貴州天柱重晶石回轉(zhuǎn)窯還原焙燒生產(chǎn)工藝研究

閻振宗，王 東

（1.河北辛集化工集團(tuán)，河北石家莊052360；2.長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司）

中國是當(dāng)今世界上重晶石資源最豐富的國家，探明儲量列世界第一， 同時也是世界重晶石的主要生產(chǎn)國和出口國。 貴州省是重晶石礦資源豐富的省份，探明儲量為1.24 億t，經(jīng)開采后的保有礦石儲量占全國總量的34%，排名第一位［1-2］。 全世界重晶石礦產(chǎn)資源主要集中在中國， 而中國的重晶石資源又以貴州省天柱縣為最。天柱縣自然資源得天獨(dú)厚，蘊(yùn)藏有多個特大型重晶石礦床，礦石品位高，是中國最大的重晶石生產(chǎn)基地。

為徹底改變重晶石礦開采利用過程中存在的資源浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，按國家“十一五”期間發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)節(jié)約型社會的倡導(dǎo)和要求，貴州天柱化工有限責(zé)任公司與長沙礦冶研究院合作， 由公司投入資金對重晶石回轉(zhuǎn)窯還原焙燒回收利用技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，針對貴州省的重晶石礦資源，應(yīng)用國內(nèi)先進(jìn)的還原焙燒—浸出技術(shù)，進(jìn)行小試、中試，并將科技成果運(yùn)用到大批量的生產(chǎn)中， 實(shí)現(xiàn)重晶石礦資源利用技術(shù)的整體提高，達(dá)到合理利用資源的目的。

1 工藝研究

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用重晶石原料由貴州天柱五洲化工有限責(zé)任公司提供，重晶石粒度為0～12 mm；重晶石中主要成分鋇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.96%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高為10.99%，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低為0.16%，其他成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.89%； 重晶石中鋇主要以硫酸鋇形式存在，占80%，少量以碳酸鋇形式存在，占2.60%。 還原焙燒燃料為粉煤和粒煤，粉煤粒度＜74 μm，粒煤粒度為0～8 mm，其成分分析結(jié)果見表1。

表1 燃煤成分分析Table 1 Composition analysis of coal

1.2 研究方法

以重晶石為原料， 窯頭拋煤和窯尾配煤作固體還原劑，配入回轉(zhuǎn)窯中開展重晶石還原焙燒研究。焙燒過程中，回轉(zhuǎn)窯窯頭粉煤為主要加熱燃料、窯頭拋煤為輔助供熱。 窯尾粉礦倉的粉礦和粉煤倉的還原煤分別用定量給料機(jī)按煤18%～20%的比例混合配料，經(jīng)膠帶輸送機(jī)給入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行還原焙燒。加熱用的粉煤和一次空氣從燃燒系統(tǒng)噴入窯內(nèi)進(jìn)行燃燒。 同時，從窯頭拋入加礦量4%～6%的煤作為輔助供熱及還原。在窯身裝有3 臺窯背風(fēng)機(jī)，鼓入二次空氣使得未燃燒的粉煤繼續(xù)燃燒以加熱礦石。經(jīng)150～180 min 的還原焙燒后的成品焙燒礦通過排料漏斗直接進(jìn)入料盅，運(yùn)至浸出車間進(jìn)行粗鋇浸出，浸出的合格液進(jìn)入后續(xù)碳化工段，浸出渣運(yùn)至渣場。回轉(zhuǎn)窯排出的煙氣經(jīng)余熱鍋爐熱交換， 產(chǎn)出蒸汽用于加熱濃鹵和稀鹵， 煙氣再經(jīng)過電除塵器除塵和水膜收塵后進(jìn)行煙氣脫硫， 煙氣含塵濃度和脫硫達(dá)標(biāo)后由引風(fēng)機(jī)送入60 m 煙囪排入大氣。回轉(zhuǎn)窯還原焙燒重晶石礦詳細(xì)工藝流程見圖1。

圖1 回轉(zhuǎn)窯還原焙燒重晶石工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of reduction roasting barite in rotary kiln

1.3 試驗(yàn)主要設(shè)備

試驗(yàn)使用的設(shè)備主要包括回轉(zhuǎn)窯、熱風(fēng)機(jī)、余熱鍋爐、電除塵器、脫硫塔、鍋爐引風(fēng)機(jī)、煙囪等。

2 結(jié)果與討論

貴州天柱縣周圍重晶石礦分布廣泛， 貴州天柱化工有限責(zé)任公司多年從事鋇鹽生產(chǎn)， 由于本廠原礦致密度高，且礦石耐火度不一致，所以在回轉(zhuǎn)窯焙燒時窯內(nèi)的還原氣氛直接影響到粗鋇轉(zhuǎn)化率。 由于礦石復(fù)雜、耐火度不同，所以焙燒溫度、拋煤等工藝參數(shù)的選擇和控制， 都將影響到整個生產(chǎn)系統(tǒng)能否順利運(yùn)行和取得良好技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2.1 焙燒溫度對還原效果的影響

還原焙燒溫度是影響重晶石還原焙燒效果的主要因素。 由于焙燒溫度低于700 ℃重晶石還原反應(yīng)幾乎不進(jìn)行［3］。 溫度越高反應(yīng)速度越快，但溫度高于1 200 ℃反應(yīng)速度并不會加速遞增，反而會造成窯尾煙氣溫度升高，耗費(fèi)能源燃料。回轉(zhuǎn)窯焙燒溫度要平衡回轉(zhuǎn)窯的還原煤中灰分和礦石雜質(zhì)開始軟化的溫度，否則，會造成回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料熔融，甚至結(jié)圈，結(jié)圈不斷增大會引起窯尾返料，直接影響產(chǎn)品回收率，甚至停窯［4-5］。 在生產(chǎn)過程中，熱電偶測得的物料溫度要低于實(shí)際料溫，因?yàn)闊犭娕疾皇侵苯勇袢肓蠈又校瑹犭娕技恿吮Ｗo(hù)套管， 本文只以儀表顯示溫度作為結(jié)果考查。 綜合考慮，在處理量為15 t/h、轉(zhuǎn)速為0.2～0.4 r/min 條件下進(jìn)行焙燒溫度試驗(yàn)， 焙燒溫度試驗(yàn)范圍在1 000～1 250 ℃。

焙燒溫度試驗(yàn)結(jié)果見表2。 從表2 可知，工業(yè)試驗(yàn)焙燒溫度從1 000 ℃到1 250 ℃， 粗鋇浸出率達(dá)91.30%。 生產(chǎn)結(jié)果表明，提高回轉(zhuǎn)窯焙燒溫度能加速碳的氣化反應(yīng)和硫酸鋇的還原反應(yīng)， 加速礦石中BaSO4向BaS 轉(zhuǎn)化，但是溫度過高礦石中BaSO4會與雜質(zhì)Al2O3、SiO2、Fe2O3以及過程中生成的Fe3O4和FeO 發(fā)生反應(yīng)，生成硅酸鹽（BaSiO3、BaSiO4）、鐵酸鹽（BaO·Fe2O3）和鋁酸鹽（BaO·Al2O3）等物質(zhì)，這些物質(zhì)在高溫時極易熔融結(jié)塊， 阻礙重晶石的還原反應(yīng)，使焙燒好的粗鋇中硫化鋇含量降低而浸出渣量增大， 更嚴(yán)重時會形成回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈， 甚至導(dǎo)致停產(chǎn)。從延長生產(chǎn)周期和提高經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，應(yīng)盡量減輕回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的生成。 還原段溫度儀表顯示大于1 200 ℃，極易形成結(jié)圈，且不容易脫落。

表2 焙燒溫度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test result of roasting temperature

貴州天柱重晶石礦石回轉(zhuǎn)窯還原焙燒要求高溫區(qū)溫度為1 050～1 200 ℃，礦石在高溫區(qū)停留時間為150～180 min，在高于1 250 ℃條件下操作，短時間內(nèi)可獲得較高粗鋇轉(zhuǎn)化率， 但極易造成過燒結(jié)礦反而降低粗鋇浸出率，大大降低鋇的收率；窯頭焙燒料出窯溫度控制在700～900 ℃為宜， 溫度過低將存在欠燒現(xiàn)象（粗鋇轉(zhuǎn)化率低），溫度過高將出現(xiàn)礦石熔融現(xiàn)象（形成礦石包裹，粗鋇轉(zhuǎn)化率降低）；窯尾溫度控制在500～600 ℃最佳。 實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)具體礦石來調(diào)整窯內(nèi)溫度場分布。

2.2 拋煤對還原效果的影響

拋煤裝置是回轉(zhuǎn)窯還原焙燒提高產(chǎn)能、 節(jié)約還原劑及燃料的有效裝備， 可達(dá)到有效控制還原性氣氛、延長高溫帶、提高產(chǎn)能、節(jié)約還原劑及燃料的目的。 拋煤裝置系統(tǒng)由煤倉、拋煤羅茨風(fēng)機(jī)、定量給料機(jī)、拋煤槍、下料溜子、管閥等組成。 拋煤羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量根據(jù)拋煤量大小和還原焙燒情況進(jìn)行調(diào)控。圖2 是拋煤工藝設(shè)備聯(lián)系圖。

圖2 拋煤工藝設(shè)備聯(lián)系圖Fig.2 Equipmentconnectiondiagramofcoalthrowingprocess

從表3 可以看出， 回轉(zhuǎn)窯還原焙燒重晶石礦處理量可達(dá)16.80 t/h，開窯周期為70 d，周期內(nèi)作業(yè)率為95%。 與國內(nèi)其他類似生產(chǎn)工藝比較，貴州天柱化工有限責(zé)任公司重晶石礦回轉(zhuǎn)窯還原焙燒的熱耗可以控制在（700±10）萬kJ/t，噸礦耗煤289.79 kg。理論計(jì)算貴州天柱重晶石礦焙燒熱耗為520.97 萬kJ/t，通過分析得知焙燒料（即粗鋇）殘?zhí)苛繛?%，因此在生產(chǎn)過程中的熱耗和處理量還有一定的潛力可挖。

在φ3.2 m×60 m 回轉(zhuǎn)窯裝備上進(jìn)行現(xiàn)場生產(chǎn)工業(yè)試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果顯示，相比原有鋇鹽回轉(zhuǎn)窯焙燒裝置的產(chǎn)能提高20%、粗鋇轉(zhuǎn)化率由原來的60%提高到了70%、配煤由200 kg/t 降至約190 kg/t，在提高礦石回收率的同時降低了能耗， 拋煤工藝可以加強(qiáng)窯內(nèi)還原氣氛， 提高產(chǎn)能， 實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用、節(jié)能降耗，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

回轉(zhuǎn)窯還原焙燒采用從窯尾（給料端）配入煤和窯頭（排料端）拋入煤相結(jié)合的方式進(jìn)行還原煤給入，能夠有效延長反應(yīng)高溫帶，大大增加了回轉(zhuǎn)窯處理量，可以保證合理的窯內(nèi)溫度場分布、保持弱還原性氣氛以及提高產(chǎn)能， 同時降低了單位能耗和單位成本。具體生產(chǎn)操作中，當(dāng)窯內(nèi)溫度升到800～950 ℃時，窯尾開始加入礦石和煤的混合料，投料1 h 時，從窯頭開始拋煤，窯內(nèi)溫度迅速升高，高溫帶拉長；1 h 后距離窯口1/2 窯身長處溫度達(dá)到1 100～1 200 ℃，還原焙燒高溫帶長度為20～40 m。

2.3 還原焙燒熱耗的控制

在2017 年7 月4 日17:08 開始投料至2017 年9月18 日18:00 停產(chǎn)檢修， 在這段期間內(nèi)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：與原有還原焙燒工藝相比，采用拋煤工藝及裝置使原有鋇鹽回轉(zhuǎn)窯焙燒的產(chǎn)能提高20%、粗鋇轉(zhuǎn)化率由原來的60%提高到70%、窯尾配煤由200 kg/t 降至約190 kg/t，整個生產(chǎn)過程中燃料入窯熱耗達(dá)到706.57 萬kJ/t，詳見表3 貴州天柱化工有限責(zé)任公司重晶石礦回轉(zhuǎn)窯還原焙燒能耗指標(biāo)。

表3 重晶石礦回轉(zhuǎn)窯還原焙燒能耗指標(biāo)Table 3 Energy consumption index for reduction roasting in rotary kiln of barite mine

3 結(jié)論

1）貴州天柱重晶石礦石回轉(zhuǎn)窯還原焙燒高溫區(qū)溫度在1 050～1 200 ℃可獲得較好的粗鋇轉(zhuǎn)化率，焙燒溫度過高極易造成過燒結(jié)礦反而降低粗鋇浸出率，大大降低鋇的收率。2）重晶石礦還原焙燒對窯內(nèi)氣氛要求高，需要強(qiáng)還原氣氛，采用拋煤工藝對重晶石礦還原效果顯著。采用拋煤工藝及裝置，使原有鋇鹽回轉(zhuǎn)窯焙燒的產(chǎn)能提高20%、粗鋇轉(zhuǎn)化率由原來的60%提高到70%、配煤由200 kg/t 降至約190 kg/t，在提高礦石回收率的同時降低了能耗， 拋煤工藝可以加強(qiáng)窯內(nèi)還原氣氛，提高產(chǎn)能和粗鋇轉(zhuǎn)化率。3）采用φ3.2 m×60 m 回轉(zhuǎn)窯還原焙燒處理貴州天柱重晶石礦，處理量可達(dá)到16.80 t/h，焙燒礦石及生產(chǎn)碳酸鋇考核指標(biāo)合格， 對合理利用中國儲量巨大的重晶石礦資源具有重要的現(xiàn)實(shí)意義， 為提高重晶石礦利用率和節(jié)能減排開辟了新的有效途徑。