高硅难处理石煤钒矿的高效提钒方法及高效提钒装置
阅读说明：本技术 高硅难处理石煤钒矿的高效提钒方法及高效提钒装置 (Efficient vanadium extraction method and efficient vanadium extraction device for high-silicon refractory stone coal vanadium ore ) 是由 于大伟 张磊 李�浩 郭学益 田庆华 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高硅难处理石煤钒矿的高效提钒方法,包括以下步骤：S1：将高硅难处理石煤钒矿、硫酸和搅拌介质混合,并通过机械搅拌实现高硅难处理石煤钒矿的解离得到活化矿物；S2：分离所述搅拌介质与活化矿物；S3：加酸预热、预处理所述活化矿物得到预处理矿物；S4：焙烧所述预处理矿物得到焙烧矿物；S5：用水浸出所述焙烧矿物得到含钒浸出液。本发明还公开了一种高硅难处理石煤钒矿的高效提钒装置。本发明的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒装置和高效提钒方法,可实现高硅难处理石煤钒矿中钒的初步熟化,还可实现难处理石煤钒矿中强共生性矿物的高效解离,可实现各种难处理石煤钒矿中钒的高效提取,钒提取率可达95％以上。(The invention discloses a high-efficiency vanadium extraction method for high-silicon refractory stone coal vanadium ore, which comprises the following steps: s1: mixing the high-silicon refractory stone coal vanadium ore, sulfuric acid and a stirring medium, and dissociating the high-silicon refractory stone coal vanadium ore by mechanical stirring to obtain an activated mineral; s2: separating the agitation medium from the activated mineral; s3: adding acid to preheat and pretreat the activated mineral to obtain a pretreated mineral; s4: roasting the pretreated minerals to obtain roasted minerals; s5: leaching the roasted minerals by using water to obtain vanadium-containing leaching liquid. The invention also discloses a high-efficiency vanadium extraction device for the high-silicon refractory stone coal vanadium ore. The high-efficiency vanadium extraction device and the high-efficiency vanadium extraction method for the high-silicon refractory stone coal vanadium ore can realize the preliminary curing of vanadium in the high-silicon refractory stone coal vanadium ore, can also realize the high-efficiency dissociation of strongly-symbiotic minerals in the refractory stone coal vanadium ore, can realize the high-efficiency extraction of vanadium in various refractory stone coal vanadium ores, and have the vanadium extraction rate of over 95 percent.)
技术领域
本发明属于金属提取技术领域，尤其涉及一种提钒方法及提钒装置。
背景技术
钒是一种高熔点金属，与钽、铌性质相似，在诸多领域具有战略地位。钒加入钢铁中能增强淬透性及耐高温性能，能够细化晶粒，稳定结构，钒在钢铁行业的应用占比90％。中国是世界上最大的产钒国，也是钒消费增长速度最快的国家。石煤钒矿是我国重要的钒矿资源，且储量较大，随着易处理石煤钒矿逐渐消耗，难处理石煤钒矿逐渐成为钒冶炼企业的主要原料。难处理石煤钒矿中钒易被二氧化硅和硅酸盐等共生性矿物包裹，常规氧化焙烧等方式难以实现共生性矿物的高效解离，开发难处理石煤钒矿高效提钒新工艺和新装备，实现难处理石煤钒矿中钒的高效提取具有重大战略意义。
专利202010731187.8中公布了一种石煤钒矿氧化破晶焙烧提钒综合利用系统，采用悬浮焙烧对石煤钒矿进行氧化破晶焙烧，通过焙烧参数调控改变钒的赋存特征及其价态，该专利氧化破晶焙烧阶段主要是将低价钒氧化物氧化成高价钒氧化物，并未破坏其他共生矿物如硅酸盐和二氧化硅结构，不能实现高硅难处理石煤钒矿中钒的高效提取，存在原料适用性差的问题。该系统设备多而杂，流程长，氧化破晶和脱碳阶段温度在750-900℃区间，能耗高，采用煤气作为燃料，脱碳过程中会生成大量二氧化碳，不符合当下国家碳排放政策。
专利201811269361.0公布了一种湿法磨矿-密闭熟化提钒系统及方法，将含钒石煤在球磨机进行湿法磨矿，将得到的矿浆直接输送到密闭池中，直接用浓硫酸进行熟化处理；熟化完后直接向密闭池中加水，鼓气搅动以浸取钒，固液分离后得到蓝色的浸钒溶液，用于制备V2O5产品。该专利是主要针对常规浓硫酸熟化方法的加料方式改进，未涉及难处理石煤钒矿新设备和新方法的开发。
专利202011250783.0公布了一种用于石煤钒矿拌酸熟化的装置及其使用方法，属于湿法提钒前处理领域，该专利仅仅解决了现有的熟化方式存在的生产周期长、自动化程度低、人工劳动强度大的问题，适用于易处理石煤钒矿，对于某些共生矿物较多的难处理石煤钒矿适用性差。
专利201811269333.9公布了一种从高钙石煤中提取钒的方法，该专利较好克服了现有浓硫酸熟化提钒技术中存在的工艺繁琐、成本高、环境污染的问题，但其无法有效实现含较多硅等共生性矿物的难处理石煤钒矿中钒的高效提取。
专利202010126868.1公布了一种石煤钒矿多段焙烧强化拌酸熟化提钒的方法，可实现钒的高效提取，但该专利采用三段高温焙烧预处理，预处理温度最高达900℃，能耗大，流程长。采用烟气作为热源，脱碳阶段产生大量二氧化碳，不符合当下低碳环保政策。添加黏土矿物对炉膛腐蚀严重，不利于设备长期使用。
专利201820442255.7公布了一种用于石煤提钒工艺的双磨筒球磨机，在内磨筒的内表面和外表面均设置了磨齿，使内磨筒能同时对内磨筒内部和外部的矿石进行粉磨，提高了粉磨效率并且内磨筒内磨出的矿石粉末从该条形开口处落入内磨筒和外磨筒之间的夹层，使矿粉无法从进料口逸散到空气中，减少了对环境的污染和破坏。该设备通过磨齿对石煤矿物进行研磨，降低石煤矿物粒度，主要解决了矿粉污染问题。
专利201320245819.5公布了一种石煤钒矿竖炉焙烧系统，主要解决粉尘及有害气体污染和富氧空气利用率低的问题，仅可实现石煤钒矿中低价钒氧化为高价钒，无法实现复杂难处理石煤钒矿中钒与硅酸盐共生解离问题。
专利201020039399.1公布了一种用于石煤提钒的焙烧设备，主要解决窄级别焙烧温度区间控制困难问题，该设备未设置隔热层，热量流失严重，致使能耗升高，且该设备无法改善复杂难处理石煤钒矿中钒与硅酸盐共生解离问题。
因此，目前已公开的石煤提钒的装置多为现有设备的优化，例如温度区间控制、磨矿粉尘控制，对后续石煤钒矿中钒的提取率改善较小，原料适用性差，无法解决复杂难处理石煤钒矿中钒与硅酸盐等强共生矿物解离问题，难以实现难处理石煤钒矿中钒的高效提取。目前已公开的石煤提钒的方法大多以硫酸熟化或高温焙烧等方法对石煤钒矿进行预处理，仍存在流程长、能耗高、原料适用性差、钒提取率不理想等问题。尚未有针对高硅难处理石煤钒矿中常规熟化或焙烧预处理后钒提取率低的问题针对性开发提钒新方法。如何在温和条件下实现高硅难处理石煤钒矿中硅酸盐等共生矿物的高效解离，清洁高效短流程实现难处理石煤钒矿中钒的高效提取，开发难处理石煤钒矿预处理新方法和装置迫在眉睫。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种钒提取率高的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒方法及高效提钒装置。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种高硅难处理石煤钒矿的高效提钒方法，包括以下步骤：
S1：将高硅难处理石煤钒矿、硫酸(采用浓硫酸)和搅拌介质混合，并通过机械搅拌实现高硅难处理石煤钒矿的解离得到活化矿物；
S2：分离所述搅拌介质与活化矿物；
S3：加酸预热、预处理所述活化矿物得到预处理矿物；
S4：焙烧所述预处理矿物得到焙烧矿物；
S5：用水浸出所述焙烧矿物得到含钒浸出液。
上述高效提钒方法中，优选的，所述高硅难处理石煤钒矿中硅元素含量占石煤钒矿总质量的占比大于18％，所述硅元素的物相主要由二氧化硅和硅酸盐矿物组成；且所述二氧化硅和硅酸盐矿物中包裹有钒。上述硅元素的物相主要由二氧化硅和硅酸盐矿物组成，伴生有云母石、长石、沸石和石榴石等硅酸盐矿物。二氧化硅和伴生硅酸盐由于其化学特性，外表多呈致密装，易对钒形成包裹，常规方法难以实现钒的高效浸出。采用本发明的处理方法以及处理装置，可以较高效的实现包裹态的钒的浸出过程。
上述高效提钒方法中，优选的，所述搅拌介质为钢球、刚玉球或二氧化锆球体，粒径为0.2-1.2mm，所述搅拌介质的加入量不超过活化腔体的三分之一；所述高硅难处理石煤钒矿与硫酸的质量比为(1-8)：1，所述高硅难处理石煤钒矿与硫酸采用分批加入的方式；加料完成后，逐步升高转速，转速控制在500-1500r/min之间进行超能活化预处理，处理时间为10-80min。
上述高效提钒方法中，优选的，所述S1中，超能活化过程中高硅难处理石煤钒矿与介质碰撞过程中传递的应力强度SI控制在210R2-350R2 Kg.m2/s2之间，其中SI＝d3Pπ2R2W2/900；其中，d代表搅拌介质的直径(mm)，P代表搅拌介质的密度(kg/m3)，R代表搅拌轴承的半径(m)，W代表搅拌轴承的转速(r/min)。
上述高效提钒方法中，优选的，所述焙烧时采用两段焙烧，第一段焙烧时控制温度在250-330℃，恒温时间为0.5-5h，第二段焙烧时控制温度在150-250℃，恒温时间为0.5-5h。
上述高效提钒方法具体的包括以下步骤：
S1、S2：在超能活化预处理阶段，由进料口往活化腔体里先加入适量搅拌介质，由中央集成控制器控制驱动单元(电机)缓慢运转，带动搅拌介质运动。将所需加入高硅难处理石煤钒矿和硫酸分成若干份，按照一份高硅难处理石煤钒矿而后一份硫酸的顺序加入。加料完成后，逐步升高电机转速，电机高速运转带动搅拌介质和混合物料高速运动，维持高速运转一段时间后降低转速。将可移动挡板横向脱出一段距离，物料经过双层筛网进入储料槽得到活化矿物，搅拌介质停留在双层筛网上方。待活化腔体内物料与搅拌介质基本分离，将可移动挡板复位，通过观察窗实时监视储料槽物料情况。
S3：当活化矿物加入到储料槽后，关闭可移动挡板，再向活化腔体内加入少量的浓硫酸，开启搅拌，利用硫酸吸收活化腔体残留的热量，以及利用硫酸对活化腔体进行清洗，减小矿物在活化腔体内的残留。然后打开可移动挡板，将硫酸加入到活化矿物中，利用热硫酸对活化矿物进行进一步的预热、预处理，有利于后续的焙烧。
S4：在控温焙烧预处理阶段，打开储料槽底部阀门，物料在重力作用下通过出料口掉落在储料舟中，待储料舟中物料装满后和可移动置物台一同推入石英管中，通过中央集成控制器打开电加热套，控制温度在适宜数值，恒温一段时间后关闭中央集成控制器，开启冷却水，待石英管降温后取出焙烧物料得到焙烧矿物。
S5：在水浸阶段，经超能活化-控温焙烧预处理得到的焙烧矿物作为浸出原料，将原料与水按一定液固比置于烧杯中，搅拌一段时间后过滤分离，得到尾渣和浸出液，浸出液可作进一步处理回收钒产品。
更具体的，包括以下步骤：
S1、S2：在超能活化预处理阶段，由进料口往腔体里先加入适量搅拌介质，搅拌介质加入量不超过活化腔体总体积1/3，依据实际情况而定。由中央集成控制器控制电机缓慢运转，带动搅拌介质运动，电机转速为100-200r/min。
超能活化预处理阶段，利用物料和搅拌介质在超高速旋转运动条件下产生的强烈的超能冲击，具有极高的研剥力和能量密度，不仅可弥补化学反应能量密度不足，突破热力学反应临界点，加速化学反应进行，还可实现高硅难处理石煤钒矿中强共生性矿物的高效解离，增大物料比表面积和孔隙体积，提高难处理石煤钒矿中钒的浸出率和浸出速率。
但我们研究表明，采用由驱动单元、搅拌轴承、第一搅拌销棒和第二搅拌销棒组成的搅拌装置，为了达到本发明所需要的上述效果，超能活化过程中矿物颗粒与介质碰撞过程中传递的应力强度SI需要控制在210R2-350R2 Kg.m2/s2之间，其中SI＝d3Pπ2R2W2/900；其中，d代表搅拌介质的直径(mm)，P代表搅拌介质的密度(kg/m3)，R代表搅拌轴承的半径(m)，W代表搅拌轴承的转速(r/min)。上述SI决定超能活化效果，SI是连接超能活化效果微观和宏观的重要关系纽带。控制在上述SI，搅拌介质和物料在高速情况下碰撞，局部产生超高能量和超能冲击力，可实现含硅酸盐等难处理矿物的高效解离。
将所需加入高硅难处理石煤钒矿和硫酸分成若干份，按照一份高硅难处理石煤钒矿而后一份硫酸的顺序加入，高硅难处理石煤钒矿与硫酸质量比为(1-8)：1之间。采用分批次加入方法可避免因一次加入硫酸量过多造成局部温度过高和混合不均情况，增加超能活化预处理稳定性。超能活化阶段不能添加过多硫酸，硫酸过多，酸度升高，对设备要求高，导致生产成本增加，并且硫酸加入过多，可能会影响超能活化过程。加料完成后，逐步升高转速，转速控制在500-1500r/min之间，电机高速运转带动搅拌介质和混合物料高速运动，维持高速运转一段时间后降低转速，超能活化预处理时间为10-80min，而后降低转速至100-200r/min之间，利用低速转动便于矿料快速通过筛网。将可移动挡板横向脱出一段距离，可移动挡板右端与尽可能靠近活化腔体左侧，便于物料快速经过双层筛网进入储料槽，搅拌介质停留在双层筛网上方。物料分离时间为5-20min，待活化腔体内物料与搅拌介质基本分离，将可移动挡板复位，通过观察窗实时监视储料槽物料情况。
S3：当活化矿物加入到储料槽后，关闭可移动挡板，再向活化腔体内加入少量的浓硫酸，开启搅拌，利用硫酸吸收活化腔体残留的热量，以及利用硫酸对活化腔体进行清洗，减小矿物在活化腔体内的残留，避免矿物在活化腔体内结垢。然后打开可移动挡板，残留物料在重力作用下掉落进储料槽中，储料槽中堆积预处理时间为20-60min，利用热硫酸对活化矿物进行进一步的预热、预处理，待硫酸与矿物充分渗透混合，有利于后续的焙烧。超能活化阶段，部分硫酸与矿物反应，导致硫酸量减少，在本阶段补充适量硫酸可维持体系一定的酸度，提高焙烧效果，水浸阶段无需再进行补酸处理即可实现钒的高效浸出，缩短了酸化工序，降低了生产成本。上述过程向活化腔体内加入的硫酸量可控制的与S1中相同。
S4：在控温焙烧预处理阶段，低温硫酸化焙烧的实质是浸出反应在固相中完成，并在硫酸沸点以下进行加热。低温硫酸化焙烧与氧压直接酸浸相比，单位矿量所需的加热量小，设备简单；与钠化焙烧、钙化焙烧等相比，其焙烧温度较低，同时无任何污染性气体产出。在控温焙烧预处理阶段，打开储料槽底部阀门，活化矿物在重力作用下通过出料口掉落在储料舟中，待储料舟中物料装满后和可移动置物台一同推入石英管中，通过中央集成控制器打开电加热套，控制温度在150-330℃，分两段进行。第一段焙烧时控制温度在250-330℃，恒温时间为0.5-5h，第二段焙烧时控制温度在150-250℃，恒温时间为0.5-5h。熟化反应结束后关闭中央集成控制器，开启冷却水，待石英管降温后取出焙烧矿物。超能活化预处理阶段和控温焙烧预处理阶段主要发生的反应如式(1)-(3)所示：
2V2O3+4H2SO4+O2＝4VOSO4+4H2O 式(1)；
VO2+H2SO4＝VOSO4+H2O 式(2)；
K2O+H2SO4＝K2SO4+H2O 式(3)；
钒或者其它金属氧化物和硫酸发生反应皆会产生水，焙烧过程不仅可以蒸发掉反应产生的水分，促使反应正向进行，而且在较高温度下还会增强硫酸对矿石的渗透能力，强化分解矿石释放钒的过程。但是值得注意的是，硫酸也会随着温度升高而有一定的挥发损失，VOSO4在高温下也容易分解，因此焙烧温度应控制在硫酸沸点以下，即330℃。在此温度以下焙烧矿石，既可以减少硫酸的挥发，又可以最大限度的提高硫酸利用率及钒的分解率。
S5：在水浸阶段，基于硫酸钒易溶于水的性质，实现钒的高效浸出。经超能活化-控温焙烧预处理得到的焙烧矿物作为浸出原料，在超能活化-控温焙烧预处理阶段部分氧化钒与硫酸反应生成硫酸钒。原料中仍残留部分硫酸和钒氧化物，在溶液中残留钒氧化物易与硫酸反应生成硫酸钒，原料与水质量比1：(1-6)之间，将混合溶液置于烧杯中搅拌浸出后过滤分离得到尾渣和浸出液，搅拌时间为15-120min，搅拌速度为150-500r/min，浸出液可作进一步处理回收钒产品。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用于上述的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒方法的高效提钒装置，包括：
超能活化系统，用于将高硅难处理石煤钒矿、硫酸和搅拌介质混合，并通过机械搅拌实现高硅难处理石煤钒矿的解离得到活化矿物；
筛分系统，用于分离所述搅拌介质与活化矿物；
预处理系统，用于超能活化系统中的洗涤热酸液与活化矿物混合并对活化矿物进行预热、预处理得到预处理矿物；
控温焙烧系统，用于焙烧所述预处理矿物得到焙烧矿物；
水浸系统，用于水浸所述焙烧矿物得到含钒浸出液；
所述超能活化系统、筛分系统、预处理系统、控温焙烧系统和水浸系统依次连接成一整体。
上述高效提钒装置中，优选的，所述超能活化系统包括活化腔体和搅拌组件，所述筛分系统包括筛网组件；所述活化腔体底部设有可移动挡板，所述筛网组件设于所述可移动挡板下方。上述活化腔上还设置进料口，进料口用于加料。上述可移动挡板位于活化腔体底部，可横向灵活移动，当超能活化工序结束后，将挡板横向抽出一定距离，物料顺着双层筛网掉落进入储料槽中，搅拌介质停留在双层筛网上层。
上述高效提钒装置中，优选的，所述搅拌组件包括驱动单元、搅拌轴承、第一搅拌销棒和第二搅拌销棒，多个所述第一搅拌销棒均匀、垂直装设于所述搅拌轴承上，多个所述第二搅拌销棒均匀、垂直装设于所述第一搅拌销棒上，所述搅拌轴承通过所述驱动单元带动所述第一搅拌销棒和第二搅拌销棒在活化腔体内转动。上述第一销棒均匀错开分布于搅拌轴承上，第二销棒均匀错开分布于第一销棒上。第一销棒的末端优选的离活化腔体底部较近，可有效防止物料在底部沉积。上述结构形式的搅拌组件，可通过销棒高速旋转带动高硅难处理石煤钒矿、硫酸和搅拌介质在腔体内高速运动，产生超高能量实现共生矿物高效解离。
上述高效提钒装置中，优选的，所述筛网组件为双层筛网，所述筛网的孔尺寸小于所述搅拌介质的尺寸。通过双层筛网，可以实现搅拌介质与活化矿物的分离。优选的，筛网的孔尺寸小于搅拌介质的直径的三分之一，便于矿料下落进入储料槽同时，防止搅拌介质因磨损导致体积缩小漏过双层筛网，造成搅拌介质的流失。优选的，筛网外网线较筛网内网线粗，防止筛网局部受力不均导致筛网变形。
上述高效提钒装置中，优选的，所述预处理系统包括设于所述筛分系统下方的储料槽，所述储料槽下方设有用于预处理矿物转移至所述控温焙烧系统的可移动置物台，所述可移动置物台上设有用于装设所述储料槽中落下的预处理矿物的储料舟。上述储料槽侧壁上可设置观察窗，观察窗可设于储料槽正中间，可观测到储料槽顶部和底部，实时监测储料槽内物料储存情况，便于及时进料和卸料。上述储料槽底部可设置出料阀门，通过阀门控制出料口开关与否，当阀门打开时，储料槽内物料在重力作用下掉落进入储料舟中，方便进入控温焙烧系统。通过可移动置物台，可实现预处理矿物由储料槽向控温焙烧系统转移。
上述高效提钒装置中，优选的，所述控温焙烧系统包括焙烧管，所述焙烧管外壁上套设有电加热套，所述电加热套外壁上套设有隔热层；所述电加热套中设有空心紫铜线圈，并通过空心紫铜线圈发热，且所述空心紫铜线圈上设有冷却水进水口与冷却水出水口，用于焙烧管降温。上述焙烧管可采用石英管，石英管两端配有密封塞，用于密封处理。电加热套外侧有隔热层，防止热量流失，可有效节省能耗。通过空心紫铜线圈通入冷却水可精确控制反应过程温度，快速实现降温过程。
上述高效提钒装置中，优选的，搅拌介质为钢球、刚玉球或二氧化锆球体，根据难处理石煤钒矿所需解离粒径大下配合合适直径的二氧化锆球体，所加入的搅拌介质总体积不超过活化腔体体积1/3。
上述高效提钒装置中，优选的，还包括中央控制系统和稳固系统，中央控制系统包含中央集成控制器1个和控制按钮若干。电机转速(即驱动单元)和电加热系统均集成于中央集成控制器上，通过控制按钮可精准控制电机转速和电加热套功率，保障超能活化-控温焙烧预处理过程顺利进行。稳固系统包含基座和紧固螺母，基座用于固定超能活化系统和控温焙烧系统，紧固螺母用于固定石英管，两者共同保障超能活化-控温焙烧预处理过程设备稳定与安全。
上述高效提钒装置中，优选的，上述活化腔体在筛网组件以上的部分为圆筒形，所有与矿料直接接触的物件均为耐酸耐高温耐腐蚀钛合金材料。
本发明基于硫酸熟化焙烧-常规水浸处理原理，结合超能活化系统-加酸预热预处理系统-控温焙烧系统预处理，在超能活化预处理阶段利用物料和搅拌介质在超高速旋转运动条件下产生的强烈的超能冲击，具有极高的研剥力和能量密度，可提高局部化学反应能量和温度，加速硫酸渗透与钒氧化物化学反应进行，实现高硅难处理石煤钒矿中钒的初步熟化。超能活化预处理阶段还可实现难处理石煤钒矿中强共生性矿物的高效解离，增大物料比表面积和孔隙体积，便于控温焙烧预处理阶段钒氧化物深度熟化预处理。加酸预热预处理系统可进一步在高酸度下有利于硫酸与矿物充分渗透混合，利于后续焙烧。在控温焙烧预处理阶段，采用温度由高到低阶段化焙烧方法，实现难处理石煤钒矿中钒的深度熟化同时有效节省能耗。在水浸阶段，无需额外添加硫酸短时间内即可实现钒的深度浸出。
本发明基于难处理石煤钒矿提钒领域热力学理论分析、动力学强化理论和工艺矿物学机理，结合机械制造基础研发而成，采用纵向建造结构，充分利用上部空间，占地面积小，利用重力作用，可实现物料自动定向流动，解决了横向构造过程中不同装置中物料取样困难、取样不彻底和占地面积大等问题；本发明配备水冷系统和电热控温系统，电加热套采用空心紫铜线圈，传热速率快，受热均匀，可实现不同反应阶段温度的精准控制，配备隔热层可有效防止热量损耗，降低能耗。冷却阶段冷却水通过空心紫铜线圈，降温速度快，大幅缩短自然冷却时间，便于快速进出料，有效提高生产效率。
本发明采用控温硫酸熟化原理，与钠化焙烧、钙化焙烧等相比，具有焙烧温度较低和无任何污染性气体产出的优点。本发明可实现易处理石煤钒矿中钒的高效提取，也可适用于难处理石煤钒矿中钒的高效提取，尤其适用于富含硅酸盐等共生矿物的难处理石煤钒矿，原料适应性强。经超能活化系统-加酸预热预处理系统-控温焙烧系统预处理后可实现各种难处理石煤钒矿中钒的高效提取，钒提取率可达95％以上，提取率高。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒装置和高效提钒方法，通过超能活化系统-加酸预热预处理系统-控温焙烧系统预处理，可实现高硅难处理石煤钒矿中钒的初步熟化，还可实现难处理石煤钒矿中强共生性矿物的高效解离，便于控温焙烧预处理阶段钒氧化物深度熟化预处理。经超能活化系统-加酸预热预处理系统-控温焙烧系统预处理后可实现各种难处理石煤钒矿中钒的高效提取，钒提取率可达95％以上。
2、本发明的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒装置和高效提钒方法具有设备简单、流程短、原料适应性强、作业环境好、密闭性能好、无振动、低噪音、投资成本低、能耗低等显著优点，可有效解决现有难处理石煤钒矿提钒过程中存在的诸多问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒装置的结构示意图。
图例说明：
1、活化腔体；2、筛网组件；3、可移动挡板；4、驱动单元；5、搅拌轴承；6、第一搅拌销棒；7、第二搅拌销棒；8、储料槽；9、可移动置物台；10、储料舟；11、焙烧管；12、电加热套；13、隔热层；14、空心紫铜线圈；15、冷却水进水口；16、冷却水出水口；17、观察窗。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
本实施例所处理的原料为高硅难处理石煤钒矿，主要原料如表1所示，硅含量达27.37％，主要物相为石英、伊利石等硅酸盐矿物，且大部分的钒处于被上述石英、伊利石等硅酸盐矿物包裹状态，直接进行硫酸化焙烧-水浸处理，其钒的浸出率仅为55.3％，需要进一步提高钒的浸出率。
表1：实施例1中高硅难处理石煤钒矿的元素分析结果
利用本实施例中的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒装置和高效提钒方法对上述高硅难处理石煤钒矿结果如下：
如图1所示，本实施例中的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒装置，包括：
超能活化系统，用于将高硅难处理石煤钒矿、硫酸和搅拌介质混合，并通过机械搅拌实现高硅难处理石煤钒矿的解离得到活化矿物；
筛分系统，用于分离搅拌介质与活化矿物；
预处理系统，用于超能活化系统中的洗涤热酸液与活化矿物混合并对活化矿物进行预热、预处理得到预处理矿物；
控温焙烧系统，用于焙烧预处理矿物得到焙烧矿物；
水浸系统，用于水浸焙烧矿物得到含钒浸出液；
超能活化系统、筛分系统、预处理系统、控温焙烧系统和水浸系统依次连接成一整体。
本实施例中，超能活化系统包括活化腔体1和搅拌组件，筛分系统包括筛网组件2；活化腔体1底部设有可移动挡板3，筛网组件2设于可移动挡板3下方。
本实施例中，搅拌组件包括驱动单元4、搅拌轴承5、第一搅拌销棒6和第二搅拌销棒7，多个第一搅拌销棒6均匀、垂直装设于搅拌轴承上5，多个第二搅拌销棒7均匀、垂直装设于第一搅拌销棒6上，搅拌轴承5通过驱动单元4带动第一搅拌销棒6和第二搅拌销棒7在活化腔体1内转动。
本实施例中，预处理系统包括设于筛分系统下方的储料槽8，储料槽8下方设有用于预处理矿物转移至控温焙烧系统的可移动置物台9，可移动置物台9上设有用于装设储料槽8中落下的预处理矿物的储料舟10。上述储料槽8上设有观察窗17。
本实施例中，控温焙烧系统包括焙烧管11，焙烧管11外壁上套设有电加热套12，电加热套12外壁上套设有隔热层13；电加热套12中设有空心紫铜线圈14，并通过空心紫铜线圈14发热，且空心紫铜线圈14上设有冷却水进水口15与冷却水出水口16，用于焙烧管11降温。
本实施例的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒方法，包括以下步骤：
S1：采用体积为1.0L活化腔体，由进料口往活化腔体里先加入搅拌介质，搅拌介质加入量占活化腔体总体积1/4，搅拌介质的粒径为0.6-0.8mm。由中央集成控制器控制电机缓慢运转，带动搅拌介质运动，电机转速活动范围为100-150r/min。将所需加入高硅难处理石煤钒矿原料500g和浓硫酸150g各分成5份，每份原料100g，每份硫酸30g，按照一份原料而后一份硫酸的顺序加入。加料完成后，逐步升高转速，转速控制在1200r/min左右，控制SI值为320R2 Kg.m2/s2，电机高速运转带动搅拌介质和混合物料高速运动，维持高速运转10min，而后降低转速至100r/min。将可移动挡板横向脱出，可移动挡板右端与尽可能靠近活化腔体左侧，便于物料快速经过双层筛网进入储料槽，搅拌介质停留在双层筛网上方。物料分离时间为10min，待活化腔体内物料与搅拌介质基本分离，将可移动挡板复位，通过观察窗实时监视储料槽物料情况。
S2：再向活化腔体内加入少量的浓硫酸，加入量为150g，开启搅拌组件转动，用于吸收活化腔体内的热量以及清洗活化腔体内残留的矿物，再打开可移动挡板，使硫酸进入储料槽内，预处理30min得到预处理物料。
S3：控温焙烧预处理阶段，打开储料槽底部阀门，物料在重力作用下通过出料口掉落在储料舟中，待储料舟中物料装满后和可移动置物台一同推入石英管中，使用密封塞封闭石英管两端。通过中央集成控制器打开电加热套，第一阶段控制温度在280℃，恒温时间1.0h。第二阶段控制温度在180℃，恒温时间2.5h。熟化反应结束后关闭中央集成控制器的控制按钮，开启冷却水，由冷却水入口进入，冷却水出口流出，待石英管降温至120℃后取出焙烧矿物。
S4：按焙烧矿物与水质量比为1：3混合得到混合溶液，将混合溶液置于3L烧杯中搅拌浸出，搅拌时间为60min，搅拌速度为200r/min，然后过滤分离得到尾渣和浸出液，浸出液体积1.65L，浸出液中钒含量为2.70g/L，钒浸出率可达95.9％。
实施例2：
本实施例所处理的原料为高硅难处理石煤钒矿，主要原料如表2所示，硅含量达34.37％，主要物相为石英、白云石等硅酸盐矿物，且大部分的钒处于被上述石英、白云石等硅酸盐矿物包裹状态，直接进行硫酸化焙烧-水浸处理，其钒的浸出率仅为41.8％，需要进一步提高钒的浸出率。
表2：实施例2中高硅难处理石煤钒矿的元素分析结果
利用本实施例中的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒装置和高效提钒方法对上述高硅难处理石煤钒矿结果如下：
本实施例的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒装置同实施例1。
本实施例的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒方法，包括以下步骤：
S1：采用体积为1.0L活化腔体，由进料口往活化腔体里先加入搅拌介质，搅拌介质加入量占活化腔体总体积1/4，搅拌介质的粒径为0.4-0.6mm。由中央集成控制器控制电机缓慢运转，带动搅拌介质运动，电机转速活动范围为120r/min。将所需加入高硅难处理石煤钒矿原料500g和硫酸250g各分成5份，每份原料100g，每份硫酸50g，按照一份原料而后一份硫酸的顺序加入。加料完成后，逐步升高转速，转速控制在1500r/min左右，此时SI值为250R2Kg.m2/s2电机高速运转带动搅拌介质和混合物料高速运动，维持高速运转20min，而后降低转速至129r/min。将可移动挡板横向脱出，可移动挡板右端与尽可能靠近活化腔体左侧，便于物料快速经过双层筛网进入储料槽，搅拌介质停留在双层筛网上方。物料分离时间为12min，待活化腔体内物料与搅拌介质基本分离，将可移动挡板复位，通过观察窗实时监视储料槽物料情况。
S2：再向活化腔体内加入少量的浓硫酸，加入量为250g，开启搅拌组件转动，用于吸收活化腔体内的热量以及清洗活化腔体内残留的矿物，再打开可移动挡板，使硫酸进入储料槽内，预处理30min得到预处理物料。
S3：控温焙烧预处理阶段，打开储料槽底部阀门，物料在重力作用下通过出料口掉落在储料舟中，待储料舟中物料装满后和可移动置物台一同推入石英管中，使用密封塞封闭石英管两端。通过中央集成控制器打开电加热套，第一阶段控制温度在250℃，恒温时间1.5h。第二阶段控制温度在160℃，恒温时间2.0h。熟化反应结束后关闭中央集成控制器的控制按钮，开启冷却水，由冷却水入口进入，冷却水出口流出，待石英管降温至110℃后取出焙烧矿物。
S4：按焙烧矿物与水质量比为1：4混合得到混合溶液，将混合溶液置于3L烧杯中搅拌浸出，搅拌时间为80min，搅拌速度为300r/min，然后过滤分离得到尾渣和浸出液，浸出液体积2.15L，浸出液中钒含量为1.95g/L，钒浸出率可达95.3％。
实施例3：
本实施例所处理的原料为高硅难处理石煤钒矿，主要原料如表3所示，硅含量达19.37％，主要物相为石英、白云石、镁铝榴石等硅酸盐矿物，且大部分的钒处于被上述石英、白云石、镁铝榴石等硅酸盐矿物包裹状态，直接进行硫酸化焙烧-水浸处理，其钒的浸出率仅为62.4％，需要进一步提高钒的浸出率。
表3：实施例3中高硅难处理石煤钒矿的元素分析结果
利用本实施例中的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒装置和高效提钒方法对上述高硅难处理石煤钒矿结果如下：
本实施例的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒装置同实施例1。
本实施例的高硅难处理石煤钒矿的高效提钒方法，包括以下步骤：
S1：采用体积为1.0L活化腔体，由进料口往活化腔体里先加入搅拌介质，搅拌介质加入量占活化腔体总体积1/4，搅拌介质的粒径为0.7-0.9mm。由中央集成控制器控制电机缓慢运转，带动搅拌介质运动，电机转速活动范围150r/min。将所需加入高硅难处理石煤钒矿原料500g和硫酸180g各分成5份，每份原料100g，每份硫酸36g，按照一份原料而后一份硫酸的顺序加入。加料完成后，逐步升高转速，转速控制在1000r/min左右，此时SI值为300R2Kg.m2/s2，电机高速运转带动搅拌介质和混合物料高速运动，维持高速运转15min，而后降低转速至110r/min。将可移动挡板横向脱出，可移动挡板右端与尽可能靠近活化腔体左侧，便于物料快速经过双层筛网进入储料槽，搅拌介质停留在双层筛网上方。物料分离时间为8min，待活化腔体内物料与搅拌介质基本分离，将可移动挡板复位，通过观察窗实时监视储料槽物料情况。
S2：再向活化腔体内加入少量的浓硫酸，加入量为180g，开启搅拌组件转动，用于吸收活化腔体内的热量以及清洗活化腔体内残留的矿物，再打开可移动挡板，使硫酸进入储料槽内，预处理30min得到预处理物料。
S3：控温焙烧预处理阶段，打开储料槽底部阀门，物料在重力作用下通过出料口掉落在储料舟中，待储料舟中物料装满后和可移动置物台一同推入石英管中，使用密封塞封闭石英管两端。通过中央集成控制器打开电加热套，第一阶段控制温度在270℃，恒温时间2.5h。第二阶段控制温度在160℃，恒温时间1.0h。熟化反应结束后关闭中央集成控制器的控制按钮，开启冷却水，由冷却水入口进入，冷却水出口流出，待石英管降温至120℃后取出焙烧矿物。
S4：按焙烧矿物与水质量比为1：3混合得到混合溶液，将混合溶液置于3L烧杯中搅拌浸出，搅拌时间为45min，搅拌速度为270r/min，然后过滤分离得到尾渣和浸出液，浸出液体积1.74L，浸出液中钒含量为3.64g/L，钒浸出率可达96.8％。
对比例1：
采用实施例3同样的矿样，经常规球磨预处理，其余条件与实验3均一致，水浸过滤分离后得到尾渣和浸出液，浸出液体积1.8L，浸出液钒含量为2.66g/L，钒浸出率仅为73.18％。对尾渣进行钒物相分析，其中石英包裹钒占比21.36％、白云石包裹钒占比10.35％、镁铝榴石包裹钒占比4.81％，其他矿物包裹钒为3.3％。尾渣物相分析表明，常规加酸球磨无法高效打开二氧化硅和硅酸盐等共生矿物对金的包裹。
对比例2：
采用实施例3同样的矿样，除了不经过实施例3中的S2，其他条件均与实施例3相同，水浸过滤分离后得到尾渣和浸出液，浸出液体积1.6L，浸出液钒含量为3.82g/L，钒浸出率仅为93.3％。
对比例3：
采用实施例3同样的矿样，除了S1中控制转速使SI值为150R2 Kg.m2/s2，其他条件均与实施例3相同，水浸过滤分离后得到尾渣和浸出液，浸出液体积1.9L，浸出液钒含量为2.95g/L，钒浸出率仅为85.8％。
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