高碳石煤钒矿动态焙烧对钒、铝、钾浸出性能的影响研究

张登高，蒋训雄，范艳青，汪胜东，冯林永，蒋 伟，刘 巍

（北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160）

石煤通常按照其发热量的高低分为三类，即Q=3 200～4 800 kJ/kg为低热值石煤，Q=4 800～12 000 kJ/kg为中热值石煤；Q≥12 000 kJ/kg为高热值石煤[1]。

入炉石煤的发热量能保持在4 000 kJ/kg左右，即碳含量12%左右，碳的赋存状态主要为炭质，其他含量甚微，炭质易于燃烧，此时汽轮机组负荷率就可达到98%。湖南某石煤发电公司高碳石煤含碳为14.7%，属于中热值石煤，易于燃烧且热效率较高。目前，从石煤发电炉渣和飞灰中提取钒及铝、钾已有较多的研究[2-7]。本文以高碳石煤为原料模拟石煤发电，即通过动态焙烧考察不同碳利用率时钒、铝、钾的浸出性能。

1 试验原料

石煤原矿为炭质岩系钒矿石，碳含量14.7%，绝大部分炭质为结晶较差的无定型碳，少量以结晶较好的石墨形式存在。其他元素钒含量0.52%，铝含量1.32%，钾含量0.32%，主要成分含量如表1所示。

表1 高碳石煤矿化学分析主要元素含量

2 试验结果及讨论

高碳石煤流态化焙烧矿样需要破碎对辊至粒度小于8 mm，具体粒度分布为2 mm以下占40.44%，2～5 mm占40.85%，5～8 mm占18.71%。

实验室小试为保证原料的均匀性，处理后的试验原料粒度-80目占58.29%，-200目占44.1%，-400目占35.37%。

2.1 焙烧温度的影响

焙烧条件：试验原料分别在焙烧时间30 min、60 min时，考察不同焙烧温度下碳的利用率，试验结果如图1所示。

浸出条件：焙砂粒度-200目占100%，液固比L:S=4:1，浸出时间6 h，浸出温度95℃，硫酸溶液2 mol/L，考察焙砂中钒、铝、钾金属的浸出行为。试验结果如图2所示。

图1 焙烧温度对高碳石煤钒矿的影响

由图1可知，高碳石煤矿烧失率及碳的利用率均随着焙烧温度的升高而增加。时间60 min和时间30 min的烧失率曲线和碳利用率曲线随着温度升高逐渐接近，说明焙烧温度低时，时间对焙烧效果有明显的影响，焙烧温度高时，时间的影响效果减弱不明显。

其中，在时间60 min、温度750℃时，碳的利用率为89.93%，温度950℃时，碳的利用率可达98.81%。时间30 min、温度850℃时，碳的利用率为88.12%，温度950℃时，碳的利用率可达97.77%。

图2 焙烧温度对焙砂中金属浸出率的影响

由图2可知，在相同焙烧时间下，焙砂中钒、铝、钾的浸出率随着焙烧温度的升高有降低的趋势，同时，在相同焙烧温度下，延长焙烧时间，焙砂中钒、铝、钾的浸出率亦呈随之降低的趋势。综合考虑碳的利用率和焙砂样中钒、铝、钾浸出率，建议焙烧温度为850℃左右。

2.2 焙烧时间的影响

焙烧条件：考察不同焙烧时间下碳的利用率。试验结果如图3、图4所示。

浸出条件：焙砂粒度-200目占100%，在液固比L:S=4:1，浸出时间6 h，浸出温度95℃，硫酸溶液2 mol/L，考察焙砂样中钒、铝、钾金属的浸出行为。试验结果如图5所示。

图3 焙烧时间对高碳石煤钒矿的影响

图4 温度800 ℃焙烧时间对高碳石煤钒矿的影响

由图3、图4可知，高碳石煤的烧失率及碳利用率均随着焙烧时间的延长而增加；固定焙烧温度为800℃，当焙烧时间延长至120 min时，碳的利用率达到99.61%，说明有足够的焙烧时间，石煤中的碳元素可燃烧殆尽。

图5 焙烧时间对焙砂中金属浸出率的影响

由图5可知，在高碳石煤矿800～900℃焙烧温度范围内，焙砂样的钒、铝、钾浸出率随着时间延长呈逐渐降低的趋势，而碳的利用率趋势则与之相反。综合考虑，建议高碳石煤原矿焙烧时间为30 min。

2.3 焙砂样的XRD分析

对高碳石煤600℃、700℃、800℃、900℃的焙砂样进行了XRD分析，详情分别如图6、图7、图8和图9所示。

高碳石煤焙砂样的XRD图表明，在600℃、700℃、800℃及900℃焙砂样XRD均显示为SiO2（Quartz），在焙烧温度900℃时石英的衍射峰强度明显减小，说明高碳石煤在900℃下焙烧时，石英晶型发生变化或石英已经发生相关反应。

图6 600℃石煤钒矿焙砂的XRD图谱

图7 700℃石煤钒矿焙砂XRD图谱

图8 800℃石煤钒矿焙砂XRD图谱

图9 900℃石煤钒矿焙砂XRD图谱

3 结论

焙烧温度、焙烧时间对从焙砂中浸出钒、铝、钾的影响较大。高碳石煤以发电为主，结合焙烧时碳的利用率，建议焙烧温度为850℃，焙烧时间为30 min，此时碳的利用率88%，钒、铝、钾的浸出率分别大于85%、70%、60%。焙砂样的XRD分析表明，在焙烧温度900℃时，石英晶型发生变化或石英已发生相关反应。焙烧温度过高、焙烧时间过长，均不利于钒、铝、钾的浸出。