镁厂设计(engineering design of magnesium p|ant)

以含镁矿物或卤水为原料，用熔融盐电解法或热还原法冶炼金属镁的轻金属冶炼厂设计。电解法炼镁，以菱镁矿，光卤石及海水或盐湖卤水为原料。热还原法炼镁多以天然白云石为原料。有的镁厂以海水及石灰石合成氧化镁，作为电解法或皮江法(Pidgeon法)炼镁的原料。主要设计范围包括：镁原料氯化车间设计、镁原料脱水车间设计、镁电解与精炼车间设计、皮江法炼镁车间设计和镁厂废气处理车间设计。

镁厂设计的主要内容为：设计规模与产品方案、生产方法和工艺流程选择、设备选择、工厂布置与车间组成、技术经济指标。

简史 炼镁工业始于1883年，德国建成用熔融盐电解氯化镁法(I．G法)生产镁的工厂。1916年，美国研制成以卤水为原料的炼镁工艺。1941年设计建成两个电解法镁厂。美国道屋(DOW)化学公司以海水及贝壳(或石灰石)为原料制成氯化镁，脱水后电解制取镁，即道屋炼镁法。该公司是20世纪80年代世界最大的产镁公司，生产能力约为90000t／a。

1935年，苏联以盐矿的光卤石为原料，开发了光卤石的脱水、电解法生产镁，相继设计建成三家镁厂。1962～1968年又研制成镁电解用的无隔板电解槽，用于镁工业。经多次改进后，已被美、日及挪威等国的镁厂采用。

1941年，加拿大建立皮江法炼镁试验厂，次年，设计建设5000t／a生产能力的用皮江法炼镁的镁厂。其后，皮江法炼镁推广到美、日等许多国家。

挪威是仅次于美国的产镁国家。于1951年开始生产镁，用改良的I．G法发展了镁生产，其后，又用无隔板电解槽(容量达300kA)取代I．G型电解槽，成为炼镁的先进国家之一。

1959年，法国研制了用半连续硅热还原法炼镁，于1969年设计建成镁厂，此法已被美国及南斯拉夫等国采用。

中国于1957年在抚顺铝厂建成了熔融盐电解法炼镁车间。80年代，自行设计并建成第一个菱镁矿氯化电解法镁厂，设计规模为4000t／a。另建一套3000t／a的光卤石脱水、电解炼镁工业生产系统。此后，还有一些镁厂相继建成投产。

设计规模与产品方案 设计规模较大的镁厂多用电解法。80年代末，工业发达国家新建的电解法镁厂，设计规模一般为40000～62500t／a，一次设计，分期建设。

工业发达国家的镁厂，除生产镁锭外，还开发与生产适销对路的加工商品。中国镁厂的主要产品为镁锭与镁环。前者是大宗商品，后者为镁加工厂生产金属镁粉的原料。

生产方法和工艺流程选择 各国根据各自的资源条件，已研制出多种炼镁的工业生产方法。可概括为熔融盐电解法和热还原法两类。每类方法中，又有多种工艺流程。90年代，工业采用的热还原法都是硅热还原法。在工程设计中，根据镁原料的品种和能源条件选择适宜的生产方法和工艺流程。

熔融盐电解法炼镁 该法有多种工艺流程，其中，主要有水氯镁石(MgCl2•6H2O)脱水电解法、天然光卤石脱水电解法、菱镁矿氯化电解法和合成氧化镁氯化电解法。

(1)水氯镁石脱水电解法。将海或盐湖的卤水净化、结晶为水氯镁石、经喷雾、干燥和脱水后，放入电解槽中电解生产镁。此法的优点是电解原料成本低。美国道屋化学公司镁厂用此法生产。以海水为原料，每公斤海水中约含MgCl2 3．8g、MgSO4 1．7g、MgBr2 0．1g，以丰富而价廉的天然气为燃料，以海滨的贝壳(或石灰石)处理海水中的镁化合物，制成絮凝状的氢氧化镁后，中和成氯化镁水溶液，经蒸发、浓缩、干燥和脱水制成带水料(MgCl2•1．5H2O)，用道屋型电解槽电解析出金属镁。此法电耗高、实收率低、渣量多，但在工厂位于原、燃料条件优越的地区，其生产成本仍有竞争力。

在氯化氢气氛下，水氯镁石脱水电解是先进生产方法之一。此法以提钾和清除有害杂质的卤水为原料(含MgCl2 33％)，将硫、溴、重金属及硼等降至允许范围，经蒸发、浓缩，在喷雾制粒塔中制成0．5～2mm的粒料(MgCl2•4～6H2O)，在热空气沸腾炉(流态化床)中脱水，再在氯化氢气氛下，用沸腾炉脱去剩余水分。产出的无水氯化镁放入电解槽中电解，获得金属镁(图1)。此法是直接以卤水为原料的最佳方法，但须有效果良好的耐氯化氢腐蚀的设备系统。

(2)天然光卤石脱水电解法。多以天然钾光卤石为原料，用分步结晶法调整盐类的成分，制成人造光卤石，经两次脱水后，产出无水光卤石，在电解槽中电解出金属镁(图1)。

(3)菱镁矿氯化电解法。此法是将粉碎的菱镁矿、石油焦及粘结剂混捏制团，或破碎成颗粒炉料(不制团)，加入竖式电炉中氯化，产出无水氯化镁，再在电解槽中进行电解，获得金属镁(图2)。

(4)合成氧化镁氯化电解法。对于缺乏优质菱镁矿的国家或地区，可采用海水与白云石合成氧化镁，再与炭质还原剂混匀制团，经氯化制成无水氯化镁，然后，加入电解槽中电解产出金属镁。挪威的镁厂采用此法，技术经济指标较好，污染物少、厂区环境好(图2)。

电解镁厂的氯气平衡是工业炼镁的重要项目。用菱镁矿氯化电解法单独建厂时，吨镁耗氯4．2～4．3t，电解副产品——氯2．6～2．85t，若使两者相抵，每吨镁需补充新氯气   1．3～1．7t。光卤石脱水每吨镁电解净产氯约2．2t，需要回收利用。一般采用联合流程使氯气平衡。联合流程有光卤石脱水电解与菱镁矿或合成氧化镁氯化电解联合，或以克劳尔法海绵钛生产系统与光卤石脱水电解工艺流程联合等，使氯气在厂内有效地循环使用。

热还原法炼镁 80年代用于工业生产的热还原法炼镁有半连续硅热法和皮江法。

(1)半连续硅热法。以白云石为原料，铝土矿为助熔剂，于单相(水冷铜管与石墨电极)真空电炉中，用硅铁还原煅烧后的白云石生产金属镁(图3)。2300kW单相真空电炉的日生产能力为3．5t；4500kw单相真空电炉的日生产能力为7．5t。选用此法，必须考虑电力的相间平衡。(与皮江法对比)，此法的优点是生产能力大，不需要大量钢材，污染物少，生产环境好。但产品中硅含量偏高，需增设除硅设施。生产成本介于电解法与皮江法之间。

(2)皮江法。即间断生产的硅热法。该法由加拿大多伦多大学教授皮江(L．M．Pidgeon)研究成功，并以其名命名。以白云石为原料，硅铁为还原剂，在内热或外热式还原炉内加热横罐，罐中盛有用煅烧白云石和硅铁粉制成的团块，在真空状态下，还原出金属镁(见皮江法炼镁车间设计)。

皮江法的优点是技术不复杂，投资少，产品质量好。但消耗大量钢材，间断生产，工效低，成本高。

设备选择 电解法炼镁用主要设备随生产方法的不同而异。

(1)菱镁矿氯化电解法用主要设备有混捏机、制团机和氯化炉等。制团机有滚环式和滚筒式之分，通常选用滚环式。菱镁矿氯化用氯化炉，一般选用竖式电炉。炉内装有上、下两排三相炭素电极，内装电阻体(炭素格子)。

(2)光卤石脱水电解法用主要设备有一次脱水用的沸腾炉或回转窑，二次脱水用的熔融盐电炉(CKH炉)或熔融盐氯化器。选用沸腾炉脱水，可克服投资多，效率低和水解率高的缺点。熔融盐氯化器的功能优于熔融盐电炉，能氯化水解过程析出的氧化镁，提高实收率。

(3)水氯镁石脱水电解法用主要设备有制粒塔，规格一般约为φ10～12m、高25～30m，粒卤用沸腾炉脱水(在热空气和氯化氢气氛下)。

各种电解法采用的镁电解槽类同，有隔板(I．G型)、无隔板、道屋型(改良型)及双极性电解槽都是工业用槽型。I．G型镁电解槽已逐渐被新槽型取代。工厂设计中，通常选用无隔板电解槽等高效设备。双极性电解槽是20世纪80年代出现的新设备，适用于电解纯净的无水氯化镁。80年代，无隔板电解槽的容量日益扩大，150kA、250kA及300kA等大型电解槽已用于工业炼镁生产。

(4)半连续硅热法用主要设备有回转窑及真空电炉。回转窑用于白云石煅烧。真空电炉用于还原煅烧后的白云石，通常选用单相的，是半连续硅热法的主体设备。炉体为竖形，由上端通入中空水冷铜电极(带石墨电极头)导电，母线分别从炉顶和炉侧部引入。设计时尽量减少感抗损失。

(5)皮江法炼镁用主要设备有卧式还原炉和煅烧炉。还原炉内插入圆筒形横罐，在真空条件下运行。煅烧一般用回转窑，有时也选用竖式煅烧炉等。中等规模以上的皮江法镁厂，设计多选用回转窑，可消除竖炉煅烧不完全或过烧之弊。

工厂布置与车间组成 菱镁矿或合成氧化镁氯化电解镁厂，主要由原料制备、氯化及电解精炼等车间组成。光卤石或水氯镁石脱水电解镁厂的主要车间有人造光卤石制备、光卤石或水氯镁石脱水、电解精炼和钾肥等车间。电解法镁厂的重要辅助设施有氯气回收利用、废气处理、液氯库及其装卸设施、废渣堆存及综合利用设施，以及公用辅助设施。

硅热法镁厂(半连续或皮江法)主要由原料煅烧、制备、还原和精炼车间组成。

电解镁厂排放的有害物是氯气、氯化氢、含盐废水和氯化物渣。厂址一般要座落在远离居民区的地段。氯化车间或脱水车间与电解车间的距离要短，方便熔体输送，通常用走廊与建筑物连通。以菱镁矿为原料的镁电解车间附近，须留有足够的废电解质、电解槽渣和精炼渣堆场。以光卤石为原料的电解车间要靠近钾肥车间。

供、变电所和空压站等设施一般设置在上风向。液氯库设置及液氯运输与操作须符合安全规程。设计硅热法镁厂时，尽可能将煅烧、原料制备车间与还原车间靠近，防止物料吸潮。半连续硅热法炼镁的煅烧车间，通常邻近还原车间，便于赤热状态煅烧料的运输。真空电炉的排渣口附近，需有足够的水淬渣场地。厂内设冲渣池和堆渣场。皮江法镁厂的内部配置，为适应还原用料停放时间短的要求，留有残渣堆放场地。

技术特点 以无水光卤石或无水氯化镁为原料的电解法镁厂，氯气、氯化氢、氯化渣及含盐废水是恶化环境的主要污染物。厂房、电力及生产设施要防腐蚀。电解槽耗电量大，属于I级负荷，须配备双电源。半连续硅热法镁厂用的白云石，质量要求高，不仅氧化镁含量须大于20％，并要求满足在煅烧条件下不粉碎的物理性能。采用皮江法炼镁的厂家要考虑：(1)选取耐高温(1250℃)的罐材，有条件的工厂要考虑备有还原罐回收设施，否则要与他厂协作解决。(2)选择结构可靠、压力高(100～200MPa)的制团机，以保证金属镁的产出率。技术经济指标如表。

菱镁矿氯化电解法每吨镁主要消耗指标