双碳背景下提钒弃渣制备集热涂层及其性能

侯静，徐众，吴恩辉，李军，蒋燕，黄平

（攀枝花学院 钒钛资源综合利用四川省重点实验室，四川 攀枝花 617000）

矿产资源综合利用是全面加强生态文明建设的重要环节，随着我国生态文明建设的深入推进和环境保护要求的不断提高，冶金矿产固废综合利用已是我国构建绿色低碳循环经济体系的重要组成部分，既是全面提高矿产资源综合利用效率的本质要求，也是助力实现国家双碳目标，建设美丽中国的重要支撑[1]。

提钒弃渣是钒渣经钠化焙烧和水浸提钒后的冶金固体废弃物，近年来由于我国对钒的需求量越来越大，提钒弃渣也越来越多，仅鞍钢、承钢等企业每年排放的提钒弃渣就接近50 万t，大量提钒弃渣被堆弃，不仅占用场地，并且其中可溶性Cr6+、V5+会严重污染周围的环境[2-4]。提钒弃渣中含有大量铁、铬、锰、硅、钛的金属氧化物，可用于制备远红外涂料和防脱碳涂料[5]，而且由于大量黑色氧化物的存在使其对太阳光吸收率超过90%，具有很好的光吸收性能，是良好的集热和蓄热功能材料[6-8]，笔者采用提钒弃渣作为原料制备太阳集热涂层，综合性能优异，工艺技术可行，而且具有价格优越性和冶金固废再利用意义，可以推广应用到平板热水器和其它集热设备上，在双碳目标背景下为提钒弃渣的综合利用提供了一条新的利用途径。

1 实验原料性能及研究方法

1.1 提钒弃渣的化学成分及粒度组成

本实验提钒弃渣由四川省攀枝花市某企业提供，其化学成分见表1。粒度组成见表2，由表2 可以看出，粒度-0.074 mm93.54 %，-0.023 mm 64.41 %，有助于涂层的制备。

表1 提钒弃渣主要化学成分/%Table 1 Main Chemical Components of vanadium extraction tailings

表2 提钒弃渣的粒度组成/%Table 2 Particle size composition of vanadium extraction tailings

1.2 提钒弃渣的物相组成与形貌

提钒弃渣X 射线衍射分析见图1，由图1 可知，提钒弃渣的主要物相组成为Fe2O3、Fe9TiO15、FeCr2O4以及硅酸盐相。图2 为提钒弃渣的SEM 图，由图2 可以看出，提钒弃渣颗粒形貌呈条状和黏合状，其中黏合状颗粒较大，直径约为23～74 µm，条状颗粒尺寸较小，横向尺寸小于10 µm。

图1 提钒弃渣的X 射线衍射分析Fig.1 XRD patterns of vanadium extraction tailings

图2 提钒弃渣的SEMFig.2 SEM image of vanadium extraction tailings

1.3 提钒弃渣太阳集热涂层的制备

（1）集热板预处理。先对集热板表面蓝钛膜用砂纸进行打磨，磨除原装蓝钛膜涂层，再用氢氟酸清洗集热板表面，然后用稀盐酸对集热板表面进行刻蚀，最后再用细砂纸进一步对集热板表面进行打磨，得到无集热涂层的集热空板。

（2）提钒弃渣预处理。由于提钒弃渣中铁含量较高，密度较大，在制备提钒弃渣浆料时容易分层，分散性不好，所以先对提钒弃渣碳热还原除铁处理，得到除铁后的提钒弃渣。除铁处理后的提钒弃渣成分见表3 所示，然后将其球磨得到粒度细小的细粉颗粒（-0.074 mm 的颗粒大于90%）备用。

表3 除铁后的提钒弃渣主要化学成分/%Table 3 Main chemical composition of vanadium extraction tailings after removing iron

（3）提钒弃渣浆料的制备。称取一定量的提钒弃渣细粉颗粒加入8%浓度的PVA 溶剂中，加热的同时不断搅拌使提钒弃渣颗粒均匀分散在PVA 溶剂中，分别制备浓度为0.3 g/mL 和0.35 g/mL 的提钒弃渣浆料，待用。

（4）提钒弃渣太阳集热涂层的制备。将制备的提钒弃渣浆料在热态的时候均匀喷涂在集热空板上，自然晾干，得到提钒弃渣太阳集热涂层集热板。

1.4 提钒弃渣太阳集热涂层的集热效率测试

以水为介质，来计算集热板的集热效率，集热效率计算公式为：η=Qn/（AG）[9]。其中：η-集热效率，单位为 %；Qn-集热板吸收的太阳辐射能，单位为 w；A-集热器的面积，单位为 m2；G-辐照度，单位为 W/m2。

集热板吸收的太阳辐射能计算公式为：Qn=(W1+W2)。其中：Qn-集热器吸收的太阳辐射能，单位为 W；W1-水升温的热量，单位为 kJ；W2-水的气化热量，单位为 kJ。

水升温的热量计算公式为：W1=c×m×(T1-T0)[10]。其中：W1-水升温的热量，单位为kJ；c-水的比热容，单位为 KJ/(kg·℃)；m-水的质量，单位为 kg；T1-升温温度，单位为 ℃；T0-初始温度，单位为 ℃。

除升温以外，在集热板加热过程中，气化的水的热量计算公式为：W2=χ×m所示。其中：W2-水的气化热量，单位为 kJ；χ-水的汽化潜热，单位为 kJ/kg；m-水的质量，单位为 kg。

2 结果与讨论

2.1 提钒弃渣光吸收率的理论计算

提钒弃渣中含有大量的金属氧化物，其主要金属氧化物的光吸收率见表4，结合表3 计算其光吸收率为83.25%，计算公式为：

表4 提钒弃渣中氧化物的吸收率Table 4 Absorption rate of oxide in vanadium extraction tailings

2.2 提钒弃渣涂层集热板的集热性能

提钒弃渣涂层集热板的集热性能实验（实验地点攀枝花市东区，时间在2022 年1 月7 日11：00-13：20，集热板为平铺，倾角0°），对比环境温度，同时考察蓝钛膜涂层集热板、0.3 g/mL 提钒弃渣涂层集热板和0.35 g/mL 提钒弃渣涂层集热板内腔的空气温度升温情况，实验结果见图3，图4为当日11：00～12:20 时间段的太阳辐照强度记录。由图3 可知，当日11：00～12:20 时间段，室外阳光下空气温度维持在21.5～23.2 ℃，三块集热板内空气温度随着集热时间的延长，温度逐渐上升，其中蓝钛膜涂层集热板内空气的升温速率最快，在经过20 min 集热后，蓝钛膜涂层集热板空气温度达到51℃，0.3 g/ mL提钒弃渣涂层集热板内空气温度46.1℃，0.35 g/mL 提钒弃渣涂层集热板内空气温度47.8℃，相较于环境温度22.2℃，三块集热板内空气温度都有明显提高，且前20 min 的温度上升最为迅速，20 min 后温度上升趋于平缓。空气温度与辐照强度的变化有关，实验过程中有云层遮挡（11:33～11:55），辐照强度变低后，集热板内空气温度有略微的波动。实验结果可以看出提钒弃渣涂层集热板内空气温度上升略低于蓝钛膜涂层集热板，但相差较小，表明提钒弃渣涂层的集热性能与蓝钛膜涂层接近，80 min 后蓝钛膜涂层集热板内空气温度为59.5℃，0.3 g/mL 提钒弃渣涂层集热板内空气温度53.7℃，0.35 g/ mL 提钒弃渣涂层集热板内空气温度55.4℃，温度差小于10%，表明提钒弃渣集热板具有良好的集热性能。

图3 空气温度变化情况Fig.3 Air temperature variation

图4 辐照强度变化情况Fig.4 Variation of irradiation intensity

2.3 提钒弃渣涂层集热板的集热效率分析

为进一步验证提钒弃渣涂层集热板的集热性能和集热效率，以水为集热介质，考察三块集热板的集热效率（实验地点攀枝花，时间在2022 年1 月7 日14:00～16:00 进行提钒弃渣涂层集热板的集热性能测试，集热板的面积均A 为2 m2；集热板内水添加量为1kg；集热板平铺，倾角0°；该时段的平均辐照度G 为1289.9 W/m2）。经过2 h 的实验，根据上述公式分别计算不同集热板中水汽化情况见表5，集热效率见图5。0.3 g/mL 和0.35 g/mL 提钒弃渣涂层集热板的集热效率分别可达到61.66%和70.11%，0.35 g/ mL 提钒弃渣涂层集热板的集热效率能够达到蓝钛膜集热板的83.01%。

图5 不同集热涂层集热板的集热效率Fig.5 Heat collection efficiency of collector plates with different heat collection coatings

表5 实验数据结果计算Table 5 Calculation of experimental data results

2.4 倾角对提钒弃渣涂层集热板集热效率的影响

集热板的安装倾角是直接影响太阳辐照在集热板上的热量总量的重要因素[11-12]，攀枝花市地处北纬26°05′～27°21′，理论安装倾角是地里纬度值±10°，所以为进一步探究集热板的集热性能，分别对0°、10°、20°、30°和40°倾角进行了集热板的集热性能分析，实验时间2 h，加水量均为1 kg，由于不同时间段的太阳辐照强度不同，所以进行辐照强度的均值计算。实验结果见表6，不同安装倾角下的集热板集热效率见图6。由图6 可知，在相同辐照强度下，随着安装倾角的变化，集热板的集热效率呈先上升后降低的趋势，在倾角为30°时，集热板的集热效率达到最大值，其中0.3 g/mL 和0.35 g/mL 提钒弃渣涂层集热板的集热效率分别达到73.68%和84.69%，同条件下比蓝钛膜涂层集热板集热效率低6.81%，接近蓝钛膜涂层集热板集热效率。

图6 不同倾角下集热板的集热效率Fig.6 Collecting efficiency of heat collecting plate at different inclination angles

表6 不同倾角下提钒弃渣涂层集热板的集热性能Table 6 Heat collection performance of vanadium extraction slag discarding coating heat collector plate at different dip angles

3 结论

（1）提钒弃渣中主要物相为铁、铬、锰、硅、钛、钠、镁的金属氧化物，具有很好地光吸收性能，理论光吸收率为83.25%。

（2）以提钒弃渣为原料，经除铁、球磨、打浆和喷涂工艺制备了提钒弃渣涂层集热板，具有工艺技术可行、成本低、集热效果好等优势，是冶金固废提钒弃渣利用新途径。

（3）以空气为介质，对比分析了三块不同涂层集热板的集热效率，研究表明提钒弃渣涂层集热板经过15 min 左右的集热，集热板内腔空气可达到50℃左右，继续加热可维持在55℃。

（4）以水为加热介质，对比分析了不同安装倾角下集热板的集热效率，研究表明在倾角为30°时，提钒弃渣涂层集热板的集热效率最好，达到84.69%，同条件下仅比蓝钛膜涂层集热板集热效率低6.81%，表现出良好的集热性能。