贵州天柱重晶石回转窑还原焙烧生产工艺研究

阎振宗，王 东

（1.河北辛集化工集团，河北石家庄052360；2.长沙矿冶研究院有限责任公司）

中国是当今世界上重晶石资源最丰富的国家，探明储量列世界第一， 同时也是世界重晶石的主要生产国和出口国。 贵州省是重晶石矿资源丰富的省份，探明储量为1.24 亿t，经开采后的保有矿石储量占全国总量的34%，排名第一位［1-2］。 全世界重晶石矿产资源主要集中在中国， 而中国的重晶石资源又以贵州省天柱县为最。天柱县自然资源得天独厚，蕴藏有多个特大型重晶石矿床，矿石品位高，是中国最大的重晶石生产基地。

为彻底改变重晶石矿开采利用过程中存在的资源浪费严重的问题，按国家“十一五”期间发展循环经济、建设节约型社会的倡导和要求，贵州天柱化工有限责任公司与长沙矿冶研究院合作， 由公司投入资金对重晶石回转窑还原焙烧回收利用技术进行研究开发，针对贵州省的重晶石矿资源，应用国内先进的还原焙烧—浸出技术，进行小试、中试，并将科技成果运用到大批量的生产中， 实现重晶石矿资源利用技术的整体提高，达到合理利用资源的目的。

1 工艺研究

1.1 试验原料

试验用重晶石原料由贵州天柱五洲化工有限责任公司提供，重晶石粒度为0～12 mm；重晶石中主要成分钡质量分数为48.96%，硫质量分数较高为10.99%，碳质量分数较低为0.16%，其他成分质量分数为39.89%； 重晶石中钡主要以硫酸钡形式存在，占80%，少量以碳酸钡形式存在，占2.60%。 还原焙烧燃料为粉煤和粒煤，粉煤粒度＜74 μm，粒煤粒度为0～8 mm，其成分分析结果见表1。

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

1.2 研究方法

以重晶石为原料， 窑头抛煤和窑尾配煤作固体还原剂，配入回转窑中开展重晶石还原焙烧研究。焙烧过程中，回转窑窑头粉煤为主要加热燃料、窑头抛煤为辅助供热。 窑尾粉矿仓的粉矿和粉煤仓的还原煤分别用定量给料机按煤18%～20%的比例混合配料，经胶带输送机给入回转窑内进行还原焙烧。加热用的粉煤和一次空气从燃烧系统喷入窑内进行燃烧。 同时，从窑头抛入加矿量4%～6%的煤作为辅助供热及还原。在窑身装有3 台窑背风机，鼓入二次空气使得未燃烧的粉煤继续燃烧以加热矿石。经150～180 min 的还原焙烧后的成品焙烧矿通过排料漏斗直接进入料盅，运至浸出车间进行粗钡浸出，浸出的合格液进入后续碳化工段，浸出渣运至渣场。回转窑排出的烟气经余热锅炉热交换， 产出蒸汽用于加热浓卤和稀卤， 烟气再经过电除尘器除尘和水膜收尘后进行烟气脱硫， 烟气含尘浓度和脱硫达标后由引风机送入60 m 烟囱排入大气。回转窑还原焙烧重晶石矿详细工艺流程见图1。

图1 回转窑还原焙烧重晶石工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of reduction roasting barite in rotary kiln

1.3 试验主要设备

试验使用的设备主要包括回转窑、热风机、余热锅炉、电除尘器、脱硫塔、锅炉引风机、烟囱等。

2 结果与讨论

贵州天柱县周围重晶石矿分布广泛， 贵州天柱化工有限责任公司多年从事钡盐生产， 由于本厂原矿致密度高，且矿石耐火度不一致，所以在回转窑焙烧时窑内的还原气氛直接影响到粗钡转化率。 由于矿石复杂、耐火度不同，所以焙烧温度、抛煤等工艺参数的选择和控制， 都将影响到整个生产系统能否顺利运行和取得良好技术及经济指标。

2.1 焙烧温度对还原效果的影响

还原焙烧温度是影响重晶石还原焙烧效果的主要因素。 由于焙烧温度低于700 ℃重晶石还原反应几乎不进行［3］。 温度越高反应速度越快，但温度高于1 200 ℃反应速度并不会加速递增，反而会造成窑尾烟气温度升高，耗费能源燃料。回转窑焙烧温度要平衡回转窑的还原煤中灰分和矿石杂质开始软化的温度，否则，会造成回转窑内物料熔融，甚至结圈，结圈不断增大会引起窑尾返料，直接影响产品回收率，甚至停窑［4-5］。 在生产过程中，热电偶测得的物料温度要低于实际料温，因为热电偶不是直接埋入料层中，热电偶加了保护套管， 本文只以仪表显示温度作为结果考查。 综合考虑，在处理量为15 t/h、转速为0.2～0.4 r/min 条件下进行焙烧温度试验， 焙烧温度试验范围在1 000～1 250 ℃。

焙烧温度试验结果见表2。 从表2 可知，工业试验焙烧温度从1 000 ℃到1 250 ℃， 粗钡浸出率达91.30%。 生产结果表明，提高回转窑焙烧温度能加速碳的气化反应和硫酸钡的还原反应， 加速矿石中BaSO4向BaS 转化，但是温度过高矿石中BaSO4会与杂质Al2O3、SiO2、Fe2O3以及过程中生成的Fe3O4和FeO 发生反应，生成硅酸盐（BaSiO3、BaSiO4）、铁酸盐（BaO·Fe2O3）和铝酸盐（BaO·Al2O3）等物质，这些物质在高温时极易熔融结块， 阻碍重晶石的还原反应，使焙烧好的粗钡中硫化钡含量降低而浸出渣量增大， 更严重时会形成回转窑结圈， 甚至导致停产。从延长生产周期和提高经济效益角度考虑，应尽量减轻回转窑结圈的生成。 还原段温度仪表显示大于1 200 ℃，极易形成结圈，且不容易脱落。

表2 焙烧温度试验结果Table 2 Test result of roasting temperature

贵州天柱重晶石矿石回转窑还原焙烧要求高温区温度为1 050～1 200 ℃，矿石在高温区停留时间为150～180 min，在高于1 250 ℃条件下操作，短时间内可获得较高粗钡转化率， 但极易造成过烧结矿反而降低粗钡浸出率，大大降低钡的收率；窑头焙烧料出窑温度控制在700～900 ℃为宜， 温度过低将存在欠烧现象（粗钡转化率低），温度过高将出现矿石熔融现象（形成矿石包裹，粗钡转化率降低）；窑尾温度控制在500～600 ℃最佳。 实际生产中根据具体矿石来调整窑内温度场分布。

2.2 抛煤对还原效果的影响

抛煤装置是回转窑还原焙烧提高产能、 节约还原剂及燃料的有效装备， 可达到有效控制还原性气氛、延长高温带、提高产能、节约还原剂及燃料的目的。 抛煤装置系统由煤仓、抛煤罗茨风机、定量给料机、抛煤枪、下料溜子、管阀等组成。 抛煤罗茨风机的风量根据抛煤量大小和还原焙烧情况进行调控。图2 是抛煤工艺设备联系图。

图2 抛煤工艺设备联系图Fig.2 Equipmentconnectiondiagramofcoalthrowingprocess

从表3 可以看出， 回转窑还原焙烧重晶石矿处理量可达16.80 t/h，开窑周期为70 d，周期内作业率为95%。 与国内其他类似生产工艺比较，贵州天柱化工有限责任公司重晶石矿回转窑还原焙烧的热耗可以控制在（700±10）万kJ/t，吨矿耗煤289.79 kg。理论计算贵州天柱重晶石矿焙烧热耗为520.97 万kJ/t，通过分析得知焙烧料（即粗钡）残炭量为5%，因此在生产过程中的热耗和处理量还有一定的潜力可挖。

在φ3.2 m×60 m 回转窑装备上进行现场生产工业试验，从试验结果显示，相比原有钡盐回转窑焙烧装置的产能提高20%、粗钡转化率由原来的60%提高到了70%、配煤由200 kg/t 降至约190 kg/t，在提高矿石回收率的同时降低了能耗， 抛煤工艺可以加强窑内还原气氛， 提高产能， 实现了资源的高效利用、节能降耗，为企业带来显著的经济效益。

回转窑还原焙烧采用从窑尾（给料端）配入煤和窑头（排料端）抛入煤相结合的方式进行还原煤给入，能够有效延长反应高温带，大大增加了回转窑处理量，可以保证合理的窑内温度场分布、保持弱还原性气氛以及提高产能， 同时降低了单位能耗和单位成本。具体生产操作中，当窑内温度升到800～950 ℃时，窑尾开始加入矿石和煤的混合料，投料1 h 时，从窑头开始抛煤，窑内温度迅速升高，高温带拉长；1 h 后距离窑口1/2 窑身长处温度达到1 100～1 200 ℃，还原焙烧高温带长度为20～40 m。

2.3 还原焙烧热耗的控制

在2017 年7 月4 日17:08 开始投料至2017 年9月18 日18:00 停产检修， 在这段期间内生产统计数据显示：与原有还原焙烧工艺相比，采用抛煤工艺及装置使原有钡盐回转窑焙烧的产能提高20%、粗钡转化率由原来的60%提高到70%、窑尾配煤由200 kg/t 降至约190 kg/t，整个生产过程中燃料入窑热耗达到706.57 万kJ/t，详见表3 贵州天柱化工有限责任公司重晶石矿回转窑还原焙烧能耗指标。

表3 重晶石矿回转窑还原焙烧能耗指标Table 3 Energy consumption index for reduction roasting in rotary kiln of barite mine

3 结论

1）贵州天柱重晶石矿石回转窑还原焙烧高温区温度在1 050～1 200 ℃可获得较好的粗钡转化率，焙烧温度过高极易造成过烧结矿反而降低粗钡浸出率，大大降低钡的收率。2）重晶石矿还原焙烧对窑内气氛要求高，需要强还原气氛，采用抛煤工艺对重晶石矿还原效果显著。采用抛煤工艺及装置，使原有钡盐回转窑焙烧的产能提高20%、粗钡转化率由原来的60%提高到70%、配煤由200 kg/t 降至约190 kg/t，在提高矿石回收率的同时降低了能耗， 抛煤工艺可以加强窑内还原气氛，提高产能和粗钡转化率。3）采用φ3.2 m×60 m 回转窑还原焙烧处理贵州天柱重晶石矿，处理量可达到16.80 t/h，焙烧矿石及生产碳酸钡考核指标合格， 对合理利用中国储量巨大的重晶石矿资源具有重要的现实意义， 为提高重晶石矿利用率和节能减排开辟了新的有效途径。