用于高濕非金屬尾礦球團的段式烘焙一體化豎爐技術開始推廣應用
一、導語：
具有完整的自主知識產權體系的“用于高濕非金屬尾礦球團的段式烘焙一體化豎爐及工藝”系列技術由“唐山金泉冶化科技產業(yè)有限公司”獨家研發(fā)并已申請專利，享有獨立開發(fā)、應用的權益。
據此，編者對上述合作項目中的技術來源和合作模式及開發(fā)前景進行了專訪，以便大家對這項技術有更進一步的了解。
二、技術背景
目前，我國非金屬礦行業(yè)在國家政策的引領下迎來高速、高質量發(fā)展的重要時期。功能礦物材料備受重視，礦產資源綜合、高效、高值化利用理念滲透到各地域、各礦種之中，石墨、螢石、膨潤土、高嶺土、硅灰石磷礦、石膏以及各種伴生礦、尾礦等都備受市場關注。
國家發(fā)布的《產業(yè)結構調整指導目錄》皆鼓勵建材、磷石膏、磷礦、螢石礦的中低品位礦、選礦尾礦、伴生資源綜合利用技術�！秶夜I(yè)資源綜合利用先進適用工藝技術設備目錄》推薦工業(yè)固廢減量化、工業(yè)固廢綜合利用、再生資源回收利用、再制造等4大類先進適用工藝技術設備。對微細顆粒物浮選回收、尾礦、粉煤灰、赤泥、污泥、氣化渣、冶煉渣塵等固廢綜合利用、工業(yè)副產石膏綜合利用、副產石膏綜合利用、磷石膏無害化處置等方面作為重點方向�？傮w來說，對資源綜合、高效、高值利用是非金屬礦行業(yè)統(tǒng)一的發(fā)展主旋律，尤其是對上述產業(yè)中形成的尾礦等固廢利用尤為關注，目前，我國大宗固廢累計堆存量約600億t，年新增堆存量近30億t。
其中，比較典型的有：①中國作為全球磷礦資源生產和消費大國，在磷礦開采和加工過程中產生了大量磷尾礦（含磷礦選礦后的廢棄物），每生產 1t 的磷精礦，就會產生0. 44t的磷尾礦。目前，大量存在于尾礦庫中的磷尾礦數量巨大，截至2021年底，我國已累計堆存1億t以上磷尾礦，同時每年還產生約 700萬t 的磷尾礦。②目前，全球的磷石膏堆存量已達60億ｔ，每年仍然還以1.5億ｔ的速度新增。而中國是全球第.一大磷肥生產國，也是第.一大磷石膏副產國，磷石膏堆存量已經達到4億t，每年仍以大約 5000萬ｔ的速度遞增。③重要的是，尾礦中含有大量的、可用的原礦礦粉，與中低品味的礦石相當。當前，由于礦石的無序開采和嚴重浪費，高品位礦石的儲量已經正在銳減，如果將這些尾礦直接作為固廢進行排放，不但增加處理成本和環(huán)保的治理費用，還將造成資源的浪費。若將其回收利用，又因為尾礦粉細小，均為細粉狀及泥狀等在形式存，不能直接進入冶煉爐中應用。
特別是浮選法生產，其產生的尾礦通常都是以礦漿的形式存在，而礦漿如果直接排放就會污染水體和土壤，通常生產企業(yè)都采用修建尾礦庫來收集尾礦漿，再利用脫水干排工藝（如：壓濾等）將尾礦漿中的部分水分脫出，形成含水分在35%左右的尾礦泥粉、泥餅進行排放；但排放后的尾礦堆存仍然需要占用大量的土地，而且還造成了二次環(huán)境污染以及水土流失、植被破壞等，同時，且堆存儲存數量過大時，也極易造成流動和塌漏和滑坡，造成嚴重的安全隱患。
因此，采用細顆粒尾礦粉料及尾礦漿及壓濾后得到泥餅制備獲得人造塊礦如：燒結塊、球團等固體物料進而用于提煉高價值材料生產成為一條新的途徑。然而，在進一步加工過程中，需要進一步的進行脫水、壓縮、干燥后才能再進一步進行人工造塊、焙燒等生產。
以磷礦冶煉工藝為例：目前，磷礦制備黃磷的工藝主要是采用電爐法（熱法制磷）：將天然的磷礦塊礦與還原劑一起放在電爐（礦熱爐）中加熱至1300~1500℃生產，但該工藝對磷礦原料要求較高，一般要求入爐磷礦需粒度均勻，粒度一般在4~30mm，粒度過小或細粉太多會導致各種問題。所以，對磷礦粉固體成型物有相同的工藝要求：（一）、水分和碳酸鹽含量要少，一般水分要低于2%以下；（二）、P2O5的含量高于20％，并具備一定熱強度；（三）、球團或固體物粒度應在20~50 mm范圍；（四）、具備一定熱強度和良好的熱態(tài)性能和抗碎強度，粉化率要低；
然而，現有的脫水技術處理的磷礦泥粉，泥餅水份只能控制在30%左右，通過混和干粉料的方法水分也只能控制在15%以上，與傳統(tǒng)冶金造球水分控制在7~8%的要求還有很大差距，致使磷礦球團水分高、生球強度差、易粉化、返礦率極高。所以，由于球團的高濕原因，傳統(tǒng)的小型圓形豎窯和土法燒結造塊等方法都無法實現直接入爐焙燒，需要另行配套烘干、干燥設施，然后出爐二次轉運進入熱處理爐進行燒結，然后再出爐第三次轉運至冷卻系統(tǒng)，不但工藝復雜、投資高，而且由于多次轉運致使球團破損率和返礦率極高，倒運過程中的熱量（能耗）損失也極高。
現有對磷礦生球團進行熱處理時也有套用其它相近領域使用的現有熱處理技術，如：采用的是鏈箅機‑回轉窯系統(tǒng)，由于回轉窯是在旋轉的過程中生產，球團破損率也居高不下，而且能耗*高。有的采用了是馬沸爐焙燒，電耗也極高，而且也無法實現產量大型化。所以，雖然直接套用現有其它行業(yè)的熱處理設備能夠在一定程度上獲得滿足入爐要求的成品磷礦球團，但是不可避免的存在適應性差、能耗高、產品質量不穩(wěn)定等關鍵問題。
生產實踐中發(fā)現：磷礦尾礦主要由鈣、鎂的碳酸鹽等礦物組成，白云石是其主要的礦物成分，其次是磷灰石，此外還有少量的石英和方解石。磷灰石即為氟磷灰石，同樣是以單礦物形式存在，是含有磷元素的主要礦物，礦石中含有20%以上的CO2；與現有煅燒石灰所用的石灰石成分非常相近，與石灰石分解生產石灰也有著相同的工藝特征。
同時，在冶金行業(yè)的球團生產技術中也有可以借鑒的成熟理念，如：傳統(tǒng)的矩形球團豎爐和帶式焙燒機作為一種先進的焙燒設備，正逐漸得到廣泛應用。兩者都具有諸多優(yōu)點，使其在球團生產中展現出獨特的優(yōu)勢。首先，矩形豎爐具有投資低、占地少，操作簡單，原料適用性和燃料適應性強等特征，然而，由于其豎爐本體生產的球團排礦溫度高達600℃以上，熱能損失非常大，致使綜合能耗較高，還要另外建設投資較大的帶冷機、環(huán)冷機等設施，不但增加了投資和也增加了生產運行費用。同時，與冶金球團具有強度高、粉化率低的特征不同，而非金屬尾礦球團強度差、粉化率高，采用帶冷機、環(huán)冷機等“氣-固”冷卻換熱的方法（暨采用外部二次風源強制鼓風冷卻）無法有效實現冷卻和換熱目的，主要存在問題是冷卻通風阻力大、通風效果差、粉化率增高等問題。
帶式焙燒機能夠確保球團在不同階段獲得適宜的溫度、氣氛和時間條件，從而有效提高球團的質量和性能，而且能夠實現產量大規(guī)模生產的需求，缺點是工序復雜和投資較大，與矩形豎爐相比，同等產量下投資強度是其10倍左右，讓中小企業(yè)投資者望而生畏。
在目前的磷礦球團生產工藝中，還存在環(huán)保治理費用極高的弊病，比如：在同一個容器（爐或窯）內直接進行烘干、焙燒、冷卻等生產，其烘干廢氣和燃燒煙氣及冷卻廢氣全部混合在一起排出容器外，致使氣體體量大、成分復雜、溫度不宜控制，環(huán)境治理設備投資極高。
如何把烘干工藝與矩形球團豎爐和石灰窯豎窯關鍵技術融合在一起，綜合焙燒機的先進熱工原理和“固-固”換熱技術的工藝特征來設計一種全新的適用于尾礦球團及冶金球團和小顆粒石灰生產的多功能一體化工藝和裝備，以實現尾礦球團低投資、低能耗、高產出的目的，顯得尤為重要。
三、用于高濕非金屬尾礦球團的段式烘焙一體化豎爐技術采用的關鍵工藝機理及措施：
（1）、采用烘干與焙燒及冷卻一體三段式連體結構，爐體為豎式結構，上段為烘干（干燥）段，中段為焙燒段、下段為冷卻換熱段。
（2）、入爐物料為造球機生產的圓形球團或者壓球機生產的橢圓形球團以及其它方式生產的圓形、柱形等顆粒物料。
（3）、爐體干燥段與焙燒段結合部采用*新鎖氣密封技術，把烘干系統(tǒng)和焙燒系統(tǒng)各自設置在一個獨立密封結構內，鎖氣密封技術采用多點下料，下料點控制閥采用雙層連桿式多點同步傳動結構，采用上下控制閥錯位開啟和關閉方式，實現鎖氣密封無壓下料，暨在下料過程中實現烘干段與焙燒段煙氣不互通。
（4）、烘干段只與進料系統(tǒng)有關，其工作過程與焙燒段無直接關聯，可獨立操作，其煙氣也負壓獨立排放，全部為冷卻換熱段余熱煙氣與烘干段物料換熱后的煙氣（僅為水汽及部分粉塵），烘干后的煙氣僅需除塵，不需要脫除有害元素的煙氣，而且其煙氣量占總煙氣量的70~80%范圍。
（5）、烘干段進料采用梭式布料器，進行爐內往復均勻布料，烘干段內部設置多層（多級）烘干床，烘干床床面采用“百葉窗”式結構，以利于通風干燥。烘干床床體采用“變頻振動”下料方式，不同層級的床體都是獨立的且振動頻率不同，可實現單個床體下料量的精準調控和防止物料粘結在床面，烘干床床面設置角度為活動式可調結構，可根據需要調整適宜的角度。
（6）、根據豎爐烘干特性及磷礦球團高水分高濕特性，在烘干床下部設置防過濕裝置，通過冷風與熱風的混合和局部強制供風調節(jié)，達到溫度調節(jié)和提高濕氣排放速度，有效解決球團過濕造成的粘結、團聚及減少濕球爆裂的目的。減少生球爆裂和烘干水分控制是提高球團質量和降低返礦率的有效手段。
（7）、烘干段的多級烘干床結構除保留振動下料功能外，在末級烘干床增加了篩分功能，使烘干過程中產生的粉料降落到爐內循環(huán)風通道和粉料下降通道內直接到爐外，避免進入焙燒段，減少粉料進入焙燒段是解決球團焙燒過程中粘結和物料焙燒過程中降低氣流阻力的重要手段。
（8）、焙燒段爐體采用“T”型豎式密閉結構，截面為對稱雙室矩形結構，燃燒室設置為圓形或矩形，焙燒方式為正壓雙室對向噴火口供熱，采用“隔焰燃燒技術”產生高溫空氣（煙氣）進行焙燒球團，溫度調節(jié)方便簡單，解決了傳統(tǒng)豎窯“窯體周邊數十個燒嘴直焰燃燒”方式容易把球團表面熔融、粘結的關鍵性問題。
（9）、燃燒室設置為多種燃料燃燒工藝，燃料可以應用黃磷尾氣和其它工業(yè)尾氣（如：高爐煤氣、焦爐煤氣、發(fā)生爐煤氣），以及生物質氣、天然氣等氣體燃料。燃燒室特別設置了雙層燃燒器工藝布置，在燃燒室下部設置積灰收集倉和轉運通道，可實現噴煤、噴生物質粉等固體燃料燃燒和積灰（燃燒積灰）自動排灰轉運。
（10）、爐體焙燒段是煙氣正壓獨立外排，其煙氣量僅占總煙氣量的20~30%范圍，降低了煙氣有害氣體治理的設備投資。
（11）、焙燒段內部煅燒帶縱向中間部設置通道式爐內循環(huán)風通道裝置，把焙燒段內部及排礦后的物料余熱熱能轉換為熱風后導入（減壓法）爐外循環(huán)風通道內部，然后進入烘干段進行烘干生產，烘干段的烘干熱能全部來自于冷卻帶換熱后的熱能。
（12）、爐內循環(huán)風通道裝置在煙氣出口與烘干段烘干床連接處設置篩分及粉料收集裝置，把烘干過程中產生的粉料收集、降落到爐內循環(huán)風裝置內部（重力法）。粉塵在爐內循環(huán)風通道裝置的下降過程中與爐內循環(huán)風裝置內的上升氣流進行充分的熱交換，形成“懸浮式”焙燒，可以快速的完成焙燒過程，完成焙燒的粉料直接進入爐外粉料收集倉內。
（13）、設置爐外循環(huán)風通道裝置，實現爐外收集余熱熱能的功能，把物料在冷卻段換熱過程中的余熱熱能全部回收利用，達到節(jié)能目的。
（14）、設置管道式余熱換熱裝置，把焙燒段獨立排放的余熱煙氣（400~500度）與烘干段進氣進行換熱，達到余熱利用和節(jié)能目的，而且可以使烘干段煙氣溫度可調（70~400度）；
（15）、整個換熱冷卻段采用“三級固-固換熱器”，把從焙燒段進入排礦部的成品球團礦進行固-固換熱，換熱后的熱風進入燃燒室燃燒器進行助燃和進入烘干系統(tǒng)進行熱能利用；換熱風不與物料直接接觸，僅在換熱器中固定通道內流動，通過特殊導熱結構及材料與物料接觸換熱，實現固體導熱件與固體物料（球團）的固體之間的換熱，達到“固-固”換熱目的。
（16）、爐體“三段”均可以實現獨立生產，如：可進行獨立的烘干、可進行獨立的焙燒生產、可以進行獨立的冷卻換熱，特別是冷卻段的“三級固-固換熱器”采用組合式、模塊化結構，每一級的換熱器都可以進行獨立使用，而且當采用熱礦排礦法生產時可關閉冷卻通風系統(tǒng)，實現熱礦排礦。
（17）、在烘干系統(tǒng)的設置蒸汽回收裝置，把產生的蒸汽全部回收用于生產，即達到了快速排濕的問題，也解決了除塵系統(tǒng)高濕水分無法有效除塵問題和除塵大氣排放時的煙囪排放“白煙（水汽）”問題。
四、用于高濕非金屬尾礦球團的段式烘焙一體化豎爐技術優(yōu)點及產生的效益分析
（1）、本段式烘焙一體化豎爐的爐型結構設置為三段式烘焙及換熱一體化，采用“烘干+焙燒+換熱冷卻”、“三合一”模式，實現三段式一體化生產，大幅降低了設備投資和占地，也降低了綜合能耗；裝置結構簡明及緊湊，生產效率高，產品品質提高且穩(wěn)定、經濟性好，特別適用于非金屬礦尾礦高濕球團的烘干與焙燒及冷卻以及冶金球團和小顆粒石灰的生產。
（2）、與冶金球團相比，尾礦球團存在強度差的關鍵問題，把烘干段與焙燒段設置為一體化，解決了傳統(tǒng)工藝中由于獨立烘干系統(tǒng)和獨立的焙燒系統(tǒng)在球團二次轉運、二次入爐以及輸送造成的球團破損率高、返礦量高的問題。
（3）、烘干與焙燒一體化裝置設置為煙氣隔斷式連體結構，烘干段的生產時間與焙燒時間既可以同步生產也可以根據物料量不同步生產，可根據濕球團的水分含量有效增加和調節(jié)烘干段時間，由于烘干時間、溫度、產量可調，解決了傳統(tǒng)工藝中高濕球團不能直接入爐和生球爆裂嚴重的問題，使成品球團返礦率大幅降低，有效的提高了成品球團的成品率，也降低了能耗。
（4）、由于焙燒段設置為獨立焙燒和獨立下料，可以使焙燒時間大幅縮短及調整，而且由于成品球團礦排料采用齒形輥爐內卸料與爐外振動給料機排料的組合方式，可以實現快速排料，解決了傳統(tǒng)工藝中焙燒物料焙燒時間長、物料容易粘結、懸料和結塊無法排料的問題。
（5）、焙燒段燃燒室采用多種能源結構應用模式，可以使能源品種和成本選擇范圍更加廣泛，而且也避免了外部單一能源的制約和風險。
（6）、實現烘干煙氣（水氣）與焙燒煙氣獨立排放，使烘干后的煙氣僅需除塵，不需要脫除有害元素的煙氣，而且其無害煙氣量占總煙氣量的70~80%范圍。而焙燒段的有害煙氣量僅占總煙氣量的20~30%范圍，降低了煙氣有害氣體治理的設備投資。
（7）、由于焙燒段的獨立運行和有害氣體的大幅度降低，使得二氧化碳氣體治理設備費用和運行費用的降低，可實現低成本二氧化碳減排效應，每處理10萬噸磷礦尾礦可減排量（折二氧化碳）約1.5萬噸。
（8）、實現一爐多功能化，保留了原傳統(tǒng)矩形球團豎爐的特征和工藝特性，可煅燒冶金球團，不限于磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦等球團的氧化焙燒和還原焙燒；而且還具備獨立生產冶金球團和石灰生產的功能，實現“一爐多用”目的。
（9）、由于大部分非金屬礦物質及磷尾礦的化學成分中的CaO、MgO 、CO
2與石灰石的成分非常接近，可以實現生產石灰的工藝過程，特別是能夠使用5-20mm小顆粒石料生產石灰。
（10）、產量高，與同等焙燒面積的圓形球團豎爐相比，產量生產系數是其4~5倍。
（11）、投資低，與同等產量的帶式焙燒機相比，其投資僅為其10%左右，極具投資性價比。
（12）、由于焙燒過程中分解排出了大量的二氧化碳（CO
2）氣體，使焙燒后的尾礦球團品位大幅提高，比直接進電爐的原礦塊礦品位還要高出至少20%以上，經濟效益顯著提高。
用于高濕非金屬尾礦球團的段式烘焙一體化豎爐技術特別是能夠解決尾礦球團采用傳統(tǒng)生產方法存在的高濕球團易爆裂、成品球團品質不穩(wěn)定、品位低、生產能耗高及生產效率低的問題。特別適用于高濕非金屬尾礦球團的烘干與焙燒及冷卻以及冶金球團和小顆粒石灰生產，實現了“一爐多用”目的，并采用“烘干+焙燒+換熱冷卻”、“三合一”模式，實現三段式一體化生產，大幅降低了設備投資、占地以及綜合能耗；整體裝置結構簡明，生產效率高，產量高、經濟性好，尤其是對各種粉狀、泥狀尾礦回收應用和提高整體尾礦球團生產工藝水平、降低生產成本、大幅提高產品品位及品質，以及減污降碳、改善生態(tài)環(huán)境等方面具有重要意義。
2025.08.18
