PDF《中国有色金属学会六届四次会》

陕西广播电视大学 陕西省兰炭学会中国有色金属学会六届四次会 金属镁兰炭规模化联产技术 兰新哲

2013 年9月16 日 中国镁业网信息 2013.

07 1.2012年世界镁业信息 占比 世界总产量:

75 万吨 中国总产量:

64 万吨 85.3% 陕西榆林产量:32 万吨 50% 2.为什么陕西榆林产量能: 占全世界: 42.7 % 占 全国: 50% ? 5年增长: ~

400 % ? 3.关键或核心竞争力: ①兰炭制铁合金及尾气利用技术: 1)兰炭替代焦炭→铁合金 Fe+SiO2→FeSi+CO2 2)尾气利用煅烧 MgCO3 →MgO+CO2 3)尾气加热还原镁 H2+CH4+CO+O2 → ②金属镁的生产规模: 效比 1)1000 吨金属镁/年 5万吨兰炭/年1:50 2)1-2 万吨金属镁/年30-60万吨兰炭/年1:30 3)5 万吨金属镁/年120万吨兰炭/年1:24 主要内容

一、兰炭与金属镁生产现状

二、兰炭金属镁规模联产技术基础

三、规模化联产的关键技术

四、技术经济与环境评价

五、结论与建议

一、兰炭与金属镁生产现状/1 1.1 兰炭概念 兰炭是由低变质煤(褐煤、长焰煤、不黏煤、弱黏煤等)经中低温 干馏生产的一种固体碳素材料(原称 半焦 ),因燃烧时有蓝色火焰 而得名.陕西榆林地区最初生产兰炭是因为用兰炭取代昂贵焦炭生产铁 合金和电石等. 燃烧

一、兰炭与金属镁生产现状/2 1.2 兰炭生产现状 第一阶段: 土炼半焦/兰炭 第二阶段:3-5万吨/年的 机制兰炭 第三阶段:规模化:30~60万吨/年兰炭生产线技术及成套装备 (单炉5万吨/年具有自主知识产权) 第四阶段:园区化:120万吨/年的规模化清洁生产线及园区 (单炉10万吨/年,具有自主知识产权) 第五阶段:链条化:形成兰炭―发电,兰炭―铁合金―金属镁, 兰炭― 电石―聚氯 乙烯等产业链、产业集群. 目前,进入第六阶段:升级提高 全国兰炭产业分布图(2012年)

一、兰炭与金属镁生产现状/3 1.2 兰炭生产现状

9 2012年 全国兰炭 产能:8610万吨,产量: 2926~3100万吨 其中 陕西省 产能:4500万吨,产量:1960~2100 新疆产能:2530万吨 内蒙古 产能:970万吨 宁夏 产能:610万吨

一、兰炭与金属镁生产现状/4 1.2 兰炭生产现状 u 国家能源结构调整及产业升级 u 西部大开发、中西部区域经济发展 u 国家能源化工基地建设、支撑国家经济发展 u 产业链长:涉及能源、化工、冶金、材料、机械 制造、电力等, 促进能源富集区的就业和民生改善 u 能源化工科技进步 兰炭产业是战 略新兴产业, 地位重要

一、兰炭与金属镁生产现状/5 1.3 金属镁生产现状 镁是继钢铁、铝、铜、铅、锌之后的第 六大金属工程材料,具有许多优良的性能, 应用前景极为广泛.随着技术和价格两大瓶 颈的突破,全球镁的用量以每年10%的幅度 快速增长,这在近代工程金属材料的应用中 是前所未有的.我国镁工业从2000年起步 ,发展迅猛,镁产地主要集中于山西、陕西 、宁夏和内蒙等西北地区.目前我国已成为 镁资源储备、镁生产量、镁出口量、镁消费 量四个世界第一的镁产业大国.

一、兰炭与金属镁生产现状/6 1.3 金属镁生产现状 表1 2000年~2011年中国与全球原镁产量 /万吨 年份 2000年2005年2010年2011年2012年 全球 47.0 66.5 80.0 77.0 75.0 中国 26.8 45.0 65.3 66.1 64.0 份额(%) 57.0 67.7 81.6 85.8 85.3 国内外炼镁技术――电解法 、皮江法(外热式硅热还原法) 皮江法――使用的原材料是白云石矿和还原剂硅铁,加热使用的燃料 主要是原煤.皮江法炼镁工艺简单,生产设备所需固定投 资少,可吸收较多的社会劳动力,特别适合我国国情.中 国的炼镁产业中99% 以上采用皮江法.

一、兰炭与金属镁生产现状/7 1.3 金属镁生产现状 皮江法 缺点: ①能源和资源消耗高:每吨原镁生产耗煤10吨以上,平均热能 综合利用率小于10%,每吨原镁生产需13吨白云石和1吨硅铁;

②环境污染严重:燃煤炉的黑烟、废渣及大量粉尘;

③技术水平落后:手工作业,工人劳动强度大,劳动环境差. 发展方向:技术改进、产业升级,循环经济发展, 提高能源和资源的利用率,增强国际竞争力. 世界镁业在中国,中国镁业在榆林 煤 兰炭 煤焦油 煤气 (铁合金) 金属镁 兰炭金属镁联产主要产品

一、兰炭与金属镁生产现状/8 1.4 规模化联产的主要产品及应用

二、兰炭金属镁规模联产技术基础/1 2.1 兰炭金属镁生产的工艺流程 兰炭金属镁联产工艺流程示意图

二、兰炭金属镁规模联产技术基础/2 2.2 兰炭金属镁规模化生产的工艺技术 理论分析: 1)工艺参数优化难度大,M = f(V,u,T,P) 2)兰炭炉为内热式,兰炭、焦油、炉气三相共存,反应复杂. 3)煤炭生产兰炭总失重表达式: 煤炭化热解动力学过程用C-R 积分方程: ? ? max min ( )

1 exp exp( ) E v v E E W t W f E t A RT ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

2 ln

1 2 ln ln

1 AR RT E T E E RT ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)生产兰炭技术/1

二、兰炭金属镁规模联产技术基础/3 2.2 兰炭金属镁规模化生产的工艺技术 规模化生产兰炭技术采用西安建筑科技大学和神木县三江煤化工有限 公司联合开发的大腔型内热式直立方炉热解技术,生产工艺简单,操作方 便,投资成本较低,产品质量稳定,焦油收率高,目前已经推广应用到国 内90%以上的兰炭企业,国外也已经成功推广应用两家单位. 该工艺采用封闭运行,煤气、焦油经除尘、脱水后全部回收利用, 过程能耗低,环境友好无污水外排;

但是对原料要求较高,需采用 25mm以上块煤. 生产过程包括备煤、炭化(干馏)、煤气冷凝和筛焦-储焦四个工段. (1)生产兰炭技术/2

二、兰炭金属镁规模联产技术基础/4 2.2 兰炭金属镁规模化生产的工艺技术 该工艺主要包括原料准备、煅烧、配料及压形、真空热还原(煤气利用) 、金属镁精炼等部分. ①煅烧工段 CaCO3・MgCO3→CaO・MgO+2CO2↑ ②配料工段 ③真空还原工段 2(MgO・CaO)+Si=2Mg+2CaO・SiO ④精炼工段 (2)硅热法生产金属镁技术/1

二、兰炭金属镁规模联产技术基础/5 2.3 兰炭金属镁规模化生产的主要装备 (1)产能为10万吨/年的兰炭单炉/1 单炉产能10万吨/年的兰炭炉结构图 主要结构及指标 项目

5 万吨/年10 万吨/年 干馏室长度 7420mm 8600mm 干馏室高度 7000mm 7000mm 干馏室宽度 4520mm 4520mm 干馏室有效容积 100m3 125m3 入炉煤量

250 t/d

500 t/d 装炉煤水分 8% 8% 入炉煤粒度/mm 20~100 20~100 干馏段温度 650~700℃ 650~700℃ 炉顶温度 80~100℃ 80~100℃ 煤焦比 1.65 1.65 日产兰炭 150t/d 300t/d 炉顶压力/Pa -150~+150 -150~+150

二、兰炭金属镁规模联产技术基础/6 2.3 兰炭金属镁规模化生产的主要装备 (2)双蓄热式双面双排镁还原炉/1 利用兰炭生产副产的焦炉煤气采用快速换向蓄热式燃烧技术,使煤气 得到充分利用,最大限度的减少污染物的排放.蓄热式燃烧技术的基本原 理:助燃空气、煤气同时周期性换向,并通过蓄热体进行热交换.空气、煤 气被加热(1000℃以上),蓄热体被冷却;

同时烟气也周期地通过另一侧 蓄热体,烟气被冷却,蓄热体被加热.烟气离开蓄热体时温度降至150- 200℃,标准风机就可以满足要求.换向后,两侧烧嘴的工作状态也同时进 行更换. 蓄热式燃烧技术改变了传统燃烧方式,主要表现为燃料与空气以适当 速度从不同的通道进入炉内,并与炉内燃烧产物混合.空气中21%的氧被 稀释,燃料在炉膛中高温(1000℃以上)低氧浓度场(5-6.5%)工况下 燃烧,由此比传统还原炉产生许多优点:①烟气余热可实现 极限回收 ;

②节能效果显著,比传统还原炉节能35%;

③减少温室效应气体CO2排放 量35%;

④高温空气条件下燃烧可实现低空气系数燃烧减少还原罐的氧.

三、规模化联产的关键技术/1 3.1 兰炭生产的规模化 (1)技术和装备提升实现 四均匀 ? 集气阵伞(布料、集气) ? 推焦装置(出料) ? 支管混合器(加热) ? 多孔燃烧室(布气)

三、规模化联产的关键技术/2 3.1 兰炭生产的规模化 (2)煤焦油高效回收技术 u 低温干馏方炉内温度和压力场的数值模拟 温度场云图 压力场云图 同一煤层高度温度分布图

三、规模化联产的关键技术/4 3.1 兰炭生产的规模化 (2)煤焦油高效回收技术 u新型除尘-冷凝工艺

三、规模化联产的关键技术/5 3.1 兰炭生产的规模化 (3)新型废水处理技术 沉淀除油池 连续流多级 好氧池 厌氧池 萃取工艺 微气浮除油 煤气洗涤水 重油 轻油 空气 回收酚类 剩余污泥 去熄焦 预处理 后处理 核心处理 剩余污泥 空气

三、规模化联产的关键技术/6 3.1 兰炭生产的规模化 (4)多台炉并联实现规模化 12X5~10 = 60~120 万吨并联平面布置图

三、规模化联产的关键技术/8 3.2 金属镁生产的规模化 (1) 新型铁合金矿热炉技术 新型铁合金矿热炉技术,采用压力环代替锥形环技术、新型水冷电缆 技术及锻造铜瓦,采用变压器出线端与铜瓦一对一的新型短网结构,使设 备更先进、作业率更高.采用液压和碟簧抱闸技术,PLC控制,实现带电 压放,使电极装置更加安全可靠,提高了电极系统的作业率.水冷护屏套 采用无磁不锈钢,可大幅度降低电能损耗.采用机械摇摆式自动布料,克 服了大炉型人工布料难以解决的难题;

采用可控硅全自动中低压并补的方 式,有效功率提高到0.94,降低无功损耗,相对提高变压器的使用效率. 2*33000kVA硅铁电炉的主体设备采用矮烟罩闭固定式炉型.其主体部分 设备组成:炉体、烟罩及烟囱、电极部分(包括把持器、电极升降装置, 电极压放装置、液压碟簧抱闸、压力环装置)、烧穿系统、液压系统等.

三、规模化联产的关键技术/9 3.3 低成本清洁同时规模化在线生产的实现 120万吨/年兰炭清洁生产示范工程自动监控系统界面

三、规模化联产的关键技术/10 3.2 金属镁生产的规模化 (2) 新型节能竖式预热器回转窑煅烧工艺技术 利用窑尾烟气热量将白云石在预热器内预热到800℃左右,使白云石发 生部分分解;

由液压推杆推出,通过转运溜槽进入回转窑尾部;

经回转窑 高温煅烧后再卸入冷却器内,通过冷却器下部的风机吹入的冷风冷却,将 高温煅白冷却至90℃以下排出冷却器.经冷却器下部吹入的空气预热到 600℃-700℃后作为二次空气进入回转窑参与燃烧.此工艺与传统工艺同 规格窑型相比较,提高产能30%,热耗降低40%;

同时排出烟气温度降至 250℃以下,便于收尘.经袋式除尘器除尘后的废气排放浓度≤50J/Nm3 ,达到国家一级排放标准.

三、规模化联产的关键技术/11 3.2 金属镁生产的规模化 (3) 蓄热式大直径罐镁还原工艺技........