含钒石煤微波焙烧提钒试验研究.pdf

4 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 1 ．0 1 2 含钒石煤微波焙烧提钒试验研究 刘涛1 ’2 ～，胡鹏程1 ，张一敏1 ’2 ’3 ，袁益忠1 ’2 1 ．武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 8 1 ； 2 ．湖北省页岩钒资源高效清洁利用工程技术研究中心，武汉4 3 0 0 8 1 ； 3 ．钢铁冶金及资源利用教育部重点实验室，武汉4 3 0 0 8 1 摘要以某含钒石煤为原料进行微波焙烧提钒研究，并与常规焙烧提钒进行对比，主要考察微波焙烧温 度、微波焙烧时间、硫酸体积浓度、浸出时间、液固比、浸出温度对钒浸出率的影响。结果表明，在微波焙 烧温度5 5 0 ℃、焙烧时间2 0m i n 、硫酸体积浓度1 5 ％、浸出时间6h 、液固比1 ．5 ；1 m L ／g 、浸出温度9 5 ℃的条件下，钒浸出率为8 6 ．6 4 ％，在相同浸出条件下，常规马弗炉7 0 0 ℃焙烧lh 钒的浸出率为 8 4 ．2 2 ％。微波焙烧相对常规焙烧能在更低温度、更短时间内达到相同的提钒效果。 关键词石煤；钒；微波；焙烧；酸浸 中图分类号T F 8 4 1 ．3文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 1 一0 0 4 6 一0 4 E f f e c to fM i c r o w a V eR o a s t i n go nV a n a d i u mE x t r a c t i o nf r o mS t o n eC o a l L I UT a 0 1 见3 ，H UP e n g c h e n 9 1 ，Z H A N GY i m i n l ’2 ⋯，Y U A NY i z h o n 9 1 ’2 1 ．C o l l e g eo fR e s o u r c ea n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e “n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 8 1 ，Ch i n a ；2 ．H u b e iP r o v i n c i a lE n g i n e er i n g T e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e ro fH i g he f f i c l e n tC l e a n i n gU t i l i z a t i o nf o rS h a l eV a n a d i u m R e s o u r c e ，W u h a n4 3 0 0 8 1 ，C h i n a ；3 ．K e yL a b o r a t o r yf o rF e r r o u sM e t a U u r g ya n d R e s o u r c e sU t i l { z a t i o no fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，W u h a n4 3 0 0 8 l ，C h l n a A b s t r a c t As t o n ec o a lw a sr o a s t e db ym i c r o w a v e ．T h er e s u l tw a sc o m p a r e dt ot h a to fc o n v e n t i o n a lr o a s t i n g i np r o c e s so fv a n a d i u me x t r a c t i o nf r o ms t o n ec o a LT h ee f f e c t so fm i c r o w a v er o a s t i n gt e m p e r a t u r ea n d t i m e ，c o n c e n t r a t i o no fs u l f u r i ca c i d ，l e a c h i n gt i m ea n dt e m p e r a t u r e ，a n dr a t i oo fl i q u i dt os o l - d L ／S o n v a n a d i u ml e a c h i n gr a t ew e r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h el e a c h i n gr a t eo fV 20 5i s8 6 ．6 4 ％ u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n si n c l u d i n gr o a s t i n gt e m p e r a t u r eo f5 5 0 ℃，r o a s t i n gt i m eo f2 0m i n ，V o l u m e c o n c e n t r a t i o no fs u l f u r i ca c i do f1 5 ％，l e a c h i n gt i m eo f6h ，L ／S 一1 ．5 ／l m L ／g ，a n dl e a c h i n gt e m p e r a t u r e o f9 5 ℃．W h e nt h es a m p l ei sr o a s t e da t7 0 0 ℃f o r1hi nc o n v e n t i o n a lm u f f l ef u r n a c e ，v a n a d i u ml e a c h i n g r a t ei s8 4 ．2 2 ％。M i c r o w a v er o a s t i n gh a v et h ea d v a n t a g e so fl o w e rr o a s t i n gt e m p e r a t u r ea n ds h o r t e r r o a s t i n gt i m ec o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lr o a s t i n g ． K e yw o r d s s t o n ec o a l ；v a n a d i u m ；m i c r o w a v e ；r o a s t i n g ；a c i d1 e a c h i n g 含钒石煤是我国重要的优势矿产资源，但目前 可利用的石煤中V 。0 ；品位仅为O ．7 ％～1 ．2 ％，且 钒主要以类质同象的形式赋存于云母类矿物中，性 收稿日期2 0 1 4 一0 7 1 1 基金项目教育部科学技术研究 科学技术类 项目 2 1 3 0 2 5 A 作者简介刘涛 1 9 7 8 一 ，男，河南潢川人，博士，副教授． 质稳定，只有在高温或添加剂的作用下，才可能转变 为可溶性的四价或五价钒Ⅲ。传统提钒工艺采用氯 化焙烧从石煤中提取V 。O 。，此过程严重污染环 万方数据 2 0 1 5 年第1 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 7 境口] ，因此空白焙烧一酸浸等新工艺被广泛采 用『35 | 。焙烧是破坏石煤中含钒矿物结构的一种有 效方式，焙烧效果的好坏影响着后续钒浸出效率的 高低‘69 i 。 微波具有内外同时加热和选择性加热等特性， 还能使矿石中的某些矿物发生化学反应或物相转 变，强化了焙烧的效果n ““ ] ，因此微波在矿物焙烧预 处理等方面得到广泛的应用。 本文采用微波焙烧技术．对某含钒石煤进行微 波焙烧处理，然后再采用硫酸浸出，并对比常规焙 烧，探讨微波焙烧对石煤提钒过程的影响。 1 试验部分 1 ．1 试验原料 试验用含钒石煤试样取自江西某地，化学成分 为 ％ S i 0 27 9 ．1 0 、A 1 2 35 ．7 2 、T F e1 ．1 2 、K 2O 1 ．2 1 、N a 2 O ．3 7 、S0 ．3 0 、V 2 0 ；0 ．7 7 、C6 ．4 2 ，可见， 该石煤属低品级含钒石煤。主要矿物是石英、云母、 伊利石等，钒主要赋存于云母和伊利石类矿物，由于 云母类矿物结构稳定，需采用特殊的方法才能实现 该石煤中钒的有效浸出。 1 ．2 微波焙烧试验设备 微波焙烧试验在H A M i L a b C1 5 0 0 型微波高 温马弗炉中进行，微波输出频率2 ．4 5G H z ，输出功 率在0 ～1 ．4k w 范围内连续可调，最高加热温度可 达16 0 0 ℃，测温采用R a y t e k 红外测温仪。 1 ．3 试验方法 将石煤原矿破碎、球磨到一o ．0 7 4m m 占7 0 ％。 每次试验取2 0 0g 石煤试样放入耐火匣钵并铺均 匀，常温置于微波炉中在不同的温度、时间条件下进 行微波焙烧试验，待炉温降至室温时取出焙烧熟样。 再称取5 0g 焙烧熟样于烧杯中，按一定浸出参数进 行酸浸，浸出结束后固液分离，测定浸出液中钒浓 度，并计算出相应的浸出率。 2 结果及讨论 2 ．1 ‘微波焙烧试验 2 ．1 ．1 焙烧温度的影响 固定微波焙烧时间为2 0m i n ，考察微波焙烧温 度对浸出率的影响。浸出条件硫酸体积浓度 1 5 ％、浸出时间4h ，液固比1 ．5 1 m L ／g 、浸出温 度9 5 ℃。微波焙烧温度与钒浸出率的关系如图1 所示。 图1 微波焙烧温度对钒浸出率的影响 F i g ．1 E f f e c to fm i c r o w a V er o a s tt e m p e r a t u r e o nV a n a d i u ml e a c h i n gr a t e 由图1 可以看出，钒浸出率在5 5 0 ℃之前随焙 烧温度的升高而上升，当焙烧温度超过5 5 0 ℃后，浸 出率呈下降趋势，并在7 0 0 ℃后快速下降。因此，最 佳微波焙烧温度为5 5 0 ℃。 对不同焙烧条件下焙烧熟样进行s E M 和x R D 分析，结果如图2 所示。 2 f J“谢lS “7 8 { 2 0 ， o a 5 5 0 ℃微波焙烧熟样； b 8 0 0 ℃微波焙烧熟样； c X R D 谱 图2不同微波焙烧温度下焙烧熟样的S E M 形貌和x R D 谱 F i g ．2 S E Mm i c r o s t r u c t u r ea n dX R Dp a t t e r no fs a m p l e sm i c r o w a V er o a s t e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 万方数据 4 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第1 期 从图2 a 和图2 b 可见，在5 5 0 ℃微波焙烧时，微 波的选择性加热作用破坏了石煤钒矿的晶体结构， 产生了更多孑L 隙，增大了浸出过程中矿样与硫酸的 接触面积，故浸出率相对较高；而在8 0 0 ℃微波焙烧 后，接触的固体颗粒之间明显出现了组分熔化或低 熔点化合物的生成，产生了“烧结现象”，产生的液相 将未熔的固体颗粒粘结成块，而钒被“包裹”其中，造 成了浸出率的下降。 同样，从图2 c 可知，随着微波焙烧温度的升高， 试样中伊利石和云母的特征衍射峰强度逐渐减弱， 说明温度越高，晶格破坏越明显；在相同温度下，微 波焙烧对矿物晶格的破坏程度大于常规焙烧，表明 微波焙烧比常规焙烧对矿物晶格的破坏更为迅速。 2 ．1 ．2 焙烧时间的影响 固定微波焙烧温度5 5 0 ℃，考察微波焙烧时间 对钒浸出率的影响，浸出条件同2 ．1 ．1 节，结果如图 3 所示。 图3 微波焙烧时间对钒浸出率的影响 F i g ．3 E f f e c to fm i c r o w a v er o 嬲tt i m eo n V a n a d i u ml e a c h i n gr a t e 图3 表明，随着微波焙烧时间的增加，钒浸出率 逐渐升高，但当焙烧时间超过2 0m i n 后，增加幅度 趋于平缓，从设备使用率及生产效率考虑，最佳微波 焙烧时间确定为2 0m i n 。 2 ．2 浸出试验 取经5 5 0 ℃微波焙烧2 0m i n 的焙烧熟样进行 浸出试验。 2 ．2 ．1 硫酸浓度的影响 固定条件浸出时间4h 、液固比1 ．5 1 、浸出 温度9 5 ℃，不同硫酸浓度时的钒浸出率见图4 。 由图4 可知，钒浸出率随硫酸浓度升高而增加， 分析认为硫酸中的H 有破坏矿样中钒伊利石和云 母晶体结构的作用，较高浓度的酸含更多H ，更易 图4 硫酸浓度对钒浸出率的影响 F i g ．4 E f f e c to fc o n c e n t r a t i o no fs u l f u r i c a c i d0 nV a n a d i u ml e a c h i n gr a t e 达到取代A 1 3 的目的，释放出钒离子，利于浸 出[ 19 。2 。考虑降低酸耗和后续过程中调p H 的碱 耗，硫酸最佳浓度确定为1 5 ％。 2 ．2 ．2 浸出时间的影响 固定条件硫酸体积浓度1 5 ％、液固比1 ．5 1 、 浸出温度9 5 ℃，浸出时间对钒浸出率的影响如图5 所示。 媾 碍 置 燃 鑫 图5 浸出时间对钒浸出率的影响 F i g ．5 E f f e c t0 ft i m e0 nV a n a d i u m l e a c h i n gr a t e 由图5 可看出，随着浸出时间的延长，钒浸出率 随之增加，但增长的幅度逐步减小，最后趋于平缓。 综合考虑，选取最佳浸出时间为6h 。 2 ．2 ．3 液固比的影响 固定条件浸出时间6h 、硫酸体积浓度 1 5 ％、浸出温度9 5 ℃，不同液固比时的钒浸出率 见图6 。 从图6 可知，高的液固比溶液中含更多的H ， 有利于浸出，考虑降低酸耗和后续过程中调p H 的 碱耗，最佳液固比选择1 ．5 1 。 万方数据 2 0 1 5 年第1 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 9 l Jl21 ．41 ．6】．82 ．I 2 ．2 液同比 图6 液固比对钒浸出率的影响 F i g ．6 E f f e c to fr a t i oo fl i q u i dt os o l i do n v a n a d i u ml e a c h i n gr a t e 2 ．2 ．4 浸出温度的影响 固定条件浸出时间6h 、液固比1 ．5 1 、硫酸 体积浓度1 5 ％，浸出温度对钒浸出率的影响见图7 。 图7 浸出温度对钒浸出率的影响 F i g ．7 E f f e c to ft e m p e r a t u r eo nV a n a d i u m l e a c h i n gr a t e 图7 表明，随着浸出温度的升高，钒的浸出率也 随之增加。主要是因为，一方面温度升高增强了硫 酸的活性，使浸出反应更易进行；另一方面提高了硫 酸中的H 进入云母矿物晶格的速度。综合考虑能 耗和浸出效率，选取浸出温度为9 5 ℃。 2 ．3 最佳条件验证试验 根据微波焙烧试验及浸出试验确定的最佳提钒 条件5 5 0 ℃微波焙烧2 0m i n 、硫酸体积浓度1 5 ％、 浸出温度9 5 ℃、浸出时间6h 、液固比1 ．5 1 ，进行 微波焙烧酸浸提钒验证试验，共进行3 组平行试验。 结果表明，在上述最佳工艺条件下，钒浸出率分别为 8 6 ．5 7 ％、8 6 ．6 8 ％、8 6 ．7 3 ％，结果的重现性较好。而 在相同的浸出条件下，7 0 0 ℃常规焙烧1h 钒的浸 出率为8 4 ．2 2 ％。 3结论 1 微波焙烧过程使得含钒石煤焙烧熟样的表面 孔隙和裂纹增加，从而促进了浸出作业的传质过程； 经微波焙烧后，原矿中含钒云母的特征衍射峰强度 减弱明显，破坏了含钒云母的结构，有利于浸出率的 提高。 2 采用微波焙烧一酸浸工艺处理江西某含钒石 煤的最佳工艺参数为5 5 0 ℃微波焙烧2 0m i n 、硫酸 体积浓度1 5 ％、浸出温度9 5 ℃、浸出时间6h 、液固 比1 ．5 1 ，该条件下钒的浸出率为8 6 ．6 4 ％；相同浸 出条件下，7 0 0 ℃常规焙烧1h 钒的浸出率为 8 4 ．2 2 ％。微波焙烧相对常规焙烧能在更低温度、更 短时间内达到相当水平的提钒效果。 参考文献 [ 1 ] Z h a n gY i m i n ，B a oS h e n x u ，L i uT a o ，e ta 1 ． T h et e c h n o l o g yo fe x t r a c t i n gv a n a d i u mf r o ms t o n ec o a li nC h i n a H i s t o r y ，c u r r e n ts t a t u sa n df u t u r ep r o s p e c t s [ J ] ．H y d r o m e t a l l u r g y ，2 0 1 1 ，1 0 9 1 1 6 1 2 4 ． [ 2 ] 王学文，王明玉．石煤提钒工艺现状及发展趋势[ J ] ．钢 铁钒钛，2 0 1 2 ，3 3 1 8 1 4 ． [ 3 ] 熊如意，张西林．石煤提钒的生产工艺及污染治理措施 [ J ] ．环保科技，2 0 1 0 ，1 6 3 2 6 2 9 ． [ 4 ] 赵杰，张一敏，黄晶，等．石煤焙烧熟样酸浸过程的热力 学分析[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 1 0 2 7 3 1 ． [ 5 ] 王非，张一敏，刘涛，等．直接酸浸与焙烧酸浸钒萃取行 为的研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 5 3 0 一3 3 ． [ 6 ] 胡杨甲，张一敏．钙含量对含钒页岩钠盐焙烧一水浸提 钒的影响[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 9 3 4 3 8 ． [ 7 ] 邢学永，万洪强，宁顺明，等．某石煤矿浓酸熟化两段逆 流浸出钒的研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 6 2 6 2 9 ． [ 8 ] 刘娟，张一敏，刘涛，等．石煤钒矿粒度对酸浸提钒的影 响[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 1 2 3 l 一3 4 ． [ 9 ] 蒋谋锋，张一敏，包申旭，等．含钒石煤钒钾镁硫酸浸出 相关性研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 4 1 1 3 4 3 8 ． [ 1 0 ] 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