單智偉，王悅存，王鵬飛，馬英子，鄭 芮

(1. 西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049.(2. 西安交通大學(xué) 陜西省鎂基新材料工程研究中心，陜西 西安 710049.(3. 西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710049.(4. 國科鎂業(yè)科技(河南)有限公司，河南 洛陽 471000)

1 前 言

金屬鎂及其合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料、極富前景的可降解醫(yī)用植入材料和儲能儲氫材料，是聚焦“四個(gè)面向”，落實(shí)“雙碳戰(zhàn)略”、節(jié)能減排等國家任務(wù)不可或缺的重要載體；同時(shí)鎂也是鈦、鋯、鉿等高端戰(zhàn)略金屬材料的還原劑、鋼鐵等高效的脫硫劑以及鋁合金中必須的添加元素[1]。我國鎂資源的探明儲量位居世界第一[2]，全球鎂產(chǎn)量集中在中國，截至2022年，中國的金屬鎂產(chǎn)量占據(jù)全世界總產(chǎn)量的90%[3]，穩(wěn)居世界第一大原鎂生產(chǎn)國和出口國[4]。因此，鎂產(chǎn)業(yè)的健康、快速發(fā)展對國家具有十分重要的戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)意義。我國綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，一方面給鎂基新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來巨大機(jī)遇，因?yàn)槟軌蛲ㄟ^材料的輕量化來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；同時(shí)也給鎂行業(yè)目前的技術(shù)工藝帶來了巨大的節(jié)能減排和環(huán)保壓力，其中最重要的是作為整個(gè)鎂產(chǎn)業(yè)上游的原鎂冶煉工業(yè)。

目前世界各國較為成熟的金屬鎂工業(yè)生產(chǎn)方法一般分為兩大類：電解法和硅熱法。電解法煉鎂是將熔融狀態(tài)下的無水MgCl2電解，電解生成Mg和Cl2。電解法易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，生產(chǎn)效率高，環(huán)保效果好，但技術(shù)較為復(fù)雜，投資成本較高。而硅熱法煉鎂由于對設(shè)備要求不高、工藝相對簡單、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點(diǎn)在我國普遍得到應(yīng)用。皮江法在我國硅熱法煉鎂中廣泛應(yīng)用，該方法可概括為原料(白云石)煅燒、配料制球、球團(tuán)真空熱還原、粗鎂精煉4個(gè)主要過程[5]。然而，由于熱能利用率低、能源消耗大、污染嚴(yán)重、CO2回收再利用率低等問題，近年來皮江法廣受詬病。因此，集約型、低能耗的原鎂冶煉工業(yè)是引領(lǐng)整個(gè)鎂產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵所在，其中有可能“打響第一槍”并對后續(xù)環(huán)節(jié)產(chǎn)生重要影響的是白云石的綠色高效集成化煅燒。作為皮江法還原制鎂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，白云石鍛燒能耗占金屬鎂生產(chǎn)總能耗的30%以上[6]，同時(shí)也是整個(gè)煉鎂流程中最主要的CO2排放源之一。若能革新白云石煅燒工藝，改變現(xiàn)有的“分散式”煅燒模式為集成化煅燒，并同時(shí)提升煅燒產(chǎn)物質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)CO2的富集與資源化回收再利用，則不僅可為后續(xù)煉鎂環(huán)節(jié)提供優(yōu)質(zhì)原料，從源頭上提升金屬鎂品質(zhì)，還將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

2 煅燒白云石質(zhì)量的影響因素分析

煅燒白云石作為硅熱法煉鎂的第一步，煅燒產(chǎn)物質(zhì)量的好壞將直接影響原鎂的品質(zhì)，因此，首先需要明確該環(huán)節(jié)的主要影響因素。白云石主要是CaCO3和MgCO3的復(fù)鹽(二者物質(zhì)的量比為1∶1)，高溫煅燒時(shí)發(fā)生如式(1)的分解反應(yīng)：

CaCO3·MgCO3=MgO+CaO+2CO2↑

(1)

其中，MgCO3的分解溫度為734～835 ℃，CaCO3的分解溫度為904～1200 ℃[7]。煅燒產(chǎn)物MgO和CaO的混合物被稱作煅白。煅白是硅熱法煉鎂的主要含鎂原料，與還原劑硅鐵及礦化劑螢石按照質(zhì)量比80∶17∶3(實(shí)際生產(chǎn)中煅白的占比可達(dá)到82.8%)混合并球磨成粉，后制成一定形狀和大小的球團(tuán)裝入還原罐內(nèi)，通常生產(chǎn)1噸原鎂需要消耗5噸左右的煅白(對應(yīng)10.5～11.5噸的白云石)[4]。

煅燒過程進(jìn)行得是否科學(xué)合理不僅影響著噸鎂的能耗指標(biāo)，更是決定了煅白質(zhì)量的好壞，并直接影響后續(xù)真空還原時(shí)的出鎂率和粗鎂的質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中常以白云石的燒損率、煅白的灼減量和水化活性度等指標(biāo)來評價(jià)煅白品質(zhì)(反應(yīng)性或活性)的高低。白云石的燒損率是指白云石在煅燒過程總質(zhì)量減損的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(如白云石中的水分、CO2及有機(jī)物等)。例如，白云石在1200 ℃下煅燒時(shí)，其燒損率一般可達(dá)46.5%～47.5%。如果白云石的燒損率偏低，則表示白云石中的碳酸鹽沒有徹底分解，煅白中仍殘存有碳酸鹽；當(dāng)燒損率達(dá)到47.5%以上時(shí)，獲得的煅白輕且疏松，質(zhì)量較好。煅白的灼減量是指煅燒后煅白中殘存的CO2以及從空氣中吸收的水蒸氣和CO2的量。硅熱法煉鎂用煅白的灼減量要求低于0.5%，否則在還原階段，煅白中的水蒸氣和CO2氣體不僅會引起反應(yīng)區(qū)剩余壓力的升高進(jìn)而降低還原反應(yīng)速率，而且會與生成的鎂蒸氣反應(yīng)降低鎂產(chǎn)率并影響結(jié)晶鎂的品質(zhì)。煅白水化活性度是指煅白的吸水能力，通常在32%～34%。如果白云石燒損率小于46.5%，則為欠燒煅白，其不僅灼減量大，水化活性度也低；過燒的煅白燒損率一般可達(dá)47.5%，灼減量小于0.5%，但水化活性度同樣也較低[7，8]。

以上煅白質(zhì)量指標(biāo)又與煅燒溫度、煅燒時(shí)間及白云石顆粒度等因素密切相關(guān)[9]。煅燒溫度是影響白云石分解的最主要因素，隨著煅燒溫度的升高，白云石分解速度加快，煅白的灼減量會持續(xù)降低(先快后緩)；在一定溫度范圍內(nèi)，煅白的水化活性度會隨著煅燒溫度的升高而上升，當(dāng)達(dá)到最大值后，繼續(xù)升高溫度，煅白活性度逐漸下降。當(dāng)煅燒溫度一定時(shí)，隨著煅燒時(shí)間增加，白云石熱分解程度提高，煅白灼減量降低、活性度增加。煅燒時(shí)間過短，白云石未分解完全，晶粒尺寸較大，出現(xiàn)欠燒，活性度較低；而煅燒時(shí)間過長，雖然白云石分解更完全(灼減量小)，但會造成煅白晶粒的長大[10，11]。出現(xiàn)過燒，活性度大幅降低。白云石粒度對煅燒過程也有很大影響：相同的煅燒溫度和煅燒時(shí)間下，白云石的分解速度與其粒度大小成負(fù)相關(guān)，顆粒愈大，熱量的滲透傳入和分解產(chǎn)生的CO2逸出越慢，白云石的分解反應(yīng)也越慢；顆粒愈小，則分解愈快愈徹底，獲得的煅白灼減量較小，活性也較高。

3 回轉(zhuǎn)窯煅燒白云石的弊端

目前煅燒白云石所使用的主要設(shè)備是回轉(zhuǎn)窯，塊狀白云石堆積在窯體中，通過連續(xù)轉(zhuǎn)動窯體使得白云石在窯內(nèi)被翻動，與高溫?zé)煔獬浞纸佑|而受熱分解，獲得的高溫煅白經(jīng)冷卻機(jī)冷卻后待用。傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯具有機(jī)械化程度高、維護(hù)操作簡單、高溫下煅燒充分等優(yōu)點(diǎn)[12]，但同時(shí)存在以下弊端。

(1)由于白云石顆粒(粒徑通常在20～40 mm)在回轉(zhuǎn)窯中呈堆積狀態(tài)，因此氣固之間的傳熱傳質(zhì)條件差，煅燒時(shí)間長，且因窯內(nèi)縱向熱量分布不均勻?qū)е聼崃可俚牡胤椒纸膺M(jìn)行得不徹底，產(chǎn)生“欠燒”，煅白中殘留CO2；而傳熱過度的地方就會“過燒”，煅白晶粒長大并逐漸失去活性[13]?！扒窡焙汀斑^燒”都會導(dǎo)致后續(xù)還原階段反應(yīng)率降低，使得還原渣中殘留不少未能反應(yīng)的MgO，給鎂渣的回收再利用造成較大困難，造成資源浪費(fèi)[14]。

(2)熱效率低，因窯體表面散熱、煙氣帶走熱等熱損失導(dǎo)致?lián)Q熱效率最高僅42%[6]；噸能耗過高(0.3噸標(biāo)煤/噸煅白[15])；產(chǎn)生的CO2不經(jīng)處理直接排放，理論排放量約為1.8噸CO2/噸煅白，其中白云石分解直接產(chǎn)生1噸 CO2、燃煤釋放0.8噸 CO2。

(3)回轉(zhuǎn)窯單線生產(chǎn)能力低(目前主流工藝的單線產(chǎn)能不超過1200噸/天[16])，大規(guī)模生產(chǎn)需要多線并行，投資、占地、運(yùn)維成本大幅增加。目前原鎂生產(chǎn)廠家大都自行搭建回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)煅白，自給自足，這種小規(guī)模生產(chǎn)導(dǎo)致余熱及CO2的排放較為分散，不利于回收再利用，生產(chǎn)管控難度較大。

(4)回轉(zhuǎn)窯煅燒白云石時(shí)的窯體溫度在1300 ℃以上，窯體溫度高除了導(dǎo)致表面散熱量大(占總攝入熱量的38%左右[17])之外，還會使氮氧化物氣體等污染物的排放量增加，環(huán)保投入較大。

鑒于目前回轉(zhuǎn)窯煅燒白云石的種種弊端，整個(gè)煅燒工序亟須技術(shù)革新，要求能在較低溫度下使白云石快速、充分地分解，顯著降低過燒和欠燒比例，在獲得高質(zhì)量煅白的同時(shí)，降低能耗，實(shí)現(xiàn)CO2的集成化回收再利用。

4 懸浮煅燒生產(chǎn)煅白的優(yōu)勢分析

懸浮煅燒是一種新型流態(tài)化技術(shù)，將懸浮煅燒爐、多級懸浮預(yù)熱器、旋風(fēng)分離器、多級懸浮冷卻器等結(jié)合在一起，在懸浮狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)粉狀物料的熱交換、化學(xué)反應(yīng)、冷卻及氣固分離等[18]。多級懸浮預(yù)熱器用于回收從懸浮煅燒爐釋放出的廢氣熱量，既可以用來預(yù)熱原料粉又降低了出爐廢氣溫度[19]。預(yù)熱后的原料粉進(jìn)入懸浮煅燒爐內(nèi)煅燒，爐出口處的旋風(fēng)分離器用于分離收集的高溫成品粉，之后進(jìn)入多級懸浮冷卻器逐步冷卻。多級懸浮冷卻器回收來自成品粉的熱量，用于空氣預(yù)熱，為懸浮煅燒爐提供熱空氣[20]。目前該工藝已經(jīng)在石灰石分解、高硫鋁土礦煅燒脫硫等領(lǐng)域成功應(yīng)用[21，22]，在白云石煅燒方面也已有了初步探索。例如，Gil等[23]發(fā)現(xiàn)，在白云石進(jìn)入840 ℃流化床時(shí)，會發(fā)生煅燒；國內(nèi)也有專利提到[24]，將白云石粉末先低溫懸浮預(yù)熱、煅燒，得到的輕燒產(chǎn)品再與石灰石粉末混合進(jìn)行高溫懸浮煅燒，可獲得作為優(yōu)質(zhì)耐火材料的重?zé)善贰Ｓ纱丝梢?，通過調(diào)整懸浮煅燒工藝參數(shù)來控制白云石的煅燒程度是可行的。目前，利用白云石懸浮煅燒產(chǎn)物制備金屬鎂也已有了初步的嘗試[25]：將白云石、螢石、硅鐵粉末細(xì)磨混合后，依次在300～880 ℃懸浮預(yù)熱、900～1000 ℃懸浮煅燒，可得到灼減量≤0.5%、水化活性度≥29%的煅白混合料，將其壓制成球后可還原制得金屬鎂。盡管這里是將白云石等粉料混合后進(jìn)行懸浮煅燒，但已經(jīng)初步在實(shí)驗(yàn)上說明了白云石經(jīng)懸浮煅燒后制備金屬鎂的可行性。但需要注意的是，該專利技術(shù)是將易發(fā)生氧化而還原性能降低的硅鐵與白云石一起暴露在高溫空氣環(huán)境中，如果僅懸浮煅燒白云石粉，而后再與硅鐵、螢石等在室溫下混合制球，從理論上講應(yīng)該是更優(yōu)的。

懸浮煅燒工藝相比于目前的回轉(zhuǎn)窯煅燒，主要優(yōu)勢有以下幾個(gè)方面。

(1)技術(shù)優(yōu)勢

懸浮煅燒是對從塊體磨碎的粉體進(jìn)行懸浮預(yù)熱(將低溫粉體物料均勻分散在高溫氣流中，在懸浮狀態(tài)下進(jìn)行熱交換，使物料得到迅速加熱升溫[26])、高溫分解、冷卻。相較于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的塊狀石料的堆積態(tài)換熱(熱交換速率5～45 ℃/min)，懸浮煅燒時(shí)通過單顆粒物料與高溫?zé)峥諝鉄釋α?、熱輻射進(jìn)行換熱，僅需0.03 s便可完成溫差為300 ℃的換熱傳質(zhì)過程[27]。當(dāng)平均粒徑小于500 μm時(shí)，顆粒內(nèi)外溫差近乎于零[28，29]，溫度場分布均勻穩(wěn)定，可有效避免“過燒”和“欠燒”，實(shí)現(xiàn)正燒，獲得高活性煅白。

系統(tǒng)煅燒溫度較低，且分解速度快、分解完全。相較于回轉(zhuǎn)窯工藝的1200 ℃的煅燒溫度與1 h左右的煅燒時(shí)間，懸浮煅燒在溫度為900～1000 ℃時(shí)，粉料幾秒鐘內(nèi)就可以完成分解[25]。通過精確控制粉料在爐內(nèi)的停留時(shí)間，確保煅燒分解完全，避免了回轉(zhuǎn)窯煅燒中出現(xiàn)的“外表過燒內(nèi)心欠燒”。

懸浮煅燒在沒有運(yùn)動部件的裝置中進(jìn)行，系統(tǒng)緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)、運(yùn)轉(zhuǎn)率高，系統(tǒng)參數(shù)與流程簡單易控，自動化水平高，進(jìn)一步保證了產(chǎn)品質(zhì)量的均勻穩(wěn)定性[30]。

原料資源利用率高。各種粒徑的白云石均可磨制成粉作為原料，提高了優(yōu)質(zhì)資源的利用率，懸浮煅燒過程中粉末原料的利用率大幅提高。

(2)環(huán)保優(yōu)勢

從以上懸浮態(tài)煅燒的巨大技術(shù)優(yōu)勢可以看出，如果將它用于煅燒白云石，不僅可以提高生產(chǎn)效率、獲得高質(zhì)量煅白，而且由于系統(tǒng)溫度和煅燒時(shí)間顯著降低、熱量傳遞效率提升、余熱得到充分回收以及反應(yīng)器散熱損失少，相對應(yīng)的熱耗和電耗也會隨之大幅下降，使得其綠色低碳指標(biāo)領(lǐng)先于傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯煅燒。下面將通過具體的能耗數(shù)據(jù)及CO2排放量進(jìn)行對比說明。

目前國內(nèi)硅熱法生產(chǎn)原鎂的平均能耗水平為5噸標(biāo)煤/噸鎂[15]，其中回轉(zhuǎn)窯煅燒工序占總能耗的30%左右[6]，即1.5噸標(biāo)煤/噸鎂，對應(yīng)的CO2排放量為9噸(其中白云石分解直接產(chǎn)生4.7噸CO2，與燃煤排放的CO2的量約各占一半)。生產(chǎn)1噸原鎂需要約5噸煅白，因此回轉(zhuǎn)窯煅燒生產(chǎn)煅白的能耗為0.3噸標(biāo)煤/噸煅白，對應(yīng)的燃煤排放的CO2的量為0.8噸/噸煅白，白云石分解排放的CO2的量為0.94噸/噸煅白。根據(jù)目前工業(yè)上比較成熟的懸浮煅燒石灰石(主要成分為CaCO3，其分解溫度高于MgCO3)生產(chǎn)水泥的能耗，估算利用懸浮態(tài)工藝生產(chǎn)噸煅白的最大能耗在0.130～0.145噸標(biāo)煤[31]，與回轉(zhuǎn)窯煅燒相比，理論上節(jié)能50%以上，相應(yīng)的CO2減排在20%以上。另外，懸浮煅燒系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境好，運(yùn)行過程中系統(tǒng)處于負(fù)壓操作，避免了粉塵泄露危害環(huán)境[32]。因懸浮煅燒系統(tǒng)溫度相對較低，煙道氣中的本底氮氧化物含量也隨之降低，且廢氣排放點(diǎn)單一，易于控制，有利于提升環(huán)?？刂浦笜?biāo)，實(shí)現(xiàn)綠色清潔生產(chǎn)。

(3)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢

懸浮煅燒技術(shù)的巨大技術(shù)優(yōu)勢和環(huán)保優(yōu)勢決定了其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，一方面低耗能、高品質(zhì)煅燒方式使得煅燒成本顯著降低；另一方面，懸浮煅燒系統(tǒng)余熱、廢氣比較集中，回收再利用后的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益可觀。下文核算了懸浮煅燒生產(chǎn)噸煅白(5000噸/天)的成本，并與目前的回轉(zhuǎn)窯煅燒成本進(jìn)行了對比。回轉(zhuǎn)窯煅燒生產(chǎn)噸煅白的成本數(shù)據(jù)來自于中國陜西省府谷縣一家年產(chǎn)2萬噸金屬鎂的企業(yè)的煅燒生產(chǎn)線(2022年12月份)。府谷縣是世界上最大的原鎂生產(chǎn)基地，該地區(qū)雖具有得天獨(dú)厚的能源優(yōu)勢，但沒有白云石礦產(chǎn)資源，需要從山西省五臺縣等地運(yùn)輸白云石。從表1中可以看出，一個(gè)日煅燒近千噸白云石的回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線，生產(chǎn)1噸煅白的成本(包括采購白云石及運(yùn)費(fèi)，生產(chǎn)過程中的電耗、煤氣、煤粉，相關(guān)耗材及人力費(fèi)用等，已含稅)約為1200元。如表2所示，假設(shè)在府谷縣建設(shè)一個(gè)日產(chǎn)5000噸煅白的中型懸浮煅燒線，參照目前同等規(guī)模的水泥的懸浮煅燒線進(jìn)行噸煅白生產(chǎn)的成本測算，根據(jù)采購白云石及運(yùn)費(fèi)、生產(chǎn)過程中的電耗(減去了余熱發(fā)電部分)、燃料費(fèi)、相關(guān)耗材及人力費(fèi)用等，所估算出的成本約為780元/噸煅白(已含稅)。從生產(chǎn)成本上看，即便不考慮減少的環(huán)保與碳排放成本，用懸浮煅燒技術(shù)替代回轉(zhuǎn)窯仍可使成本降低35%。

表1 回轉(zhuǎn)窯煅燒生產(chǎn)線日消耗(按大窯Ф4.8 m×80 m算,原鎂產(chǎn)能為90噸鎂/日)Table 1 Daily consumption of calcining production line of rotary kiln (calculated according to the size of large kiln of Ф4.8 m×80 m, primary magnesium production capacity is 90 t/d)

表2 懸浮煅燒5000噸煅白/日生產(chǎn)線噸煅白生產(chǎn)成本(懸浮煅燒線設(shè)在陜西省府谷地區(qū))Table 2 Production cost of 5000 tons of calcined dolomite per day suspension calcined production line (the suspension calcined line is located in Fugu area of Shaanxi province)

此外，回收利用懸浮煅燒系統(tǒng)煙道廢氣中的CO2直接與活性生石灰粉或電石渣反應(yīng)[33]，可合成高附加值的輕質(zhì)納米碳酸鈣微粉填充材料，產(chǎn)品價(jià)值達(dá)35 000元/噸。同時(shí)，由于懸浮煅燒系統(tǒng)余熱比較集中，便于收集用于發(fā)電，可提高廢熱利用效率，有利于平衡系統(tǒng)的用電消耗。綜上所述，懸浮煅燒技術(shù)有望應(yīng)用于煅白生產(chǎn)，以克服回轉(zhuǎn)窯煅燒能耗高、污染大、單線產(chǎn)量低、換熱效率低、難以保證煅白質(zhì)量的均勻穩(wěn)定性等弊端，不僅可以讓煅白生產(chǎn)變得綠色環(huán)保和現(xiàn)代化，而且可以大幅降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

5 集成化懸浮煅燒生產(chǎn)煅白的可行性分析

如果將懸浮煅燒技術(shù)用于規(guī)模化、集成化的煅白生產(chǎn)，將會對整個(gè)鎂產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生顛覆性影響。目前，原鎂生產(chǎn)企業(yè)大都是在礦石產(chǎn)地小批量采購白云石并運(yùn)輸?shù)皆V冶煉地，然后在自行搭建的回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行煅燒，自給自足。這種小規(guī)模生產(chǎn)導(dǎo)致余熱及CO2的排放較為分散，不利于回收再利用，生產(chǎn)管控難度較大。如果后續(xù)技術(shù)升級時(shí)企業(yè)只是單純地用懸浮煅燒替代目前的回轉(zhuǎn)窯工藝，并無法實(shí)現(xiàn)前者優(yōu)勢的最大化。懸浮預(yù)熱與分解工藝相較于目前的回轉(zhuǎn)窯，將煅白的單線產(chǎn)能提升了近10倍，那么一個(gè)日產(chǎn)5000噸煅白的中型懸浮生產(chǎn)線就可以滿足一個(gè)30萬噸年產(chǎn)量的鎂廠全部的煅白需求。2021年府谷全縣原鎂產(chǎn)量約為45萬噸(占全球產(chǎn)量的40%)[34]。因此，可以將這樣一個(gè)懸浮煅燒產(chǎn)線建在白云石產(chǎn)地，向周圍幾百公里范圍內(nèi)的鎂廠供給煅白，實(shí)行“一供多”，如圖1所示的綠色集成化懸浮煅燒生產(chǎn)線構(gòu)想，節(jié)省了鎂廠單獨(dú)建立煅燒工段、大型回轉(zhuǎn)窯占地與相關(guān)設(shè)備投資等系列成本。這種規(guī)?；?、集成化煅燒有利于余熱及CO2的回收與再利用，可以進(jìn)一步降低能耗與污染，使得懸浮煅燒的優(yōu)勢更加突出。更進(jìn)一步，如果能將懸浮煅燒生產(chǎn)線建設(shè)在同時(shí)擁有豐富的白云石礦產(chǎn)資源和煤炭資源且有相當(dāng)規(guī)模鎂冶煉企業(yè)的地區(qū)(例如原鎂冶煉產(chǎn)業(yè)已經(jīng)起步的新疆哈密地區(qū))，那么煅白的生產(chǎn)成本可以在目前估算的780元/噸煅白的基礎(chǔ)上再降低一半左右，而且節(jié)約了后續(xù)煅白的長途運(yùn)輸費(fèi)用，呈現(xiàn)出更突出的成本優(yōu)勢。盡管煅白在運(yùn)輸過程中不可避免地會吸潮，但已有研究表明[35]：在相對濕度為79.76%的環(huán)境下，5～10 mm粒徑的煅白在加蓋坩堝中(模擬工廠料倉環(huán)境)存儲24 h后的吸濕率為0.53%，且后繼吸濕率幾乎不變。實(shí)際生產(chǎn)中，煅白有時(shí)也會在料倉中存放2～3天才進(jìn)行混料、壓球、還原，仍然可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求，說明存在可長途運(yùn)輸?shù)目赡苄浴y定120目(粒徑125 μm左右，懸浮煅燒生產(chǎn)的常用的粉體粒徑<200 μm[11])的煅白粉末完全暴露在空氣中的吸濕性(溫度25 ℃，相對濕度50%)，結(jié)果顯示，40 h后，煅白粉末的吸濕率穩(wěn)定在3%左右[36]。因此，如果在運(yùn)輸過程中采取適當(dāng)?shù)拿芊夂头莱贝胧?，是有可能將煅白粉的吸濕率維持在較低水平的(基本不影響后續(xù)還原過程)。運(yùn)輸時(shí)，除了分袋密封包裝外，還可采用易吸潮粉狀物料(如生石灰粉、水泥等)常用的粉罐車來實(shí)現(xiàn)短距離(200～300公里左右)運(yùn)輸，其噸公里運(yùn)費(fèi)約2元(折合約1元/(噸礦石·公里))。表3中對比了在3個(gè)具有代表性的地區(qū)建立白云石煅燒產(chǎn)線生產(chǎn)和運(yùn)輸噸煅白的成本。

圖1 綠色集成化煅白懸浮煅燒生產(chǎn)線構(gòu)想圖Fig.1 Environment-friendly integrated dolomite suspension calcining production line conception

表3 3個(gè)代表地區(qū)建立白云石煅燒產(chǎn)線生產(chǎn)和運(yùn)輸成本Table 3 Production and transport costs of establishing dolomite calcination in three representative regions

除了降低能耗、碳排放及成本外，規(guī)?；?、集成化的白云石懸浮煅燒還可以批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煅白，為硅熱還原鎂提供高活性、質(zhì)量均一且穩(wěn)定的原料，為提升原鎂產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。此外，使用懸浮煅燒制備的高活性煅白將提升還原階段反應(yīng)效率，降低還原渣(主要成分為硅酸鈣)中殘留的MgO含量，有利于回收利用還原渣，可將還原渣用作水泥原料等。

6 總結(jié)與展望

目前全球鎂需求量正在快速增長，但是原鎂冶煉產(chǎn)業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的高耗能、高污染和工業(yè)自動化程度低的問題已經(jīng)成為當(dāng)下國際金屬鎂行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。

作為皮江法煉鎂的第一步，高能耗、高排放的白云石煅燒環(huán)節(jié)的節(jié)能減排依然任重而道遠(yuǎn)。用目前水泥工業(yè)上已經(jīng)成熟的懸浮煅燒技術(shù)替代傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯煅燒，有望在大幅降低能耗、碳排放的同時(shí)提升礦石利用率與分解效率，從根本上解決煅白“欠燒”和“過燒”問題，一箭多雕。我國白云石礦產(chǎn)資源豐富、儲量大、品質(zhì)較好且分布廣泛，有利于大規(guī)模開發(fā)。但目前國內(nèi)許多地方對白云石的開采利用僅僅停留在簡單的初級產(chǎn)品加工，如作為建筑石料或者工業(yè)原料。如果可以徹底改變原料產(chǎn)地的低價(jià)值生產(chǎn)模式，在白云石產(chǎn)地進(jìn)行規(guī)?；⒓苫撵寻咨a(chǎn)，年產(chǎn)百萬噸的高品質(zhì)煅白產(chǎn)品會給當(dāng)?shù)貛砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益，遠(yuǎn)超目前直接出售低附加值的礦石，可迅速帶動地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。集成化白云石懸浮煅燒不僅有利于提升金屬鎂的品質(zhì)，而且有利于降低其生產(chǎn)能耗、成本及碳排放，將構(gòu)建以府谷地區(qū)為代表的中國鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展新優(yōu)勢，更為中國鎂產(chǎn)業(yè)大規(guī)模、高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)，為進(jìn)一步擴(kuò)大國內(nèi)外市場、鞏固中國鎂產(chǎn)業(yè)國際地位提供有力支撐。盡管對白云石進(jìn)行懸浮煅燒生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煅白在原理上可行，但目前尚缺少成熟的工藝流程，還無法保證可以很好地與現(xiàn)有的工業(yè)懸浮產(chǎn)線直接對接，因此仍需要嚴(yán)格的小試、中試參數(shù)摸底實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)的工藝優(yōu)化研究，以確保不久的將來順利投產(chǎn)。本文提供了一種可供參考的白云石煅燒新思路，有待相關(guān)領(lǐng)域的研究者們開展進(jìn)一步的工藝探究，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

另外，值得進(jìn)一步思考的是，一旦綠色、高效的白云石集成化煅燒技術(shù)成熟，將可為未來全球鎂產(chǎn)能的進(jìn)一步增長提供充足的原料保障，那么還原環(huán)節(jié)的單罐產(chǎn)能低、能耗高將成為限制鎂產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的最大短板之一。目前，實(shí)際生產(chǎn)中還原環(huán)節(jié)橫罐產(chǎn)量僅30千克量級/爐次，即使豎罐產(chǎn)量也仍在100千克量級/爐次，全國年產(chǎn)90萬噸原鎂依賴于單罐次的簡單復(fù)制，若能通過技術(shù)攻關(guān)研發(fā)低能耗、單罐大規(guī)模或連續(xù)化的還原裝置和配套工藝，將有望與集成化懸浮煅燒技術(shù)一起，為整個(gè)鎂產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的原材料基礎(chǔ)。