田宗平，李建文，曹 建

（湖南省礦產(chǎn)測試?yán)醚芯克祥L沙410007）

化工裝備與設(shè)計

新型二氧化錳還原爐的設(shè)計與應(yīng)用

田宗平，李建文，曹 建

（湖南省礦產(chǎn)測試?yán)醚芯克?，湖南長沙410007）

根據(jù)錳系列產(chǎn)品生產(chǎn)的需要和對現(xiàn)有窯爐的研究，設(shè)計出新型二氧化錳還原焙燒爐。爐體結(jié)構(gòu)：柱狀、立式、多通道、燃燒室與還原室隔離、隔絕空氣冷卻。配套設(shè)施：采用燃燒混合煤氣的先進、環(huán)保的供熱方式；采用數(shù)字化儀表顯示爐內(nèi)溫度；進出料采用自動化設(shè)備。另外，確定了二氧化錳還原焙燒的分析測試方法。特點：生產(chǎn)成本低，工人勞動強度小、環(huán)境污染程度小。采用新型焙燒爐，對多個產(chǎn)地的二氧化錳進行還原焙燒，還原率均大于94%。

二氧化錳；還原爐；設(shè)計；應(yīng)用

近年來，由于電解金屬錳、電解二氧化錳和錳鹽等產(chǎn)品對碳酸錳礦原料的消耗，使得中國優(yōu)質(zhì)錳礦資源極度貧乏。軟錳礦（又稱氧化錳礦）是中國主要錳礦資源之一，資源儲量約有5 000萬t，其中大多為低品位的貧礦［1］。由于優(yōu)質(zhì)錳礦資源的貧乏，人們開始致力于應(yīng)用低品位氧化錳礦生產(chǎn)錳系列產(chǎn)品的研究［2-6］，成熟技術(shù)大都是將軟錳礦中的MnO2還原為MnO，再經(jīng)酸浸生產(chǎn)錳的濕法冶金產(chǎn)品和化工產(chǎn)品。但是由于生產(chǎn)工藝不成熟、還原成本過高、污染嚴(yán)重等原因使得軟錳礦得不到有效利用。筆者對現(xiàn)有窯爐進行了長達數(shù)年的研究，綜合各種窯爐的優(yōu)點，并經(jīng)過數(shù)次的爐體改造、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、配套設(shè)備選型與定型，設(shè)計出新型二氧化錳還原焙燒爐，并成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，取得了很好的效果。

1 現(xiàn)有窯爐的優(yōu)缺點

1）反射爐。燃料在燃燒室燃燒，生成的火焰靠爐頂反射到加熱室加熱坯料。一般用耐火磚砌筑爐膛，燃燒室設(shè)在爐頭，燃燒室燃燒原煤（煤氣、重油）產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)爐膛上部空間至凈止物料上部掠過，再從煙道口經(jīng)煙道排向大氣。整個還原過程為間歇操作，需將軟錳礦粉與作為還原劑的無煙煤粉混合均勻后送入爐膛，爐內(nèi)物料的攪拌和焙燒后出料均采用人工操作。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，投資少，燃料種類多。缺點：能耗高，單位面積產(chǎn)量小，工人勞動強度大，污染嚴(yán)重。

2）回轉(zhuǎn)窯。回轉(zhuǎn)窯是指旋轉(zhuǎn)焙燒窯（俗稱旋窯），由焙燒窯和冷卻窯兩部分組成。采用重油、煤氣、電或原煤為加熱源，以連續(xù)轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)窯作反應(yīng)器。以固體碳作還原劑，通過固相還原反應(yīng)把軟錳礦中的MnO2直接還原為MnO。還原焙燒窯分為干燥段、預(yù)熱和升溫段、加熱反應(yīng)段3部分。出料溫度在500～600℃以上，需進入冷卻窯冷卻。向冷卻窯外壁淋水，使焙燒礦冷卻至80℃以下再排出。優(yōu)點：工藝成熟，生產(chǎn)能力大，機械化程度高，設(shè)備定型，生產(chǎn)過程連續(xù)。缺點：能耗高，投資大，窯內(nèi)壁易結(jié)圈（疤），生產(chǎn)成本高，操作控制要求高等。

3）固定床窯。在地面挖掘一地窯，上面安裝爐排，在爐排上先鋪墊一層粗礦渣，再將顆粒狀的軟錳礦（≤20 mm）與煤（≤5 mm）按10∶（1～1.2）混合均勻后鋪在礦渣層上，形成物料床層。通入850～950℃主要成分為CO2的非氧化性高溫氣體，使之穿過料床，使MnO2得到還原，主要反應(yīng)式如下：

4）沸騰爐和流態(tài)化爐。固體燃料在爐內(nèi)被向上流動的氣流托起，在一定的高度范圍內(nèi)作上下翻滾運動，并以流態(tài)化（或稱沸騰）狀態(tài)進行燃燒。用煤氣或還原性的燃料氣體作為流化介質(zhì)加熱還原軟錳礦。由于加熱和還原礦石在同一爐膛內(nèi)完成，使得爐內(nèi)氣氛難以合理控制，因此，該類爐具有熱耗高、熱效率低、煙塵大、殘?zhí)几?、還原成本高等缺點。

5）微波還原爐。微波是一種特殊的電磁波，頻率在0.3～300 GHz，位于電磁波譜的紅外輻射波和無線電波之間。微波加熱焙燒具有以下特點：①微波電磁能通過物料內(nèi)分子的激烈運動直接轉(zhuǎn)變成熱能，是一種潔凈、非接觸式加熱；②微波穿透力強，可使物體內(nèi)外部整體加熱，速度快且均勻；③礦物中各種組分對微波的吸收程度不同，大多數(shù)金屬氧化物優(yōu)先加熱；④微波加熱使物料中微觀粒子得到活化，使反應(yīng)能降低，反應(yīng)速度快；⑤不需要高溫介質(zhì)傳熱，熱效率高。缺點：工藝設(shè)備成本高，開發(fā)應(yīng)用尚需要時間的檢驗。

以上窯爐存在的不足：還原與氧化難分離；煙氣與粉塵的污染難控制；難以科學(xué)控制和量化管理；分析測試方法不完善；工人勞動強度大，自動化程度低；工藝參數(shù)不完善。

2 新窯爐的設(shè)計

2.1 設(shè)計理念

筆者以高還原率、低成本和環(huán)境污染小為目的，經(jīng)過長期的爐體改造、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、配套設(shè)備選型與定型，設(shè)計出新型二氧化錳還原焙燒爐，確立了爐體結(jié)構(gòu)、配套設(shè)施。爐體結(jié)構(gòu)：柱狀、立式、多通道、燃燒室與還原室隔離、隔絕空氣冷卻（見圖1）。配套設(shè)施：1）采用燃燒混合煤氣的先進、環(huán)保的供熱方式；2）采用數(shù)字化儀表顯示爐內(nèi)溫度；3）進出料采用自動化設(shè)備。另外，確定二氧化錳還原焙燒的分析測試方法。

圖1 立式二氧化錳還原焙燒爐結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 生產(chǎn)操作過程

將二氧化錳礦破碎至粒度≤10 mm、無煙煤粉碎至粒度≤1 mm。按照二氧化錳礦粉與無煙煤粉的質(zhì)量比為100∶（13～15），用鏟車將二者鏟入盤式和料機中混合，再用螺旋運輸機送入還原爐進料區(qū)，并采用自然密實度裝入還原爐中。開起煤氣發(fā)生爐，點燃混合煤氣，先用小火烘爐（6～7 d），再升溫至850～900℃，使混合礦砂在高溫還原區(qū)停留15～30 min，開啟冷卻系統(tǒng)，采用間隙、多道輪流和定時定量放料。將出爐焙燒砂用皮帶運輸機送入礦砂冷卻坪，待冷卻至室溫后，用雷蒙機粉碎至粒度≤150 μm，裝袋或送入礦料倉中備用，同時取樣送去化驗分析。

2.3 還原原理

該窯爐采用先進的供熱與還原隔離系統(tǒng)，同時將老式窯爐采用的固相碳還原技術(shù)進行了優(yōu)化，在一個密閉的還原系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)了碳對二氧化錳的還原。首先，碳在高溫下與系統(tǒng)中的氧氣反應(yīng)生成一氧化碳，使系統(tǒng)處于一個完善的還原氣氛中，然后利用一氧化碳良好的還原特性和流動性實現(xiàn)對二氧化錳的高效還原。其反應(yīng)式如下：

該窯爐的還原特征決定了進料必須是顆粒狀的軟錳礦（粒度≤10 mm）與煤（粒度≤1 mm）。粒度太大易出現(xiàn)還原不完全，粒度太小一氧化碳和水蒸氣等流通不暢，易造成系統(tǒng)內(nèi)壓過高，出現(xiàn)安全隱患。

2.4 化驗分析方法

化驗是工業(yè)生產(chǎn)的“眼睛”，它是用科學(xué)、準(zhǔn)確、及時的化驗分析數(shù)據(jù)指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐，確立了《鹽酸分解-硫代硫酸鈉容量法》測定原礦粉和焙燒砂中二氧化錳含量的方法。其原理為：試料溶解于鹽酸，產(chǎn)生的氯氣與碘化鉀反應(yīng)生成碘，以淀粉作指示劑，用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定碘，根據(jù)硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量，計算二氧化錳含量。

2.5 生產(chǎn)應(yīng)用效果

新型二氧化錳還原焙燒爐推廣應(yīng)用兩年多，建設(shè)安裝百余座，還原焙燒了多個產(chǎn)地不同質(zhì)量的二氧化錳礦石，取得了很好的應(yīng)用效果，分析結(jié)果見表1。從表1看出，在正常生產(chǎn)條件下，無論哪個產(chǎn)地的二氧化錳礦粉，其焙燒還原率都可達到94%以上。

表1 不同產(chǎn)地二氧化錳使用新型窯爐焙燒后的分析結(jié)果

3 結(jié)論

1）采用柱狀、立式、多通道、燃燒室與還原室隔離、隔絕空氣冷卻的爐體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對二氧化錳的高效還原，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，還原率均＞94%。同時，也實現(xiàn)了窯體砌筑方式簡潔、操作人員勞動強度降低和能源消耗的降低。

2）選用煤氣發(fā)生爐燃燒無煙煤，先將煤氣化成混合煤氣然后再燃燒，大大提高了煤的利用率和環(huán)境保護的效果，能實現(xiàn)對焙燒爐有效、快速的供熱控制和調(diào)節(jié)。

3）使用爐內(nèi)溫度的數(shù)字化指示，做到了對生產(chǎn)過程的科學(xué)量化管理以及有效及時的調(diào)整。

4）通過研究和確定二氧化錳還原焙燒的分析測試方法，能有效發(fā)揮分析測試的“眼睛”作用和對生產(chǎn)操作的反饋，找到了正確的還原率評價標(biāo)準(zhǔn)。

5）實施自動化進出料，可大大提高二氧化錳還原焙燒的自動化程度，減輕工人的勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率。

6）焙燒產(chǎn)品可直接用于生產(chǎn)電解錳、電解二氧化錳和其他錳鹽產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)，為中國資源豐富、價格低廉的低品位軟錳礦的高效利用找到了新途徑，具有很好的經(jīng)濟與社會效益。

7）新型窯爐適用于粒度＜10 mm的粒狀二氧化錳礦的還原焙燒，對于粒度較細的粉狀礦的還原焙燒有局限性，有待進一步研究。

［1］ 李同慶.低品位軟錳礦還原工藝技術(shù)與研究進展［J］.中國錳業(yè)，2008，26（2）：4-14.

［2］ 田宗平，游先軍，彭順連，等.二氧化錳還原焙燒爐的研究與運用［J］.中國錳業(yè)，2009，27（2）：24-26.

［3］ 黎貴亮，韋英明.廣西天等氧化錳礦還原焙燒法生產(chǎn)電解金屬錳工業(yè)試驗研究［J］.中國錳業(yè)，2008，26（2）：28-31.

［4］ 田宗平.硫酸錳生產(chǎn)新工藝的研究［J］.中國錳業(yè)，2010，28（2）：26-29.

［5］ 周佩楠.兩礦法制液生產(chǎn)電解金屬錳的工業(yè)實踐［J］.中國錳業(yè)，2009，27（3）：44-48.

［6］ 田宗平，朱介中，王雄英，等.兩礦加酸法生產(chǎn)硫酸錳的工藝研究與應(yīng)用［J］.中國錳業(yè)，2005，23（4）：37-38.

聯(lián)系方式：hnxx-tianzongping@163.com

Design and application of new-type manganese dioxide reduction furnace

Tian Zongping，Li Jianwen，Cao Jian
（Hunan Institute of Mineral Resources Test and Utilization，Changsha 410007，China）

A new-type manganese dioxide reduction furnace was designed according to production needs of manganese products and the researches on the existing furnaces.Furnace structure：columnar shape，vertical，multiple channels，the combustion chamber separated from reducing room，and air isolated cooling way；Corollary equipment：advanced and eco-friendly gas mixing combustion system；furnace temperature digital display；and automatic feeding and discharging.In addition，the analysis and test methods of manganese dioxide reduction roasting were confirmed.Characteristics：low cost，low labor intensity，and little environmental pollution.Reduction rates all over 94%when the new-type furnace was applied in reduction roasting manganese dioxide of different origins.

manganese dioxide；reduction furnace；design；application

TQ052

：A

：1006-4990（2012）03-0047-03

2011-09-12

田宗平（1963—），男，高級工程師，主要從事濕法冶金工藝、分析測試及環(huán)保研究，已發(fā)表論文42篇，獨立編寫了《錳冶金學(xué)》第15章，主持編寫了《中國錳業(yè)技術(shù)》第18章。