苑卫军 秦利生 刘顺利
（唐山科源环保技术装备有限公司 河北唐山 063020）
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摘要：首先对皮江法冶炼金属镁的煅烧、还原和精炼等主要能耗工序的燃耗，进行了分项分析；同时对相关设备采用蓄热式燃烧技术后，可供选择的几种气体燃料的选择应用性进行了简要比较，结果表明发生炉煤气更适于在金属镁行业推广应用；并就发生炉煤气站炉型、生产工艺及建站规模等方面的选择，进行了系统分析，说明金属镁行业煤气站的建站筹划应该结合相关因素和要求，综合分析并确定。
关键词：金属镁；皮江法；能耗；发生炉煤气；煤气站
0.引言
我国是镁资源最为丰富的国家之一，目前我国已探明的菱镁矿储量约27亿吨，白云石储量超过40亿吨，2008年1-10月份，我国金属镁产量总计53.93万吨，同比增加6.6％，其产能、产量和出口量多年来均居世界首位。目前，比较成熟的金属镁冶炼工艺有电解法和热还原法两种，其中热还原法中的皮江法生产工艺，是以煅烧后的白云石为原料、以硅铁为还原剂，通过还原罐还原得到粗镁，经过精炼后生产成品镁锭。1987年我国第一条皮江法生产线正式投产后，由于设备投资少，建设周期短，产品质量较好，皮江法生产工艺在国内金属镁行业得到了广泛而迅速的发展，目前皮江法生产工艺在我国金属镁行业占有98%以上的比例，但是由于单位产品能耗高、环境污染严重等一些致命的缺点，严重制约和影响了该工艺方法的进一步推广与应用。
基于皮江法工艺在我国金属镁行业的绝对主导地位，各科研单位纷纷投入精力，就皮江法的工艺系统、生产设备以及燃料选择等环节，进行了系统的创新和改进，取得了较好的效果【1】。例如，发生炉煤气与蓄热式燃烧技术有效结合，在金属镁行业得到了广泛的推广和应用，使皮江法冶炼金属镁的能耗得到了大幅度的降低，环境污染得到了有效治理。
1. 皮江法炼镁工艺能耗分析
利用皮江法冶炼金属镁，应用传统设备时，其能耗一般占炼镁成本的25%左右，主要能耗集中在白云石煅烧、金属镁还原和粗镁精炼三个工序，各工序的能耗量与该工序所采用设备的规格型号、燃料及燃烧方式的选择等相关，不同生产规模的企业有时能耗差距也比较大。
1.1白云石煅烧工序能耗
皮江法冶炼金属镁工艺中，白云石的煅烧设备一般选用平窑、竖窑或回转窑，在我国金属镁行业中以回转窑应用最多。回转窑一般以重油、焦炉煤气、发生炉煤气或煤粉为燃料，燃烧装置设于窑头，原矿石自窑尾定量给入，煅烧后的煅白经过单筒冷却机冷却后排出，采用不同燃料，其能耗数据参见表1【2,3,4】。表1是在等热量消耗的前提下计算得出的结果，由于焦炉煤气和发生炉煤气为气体燃料，在燃烧充分性方面优于重油和粉煤，所以通常煅烧工序中吨镁耗热，燃用煤气一般要小于燃用重油和粉煤。
表1回转窑煅烧白云石燃料消耗对比
1.2金属镁还原工序能耗
金属镁还原是各能耗工序中能耗最大的工序，传统的皮江法炼镁还原炉都是外加热火焰反射炉，该炉以煤炭为直接燃料，火焰与热烟气翻过挡火墙，由挡火墙和炉顶反射加热还原罐，使还原罐中的煅白、硅铁和萤石发生还原反应生产粗镁，由于该炉燃烧效率和热利用率低、炉型结构不合理、排烟热量浪费严重等原因【5】，大大增加了还原工序的能耗，应用该炉还原工序的能耗约占总工序能耗的2/3左右。
通过优化还原炉与还原罐结构形式、应用高效洁净燃料、采用高温蓄热式燃烧技术等技术创新，可以有效降低皮江法炼镁还原工序的能耗【6,7】。例如山西某大型金属镁厂应用以发生炉煤气为燃料的大型空气-燃气双蓄热式还原炉后，与原传统燃煤还原炉相比，节约燃耗约61.5%左右【6】，该燃耗节约数据是对原传统燃煤还原炉的煤耗与改造后配套煤气站煤耗进行对比得出的，由于煤气发生炉气化效率一般在70%左右，所以，如果以原传统燃煤还原炉燃用的煤炭热量与煤气站向改造后还原炉供应的煤气热量相比较，改造后还原炉可节约燃耗73%左右。传统燃煤还原炉与大型空气-燃气双蓄热式还原炉燃耗对比如表2。
表2 传统燃煤还原炉与大型空气-燃气双蓄热式还原炉燃耗对比
1.3粗镁精炼工序能耗
粗镁精炼通常采用连续精炼炉或坩埚炉。连续精炼炉产能大，机械化程度和热效率较高，该炉一般以煤、重油或煤气为燃料，规模较大的金属镁厂一般采用此炉型；坩埚炉分电阻炉、燃气炉、燃油炉和燃煤炉等，我国早期建设的金属镁厂坩埚炉应用较多。随着我国金属镁行业规模化、效益化的迅速发展，以煤气为燃料，采用蓄热式燃烧技术的大型精炼炉业已成为行业推广的趋势。
粗镁精炼是各能耗工序中能耗最低的工序，在采用传统设备的工艺中，粗镁精炼一般占三个工序总能耗的10%左右，精炼每吨镁耗热折合标准煤约1.3吨左右。采用空气-燃气双蓄热式大型精炼炉，其能耗可以得到有效降低，燃用煤气吨镁热耗约为23000MJ左右。
2.发生炉煤气与其他煤气的选择比较
蓄热式燃烧技术的应用要求选择较为清洁的燃料，目前可供金属镁行业选择的气体燃料，按煤气热值从高至低区分，有天然气、焦炉煤气、半水煤气、转炉煤气、发生炉煤气和高炉煤气等，选择低热值煤气时，一般采用空气-燃气双蓄热的燃烧形式。企业选择哪种煤气最好？并无定论，需要结合自身的要求和优势，进行综合分析后确定气源。
我国天然气资源较为紧张，主要作为民用气源供应，大量的作为工业用气，在供应稳定性的保障方面存在严重的风险，而且，随着石油价格与国际接轨趋势的发展，作为石油衍生品的天然气，势必受到国际因素的影响，所以金属镁行业目前很少采用天然气作为燃料气源。
焦炉煤气是焦化厂焦炉炼焦的副产品，具有较强的价格竞争优势，而且随着民用气源领域的“天然气进、焦炉煤气退”形势的日益推进，焦炉煤气的工业供应量日益充足。但是，焦炉煤气的供应，通常受到输送距离的影响，如果焦炉煤气气源距离金属镁厂较远，则需要对输送加压设备投资的经济性和回报率进行综合的分析和论证，同时对于焦化厂而言，其主要产品焦炭的市场供需情况，决定着焦化厂的开工率，从而直接影响到焦炉煤气供应的稳定性。文献【8】提出“金属镁-焦化-硅铁联合生产”的解决方案，焦炉的主产品焦炭为硅铁冶炼提供能源，副产品焦炉煤气用作金属镁冶炼的燃料，硅铁再作为金属镁冶炼的还原剂应用，实现相关产品的穿插与产业链的延伸。该方案有利于系统上下游产品的链接，但是，这需要对相关企业进行系列化的产业重组，或进行循环经济产业的系统规划，推广难度较大。
转炉煤气和高炉煤气作为钢铁冶炼的副产煤气，有着极高的利用价值，但是一般钢厂都选择自用，很少外供，而且转炉煤气和高炉煤气同焦炉煤气一样，受到输送距离和长期供应稳定性等问题的影响，金属镁行业应用较少。半水煤气的生产属于间隙式生产，该煤气站存在生产效率低、操作复杂、投资较高、环境污染严重等缺点，目前中小规模的合成氨企业应用较多，金属镁行业少有应用。
发生炉煤气的热值一般在5225-6500 KJ/Nm3左右，可以满足金属镁冶炼的要求，同时气化煤种和炉型选择比较灵活，系统操作比较简单，设备投资相对较少，而且企业自建煤气站后，可以根据金属镁产品的市场行情，自行确定系统开工率，自主性较强，目前，发生炉煤气在金属镁行业的应用较为广泛。
3. 发生炉煤气在金属镁行业的应用
3.1发生炉煤气在金属镁行业的应用现状
我国早期的金属镁行业，基于对设备投资和产品成本的考虑，多以煤炭为直接燃料进行金属镁的冶炼生产，随着国家环保节能政策的不断深化和新的节能技术的逐渐成熟，特别是2005年以后，金属镁行业的燃料结构逐渐开始发生变化，发生炉煤气得到了有效的推广。
目前，各应用企业的发生炉煤气站的工艺形式主要以热煤气为主，煤气应用主要集中于金属镁还原工序，一些应用空气-燃气双蓄热式还原炉的企业，由于需要避免煤气杂质堵塞还原炉的蓄热体，一般应用两段式发生炉除焦热煤气或洁净的发生炉冷煤气。
3.2发生炉煤气站的工艺选择
3.2.1煤气站炉型选择
煤气站的炉型选择主要依据气化煤种，煤气发生炉最常用的气化煤种为弱粘结性烟煤和无烟煤，一般气化无烟煤选择一段式（1Q）煤气发生炉；气化弱粘结性烟煤炉型最佳选择方案为两段式(3Q)煤气发生炉或干馏式(5Q)煤气发生炉。具体选择还要结合冷、热煤气的工艺选择进行确定，参见表3。
表3 煤气发生炉的优先选型
采用不同炉型、气化不同煤种生产的发生炉煤气热值不同，参见表4，煤气热值低则燃烧温度低，炉窑升温时间长，所以选择炉型时还要结合金属镁生产设备及工艺的要求，例如，白云石煅烧工序要求煅烧温度控制在1150-1250℃，应用传统回转窑煅烧白云石时，一般对燃料热值要求较高，如果采用无烟煤为气化煤种，或以一段式（1Q）煤气发生炉气化烟煤生产煤气，则需要以煤粉或重油等作为辅助燃料【4】，或采用高温烟气对助燃空气或煤气进行预热等措施。
以上情况一般仅限于老设备改造，目前金属镁行业的先进炉窑通常都采用蓄热式燃烧技术，煤气燃烧温度显著提高，应用任何形式的发生炉煤气都完全可以满足生产要求，所以，对于新厂建设在选择发生炉炉型时，只需考虑气化煤种就可以。
表4 煤气热值与发生炉炉型和气化煤种的关系
3.2.2煤气站工艺选择
对于金属镁行业而言，煤气站工艺的选择，一般需要结合拟选用气化煤种、煤气输送距离、用气点对煤气压力 | 
