李川
20世纪90年代中期以来，为适应全球可持续发展的要求，镁及镁合金的研发及应用进入高速增长期。在此期间，凭借资源、能源和成本优势，中国镁工业发展强劲，迅速控制了全球原镁的供应。据海关统计，2003年中国镁产品出口量29.8万t，约占全球总发货量的66.6％。
中国原镁产量的98％是经由硅热还原或称做PidgeonProcess的方法生产的，并被预测是未来中国最主要的金属镁生产方式。有关专家担心，如果不能保证高质量和相对稳定的原料供给，镁应用产业很可能出现整体萎缩。因而，部署在中国各地镁厂的卧式皮江法还原装置，就是不能不受到人们的强烈关注。这种生产设施具有工艺路线简单，工艺参数较易调控的优点，然而也具有还原过程传质传热差，热效率低的明显弱点，从而限制了皮江法镁厂的生产规模。
1皮江法炼镁的热化学
皮江法炼镁的热还原反应是在卧式原罐中进行的，总反应的化学计量方程由（1）式给出：
2MgO2CaO+Si(Fe)→Ca2SiO4+2Mg+Fe（1）
反应式（1）的自由能函数ΔG与温度T的关系由式（2）给出：
ΔG=115600+11.74TlogT-100.38T（2）
反应热ΔH与温度T的关系见（3）式：
ΔH=115600-5.098T（3）
由（2）式可知此还原反应的临界温度Tc。若使反应（1）正向进行，反应温度必须大于临界值Tc，温度越高，或提高反应速度越显著，反应（1）就越能够进行到底。真实的还原过程是在真空下进行的，这样一来大大降低了临界温度Tc，并提供了镁蒸气的传输通道，但也降低了反应物料的热传递效率，并形成皮江法生产中复杂及其特殊的真空热还原机理。
2试验装置简介
本试验利用生产装置，试验内容与生产同步进行。还原反应装置由卧式还原罐、加热炉和真空系统组成。将煅烧后的白云石与一定比例的硅铁、萤石充分磨细混匀后压成球形，定量装入罐中，密闭罐口；同时启动真空排气和还原炉加热，使罐内真空度达到13.3Pa调节不同反应温度和反应持续时间的条件下，由单罐产量考察还原反应的转化效率。能耗由生产统计报表分析得出。
3结果与讨论
3.1燃煤还原炉和燃气还原炉的比较
我国镁产业体系的能源结构以煤为主，炼镁还原炉有两种炉型，分别以发生炉煤气和原煤作燃料。从环保角度考虑，专业设计院倾向于推荐这种炉型。
但是近几年来，为了降低燃料费用和吨镁投资成本，各生产厂家不愿选用燃气炉型，以至于九成以上的新建还原炉均为直接燃煤的炉型，从而加剧了烟尘污染。
两种还原炉各有优势，但燃气炉仍具有明显优势，这为后续开展的工艺技术改造奠定了基础。燃气还原炉的劣势是需要增加制气工段，常见的煤气发生炉用无烟煤制气，增大了吨镁成本。这就是本文要重点解决的问题。
3.2节能还原炉操作制度的改进
还原工序是皮江法炼镁的重点耗能部位，据热平衡估算，有2个现象值得注意。一是还原炉加热所需的燃料消耗，约占炼镁生产过程燃料总消耗的2/3；二是还原炉能耗中，用于加热原料球团和提供反应热的能量，仅分别占还原炉总能耗的3.66％和19.83％；而无效热损失却高达76.51％。现有的皮江法工艺，间接加热还原罐内的球团原料，导致热量的有效利用率大幅下降，这是无法改变的工艺现状。关于取代传统皮江法落后工艺装备的方案，我们将另文陈述。本文希望强调，还原工序节能的空间还很大，工程技术人员完全可以因势利导，有所作为。
理论分析和实践表明，消除炼镁还原炉污染的最佳途径可包含两个要素：第一是节能，即通过降低吨镁燃料消耗来减少排放；第二是采用无污染清洁能源。镁厂可根据自身条件，选择施行。
仔细分析上表中两类还原炉的性能特征，可知选用燃气炉作为皮江法还原工序的主体炉型，是实现清洁化节能方案的必要条件，在清洁化改造中将会被淘汰。为了确定燃气炉生产过程的最佳工艺制度，本文分别考察了还原周期为6、7、8、9、10h条件下的单位炉和单罐产量。结果表明，在其它工艺规程被严格遵守的生产条件下，这些还原时间有很大差别的还原过程，并不和产量构成正比关系。由于燃气炉准备工序耗时少，升温快，空烧时间短；炉内温度均匀，易实现自动控制。这些优势可使燃气炉在8h周期内保持稳定生产。
燃气还原炉实现8h生产周期对降低烟气排放有重要意义，这主要是通过降低能耗，减少无效运行时间来实现的。从常见的12h压缩至8h，即每天可以多产出一个班次，生产效率明显提高。
3.3清洁燃料方案
常见的清洁燃料是发生炉煤气和天然气。两者的成本或价格较贵，已不能为利润率较低的镁冶炼行业所接受。该方案的特点是将硅热法炼镁和与其相关的焦化、硅铁冶炼组合到一起，炼镁燃料来自焦化的放空煤气。产品相互关联穿插，延伸了产业链。
利用焦炉煤气是当前镁冶炼实现重大技术革新的清洁化产业方案。在宁、晋建设的示范化工厂已取得良好的经济效益和技改经验。以年产1万t原镁为例，仅回收煤气一项，每年可节约煤炭7万t，减少燃煤费用2000万元；无烟气排放，对环境无害。
另据中国有色金属报2004年4月15日报道，山西和陕西年产焦炭1.5亿t，副产焦炉煤气80％被放空，国内皮江法镁厂正在向富产焦炉煤气的地区转移集中。
4结语
降低能耗、提高资源利用率是实现皮江法炼镁清洁化生产的重要措施。本文针对皮江法工艺现状提供了一套经实践证实的产业化联动方案、该方案的特点是：一、通过节能降耗和缩短生产周期的方式降低热能和废气排放，使还原反应周期从12h缩短到8h；二、以改造后的燃气为还原炉为主体设备，回收废弃的焦炉煤气作为清洁燃料，将炼镁、焦化、硅铁冶炼组成的一个具有交叉互补功能的产业链，提升了皮江法炼镁的工艺和装备水平。