因。

采取措施：雙層塔盤更換為具有自清潔功能的單層鰓形塔盤，并且在第一層塔盤上設(shè)置蒸汽盤管來進(jìn)行熱補(bǔ)償，可以靈活調(diào)整由于原料水份變化或熱風(fēng)溫度變化引起的工藝波動(dòng)。

2.3.2 氯化氫壓縮機(jī)葉輪腐蝕

原因分析：氯化氫干燥后的尾氣經(jīng)冷卻除濕后，需要循環(huán)作為干燥介質(zhì)使用，當(dāng)循環(huán)的氯化氫氣體中夾帶有細(xì)小的液滴，則會(huì)對(duì)葉輪形成沖蝕。

采取措施：采用一種復(fù)合型除霧器+電加熱方案，先去除尾氣中的小液滴，并且將余留的小液滴進(jìn)行了汽化，以改善氯化氫氣體中夾帶酸性霧滴的問題，減少對(duì)壓縮機(jī)的葉輪酸滴沖蝕腐蝕。

2.4 電解系統(tǒng)氯氣濃度問題

電解單元自試車以來，氯氣濃度無法維持穩(wěn)定，長(zhǎng)期在30%～88%之間波動(dòng)，嚴(yán)重影響下游PVC工序的正常生產(chǎn)。

針對(duì)此問題，需確保現(xiàn)有脫水單元來料的穩(wěn)定保質(zhì)供應(yīng)，電解系統(tǒng)各密封點(diǎn)的嚴(yán)格防范。計(jì)劃后期引進(jìn)多極槽技術(shù)，多級(jí)槽在正常運(yùn)行期間無需除渣、更換陽極，可充分保證電解槽的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，且電解槽完全密閉，電解裝置無氯氣泄漏，氯氣濃度高，可達(dá)≥95vol%，并且運(yùn)行成本低于單極槽。

2.5 鎂錠表面質(zhì)量缺陷的改善措施—純鎂保護(hù)氣的使用

鹽湖金屬鎂原保護(hù)氣設(shè)計(jì)為R134a作為純鎂澆鑄的保護(hù)氣，在實(shí)際應(yīng)用過程中存在采購困難、噸鎂保護(hù)氣成本較大等情況。2017年對(duì)原純鎂保護(hù)氣設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，最終選用SF6兼容R-134a作為純鎂保護(hù)氣，分4路均勻進(jìn)氣對(duì)連續(xù)精煉爐第六爐室和連續(xù)鑄造機(jī)進(jìn)行保護(hù)。SF6與R-134a兩者都具有可靠性、穩(wěn)定性；同時(shí)都不會(huì)對(duì)鎂溶液造成污染，在使用后均可大大的降低鎂錠中的夾渣缺陷。其中SF6是國內(nèi)首次應(yīng)用于純鎂保護(hù)；具有保護(hù)效果好、綜合性價(jià)高及易采購等特點(diǎn)。

3 效果和預(yù)期

（1）單條脫水生產(chǎn)線能力：經(jīng)過整改后，單條生產(chǎn)負(fù)荷預(yù)期提至設(shè)計(jì)負(fù)荷。

（2）無水氯化鎂顆粒中間產(chǎn)品的水分含量由試生產(chǎn)的0.2%穩(wěn)定降低到0.1%以下。

（3）12臺(tái)及以上電解槽穩(wěn)定運(yùn)行后，氯氣濃度穩(wěn)定并大于80vol%以上，滿足后續(xù)生產(chǎn)需求。

（4）提高金屬鎂產(chǎn)品質(zhì)量，消除鎂錠表面氣孔、夾渣等不良缺陷。

4 前景展望

隨著當(dāng)今世界科技的迅猛發(fā)展及節(jié)能減排行動(dòng)的高漲，鹽湖的鎂產(chǎn)業(yè)將迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇，逐步形成青海“優(yōu)勢(shì)突出、特色鮮明”的嶄新工業(yè)體系，走出一條落后地區(qū)跨越式發(fā)展之路，通過降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)境友好的目標(biāo)，促進(jìn)世界鎂產(chǎn)業(yè)和環(huán)境保護(hù)雙贏。將在已建的年產(chǎn)10萬噸金屬鎂項(xiàng)目基礎(chǔ)上，逐步擴(kuò)產(chǎn)擴(kuò)能，涉及汽車、航天、軍工、電子等領(lǐng)域，努力拓展其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使鎂及鎂合金產(chǎn)品多樣化。實(shí)現(xiàn)世界鎂產(chǎn)業(yè)格局轉(zhuǎn)換，打造全球鎂產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)。