湖北某高碳石煤氧化焙燒需氧量探索研究

王偉 劉賽業 尹玉才

摘 要：目前從石煤中提取釩的工藝均是使用一定的氧化手段使石煤中的低價釩氧化為高價可溶釩后通過浸出手段進行提取，氧化過程是石煤提釩工藝的關鍵。文章對湖北某高發熱值石煤通過與風化石煤礦混合后對其氧化環境進行了探索性試驗，為其相關工業化工藝設計提供了參考依據。

關鍵詞：石煤；高碳石煤；氧化環境

中圖分類號：TF841.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）24-0175-02

1 背景概述

含釩石煤是我國除釩鈦磁鐵礦外另一大提釩原料，其主要形成于早寒武紀地層。

含釩石煤在形成過程中所處的還原性環境導致絕大部分石煤賦存價態為大量的V（Ⅲ）和V （Ⅳ） ，而 V （V ）較少甚至沒有?？扇苄遭C化合物的含量是影響提釩指標的主要因素，也即釩的賦存狀態。

在現有石煤提釩的工藝中，采用濕法提釩工藝也是使用強氧化劑如硫酸將低價釩氧化為V （V ），采用焙燒的目的是在高溫下將低價釩轉化為V （V）。焙燒過程中氧化氣氛的保持是提升轉化率的必要條件。

現有石煤焙燒工藝較多采用改進后的平窯或立窯生產，工藝流程較為簡單，投資少但污染較為嚴重，焙燒條件難以控制，易產生燒結導致轉化率低僅50%～60%。

目前業界普遍認為使用旋窯焙燒可大幅度提高釩的轉化率，進而解決連續化作業及煙氣收集處理問題。

湖北某高碳石煤釩礦擬采用旋窯工藝，本文前期對其窯內保持氧化氣氛所需的含氧量進行了探索研究。

2 礦 石

試驗使用的高碳石煤及相應風化礦取自湖北某地同一礦區，礦區地層主要為寒武系，釩主要賦存于含釩水云母，高碳石煤礦具塊狀、致密、堅硬。高碳石煤發熱值平均5 983 kj/kg。礦石化學成分表，見表1。

礦樣內的釩價態分析結果表明，釩礦中的釩主要是以低價態釩（三價釩占86.5%，四價釩11.3%）形態存在。表明要從該釩礦中提取五氧化二釩，必須采用焙燒或其他的方法氧化，將轉化為高價釩，才能有效的從該釩礦中提取釩。

2 試 驗

2.1 主要儀器與設備

101-1型烘干爐、50×100鄂式破碎機、Φ200×150對輥破碎機、F10-2型試驗用制樣機、Φ400×120圓盤制粒機、硅碳棒箱式電阻爐、CY-7b測氧儀、LZJ-10流量計、CZR-52型離心式交流鼓風機。

2.2 試驗方法

通過對開采后礦場礦樣進行隨機抽取后混取得礦樣，經烘干、破碎、細磨、篩分，礦粉磨粉粒級100～140目，具體粒級分布見表1。

原礦55%、氧化礦45%；制球直徑10～15 mm。礦球制球后放入干燥箱，在200 ℃左右烘干；電阻爐升溫至預定溫度（設定溫度850 ℃、實際溫度950 ℃），在升溫過程中保持空氣通入；電阻爐到溫后保溫30 min，保證爐內溫度均勻后放入干燥后礦球250 g。在保持穩定通入空氣的情況下焙燒3 h候取出礦球使其在空氣中自然冷卻。在焙燒過程中持續監測尾氣氧氣含量；并測量其焙燒后的燒蝕率及轉化率。

3 試驗結果

3.1 尾氣氧含量

試驗設備組裝安裝后通過調整得出其最大空氣通入量可穩定在750 L/h，根據此能力取其中間值300 L/h，進行了第一組試驗。通過第一組試驗發現尾氣氧氣含量較高，隨后進行了空氣通入量為100 L/h及50 L/h的氧化環境試驗。試驗結果如圖1所示。

3.2 轉化率試驗結果

試驗結束后分別對不同氧氣流量下的礦球進行了轉化率測試，并使用馬弗爐在打開爐門的情況下使用同批次礦樣相同焙燒參數下進行了對比性試驗，試驗結果見表3。

4 試驗分析

4.1 礦球入窯爐初期脫碳過程中耗氧量巨大

從尾氣氧氣含量曲線看，礦球入窯爐初期脫碳過程中耗氧量巨大，氧氣需求最大的焙燒時間段為0～60 min；焙燒1 h后氧氣需求逐漸變小，焙燒2 h后耗氧量僅占總空氣中氧氣含量的5%左右。這主要是由于在如要初期碳的燃燒及氧化消耗了大量的氧氣，導致尾氣中含氧量逐步下降，在前期的試驗中顯示直徑10～15 mm礦球中的碳完全燃燒需要1～1.5 h的時間，這與本次試驗含氧量數據的變化基本一致。60 min之后氧氣的消耗源變為礦樣中的氧化反應，故氧氣消耗降至較低水平，此時氧氣的主要作用是維持一個較為穩定的氧化環境。

4.2 高流量狀態下轉化率更高

在空氣流量大于等于100 L/h的情況下轉化率高于馬弗爐敞開爐門空氣自然流通的焙燒方式；且轉化率隨流量的增大而提高，但提升幅度不大，這說明較好的氧化氣氛可以在一定程度上提升焙燒轉化率，從實驗結果來看，300 L/h的流量條件下尾氣中氧氣濃度達到穩定狀態要比100 L/h達到穩定狀態提前1 h左右，這表明在高流量狀態下礦球中碳可以更早的完成還原反應，在相同的焙燒時間條件下釩有更加充足的時間來完成氧化反應，這也是高流量狀態下轉化率更高的一個原因。

4.3 空氣流量為50 L/h的情況下轉化率較低

而空氣流量為50 L/h的情況下轉化率低于敞開爐門空氣自然流通的焙燒方式；且下降幅度較大，在3 h焙燒結束的情況下其尾氣含氧量僅為20.1%，低于空氣自然含氧量21%及其余兩組試驗穩定狀態下20.8%的水平，這表示碳的還原反應仍未完全進行完畢，且釩的氧化反應尚處于較為激烈的階段。其需要更長的焙燒時間來達到高流量下同樣的轉化率。

4.4 數據受氣流影響較大

由于在試驗過程中整體系統風壓較低導致數據受氣流影響較大，從曲線看，即在前期大量消耗氧氣階段存在較大波動，但對整體數據趨勢影響較小。

5 結 語

焙燒過程中的氧化氣氛即礦球所處空間中的含氧量對于轉化率存在較大影響，焙燒過程中良好、充分的空氣流通可以提升焙燒轉化率。本礦區相近發熱值的混合礦如利用旋窯等使用燃料保證窯內溫度的窯爐來生產，除保證燃料燃燒所需氧氣外，還需保證至少每千克礦球400 L/h的風量來給以焙燒物料足夠的氧化環境以提升轉化率。

參考文獻：

[1] 潘勇，于順吉.石煤提釩的工藝評價[J].礦業快報，2007，（4）.