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硼矿粉闪速焙烧新工艺研究
0
某些硼化合物具有质轻、阻燃、耐热、高硬、高强、耐磨及催化的特殊性能，在现代工业及研究领域，起着极为重要的作用。硼和硼的化合物广泛用于化工、冶金、光学玻璃、国防、原子能、医药、橡胶及轻工业部门。
目前我国硼矿探明储量约5000万吨(以B2O3计)，品位较低，其中一半为硼镁石和硼铁混合型矿石，盐卤型和盐湖固体硼矿石储量约2000多万吨，而便于加工的硼镁石矿主要是“白硼矿”， 该类矿只占全国总储量的8.98%，不足300万吨。据有关部门统计预测，未来几年硼砂和硼酸需求将分别以6.25%和6.50%的速度增长，到2010年我国硼砂、硼酸及其他含硼化学品需求量将超过50万吨，相应硼矿(标矿)需求量为220万吨，将造成硼镁石矿的供求形势越来越严峻，急需开发新的硼资源来满足日益增长的工业需求。因此，仅辽东地区储量就达2. 8亿吨、占我国硼矿资源的57.88%的“黑硼矿”(即硼铁矿)就成为综合利用硼矿资源的主要处理对象。
对硼铁矿进行活化焙烧的主要问题是焙烧难控制，活性差。原矿中硼的活性约为40%[2]，焙烧后硼铁精矿的活性一般≤70%。因此，必须设计合理的焙烧工艺及设备，才能将硼矿资源高效利用。
2 硼矿粉焙烧工艺分析
没有焙烧活化的生矿粉化学活化率很低。例如凤城硼镁矿的生矿粉在过量碱约50%，碱液浓度约为30%的条件下，常压碱解率仅为30%~40%;而熟矿粉的碱解率可达80%以上。硼镁矿经焙烧后，矿物的晶体结构发生变化，质地疏松多孔，化学活性显著提高，使矿石中的B2O3较易为分解剂所浸取。为此，碳碱法、烧碱法制取硼砂或多硼酸钠法以及碳氨法生产硼酸均需对硼矿进行活化焙烧。焙烧质量的好坏，对于分解率的高低起决定性的作用。同时，焙烧适度的矿石，硬度降低，质地松脆，较易粉碎。因此在工业生产中，要力求提高焙烧质量，防止生烧，避免过烧。
2.1 硼镁铁矿焙烧机理
硼镁矿除含纤维硼镁石外，还含有蛇纹石、白云石、菱镁石、方解石、水镁石、橄榄石、滑石、灰绿泥石和云母石等伴生矿物。矿石的产地不同，伴生矿物的种类和数量也不同[3]。
在焙烧过程中影响硼镁铁矿活性的主要物理化学变化如下[4,5]：
加热至300~400℃时，磁铁矿氧化为赤铁矿造成矿物结构的扭曲使微裂纹增加，加大了比表面积,即增加了碱解时的反应面积，进而使B2O3活性上升。
4Fe3O4+O2=6Fe2O3
在500~750℃时，蛇纹石脱水分解造成大量微孔隙出现，使比表面积进一步增大。其主要反应为：
Mg3Si4O11·3Mg(OH) 2·H2O=Mg3Si4O11·3Mg(OH) 2+H2O↑
Mg3Si4O11·3Mg(OH)2=Mg3Si4O11+3MgO+3H2O↑
当焙烧温度达到620~800℃时，不易碱解的纤维硼镁石(2MgO·B2O3·H2O)转化为易于碱解的遂安石(MgO·B2O3)，使B2O3活性上升，但焙烧温度达900℃后遂安石量减少，活性也呈下降趋势。其主要反应为：
2MgO·B2O3·H2O=2MgO·B2O3+H2O↑
随着焙烧温度升高到超过800℃且焙烧时间过长时，将造成部分B2O3形成难以碱解的硼镁铁矿(3MgO·Fe3O4·B2O3)，进而造成B2O3活性的下降。
焙烧后硼精矿体积密度减少(约5%)，表明矿粉内孔隙率增加，有益于碱与B2O3接触，使B2O3活性提高。
在上述变化中，纤维硼镁石的分解是硼矿粉脱水的主要化学反应[6]。
2.2 国内现有硼矿粉焙煅烧工艺及设备
我国生产硼矿的大企业约有16家，主要集中在辽宁，共有11家[7]。目前对于低品位硼铁矿的焙烧尚无先进的工业化装置，多数企业将其弃之外排,造成了资源的大量浪费和环境污染[8]。少数厂家采用回转窑作为硼矿粉的焙烧设备。用回转窑焙烧得到的产品通常活化率和浸取率较低，煤耗高，热效率差，硼矿资源难以很好利用。
也有公司曾试图采用流态化焙烧方式，但由于硼矿含有20%~30%的表面水，使得其应用受到很大阻碍。国内众多专家和研究人员正在寻求适合的解决方案。
3 闪速焙烧新工艺
3.1 闪速焙烧工艺
辽宁凤城地区的硼镁铁矿属低铁低硼的贫杂矿，其矿物多项组成如下：三氧化二硼(B2O3)8%～10%、全铁(TFe)24%～28%、氧化镁(MgO)25%～28%、二氧化硅(SiO2)18%～21%、氧化钙(CaO)1%～2%。
辽宁东大粉体工程技术有限公司(以下简称东大粉体公司)与凤化集团合作，对低品位硼铁矿活化焙烧难控制、活性差的难题进行了大量试验和研究，设计了将预干燥和焙烧有机结合的闪速焙烧新工艺，焙烧后成品的活化率明显比由传统回转窑焙烧的产品活化率要高。例如品位为10%以上的硼铁矿可以焙烧到活化率为90%以上;品位在6%~10%范围的硼铁矿可以焙烧到活化率为80~85%。其原则工艺流程如图1所示，工艺装置如图2所示。
具体流程是：利用给料机向斯德干燥机中给入未干燥的硼矿粉，硼矿粉在干燥机内被预干燥，干燥的热源为后面的焙烧工序所产生的热尾气;干燥后物料和空气的混合物进入气固分离器被气固分离，气体部分被排出，而固体部分被送至煅烧炉内进行活化焙烧，焙烧热源为燃煤直火热风炉产生的热烟气(计算得所需温度约为900~950℃);焙烧后物料和空气的混合物被送至另一台气固分离器中进行再一次气固分离，其中气体部分被送至干燥机作为干燥热源，固体部分经冷却后再捕集得到成品，即活化率高的硼矿粉。在上述工艺确定后，东大粉体公司同风化集团合作确定建设年产5万吨的焙烧干燥生产线，并投产应用。
硼矿粉闪速煅烧原则工艺流程
图2 硼矿粉闪速焙烧工艺装置
1—给料机，2—斯德干燥机，3—气固分离器，4—煅烧炉，
5—热风炉，6—成品捕集器，7—储仓，8—引风机
3.2 工业化生产数据分析
考虑使吨硼矿产品能耗达到 ，在风化工程项目中采用了燃煤直火热风炉作为焙烧热源。使煤的热能利用率达到90%以上。采取的另一项能源利用的方式是将煅烧炉煅烧硼矿粉分解的尾气直接进入干燥系统，使排出的尾气温度略高于SO2露点温度。在实验室试验中，设计焙烧温度为900~950℃，但在实际工业生产条件下，发现 适宜的焙烧温度为1000~1050℃，工业化生产结果见表1。
表1 硼矿粉闪速焙烧试验结果
|
样品编号 |
原料含水量（%） |
原料硼品位（%） |
焙烧温度（℃） |
终活化率（%） |
|
1 |
20 |
10~12 |
1050 |
92~93 |
|
2 |
20 |
8~10 |
1050 |
87~90 |
|
3 |
20 |
6~8 |
1050 |
80~85 |
经生产运行所测定的数据如下：
吨产品耗煤：150~160公斤; 电耗：约46度/吨产品;
产品烧失率：≤3%; 硼精粉小时产量：≥6.25吨。
在上述系统中，如果进行适当调整，还可以降低能耗，较大幅度地提高产量。
上述工业化生产结果表明，与国内现有低品位硼铁矿焙烧工艺相比，这套工艺 终使低品位硼铁矿的活化率得到了更大提高。分析其原因有两点：一是在本工艺中，由于斯德干燥机的打散作用，使得硼铁矿在焙烧前被加工到一定细度，使得硼铁矿的比表面积增大，有利于瞬间焙烧;二是在预干燥和活化焙烧过程中，物料在设备内均做翻腾旋流运动，使得焙烧效果充分且均匀。
4 结论
生产证明同其他方式相比，本工艺可将硼铁矿的活化率得到更大提高，具有以下几点优势：
(1)操作方便，焙烧时间短，整个流程在数秒至数十秒之内完成;
(2)因为对焙烧产生的热尾气进行了回收利用，所以总能耗较低;
(3)产品活性高，硼精粉B2O3品位≥7.5%时，焙烧活性可达到80%~90%;
(4)具有废气净化装置，对环境污染小;
(5)设备占地面积小，维护方便。
在实际生产过程中，也发现该套工艺设备存在以下不足之处：
实验室试验得所需 焙烧温度为900~950℃， 初的机烧热风炉是参考此温度范围进行耐热设计的，但在实际生产中的焙烧温度为1000~1050℃，此时热风炉在生产过程中寿命减短，易出现故障。
针对这个不足，东大粉体公司提出了以下对应的改进方案。
方案一：改造燃煤热风炉的结构，使之耐热性能提高，能适应1200℃左右的高温环境;
方案二：改用煤气发生炉产生的煤气燃烧作为热源，可以减少机烧热风炉的故障率。但比起燃煤热风炉来，燃气热风炉的热利用率较低(约低10%~15%)。这是由于煤在转换成煤气的过程中，会有一定的热量损失，燃煤热风炉的热利用率能达到90%以上，而燃煤气热风炉的热利用率只能达到75~80%;
方案三：改用燃烧煤粉的热风炉，这样既可产生足够高的温度，又能较好地防止因热风炉过热而引发的故障。可以采用含灰分较低的煤粉，将产生的灰尘度控制到2~3%左右。
除了上述在热源方面的调整之外，还可以在优化设计上有所提高。
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