用于高湿非金属尾矿球团的段式烘焙一体化竖炉技术开始推广应用
一、导语：
具有完整的自主知识产权体系的“用于高湿非金属尾矿球团的段式烘焙一体化竖炉及工艺”系列技术由“唐山金泉冶化科技产业有限公司”独家研发并已申请专利，享有独立开发、应用的权益。
据此，编者对上述合作项目中的技术来源和合作模式及开发前景进行了专访，以便大家对这项技术有更进一步的了解。
二、技术背景
目前，我国非金属矿行业在国家政策的引领下迎来高速、高质量发展的重要时期。功能矿物材料备受重视，矿产资源综合、高效、高值化利用理念渗透到各地域、各矿种之中，石墨、萤石、膨润土、高岭土、硅灰石磷矿、石膏以及各种伴生矿、尾矿等都备受市场关注。
国家发布的《产业结构调整指导目录》皆鼓励建材、磷石膏、磷矿、萤石矿的中低品位矿、选矿尾矿、伴生资源综合利用技术。《国家工业资源综合利用先进适用工艺技术设备目录》推荐工业固废减量化、工业固废综合利用、再生资源回收利用、再制造等4大类先进适用工艺技术设备。对微细颗粒物浮选回收、尾矿、粉煤灰、赤泥、污泥、气化渣、冶炼渣尘等固废综合利用、工业副产石膏综合利用、副产石膏综合利用、磷石膏无害化处置等方面作为重点方向。总体来说，对资源综合、高效、高值利用是非金属矿行业统一的发展主旋律，尤其是对上述产业中形成的尾矿等固废利用尤为关注，目前，我国大宗固废累计堆存量约600亿t，年新增堆存量近30亿t。
其中，比较典型的有：①中国作为全球磷矿资源生产和消费大国，在磷矿开采和加工过程中产生了大量磷尾矿（含磷矿选矿后的废弃物），每生产 1t 的磷精矿，就会产生0. 44t的磷尾矿。目前，大量存在于尾矿库中的磷尾矿数量巨大，截至2021年底，我国已累计堆存1亿t以上磷尾矿，同时每年还产生约 700万t 的磷尾矿。②目前，全球的磷石膏堆存量已达60亿ｔ，每年仍然还以1.5亿ｔ的速度新增。而中国是全球第.一大磷肥生产国，也是第.一大磷石膏副产国，磷石膏堆存量已经达到4亿t，每年仍以大约 5000万ｔ的速度递增。③重要的是，尾矿中含有大量的、可用的原矿矿粉，与中低品味的矿石相当。当前，由于矿石的无序开采和严重浪费，高品位矿石的储量已经正在锐减，如果将这些尾矿直接作为固废进行排放，不但增加处理成本和环保的治理费用，还将造成资源的浪费。若将其回收利用，又因为尾矿粉细小，均为细粉状及泥状等在形式存，不能直接进入冶炼炉中应用。
特别是浮选法生产，其产生的尾矿通常都是以矿浆的形式存在，而矿浆如果直接排放就会污染水体和土壤，通常生产企业都采用修建尾矿库来收集尾矿浆，再利用脱水干排工艺（如：压滤等）将尾矿浆中的部分水分脱出，形成含水分在35%左右的尾矿泥粉、泥饼进行排放；但排放后的尾矿堆存仍然需要占用大量的土地，而且还造成了二次环境污染以及水土流失、植被破坏等，同时，且堆存储存数量过大时，也极易造成流动和塌漏和滑坡，造成严重的安全隐患。
因此，采用细颗粒尾矿粉料及尾矿浆及压滤后得到泥饼制备获得人造块矿如：烧结块、球团等固体物料进而用于提炼高价值材料生产成为一条新的途径。然而，在进一步加工过程中，需要进一步的进行脱水、压缩、干燥后才能再进一步进行人工造块、焙烧等生产。
以磷矿冶炼工艺为例：目前，磷矿制备黄磷的工艺主要是采用电炉法（热法制磷）：将天然的磷矿块矿与还原剂一起放在电炉（矿热炉）中加热至1300~1500℃生产，但该工艺对磷矿原料要求较高，一般要求入炉磷矿需粒度均匀，粒度一般在4~30mm，粒度过小或细粉太多会导致各种问题。所以，对磷矿粉固体成型物有相同的工艺要求：（一）、水分和碳酸盐含量要少，一般水分要低于2%以下；（二）、P2O5的含量高于20％，并具备一定热强度；（三）、球团或固体物粒度应在20~50 mm范围；（四）、具备一定热强度和良好的热态性能和抗碎强度，粉化率要低；
然而，现有的脱水技术处理的磷矿泥粉，泥饼水份只能控制在30%左右，通过混和干粉料的方法水分也只能控制在15%以上，与传统冶金造球水分控制在7~8%的要求还有很大差距，致使磷矿球团水分高、生球强度差、易粉化、返矿率极高。所以，由于球团的高湿原因，传统的小型圆形竖窑和土法烧结造块等方法都无法实现直接入炉焙烧，需要另行配套烘干、干燥设施，然后出炉二次转运进入热处理炉进行烧结，然后再出炉第三次转运至冷却系统，不但工艺复杂、投资高，而且由于多次转运致使球团破损率和返矿率极高，倒运过程中的热量（能耗）损失也极高。
现有对磷矿生球团进行热处理时也有套用其它相近领域使用的现有热处理技术，如：采用的是链箅机‑回转窑系统，由于回转窑是在旋转的过程中生产，球团破损率也居高不下，而且能耗*高。有的采用了是马沸炉焙烧，电耗也极高，而且也无法实现产量大型化。所以，虽然直接套用现有其它行业的热处理设备能够在一定程度上获得满足入炉要求的成品磷矿球团，但是不可避免的存在适应性差、能耗高、产品质量不稳定等关键问题。
生产实践中发现：磷矿尾矿主要由钙、镁的碳酸盐等矿物组成，白云石是其主要的矿物成分，其次是磷灰石，此外还有少量的石英和方解石。磷灰石即为氟磷灰石，同样是以单矿物形式存在，是含有磷元素的主要矿物，矿石中含有20%以上的CO2；与现有煅烧石灰所用的石灰石成分非常相近，与石灰石分解生产石灰也有着相同的工艺特征。
同时，在冶金行业的球团生产技术中也有可以借鉴的成熟理念，如：传统的矩形球团竖炉和带式焙烧机作为一种先进的焙烧设备，正逐渐得到广泛应用。两者都具有诸多优点，使其在球团生产中展现出独特的优势。首先，矩形竖炉具有投资低、占地少，操作简单，原料适用性和燃料适应性强等特征，然而，由于其竖炉本体生产的球团排矿温度高达600℃以上，热能损失非常大，致使综合能耗较高，还要另外建设投资较大的带冷机、环冷机等设施，不但增加了投资和也增加了生产运行费用。同时，与冶金球团具有强度高、粉化率低的特征不同，而非金属尾矿球团强度差、粉化率高，采用带冷机、环冷机等“气-固”冷却换热的方法（暨采用外部二次风源强制鼓风冷却）无法有效实现冷却和换热目的，主要存在问题是冷却通风阻力大、通风效果差、粉化率增高等问题。
带式焙烧机能够确保球团在不同阶段获得适宜的温度、气氛和时间条件，从而有效提高球团的质量和性能，而且能够实现产量大规模生产的需求，缺点是工序复杂和投资较大，与矩形竖炉相比，同等产量下投资强度是其10倍左右，让中小企业投资者望而生畏。
在目前的磷矿球团生产工艺中，还存在环保治理费用极高的弊病，比如：在同一个容器（炉或窑）内直接进行烘干、焙烧、冷却等生产，其烘干废气和燃烧烟气及冷却废气全部混合在一起排出容器外，致使气体体量大、成分复杂、温度不宜控制，环境治理设备投资极高。
如何把烘干工艺与矩形球团竖炉和石灰窑竖窑关键技术融合在一起，综合焙烧机的先进热工原理和“固-固”换热技术的工艺特征来设计一种全新的适用于尾矿球团及冶金球团和小颗粒石灰生产的多功能一体化工艺和装备，以实现尾矿球团低投资、低能耗、高产出的目的，显得尤为重要。
三、用于高湿非金属尾矿球团的段式烘焙一体化竖炉技术采用的关键工艺机理及措施：
（1）、采用烘干与焙烧及冷却一体三段式连体结构，炉体为竖式结构，上段为烘干（干燥）段，中段为焙烧段、下段为冷却换热段。
（2）、入炉物料为造球机生产的圆形球团或者压球机生产的椭圆形球团以及其它方式生产的圆形、柱形等颗粒物料。
（3）、炉体干燥段与焙烧段结合部采用*新锁气密封技术，把烘干系统和焙烧系统各自设置在一个独立密封结构内，锁气密封技术采用多点下料，下料点控制阀采用双层连杆式多点同步传动结构，采用上下控制阀错位开启和关闭方式，实现锁气密封无压下料，暨在下料过程中实现烘干段与焙烧段烟气不互通。
（4）、烘干段只与进料系统有关，其工作过程与焙烧段无直接关联，可独立操作，其烟气也负压独立排放，全部为冷却换热段余热烟气与烘干段物料换热后的烟气（仅为水汽及部分粉尘），烘干后的烟气仅需除尘，不需要脱除有害元素的烟气，而且其烟气量占总烟气量的70~80%范围。
（5）、烘干段进料采用梭式布料器，进行炉内往复均匀布料，烘干段内部设置多层（多级）烘干床，烘干床床面采用“百叶窗”式结构，以利于通风干燥。烘干床床体采用“变频振动”下料方式，不同层级的床体都是独立的且振动频率不同，可实现单个床体下料量的精准调控和防止物料粘结在床面，烘干床床面设置角度为活动式可调结构，可根据需要调整适宜的角度。
（6）、根据竖炉烘干特性及磷矿球团高水分高湿特性，在烘干床下部设置防过湿装置，通过冷风与热风的混合和局部强制供风调节，达到温度调节和提高湿气排放速度，有效解决球团过湿造成的粘结、团聚及减少湿球爆裂的目的。减少生球爆裂和烘干水分控制是提高球团质量和降低返矿率的有效手段。
（7）、烘干段的多级烘干床结构除保留振动下料功能外，在末级烘干床增加了筛分功能，使烘干过程中产生的粉料降落到炉内循环风通道和粉料下降通道内直接到炉外，避免进入焙烧段，减少粉料进入焙烧段是解决球团焙烧过程中粘结和物料焙烧过程中降低气流阻力的重要手段。
（8）、焙烧段炉体采用“T”型竖式密闭结构，截面为对称双室矩形结构，燃烧室设置为圆形或矩形，焙烧方式为正压双室对向喷火口供热，采用“隔焰燃烧技术”产生高温空气（烟气）进行焙烧球团，温度调节方便简单，解决了传统竖窑“窑体周边数十个烧嘴直焰燃烧”方式容易把球团表面熔融、粘结的关键性问题。
（9）、燃烧室设置为多种燃料燃烧工艺，燃料可以应用黄磷尾气和其它工业尾气（如：高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气），以及生物质气、天然气等气体燃料。燃烧室特别设置了双层燃烧器工艺布置，在燃烧室下部设置积灰收集仓和转运通道，可实现喷煤、喷生物质粉等固体燃料燃烧和积灰（燃烧积灰）自动排灰转运。
（10）、炉体焙烧段是烟气正压独立外排，其烟气量仅占总烟气量的20~30%范围，降低了烟气有害气体治理的设备投资。
（11）、焙烧段内部煅烧带纵向中间部设置通道式炉内循环风通道装置，把焙烧段内部及排矿后的物料余热热能转换为热风后导入（减压法）炉外循环风通道内部，然后进入烘干段进行烘干生产，烘干段的烘干热能全部来自于冷却带换热后的热能。
（12）、炉内循环风通道装置在烟气出口与烘干段烘干床连接处设置筛分及粉料收集装置，把烘干过程中产生的粉料收集、降落到炉内循环风装置内部（重力法）。粉尘在炉内循环风通道装置的下降过程中与炉内循环风装置内的上升气流进行充分的热交换，形成“悬浮式”焙烧，可以快速的完成焙烧过程，完成焙烧的粉料直接进入炉外粉料收集仓内。
（13）、设置炉外循环风通道装置，实现炉外收集余热热能的功能，把物料在冷却段换热过程中的余热热能全部回收利用，达到节能目的。
（14）、设置管道式余热换热装置，把焙烧段独立排放的余热烟气（400~500度）与烘干段进气进行换热，达到余热利用和节能目的，而且可以使烘干段烟气温度可调（70~400度）；
（15）、整个换热冷却段采用“三级固-固换热器”，把从焙烧段进入排矿部的成品球团矿进行固-固换热，换热后的热风进入燃烧室燃烧器进行助燃和进入烘干系统进行热能利用；换热风不与物料直接接触，仅在换热器中固定通道内流动，通过特殊导热结构及材料与物料接触换热，实现固体导热件与固体物料（球团）的固体之间的换热，达到“固-固”换热目的。
（16）、炉体“三段”均可以实现独立生产，如：可进行独立的烘干、可进行独立的焙烧生产、可以进行独立的冷却换热，特别是冷却段的“三级固-固换热器”采用组合式、模块化结构，每一级的换热器都可以进行独立使用，而且当采用热矿排矿法生产时可关闭冷却通风系统，实现热矿排矿。
（17）、在烘干系统的设置蒸汽回收装置，把产生的蒸汽全部回收用于生产，即达到了快速排湿的问题，也解决了除尘系统高湿水分无法有效除尘问题和除尘大气排放时的烟囱排放“白烟（水汽）”问题。
四、用于高湿非金属尾矿球团的段式烘焙一体化竖炉技术优点及产生的效益分析
（1）、本段式烘焙一体化竖炉的炉型结构设置为三段式烘焙及换热一体化，采用“烘干+焙烧+换热冷却”、“三合一”模式，实现三段式一体化生产，大幅降低了设备投资和占地，也降低了综合能耗；装置结构简明及紧凑，生产效率高，产品品质提高且稳定、经济性好，特别适用于非金属矿尾矿高湿球团的烘干与焙烧及冷却以及冶金球团和小颗粒石灰的生产。
（2）、与冶金球团相比，尾矿球团存在强度差的关键问题，把烘干段与焙烧段设置为一体化，解决了传统工艺中由于独立烘干系统和独立的焙烧系统在球团二次转运、二次入炉以及输送造成的球团破损率高、返矿量高的问题。
（3）、烘干与焙烧一体化装置设置为烟气隔断式连体结构，烘干段的生产时间与焙烧时间既可以同步生产也可以根据物料量不同步生产，可根据湿球团的水分含量有效增加和调节烘干段时间，由于烘干时间、温度、产量可调，解决了传统工艺中高湿球团不能直接入炉和生球爆裂严重的问题，使成品球团返矿率大幅降低，有效的提高了成品球团的成品率，也降低了能耗。
（4）、由于焙烧段设置为独立焙烧和独立下料，可以使焙烧时间大幅缩短及调整，而且由于成品球团矿排料采用齿形辊炉内卸料与炉外振动给料机排料的组合方式，可以实现快速排料，解决了传统工艺中焙烧物料焙烧时间长、物料容易粘结、悬料和结块无法排料的问题。
（5）、焙烧段燃烧室采用多种能源结构应用模式，可以使能源品种和成本选择范围更加广泛，而且也避免了外部单一能源的制约和风险。
（6）、实现烘干烟气（水气）与焙烧烟气独立排放，使烘干后的烟气仅需除尘，不需要脱除有害元素的烟气，而且其无害烟气量占总烟气量的70~80%范围。而焙烧段的有害烟气量仅占总烟气量的20~30%范围，降低了烟气有害气体治理的设备投资。
（7）、由于焙烧段的独立运行和有害气体的大幅度降低，使得二氧化碳气体治理设备费用和运行费用的降低，可实现低成本二氧化碳减排效应，每处理10万吨磷矿尾矿可减排量（折二氧化碳）约1.5万吨。
（8）、实现一炉多功能化，保留了原传统矩形球团竖炉的特征和工艺特性，可煅烧冶金球团，不限于磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿等球团的氧化焙烧和还原焙烧；而且还具备独立生产冶金球团和石灰生产的功能，实现“一炉多用”目的。
（9）、由于大部分非金属矿物质及磷尾矿的化学成分中的CaO、MgO 、CO
2与石灰石的成分非常接近，可以实现生产石灰的工艺过程，特别是能够使用5-20mm小颗粒石料生产石灰。
（10）、产量高，与同等焙烧面积的圆形球团竖炉相比，产量生产系数是其4~5倍。
（11）、投资低，与同等产量的带式焙烧机相比，其投资仅为其10%左右，极具投资性价比。
（12）、由于焙烧过程中分解排出了大量的二氧化碳（CO
2）气体，使焙烧后的尾矿球团品位大幅提高，比直接进电炉的原矿块矿品位还要高出至少20%以上，经济效益显著提高。
用于高湿非金属尾矿球团的段式烘焙一体化竖炉技术特别是能够解决尾矿球团采用传统生产方法存在的高湿球团易爆裂、成品球团品质不稳定、品位低、生产能耗高及生产效率低的问题。特别适用于高湿非金属尾矿球团的烘干与焙烧及冷却以及冶金球团和小颗粒石灰生产，实现了“一炉多用”目的，并采用“烘干+焙烧+换热冷却”、“三合一”模式，实现三段式一体化生产，大幅降低了设备投资、占地以及综合能耗；整体装置结构简明，生产效率高，产量高、经济性好，尤其是对各种粉状、泥状尾矿回收应用和提高整体尾矿球团生产工艺水平、降低生产成本、大幅提高产品品位及品质，以及减污降碳、改善生态环境等方面具有重要意义。
2025.08.18
