趙博，陳延信，酒少武，韓丁，楊潘

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高硫鋁土礦懸浮態(tài)焙燒及焙燒礦的溶出性能

趙博，陳延信，酒少武，韓丁，楊潘

(西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西西安，710055)

為了驗(yàn)證高硫鋁土礦懸浮態(tài)焙燒工藝及裝置的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為工業(yè)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)提供必要的工藝和設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，在基礎(chǔ)研究和中試條件試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以黔北地區(qū)全硫(ST)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.93%的一水硬鋁石型高硫鋁土礦為原料，進(jìn)行750 kg/h規(guī)模的連續(xù)性驗(yàn)證試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：懸浮爐內(nèi)軸向溫度650~460 ℃，粉料在爐內(nèi)有效停留時(shí)間約3 s，所得焙燒礦中硫化物型硫的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，ST質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%。在溶出溫度260 ℃、溶出時(shí)間60 min、石灰添加量9%、苛性堿質(zhì)量濃度236 g/L、溶出液Na和Al分子比1.50的條件下，焙燒礦相對(duì)溶出率接近99.5%，相對(duì)于原礦，溶出效果得到提高。

高硫鋁土礦；高固氣比；懸浮態(tài)焙燒；連續(xù)性試驗(yàn)；溶出率

我國(guó)已探明鋁土礦儲(chǔ)量中高硫型鋁土礦約占資源儲(chǔ)量的11%，合5.6億t[1]。高硫鋁土礦是指硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.7%的鋁土礦，其中80%~90%的硫以黃鐵礦(FeS2)狀態(tài)存在。鋁土礦中的硫不僅造成溶出堿液中Na2O的損失，而且溶液中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高后會(huì)使鋼材受到腐蝕，造成氧化鋁被鐵污染，使Al2O3的溶出率下降；還會(huì)造成管道結(jié)疤并危害產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)實(shí)踐證明，鋁土礦中的硫化物型硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%時(shí)，可基本消除有害硫?qū)罄m(xù)溶出工序的影響[2?5]。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)高硫鋁土礦的脫硫研究主要有濕法和火法兩大類，濕法研究主要是浮選除硫，脫硫成本為160~180元/t?；鸱摿蜓芯恐饕峭ㄟ^(guò)對(duì)高硫鋁土礦的焙燒脫硫和添加劑焙燒展開(kāi)的，焙燒還可以提高鋁土礦的溶出活性；國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)回轉(zhuǎn)爐焙燒、沸騰爐焙燒和流化床焙燒進(jìn)行了較多的研究，但焙燒溫度需在750~850 ℃焙燒10~30 min，才能將硫化物型硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0.2%以下[6?13]。稀相懸浮態(tài)焙燒時(shí)，氣體與顆粒之間接觸良好，熱質(zhì)邊界層傳遞動(dòng)力大，其傳熱、傳質(zhì)系數(shù)往往超過(guò)密相床2個(gè)數(shù)量級(jí)，粉料進(jìn)入焙燒系統(tǒng)后能夠與氣相快速完成換熱并發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)。本文作者在基礎(chǔ)研究和中試條件試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用自主開(kāi)發(fā)的高固氣比懸浮焙燒?快速冷卻裝置，以我國(guó)黔北地區(qū)全硫ST質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.93%的高硫鋁土礦為原料，進(jìn)行高硫鋁土礦的連續(xù)性試驗(yàn)，考察高硫鋁土礦高固氣比懸浮態(tài)焙燒脫硫中試裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，驗(yàn)證中試條件實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并對(duì)焙燒礦的溶出性能進(jìn)行分析，以期為高硫鋁土礦懸浮態(tài)焙燒工業(yè)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)提供必要的工藝和設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 試驗(yàn)原燃料

高硫鋁土礦取自貴州務(wù)正道地區(qū)，礦石經(jīng)破碎細(xì)磨后自由水含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為3.14%。表1所示為原料的化學(xué)元素分析結(jié)果，所用儀器為德國(guó)布魯克公司S4?Pioneer型X線熒光光譜儀，S含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))采用“硫酸鋇重量法”測(cè)定；表2所示為原料的粒度篩析結(jié)果，粒度分布符合氧化鋁工業(yè)對(duì)原料的粒度要求；物相定性分析所用儀器為日本理學(xué)(RIGAKU)生產(chǎn)的D/MAX2200型X線衍射儀(Cu靶，掃描速率為10(°)/min，2為5°~80°)，圖1所示為高硫鋁土礦原料的XRD分析圖譜；結(jié)合化學(xué)元素分析結(jié)果對(duì)原料進(jìn)行礦物相定量計(jì)算，原料中一水鋁石占64.0%，高嶺土28.9%，黃鐵礦3.4%，其余為綠泥石和堇青石等硅酸鹽類礦物。試驗(yàn)所用燃料為產(chǎn)自陜西銅川的煤粉，其熱值為21.87 MJ/kg，S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.42%。

表1 高硫鋁土礦主要元素及硫物相的化學(xué)分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 原料粒度篩析結(jié)果

圖1 高硫鋁土礦原料XRD圖譜

2 試驗(yàn)

2.1 焙燒試驗(yàn)裝置

自制高硫鋁土礦高固氣比懸浮態(tài)焙燒中試裝置，該裝置由喂料系統(tǒng)、懸浮預(yù)熱系統(tǒng)、外循環(huán)式懸浮焙燒爐、旋風(fēng)冷卻系統(tǒng)、收塵器、引風(fēng)機(jī)、喂煤系統(tǒng)和燃煤熱風(fēng)爐等組成，引風(fēng)機(jī)為系統(tǒng)提供運(yùn)行動(dòng)力，整個(gè)系統(tǒng)在負(fù)壓狀態(tài)下運(yùn)行。懸浮焙燒爐直徑×高度為0.4 m×9.0 m，喂料和喂煤裝置均為自制的回轉(zhuǎn)式變頻微粉給料機(jī)，喂料機(jī)的喂料量為0~2 m3/h，喂煤機(jī)的喂料量為0~0.5 m3/h。粉煤經(jīng)氣力輸送裝置進(jìn)入燃煤熱風(fēng)爐，熱風(fēng)爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)沉降除塵后進(jìn)入懸浮爐。在懸浮焙燒爐進(jìn)出口配以TestoXL360便攜式煙氣分析儀、在各預(yù)熱器出口和懸浮煅燒爐關(guān)鍵工藝控制點(diǎn)安裝ABB壓力變送器與一體化溫度變送器，通過(guò)PLC實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工況。懸浮爐內(nèi)風(fēng)速測(cè)定儀器為S型標(biāo)準(zhǔn)皮托管和KIMO手持式微差壓計(jì)。

試驗(yàn)裝置的料流路線：喂料裝置將高硫鋁土礦粉料送至高固氣比懸浮預(yù)熱系統(tǒng)中預(yù)熱器C1的換熱管，粉料與上升熱氣流在換熱管中迅速完成換熱，在C1筒體中氣固分離后沿下料管進(jìn)入預(yù)熱器C2A的換熱管。粉料依次通過(guò)各級(jí)預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，順序?yàn)镃1→C2A→C2B→C3A→C3B，多個(gè)預(yù)熱器形成料路交叉、氣路并聯(lián)的系統(tǒng)，使100%的物料與50%的氣流交換熱量，旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)的固氣比可以提高到1倍左右，從而提高了系統(tǒng)的固氣比和換熱效率；粉料通過(guò)C3B的下料管進(jìn)入懸浮焙燒爐底部，在熱風(fēng)爐高溫?zé)煔獾臄y帶下于爐中進(jìn)行脫水和脫硫反應(yīng)，懸浮爐采用選擇性的體外循環(huán)方式，讓部分粗重顆粒在旋流分離器的作用下進(jìn)入懸浮焙燒爐中循環(huán)反應(yīng)，提高了懸浮爐的熱穩(wěn)定性、出爐物料的反應(yīng)率和單位容積產(chǎn)量；高溫焙燒礦最后進(jìn)入分離器C4完成氣固分離，再通過(guò)C4下料管進(jìn)入旋風(fēng)冷卻系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)兩級(jí)旋風(fēng)冷卻，C4→CC1→CC2，焙燒礦進(jìn)入產(chǎn)品料槽。

試驗(yàn)裝置的氣流路線：在爐尾引風(fēng)機(jī)的作用下，熱風(fēng)爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入懸浮焙燒爐中完成高硫鋁土礦的焙燒，出爐煙氣在C4中完成氣固分離后分2路平行進(jìn)入預(yù)熱器系統(tǒng)，其路徑分別為：C4→C3A→ C2A→C1A和C4→C3B→C2B→C1B，2股煙氣在C1出口匯合，進(jìn)入總風(fēng)管→袋收塵器→引風(fēng)機(jī)；冷空氣經(jīng)旋風(fēng)冷卻系統(tǒng)的CC1進(jìn)入懸浮焙燒爐的底部，與熱風(fēng)爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈪R合。

圖2所示為中試裝置主反應(yīng)器懸浮焙燒爐溫度測(cè)點(diǎn)的布置圖。其中，3個(gè)溫度代表整個(gè)外循環(huán)式懸浮爐的軸向溫度。投料前對(duì)所有測(cè)溫、測(cè)壓、測(cè)流量和煙氣成分分析儀器進(jìn)行了標(biāo)定，保證所有檢測(cè)儀器工作性能正常。

1—懸浮爐底部溫度；2—懸浮爐頂部溫度；3—懸浮爐出口溫度。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 焙燒試驗(yàn)方法

高固氣比懸浮態(tài)焙燒?快速冷卻試驗(yàn)裝置的中試條件試驗(yàn)結(jié)果顯示：對(duì)貴州地區(qū)硫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為1.35%的高硫鋁土礦而言，其最優(yōu)焙燒溫度(懸浮爐頂部溫度)宜選取在610~640 ℃之間，粉料在爐內(nèi)的有效停留時(shí)間為2 s左右，入爐煙氣O2體積分?jǐn)?shù)控制在8%~12%之間，焙燒礦中硫化物型硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以降低到0.16%以下。根據(jù)中試條試驗(yàn)的結(jié)果，以全硫ST質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.93%的鋁土礦為原料，控制懸浮爐內(nèi)軸向溫度為450~650 ℃，對(duì)粗分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，粗分離器對(duì)于表2所示粒度分布的原料的分離效率為32%±2%，粉料在爐內(nèi)的停留時(shí)間約3 s。試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升溫蓄熱，待爐內(nèi)達(dá)到一定溫度后開(kāi)始投料，初始投料量300 kg/h，通過(guò)調(diào)整喂煤量、系統(tǒng)總風(fēng)量、冷卻系統(tǒng)風(fēng)量和投料量，使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)期設(shè)定值范圍內(nèi)。系統(tǒng)工況穩(wěn)定后，間隔30 min對(duì)焙燒產(chǎn)品進(jìn)行取樣，冷卻后密封用于后續(xù)分析。采用X線熒光能譜儀結(jié)合XRD分析對(duì)高硫鋁土礦的焙燒效果進(jìn)行分析和表征。

2.2.2 溶出試驗(yàn)方法

鋁土礦溶出試驗(yàn)在熔鹽鋼彈溶出器中進(jìn)行。按照配料要求，將一定比例的溶出用母液、鋁土礦及石灰加入鋼彈中，將礦漿攪勻后加蓋密封，裝在可旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的鋼彈架中，放入已升至預(yù)定溫度的熔鹽浴中并立即攪拌。當(dāng)達(dá)到預(yù)定時(shí)間后，取出鋼彈，立即放入水中驟冷，再用真空抽濾的方法使溶出液與赤泥分離，分析溶出液的化學(xué)成分。赤泥經(jīng)洗滌烘干后，分析化學(xué)成分及物相組成。根據(jù)鋁土礦及溶出赤泥的鋁硅質(zhì)量比，計(jì)算氧化鋁的溶出率。根據(jù)中試條件實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在溶出溫度分別為230，240，250，255，260和265 ℃；溶出液分子比(Na和Al分子比)分別在1.39~ 1.61之間；溶出時(shí)間為50~70 min；苛性堿質(zhì)量濃度為236 g/L；CaO摻入量為9%，石灰中有效CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91.21%，總CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為93.10%，以氧化鋁相對(duì)溶出率和赤泥中的鋁硅質(zhì)量比來(lái)考察原礦和焙燒礦的溶出效果。

3 結(jié)果與分析

3.1 焙燒脫硫試驗(yàn)結(jié)果分析

高硫鋁土礦懸浮態(tài)焙燒脫硫裝置系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行42 h后按計(jì)劃停車，圖3所示為懸浮爐溫度和預(yù)熱器出口廢氣中SO2的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)(35 h)。

1—懸浮爐底部溫度；2—懸浮爐頂部溫度；3—懸浮爐出口溫度；4—煙氣中SO2體積分?jǐn)?shù)。

系統(tǒng)投料量(750±10) kg/h，懸浮爐內(nèi)軸向溫度為450~650 ℃，懸浮爐入口溫度為(655±10) ℃，粉料在懸浮爐內(nèi)的有效停留時(shí)間約3 s，整個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)工藝參數(shù)穩(wěn)定，基本可實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作運(yùn)行。懸浮爐中部工況風(fēng)速7.5~7.8 m/s，懸浮爐出口煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)9.3%~11.5%，SO2體積分?jǐn)?shù)基本在4 500×10?6~5 300×10?6范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)的實(shí)物煤耗為51 kg/t。對(duì)采集的35組焙燒礦進(jìn)行XRD分析和硫物相分析，圖4所示為原料與焙燒礦XRD圖譜。

(a) 原料；(b) 焙燒礦

從圖4可以看出：高硫鋁土礦經(jīng)過(guò)焙燒，原料中的黃鐵礦FeS2脫硫生成赤鐵礦α-Fe2O3，一水硬鋁石和一水軟鋁石脫水生成α-Al2O3。除儀器自身的物理寬化外，導(dǎo)致某一物質(zhì)XRD峰寬化的主要原因是晶粒細(xì)化和晶格畸變(表現(xiàn)為微觀應(yīng)變)，焙燒礦中α-Al2O3的衍射峰(2=35.3°，37.8°，43.4°，57.4°和68.2°) 寬闊而彌散，說(shuō)明一水硬鋁石脫水形成了晶粒細(xì)小或者晶格畸變的α-Al2O3，通過(guò)Jade軟件對(duì)焙燒礦中α-Al2O3的(012)，(110)，(104)，(113)和(116)晶面的平均晶粒粒徑和微觀應(yīng)變進(jìn)行了計(jì)算，焙燒礦中α-Al2O3的平均晶粒粒徑為24.1 nm，微觀應(yīng)變?yōu)?.079 3；而原礦中一水硬鋁石的(110)，(111)，(121)，(140)和(221)晶面的平均晶粒粒徑為154.9 nm，微觀應(yīng)變?yōu)?.040 3。一水硬鋁石在焙燒過(guò)程中發(fā)生脫水和晶型轉(zhuǎn)變等反應(yīng)，結(jié)構(gòu)被破壞，新生的α-Al2O3晶粒粒徑為一水硬鋁石晶粒粒徑的15%左右，而微觀應(yīng)變又增加將近1倍，這種轉(zhuǎn)變提高了氧化鋁的化學(xué)活性，有利于氧化鋁的溶出。高嶺土脫水生成的Al2O3?2SiO2在焙燒礦衍射圖譜中沒(méi)有明顯的衍射峰或者“非晶包”(2介于15°~30°之間)，非晶化程度極高的物質(zhì)難以有晶格振動(dòng)峰，說(shuō)明偏高嶺石以結(jié)晶度很差的無(wú)序結(jié)構(gòu)存在于焙燒礦中。在稀相懸浮態(tài)下，礦石脫水和焙燒礦冷卻過(guò)程在數(shù)秒內(nèi)連續(xù)完成，在這種閃速焙燒和快速冷卻的熱工環(huán)境中，α-Al2O3難以形成具有完整結(jié)構(gòu)的粗大晶體，使得其呈現(xiàn)晶粒細(xì)小、微觀應(yīng)力大的結(jié)晶狀態(tài)；高嶺石原有的鋁氧八面體結(jié)構(gòu)被破壞，閃速焙燒使得高嶺石晶體轉(zhuǎn)變成形成結(jié)晶度很差的偏高嶺石。

對(duì)原料與焙燒礦中的硫物相和硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了分析對(duì)比，如表3所示。

表3 原料與焙燒礦中硫的分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

從表3可以看出：ST質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.93%、硫化物型硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.78%的高硫鋁土礦在懸浮爐內(nèi)軸向溫度655 ℃(底部溫度)—600 ℃(頂部溫度)—460 ℃(出口溫度)的工況下停留3 s左右，所得焙燒礦中ST平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30%、硫化物型硫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%，總脫硫率達(dá)到84.5%，硫化物型硫脫硫率達(dá)到97.2%。通過(guò)焙燒，基本消除了硫化物型硫?qū)罄m(xù)氧化鋁溶出工序的有害影響。

對(duì)于氣?固系統(tǒng)而言，稀相輸送床氣固相對(duì)速度比密相床中大得多，粉體顆粒能夠相對(duì)充分地分散在氣相當(dāng)中，顆粒之間的堆積和相互擠壓現(xiàn)象極大減弱，顆粒與氣體的有效接觸面積急劇增大，傳熱傳質(zhì)面擴(kuò)大。一般粉料流化床中，顆粒與氣體的有效換熱系數(shù)為4~42 kJ/(m2?h?℃)，而直徑為1 mm的顆粒在空氣中自由沉降時(shí)的傳熱系數(shù)為2 930 kJ/(m2?h?℃)[11?17]，本系統(tǒng)采用粒徑小于125 μm占97.6%的原料，微米級(jí)的固體顆粒更有利于傳熱傳質(zhì)速率的提高；另一方面，在稀相懸浮體中，氣相和顆粒湍流充分發(fā)展，混合體的雷諾系數(shù)增大，進(jìn)而熱量傳遞的溫度邊界層(附面層)和質(zhì)量傳遞的邊界層(附面層)厚度變小，溫度梯度和濃度梯度變大，傳遞動(dòng)力增大，傳熱傳質(zhì)速率得到極大提升，使得脫硫和脫水反應(yīng)能夠在極短的時(shí)間內(nèi) 完成。

3.2 焙燒礦溶出試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 溶出溫度對(duì)溶出效果的影響

在溶出時(shí)間60 min，石灰添加量9%，苛性堿質(zhì)量濃度236 g/L，溶出液分子比1.50的條件下考察了原礦和焙燒礦的溶出效果。圖5所示為溶出溫度對(duì)原礦和焙燒礦溶出效果的影響。

1—焙燒礦；2—原礦。

從圖5可以看出：溶出溫度對(duì)鋁土礦的溶出效果有較大影響，對(duì)原礦和焙燒礦溶出效果的影響規(guī)律基本一致，溶出率隨溶出溫度的升高而增加，所有溶出溫度下，焙燒礦的溶出率均高于原礦的溶出率。溶出溫度低于250 ℃時(shí)，溫度對(duì)溶出率影響較大。溶出溫度高于250 ℃時(shí)，原礦和焙燒礦的溶出率隨溶出溫度升高的增加速率減緩；對(duì)于焙燒礦，250 ℃時(shí)的相對(duì)溶出率已達(dá)到98.74%，260 ℃時(shí)的相對(duì)溶出率增加到99.46%，溫度高于260 ℃后相對(duì)溶出率愈趨不明顯；而原礦的溶出率隨溫度升高呈明顯的持續(xù)增加的趨勢(shì)，265 ℃時(shí)的相對(duì)溶出率僅為96.55%。焙燒礦的最佳溶出溫度宜選取在250~260 ℃之間。

3.2.2 溶出時(shí)間對(duì)溶出效果的影響

在溶出溫度260 ℃，石灰添加量9%，苛性堿質(zhì)量濃度236 g/L，溶出液分子比1.50的條件下考察原礦和焙燒礦的溶出效果。圖6所示為溶出時(shí)間對(duì)原礦和焙燒礦溶出效果的影響。

1—焙燒礦；2—原礦。

從圖6可以看出：在上述溶出條件下，在50~70 min內(nèi)，溶出時(shí)間對(duì)焙燒礦的溶出效果影響不明顯，60 min時(shí)的相對(duì)溶出率已達(dá)到99.46%，焙燒礦中的Al2O3基本溶出完全，延長(zhǎng)溶出時(shí)間對(duì)溶出率幾乎沒(méi)有影響；而原礦溶出率隨溶出溫度的升高持續(xù)增加，但70 min時(shí)的相對(duì)溶出率僅為95.60%，比焙燒礦溶出50 min時(shí)的相對(duì)溶出率還低3%。

3.2.3 溶出液分子比對(duì)溶出效果的影響

圖7所示為溶出液分子比對(duì)原礦和焙燒礦溶出效果的影響規(guī)律。溶出條件為溫度260 ℃，溶出時(shí)間60 min，石灰添加量9%，苛性堿質(zhì)量濃度236 g/L。

1—焙燒礦；2—原礦。

從圖7可以看出：相對(duì)于原礦，溶出液分子比對(duì)焙燒礦的溶出效果影響較小。溶出液分子比從1.39升高至1.61時(shí)，溶出赤泥鋁硅質(zhì)量比從1.16下降到1.00左右；對(duì)于原礦，溶出液分子比從1.39升高至1.60時(shí)，溶出赤泥鋁硅質(zhì)量比從1.72下降到1.10左右。溶出液分子比為1.46時(shí)，溶出赤泥鋁硅質(zhì)量比已達(dá)到1.03，Al2O3基本溶出完全；而原礦溶出赤泥鋁硅質(zhì)量比隨溶出液分子比增加持續(xù)降低。兼顧單位體積溶液的循環(huán)效率以及氧化鋁的溶出率，焙燒礦在上述試驗(yàn)條件下適宜的溶出液分子比應(yīng)在1.45~1.55之間；此時(shí)焙燒礦溶出赤泥鋁硅質(zhì)量比在1.00左右，相對(duì)溶出率接近99.5%。一水硬鋁石型鋁土礦焙燒后，新生成的α-Al2O3呈現(xiàn)晶粒細(xì)小、微觀應(yīng)力大的結(jié)晶狀態(tài)，新生成的偏高嶺石以結(jié)晶度很差的無(wú)序結(jié)構(gòu)存在，2種礦物的化學(xué)反應(yīng)活性提高，使得焙燒礦在進(jìn)行氧化鋁溶出時(shí)表現(xiàn)出比原礦優(yōu)異的溶出效果。

高硫鋁土礦經(jīng)過(guò)懸浮態(tài)焙燒脫硫預(yù)處理后，焙燒礦中硫化物型硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.05%，遠(yuǎn)低于我國(guó)氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)對(duì)有害硫的要求(≤0.7％)，完全符合溶出工段對(duì)鋁土礦的要求；硫化物型硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.78%的高硫鋁土礦粉料在懸浮爐內(nèi)軸向溫度650 ℃(底部溫度)—600 ℃(頂部溫度)—460 ℃(出口溫度)的工況下停留3 s左右，所得焙燒礦在溶出溫度250~260 ℃、溶出時(shí)間60 min、石灰添加量9%、苛性堿質(zhì)量濃度236 g/L、溶出液分子比1.50的條件下，赤泥鋁硅質(zhì)量比1.00左右，相對(duì)溶出率接近99.5%，溶出效果大大提高。高硫鋁土礦中的硫以氣體SO2形態(tài)隨廢氣排出，對(duì)廢氣進(jìn)行脫硫后可以達(dá)到環(huán)境排放要求。

3.3 能耗分析

從整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知：高固氣比懸浮態(tài)中試裝置焙燒鋁土礦原料的實(shí)物煤粉消耗量為51 kg/t，折合為標(biāo)煤消耗量為38 kg/t。造成試驗(yàn)系統(tǒng)煤耗偏高的原因主要有2點(diǎn)：1) 試驗(yàn)系統(tǒng)表面散熱嚴(yán)重，一是為方便試驗(yàn)系統(tǒng)的隨時(shí)改造和調(diào)整，預(yù)熱系統(tǒng)采用耐熱鋼與物料直接接觸，加礦棉作簡(jiǎn)單保溫；二是因系統(tǒng)規(guī)模較小，單位物料的散熱面積相對(duì)較大，造成表面散熱量達(dá)到14.95 kg/t(標(biāo)煤消耗量)；2) 本系統(tǒng)的冷卻裝置采用單級(jí)旋風(fēng)冷卻器，出冷卻器焙燒礦的溫度高達(dá)260 ℃以上，由此帶來(lái)的冷卻系統(tǒng)損失的回收熱量大于4.9 kg/t(標(biāo)煤消耗量)。

在工業(yè)裝置中，單機(jī)規(guī)模越大，表面散熱量占系統(tǒng)熱耗的比例越小，當(dāng)單機(jī)規(guī)模大至6 000 t/d的級(jí)別時(shí)，系統(tǒng)表面散熱量可控制在3 kg/t(標(biāo)煤消耗量)以下；在工業(yè)裝置中，根據(jù)出冷卻器焙燒礦的目標(biāo)溫度范圍，可以設(shè)置多級(jí)串聯(lián)的冷卻系統(tǒng)，如可將排出焙燒礦的溫度控制在80~100℃，從而可以保證系統(tǒng)綜合熱耗小于22 kg/t(標(biāo)煤消耗量)。

4 結(jié)論

1) 高固氣比懸浮態(tài)焙燒系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高硫鋁土礦的快速高效脫硫，硫化物型硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.78%的高硫鋁土礦粉料在懸浮爐內(nèi)軸向溫度650 ℃(底部溫 度)—600 ℃(頂部溫度)—460 ℃(出口溫度)的工況下停留3 s左右，所得焙燒礦硫化物型硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.05%。

2) 快速焙燒可以明顯提高鋁土礦的溶出效果，在溶出溫度250~260 ℃、溶出時(shí)間60 min、石灰添加量9%、苛性堿質(zhì)量濃度236 g/L、溶出液分子比1.50的條件下，焙燒礦赤泥鋁硅質(zhì)量比1.00左右，相對(duì)溶出率接近99.5%，相對(duì)于原礦，焙燒礦的溶出效果大幅提高。

3) 高固氣比懸浮態(tài)焙燒系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高硫鋁土礦的快速高效脫硫，快速焙燒可以明顯提高鋁土礦的溶出效果，焙燒系統(tǒng)臺(tái)式處理量大、綜合熱耗低，是一種高效的高硫鋁土礦焙燒脫硫方式。

4) 750 kg/h的連續(xù)性試驗(yàn)結(jié)果提供了有益的中試數(shù)據(jù)，為高硫鋁土礦懸浮態(tài)焙燒工業(yè)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)提供了必要的工藝和設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)。

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Suspended roasting of high sulfur bauxite and leaching performance of roasted ore

ZHAO Bo, CHEN Yanxin, JIU Shaowu, HAN Ding, YANG Pan

(School of Materials and Mineral Resources, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

In order to verify the reliability and long-term stability of roasting process and device of high sulfur bauxite, to provide the device structure and process parameters for the design of industrial production line, the 750 kg/h consecutive experiment was conducted by high sulfur bauxite raw ore(1.93% sulfur) from the north Guizhou province based on basic research and pilot test. The results show that when axial furnace temperature is between 650 ℃ to 470 ℃, and the effective powder resident time is about 3 s, the average sulfide sulfur content of roasted ore is decreased to 0.05%, and total sulfur content is decreased to less than 0.3%. Digestion rate of roasted ore is also tested. Among the parameters in test ranges, the digestion temperature is 260 ℃; the digestion time is 60 min; the lime content is 9%; the caustic concentration is 236 g/L and the stripping liquid molecular ratio is 1.50; the relatively leaching ratio closes to 99.5%. Compared with raw ore, the leaching capacity of roasted ore is greatly improved.

high sulfur bauxite; high solid-gas ratio; suspension roasting; consecutive experiment; leaching ratio

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.004

TF803.1

A

1672?7207(2016)09?2929?07

2015?08?10；

2015?11?25

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAA08B00) (Project (2012BAA08B00) supported by the National Science and Technology Pillar Program of China)

陳延信，博士，副教授，從事氣固兩相換熱與反應(yīng)工程；E-mail: lilolmln@163.com

(編輯 趙俊)