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復式豎罐免精煉兩步法實現綠色煉鎂

2015年11月24日 8:45 9526次瀏覽 來源:   分類: 鎂資訊   作者:

       在近期召開的2015鎂年會上,鄭州大學材料科學與工程學院教授張少軍作了“短流程綠色煉鎂”的報告。創新性的提出了復式豎罐免精煉“兩步法”鎂冶煉新型技術工藝,在年會上引起極大的關注。
       張少軍全面闡述了該研究團隊在復式豎罐綠色煉鎂和免精煉“兩步法”短流程方面進行的系統性基礎理論研究,介紹了開發并已投產的復式豎罐免精煉兩步法綠色煉鎂技術研發進展和成果。張少軍表示:“實際運行結果表明,該技術工藝是目前成本最低、能耗最低、產能最大、用工最少、用地最省、粗鎂品質最好、還原時間最短、還原罐壽命最長、機械化程度最高、綠色程度最高、工藝流程最短的原鎂冶煉技術,實現了鎂冶煉工藝的一次顯著技術進步。”
       近10年來,國內原鎂產量一直在70萬~80萬噸徘徊,全球原鎂年產量也始終沒有突破百萬噸大關。一般認為,造成鎂工業當前這種“前景廣闊,發展緩慢”局面的主要原因,首先是原鎂冶煉工業機械化、自動化、規模化水平低,并且冶煉工藝能耗高、原鎂質量不穩定,制約鎂行業大規模應用的普及。張少軍認為,綜合分析各種鎂冶煉技術工藝的成本、能耗和綠色程度等因素,基于綠色化學12條原則和短流程、低成本指導思想,研究發現,豎罐外熱式硅熱法最具發展潛力,是開發新型鎂冶煉技術工藝的主要研究方向。
       鄭州大學材料學院和寧夏三新鎂業科技有限公司,聯合西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室、開泰鎂業有限公司等單位,共同組建的鎂基技術與材料研發團隊。目前已開發出成本比皮江法低20%、能耗比皮江法低40%、結晶鎂純度高于99.8%、車間內無煙塵的新型技術工藝——復式豎罐免精煉兩步法短流程低成本綠色煉鎂新型技術工藝,并研制出全套生產裝備,已建成投產了年產1.25萬噸的示范生產線。
       由中國工程院、中國有色金屬工業協會鎂業分會、中國有色金屬學會等單位專家組成的國家發改委“有色金屬節能減排發展潛力”課題組認為,復式豎罐煉鎂技術“是一項具有一定變革性進步意義的原鎂冶煉技術研究成果”,“對我國鎂產業的全面發展進步有著重要的現實意義”;該技術已被國家工信部列入“國家重大科技成果轉化項目”,被國家發改委列入“國家重點節能技術推廣目錄”。

       外熱式硅熱法(皮江法)煉鎂基礎理論滯后
       外熱式硅熱法,簡稱外熱法,通常用氣體燃料加熱。橫罐外熱法俗稱皮江法,是目前世界上生產成本最低、應用最廣的煉鎂工藝,全球80%以上的原鎂生產都采用皮江法工藝,而我國幾乎100%。
       目前,皮江法煉鎂的煅燒、還原、精煉三道工序,噸鎂總能耗約在4~5tce,計入硅鐵制備能耗后噸鎂總能耗約為8.5~9.5tce,其中還原工序噸鎂能耗約2~3tce。
       按照綠色化學12條原則進行分析,可總結歸納出皮江法的如下主要問題:一是人工加料、出渣,機械化程度低,車間內高溫、高塵,工人勞動強度大、勞動條件差;二是還原爐產能小,單臺日產量僅2~3t;三是還原時間長達10h左右,操作周期長達12h,生產效率低,每天只能生產2個班次;四是還原罐壽命太短,只有3~4個月;五是勞動生產率低、土地利用率低,萬噸產能用工300~500人、占地300~500畝;六是渣球會發生相互粘結現象,甚至粘在罐壁上,造成出渣不利,必須定期清理罐壁結釉;七是還原工序能耗高達理論能耗的3~4倍,能耗太高。
近年來,我國一些企業進行了豎罐外熱法實驗研究,希望借助原料和還原渣自身重力實現加料和出渣,以減少用工、降低勞動強度、提高生產效率。豎罐試驗運行情況表明,通過豎罐實現外熱式硅熱法煉鎂機械化的技術思路是可行的,完全可實現重力加料,并且如果能夠解決粘罐結釉問題,實現重力出渣也完全沒有問題。但實踐證明,豎罐粘罐結釉問題比橫罐更嚴重,目前還無法完全實現重力出渣,并且橫罐外熱法的上述問題,在豎罐外熱法中不但全部存在,而且還有如下特殊問題:豎罐還原渣粘罐結釉,工人不得不頭頂1000℃以上高溫,冒險捅渣、鏟罐;豎罐加料時料球容易破碎,造成還原率降低、還原時間延長;豎罐會發生下部脹粗或上部拉細的蠕變破壞;豎罐兩端開口后,漏氣問題比橫罐更嚴重,造成還原率降低;豎罐“煙囪抽吸效應”造成加料和出渣時還原車間煙塵沖天,在車間內廣泛漂浮彌散,工人勞動環境比橫罐皮江法更差。
       可見,外熱式硅熱法雖然成本最低,但綠色程度較差,特別是噸鎂能耗較高。然而,不論橫罐還是豎罐外熱法的還原工序,目前都可用理論能耗3~4倍的實際能耗,生產出與電解鋁成本相當的原鎂,預示著外熱法煉鎂還具有很大的節能減排潛力和技術經濟發展潛力。
分析發現,外熱法的上述問題,都是由于對硅熱法理論和關鍵技術的認識不夠全面、深入而造成的。根本原因在于硅熱法煉鎂的基礎理論研究嚴重滯后于工程應用,只要深入研究,這些問題都可以解決。因此,外熱式硅熱法仍有很大發展空間,是目前最具發展潛力的綠色煉鎂技術發展方向。
       另外,縮短工藝流程能夠明顯降低物耗、能耗和用工。因此,深入研究白云石煅燒機理和粗鎂雜質形成機理,努力爭取實現免精煉和免煅燒短流程煉鎂,也是外熱法煉鎂技術研究發展方向。
       如果徹底解決外熱式硅熱法的上述問題,并縮短工藝流程,改變當前“人拉肩扛”的初級生產方式,全面實現機械化、自動化、規模化,具備工業化和信息化“兩化”融合的條件,鎂冶煉工業的“中國制造2025”將有望“鎂夢”成真。
大型復式豎罐免精煉兩步法短流程綠色煉鎂技術工藝及裝備的研究開發
       研發團隊成立10年來,通過多項復式豎罐綠色煉鎂的理論研究。解決了還原時間和還原速率——固相反應動力學問題、豎罐使用壽命——材料高溫力學性能問題、豎罐粘罐結釉——硅熱法熱化學問題和其它理論問題研究。在免精煉兩步法基礎理論研究中得到應用。
傳統橫罐或個別企業開發的實驗豎罐,都是將一個還原罐簡單劃分為“還原段”和“結晶段”兩部分,分別完成還原和結晶功能,并且整體及其兩段都僅僅是一個簡單的筒體。“復式豎罐”的縱向由相互獨立的結晶器、還原器、排渣器三部分緊密復合在一起,并且結晶器徑向由蒸汽發生器、輻射板、結晶膽三部分構成,還原器徑向由還原筒、還原板、還原膽三部分構成,排渣器徑向由排渣筒、排渣膽兩部分構成。復式豎罐的縱向和徑向均由結構完善、功能齊備的多個獨立部件構成,形成復合式結構,結構相對復雜、制造成本相對較高,因此必須實現大型化、長壽命。每臺復式豎罐日產量可達800kg左右,使用壽命可達300天左右。
復式豎罐兩步法結晶器的重要特點之一,是可以生產抽真空噴射泵用的蒸汽。傳統橫罐或豎罐消耗大量的冷卻水來結晶鎂,復式豎罐結晶器不但不消耗冷卻水,而且每只罐每小時可產生60kg壓力0.5MPa的蒸汽。
       復式豎罐兩步法的還原爐框架與還原車間結構融為一體,一座還原車間就是一座還原爐,由50臺復式豎罐構成,加料、出渣、出鎂全部實現機械化,煙風及燃料系統實現自平衡,運行實現自動化控制,日產量可達40噸,年產量可達1.25萬噸,單班操作工定員僅需7人。
“十年磨一劍”!該團隊自2006年開始研究鎂冶煉技術至今,經過十年的艱苦努力,憑借企業風險投資的支持,目前已全面完成兩步法綠色煉鎂技術工藝的研究開發,在開泰鎂業有限公司建成了一條年產1.25萬噸示范生產線,并于2012年成功投產。
       目前,年產1.25萬噸復式豎罐免精煉兩步法技術的標準化工藝、標準化裝備,以及年產2.5萬噸標準化工廠、皮江法鎂廠進行兩步法改造的標準化技改方案等,均已完成設計定型,完全具備進行全面產業化推廣實施的條件。新建一座2.5萬噸兩步法標準化工廠的概算投資約3.0億~3.5億元,年產0.8萬~1.5萬噸皮江法鎂廠進行兩步法標準化技改的投資概算約0.5億~0.7億元。
“兩步法”豎罐冶煉技術的重大工藝進步,對提升鎂冶煉工藝技術具有現實意義。其主要經濟指標先進,噸鎂全廠綜合能耗約2.5~3tce,僅為皮江法的50%~60%;還原時間約6h左右,僅為皮江法的1/2~2/3;結晶器單臺次出鎂200kg左右,是皮江法的6~7倍,結晶鎂純度高于99.8%;全面實現機械化、規模化,關鍵工序實現自動化,為智能化創造條件。
(作者單位:鄭州大學材料科學與工程學院)

責任編輯:于璐

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