中国镁质耐火材料工业窑炉现状及发展

　　张国栋，李鑫，罗旭东

　　辽宁省非金属矿工业协会 沈阳

　　中国五矿集团 鞍山

　　辽宁科技大学 鞍山

　　1 综述

　　中国辽宁省南部地区(简称辽南地区)菱镁矿石储量丰富，约32.5亿吨，占世界的25.7%，占全国89.3%，是我国最重要的镁质耐火材料的生产基地。该地区有各种镁质耐火材料及原料工业窑炉约3511座(条)，年生产各种镁质耐火材料及原料约1000万吨以上，为我国钢铁、水泥、有色等工业提供了优质的镁质耐火材料，为全球高温工业基础材料提供了重要的支撑作用。

　　窑炉是生产镁质耐火材料的关键设备，据统计，目前辽南地区有轻烧氧化镁反射窑1795座、重烧镁砂竖窑335座、中档镁砂竖窑94座、高纯镁砂竖窑60座、电熔镁砂炉1155座、镁制品隧道窑72条、悬浮焙烧炉4座、回转窑1条、多层炉2座。这些窑炉不同程度上均存在着能耗高、废气排放不达标、生产环境差等问题，与国家节能和环保要求有较大的差距。

　　如何降低镁质耐火原料窑炉能耗、减少有害物排放量、达到清洁生产环境，满足国家节能及环境保护要求，是政府、企业及耐火材料科技工作者义不容辞的责任。

　　2 镁质耐火原料窑炉现状及改进措施

　　2.1 轻烧窑

　　轻烧窑用于菱镁石的轻烧，轻烧温度在900-1100 ℃之间。目前，辽南地区轻烧窑种类有反射窑、悬浮炉、沸腾炉、多层炉及回转窑。

　　2.1.1 反射窑

　　反射窑全名为反射式竖窑，其结构简单、易操作、造价低，是目前中国辽宁地区主要的菱镁石轻烧窑炉，其数量为1795座，占轻烧窑炉数量的99 %以上。反射窑主要用来轻烧菱镁石块料和精矿粉压球料。反射窑数量多，但技术装备十分落后，主要表现在：

　　a. 容积小，产量低。容积一般为20-30 m3，少数为60 m3，产量10-30 t/d。由于产能小，故数量大、占地面积大、热损失大、污染排放点多。1795座反射窑就是1795个污染排放点。

　　b. 装备落后。原始型人工间断的加料和出料，即人工每天出8次或12次料，劳动强度大。

　　c. 热耗高。单位产品热耗高于7315 kJ/kg，标准煤消耗为250 kgbm/t以上，造成热耗高的主要原因是出料温度高(约1000℃)、产能小、间断加出料操作等。

　　d. 污染严重。反射窑污染主要来源三方面，其一是出料，由于很难配置出料除尘设施，导致出料时粉尘飞扬，岗位环境十分恶劣;其二是不配置排烟机，无法设置废气除尘器，导致大量的粉尘排至大气;其三，由于间断的加出料导致了燃料的间断供给，致使燃料不完全燃烧产生了大量的黑烟。

　　由于反射窑数量大、容积小、装备落后、能耗高、污染严重，因此，反射窑的升级改造转型是轻烧窑炉研发的重点，开发大容积、产能高、装备先进、低能耗、低污染的节能环保型轻烧竖窑代替现有的落后的反射窑势在必行。其中节能环保型轻烧竖窑应具有如下特点：

　　a) 大容积、高产量，有效容积不小于200 m3，日产量大于150 t/d，年产量大于5万吨以上。大容积好处在于：第一，窑的单位产品散热量减少，降低了能耗;第二，减少了污染排放点，若辽宁地区建设80座200 m3的大容积轻烧竖窑即可代替1795座老式反射窑，污染点从1795个减少到80个，将会大大地将少地区的污染面积。

　　b) 装备先进，生产过程采用PLC控制，连续自动上料、连续自动出料、温度及压力等热工参数自动控制。

　　c) 节能环保，回收产品热量，出料温度小于120 ℃，能耗小于170 kgbm/t;配置布袋除尘器，废气排尘浓度小于50 mg/m3，具有配置脱硫脱硝装置的可能性。配置密封出料装置，减少岗位粉尘浓度至30 mg/m3以下。

　　2.1.2 沸腾炉及回转窑

　　上世纪80年代，沸腾炉及回转窑在海城镁矿建成投产，生产效果很好。由于各种原因沸腾炉和回转窑被拆除。

　　回转窑具有自动化程度高、产量大、产品质量好、可处理30 mm以下小颗粒物料、燃料适应范围广等特点。与上世纪80年代比较，现今的回转窑技术已有了很大的发展，带有竖式预热器及冷却器的回转窑技术非常成熟。可考虑采用新型节能回转窑轻烧菱镁石碎矿。回转窑能耗约180 kgbm/t.成品，年产量大在10万吨以上，可配置除尘器及脱硝装置。回转窑节能环保，是轻烧菱镁石碎料的较理想热工设备。

　　沸腾炉是轻烧5 mm以下菱镁石碎料较理想的轻烧炉，轻烧在物料沸腾状态下完成，轻烧温度为900 ℃。沸腾炉的特点是轻烧速度快(小于10 min)，轻烧温度均匀，轻烧粉活性高(约60 s)。上世纪80年代海城镁矿建设的沸腾炉生产出了高质量的轻烧氧化镁，为我国生产MgO≥ 98 %、颗粒体积密度≥3.30 g/cm3高纯镁砂做出了巨大的贡献。该沸腾炉年产量为5000吨，产能较小，今后应开发多床组合式大型沸腾炉，产能在5万吨以上，满足大规模生产需求。

　　2.1.3 悬浮炉

　　悬浮炉用来轻烧粒度小于0.088 mm的浮选精矿粉，物料悬浮在高温气流中完成轻烧，轻烧速度快，3-5 s即可完成轻烧过程，亦称“闪烁”轻烧。悬浮炉一般由3级旋风预热器、1级旋风成品收集器、3级旋风冷却器、1个分解炉组成，轻烧温度约900 ℃。目前，辽南地区共有4座悬浮炉。

　　我国第一座轻烧浮选精矿粉的悬浮炉于上世纪80年代末在海城镁矿建成，年产轻烧粉为5万吨。该悬浮炉从德国伯力鸠斯公司(PoLysius)引进，技术先进，生产出了高质量的轻烧粉，活性度小于30 s(柠檬酸法)，热耗约4180 kJ/kg，折合142 kgbm/t.成品。利用该悬浮炉轻烧粉细磨后压球，在高温竖窑中生产出了颗粒体积密度大于3.34 g/cm3、MgO大于98 %的高纯镁砂。该悬浮炉也叫“POCAL”悬浮炉，国内已对“POCAL”悬浮炉进行了消化设计，并掌握了生产技术。 90年代中后期，该悬浮炉因故停产至今。

　　目前正在生产调试的悬浮炉有2座，建设中的悬浮炉为1座，均为国内设计。国内设计的悬浮炉是以氧化铝轻烧和水泥窑外分解技术为基础，由于原料性质不同，轻烧菱镁石技术还需不断完善和改进。

　　“POCAL”悬浮炉有近5年的生产实践经验，建议以“POCAL”悬浮焙烧技术为基础开发大产能(10万吨以上)的悬浮炉。

　　2.1.4 多层炉

　　多层炉也叫耙式炉，在炉子高度方向上设有多层炉室，分预热室、焙烧室及冷却室。每层炉室设有带悬臂的耙齿，悬臂固定在炉中心的立轴上，在立轴的转动下，耙齿随之运动将物料从上层炉室耙到下层炉室。多层炉特点是可处理0-10mm碎块料，自动化程度高。辽宁地区第一座工业实验炉于上世纪80年代中期在大石桥耐火厂的实验厂建成，轻烧菱镁石碎矿，燃料为重油，年处理规模为2000吨，设9层炉室，由于立轴技术不过关，常烧坏，因而实验终止。辽宁地区现有的2座多层炉从德国引进，用来轻烧粒度为0.088mm的浮选精矿粉，轻烧温度为1100℃，热耗为5852kJ/kg，折合200kgbm/t。

　　用多层炉轻烧粒度小于0.088精矿粉，岗位粉尘大，工人操作环境差;

　　与悬浮炉比较:

　　1)多层炉投资大，1座年产10万吨轻烧镁粉、设有19个炉室的多层炉造价约9000万以上，吨产品投资900元;同等规模的的悬浮炉投资约4000万，吨产品投资400元。

　　2)热耗高，多层炉约200kgbm/t，悬浮炉约145kgbm/t。

　　从环保、能耗、投资比较来看，轻烧精矿粉较为理想窑炉是悬浮炉，多层更适合菱镁石碎矿。

　　2.2 普通及中档镁砂竖窑

　　2.2.1普通镁砂竖窑

　　普通镁砂竖窑也称重烧镁砂竖窑，以菱镁石块料(80-120 mm)为原料，燃料为高热值(热值大于8000 kcal/kg)的无烟煤，采用一步煅烧工艺，矿石与煤块混装或层装入窑，煅烧温度大于1700 ℃，生产氧化镁含量为90-92 %、颗粒体积密度为3.0-3.1 g/cm3的低档镁砂。目前，辽宁地区有普通镁砂竖窑335座。普通镁砂竖窑是一种传统的圆柱型老式竖窑，存在下列问题：

　　1) 装备陈旧落后，自动化水平极低。没有出料、加料设备，人工出料，人工加料布料，劳动强度大。

　　2) 操作环境差。出料温度高，平均约500 ℃，工人用铁锹或铁钩从窑门将料卸出，环境温度高，不小心就被高温镁砂烧伤;工人在窑顶加料布料时常发生煤气中毒事故等。

　　3) 热耗高。单位产品热耗超过10350 kJ/kg，标准煤耗超过350kgbm/t。造成能耗高的主要因素有：a)间断式加出料操作(即每天8次装料8出料)，透气性不好，燃烧不完全;b)出料温度高，热损失大;c)煅烧带易上移，碎煤进窑后即发生燃烧，窑顶冒火，废气温度达1000 ℃以上，热损失极大;d)窑体保温效果不好，窑壳温度大于100 ℃，热损失增大。

　　4) 污染严重。由于窑顶结构限制，废气量波动大和废气温度高等原因，无法配置出窑废气布袋除尘器，导致废气排放含尘量大，约在1000 mg/m3以上;顶部煤燃烧不完全，大量的黑烟排入大气;煅烧温度高(1700 ℃)，燃烧过程产生大量的NOx及SO2(NOx约大于1000 mg/m3，SO2超过1000 mg/m3)，大气污染严重。

　　5) 生产效率低。常常发生结砣，处理结砣需要停窑，减少了窑的有效生产时间，降低了生产效率。

　　由于竖窑结构及生产工艺限制，若继续采用这种老式竖窑生产重烧镁砂，上述问题很难得到解决。开发以煤粉、燃油或天然气为燃料的高温回转窑可以解决上述问题。回转窑具有生产效率高、产量大、自动化程度高、热耗较低、可配置除尘器及脱硫脱硝装置以解决污染问题、物料在窑内不宜结砣等优点。上世纪80年代，大石桥耐火厂建设了1条φ3/φ3.6×60 m镁砂回转窑，配置炉篦预热机和回转冷却筒，以煤粉为燃料，煅烧温度大于1700℃，日产量约200 t/d，煤耗约400 kgbm/t。与当年老式回转窑比较，当今回转窑技术更先进，可配置预热效率和冷却效率更高的竖式预热器和竖式冷却器，通过竖式预热器物料温度可预热至900℃以上，通过竖式冷却器助燃空气可预热至700 ℃以上，大大的提高了回转窑的热效率，能耗可降至350 kgbm/t以下。

　　综上述，淘汰老式的重烧镁砂竖窑，开发新型镁砂高温回转窑，是提高辽南地区重烧镁砂生产装备水平、减少污染的一个重要途径。

　　2.2.2 中档镁砂竖窑

　　中档镁砂竖窑结构与重烧镁砂竖窑相同，亦属于传统的圆柱型老式竖窑。以菱镁石轻烧粉压球料为原料，以高热值(热值大于8000 kcal/kg)的无烟煤为燃料，采用二步煅烧工艺，球料与煤块混装或层装入窑，煅烧温度大于1700 ℃，生产氧化镁含量为94-95 %、颗粒体积密度为3.1-3.2 g/cm3的中档镁砂。目前，辽宁地区有中档镁砂竖窑94座。

　　少数中档镁砂竖窑在装备上有了一些改进，如增设了带破碎功能的出料机及多点布料器。但是传统圆柱型老式竖窑固有缺点并没有得到解决。如生产效率低、人工间断式出料加料、污染严重、物料易结砣、煅烧带不稳定、窑顶冒火等问题依然存在。因此，建议开发新型中档镁砂回转窑代替老式的中档镁砂竖窑。

　　2.3 高档镁砂竖窑

　　高档镁砂竖窑学名为高温竖窑(现场叫油烧镁砂竖窑)。高温竖窑用来煅烧MgO含量大于97 %、体积密度大于3.30 g/cm3的高档镁砂，目前辽南地区有60余座高温竖窑。高温竖窑特点是煅烧温度高(大于2000 ℃)、利用系数大(大于7 t/m3·d)、连续加出料操作、单位产品热耗低(小于500×4.18 kJ/kg)、高正压操作、煅烧温度均匀。

　　高温竖窑是我国在上世纪80年代自行研制的超高温镁砂煅烧竖窑，试验高温竖窑由原冶金部鞍山焦化耐火材料设计研究院设计，1982年8月在辽宁镁矿公司海城镁矿金烧车间建成，试验窑效容积为3.5 m3，煅烧温度大于2000 ℃，以裂化油为燃料，采用二步煅烧工艺煅烧高档镁砂，年产量为6000吨。从82年8月开始，实验工作历经8年时间，期间经过3次大修设计、4次试验，于1990年经过冶金部技术鉴定，荣获冶金部科技进步一等奖、国家科技进步二等奖。高温镁砂煅烧竖窑的研制成功，填补了我国超高温煅烧技术的空白，开创了我国生产高档镁砂的新纪元。为了满足宝钢的需求，86年我国从奥地利RCE公司引进一座年产5万吨高档镁砂的高温竖窑，在辽镁公司海城镁矿建成投产;90年鞍山焦耐院设计年产1万吨高档镁砂的高温竖窑在营口三协公司(中日合资)建成投产。随着我国经济的快速发展，90年代后期，高温竖窑在辽南地区迅速发展起来，目前已达到60余座。

　　目前高温竖窑存在如下问题：

　　1) 出料温度太高，平均500 ℃，热损失约为14.3 kgbm/t，出炉机常被烧坏。

　　2) 窑壳温度高，平均270 ℃以上，热损失约为15.9 kgbm/t。

　　3) 向冷却带喷射冷却水冷却物料，热损失约为3.6 kgbm/t。

　　4) 料封管密封，漏风量大，约20 %，热损失约为1.93 kgbm/t。

　　5) 一次空气不预热，增加了燃料消耗量。

　　6) 窑体为硬性结构，窑壳易被高温膨胀力挤压破裂。

　　7) 没有出料计量设施，出料量不稳定，导致窑热工制度不稳定。

　　8) 没有配备脱硫脱硝设施，废气中SO2和NOx严重超标。

　　根据上述问题，高温竖窑应在如下几个方面进行改进:

　　1) 进一步降低能耗。

　　a) 降低出料温度。回复热风放散装置，加大冷却风量，取消喷水装置，将出料温度从高于500 ℃降低到120 ℃以下，可节能约14.5 kgbm/t。

　　b)利用500℃放散热风预热一次空气，可节约约1.6 kgbm/t。

　　c)采用密封卸料阀，将漏风量从20 %将至5 %以下，可节约约1.9 kgbm/t。

　　d)窑体结构由硬性结构改为软性结构，将窑壳平均温度由270 ℃将至50 ℃以下，可节能约12.4 kgbm/t。

　　采用上述技术措施，每吨镁砂可节能约30.4 kg标煤，单位产品热耗从500×4.18 kJ/kg可降到约290×4.18 kJ/kg，接近国外高温竖窑水平。

　　2) 改烧天然气。

　　改烧辽河油田天然气，燃烧废气中二氧化硫含量极少，符合国家环保要求，同时可改善生产岗位环境。改烧天然气后，燃气更易充满竖窑断面，燃烧温度更均匀，镁砂质量更均匀。2014年10月，中国五矿鞍山设计院与北方窑业公司为某耐火集团公司一座高温竖窑进行了油改烧天然气的设计改造，效果非常好，出窑废气中没有了黄烟，生产岗位没有了呛鼻的油气，镁砂体密从烧油的3.27提高到3.29 g/cm3以上,最高产量可达210 t/d。为辽南地区60余座高温竖窑油改天然气提供了经验。

　　3) 增设脱氮设施。

　　超高温竖窑过剩空气系数大于1.6，温度高达2000 ℃，燃料燃烧产生大量的NOx，约超过1500 mg/m3(参考高温隧道废气中NOx含量)，因此，脱硝是超高温竖窑改进的一件迫在眉睫的事情。

　　4)提高自动化操作水平。

　　a)增设出料自动称量装置，出料量与出炉机转速、燃料量自动连锁，稳定热工制度。

　　b)配置出料温度检测及控制装置，出料温度与底风量、热风排放量自动连锁，稳定出料温度，保证冷却风量稳定供给。

　　c)设置窑内温度检测装置，在线检测燃料燃烧温度，根据温度变化及时对燃烧系统进行调整，稳定煅烧温度。

　　2.4 电熔炉

　　电熔炉是生产电熔镁砂的热工窑炉，其熔炼温度可达2800 ℃以上。目前，辽宁地区有1155座生产电熔镁砂的电熔炉，年产电熔镁砂约150万吨左右。

　　电熔炉数量大，但问题多，主要问题有：

　　1) 装备落后，自动化程度低。人工开启电振给料机加料，加料量与电极提升速度脱节，加料量不稳定、工况不稳定、电耗量大;人工将空车推入熔炼工位，人工用卷扬机将熔砣车拉出熔炼工位;人工用铁锤破碎500 mm以下的熔块，劳动强度大;人工拣选分级出不同质量的成品。

　　2) 粉尘排放量大，污染严重。敞开式电熔炉，不设炉盖，粉尘排放量大，工作岗位环境十分恶劣。有的企业也设置了除尘器，但由于敞开式熔炼，除尘效果甚微;熔砣脱壳没有除尘设施，皮料扬尘量大。

　　3) 容量小，大部分电熔炉的电容量为3200 kVA，一炉熔砣重量约10吨，生产效率低，能耗大。容量小，数量多(1155座)，污染排放点多，污染面积大。

　　4) 高温熔砣的热量没有回收措施，热量损失大、生产岗位环境温度高。

　　电熔炉发展方向：

　　1) 提高装备和自动化水平。①自动连续式加料，加料量与电极提升速度采用PLC自动连锁，稳定加料量和熔炼温度，减少电耗量;②设置推车机，推车机将空车推入熔炼工位，同时将熔砣顶出熔炼工位;③采用破碎机破碎小于500mm以下的熔块料;④设置剥离机，自动剥离皮砂;⑤采用重力分离机对成品进行分级。

　　2) 降低粉尘排放量，岗位粉尘排放量小于30mg/m3，达到国家标准。①采用封闭式电熔炉，设置固定电熔炉盖及粉尘排放口，配置专门电熔炉除尘器;②设置封闭式熔砣脱壳箱/屋，设置专门的皮料除尘器。

　　3) 采用大容量电熔炉，提高生产效率，降低能耗，减少污染点。目前，世界上最大的镁砂电熔炉由德国西马特(MSS)公司生产，其容量为7000kVA，产量1.6t/h，熔砣重约18吨。采用大容量电炉不仅可提高大结晶镁砂的产率，同时可使辽宁地区电炉数量锐减，可从原来的1155座较少到642座，污染点从1155个减少到642个。

　　4) 回收高温熔砣的热量，提高电熔炉的热效率。设置隧道式熔砣冷却器，回收熔砣热量，冷却介质可以为冷水或冷空气，热水可用于职工洗澡或冬季办公室采暖，热空气可作为其他窑炉的助燃空气。设置隧道式熔砣冷却器，不仅回收了热量，同时降低操作岗位的环境温度。

　　2.5 隧道窑

　　隧道窑是一种生产镁质耐火制品(镁砖/或镁质复合砖)的连续式高温烧成的热工设备，隧道窑自动化程度高，是目前生产耐火制品的理想的热工窑炉。辽宁地区有各种隧道窑72条，年产各种镁制品约100多万吨。生产镁制品的隧道窑温度较高，在1650-1800℃之间。目前，镁质耐火制品隧道窑主要存在如下两方面的问题：

　　1)废气中二氧化硫及氮氧化物含量严重超标，SO2>1000 mg/m3，NOx>1500 mg/m3,大气污染严重。二氧化硫主要来源于高含硫的燃料油，氮氧化物主要来源于1650℃以上的烧成温度。

　　2)断面温度不均，上下温差较大，约在50-100 ℃之间，废品率较高;成品出窑温度高(约300-350 ℃)，出窑废气温度高(约400 ℃以上)，窑热损失大，能耗高。造成温差大的原因是拱形断面，出窑成品温度和废气温度高的主要因数则是目前的镁制品隧道窑长度较短所致。

　　镁制品隧道窑发展方向：

　　1)环保。配置脱硫脱硝装置，降低废气中SO2及NOx排放浓度。

　　2)节能减排。降低废气排放温度至80 ℃以下，降低制品出窑温度至50 ℃以下，吨制品能耗可降低约41 kgbm/t，减排CO2约69 m3 /t。研发矮、平、宽、长型隧道窑是节能减排的主要技术措施，目前，国外隧道窑长度发展到约500 m，平顶、高度小于700 mm、宽度大于2 m，这种隧道窑烧成温度均匀，制品常温进出，排气温度低于50 ℃，节能环保;我国山西某耐火材料厂计划在2017年建成长度为300 m的矮、平、宽、长型隧道窑，将为镁制品隧道窑提供设计及生产经验。