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硼礦粉閃速焙燒新工藝 

1.簡介

某些硼化合物具有質輕、阻燃、耐熱、高硬、高強、耐磨及催化的特殊性能,在現代工業及研究領域,起着極為重要的作用。硼和硼的化合物廣氾用於化工、冶金、光學玻璃、國防、原子能、醫藥、橡膠及輕工業部門。

目前我國硼礦探明儲量約5000萬(以B2O3計),品位較低,其中一半為硼鎂石和硼鐵混合型礦石,鹽鹵型和鹽湖固體硼礦石儲量約2000多萬,而便於加工的硼鎂石礦主要是“白硼礦”, 該類礦只占全國總儲量的8.98%,不足300萬。據有關部門統計預測,未來幾年硼砂和硼酸需求將分別以6.25%和6.50%的速度增長,到2010年我國硼砂、硼酸及其他含硼化學品需求量將超過50萬,相應硼礦(標礦)需求量為220萬噸,將造成硼鎂石礦的供求形勢越來越嚴峻,急需開發新的硼資源來滿足日益增長的工業需求[1]因此,僅遼東地區儲量就達2. 8億噸、占我國硼礦資源的57.88%的“黑硼礦”(即硼鐵礦)就成為綜合利用硼礦資源的主要處理對象。

對硼鐵礦進行活化焙燒的主要問題是焙燒難控制,活性差。原礦中硼的活性約為40%[2],焙燒后硼鐵精礦的活性一般≤70%。因此,必須設計合理的焙燒工藝及設備,才能將硼礦資源高效利用。

2  硼礦粉焙燒工藝分析

沒有焙燒活化的生礦粉化學活化率很低。例如鳳城硼鎂礦的生礦粉在過量碱約50%,碱液濃度約為30%的條件下,常壓碱解率僅為30%~40%;而熟礦粉的碱解率可達80%以上。硼鎂礦經焙燒后,礦物的晶體結構發生變化,質地疏鬆多孔,化學活性顯著提高,使礦石中的B2O3較易為分解劑所浸取。為此,碳碱法、燒碱法制取硼砂或多硼酸鈉法以及碳氨法生產硼酸均需對硼礦進行活化焙燒。焙燒質量的好坏,對於分解率的高低起決定性的作用。同時,焙燒適度的礦石,硬度降低,質地松脆,較易粉碎。因此在工業生產中,要力求提高焙燒質量,防止生燒,避免過燒。

2.1  硼鎂鐵礦焙燒機理

硼鎂礦除含纖維硼鎂石外,還含有蛇紋石、白雲石、菱鎂石、方解石、水鎂石、橄欖石、滑石、灰綠泥石和雲母石等伴生礦物。礦石的產地不同,伴生礦物的種類和數量也不同[3]

在焙燒過程中影響硼鎂鐵礦活性的主要物理化學變化如下[4,5]

加熱至300~400時,磁鐵礦氧化為赤鐵礦造成礦物結構的扭曲使微裂紋增加,加大了比表面積,即增加了碱解時的反應面積,進而使B2O3活性上升。

4Fe3O4+O26Fe2O3

500~750℃時,蛇紋石脫水分解造成大量微孔隙出現,使比表面積進一步增大。其主要反應為:

Mg3Si4O11·3Mg(OH) 2·H2O=Mg3Si4O11·3Mg(OH) 2+H2O↑

Mg3Si4O11·3Mg(OH)2=Mg3Si4O11+3MgO+3H2O↑

當焙燒溫度達到620~800℃時,不易碱解的纖維硼鎂石(2MgO·B2O3·H2O)轉化為易於碱解的遂安石(MgO·B2O3),使B2O3活性上升,但焙燒溫度達900℃后遂安石量減少,活性也呈下降趨勢。其主要反應為:

 2MgO·B2O3·H2O=2MgO·B2O3+H2O↑

     隨着焙燒溫度升高到超過800℃焙燒時間過長時,將造成部分B2O3形成難以碱解的硼鎂鐵礦(3MgO·Fe3O4·B2O3),進而造成B2O3活性的下降。

     焙燒后硼精礦體積密度減少(約5%),表明礦粉內孔隙率增加,有益于碱與B2O3接觸,使B2O3活性提高。

 在上述變化中,纖維硼鎂石的分解是硼礦粉脫水的主要化學反應[6]

2.2  國內現有硼礦粉焙煅燒工藝及設

我國生產硼礦的大企業約16家,主要集中在遼寧,共有11[7]目前對於低品位硼鐵礦的焙燒尚無先進的工業化裝置多數企業將其棄之外排,造成了資源的大量浪費和環境污染[8]。少數廠家採用迴轉窯作為硼礦粉的焙燒設備。用迴轉窯焙燒得到的產品通常活化率和浸取率較低,煤耗高,熱效率差,硼礦資源難以很好利用。

也有公司曾試圖採用流態化焙燒方式,但由於硼礦含有20%~30%的表面水,使得其應用受到很大阻礙。國內眾多專家和研究人員正在尋求適合的解決方案。

3  閃速焙燒新工藝

3.1  閃速焙燒工藝

遼寧鳳城地區的硼鎂鐵礦屬低鐵低硼的貧雜礦,其礦物多項組成如下:三氧化二硼(B2O3)8%~10%、全鐵(TFe)24%~28%、氧化鎂(MgO)25%~28%、二氧化硅(SiO2)18%~21%、氧化鈣(CaO)1%~2%。

遼寧東大粉體工程技術有限公司(以下簡稱東大粉體公司)與鳳化集團合作,對低品位硼鐵礦活化焙燒難控制、活性差的難題進行了大量試驗和研究,設計了將預乾燥和焙燒有機結合的閃速焙燒新工藝,焙燒后成品的活化率明顯比由傳統迴轉窯焙燒的產品活化率要高。例如品位為10%以上的硼鐵礦可以焙燒到活化率為90%以上;品位在6%~10%範圍的硼鐵礦可以焙燒到活化率為80~85%。其原則工藝流程如圖1所示,工藝裝置如圖2所示。

具體流程是:利用給料機向斯德乾燥機中給入未乾燥的硼礦粉,硼礦粉在乾燥機內被預乾燥,乾燥的熱源為後面的焙燒工序所產生的熱尾氣;乾燥后物料和空氣的混合物進入氣固分離器被氣固分離,氣體部分被排出,而固體部分被送至煅燒爐內進行活化焙燒,焙燒熱源為燃煤直火熱風爐產生的熱煙氣(計算得所需溫度約為900~950);焙燒后物料和空氣的混合物被送至另一台氣固分離器中進行再一次氣固分離,其中氣體部分被送至乾燥機作為乾燥熱源,固體部分經冷卻后再捕集得到成品,即活化率高的硼礦粉。在上述工藝確定后,東大粉體公司同風化集團合作確定建設年產5萬噸的焙燒乾燥生產線,並投產應用。

  硼礦粉閃速煅燒原則工藝流程

2  硼礦粉閃速焙燒工藝裝置

1—給料機,2—斯德乾燥機,3—氣固分離器,4—煅燒爐

5—熱風爐6—成品捕集器7—儲倉8—引風機

3.2  工業化生產數據分析

考慮使噸硼礦產品能耗達到最低,在風化工程項目中採用了燃煤直火熱風爐作為焙燒熱源。使煤的熱能利用率達到90%以上。採取的另一項能源利用的方式是將煅燒爐煅燒硼礦粉分解的尾氣直接進入乾燥系統,使排出的尾氣溫度略高于SO2露點溫度。在實驗室試驗中,設計焙燒溫度為900~950,但在實際工業生產條件下,發現最適宜的焙燒溫度為1000~1050,工業化生產結果見表1。

表1  硼礦粉閃速焙燒試驗結果

樣品編號

原料含水量(%)

原料硼品位(%)

焙燒溫度(℃)

最終活化率(%)

1

20

10~12

1050

92~93

2

20

8~10

1050

87~90

3

20

6~8

1050

80~85

經生產運行所測定的數據如下:

噸產品耗煤:150~160公斤;      電耗:約46度/噸產品;

    產品燒失率:≤3%;             硼精粉小時產量:≥6.25噸。

在上述系統中,如果進行適當調整,還可以降低能耗,較大幅度地提高產量。

上述工業化生產結果表明,與國內現有低品位硼鐵礦焙燒工藝相比,這套工藝最終使低品位硼鐵礦的活化率得到了更大提高。分析其原因有兩點:一是在本工藝中,由於斯德乾燥機的打散作用,使得硼鐵礦在焙燒前被加工到一定細度,使得硼鐵礦的比表面積增大,有利於瞬間焙燒;二是在預乾燥和活化焙燒過程中,物料在設備內均做翻騰旋流運動,使得焙燒效果充分且均勻。

4  結論

生產証明同其他方式相比,本工藝可將硼鐵礦的活化率得到更大提高,具有以下幾點優勢:

(1)操作方便,焙燒時間短,整個流程在數秒至數十秒之內完成;

(2)因為對焙燒產生的熱尾氣進行了回收利用,所以總能耗較低;

(3)產品活性高,硼精粉B2O3品位≥7.5%時,焙燒活性可達到80%~90%;

(4)具有廢氣淨化裝置,對環境污染小;

(5)設備佔地面積小,維護方便。

在實際生產過程中,也發現該套工藝設備存在以下不足之處:

實驗室試驗得所需最高焙燒溫度為900~950℃最初的機燒熱風爐是參考此溫度範圍進行耐熱設計的,但在實際生產中的焙燒溫度為1000~1050,此時熱風爐在生產過程中壽命減短,易出現故障。

針對這個不足,東大粉體公司提出了以下對應的改進方案。

方案一:改造燃煤熱風爐的結構,使之耐熱性能提高,能適應1200℃左右的高溫環境;

方案二:改用煤氣發生爐產生的煤氣燃燒作為熱源,可以減少機燒熱風爐的故障率。但比起燃煤熱風爐來,燃氣熱風爐的熱利用率較低(約低10%~15%)。這是由於煤在轉換成煤氣的過程中,會有一定的熱量損失,燃煤熱風爐的熱利用率能達到90%以上,而燃煤氣熱風爐的熱利用率只能達到75~80%;

方案三:改用燃燒煤粉的熱風爐,這樣既可產生足夠高的溫度,又能較好地防止因熱風爐過熱而引發的故障。可以採用含灰分較低的煤粉,將產生的灰塵度控制到2~3%左右。

除了上述在熱源方面的調整之外,還可以在優化設計上有所提高。


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