用于軟錳礦還原的電熱式焙燒爐的改進

駱浩 王瑞

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，蘭州730060）

0 引言

錳是鋼鐵工業中的重要原料，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。經過多年開發利用，利用價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%的軟錳礦因為成本、能耗、污染等各方面的問題得不到有效利用。因此改進軟錳礦利用過程中存在的問題，顯得尤為必要[1]。

1 傳統方法

軟錳礦利用的第一步是先將MnO2還原為MnO，再進行后續的加工過程。

一種工藝的核心設備是還原窯。熱風爐產生高溫煙氣，再將煙氣通入還原窯內與錳礦及還原介質直接接觸發生反應。還原窯的優點是一次性投資小，缺點是由于窯體與物料相對靜止，換熱效果差，停留時間長，還原窯通常很長，可達100米甚至更長，同時有大量物料被高溫氣體帶出，需龐大的后續捕集除塵設施，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備是電焙燒爐。電阻絲在保溫爐膛內發熱，使筒體內產生800℃以上的高溫環境，二氧化錳與煤粉發生反應，被還原為一氧化錳，然后在密閉條件下將產品降溫至110℃以下再出料。

由于加熱段和冷卻段都需要物料在筒體內停留數個小時，每段筒體都較長，受以前機械設計方面的制約，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設備，焙燒還原后的產品出料后再進入冷卻設備。物料轉運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，導致最終產品還原率不高。同時高溫段的散熱問題比較嚴重，熱效率不高。[2-3]

2 改進

廣西某一氧化錳廠原來即采用分段式結構焙燒還原爐，最終產品還原率僅為80%左右，每噸產品能耗達500kWh，單臺設備最大處理量僅有1.5噸/小時。

我公司通過多方面細節的改進，大大改進了這一傳統的還原方法，在還原率、能耗、單臺處理量等方面取得了進步，獲得廠家的認可。

2.1 設計條件

單臺還原爐產量4.5噸/小時，煤熱值28630kJ/kg。

最終，我公司設計的電焙燒爐規格為 Φ1800×43000mm， 其中加熱段21.8m，冷卻段17.6m，過渡段3.6m。電阻絲裝機功率1800kW，分為10組進行控制。筒體轉速可在0.62～1.6rpm間調節。

2.2 工藝流程

本套系統用于焙燒、還原、冷卻錳礦和煤粉的混合物。

錳礦和低硫煤粉按5：1（該比例根據實際反應情況可進行調節）的質量比混合后，通過上游的輸送設備進入焙燒爐進料螺旋，經螺旋輸送機送入焙燒爐。焙燒所用熱量由保溫爐膛內的多組電加熱絲提供。混合物經過預熱、升溫，錳礦中的二氧化錳與煤粉中的碳在800～900℃高溫條件下，發生還原反應，生成一氧化錳和CO2。在焙燒爐后段，通過在筒體外壁噴淋水，使產品溫度降至約150℃。焙燒爐出口接冷渣機，進一步將物料溫度降至80℃以下。降溫后的還原產品及剩余的礦渣，經出口料封罐料封排出后進入下一工段。

焙燒爐的載氣溫度約550℃，主要成分包括濕份、揮發份氣體、反應產生的二氧化碳、一氧化碳、硫化物、系統漏入的密封氮氣及攜帶的少量粉塵。在載氣管路上通入一定量環境空氣使其降溫，之后進入布袋除塵器，除塵后達到環保要求的尾氣經引風機排空。布袋除塵器撲集下的粉塵，經星型卸料閥排出，送至焙燒爐前段進料斗回用。

焙燒爐主電機設置為變頻調速，方便調節物料在爐內的停留時間，進一步控制還原率。

表1 錳礦物料組成 表2 錳礦粒度分布表 表3 煤樣分析結果

圖1

3 關鍵點的改進

3.1 進出料

3.1.1 進料端

原裝置混合均勻的錳礦粉和煤粉先進入小緩沖倉料封，然后通過旋轉閥進入還原爐的螺旋輸送機。實際使用過程中，由于上游原料中雜質無法清除干凈，旋轉進料閥易卡堵。改進后增大緩沖倉，并保證緩沖倉的料位高度，取消旋轉閥，達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還原率的關鍵。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行密封，同時采用壓縮氮氣對填料進行壓緊，確保空氣漏入量降低到最少。

3.2 筒體

3.2.1 材料的選擇

由于焙燒爐需長期在800～900℃下運轉，筒體材料的選擇至關重要。經過多方比較，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，使用一段時間后，在反應放熱段不可避免地會發生疲勞斷裂的現象。

實際使用中，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，配合檢修進行補焊，每次費用數萬元，可再次使用半年。數次補焊后可準備一節約2米長的310S筒節，用10天左右時間進行更換，價格成本和時間成本可以接受。此種方法在經濟性和使用壽命方面取得了平衡，得到了廠家的認可。

如選用耐溫性能更高的材料，如HR120，價格為316S的數倍，從設備全壽命周期來比較，經濟性反而不如用310S合算。

加熱段與冷卻段之間3600mm長的傳動段，選用耐熱性稍差、價格較便宜的321過渡，一方面節省了材料成本，同時也能滿足溫度要求。

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，設備強度不夠，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，為使電阻絲產生的熱量盡可能少地散失于環境中，爐膛底部從下到上依次鋪設兩層膨脹珍珠巖隔熱磚、兩層輕質粘土隔熱磚、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水進行冷卻，冷卻水通過筒壁與焙燒段的高溫物料換熱，筒體內設置抄板，抄板與筒體夾角設為45°，延長物料與筒壁接觸時間。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，想進一步降低物料溫度冷卻段需加長很多，不經濟，同時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可進一步降溫至80℃。冷渣機出口再接料封罐，得到一氧化錳產品。

4 結論

（1）通過以上各方面的改進，目前該裝置運行情況穩定，單臺產量達到4.5噸/小時，噸產品電耗低于300kWh，物料出口溫度低于90℃，還原率達95%以上。

（2）工業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，具有較好的經濟效益和社會效益。

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

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

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

［3］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):4-7.

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