1 項目背景
據不同能源權威機構估計, 世界石油資源儲量,按目前的使用量計算, 大約只能滿(mǎn)足100 年的使用時(shí)間, 煤可能只能滿(mǎn)足約150 年的使用時(shí)間, 對化石能源的強烈依賴(lài)及該資源的不可再生性, 將導致世界范圍內的能源危機;另外, 化石能源使用過(guò)程中排出的CO2 、SO2 等氣體, 導致了世界范圍內的溫室效應和環(huán)境污染。太陽(yáng)能作為清潔、接近永恒的能源之母, 對其開(kāi)發(fā)利用是21 世紀綠色能源計劃的重要組成部分, 已逐漸提升至各國國家能源戰略。
太陽(yáng)能光伏技術(shù)(Photovoltaic), 是將太陽(yáng)能轉化為電力的技術(shù)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統的玻璃基片需要使用超白玻璃, 超白玻璃以其獨特的高透光率(≥91.5 %), 大大提高了光電轉換效率, 為太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展提供了更為廣闊的發(fā)展空間。
光伏玻璃因其自身成品的使用環(huán)境對雜質(zhì)含量、透光率、微觀(guān)缺陷等要求極高, 故對其主要原材料———PPM 級低鐵石英砂(約占60%～70%)的質(zhì)量要求極其嚴格, 一般要求達到如下主要指標:化學(xué)成份:SiO2 ≥99.5%, Fe2O3≤80PPM(0.0080%);粒度控制:0.71～0.5mm ≤2%,0.5～0.125mm≥95 %, -0.125 mm ≤5 %;
為了生產(chǎn)上述PPM 級低鐵石英砂, 在現有的傳統生產(chǎn)線(xiàn)上, 國內主要采用優(yōu)質(zhì)脈石英資源為原料進(jìn)行加工。因脈石英礦藏的賦存特點(diǎn), 主要呈“雞窩狀” , 一般資源儲量較小, 開(kāi)采難度較大, 原礦石的質(zhì)量波動(dòng)范圍較寬, 需要進(jìn)行人工挑選或分級。我國脈石英資源的主要產(chǎn)地有湖北蘄春、江蘇東海等,經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采, 資源已臨近枯竭, 生產(chǎn)成本居高不下(成品砂一般在600～700 元/噸以上), 很難滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)穩定、規?；a(chǎn)的需求。
為解決行業(yè)發(fā)展的上述難題, 降低對優(yōu)質(zhì)脈石英資源的依賴(lài)程度, 以安徽某地區的石英巖為研究對象, 通過(guò)科研攻關(guān), 研制出了捕收力強、選擇性好和耐極端低溫的浮選捕收劑;在此基礎上, 結合具體的工業(yè)項目, 配套開(kāi)發(fā)了新的PPM 級低鐵石英砂浮選工藝及配套關(guān)鍵技術(shù), 并逐漸在工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上推廣應用, 生產(chǎn)線(xiàn)上最終石英精砂指標達到:SiO2 :99.55 %～99 .9 %、Al2O3 :0.05 %～0.20 %、Fe2O3 :30～80PPM(0.0030%～0.0080%), 滿(mǎn)足了產(chǎn)業(yè)需求。
2 特種浮選捕收劑及浮選工藝研究
2.1 工藝選擇
研究利用安徽某地精制石英砂進(jìn)行, 該石英砂主要用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)浮法玻璃, 前期的主要加工工藝為:原礦※破碎※磨礦※分級※磁選※脫水, 石英砂(SiO2)含量一般在99.10 %～99.30 %, Fe2O3 含量一般在150～200 PPM 左右。
通過(guò)巖礦鑒定和鐵的賦存狀態(tài)分析可知, 造成石英砂化學(xué)成份(主要為Fe2O3 含量)不能滿(mǎn)足光伏玻璃用砂要求的主要原因在于其中的長(cháng)石、云母、暗色礦物及少量粘土質(zhì)礦物中的鐵含量很高, 因此選擇合適的工藝路線(xiàn)去除上述雜質(zhì)礦物是此次研究的關(guān)鍵。比較石英和長(cháng)石、角閃石、云母、電氣石等雜質(zhì)礦物的比重、磁性、電性的差異可知, 這幾種礦物的性質(zhì)十分接近, 再加之其嵌布粒度也十分接近, 因此目前在石英砂行業(yè)中常用的重選、磁選、分級等方法無(wú)法將其分離;但石英礦物與雜質(zhì)礦物的晶體結構、分子構成不同, 表面性質(zhì)各異, 因此利用礦物表面化學(xué)反應的浮選技術(shù)成為本項目的研究重點(diǎn)。
2.2 浮選原理及浮選方法
浮選是利用某種表面活性劑, 其結構模型如圖1 所示。
 在一定的環(huán)境下使X 基有選擇性地吸附(化學(xué)吸附或物理吸附)在長(cháng)石、云母、電氣石、角閃石等雜質(zhì)礦物表面, 而不吸附在石英礦物上。在調漿桶中充分反應、吸附的礦漿在浮選機中與空氣充分混合, 氣泡集團RY 、RX 及雜質(zhì)礦物形成礦化泡沫, 隨氣泡上浮至浮選槽上表面并通過(guò)浮選機刮板被刮出, 從而實(shí)現目的礦物與雜質(zhì)礦物的分離。其工藝流程如圖2 所示。
工業(yè)生產(chǎn)上, 常規的石英砂浮選前一般須采取表面預處理(擦洗、脫泥等)手段以擴大礦物表面之間的差異以方便浮選捕收劑的選擇性吸附, 預處理藥劑一般有氫氟酸與硫酸、燒堿等, 從而派生了石英砂浮選的兩大浮選方法:氫氟酸法和硫酸法。氫氟酸法所用的活化劑(預處理劑)為HF 酸,一般認為:HF 和長(cháng)石中的SiO2 部分反應生成H2SiF6 , 而H2SiF6 又與裸露在長(cháng)石表面的K+ 、Na+反應, 形成難溶的K2SiF6 或Na2SiF6 , 在酸性條件下, 捕收劑以化學(xué)方式吸附于長(cháng)石類(lèi)礦物表面而使其浮游, 具體反應為:
SiO2 +4HF SiF4 +2H2O (1)
SiF4 +2HF H2SiF6 (2)
2K+ +H2SiF6 K2SiF6 ↑ (3)
2Na++H2SiF6 Na2SiF6 ↑ (4)
該法雖然選擇性較好, 但后期的[ F-] 離子處理及二次污染問(wèn)題較難解決。
硫酸法浮選分離石英砂時(shí)所用的活化劑與pH調整劑均為H2SO4 , 其基本原理是利用長(cháng)石、云母類(lèi)礦物表面的ξ電位與石英表面的ξ電位在酸性介質(zhì)下的差異進(jìn)行浮選分離。當pH 值在2～3 時(shí), 石英表面的ξ電位趨為正值, 長(cháng)石、云母類(lèi)礦物表面的ξ電位為負值, 胺類(lèi)等陽(yáng)離子捕收劑更多地吸附在長(cháng)石類(lèi)礦物表面而使其浮游;因水中存在較多的難免離子(K+ 、Na+ 、Ca2+)離子, 石英表面難免被其活化而產(chǎn)生被動(dòng)浮游, 從而較大地降低了其選擇性。為擴大上述2 種礦物的選擇性, 在浮選前, 需要進(jìn)行酸擦、堿擦及脫藥處理(三段處理), 其流程如圖3 所示。
2.3 專(zhuān)用浮選捕收劑的研制
傳統硫酸法浮選捕收劑為二胺及石鈉類(lèi)混合捕收劑, 該藥劑需要在約70℃的水中進(jìn)行溶化, 使用過(guò)程中的溫度也最好在15 ℃以上, 否則, 捕收能力很快降低, 選擇性變弱, 使用不太方便, 生產(chǎn)也不太穩定。另外, 在自然成礦過(guò)程中, 天然礦物表面往往被伴生的各種雜質(zhì)離子(K+ 、Na+ 、Ca2+ 、Mg2+等)所浸染, 各種礦物之間產(chǎn)生“表面趨同”現象, 妨礙了浮選捕收劑的選擇性吸附。通過(guò)反復試驗, 利用浮選過(guò)程中的“取長(cháng)補短”現象, 研制了特種“陽(yáng)離子+非離子”型混合浮選捕收劑, 并輔以幾種輔助捕收劑及助劑, 較好地解決了這一問(wèn)題。
該特種捕收劑利用不同分子量的捕收劑按照不同的次序優(yōu)先吸附于雜質(zhì)類(lèi)礦物表面, 從而實(shí)現選擇性捕收的目的;而各種助劑的合理使用, 保證了該藥劑的水溶性及耐低溫性能。捕收劑配方試驗流程如圖2 , 試驗結果見(jiàn)表1 。
 捕收劑配方以A 為最佳, 表現為在同等用量的情況下, 浮選精砂的產(chǎn)率較低, 上浮的雜質(zhì)較多, 捕收力最強。
試驗證明:該藥劑耐泥漿性能好、選擇性強、無(wú)須進(jìn)行浮選前期的酸擦、堿擦及脫藥處理過(guò)程, 石英尾砂直接進(jìn)行一段浮選即可達到指標要求, 簡(jiǎn)化了工藝流程, 大幅度降低了處理成本。最終確定的PPM 級低鐵砂浮選流程見(jiàn)圖2 。
3 工業(yè)化生產(chǎn)及推廣應用效果
3.1 項目實(shí)施案例
在充分試驗研究并取得成功的基礎上, 與安徽某公司合作, 開(kāi)始本項目的工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)方案設計、施工圖設計及項目建設等階段, 設計6 萬(wàn)t/年太陽(yáng)能超白玻璃低鐵浮選精砂的工程于2007 年05月18日一次投產(chǎn)成功。隨后的生產(chǎn)實(shí)踐證明:該生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量穩定、可靠, 滿(mǎn)足用戶(hù)要求, 生產(chǎn)成本相對較低, 甲方對此十分滿(mǎn)意。其石英砂產(chǎn)品目前已被應用于河南安彩高科股份有限公司、太倉中玻皮爾金頓特種玻璃公司、上海福萊特玻璃公司、浙江和合壓延玻璃公司等。生產(chǎn)線(xiàn)部分指標見(jiàn)表2 。
3.2 產(chǎn)業(yè)化成套及裝備優(yōu)化集成
3.2.1 裝備優(yōu)化集成
石英砂浮選過(guò)程有其特殊性, 一是粒度比一般的金屬礦物粗, 易“沉槽” ;二是本項目浮選作業(yè)環(huán)境為酸性, 因此, 浮選成套裝備的選擇和優(yōu)化集成顯得十分重要, 改進(jìn)提高后的粗粒浮選機充氣量大、抗“沉槽” 、耐酸、耐磨, 適合本項目的生產(chǎn)需要。幾年的生產(chǎn)實(shí)踐證明, 在節約投資的前提下, 應盡量考慮設備、管道及土建設施的防酸、防腐及耐磨處理:對于設備, 選擇耐酸、耐磨材料制造的設備, 并加以襯膠處理;對于管道, 采用耐酸、耐磨的材料;土建設施上采用環(huán)氧沙漿抗腐;采取上述措施后, 生產(chǎn)線(xiàn)操作簡(jiǎn)便, 運行穩定。
 3.2.2 環(huán)境保護
此工藝浮選生產(chǎn)用水主要為生產(chǎn)用補加水, 工藝用水經(jīng)濃縮沉淀池濃縮后全部回收循環(huán)使用, 理論上可實(shí)現“零” 排放。浮選尾砂質(zhì)量較好, 仍可以滿(mǎn)足浮法玻璃的質(zhì)量要求, 收集后外賣(mài), 不污染環(huán)境。
當生產(chǎn)出現事故等意外情況時(shí), 濃縮沉淀池溢流水排入事故水處理系統, 廢水經(jīng)石灰中和, 絮凝劑沉淀后達標外排;沉淀池、事故處理池底流泥漿定期清理外運, 不造成新的污染。
3.3 實(shí)際應用效果及推廣情況
此項目應用特種浮選捕收劑, 對石英砂進(jìn)行提純, 攻克了PPM 級低鐵石英砂生產(chǎn)中的技術(shù)難關(guān),降低了對優(yōu)質(zhì)脈石英資源的依賴(lài)程度, 其產(chǎn)品除了滿(mǎn)足太陽(yáng)能超白玻璃行業(yè)的需求外, 尚可廣泛應用于電子石英玻璃行業(yè)提純(高純)石英砂等。經(jīng)已建成的浮選生產(chǎn)線(xiàn)近2 年的生產(chǎn)實(shí)踐證明:該工藝線(xiàn)生產(chǎn)穩定, 浮選藥劑水溶性、耐低溫性能極佳, 最終精砂制造成本約為257 元/噸, 而售價(jià)高達400元/t , 該產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力很強。
目前, 該技術(shù)已應用于安慶某地10 萬(wàn)t/年精砂生產(chǎn)線(xiàn)、廣東河源某地石英砂廠(chǎng)6萬(wàn)t/年低鐵砂浮選生產(chǎn)線(xiàn)、鳳陽(yáng)某石英砂有限公司10 萬(wàn)t/年低鐵砂生產(chǎn)線(xiàn), 在建的廣東某15萬(wàn)t/年超白砂生產(chǎn)線(xiàn)、湖北某15 萬(wàn)t/年的生產(chǎn)線(xiàn)上擬準備使用改技術(shù)。
4 結 論
此項目研制的石英砂專(zhuān)用浮選捕收劑具有較佳的選擇性、水溶性和耐低溫性能, 開(kāi)發(fā)的PPM 級低鐵石英砂浮選工藝突破了石英砂選礦的瓶頸。應用該技術(shù)對石英砂進(jìn)行深度提純, 其產(chǎn)品質(zhì)量滿(mǎn)足太陽(yáng)能超白玻璃低鐵砂的質(zhì)量要求(Fe2O3 最低可達30ppm), 在一定程度上解決了因國內脈石英資源不足而給行業(yè)發(fā)展帶來(lái)的資源匱乏問(wèn)題, 對太陽(yáng)能超白玻璃行業(yè)發(fā)展具有一定意義, 其產(chǎn)品應用前景廣闊。另外, 該技術(shù)為硅質(zhì)原料加工企業(yè)增加了一種深度提純手段, 對行業(yè)發(fā)展具有重要意義。該技術(shù)在國內推廣應用以后, 具有重大的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。
作者：彭 壽, 吳建新,谷翠紅,于永琪(中國建材國際工程有限公司, 蚌埠233018)
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