CN103992031B

CN103992031B - 一种利用矿热电炉熔炼煤矸石与红土镍矿制备无机矿物纤维的方法

Info

Publication number: CN103992031B
Application number: CN201410197256.6A
Authority: CN
Inventors: 王殿辉; 尹文新; 赵景富; 孙镇; 宋向荣
Original assignee: SHENYANG RESEARCH INSTITUTE OF NONFERROUS METALS; Shanxi Ju Yibaoxin Novel Material Co Ltd
Current assignee: Shanxi Ju Yibaoxin novel material company limited; Shenyang Nonferrous Metal Research Institute Co., Ltd.
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2034-05-12
Also published as: CN103992031A

Abstract

一种利用矿热电炉熔炼煤矸石与红土镍矿制备矿物纤维的方法，其特点是：在煤矸石中配入红土镍矿和石灰，使熔渣成份符合无机矿物纤维的要求；煤矸石经过成份调整并干燥后采用矿热电炉熔化，通过调整二次电压和电流有效控制熔渣温度、粘度，煤矸石中含有的固定碳作为还原剂在熔炼过程把熔渣中的镍和铁还原成镍铁合金副产品；矿热电炉与离心制纤机之间增设有保温电炉，矿热电炉熔炼定期排放熔渣和镍铁，其中熔渣流入进保温电炉，再从保温电炉中连续、恒流量给入离心制纤机制备出无机矿物纤维。本发明利用煤矸石中的碳还原红土镍矿中的镍和铁，产出副产品镍铁合金，具有工艺过程能源利用率高、低污染、运行成本低、经济和社会效益好的特点。

Description

一种利用矿热电炉熔炼煤矸石与红土镍矿制备无机矿物纤维的方法

技术领域

本发明涉及一种无机矿物纤维的制备方法,特别是涉及一种利用矿热电炉熔炼煤矸石与红土镍矿制备矿物纤维的方法。本发明以煤矸石作为制备无机矿物纤维的主要原料，配入适当比例的红土镍矿，作为导电介质满足电炉熔炼条件，同时作为纤维成份调整的物质，使熔融渣成分满足无机矿物纤维成分的要求。在两种成份熔炼过程中利用煤矸石中的固定碳还原红土镍矿中的镍和铁，产出高附加值的镍铁合金副产品，实现煤矸石与红土镍矿中有益组分综合利用，显著提高项目的经济效益和社会效益。本发明属于资源综合利用技术领域。

背景技术

煤矸石是煤炭开采及利用过程中产生的固体废渣，全国每年的排放量约达3.8 亿吨，是我国排放量最大的工业废弃物之一。煤矸石的堆积不但占用大量土地，而且还带来一系列环境问题，如煤矸石山溢流水使地下水呈现高矿度化、高硬度，导致土壤盐碱化，使农作物减产甚至绝收；煤矸石长时间露地堆积后，往往会发生自然现象，并排放有毒的二氧化硫、硫化氢等气体，污染环境，破坏生态平衡，迫切需要综合治理。

多年来，人们一直致力于煤矸石综合利用方面的研究，研发技术方向主要包括：（1）煤矸石用作填筑材料。主要是指充填沟谷、采煤塌陷区等低洼区的建筑工程用地，或用于填筑铁路、公路路基等，或用于回填煤矿采空区及废弃矿井；（2）煤矸石制砖。利用煤矸石自身的发热量提供的热能来完成干燥和焙烧的工艺过程，基本不需外加燃料，仅在煤矸石发热量较低时才向煤矸石中掺入少量煤炭；（3）制作水泥。由于煤矸石和粘土的化学成分相近并且有一定量的发热量，可替代粘土作为生产水泥的原料或作为混合材料直接掺入熟料中增加水泥的产量；（4）煤矸石发电。是煤矸石综合利用中社会、环境、经济效益相统一的最有效途径，但是对热值有一定的要求；（5）提取铝盐。煤矸石一般含有16%～36%的氧化铝,是制备铝盐的资源之一。

以上几种处理煤矸石综合利用技术，均存在一定的问题。第一种方法煤矸石利用价值低，碳资源浪费；第二种方法是产品附加值低，运输半径有限；第三种方法对煤矸石成份有严格限制；第四种方法是产生二次污染，并要求有相当的发热值；最后一种方法是铝产品长期供大于求，价格处于低位，始终受到成本的严重制约。

针对煤矸石综合利用存在的问题，人们正在积极研发煤矸石有效综合利用途径。煤矸石制备无机矿物纤维并应用于制造建筑保温材料，是近年来发展起来的新技术。其生产过程大致为：选择成份合适的煤矸石加入石灰石和添加剂，在鼓风炉中以焦炭为燃料加吹富氧进行熔化，融化后的熔渣流到高速离心制纤机上制成无机矿物纤维。该方法技术简单，设备成熟，产品灵活，市场需求大，附加值比煤矸石制砖项目略高。

然而，这一工艺虽已有数年的应用历史，但存在着一些不容忽视的问题，直接影响这一技术的发展和推广，其主要表现是。

（1）技术本身缺陷导致熔化设备落后、能耗高、污染重。

由于煤矸石成份以SiO₂和Al₂O₃为主，固体状态下导电率极低，不能使用矿热电炉熔化，而必须采用以焦炭为燃料的富氧鼓风炉。这种熔化设备和熔化方式温度不易控制，造成纤维生产不稳定，而且热利用率低、二氧化硫和烟尘污染重。

（2）工艺及装备特点致使生产成本高居不下。

该技术采用鼓风炉熔化煤矸石原料，除鼓风炉本体外还要有一套制氧系统，烟气脱硫系统和炉体水循环冷却系统，直接导致设备投资过大，折旧和维修费用高而推高制造成本；炉体水循环冷却、鼓风均造成焦炭热效率低，加上脱硫设施运转导致生产运行成本偏高。据市场调研分析，现行工艺生产无机矿物纤维基本处于微利或保本状态。

（3）煤矸石中碳利用价值低。

现行煤矸石制备无机纤维技术中，煤矸石中的固定碳只起到了燃烧发热的作用，是最基本的低价值利用。

针对鼓风炉熔化煤矸石制备无机矿纤维存在的投资大、能耗高、污染重、效益低的问题，研究开发一种有效改进上述不足的新工艺已是当务之急。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足,提出一种高效率、低污染利用煤矸石制备无机矿物纤维先进可行的技术方案，即利用红土镍矿的导电性和SiO₂、MgO、Ni、Fe等有用成份，将其与煤矸石按一定比例混合，采用矿热电炉熔炼制备无机矿物纤维，熔炼过程中利用煤矸石中的碳还原红土镍矿中的镍和铁，产出副产品镍铁合金，实现工艺过程能源利用率高、低污染、运行成本低、经济和社会效益好的目标。

本发明给出的技术解决方案是：这种利用矿热电炉熔炼煤矸石与红土镍矿制备矿物纤维的方法，其特点是由以下步骤构成。

1.配料。

在煤矸石中配入一定数量的红土镍矿和石灰，使熔渣的成份符合无机矿物纤维的要求，还可提高原料的导电性能使电炉熔炼成为可行，所述的煤矸石的固定碳含量9.44～13.06%、灰分含量78.67～81.3%，其中SiO₂ 59.69～67.31%、Al₂O₃19.38～25.08%，红土镍矿主要成份为：Ni 1.84～2.02%、Fe 14.33～15.52%、MgO 11.68～13.63%、SiO₂ 45.71～46.56%，原料配比为煤矸石：红土镍矿：石灰=40～42：40～45：15～20。

2. 矿热电炉熔炼。

由于导电性能好的红土镍矿加入，煤矸石经过成份调整并干燥后采用矿热电炉熔化，通过调整二次电压和电流有效控制熔渣温度、粘度，电炉上方高温烟气用于原料（红土镍矿和煤矸石）干燥，大幅度提高了能源利用效率，煤矸石中含有的固定碳作为还原剂在熔炼过程把熔渣中的镍和铁还原成镍铁合金副产品，在1000KVA矿热电炉中冶炼熔化至少4小时后，冶炼结束, 镍铁合金放出铸锭，熔渣流入下一设备进行处理。

3. 离心机制备纤维。

由于矿热电炉采用熔炼间歇排渣、放镍铁的操作方式，无法实现连续给料连续放渣，而离心机制备纤维要求制纤连续进行、要求熔渣连续、恒流给料，所述的矿热电炉与离心制纤机之间增设有保温电炉作为缓冲，矿热电炉熔炼每四小时排放一次熔渣和放镍铁，熔渣流入进保温电炉，再从保温电炉中以2500-3000kg/h流量连续、恒流量给入离心机，其中熔融渣保温温度为1600±50℃～1620±50℃（此时熔融渣粘度为69～81泊），成纤机线速度为170-190 m/s，高压风风压为0.6-0.8MPa的条件下制备出无机矿物纤维，所得纤维产品主要指标为。

纤维成份SiO 53.14～2 53.62%、Al2O3 12.81～14.51%、CaO 15.42～16.35%、MgO 6.96～7.18%；纤维直径9.14～9.87μm；长径比110～115；成纤率75.39～75.84%。

同时电炉冶炼得到副产品镍铁合金产品，镍铁合金成份中的主要指标。

Ni 9.45～10.43%、Si 1.37～1.62%、C 1.21～1.55%、S 0.035～0.037%。镍回收率90.07～90.38%。

与现有工艺相比，本发明的有益效果在于。

（1）在煤矸石中添加导电性能好并产出有价值副产品的成份。

人造保温材料用无机矿物纤维的成份一般为SiO₂占40-60%，Al₂O₃占10-15%，MgO+CaO占10-25%。煤矸石的主要成分是SiO₂占60%和Al₂O₃占25%，Al₂O₃偏高直接导致熔炼电耗增加。按制备无机纤维成份要求，煤矸石中缺少必须的MgO和CaO。为了解决上述问题，生产实践多采用添加白云石等熔剂进行造渣熔炼。

红土镍矿是一种含金属镍和铁的矿石，其中镍和铁的合计含量一般为20%左右，其余是50%左右的SiO₂和10-20%左右的MgO。本发明是在煤矸石中配入一定数量的红土镍矿和石灰，此举不仅使熔渣的成份符合无机矿物纤维的要求，还提高了原料的导电性能使电炉熔炼成为可行。由于Ni、Fe、CaO等成份的加入调整后的渣型有效地降低了熔渣的熔点，降低了能耗。

（2）矿热电炉代替鼓风炉熔炼操作稳定，能效高、污染小。

由于导电性能好的红土镍矿加入，煤矸石经过成份调整并干燥后可以用矿热电炉熔化。通过调整二次电压和电流，就可以有效控制熔渣温度、粘度，使制备纤维作业的操作稳定性提高；电炉由于不用鼓风，炉体上部高温烟气排放量比鼓风炉大幅度减少，热损失也随之降低；电炉上方高温烟气用于原料（红土镍矿和煤矸石）干燥，能源利用效率大幅度提高；不使用焦炭燃料大幅度减少了二氧化硫的排放，降低了大气污染。

（3）煤矸石中碳和红土镍矿中的镍、铁有价组分得到充分利用。

煤矸石一般含有10－20%的固定碳，一般情况下它是作为燃料燃烧掉。本发明设计了利用这部分碳作为还原剂在熔炼过程把熔渣中的镍和铁还原成镍铁合金副产品。这部分镍铁产品的价值可抵消熔炼过程50%左右的能源成本，从而大幅度地降低无机纤维的制造成本，提高项目的整体经济效益。

（4）熔炼间歇排渣、放镍铁，制纤连续、恒流给料。

原料熔化、镍铁还原需要时间较长，一般矿热电炉无法实现连续给料连续放渣的操作方式。离心机制备纤维要求熔渣连续、恒流给料。为了解决这两者的矛盾，本发明在熔炼电炉与离心制纤机之间加一个保温电炉作为缓冲。熔炼电炉每四小时排放一次熔渣，同时放镍铁。熔渣流入一个保温电炉，这个电炉存放的熔渣可供离心机使用四小时以上，熔渣连续、恒流给到离心机上，以此保证离心机的连续工作。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明的技术方案做详细介绍。

实施例1。

半工业试验煤矸石为山西聚义实业集团某矿区的煤矸石，固定碳含量11.83%；灰分含量80.63%，其中SiO2 64.71%，Al2O322.51%。红土镍矿为印尼某地矿石，该红土镍矿主要成份为：Ni 1.84%，Fe 15.52%，MgO 13.63%，SiO2 45.71%。在煤矸石制备无机矿物纤维试验过程中，采用红土镍矿作为渣型调整剂，并加一定量的石灰，在矿热电炉中冶炼，在制备纤维的同时产出副产品镍铁合金这一技术方法，获得了较好的技术指标。

半工业试验使用原料配比为煤矸石：红土镍矿：石灰=42：40：18，在1000KVA矿热电炉中冶炼熔化4小时；冶炼结束后, 镍铁合金放出铸锭，熔渣流入200KVA矿热保温电炉，再从保温电炉中以2500-3000kg/h流量连续、恒流量给入离心机制备出无机矿物纤维。在熔融渣保温温度1620±50℃（此时熔融渣粘度为81泊），成纤机线速度170-190 m/s，高压风风压0.6-0.8MPa条件下制纤，所得纤维产品主要指标为。

纤维成份SiO2 53.62%、Al2O314.51%、CaO16.35%、MgO 6.96%；纤维直径9.87μm；长径比110；成纤率75.84%。同时电炉冶炼得到副产品镍铁合金产品，主要指标中镍铁合金成份有Ni 10.43%、Si 1.37%、C 1.55%、S 0.037%；镍回收率90.38%。

实施例2。

半工业试验煤矸石为山西阳泉矿务局某煤矿的煤矸石，固定碳含量13.06%；灰分含量81.34%，其中SiO2 59.69%，Al2O321.61%。红土镍矿为印尼某地矿石，该红土镍矿主要成份为：Ni 1.84%，Fe 15.52%，MgO 13.63%，SiO2 45.71%。在煤矸石制备无机矿物纤维试验过程中，采用红土镍矿作为渣型调整剂，并加一定量的石灰，在矿热电炉中冶炼，在制纤同时产出副产品镍铁合金这一技术方法，获得了较好的技术指标。

半工业试验使用原料配比为煤矸石：红土镍矿：石灰=42：42：16，在1000KVA矿热电炉中冶炼熔化4小时；冶炼结束后, 镍铁合金放出铸锭，熔渣流入200KVA矿热保温电炉，再从保温电炉中以2500-3000kg/h流量连续、恒流量给入离心机制备出无机矿物纤维。在熔融渣保温温度1600±50℃（此时熔融渣粘度为69泊），成纤机线速度170-190 m/s，高压风风压0.6-0.8MPa条件下制纤，所得纤维产品主要指标为。

纤维成份SiO2 53.14%、Al2O312.81%、CaO15.42%、MgO 7.18；纤维直径9.14μm；长径比115；成纤率75.39%。同时电炉冶炼得到副产品镍铁合金产品，主要指标中镍铁合金成份有Ni 9.45%、Si 1.62%、C 1.21%、S 0.035%；镍回收率90.07%。

实施例3。

半工业试验煤矸石为山西临汾矿务局某煤矿的煤矸石，固定碳含量9.44%；灰分含量78.67%，其中SiO2 67.31%，Al2O319.38%。红土镍矿为印尼某地矿石，该红土镍矿主要成份为：Ni 2.02%，Fe 14.33%，MgO 11.68%，SiO2 46.56%。在煤矸石制备无机矿物纤维试验过程中，采用红土镍矿作为渣型调整剂，并加一定量的石灰，在矿热电炉中冶炼，在制纤同时产出副产品镍铁合金这一技术方法，获得了较好的技术指标。

半工业试验使用原料配比为煤矸石：红土镍矿：石灰=40：40：20，在1000KVA矿热电炉中冶炼熔化4小时；冶炼结束后, 镍铁合金放出铸锭，熔渣流入200KVA矿热保温电炉，再从保温电炉中以2500-3000kg/h流量连续、恒流量给入离心机制备出无机矿物纤维。在熔融渣保温温度1590±40℃（此时熔融渣粘度为53泊），成纤机线速度170-190 m/s，高压风风压0.6-0.8MPa条件下制纤，所得纤维产品主要指标为。

纤维成份SiO2 54.41%、Al2O311.97%、CaO16.89%、MgO 6.85%；纤维直径9.67μm；长径比107；成纤率76.17%。同时电炉冶炼得到副产品镍铁合金产品，主要指标中镍铁合金成份Ni 11.67%、Si 1.84%、C 1.15%、S 0.034%；镍回收率91.12%。

实施例4。

工业试验煤矸石为山西聚义实业集团某矿区的煤矸石，固定碳含量10.14%；灰分含量79.69%，其中SiO2 61.84%，Al2O325.08%。红土镍矿为印尼某地矿石，该红土镍矿主要成份为：Ni 2.02%，Fe 14.33%，MgO 11.68%，SiO2 46.56%。在煤矸石制备无机矿物纤维试验过程中，采用红土镍矿作为渣型调整剂，并加一定量的石灰，在矿热电炉中冶炼，在制纤同时产出副产品镍铁合金这一技术方法，获得了较好的技术指标。

工业试验使用原料配比为煤矸石：红土镍矿：石灰=40：45：15，在12500KVA矿热电炉中冶炼熔化4小时；冶炼结束后, 镍铁合金放出铸锭，熔渣流入1800KVA矿热保温电炉，再从保温电炉中以2500-3000kg/h流量连续、恒流量给入离心机制备出无机矿物纤维。在熔融渣保温温度1620±50℃（此时熔融渣粘度为73泊），成纤机线速度170-190 m/s，高压风风压0.6-0.8MPa条件下制纤，所得纤维产品主要指标为。

纤维成份：SiO2 55.69%、Al2O314.07%、CaO15.37%、MgO 6.42%；纤维直径：10.41μm；长径比：113；成纤率：75.06%。同时电炉冶炼得到副产品镍铁合金，产品主要指标中镍铁合金成份Ni 12.17%、Si 1.63%、C 2.04%、S 0.033%；镍回收率：90.02%。

Claims

1.一种利用矿热电炉熔炼煤矸石与红土镍矿制备矿物纤维的方法，其特征在于由以下步骤构成：

（1）配料，

在煤矸石中配入一定数量的红土镍矿和石灰，所述的煤矸石的固定碳含量9.44～13.06%、灰分含量78.67～81.3%，其中SiO₂ 59.69～67.31%、Al₂O₃19.38～25.08%，红土镍矿主要成份为：Ni 1.84～2.02%、Fe 14.33～15.52%、MgO 11.68～13.63%、SiO₂ 45.71～46.56%，原料配比为煤矸石：红土镍矿：石灰=40～42：40～45：15～20；

（2）矿热电炉熔炼，

加入导电性能好的红土镍矿后，经过成份调整并干燥后的煤矸石采用矿热电炉熔化，通过调整二次电压和电流有效控制熔渣温度、粘度，电炉上方高温烟气用于原料中的红土镍矿和煤矸石干燥，煤矸石中含有的固定碳作为还原剂在熔炼过程把熔渣中的镍和铁还原成镍铁合金副产品，在1000kVA矿热电炉中冶炼熔化至少4小时后，冶炼结束, 镍铁合金放出铸锭，熔渣流入下一设备进行处理；

（3）离心机制备纤维，

所述的矿热电炉与离心制纤机之间增设有保温电炉作为缓冲，矿热电炉熔炼每四小时排放一次熔渣和放镍铁，熔渣流入进保温电炉，再从保温电炉中以2500-3000kg/h流量连续、恒流量给入离心机，其中熔渣保温温度为1550℃～1670℃，此时熔渣粘度为69～81泊，成纤机线速度为170-190 m/s，高压风风压为0.6-0.8MPa的条件下制备出无机矿物纤维，所得纤维产品主要指标为：

纤维中的主要成份：SiO₂ 53.14～53.62%、Al2O3 12.81～14.51%、CaO 15.42～16.35%、MgO 6.96～7.18%；纤维直径9.14～9.87μm；长径比110～115；成纤率75.39～75.84%；

同时电炉冶炼得到副产品镍铁合金产品，镍铁合金成份中的主要指标：

Ni 9.45～10.43%、Si 1.37～1.62%、C 1.21～1.55%、S 0.035～0.037%；镍回收率90.07～90.38%。

2.根据权利要求1所述的利用矿热电炉熔炼煤矸石与红土镍矿制备矿物纤维的方法，其特征在于使用的煤矸石的固定碳含量11.83%、灰分含量80.63%，其中SiO₂ 64.71%，Al₂O₃22.51%，红土镍矿主要成份为：Ni 1.84%、Fe 15.52%、MgO 13.63%、SiO2 45.71%，原料配比为煤矸石：红土镍矿：石灰=42：40：18，在1000kVA矿热电炉中冶炼熔化4小时，冶炼结束后镍铁合金放出铸锭，熔渣流入200kVA矿热保温电炉，再从保温电炉中以2500-3000kg/h流量连续、恒流量给入离心机制备出无机矿物纤维，在熔渣保温温度1570-1670℃，此时熔渣粘度为81泊，成纤机线速度170-190 m/s，高压风风压0.6-0.8MPa条件下制纤，所得纤维产品主要指标为：

纤维中的主要成份：SiO₂ 53.62%、Al₂O₃14.51%、CaO 16.35%、MgO 6.96%，纤维直径9.87μm，长径比110，成纤率75.84%，同时电炉冶炼得到副产品镍铁合金产品，镍铁合金成份中的主要指标：Ni 10.43%、Si 1.37%、C 1.55%、S 0.037%，镍回收率90.38%。