-二段式焙烧窑中型工业化试运行报告

含少量碳、磷、砷等可氧化杂质矿物焙烧设备的突破-----二段式焙烧窑中型工业化试运行报告引言2013年3月23日,在上海举行的“2013第九届钒产业链市场技术论坛”会上，本人作了《石煤提钒富氧焙烧工业化展望》的发言。2013年6月到2014年10月，在湖南某水泥厂的大力支持下，制造出了第一台二段式焙烧窑，并进行了十六个月的试运行。结果发现原为氧化焙烧五氧化二钒设计窑炉对低含碳量(1%---9%)矿物的深度脱碳效果非常理想。低含碳量(1%---9%)矿物的深度脱碳的困难在于：因物料含碳量低采用现有各类窑炉无法在焙烧全过程依靠自身含碳发热维持焙烧温度，特别是当脱碳至含碳量低于3%以下时，无论遂道窑、回转窑均匀补充外部热源维持焙烧温度，而当矿物脱碳至含碳量低于3%以下时剩余残碳又是非常难燃烧的，需要很长时间(2小时以上)的氧化焙烧，这时的残碳不是在燃烧而是在进行缓慢的氧化反应。这样长时间外补热源(煤气、油、电等)以维持800度左右的脱碳焙烧温度，造成脱碳成本高，实际生产中有可能得不偿失。二段式焙烧窑在长达4—7小时的氧化焙烧过程中无需外补热源，因而节约成本。现将脱碳试运行过程简介如下：28 (2013年3月23日会议发言)一，回顾《石煤提钒富氧焙烧工业化展望》原文“石煤提钒富氧焙烧工业化展望一、引论28 从《石煤提钒富氧焙烧试验》一文中，我们可以看出对含钒石煤经过沸腾炉或循环流化床锅炉脱碳后的脱碳渣直接进行富氧焙烧能明显提高原矿中三氧化二钒转化为五氧化二钒的转化率。通过进一步的小型试验发现，直接对脱碳渣进行富氧焙烧，原料非常容易结焦，原因是目前所有的沸腾炉或循环流化床锅都不可能将原矿中的碳脱干净，一般脱碳渣中含有2%左右的残碳，其发热量为140大卡每公斤，高温下遇到富氧，残碳快速燃烧，灰渣导热系数又很低，几乎就是隔热材料，所以造成局部高温而结焦。在实际生产中，结焦将使生产无法连续进行。据此就石煤提钒富氧焙烧如何实际运用到工业化大生产中这个问题，我们提出了一个新方法---一种提炼五氧化二钒的三段式脱碳及富氧焙烧方法;并设计出与之配套的立式焙烧设备------一种提炼五氧化二钒的二段式焙烧装置。二、一种提炼五氧化二钒的三段式脱碳及富氧焙烧方法（1）、第一段原料加热：在本阶段采用常用加热及脱碳装置或加热装置对原料进行加热及初步脱碳或加热，其脱碳过程为燃烧过程，其产生的热量用于发电或者其他用途，出料温度不低于摄氏730度；（2）、第二段深度脱碳及初步焙烧：本段的焙烧室为第一级焙烧室，第一级焙烧室内只通入压力空气，将物料中的残碳充分燃烧；进料温度不低于摄氏730度，深度脱碳及初步焙烧时间为30-120分钟，出料温度控制在摄氏800-950度；（3）、第三段富氧焙烧：本段的焙烧室为第二级焙烧室，第二级焙烧室内通入富氧气体；焙烧时间为60-360分钟；进料温度为摄氏800-950度，焙烧温度为摄氏800-900度；焙烧的高温物料经出料冷却后，进行提炼五氧化二钒的后续工序；以上三段式加热及焙烧方式，根据原料发热量的不同，单独或者组合使用；三、一种提炼五氧化二钒的二段式焙烧装置;28 1.上图为原理示意图：如图所示:进料管（1）、排气管(2)、出料管（11）、出料机(12)、温度传感器（6）、设置保温层（3）的焙烧室；焙烧室分为第一级焙烧室（4）和第二级焙烧室（10），第一级焙烧室（4）和第二级焙烧室（15）之间采用传料管（9）串联组成；第一级焙烧室（4）内安装温度传感器（6）和分层布置横穿炉膛的带有众多小出气孔的空气喷管（5），空气喷管（5）连接在空气主管上，工作时空气喷管（5）被埋在高温物料中，向被焙烧物料中均匀供气。第二级焙烧室（10）内安装温度传感器（6）、氧气传感器和一组富氧喷管（5），富氧喷管（5）连接在供气主管上。28 四、二段式焙烧装置在实际生产中的三种典型运用方式：1.原矿发热量大于每公斤800大卡，其工艺流程图如下：从上图可以看出：按190吨矿产一吨钒计，其火法部分吨钒成本为190×30-190×30+600+190×30＝6300元。破碎后制备出粒度小于10毫米的原料。原料先进入循环流化床锅炉加热并初步脱碳,其高温脱碳矿渣以高于摄氏740度的温度直接落入第一级焙烧室，第一级焙烧室可以填充到90%的容积(其容积为可容锅炉2小时左右的出渣量),通过布置在焙烧室内被埋在高温脱碳渣中众多带小气孔的气管向第一级焙烧室内的各部分原料中注入压力空气，使物料中的残碳继续充分燃烧，通过控制注入不同部位物料的空气量，控制出料温度在摄氏800—950度；第一级焙烧室内物料经过大约2小时左右深度脱碳和初步焙烧后(使其含可烧碳0.3%以下)，其物料以摄氏800—28 950度的温度通过传料管进入第二级焙烧室，第二级焙烧室可以填充到90%的容积(其容积为可容锅炉1---6小时左右的出渣量)，通过布置在焙烧室内被埋在高温脱碳渣中众多带小气孔的气管向第二级焙烧室内的物料中注入富氧,对物料进行富氧焙烧，焙烧室內氧浓度受氧含量测量仪监测，只有当氧浓度低于30%时，才打开电动排气阀进入排废气进新氧的工作;焙烧时间为1—6小时。传料管(不止一根)伸入第二级焙烧室1米左右，当第二级焙烧室装满后灰渣自然封堵，隔开二级焙烧室，使第二级焙烧室中富氧气氛不会跑到第一级焙烧室去。第二、第一级焙烧室装满后(达到工艺要求容量),出料机构以进料速度一致的速度出料。出料经冷却后进入下一步磨矿、稀酸浸出工序.从上面的工艺流程图可以看出,其火法部分总运行直接成本为:6300元/吨钒2、原矿发热量为每公斤400大卡左右，其工艺流程图如下：从上图可以看出：按190吨矿产一吨钒计，其火法部分吨钒成本为190×（30+50）+800＝16000元。粉碎后制备出粒度小于-80目的原料，直接进入第一级焙烧室对原料进行加热和深度脱碳,时间4小时左右，原料以800—28 950度的温度进入第二级焙烧室，进行第三段富氧焙烧，第二级焙烧室可以填充到90%的容积，向第二级焙烧室内的物料中注入富氧进行富氧焙烧，焙烧时间为1—6小时。出料经冷却后直接进入稀酸浸出工序，省去磨矿工序。从上面的工艺流程图可以看出,其火法部分总运行直接成本为:16000元/吨钒3、原矿发热量为每公斤40大卡左右，粉碎后制备出粒度小于80目的原料,采用燃油或燃气或电加热或高温烟气加热方式加热，使物料温度达到摄氏800-950度后，高温物料直接进入第二级焙烧室，焙烧室可以填充到90%，向焙烧室内的物料中注入富氧,对物料进行富氧焙烧，焙烧时间为1—6小时。出料经冷却后直接进入稀酸浸出工序，省去磨矿工序。4.二段富氧焙烧直接运行成本详细分析:(1)鼓风成本以脱碳渣含可燃碳2%计：其发热量Q为20×7.86=157.2Kcal/kg，物料进入第一级焙烧室为750℃，进入第二级焙烧室时为900℃。升温△T=150℃、吸热Q1=150×0.25=37.5Kcal/kg，需要空气带走的热量Q2=119.7Kcal/kg;空气平均比热(20---900℃)为1.06978KJ/Kg.K、散热需要20℃空气的质量为M=119.7×4.18/(1.06978×880)=0.5317Kg、体积V=0.4412立方米/kg矿。结论为:在第一级焙烧室,每吨脱碳渣再脱掉残碳并升温到900℃需要消耗20℃空气441立方米，鼓风成本为每吨矿0.2—1.0元之间。28 (2).富氧成本三氧化二钒转化为五氧化二钒所需要的氧的质量与生成的五氧化二钒的质量比为32:180即每转化一吨五氧化二钒理论耗氧178kg体积为119立方米。估计氧的有效利用率为50%,需要93%氧气256立方米，目前制取93%氧气成本为0.5元每立方米。结论为:每转化一吨五氧化二钒，富氧消耗成本为128元。(3)人工成本采用四班三运转，每班二人。每人工资120元/班。一天总工资为960元。设备产量为30吨矿/小时.吨钒成本为960/(720/190)=253元。(按190吨矿产1吨钒计)二段式富氧焙烧装置直接生产运行成本为533元每吨钒,按600元/吨钒计算。五、与其它窑型的比效1、与回转窑的比效:(1)直接运行成本比成本50元/吨矿,其工艺流程图如下：28 从上图可以看出：按210吨矿产一吨钒计，其火法部分吨钒成本为210×30-105×30+210×50+210×20+210×30+50000＝74150元(2)设备投资比效产能为30吨原矿/小时的二段式焙烧炉设备本体投资预计在500—800万之间,套配的制氧站为100万左右。同等产能的回转窑设备投资在4000万以上。(3)占地面积比效二段式焙烧炉设备本体占地面积为回转窑的二十分之一以下。2、与隧道窑比效.(1)直接运行成本比效其工艺流程图如下;28 从上面的工艺流程图可以看出,按210吨矿产一吨钒计其火法部分总运行直接成本为:210×（30+50+20+30）+5500＝32800元/吨钒(2)设备投资比效产能为30吨/小时原矿的二段式焙烧炉设备本体投资预计在500—800万之间,套配的制氧站为100万左右。同等产能的隧道窑及煤气站设备投资在1200万以上。(3)占地面积二段式焙烧炉设备本体占地面积为隧道窑的四十分之一以下。3、结论：(1)对发热量800大卡每公斤以上的含钒石煤采用先使用循环流化床锅炉脱碳发电再使用二段式焙烧炉富氧焙烧方案,其火法部分直接生产成本为每吨钒6300元左右;28 采用先使用循环流化床锅炉脱碳发电再使用回转窑焙烧方案,其火法部分直接生产成本为每吨钒74150元左右。原因主要是使用二段式焙烧炉富氧焙烧方案省去了制粒和一次干磨矿二个环节、并且焙烧环节无需补充热量(喷煤气)、二段式焙烧炉运行操作成本低。(2)对发热量400大卡每公斤左右的含钒石煤采用二段式焙烧炉富氧焙烧方案,其火法部分直接生产成本为每吨钒16000元左右;采用遂道窑焙烧方案,其火法部分直接生产成本为每吨钒32000元左右。原因主要是使用二段式焙烧炉富氧焙烧方案省去了制砖和二次干磨矿二个环节、并且焙烧环节无需补充热量(喷煤气)、二段式焙烧炉运行操作成本低、同时转化率高10%左右。(3)对发热量800大卡每公斤以的含钒石煤直接采用遂道窑焙烧方案,其火法部分直接生产成本要高于每吨钒32000元左右。原因主要是脱碳时间更长、或者要先部分脱碳再混合制砖。而采用先使用循环流化床锅炉脱碳发电再使用二段式焙烧炉富氧焙烧方案,其火法部分直接生产成本为每吨钒6300元左右。六、目前该技术开发的进展28 从2011年12月到2012年3月,共进行了三次共一百多个小样的小型实验.经化验人员化验，焙烧转化率最高达90%。具体数据详见附件1。2012年5月到9月建了一个高7米、截面积1×1.2米的冷态试验样机,进行了10种气管排列;3种出料方式的试验。目前已能实现同一水平面物料均匀下落,本焙烧法的装置在结构上已完全能实现。28 七.结束语：采用二段式焙烧炉对含钒石煤进行三段式脱碳及富氧焙烧,直接生产运行成本低、转化率高、设备投资少、占地面积小、石煤先发电再冶炼，符合国家资源综合利用，发展循环经济政策，会有各方面的补贴与优惠。该方法极有进行下一步中型热态实验的价值。如热态中试的转化率与小试相近,则极易开发出用于生产的设备。并且该装备还有广泛用于提炼其它金属焙烧环节的广扩前景。我们愿意与有远见的您共同合作,尽早开出能运用于实际工业化大生产的二段式焙烧炉。谢谢大家！2013/3/8彭武星.13908457137”，(以上为会议发言原文)二、试运行过程1、设备简介：该二段式焙烧窑全高7米、第一段高2.8米，横穿11层通气管,每层6—10支;中间隔板厚0.2米、第二段高2.8米、横穿4层通气管,每层6—8支;出料机构高1.2米。内膛尺寸为0.7×1.05米。截面积0.735平方米。窑体壁厚15cm。2、试运行过程简介：(1)试运行时，原料(CFB锅炉的热脱碳渣含碳3%左右28 )分二种方式进入：(a)原料从CFB锅炉的溢流口通过溜管直接进从二段式焙烧窑窑顶进入。(b)原料从CFB锅炉底部出渣口落入吊桶(600kg/桶)，再提升吊桶送料进入窑顶料仓。(2)原料进入焙烧窑第一段后，开启出料机，落料速度1.2—2.5m/h，出料量即为0.88吨---1.8吨/小时;同时启动鼓风机鼓入空气，各层通气量由各层的电动调节阀控制,各层的电动调节阀受各层热电隅通过plc工业计算机控制。第一段焙烧时间为1.1---2.3小时，焙烧温度800—910度(上面低下部高);(3)第二段吹入富氧气体，焙烧时间同样为1.1---2.3小时，焙烧温度880—900度。3、现场图片即说明：28 (1)：设备全景。28 (2)焙烧窑与锅炉相对位置。28 (3)窑顶料仓、第一段焙烧窑体及分层插入的供气管、各层分气管与供气主管联结实况。28 (4)带自动放料门的吊斗。28 (5)从溢流口直接进料图28 (6)电动调节阀。28 (7)PLC工业计算机。28 (8)鼓风机组(9)、以下运行片断28 28 (10)安装施工28 28 三、脱碳焙烧结果：含钒石煤脱碳焙烧后的含碳量，用现有发热量测量仪检测,因含碳量太低，而测量仪自身误差达正负30大卡左右，常常显示负数，因此用发热量拆算含碳量没有意义。我们对脱碳焙烧后的样品采用测量烧蚀量的方法，测出烧蚀量为0.2%左右。如加高窑体高度，延长焙烧时间，烧蚀量应该更低。四、二种运行模式：1、将本装置布置在CFB锅炉附近，将初步脱碳后的锅炉热渣与收尘器的飞灰混合后吊入料仓，运行设备。简称热料模式。2、本装置单独使用,先进引火料,点火成功后再将含碳量2.5—8%的原矿送入料仓，运行设备。简称冷料模式。五、试运行成本：28 因在长达数小时的焙烧过程中无需任何外部热源，只是鼓风机、进出料系统、自动控制系统需要耗电，富氧焙烧段需要少量氧气，操作人员少，因此焙烧成本效底。提升用电葫芦1.1KW，出渣机1.1KW，鼓风机因最初设想中压鼓风,鼓风压力80KPa，因此图片上风机效多，总功率11kw，运行中发现鼓风压力2.5KPa即可，完全可采用低压风机，同样的风量功率3kw即可，自控系统0.4kw，总装机5.6kw。每小时电费成本5.6x0.8=4.48元。富氧成本为每吨矿1.2立方氧气，按1元计算。试运行平均出渣1吨/小时。电、氧耗成本为5.48元。试验装置小修、操作人工成本效高，对实际生产无参考意义，不多叙。六、大型工业化方案探讨：本试验窑内膛尺寸为0.7×1.05米。截面积0.735平方米，落料速度按2m/h计，产量为1.47吨渣/小时，太小。但如果将截平积扩大到5平方米以上，内部焙烧工况极有可能变化，将有中试能成功，一扩大就失败的巨大风险。因此本人设想只将窑内膛尺寸稍稍扩大为0.9×1.2米。截面积1.08平方米，落料速度按2m/h计，产量为2吨渣/小时左右，多门这样的小窑组合在一起，每门单独控制，组成一个多门窑，依据需处理的物料量设计门数，只共用进出料、供风系统，这样能回避风险，成功的可能性极大。28 从图片可看出，每门窑结构简单，制造成本低，组合成的大型工业化装置成本也大大低于目前同产量的各类窑型。彭武星139084571372014/10/2028