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

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第一章概述

1.1 锰矿资源概况

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。除此之外，锰产品还能广泛用于其他工业领域，如轻工业（用于电池、火柴、印漆、制皂等）、建材工业（玻璃和陶瓷的着色剂和褪色剂）、国防工业、电子工业，以及环境保护和农牧业等等。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。

1.1.1 世界锰矿资源生产和消费

世界陆地锰矿按照自然类型主要可以分为氧化锰矿和碳酸锰矿。储量在1亿吨以上的超大型锰矿床区产地有8处，分别是：南非的卡拉哈里、波斯特马斯堡，乌克兰的大托克马克、尼科波尔，加蓬的莫安达，加纳的恩苏塔，澳大利亚的格鲁特岛，格鲁吉亚的恰图拉。这些锰矿多为氧化锰矿和碳酸锰矿的共生矿。国外锰矿石品位一般都比较高，尤其是南非卡拉哈里矿区的锰矿石品位达30-50%，澳大利亚的格鲁特岛矿区的锰矿石品位更高达40-50%。据国际锰协（IMnI）统计，2007年世界锰矿总产量约3568.6万吨（锰金属量约1260万吨）。其中高品位锰矿（Mn>44%）产量总计1329万吨，占总产量的37%。其中澳大利亚高品位锰矿产量最高，达到398.2万吨；南非次之，为325.6万吨；加蓬第三，为224万吨。中级品位（30%≤Mn≤44%）的锰矿产量约831.6万吨，占总产量的23%。其中乌克兰产量最大，达到226万吨；印度次之，为203.5万吨；南非为117万吨。低品位锰矿（Mn<30%）总产量约1408.4万吨，占总产量的39.4%。其中中国产量最高，达到1035万吨。

目前世界耗用消费锰矿石的领域主要是三大类锰系产品。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。据IMnI数据，2007年世界总计消费锰矿含锰金属量3745万吨的锰矿，较2006年增长4.19%。其中西欧消费锰矿1103.5万吨，北美587.3万吨，非洲102.4万吨，拉美67万吨，亚洲及大洋州消费锰矿1594.3万吨。这其中中国消费锰矿1250万吨，约占生产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

2 世界消费总量的36.7%。

1.1.2 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。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Mn>30%，碳酸锰矿含Mn>25%)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%，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。

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[i]。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1.1。

199920002001200220032004200520062007200802468

Million tonYear

图1.1 我国每年进口锰矿量 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

3 1.2 生物质概况

生物质是地球上最广泛存在的物质，它包括所有动物、植物和微生物以及由这些有生命物质派生、排泄和代谢的许多有机质。可以理解为由光合作用产生的所有生物有机体的总称，包括植物、农作物秸秆(玉米秸秆，小麦秸秆，稻杆)、林产物（锯末）、海产物（各种海草）和城市垃圾（纸张、天然纤维）等。生物质能则是太阳能以化学能形式蕴藏在生物质中的一种能量形式，是以生物质为载体的能量。每年由光合作用产生的生物质约有1200亿吨，其所含能量为目前世界能源消费总量的5倍。作为一项重要的可再生能源，生物质能仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位，在整个能源消耗系统中占有重要地位，对全世界一次能源的贡献占14%，对发展中国家这一比例更达到了38%。在美国、瑞典、奥地利三个发达国家生物质能源的利用分别占该国一次性能源的4%，16%和10%，且仍在大力发展中。我国的生物质资源相当丰富，每年的生物质能源总量约达4.87亿吨油当量，其中有约3.7亿吨可用于发电和供热，占总量的70%，其余的1.17亿吨在农村地区则用作饲料、粪肥等其他用途。

1.2.1 生物质的特点

生物质与化石燃料相比，具有以下特点：

(1) 生物质分布广泛，远比石油、煤炭等化石燃料丰富，并且可以再生。生物质能是地球上最普通的一种可再生能源，它遍布于世界陆地和水域的千万种植物中，犹如一个巨大的太阳能化工厂，不断地把太阳能转化为化学能，并以有机物的形式储存于植物内部，从而构成一种储量极其丰富的可再生能源。

(2) 从生物质能资源中提取或转化得到的能源载体更具有市场竞争力。生物质资源经深层转化后生成的甲醇、汽油、液氢、柴油等燃料不含有害成分，适于内燃机使用，而若从石油或煤中提炼出零排放的液体燃料，其生产成本就会大大增加。

(3) 生物质是一种清洁能源，有利于环境的保护。生物质含硫量较低，灰分份额也很小，挥发分高，燃烧后SO2, NOX和灰尘排放量比化石燃料要小得多。同时，因为生物质在生长过程吸收CO2的量和在完全燃烧过程中生成的CO2的量一样，所以生物质的利用对大气环境的二氧化碳净排放量为零，不会像化石燃料一样引起和加剧温室效应。因此，工厂或城市内燃机车辆使用从生物质作为原料和能源，能极大的改善环境。

综上所述，生物质的这些特点决定了利用生物质不仅可以缓解由于经济发展所带来的能源短缺问题，还可以同环境协调发展，具有独特的环境效应。 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

4 1.2.2 生物质的利用方法

生物质的转化利用途径主要包括物理转化、化学转化、生物转化等，可以转化为二次能源，分别为热能或电力、固体燃料、液体燃料和气体燃料等。生物质的化学转化主要包括直接燃烧、液化、气化、热解、酯交换等。

生物质的直接燃烧技术是最普通的利用生物质的方式。所谓直接燃烧就是燃料中的可燃成分和氧化剂(一般为空气中的氧气)进行的化学反应过程，在反应过程中强烈放出热量，并使燃烧产物的温度升高。燃烧过程一般分四个过程：(1)生物质中水的蒸发过程；(2)挥发分的析出；(3)气相挥发分的着火和燃烧；(4)固体碳素残留物的着火和燃烧。除了生物质作为能源燃烧放热得到了广泛研究和重视，近年来一些学者也开始关注生物质燃烧所产生的气体，如一氧化碳CO，二氧化碳CO2，以及甲烷CH4等。他们开始细致研究不同种生物质在不同燃烧阶段(起燃、焰燃与闷烧) 和不同燃烧状况(开放、封闭、半封闭) 下形成各种产物的机理与其气体排放因子及排放比值，为计算机模拟提供必要的基础数据、机理和验证机会。

除燃烧外，生物质利用的另一个最主要方法是热解，即在无氧条件下加热或在缺氧条件下不完全燃烧，最终转化成高能量密度的气体、液体和固体产物。生物质的气化也是生物质利用的一种方法，它是以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气作为气化剂，在高温下通过热化学反应将生物质的可燃部分转化为可燃气。生物质的液化则是一个在高温高压条件下进行的热化学过程，其目的在于将生物质转化成高热值的液体产物，实质即是将固态大分子有机聚合物转化为小分子有机物质。

1.3 选题背景及意义

锰作为一种重要的战略资源，在钢铁，电池，肥料和医药等行业中有重要的应用。尤其是我国钢铁工业的飞速发展，极大的刺激了作为铁锰合金产品主要原料氧化锰矿的需求。目前生产铁锰合金的氧化锰矿要求品位在45%以上，然而我国这种氧化锰富矿只占总氧化锰矿储量的7%，另外93%都是低品位氧化锰矿。导致我国每年需要进口大量的氧化锰富矿，2008年的进口高达758万吨。另一种重要的锰产品是电解锰，电解锰生产企业主要采用碳酸锰矿石为原料进行生产，但我国碳酸锰矿的主要生产地重庆秀山及湖南吉首的碳酸锰矿资源正在快速枯竭，在3-5年内将完全依靠进口资源或外地采购才能维持生产。而且由于利用碳酸锰矿生产电解锰的过程中，矿石中钙镁含量高（3-10%以上），因此在溶解过程中造成酸耗高，一般每生产一吨电解锰需要消耗2-5吨硫酸，导致企业成本增加。相比而言，低品位氧化锰生产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

5 矿石中钙镁含量一般在1%以下，每生产一吨酸耗在0.8吨以下。因为上述原因，开发利用我国的低品位氧化锰矿来缓解铁锰合金，电解锰等产品的需求压力迫在眉睫。

低品位氧化锰矿利用的关键在于把矿石中的二氧化锰还原成溶于酸的一氧化锰，这样才能把矿中的锰提取出来。如前所述，目前氧化锰矿石的还原主要采用煤还原的方法，将矿石与煤混合加热到900°C以上，把二氧化锰还原成一氧化锰。国内各别厂家如广西桂平的天鸿鑫锰业公司、天等凯丰锰业公司均采用该工艺进行生产。采用该方法还原氧化锰矿工艺的主要问题是能耗高，一般处理1吨矿石需要消耗0.4吨标准煤，同时加热温度在900°C以上对于实现连续化生产也是企业遇到的技术瓶颈。如何降低能耗以及降低还原温度是目前氧化锰还原过程急需解决的问题。株洲华威工业微波设备有限公司生产了HWSH-400微波炉，采用加碳还原氧化锰已经达到中试规模，能将还原温度降低到500°C以下，但微波设备造价高，达到工业应用的程度还需要一个过程。近年国内也发明了一些其它新的方法，如田学达等采用沼气中的甲烷作为还原剂，在常温下点燃沼气，将氧化锰矿烧至红热状态将其还原成一氧化锰。栗海锋等将锰矿粉矿浆加入糖蜜与硫酸，并加热到40-100°C搅拌，将锰还原得到硫酸锰溶液。但这些工艺方法或是因为生产成本问题，或是因为可控性问题均未在锰工业中得到实际应用。