文献综述报告-生产10万t矿粉级一氧化锰项目总体工艺设计及除尘设备的设计

文献综述报告一．我国现有除尘设计1.袋式除尘器袋式除尘器属过滤式除尘器的一种，是治理大气污染的高效除尘设备。其最大的优点是除尘效率高，通常在实验室里测试效率可高达99.9999％，在实际应用中除尘效率也能达到99.99％。经袋式除尘器过滤后的烟气含尘浓度一般都低于30mg/Nm3，有的甚至在10mg/Nm3以下，并且袋式除尘器还能有效捕集对人体危害最大的5μm以下的超细微小颗粒(即呼吸性粉尘)。由于袋式除尘器具有除尘效率高、不受粉尘和烟气特性影响、运行稳定的优点，近年来被广泛应用于钢铁、有色冶金、水泥、烟草和垃圾焚烧等行业。袋式除尘器在我国被采用已经有五十多年的历史。在20世纪50年代主要是采用原苏联型式的产品，60年代前后我国有少数几个设计研究单位在仿照美国、日本等国的脉冲型、机械回转反吹扁袋型除尘器的基础上开始生产自己的产品。1973年以后，国内开始出现了一批袋式除尘器的生产企业。到了80年代，一些设计院、科研单位和大专院校在学习、引进、消化、移植宝山钢铁厂从日本引进的大型反吹风布袋除尘器后，结合国内各行业的需要和生产厂一道开发、研制、生产了大型反吹风布袋除尘器，开发了分室反吹风袋式除尘器和长袋低压脉冲袋式除尘器，每小时处理风量100万～291万m3，滤袋长度达10m。在80年代，大型反吹风袋式除尘器是钢铁行业首选的大容量烟气净化设备，但在随后的使用中逐渐暴露出一些问题，主要是由于其反吹清灰方式为柔性清灰方式，虽对滤袋损伤较小，但在粉尘粘性较大、浓度较高时，阻力上升较快，在一定外部条件下容易糊袋。进入90年代以来，随着大型脉冲喷吹袋式除尘器的研制成功，袋式除尘器的发展上了一个新的台阶。大型脉冲清灰袋式除尘器相对大型反吹清灰除尘器的最大优点在于清灰效果更好，运行更加可靠，而且还可以延长滤袋的使用寿命。其特点有以下几点：1)烟气温度在考虑一定安全系数的条件下，要根据常规条件下的烟气温度合理地选择滤料，同时也应考虑事故条件下，因高温而造成的滤料失效。烟气中是否存在正在燃烧的颗粒物也是必须注意的问题，若存在，可以通过加长烟气连接管或在烟气连接管较短且没有足够空间加长的情况下设置必要的阻火装置等方式加以解决。2)烟气特性电厂的烟气一般都具有酸碱腐蚀性，因此应根据烟气的腐蚀性强度选择适宜的滤料，同时也应考虑烟气通道内的防腐措施。此外，还应采取相应的措施避免烟气中含有的油雾、细微絮状物等粘性物质附着在滤料上造成滤料堵塞。(3)袋式除尘器预除灰在机组启动或低负荷稳燃时需要使用燃油，因此，为了避免不完全燃烧的油烟粘袋造成滤袋堵塞，故在袋式除尘器投入使用前，应对新布袋进行预除尘(喷粉煤灰)或设置旁通，而对老布袋则不用清灰，以保证其具有一定的灰尘层。(4)袋式除尘器停机若停机时间短，则不应为滤袋清灰，而需注意除尘器的保温；若停机时间长，则应为所有滤袋清灰，并利用引风机将袋式除尘器内残留的酸性气体清除干净。2.旋风收尘器1）.旋风除尘器的结构由进气口、圆筒体、圆锥体、排气管和排尘装置组成，如下图所示。2）．工作原理旋风除尘器的工作原理见动画f5-4-1所示。当含尘气流由切线进口进入除尘器后，气流在除尘器内作旋转运动，气流中的尘粒在离心力作用下向外壁移动，到达壁面，并在气流和重力作用下沿壁落入灰斗而达到分离的目的。3）．旋风除尘器内的流场分析（1）流场组成外涡旋——沿外壁由上向下旋转运动的气流。内涡旋——沿轴心向上旋转运动的气流。涡流——由轴向速度与径向速度相互作用形成的涡流包括上涡流——旋风除尘器顶盖，排气管外面与筒体内壁之间形成的局部涡流，它可降低除尘效率；下涡流——在除尘器纵向，外层及底部形成的局部涡流。（2）旋风除尘器内气流与尘粒的运动含尘气流由切线进口进入除尘器，沿外壁由上向下作螺旋形旋转运动，这股向下旋转的气流即为外涡旋。外涡旋到达锥体底部后，转而向上，沿轴心向上旋转，最后经排出管排出。这股向上旋转的气流即为内涡旋。向下的外涡旋和向上的内涡旋，两者的旋转方向是相同的。气流作旋转运动时，尘粒在惯性离心力的推动下，要向外壁移动。到达外壁的尘粒在气流和重力的共同作用下，沿壁面落入灰斗。气流从除尘器顶部向下高速旋转时，顶部的压力发生下降，一部分气流会带着细小的尘粒沿外壁旋转向上，到达顶部后，再沿排出管外壁旋转向下，从排出管排出。这股旋转气流即为上涡旋。如果除尘器进口和顶盖之间保持一定距离，没有进口气流干扰，上涡旋表现比较明显。对旋风除尘器内气流运动的测定发现，实际的气流运动是很复杂的。除切向和轴向运动外还有径向运动。特·林顿（T.Linden）在测定中发现，外涡旋的径向速度是向心的，内涡旋的径向速度是向外的，速度分布呈对称型。（3）切向速度切向速度是决定气流速度大小的主要速度分量，也是决定气流中质点离心力大小的主要因素。切向速度的变化规律为：外涡旋区：r↑，切向速度ut↓；内涡旋区：r↑，切向速度ut↑。实测的除尘器某一断面上的速度分布和压力分布从该图可以看出，外涡旋的切向速度是随半径r的减小而增加的，在内、外涡旋交界面上，达到最大。可以近似认为，内外涡旋交界面的半径r0≈（0.6～0.65）rp（rp为排出管半径）。内涡旋的切向速度是随r的减小而减小的，类似于刚体的旋转运动。旋风除尘器内某一断面上的切向速度分布规律可用下式表示：外涡旋vr1/nr=c（2-4-1）内涡旋vt/r=c'（2-4-2）式中vt——切向速度；r——距轴心的距离；c'、c、n——常数，通过实测确定。一般n=0.5～0.8，如果近似的取n=0.5，公式（2-4-1）可以改写为（2-4-3）（4）径向速度实测表明，旋风除尘器内的气流除了作切向运动外，还要作径向的运动，外涡旋的径向速度是向心的，而内涡旋的径向速度是向外的。气流的切向分速度vt和径向分速度w对尘粒的分离起着相反的影响，前者产生惯性离心力，使尘粒有向外的径向运动，后者则造成尘粒作向心的径向运动，把它推入内涡旋如果近似认为外涡旋气流均匀地经过内、外涡旋交界面进入内涡旋，见图5-4-3所示，那末在交界面上气流的平均径向速度：（5）轴向速度外涡旋的轴向速度向下，内涡旋的轴向速度向上。在内涡旋，随气流逐渐上升，轴向速度不断增大，在排气管底部达到最大值。（6）压力分布压力分布：轴向压力变化较小；径向压力变化大，外侧高，中心低，轴心处为负压。旋风除尘器内轴向各断面上的速度分布差别较小，因此轴向压力的变化较小。从图5-4-20可以看出，切向速度在径向有很大变化，因此径向的压力变化很大（主要是静压），外侧高中心低。这是因为气流在旋风除尘器内作圆周运动时，要有一个向心力与离心力相平衡，所以外侧的压力要比内侧高。在外壁附近静压最高，轴心处静压最低。试验研究表明，即使在正压下运行，旋风除尘器轴心处也保持负压，这种负压能一直延伸到灰斗。据测定，有的旋风除尘器当进口处静压为+900Pa时，除尘器下部静压为－300Pa。因此，除尘器下部不保持严密，会有空气渗入，把已分离的粉尘重新卷入内涡旋。二．背景在现代工业中，锰及其化合物应用于国民经济的各个领域。其中钢铁工业是锰产品应用的最重要领域，所用锰量占总用锰量的90％，主要作为炼铁和炼钢过程中的脱氧剂和脱硫剂，以及用来制造合金[1]。除此之外，锰产品还能广泛用于其他工业领域，如轻工业、建材工业、国防工业、电子工业，以及环境保护和农牧业等[2]。因此，作为生产锰产品的主要原料，锰矿在国民经济和社会发展中具有十分重要的战略地位。目前世界耗用消费锰矿石的领域主要是三大类锰系产品[2]。第一类即锰系铁合金（富锰渣、高碳锰铁、中低碳锰铁、锰硅合金、氮化锰铁、金属锰、电解锰和氮化金属锰）；第二类是锰的氧化物（电解二氧化锰EMD、天然二氧化锰NMD、化学二氧化锰CMD、活性二氧化锰AMD等）；第三类是锰盐（硫酸锰、碳酸锰、草酸锰等）。另外，还有间接耗用锰矿石的四氧化三锰、锰酸锂等。我国已经是全球硅锰铁合金、碳素锰铁、电解金属锰、电解二氧化锰、硫酸锰等锰矿深加工产品的最大生产国，尤其是钢铁工业的飞速发展,造成国内锰矿石不能满足国民经济发展的需要[3]。而且由于我国锰矿的上述特点，电解锰、硫酸锰等产品的生产不能完全使用国产矿生产，这就决定了必须大量依靠进口。尤其在锰矿缺乏地区，进口锰矿石配入比例都非常大。近年中主要从澳大利亚、缅甸及加蓬等国进口锰矿石。我国2003年进口286万吨锰矿石，2008年进口约758万吨，已成为世界上最大锰矿进口国，近几年进口锰矿量见图1。图1我国每年进口锰矿量2.1国内锰矿资源的特点我国累计探明锰矿储量6.4亿吨，锰金属储量4000万吨，仅次于南非、乌克兰和加蓬，居世界第四位。但我国锰矿资源具有“贫、薄、杂、细”的特点[3]。2007年的统计数据表明，在全国锰矿石基础储量中，富锰矿(氧化锰矿含Mn30%，碳酸锰矿含Mn25%)基础储量只占全国基础储量的7%，贫锰矿占93%。锰矿资源量位居全国第一的广西省2004年的统计表明碳酸锰矿占了全省锰矿资源储量的67.48%，199920002001200220032004200520062007200802468MilliontonYear氧化锰矿石只占32.52%，且多属铁锰矿石(占18.82%)。由于矿层薄，锰矿开采成本高；矿石品位低、含杂质高、粒度细带来技术加工性能差，大部分富锰矿石在利用时仍需经选矿加工。占全国锰矿资源四分之三以上的碳酸锰矿石由于含磷偏高，不适合直接冶炼锰系合金[4]。我国锰矿资源分布很广但不平衡。据2004年锰矿基础储量统计数据表明，广西、湖南、贵州、重庆、湖北、云南、辽宁七省市的锰矿资源储量占到了全国资源储量90%多，尤其以广西和湖南两省(区)为最多，锰矿基础储量占全国68%，因而在锰矿资源开采方面形成了以广西和湖南为主的格局。我国锰矿区数量多，但规模都比较小，矿床规模多为中小型。至2002年末，237处锰矿区中，大型(资源储量20000kt)锰矿床只有7处，其中资源储量超过1亿吨的仅1处，中型锰矿52处，小型锰矿178处[5]。2.2氧化锰矿还原工艺研究状况氧化锰矿的主要成份二氧化锰（MnO2）不溶于硫酸，必须把它还原成易溶于硫酸的一氧化锰(MnO)，才能把锰浸取出来，进而制得相应的锰产品。常用的氧化锰矿还原方法有以下几种：两矿法、煤还原焙烧法、SO2还原焙烧法等[6]。以下分别对这几种还原方法进行简单介绍。2.2.1两矿焙烧法将氧化锰矿和硫铁矿干燥后分别经粉碎，然后配料混合，在700-800°C下焙烧，熟料用稀硫酸锰溶液浸出，分离湿渣后进行精滤，再经蒸发、浓缩、离心分离，将锰从氧化锰矿中提取出来。其主要反应为：4FeS2＋11O2→2Fe2O3＋8SO2(2-1)MnO2＋SO2→MnSO4(2-2)即总反应为：8MnO2＋4FeS2＋11O2→8MnSO4＋2Fe2O3(2-3)两矿焙烧法工艺不需使用硫酸，能同时实现两矿的有效利用，但该法存在焙烧时间长，渣量大难处理及烟气排放等问题[7]。2.2.2煤还原焙烧工艺煤还原焙烧-硫酸浸出工艺已有半个多世纪的历史，是传统而实用的工艺，此法将氧化锰矿与煤粉以质量5:1的配料比混合，在焙烧炉中于900°C以上进行还原焙烧，生成氧化锰。于隔绝空气条件下冷却至室温，在15-20%稀硫酸中进行酸解，用二氧化锰作氧化剂使Fe2＋转化Fe3＋，控制pH≤5.2，经压滤，以除去Fe3＋、铝和其它酸不溶物，再静置沉降进一步去除钙杂质。硫酸锰精滤液经蒸发浓缩、结晶、离心分离、热风干燥，制得硫酸锰成品，实现将锰从矿物中提取出来。其主要反应式如下：MnO2＋CO→MnO＋CO2(2-4)MnO2＋C→MnO＋CO(2-5)MnO＋H2SO4→MnSO4＋H2O(2-6)工业上氧化锰矿经碳还原焙烧，除酸浸法外，还有氨浸法。即氧化锰矿经还原焙烧生成MnO，然后以氨基甲酸铵浸出。此法锰的浸出率在90%左右，使用的浸出剂可以再生，并且杂质易控制，但热耗高，成本高[8]。2.2.3SO2还原焙烧法在预还原焙烧工艺中，除直接以煤为还原剂外，还可以以SO2为还原剂焙烧，即硫酸化焙