某低品位石煤钒矿资源综合利用工艺.pdf

第6 2 卷第3 期 20l0 年8 月 有色金属 N o n f e I T O U M e t a l s V 0 1 ．6 2 ，N o ．3 A u g ．20 10 某低品位石煤钒矿资源综合利用工艺 宁华，黄光，袁爱武，王兴，周晓源 长沙有色冶金设计研究院，长沙4 1 0 0 1 1 摘要介绍一种低品位石煤钒矿资源综合利用的工艺流程。表明低品位石煤钒矿的开发应该同时利用碳、钒、硫、硅多种 元素，生产规模必须大型化，工艺路线应该稳妥化，设备选型要求优选化。 关键词冶金技术；石煤焙烧；湿法提钒；循环流化床锅炉 中图分类号T F 8 4 1 ．3 ；T F S 0 2 ．6 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 3 0 0 9 1 0 5 石煤是一种低炭质、低含钒炭质页岩，在我国储 量十分丰富，广泛分布于我国湖南、陕西、广西、浙 江、江西、湖北等省。据煤炭部有关资料统计，我国 目前石煤资源储量在6 1 8 亿t 左右。我国石煤资源 的热值一般在3 3 0 0 9 6 0 0 k J ／k g 石煤之间，一般在 4 1 8 0 k J ／k g 石煤左右，其含V O ，品位多在0 ．3 ％～ 1 ．0 ％之间，其中约7 0 ％的石煤V ，O ，品位在0 ．8 ％ 以下。通常认为石煤V O ；品位在0 ．7 ％以下作为 提钒原料在经济上是不可行的，这势必造成有近 7 0 ％的石煤钒矿资源得不到开发利用。探讨低于 0 ．7 ％品位石煤钒矿的开发利用工艺技术，对我国低 品位石煤钒矿大规模经济开发利用具有重要意义。 1工艺流程分析 国内多家大学和科研设计院所，为配合某企业 切实有效的开发利用低品位石煤钒矿，就石煤综合 利用工艺技术路线、石煤焙烧技术方案与设备选型、 焙烧烟灰钒的富集机理与富集效应、烟灰提钒工艺 技术方案、烟尘脱硫脱硝制酸技术方案、灰渣综合利 用方案进行了大量深入研究，摸索出一套石煤综合 利用工艺技术方案即石煤钒矿大规模开采，流态化 焙烧，焙烧所产飞灰用于提钒，所产热能用于发电， 所产烟气脱硫制酸回用于提钒，所产灰渣综合利用。 工艺流程如图1 所示。 1 ．1 生产规模 收稿日期2 0 1 0 0 2 2 2 作者简介宁华 1 9 5 5 一 ，女，山东沾化县人，高级工程师，主要 从事有色冶金设计等方面的工作。 联系人周晓源 1 9 5 2 一 ，男，长沙市人，教授级高级工程师，硕士 生导师，主要从事有色金属冶炼工程设计与研究等方面 的工作。 我国某企业拟以低品位石煤钒矿 V O ， 0 ．4 5 ％，C1 4 ．8 ％ 为原料新建一项钒矿资源综合利 用工程，其矿源来自企业自有矿山，根据该石煤钒矿 矿体赋存的特点，确定的采矿方法是露天开采，其出 矿能力为1 l k t ／d ，开采规模是目前国际上石煤钒矿 中最大的。采矿方法是根据石煤钒矿的赋存条件所 决定的，而其生产规模则要受到石煤资源条件的制 约，这个条件就是石煤中的含钒量和含碳量都不甚 理想，若不发挥企业产能的规模效益，就很难获得理 想的经济效益。由此可见生产规模大型化是低钒品 位低发热值石煤开发利用的先决条件。 1 ．2 流态化焙烧 对于难浸出的石煤钒矿，焙烧是目前将其实现 工业化最有效途径，由石煤提钒焙烧工艺分析可知 石煤焙烧工艺主要控制是时间、温度、气氛三个方 面⋯，用什么设备来保证焙烧过程的时间、温度和 气氛是能否开发利用低品位含钒、低发热值石煤的 关键。目前新建钒厂选用的石煤焙烧设备主要是回 转窑和隧道窑，由于这两种焙烧窑的处理能力有限， 很难满足低品位钒矿大规模焙烧的要求，开发新的 焙烧设备成为低钒品位低发热值石煤开发利用无法 回避的课题。对此相关企业进行了多次试验研究 1 西安热工研究院的1 M W t h C F B 半工业试验台试 验； 2 分宜电厂2 1 0 M W C F B 锅炉机组试验； 3 娄 底科源4 0 t ／h 循环流化床锅炉试验。结果表明，在 8 6 0 9 1 0 ‘E 内石煤钒矿 含掺烧煤 能稳定燃烧，五 氧化二钒能有效富集，采用外置换热器可调节焙烧 温度和物料焙烧时间，从而能保证石煤焙烧过程的 时间、温度和气氛，因此确定了循环流化床 C F B 锅 炉作为焙烧炉。由此可见，关键设备的优选是低钒 品位低发热值石煤开发利用的核心。 万方数据 9 2 有色金属第6 2 卷 根据石煤钒矿的特性，焙烧配料比为石煤掺烧 煤脱硫剂 7 5 2 0 5 。配入掺烧煤是为了保证锅炉 稳定运行，配入脱硫剂是保证排放的烟气经处理后 能达标。 配料后的焙烧人炉料进入循环流化床锅炉 C F B 焙烧，焙烧温度控制在8 5 0 9 0 0 c c 。从燃烧 室出来的高温物料经高效旋风分离器分离后由返料 器送入流化床密相区。高温烟气出分离器后，经过 热交换器和蒸汽发生器冷却，经电除尘和布袋除尘 器除尘后送烟气处理系统。 除灰系统采用正压浓相气力输送系统，将电除 尘器和袋除尘器各灰斗的干灰集中送至原灰库。再 通过烟灰分选系统选分出细灰和粗灰，细灰送入细 灰库用于提钒，粗灰作为湿法提钒的中和剂或用于 制造加气混凝土砌块。 炉渣内含钒较量低，不考虑用渣作原料炼钒，主 要运往渣场碾压堆放。 焙烧过程中产生的大量的热能，转化产出 1 7 ．5 M P a 压力的蒸汽，送人汽轮机组进行发电，回收 利用余热。 出炉料底渣、细灰、粗灰的比例为底渣细灰粗 灰 6 0 2 2 1 8 。焙烧人出炉物料主要化学分析成分 见表1 ，出炉烟气成分见表2 。 表1焙烧入出炉物料主要成分／％ T a b l e1 C o m p o s i t i o no fp r e a n dp o s t - r o a s t i n gm a t e r i a l s 1 ．3 热能发电 所用的石煤含碳1 4 ．8 ％，发热值为5 0 0 0 k J ／k g ， 掺烧煤含碳6 1 ．6 2 ％，发热值为2 3 5 0 0 k J ／k g 。每天 经循环流态化锅炉焙烧的石煤多达上万t ，掺烧煤 3 0 0 0 多t ，焙烧过程产生出大量高温烟气，烟气的热 能用以发电。 发电机组年工作5 5 0 0 h ，发电量为3 0 0 M W h ，若 上网电价按0 ．4 4 元计，产值为7 2 6 0 0 万元，在这个 项目中起作举足轻重的作用。掺烧煤配比2 0 ％，价 格4 0 0 元／t ，石煤配比7 5 ％，价格2 0 元／t ，可以推算 出入炉料中石煤的热值的比例是4 4 ．3 8 ％而其价格 则只占1 5 ．7 9 ％，掺烧煤的热值的比例是5 5 ．6 2 ％而 其价格则占到了8 4 ．2 1 ％。由此可见，在低钒品位 低发热值石煤开发利用过程中，石煤中碳含量较低， 发热值也较低，但其利用价值不容忽视。 1 ．4 湿法提钒 目前普遍认为湿法提钒的原料含钒品位应在 0 ．7 ％左右才会有经济价值，对于低品位的提钒原料 来说就要求其进行富集。在石煤焙烧过程中，由于 石煤和掺烧煤所含挥发物的挥发，五氧化二钒得到 自然富集，其富集系数 相对入炉料而言 为1 ．4 。 由于石煤中五氧化二钒较其他组分更容易破碎、磨 细，因此更容易进入烟尘，所以烟气的收尘过程也是 五氧化二钒的富集过程，其富集系数 相对人炉料 而言 为1 ．6 。因入炉料的五氧化二钒品位低，经两 次富集后的烟灰品位仍达不到合理的提钒品位，必 须进行第三次富集，即风选富集，经风选后，烟尘分 为细灰和粗灰，细灰的富集系数 相对入炉料而言 可到1 ．9 ，基本能满足现阶段湿法提钒的要求。 从工艺流程图可知，湿法提钒所采用的工艺为 常规提钒工艺，与其他项目的不同之处在于对焙烧 烟尘进行了多次富集。由此可见，对湿法提钒原料 进行富集是低钒品位低发热值石煤开发利用的必要 步骤。 1 ．5 焙烧烟气处理 石煤钒矿含硫1 ．8 ％，掺烧煤含硫1 ．o ％，尽管 焙烧炉料中配入了石灰石作为脱硫剂，其产出的烟 气含硫和含氮氧化物不经处理还是超标，因此必须 万方数据 第3 期 宁 华等某低品位石煤钒矿资源综合利用工艺 9 3 石灰石 噩墅竖垫垦皇 吸I 缸处理 图l低品位石煤钒矿综合利用工艺流程 F i g ．1 F l o w s h e e to fc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fl o wg r a d es t o n ec o a lc o n t a i n i n gv a n a d i u m 万方数据 9 4 有色金属 第6 2 卷 进行烟气处理。烟气处理包括脱硝、收尘、脱硫和制 酸四个工序。 烟气在锅炉尾部省煤器出口引出至垂直布置的 S C R 反应器里脱硝，每台锅炉配有两个反应器，在反 应器里烟气向下流过均流器、催化剂层。随后烟气 进入回转式空气预热器、静电除尘器、布袋收尘器、 引风机和脱硫、制酸系统，最后通过烟囱排人大气。 在此值得～提是本项目采用了先进的活性焦吸 附脱硫工艺，与传统湿法脱硫工艺相比，活性焦吸附 脱硫工艺具有如下明显特点。 1 脱硫效率高。脱 硫效率大于9 5 ％，最高可达9 9 ％。 2 烟气脱硫反 应最佳温度1 1 0 1 5 0 E 进行，排出烟气不需要进行 加热。 3 节水。不消耗工艺水，节水8 0 ％以上，特 别适合水资源缺乏地区。 4 具有良好的环保性 能，所产生的废弃物极少，不会对环境产生二次污 染。 5 资源可回收。该技术在减排的同时回收硫 资源，用于化工和化肥生产，实现综合利用。 6 该 脱硫方式对于负荷调整有很好的适应性，当所有脱 硫单元保持全部运行，负荷变化时，可调整脱硫系统 活性焦的循环量，调整脱硫负荷。当机组低负荷时 可以通过停运部分单元，实现整个脱硫系统的高效 运行。由此可见利用先进的烟气处理工艺来保证生 产过程的环境是低钒品位低发热值石煤开发利用的 一个亮点。 1 ．6 灰渣综合处理 灰渣综合处理可以用于五个方面。 1 用于水泥混合材。石煤灰渣的化学组成与 黏土基本相同，用于水泥的原料和混合材具有一定 的经济价值。石煤灰渣作为水泥原料和混合材，其 用量比较大，是灰渣综合利用的首选。 2 其他建材工业。其他建材工业消耗粉煤灰 渣的企业主要有砖瓦厂、水泥构件预制厂、混凝土搅 拌站等。 3 粉煤灰加气混凝土砌块。随着国家禁止使 用黏土和页岩等不可再生的资源生产各种砌筑用砖 的政策落实，当地现有企业的生存空间将会越来越 小。因此，利用粉煤灰渣生产新型墙体材料如粉煤 灰加气混凝土砌块取代黏土砖和页岩砖的市场还是 大有潜力的。 4 道路填筑工程。石煤灰渣具有良好的土工 特性和稳定性，可作为填筑材料，应用于公路路堤、 地基、广场、机场、码头、港口等填筑工程。 5 回填矿坑复垦。露天采矿是在一定区域内 进行的较大规模的剥离和采掘活动，其对地表的破 坏和矿区周围环境的影响日益引起关注。土地复垦 是对因采掘、建材工业发展和其他工矿废弃物堆积 等而被占用或破坏的土地，通过整治改造使失去的 生产能力得到重新再利用，是国土整治和环境保护 工作的重要组成部分，也是解决采掘、建材等工矿企 业与农、林、牧、渔业争地的矛盾，防止环境污染、恢 复生态平衡的有效途径。 就目前国家政策和当地灰渣有效利用方式来 看，灰渣综合处理主要还是是回垦复填，其他处理方 式要根据市场情况来作决定。 2 相关问题讨论 针对首次提出的低品位石煤钒矿的开发利用工 艺流程，采矿、焙烧、提钒、发电、烟气处理、灰渣处理 6 个工艺步骤中采矿与发电都是非常成熟的工艺无 需试验验证，焙烧、提钒、烟气处理、灰渣处理工艺均 已由试验验证，可以说从根本上保证了项目实施的 可靠性。然而其资源综合利用率和关键设备的改进 还是值得讨论的问题。 2 ．1 资源综合利用率 从其资源综合利用的角度出发，针对低品位石 煤钒矿开发利用工艺，主要利用的元素包括碳、钒、 硫、硅。碳燃烧的热值被利用发电，利用率为9 4 ％。 硫被利用制酸，利用率为3 4 ％。钒被利用生产五氧 化二钒，从石煤到五氧化二钒产品的利用率为 2 0 ％，从焙烧细灰到五氧化二钒产品的利用率为 6 2 ％。硅的利用主要是灰渣处理过程，利用率可达 9 9 ％。其中碳和硅的利用率都超过了9 4 ％，可以说 是比较理想指标。硫的利用率只有3 4 ％，这是因为 环保要求所致，大部分硫在焙烧过程由炉内脱硫生 成硫酸钙进入焙烧底渣，使进入烟气的硫量减少，导 致最终转化为硫酸的硫量只有人炉原料硫的3 4 ％。 由于烟气处理的成本很高，进入底渣的硫越多其效 益越好，因此硫的利用率越低对项目反而越有利。 就钒的利用率来说。若进入产品的钒只占原料 的2 0 ％，就意味着有8 0 ％的钒将由灰渣处理过程消 耗掉，而灰渣中的这些钒已经过焙烧，大部分都呈可 被酸浸出的五氧化二钒，进入渣处理系统后这部分 钒可以说是毫无价值可言。造成这种局面的根本原 因是现有的石煤提钒技术都要求进入湿法提钒体系 的原料含钒在0 ．7 ％左右，而进入湿法提钒体系的 钒往往也只有6 0 ％一7 0 ％可以被转化成产品钒，焙 烧产出的底渣和粗灰都因含五氧化二钒小于0 ．7 ％ 而没有进入湿法提钒体系。如果有其他技术可以处 万方数据 第3 期 宁 华等某低品位石煤钒矿资源综合利用工艺 9 5 理含钒小于0 ．7 ％的原料，则钒的利用率将大大的 提高，也就意味着资源利用率可以大大提高。众所 周知，低品位氧化铜 含铜有时低到0 ．1 ％一2 ％ 通 常可采用堆浸的方法来提取电铜，对于含钒低于 0 ．7 ％的原料是否也可以采用堆浸的方法来回收钒， 这是低品位石煤钒矿资源综合利用应该进行研究的 课题。 2 ．2 关键设备的改进 低品位石煤钒矿处理的关键设备是焙烧炉，为 了确定可靠的焙烧设备，有关企业先后进行了三次 试验才最终确定采用大型循环流化床 C B F 锅炉为 焙烧炉。该锅炉的最大技术特点，是配置了独特具 有中国自主知识产权的外置换热器一一紧凑式分流 回灰换热器 C H E 。紧凑式分流回灰换热器采取 气动方式对循环灰的分流进行控制，并将返料器和 外置换热器 E H E 进行一体化整体设计，取消了引 进A l s t o m 技术必须的机械式锥形阀 代之以开关风 门控制 和众多复杂的高温灰链接管道，系统结构 得到极大简化。采用气力方式控制，也避免了锥形 阀存在的耐用性和磨损问题，降低了投资和维护工 作量。2 1 0 M W 大型循环流化床 C B F 锅炉2 0 0 6 年 问世以来，各项运行指标都很稳定。 然而，从保护锅炉的角度出发，焙烧过程必须加 入发热值高的掺烧煤来保证锅炉运行的稳定性，这 势必会降低入炉原料的钒品位。我们知道现行的湿 法提钒工艺对提钒原料的品位要求在0 ．7 ％左右， 降低了入炉原料的钒品位也意味着要降低焙烧烟尘 的钒品位，虽然焙烧烟尘可以通过分选来获得含钒 0 ．7 ％左右的细灰，但是其细灰率肯定受到影响，从 而影响到钒资源的利用率。对此能否对锅炉进行技 术改进，做到在取消掺烧煤的情况下只燃烧石煤还 能保证锅炉稳定运行。如果能做到这一点，那将会 进一步的提高钒资源的利用率。 3结语 低品位石煤钒矿是指含钒品位低于0 ．8 ％，通 常认为没有提钒价值的含钒石煤矿，由于这类石煤 钒矿占有7 0 ％左右的石煤钒矿资源，其开发利用势 在必行，我国某公司依托技术创新首开低品位石煤 钒矿资源综合利用的先河，将有力的推动我国石煤 提钒工业向规模化、环保型发展。通过分析可知开 发低品位石煤钒矿资源应该同时利用碳、钒、硫、硅 多种元素，形成资源综合利用的态势，同时还应该是 生产规模大型化，工艺路线稳妥化，设备选型优选 化。 参考文献 [ I ] 宁华，周晓源，尚德龙，等．石煤提钒焙烧工艺分析[ J ] ．有色金属，2 0 1 0 ，6 2 1 8 0 8 3 ． C o m p r e h e n s i v eU t i l i z a t i o nT e c h n o l o g yf o rL o wG r a d eS t o n eC o a lC o n t a i n i n gV a n a d i u m N I N GH u a ，H U A N GG u a n g ，Y U A NA i I O U ，W , 4 N GX i n g ，Z H O UX i a o ．y u a n C h a n g s h aE n g i n e e r i n ga n dR e s e a r c hI n s t i t u t eo fN o n f e r r o u sM e t a l l u r g y ，C h a n g s h a4 10 011 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nt e c h n o l o g yf o rl o wg r a d es t o n ec o a lc o n t a i n i n gv a n a d i u mi sd e s c r i b e d ．I ti s i n d i c a t e dt h a tt h ee l e m e n t ss u c ha sc a r b o n ，v a n a d i u m ，s u l f u ra n ds i l i c o n ，s h o u l db es i m u l t a n e o u s l yu t i l i z e di nt h e t r e a t m e n tp r o c e s so fl o wg r a d es t o n ec o a lc o n t a i n i n gv a n a d i u m ．T h ep r o d u c t i o ns c a l em u s tb el a r g , e n o u g h ，t h e t e c h n o l o g yn e e dt ob er e l i a b l e ，a n dt h ek e ye q u i p m e n td e s i g ni sr e q u i r e dt ob eo p t i m i z a t i o n ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；s t o n ec o a lr o a s t i n g ；v a n a d i u mh y d r o m e t a l l u r g i c a le x t r a c t i o n ；c y c l i n g f l u i d i z e db e dr o a s t i n gf u r n a c e 万方数据