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石煤

石煤(stone-like coal)是一种含碳少、低热值的燃料,也是一种低品位的多金属共生矿。石煤由4亿至5亿年前地质时期的菌藻类等生物遗体,在浅海环境下经腐泥化作用煤化作用转变而成。含碳量较高的优质石煤呈黑色,具有半亮光泽,杂质少;含碳量较少的石煤,呈偏灰色,暗淡无光,夹杂有较多的黄铁矿、石英脉和磷、钙质结核。石煤的发热量不高,一般在800大卡/千克左右,是一种低热值燃料

石煤是一种含碳少、发热值低的劣质无烟煤,又是一种低品位多金属共生矿。生成于古老地层中,由菌藻类等生物遗体在浅海泻湖、海湾条件下经腐泥化作用煤化作用转变而成。外观像石头,肉眼不易与石灰岩或碳页岩相区别,高灰分(一般大于60-)深变质的可燃有机矿物。

含碳量较高的优质石煤呈黑色,具有半亮光泽,杂质少。相对密度为1.7~2.2。含碳量较少的石煤,呈偏灰色,暗淡无比,夹杂有较多的黄铁矿石英脉和磷、钙质结核、相对密度在2.2~2.8之间,石煤发热量不高,在3.5~10.5MJ/kg之间,是一种低热值燃料热值偏高的石煤,在改进燃烧技术后,可用作火力发电的燃料,石煤也可用作烧制水泥、制造化肥灰渣制碳化砖等。伴生的石煤,可提取五氧化二钒

石煤形成于早元古代早古生代的一种沉积的可燃有机岩。呈黑色或黑灰色。大多具有高灰、高硫、低发热量和硬度大的特点。石煤是一种高变质的腐泥煤藻煤。其成分除含有机碳外,还有氧化硅、氧化钙和少量的氧化铁氧化铝氧化镁等。石煤有各种不同的分类。按灰分和发热量,可分为一般石煤和优质石煤:一般石煤的灰分为40-~90-,发热量在16.7千焦/克以下;优质石煤的灰分为20-~40-,发热量为16.7~27.1千焦/克。按结构、构造,可分为块状石煤、粒状石煤、鳞片状石煤和粉状石煤。按石煤中矿物杂质的主次,分为硅质石煤、钙质石煤等。石煤在中国分布广泛以南秦岭区储量最为丰富。石煤可作燃料,燃烧后的炉渣可制成炭化砖、水泥等建筑材料,还可从石煤中提取钒、铀、钼、镍、铜、钴等金属元素。

我国是世界上少数几个拥有石煤资源的国家之一,主要分布在长江中下游的湖南、湖北、安徽、江西、浙江等缺煤省份,其中湖南省的石煤资源优势明显。我国石煤遍布我国20余个省区,仅浙江至广西一条长约1600多公里的石煤矿带,就蕴含着1亿吨以上的五氧化二钒。据上世纪七八十年代煤炭工业部开展的南方石煤资源综合调查资料表明,全国石煤资源储量在618亿吨左右,其中,湖南省187.2亿吨,储量约占全国的1/3。若以6吨石煤折合为1吨标准煤计算,即相当于31亿吨标准煤,比湖南省煤炭总储量29.3亿吨还要多。而从湖南省的石煤资源分布来看,怀化市的石煤储量高达83.6亿吨,约占湖南省的1/2,其次是益阳、常德和湘西自治州等市(州)。

我国石煤资源的主要利用途径是石煤发电、石煤提钒及用于建材工业。

石煤是有机碳与无机元素的混合体,它具备一定的发热能力。但由于石煤碳含量低、灰分高。给燃烧带来一定困难。石煤经过简单浮选后,去掉大部分灰分,可作无烟煤用.也可加少量粘结剂制成形煤供民用或工业锅炉用。随着工艺的改进和技术难关的突破,沸腾炉、循环硫化床锅炉燃烧石煤发电已经投入商业开发,因此石煤作为一种能源不仅可在一般工业锅炉中使用,而且可用于电厂发电。

钒是种稀有元素,它是冶炼优质合金钢和各种有色合金的原料,同时还广泛用于宇航、化学工业中。早在70年代初,在湖北杨家堡、浙江义乌等地就利用石煤土法提取五氧化二钒。在浙江、湖南、湖北等省都也建了些提钒厂,进行小规模提钒生产。江西省继玉山和上饶勘探工作之后,正进行可行性研究。

石煤和石煤发电废渣可用于烧水泥、砖瓦、平瓦、空心砌块等。

由于一些石煤普遍含0.00n--0.0n的放射性铀,燃烧后的废渣铀可能局部富集,放射性辐射严重超标,建议一般民用建筑不要使用石煤废渣作为建材。作一般建筑使用时也要测定辐射是否超标。

我国石煤资源中已发现的伴生元素多达60多种,其中可形成工业矿床的主要是,其次是、磷、银等等。石煤钒矿床是一种新的矿床类型,称为黑色页岩型钒矿,它是在边缘海斜坡区形成的,主要含钒矿物是含钒伊利石。但百分之七八十的石煤中钒的品位很低,五氧化二钒含量多在0.8-以下,要进行提钒技术难度极大。攀钢在石煤提钒技术上取得了突破,使钒的总收率平均达到60.70-,远远高于国内同行业通常的40-~50-的指标。

石煤中V2O5品位较低,一般为1.0 -左右。石煤中的钒以V(Ⅲ)为主,有部分Ⅴ(Ⅳ),很少见Ⅴ(V)。由于V(Ⅲ)的离子半径(74 pm)与Fe(Ⅱ)的离子半径(74 pm)相等,与Fe(Ⅲ)的离子半径(64 pm)也很接近,因此,V(Ⅲ)几乎不生成本身的矿物,而是以类质同象存在于含钒云母高岭土等铁铝矿物的硅氧四面体结构中。我国从20世纪60年代开始对石煤提钒进行研究,70年代开始工业生产,所使用的工艺均为钠化焙烧(NaCl)水浸或酸浸工艺。这种工艺存在两个严重缺陷,一是因为焙烧过程生成难以净化处理的Cl2、HCl、SO2 混合气体而造成环境污染,二是钒回收率普遍为45-55-,使50-左右的钒矿资源得不到有效利用而浪费。

为改变和取代钠化焙烧工艺,科技工作者进行了钙法焙烧、空白焙烧、湿法酸浸等新工艺的研究。钙法焙烧虽然解决了大气污染问题,但焙烧过程受矿石种类和性质影响较大,焙烧气氛、时间、温度和钙盐用量等的影响也非常敏感,控制不当,容易形成难溶的硅酸盐,使得部分钒被“硅氧”裹络, 或者矿样中的部分钒与铁、钙等元素生成钒酸铁、钒酸钙难溶性化合物。空白焙烧主要是想解决石煤脱碳和低价钒的氧化问题,但焙烧设备还是传统的立窑、平窑和沸腾炉,不仅生产规模有限,而且焙烧过程并没有改变含钒矿物的晶体结构,不能有效提高钒的回收率。湿法酸浸工艺不需焙烧,石煤矿石可以湿磨,适合大规模生产,因此成为石煤提钒研究的重点。湿法酸浸提钒工艺的基础理论研究也有一些进展。石煤酸浸提钒工艺已在陕西、湖南等地得到较大规模的生产应用。

然而,酸浸提钒工艺还存在一些需要解决的问题。一是为得到较高V2O5浸出率,不得不消耗大量H2SO4,生产中H2SO4用量一般为矿石质量的25~40-,V2O5浸出率一般在65-~75-左右,超过80-的很少,V2O5回收率一般不超过70-;二是酸性浸出液的净化除杂、Fe(III)还原和pH值调整等工序需要消耗大量药剂,特别是氨水,从而导致氨氮废水的产生及处理问题。

含钒石煤和含钒粘土酸浸提钒要解决的关键问题,是在提高V2O5浸出率和回收率的前提下,如何降低消耗和避免环境污染,发展方向是开发低消耗低成本的清洁生产工艺。

杨教授等经过多年努力开发成功石煤提钒环保工艺。新工艺采用“浓酸二段熟化催化循环”技术对含钒石煤进行科学处理,V2O5转化率≥90-,浸出率≥90-,总回收率≥82.5-。新工艺彻底告别传统的钠化焙烧工艺,生产流程中不产生有害废气,废水经过净化处理后循环利用,提钒尾渣可用作建筑材料,从而实现了石煤提钒的清洁环保、节能减排和资源的循环利用。新工艺科研成果、扩大试验成果和工业化生产试验成果先后通过政府组织的专家鉴定,专家鉴定意见是:所采用的提钒技术原理正确,形成的工艺技术路线稳定,首次提出的二段熟化技术具有创新性,技术成果达到国内领先水平。

经过近10年的艰苦探索和反复试验,在理论上和工艺上解决了含钒石煤和含钒粘土酸浸提钒的技术难题。开发的酸浸提钒新工艺,关键技术与创新点在于成功开发出二种酸浸提钒专用添加剂SMTV01和SMTV02,使含钒石煤和含钒粘土酸浸提钒效率明显提高,可使V2O5浸出率稳定达到90-以上,V2O5回收率稳定达到80-以上,而H2SO4用量和氨水用量可大幅度降低,并明显改善液固分离状况,滤渣含水率下降10-左右。

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