隧道窑用于石煤提钒的试验研究与工业实践.pdf

第3 3 卷 2 0 1 3 年1 月 矿冶工程 M I N 玳GA N DM I ’1 ．A L L U R G l C A LE N G I N E E R I N G 、，0 1 ．3 3 J a n u a r y2 0 13 隧道窑用于石煤提钒的试验研究与工业实践① 邢学永，宁顺明，刘建忠，蒙在吉，佘宗华，封志敏 长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要根据目前国内石煤提钒焙烧设备均不够成熟的状况，尝试利用隧道窑对湖北某石煤矿进行了无盐焙烧试验，并进行 了工业试生产。与其它焙烧设备相比，隧道窑具有焙烧温度、时问、气氛容易控制，操作简单等优点。工业试生产结果表明， 石煤发热量在1 2 5 4 ～1 6 7 2k M k g 、焙烧尾气中0 2 含量 1 2 ％，物料间距足够的情况下，焙烧后的石煤矿用稀酸浸出，钒浸出 率最高可达8 8 ．6 ％，收效良好。 关键词石煤；钒；焙烧；隧道窑 中图分类号T F 8 4 1 ．3 文献标识码A 文章编号0 2 5 3 ．6 0 9 9 2 0 1 3 Z 1 ．0 0 0 60 5 I n v e s t i g a t i o na n d I n d u s t r i a lP r a c t i c eo nE x t r a c t i n gV a n a d i u mF r o m S t o n eC o a lw i t hR o a s t i n gi nT u n n e lF u r n a c e X I N GX u e - y o n g ，N 1 N GS h u n - m i n g ，L I UJ i a n - z h o n g , M E N GZ a i - j i ，S H EZ h o n g - h u a , F E N GZ h i - m i n f C h a n g s h aR e s e a r c hI n s t i t u t eo f M i n i n g ＆M e t a l l u r g yC oL i d , C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t T h es t o n ec o a lr o a s t i n gt e s ta n di n d u s t r i a lt e s th a v eb e e nc a r r i e do u tb yr o a s t i n gi nt u n n e lf u r n a c ea c c o r d i n gt ot h e d o m e s t i cs t o n ec o a lr o a s t i n ge q u i p m e n ti sn o te n o u g hm a t u r e ．C o m p a r e dw i t ho t h e rm a s t i n ge q u i p m e n t , t u n n e lf u m a c er o a s t i n g t e m p e r a t u r e ，t i m ea n da t m o s p h e r ea r ee a s yt oc o n t r o l ，s i m p l eo p e r a t i o na n dS Oo n ．I n d u s t r i a lt r i a lp r o d u c t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , t h e c a l o r i f i cv a l u eo fs t o n ec o a li sf r o m1 2 5 4k J ／k gt o1 6 7 2k J ／k g , 0 2c o n t e n ti nr o a s t i n gg a si sm o l et h a n1 2 ％p i t c he n o u g hm a t e r i a l c i r c u m s t a n c e s ．v a n a d i u ml e a c h i n gr a t ef r o mr o a s t e ds t n ec o a li su pt o8 8 ．6 ％． K e yw o r d s s t o n ec o a l ；v a n a d i u m ；r o a s t i n g ；t u n n e lf u r n a c e 石煤是由菌类、藻类等古生物遗体在浅海还原 性环境下经过长期泥化作用和煤化作用转变而成 的一种高变质腐泥煤，属我国独有的特色含钒资 源，储量全球第一，约占世界总储量的8 0 ％以上， 超过世界上各国钒储量的总和，其主要特点是灰份 高、密度大、结构致密、发热量低、难以完全燃烧。 我国石煤矿中钒的品位大多在0 ．1 3 ％～1 ．2 ％之间， 一般钒含量在0 ．8 ％以上的石煤才用作工业提钒原 料【1 ．5 】。 经过近半个世纪的发展，我国石煤提钒的工艺 路线己基本成熟，主要分为两大类，一类是火法焙 烧．湿法浸出工艺，一类是全湿法 直接酸浸或直接 碱浸 工艺，由于全湿法工艺适应性差，仅有少数钒 厂采用，目前国内石煤提钒工业仍以火法焙烧．湿法 浸出工艺为主。同时，与之相配套的焙烧设备却严 重滞后，如曾经广泛使用的平窑，属国家明令禁止 的窑型，面临淘汰；回转窑近几年在多家钒厂的尝 试均以失败告终；沸腾炉由于产能的限制也未能获 得大幅应用，焙烧设备的落后大大限制了石煤提钒 行业的发展。 针对上述情况，本研究利用隧道窑作为焙烧设 备对石煤钒矿进行焙烧，取得了满意的效果，其应 用前景十分广阔。 l 试验部分 1 ．1 原料和设备 试验所用石煤矿石取自湖北某地，经破碎、磨 细至试验粒度后取样，样品中主要化学成分如表1 所示，钒的物相分析如表2 所示。试验所用硫酸为 分析纯；B D H D P ．2 0 0 0 型双向加压全自动液压砖机， ①收稿日期2 0 1 2 ．1 2 ．1 0 作者简介邢学永 1 9 7 8 ． ，男，河南漯河人，工程师，主要从事冶金工程与工艺的开发工作。 万方数据 第3 3 卷邢学永等隧道窑用于石煤提钒的试验研究与工业实践 7 上下模最大压力1 2 0 0 0k N ；试验用箱式电阻炉，炉 膛尺寸0 ．8 8 X 0 ．2 6 0 ．2 61 1 1 ，功率1 4 0 0W ；试验用 小型隧道窑，炉内尺寸3 ．3 0 0 ．3 5 X 0 ．2 7m ；大型 工业隧道窑，炉内尺寸1 5 2 4 ．4 1 ．4m ；隧道窑均 分为升温干燥段、低温燃烧段、高温焙烧段和冷却 段四个功能区。 表l主要化学成分分析结果 质量分数 ／％ 铁铝氧化物中V 2 0 5 云母类矿物中V 2 0 s 难溶硅酸盐类矿物中V 2 0 s 碳质物中V 2 0 5 合计 0 ．2 9 6 O ．6 7 3 0 ．0 7 2 0 0 0 8 10 5 2 8 ．2 6 4 ．1 6 ．9 O ．8 l ∞．O 由表l 、表2 可以看出矿样中主要成分为S i 0 2 、 A 1 2 0 3 、F e 、v 2 0 s 、C 等，v 2 0 5I 猜位为1 ．0 5 ％。样 品中钒主要分布在云母类矿物中，其次是分布于铁 铝氧化物中，二者所占比例分别为6 4 ．1 ％和2 8 ．2 ％， 占矿石中钒总含量的9 2 ．3 ％。另据分析结果显示， 矿石发热值为4 5 9 8k J ／k g 。 1 ．2 试验方法 首先对石煤矿样进行破碎、球磨、过筛后混匀， 然后部分在7 5 0 ℃下进行脱碳处理，并将脱碳料和 破碎后的原矿配制成试验所需发热值的矿样，矿样 先用液压机压制成带圆孔的方形砖型后再用马弗炉 进行焙烧，按设定的浸出条件进行浸出，确定最佳 焙烧条件，随后在窑车上按预设的形式码放，将窑 车推入隧道窑进行升温、低温焙烧、高温焙烧和冷 却，焙烧后的砖块取样后破碎，并按设定的浸出条 件进行浸出，试验设定的浸出条件是用质量浓度为 4 ％的硫酸在室温下按液固比2 1 将矿样搅拌浸出 2 ．0h ，最后采用真空抽滤法将浸出矿浆进行液固分 离，浸出渣经洗涤烘干后分析其含钒量，计算渣计 钒浸出率。 1 ．3 试验原理 从石煤矿的分析结果和特点可以看出，矿石中 钒主要分布在铁铝氧化物和云母类矿物中，分布在 氧化铁矿和高岭土类矿物中的钒主要是四价和五价 钒，以吸附状态存在，这部分的钒属于易浸出的钒， 可以用酸来溶解分布在云母类矿物中的钒以类质 同象形式存在，即三价钒替代三价铝或三价铁等进 入硅酸盐类矿物晶格中形成含钒水云母 K A l ，V A 1 S i 0 3 0 l o O H 2 ，这部分钒难以被释放出来， 属于难浸出的钒，可通过氧化 空白 焙烧的方法破坏 矿物品格结构，将低价钒氧化为高价钒，使之与矿 物本身分解出来的氧化物生成可溶于酸的钒酸盐和 偏钒酸盐；此外，未完全氧化的四价钒化合物也可 溶于酸I 刚。 2 结果与讨论 2 ．1 马弗炉焙烧试验 马弗炉焙烧试验是用破碎后的原矿直接进行 的，试验时，先将矿样用液压机压制成尺寸为2 4 0 1 1 5 5 0m m 的8 孔方形砖，每孔孔径3 0m m ， 孔隙率约2 0 ％，然后将砖块放入马弗炉中，在通入 空气的条件下进行空白焙烧。试验主要考察了焙烧 温度、焙烧时间、物料粒度等对钒浸出率的影响。 2 ．1 ．1 焙烧温度试验时将矿样磨细至．1 0 0 目后 用液压机压制成多孔砖，先在7 5 0 ℃下脱碳3 ．0h ， 再分别在不同焙烧温度下焙烧1 6 ．0h ，以考察不同 焙烧温度对钒浸出率的影响，结果见图1 。试验中 先在7 5 0 ℃下进行脱碳，目的是防止在高温焙烧时 物料由于本身发热量过大而烧结，从图1 可以看出， 当焙烧温度在8 8 0 ℃时，钒浸出率已达到9 0 ％，再 升高温度，浸出率反而减少，这是因为高温时物料 烧结使得钒被包裹，使钒难以浸出，而在较低焙烧 温度下，低价钒的氧化不完全，使浸出率偏低，所 以，选择8 8 0 ℃为最佳焙烧温度。 图1 高温焙烧温度对钒浸出率的影响 2 ．1 ．2 焙烧时间试验时保持其它条件不变，在 8 8 0 ℃下焙烧，考察焙烧时间对钒浸出率的影响， 结果如图2 所示。由图2 可知，随着焙烧时间增加， 钒浸出率先增加后减少，焙烧时间为1 4 ．0h 时，钒 万方数据 8矿冶工程第3 3 卷 浸出率达到9 0 ％左右。焙烧时间过短，不能完全破 坏矿物结构，导致部分钒难以浸出；焙烧时间过长， 会导致副反应增多和能耗增加，而且烧样出现烧结 板结现象，所以综合考虑选择焙烧时间为1 4 ．0h 较 为合理。 图2 焙烧时间对钒浸出率的影响 2 ．1 ．3 物料粒度试验时矿样分别磨至不同粒度， 在8 8 0 ℃下焙烧1 4h ，其它条件保持不变，试验结 果见表3 。由表3 可知，随着焙烧矿样粒度减小， 钒浸出率增加。这是因为矿样粒度越细，晶格中的 钒与氧气等外界因素接触的面积越大，捕获氧和能 量的障碍越小，越有利于向高价钒的转化。当物料 中．1 0 0 目占8 0 ％时，浸出率已达到9 0 ％，但矿样粒 度太小，使浸出矿浆粘度增大，给浸出阶段的固液 分离带来困难，所以，矿样粒度选择．1 0 0 目占8 0 ％ 比较合理。 表3 物料粒度对钒浸出率的影响 ．1 0 0 目含量，％ 钒浸出率，％ 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 3 2 ．1 8 6 ．8 9 0 ．1 9 0 ．2 8 9 ．8 2 ．2 小型隧道窑试验 马弗炉内的焙烧试验表明，在通入空气、物料 粒度．1 0 0 目占8 0 ％的情况下，原矿先在7 5 0 ℃下脱 碳3 ．0h ，再在8 8 0 ℃下焙烧1 4 ．0h ，焙烧料中钒浸 出率可达9 0 ％以上。根据马弗炉内焙烧试验结果， 在小型隧道窑内对用原矿压制好的多孔砖进行焙 烧，隧道窑脱碳段0 ．4m ，为2 个推舟，每个推舟 0 ．2m 长；高温焙烧段l 。2m ，为6 个推舟，每舟放 2 块砖。如1 ．0h 推1 个舟焙烧时间为6h ，2h 推1 个舟计焙烧时间1 2h ，依此类推，焙烧后将砖块破 碎取样进行浸出，试验结果见表4 。 表4 结果表明，采用小型隧道窑对用原矿压制 的多孔砖进行焙烧，焙烧效果与脱碳和焙烧条件均 有关联，脱碳时间不够，物料在焙烧段剩余热量较 高，在高温下容易烧结，甚至烧融；脱碳完成后如 果焙烧温度和时间不够，矿物结构不足以完全被破 坏，钒浸出率偏低。当物料在7 0 0 ℃下脱碳4 ．0h ， 再在8 6 0 ℃下焙烧1 2 ．0h ，钒浸出率最高可达 9 1 ．9 ％，由此看出，不管从焙烧条件还是从钒的浸出 率来看，隧道窑的焙烧效果都比马弗炉焙烧效果要 好，原因是隧道窑比马弗炉空气更流畅，形成了有 利于物料焙烧的条件，如氧气和能量的传递、砖块 内部散热等。 表4 小型隧道窑焙烧结果 在隧道窑试验中，发现局部气流不畅时，会造成 烧结现象。如砖块与推板接触面由于不通气会烧结， 砖块之间距离过小造成气流不畅时会烧结，这在工业 生产中必须采取相应措旌加以改进。表4 中推板窑焙 烧温度8 6 0 ℃，比马弗炉焙烧温度8 8 0 ℃低，是由于 隧道窑内温度分布不均匀，用热电偶测定的只是局部 温度，物料实际焙烧温度已超过8 6 0 ℃。 3 工业实践 小型隧道窑焙烧和浸出结果已经表明，用隧道 窑对石煤矿进行直接焙烧是可行的。为了进一步验 证用隧道窑对石煤矿进行焙烧的可行性，采用某冶 炼厂大型隧道窑进行了石煤矿焙烧试验。 该隧道窑原是为焙烧粘土钒矿设计的 粘土钒 矿相对于石煤矿含碳量很低，热值小，焙烧时温度 容易控制 ，后经改造，增大了窑内通风量和散热能 力，炉窑总体分为干燥窑和焙烧窑两部分。物料先 经干燥窑干燥脱水后，再进入焙烧窑进行高温焙烧。 焙烧窑有效长度1 5 2i n ，分为4 0 节，每节长度3 ．8m ， 焙烧段为1 0 “ - 3 0 节，窑车长度2 ．5m ，窑车推进速 万方数据 第3 3 卷邢学永等隧道窑用于石煤提钒的试验研究与工业实践 度为O ．5 ～1 ．5h ／车，在焙烧段的停留时间最长可达 3 1 ．5h ，粘土钒矿生产能力为5 0 0 - - 一6 0 0t ／d 。 试验采用的物料仍为湖北某地的石煤矿样，试 验工艺为原矿破碎_ 压制成型- 干燥_ 脱碳焙烧_ 氧化焙烧工艺。由于试验所用的物料发热量较大， 炉内温度难控制，如果窑内通风条件控制不好，会 使部分热量聚集在砖垛或砖块内部无法散出，从而 导致砖块烧结，所以试验将原矿和脱碳样配制成热 值分别为1 2 5 4k J ／k g 、1 8 8 1k J ／k g 、2 7 1 7k J ／k g 、4 5 9 8 k J ／k g 的4 种矿样进行试验，焙烧时砖块采用两种码 放形式，一种为5 压5 密码 形式，一种为4 压4 稀 码 形式，两种码放形式下砖垛外形尺寸相同，相比 于前者，后一种码放形式砖与砖之间的距离增大了 3 0m m ，两种码放形式如图3 所示，试验中温度控 制曲线如图4 所示，焙烧时控制尾气中氧气含量大 于1 2 ％。焙烧结束后，从砖垛取样破碎，混匀后按 前述的浸出条件进行浸出，结果如表5 所示。 由表5 结果可以看出，在高热值物料和密码状 态下，砖垛内部烧结严重，达3 8 ．3 ％，浸出率也只 有6 0 ．1 ％。而热值为1 2 5 4k J ／k g 的低热值物料无论 是密码还是稀码状态下，砖块基本无烧结，烧料钒 最高浸出率可达8 8 ．6 ％。这说明只要温度、物料自 身形态、摆放状态、通风散热状况等条件控制充分， 9 ∞ 舯O 7 帅 枷 基湖 赠4 0 0 3 ∞ 2 ∞ l ∞ 0 图3 砖跺的不同码放形式 Jk ， 、 JL l} ll ．一 、 ， l ， ‘f／ ， 1 I l 。j r 1 1 02 03 0 隧道窑节效 图4 焙烧温度曲线 表5 大型隧道窑焙烧结果表 。。物料热值码放窑车速度炉窑产能物料烧结率钒浸出率 “。， 1 J k 9 1 形式， h 车。／ t ．d ‘1 ／％，％ 用大型隧道窑焙烧石煤矿是完全可行的。同时也看 到，用大型隧道窑进行焙烧时，无论是脱碳温度还 是氧化焙烧温度都比小型隧道窑要低，这是因为大 型隧道物料装载量多，发热量大，砖垛通风散热状 况比单块砖要差得多，物料燃烧时，热量在砖垛中 间聚集较多，虽然炉窑温度较低，但砖垛外部和内 部温度都比炉气温度高得多。并且上面所列温度只 是仪表测得的温度，并不是砖垛的实际温度。 4结论 1 小型试验和工业实践表明，由于隧道窑具有 焙烧温度、时间、气氛容易控制等优点，将其用于 石煤提钒工业是完全可行的，试验物料采用氧化焙 烧工艺在工业大型隧道窑内进行焙烧，钒最高浸出 率可达8 8 ．6 ％。 2 1 物料在隧道窑内进行焙烧时，其发热量与炉 窑自身的排热量应当相适应，最好在3 0 0 , - 一4 0 0 k c a l ／k g 之间，物料热值太小，则焙烧时需要从外界 补充大量热能，能耗高；物料热值过大，不仅会大 大降低炉窑的产能，还会使物料烧结，钒浸出率降 低。对发热量较大的物料，最好先用其它设备或方 法对其进行先期脱碳处理。 3 物料摆放成垛在隧道窑内进行焙烧时，要有 足够的缝隙进行通风散热，否则将导致热量在物料 内部聚集，进而使焙烧温度上升到焙烧温度之上， 导致物料烧结。 4 隧道窑用于石煤提钒工业，不仅适用于无盐 焙烧工艺，其它采用焙烧方法进行提钒的工艺，如 钙化焙烧、其它添加剂焙烧等同样适用。 参考文献 【l 】陈庆根．石煤钒矿提钒工艺技术的研究进展【J 】．矿产综合利用， 2 0 0 9 2 3 0 ．3 4 ． 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 【3 】 朱 军，郭继科石煤提钒工艺及回收率的研究【J 】1 现代矿业， 2 0 1l 3 2 4 2 7 宁华，周晓源，尚德龙，等石煤提钒焙烧工艺分析m ．有色 金属，2 0 1 0 ，6 2 1 8 0 ．8 3 高峰，石美莲，周再兴，等，湘西含钒石煤提钒工艺研究f J 】．矿 冶工程，2 0 1 】，3 l 3 9 3 9 6 张剑，欧阳国强，刘琛，等．石煤提钒的现状与研究【J 】．河 南化工，2 0 1 0 ，2 7 3 2 7 ．3 0 ． 肖文丁．广西上林石煤的矿物学和湿法提钒研究m ．有色金属， 2 0 0 7 ，5 9 3 8 7 9 4 兰涛，张晓瑜．石煤提钒工艺及焙烧设备的清洁型评价f J 】．安全与 环境工程，2 0 11 ，18 3 4 6 - 5 0 邢学永，宁顺明，李斯加．离子交换法从石煤直接酸浸液中提取钒 的工艺研莉J 】．湿法冶金，2 0 0 9 ，2 8 4 2 1 4 ．2 1 7 胡杨甲，张一敏，刘涛，等回转窑动态氧化焙烧石煤提钒研 究【J 】．矿冶工程，2 0 1 l ，3 1 1 7 0 - 7 2 ． 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