回转窑动态氧化焙烧石煤提钒研究.pdf

第3 l 卷第1 期 2 0 1 1 年0 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 l №l F e b r u a r y2 0 11 回转窑动态氧化焙烧石煤提钒研究① 胡杨甲，张一敏，刘涛，黄晶，朱晓波，李 望 武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉4 3 0 0 7 0 摘要将电热回转窑用于湖北某地石煤的动态氧化焙烧中，得出了最佳焙烧条件填充率1 6 ％，焙烧温度8 0 0 ℃，焙烧时间2 ．5 h ，加盐鼍1 0 ％。对比马弗炉静态焙烧试验，回转窑动态焙烧能显著降低盐肇和焙烧温度，同时一次水浸率明显提高，焙烧温度由 8 5 0 ℃降低为8 0 0 ℃，加盐量从1 8 ％降低到1 0 ％，一次水浸率由6 4 ．0 3 ％提高到7 2 ．6 4 ％。 关键词石煤；提钒；回转窑；动态氧化焙烧 中图分类号1 F 1 1 1文献标识码A 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 1 O l 一0 0 7 0 0 3 E x t r a c t i o no fV a n a d i u mf r o mS t o n eC o a lb yD y n a m i cO x i d i z i n gR o a s t i n g P r o c e s sw i t hL a b o r a t o r yE l e c t r i cR o t a r yK i l n H UY a n g - j i a ，Z H A N GY i m i n ，L I UT a o ，H U A N GJ i n g ，Z H UX i a o b o ，L IW a n g S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，H u b e i ，C h i n a A b s t r a c t Al a b o r a t o r ye l e c t r i cr o t a r yk i l nw a su s e di nt h ed y n a m i co x i d i z i n gr o a s t i n go fH u b e is t o n ec o a l ．T h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h eo p t i m u mr o a s t i n gc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s c h a r g er a t i oo f16 ％，r o a s t i n gt e m p e r a t u r eo f8 0 0 ℃，r o a s t i n gt i m eo f2 ．5ha n dN a C Id o s a g eo f1 0 ％．C o m p a r e dw i t ht h es t a t i cr o a s t i n gw i t hM u f f l ef u m a c e ，t h ed y n a m i co x i d i z i n gr o a s t i n gc a nd r a m a t i c a l l yr e d u c eN a C Id o s a g ef r o m18 ％t o10 ％a n dt h er o a s t i n gt e m p e r a t u r ef r o m8 5 0 ℃t o8 0 0 o C ．a n dd i s t i n c t l yr a i s et h el e a c h i n gr a t ef r o m6 4 ．0 3 ％t o7 2 ．6 4 ％． K e yw o r d s s t o n ec o a l ；v a n a d i u me x t r a c t i n g ；r o t a r yk i l n ；d y n a m i co x i d i z i n gr o a s t i n g 在石煤提钒工艺中，通过焙烧过程促使低价钒有 效转价是其关键，它决定了V O ；的转化率及总回收 率的高低，而其中焙烧设备对焙烧效果影响很大。我 国石煤焙烧设备目前主要有沸腾炉和平窑两大类型， 其人炉物料都需要进行制粒，且物料问断进出，生产能 力低，造成焙烧石煤脱碳不彻底，转化率低，资源浪费 严重，劳动强度大，盐量消耗大，并且产生的大量烟气 无法处理对环境污染严重，已经被国家严令禁止。针 对这种现状，结合石煤提钒焙烧过程特点，回转窑可使 物料在窑内处于翻动状态，实现温度均匀精确控制，不 仅传质状况比平窑和沸腾炉好，进出料也能方便地实 现机械化，是合适的动态氧化焙烧设备。本文对湖北 某地石煤原矿采用粉料直接回转窑氧化焙烧，通过改 变影响焙烧转浸率的因素水平，探索适合此地石煤的 回转窑动态氧化焙烧工艺条件。 1 试验部分 1 ．1 试验原理 湖北某地石煤钒矿矿床储量十分丰富，V 0 ，平均 品位为1 ．2 3 ％，试样的化学成分分析结果见表l 。 表1 湖北某地石煤化学成分 质量分数 ／％ S i 0 2A 1 2 0 sF e 2 0 3C a OM g OK 2 0N a 2 0T i 0 2V 2 0 5C烧失 6 6 ．2 39 ．2 51 ．8 50 ．1 21 ．2 0 2 ．4 10 ．0 5 30 ．0 5 51 ．2 31 4 ．4 01 7 ．0 2 该石煤由硅质岩、含钒碳质页岩、含磷结核硅质岩 及含碳砂质泥岩组成，含钒矿石中的矿物绝大部分是 含钒水云母，仅见少量的钒云母、硫钒铜矿。矿石中亦 含石英、碳质成分及少量方解石、重晶石、胶磷矿、黄铁 矿与碳酸盐等，结构坚固。在高温和强氧化剂作用下， 硅氧四面体和铝氧八面体的晶格结构可被破坏，使不 溶于水的三价和四价钒发生氧化，转变为可溶性的五 价钒，再与N a 结合生成可溶性钒酸钠盐[ 1 ] 。 1 ．2 试验流程 将石煤原矿破碎到0 3m m ，每次取1 0 妇用马 弗炉脱碳。在脱碳样中加入丁业级N a C I ，混匀后用瓷 衬球磨机磨样至一0 ．1 2 5m m 粒级占9 0 ％，用回转窑 ①收稿日期2 0 1 0 - - 0 9 ．1 0 作者简介胡杨甲 1 9 8 4 一 ，男，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事矿物加工工程研究。 万方数据 第1 期胡杨甲等回转窑动态氧化焙烧石煤提钒研究 焙烧。然后对焙烧后的熟样进行一次水浸，水浸温度 9 0c c ，时间4 0m i n 。用亚铁容量法测定水浸液中五价 钒的含量，以转浸率作为衡量焙烧效果的指标，钒的转 浸率Y 可用下式表示 磐100％Y 2 歪酉 1 ．3 试验仪器 ①2 8 0 2 9 0 瓷衬球磨机、S x 一1 0 1 6 型实验室电 炉、伽．2 1 2m 型电热实验回转窑、J J l 型强力电动 搅拌器、H H 数显恒温水浴锅、S H Z 一3 1 1 1 型循环真 空泵。 2 试验结果与讨论 2 ．1 回转窑动态氧化焙烧工艺条件试验 回转窑焙烧阶段影响转浸率的主要因素有物料 在回转窑内的填充率、焙烧温度、焙烧时间以及盐量配 比。分别针对这4 个因素进行单个因素实验，通过分 析转浸率随各个因素的变化趋势，最终得出最佳焙烧 条件。 2 ．1 ．1 回转窑填充率对转浸率的影响回转窑内保 持一定填充率，需要将回转窑的转速和给料速度互相 配合，并保持一定比例，这也是提高回转窑处理能力、 稳定焙烧制度的必要条件。试验通过调节回转窑的窑 体转速和给料螺旋转速，并保持一定比例，使物料在回 转窑内保持一定的填充率。当N a C I 添加量为1 0 ％， 焙烧温度为8 0 0 ℃，物料在窑内停留时间为2 ．5h 时， 物料在回转窑中的填充率对转浸率的影响见图1 。 图1回转窑填充率对转浸率的影响 由图1 可知，随着叫转窑填充率的升高，焙烧后熟 样的转浸率先升高再降低。转浸率在回转窑填充率为 1 6 ％时达到大值。回转窑填充率低于或高于1 6 ％时 转浸率均有一定程度下降。这足因为在高温焙烧时石 煤中钒、铁、锰、铬等氧化物促进N a C l 分解，产生活化 氯。活化氯与低价钒的氧化物生成中间产物V O C I ，。 只有在高温并有氧存在的条件下V O C l ，才会发生分 解生成V O ；旧J 。当填充率过低时，窑内氯化气氛不 足，钠盐作用不够充分，低价钒氧化物生成中间产物的 反应进行得不够充分，焙烧转浸率低。当填充率过高 时，窑内氧化气氛不足，中间产物的分解反应得不到足 够的氧气，从而影响了钒的氧化和转价，导致熟样的转 浸率低。另外，填充率过高时，物料与窑壁的传热和传 质效率降低，料层透气性变差，且出料速度加快，相当 于降低了焙烧温度和缩短了焙烧时间，也导致了焙烧 转浸率降低。故试验中选定填充率为1 6 ％。 2 ．1 ．2 焙烧温度对转浸率的影响当N a C I 添加量为 1 0 ％，物料在回转窑中的填充率为1 6 ％，物料在窑内停 留时间为2 ．5h 时，焙烧温度对转浸率的影响见图2 。 图2 焙烧温度对转浸率的影响 由图2 可见，钒的浸出率随焙烧温度的增加而增 加，当焙烧温度为8 0 0o C 时转浸率达到最大值。进一 步提高焙烧温度钒的转浸率反而下降。这可能是由于 钒在石煤中的赋存状态很复杂，温度低时不足以破坏 矿石的结构，钒的氧化反应不完全；当温度升高至8 0 0 ℃时，熟样转浸率最高。这是因为，随着温度的升高， 硅氧四面体坚固的品格结构被破坏，钒摆脱束缚，进人 V I I I 一V I V _ V V 的氧化还原和氧化还原平 衡阶段。大部分V Ⅲ 和V I V 转化为V V 。 但由于石煤的成分和结构复杂，并不是温度越高越有 利于低价钒向高价钒的转化。当温度超过8 0 0o C 时， 组分之间相互反应更加复杂，尤其是S i O 参加反应， 形成难溶的硅酸盐的量增加，使得部分钒被”硅氧”裹 络，这些钒既不溶于水，也不溶于酸L 3 j ，使得熟样转浸 率又开始降低。因此，本试验的最佳的焙烧温度为 8 0 0o C 。 2 ．1 ．3 焙烧时间对转浸率的影响当N a C l 添加量为 1 0 ％，物料在回转窑中的填充率为1 6 ％，焙烧温度为 8 0 0o C ，调节回转窑的转速和给料螺旋的转速，焙烧时 问对转浸率的影响见图3 。 从图3 可以看出，焙烧时间并非越长越好，物料在 回转窑内停留时间为2 ．5h 时，转浸率达到最大值，以 后随时间延长钒的转浸率反而下降，焙烧时间少于或 万方数据 矿冶工程 第3 l 卷 物料在回转窑内停留时间／h 图3 焙烧时间对转浸率的影响 多于2 ．5h 的效果都不好。这是冈为焙烧时间过短， 反应不充分，转价率低；而焙烧时间过长时，一方面由 于存在着二次反应，即随着时间的延长，生成的可溶性 钒酸盐部分与石煤中的铁、镁、钙等元素生成钒酸铁， 钒酸钙等。另一方面可能是与钠化反应中产生的氯气 作用，反应生成了低沸点的氯化氧钒挥发损失H 1 导致 钒的转浸率反而下降。 2 ．1 ．4 加盐量对转浸率的影响当物料在回转窑中 的填充率为1 6 ％，焙烧温度为8 0 0 ℃，物料在窑内停留 时间为2 ．5h 时，N a C I 添加量对转浸率的影响见图4 。 图4N a C I 用量对转浸率的影响 由图4 可见，钒的浸出率首先随N a C I 用量的增加 而增加，当N a C I 配比为1 0 ％时转浸率达到最大值。 进一步提高N a C l 用量钒的转浸率反而下降。出现上 述现象的原因可能是由于当N a C I 用量较小时，窑内的 氯化气氛不够，导致钒转化率较低。当N a C l 用量超过 1 0 ％以后，由于过量的N a C I 产生了大量的C l ，从而使 氧气分压降低，窑内氧化气氛不足导致钒转化率降低。 2 ．2 马弗炉氧化焙烧对比条件试验 对同一批石煤矿样将原矿破碎到0 3m m ，每次 取5 0 0g 用马弗炉脱碳后，加人工业级N a C l ，磨样至 一0 ．1 2 5m m 粒级占9 0 ％，采用马弗炉焙烧，保持焙烧 升温时间1 ．5h ，焙烧时间1h 不变。对比回转窑的填 充率1 6 ％，物料在回转窑内停留时间2 ．5h ，不同加盐 量及焙烧温度下的对比数据分别见表2 和表3 。 表2 不同N a C I 配比条件下的转浸率对比 注焙烧温度为8 0 0 ℃。 表3 不同焙烧温度条件下的转浸率对比 注N a C I 添加餐为1 0 ％。 由表2 和表3 可见，同等加盐量条件下，采用回转 窑焙烧比用马弗炉焙烧转浸率明显提高，最低提高了 1 ．4 4 ％，最高提高了2 3 ．6 2 ％，平均提高了1 5 ．1 8 ％。 在同样焙烧温度下，采用回转窑焙烧比用马弗炉焙烧 转浸率都有上升，最低提高了9 ．3 1 ％，最高提高了 2 2 ．9 1 ％，平均提高了1 6 ．2 4 ％。这是因为物料在回转 窑内处于翻动状态，传热和传质状况均较马弗炉有大 幅度改善，使得物料的焙烧温度均匀，并且物料在翻动 过程中与气相接触充分，料层透气性比静止时要好，气 相能够深入料层内部，使料层内部也能够充分参与反 应。同时物料在回转窑内的翻动有利于打破物料颗粒 表面的吸附平衡，使反应能够持续进行，而这些优点都 是马弗炉等静态焙烧设备所不具备的。 3 结语 ．采用电热试验回转窑焙烧的最佳条件为填充率 1 6 ％，焙烧温度8 0 0o C ，焙烧时间2 ．5h ，N a C I 配比 1 0 ％。对比马弗炉焙烧时的最佳条件，可得下列结论， 采用回转窑焙烧可降低焙烧温度焙烧温度可由8 5 0 ℃降低为8 0 0 ℃；显著降低了N a C l 量N a C I 配比从 1 6 ％降低到1 0 ％；提高了转浸率转浸率由6 4 ．0 3 ％提 高到7 2 ．6 4 ％。 参考文献 [ 1 ] 李建华，张一敏．石煤提钒钠化焙烧过程复合添加剂研究[ J ] ． 矿业快报，2 0 0 8 4 4 3 4 4 ． [ 2 ]林海玲，范必威．方山r 丁石煤提钒焙烧相变机理的研究[ J ] ．稀 有金属，2 0 0 1 ，2 5 4 2 7 5 2 7 6 ． [ 3 ] 李静，李朝建．石煤提钒焙烧工艺及机理探讨[ J ] ．湖南有色 金属，2 0 0 7 ，2 3 6 8 1 0 ． [ 4 ]张云，范必威．含钒云母矿的钠化焙烧工艺及机理探讨[ J ] ． 矿产综合利用．2 0 0 0 4 1 4 一1 6 ． 万方数据