双碳背景下提钒弃渣制备集热涂层及其性能.pdf

37工业科技2023年（总第153期）攀枝花科技与信息第2 期第48 卷双碳背景下提钒弃渣制备集热涂层及其性能侯静,徐众,吴恩辉,李军,蒋燕,黄平攀枝花学院钒钛资源综合利用四川省重点实验室摘要冶金矿产固废综合利用是构建绿色低碳循环经济体系的重要组成部分，本文以提钒弃渣为原料，经除铁、球磨、打浆、喷涂制备提钒弃渣太阳集热涂层，以水为介质，研究了不同倾角下的集热板的集热性能，结果表明在倾角为30 时，提钒弃渣涂层集热板的集热效率最好，可达到8 4.6 9%，同条件下仅比蓝钛膜涂层集热板集热效率低6.8 1%。关键词提钒弃渣；集热涂层；低碳；冶金固废矿产资源综合利用是全面加强生态文明建设的重要环节，随着我国生态文明建设的深入推进和环境保护要求的不断提高，冶金矿产固废综合利用已是我国构建绿色低碳循环经济体系的重要组成部分，既是全面提高矿产资源综合利用效率的本质要求，也是助力实现国家双碳目标，建设美丽中国的重要支撑门O提钒弃渣是钒渣经钠化培烧和水浸提钒后的冶金固体废弃物，近年来由于我国对钒的需求量越来越大，提钒弃渣也越来越多，仅鞍钢、承钢等企业每年排放的提钒弃渣就接近50 万t，大量提钒弃渣被堆弃，不仅占用场地,并且其中可溶性Cr+、V 5+会严重污染周围的环境2-4。提钒弃渣中含有大量铁、铬、锰、硅、钛的金属氧化物，可用于制备远红外涂料和防脱碳涂料5,而且由于大量黑色氧化物的存在使其对太阳光吸收率超过9 0%，具有很好的光吸收性能，是良好的集热和蓄热功能材料6-8 ,笔者采用提钒弃渣作为原料制备太阳集热涂层，综合性能优异，工艺技术可行，而且具有价格优越性和冶金固废再利用意义，可以推广应用到平板热水器和其它集热设备上，在双碳目标背景下为提钒弃渣的综合利用提供了一条新的利用途径。1实验原料性能及研究方法1.1提钒弃渣的化学成分及粒度组成本实验提钒弃渣由四川省攀枝花市某企业提供，其化学成分见表1。粒度组成见表2，由表2 可以看出，粒度-0.0 7 4mm93.54%，-0.023mm64.41%，有助于涂层的制备。1.2提钒弃渣的物相组成与形貌提钒弃渣X射线衍射分析见图1，由图1可知，提钒弃渣的主要物相组成为Fe203、Fe,TiOi5、Fe Cr,0 4以及硅酸盐相。图2 为提钒弃渣的SEM图，由图2 可以看出，提钒弃渣颗粒形貌呈条状和黏合状，其中黏合状颗粒较大，直径约为2 3 7 4m，条状颗粒尺寸38PZNZHIHUASCI-TECH&IFORMATION较小，横向尺寸小于10 m表1提钒弃渣主要化学成分/%Fe20;TiO2Si02MgOA1203CaoMnoCr.03Na,0V,0s其他41.8412.9014.403.573.202.507.842.248.122.081.31表2提钒弃渣的粒度组成/%粒径范围mm+0.154-0.154+0.074-0.074+0.038-0.038+0.023-0.023比例/%1.345.1210.3918.7464.411200一1-Fe,O;100032-Fe,TiO1s3-FeCr,O41328006001121400331200212010 203040506070809020/()图1提钒弃渣的X射线衍射分析1.3提钒弃渣太阳集热涂层的制备(1)集热板预处理。先对集热板表面蓝钛膜用砂纸进行打磨，磨除原装蓝钛膜涂层，再用氢氟酸清洗集热板表面，然后用稀盐酸对集热板表面进行刻蚀，最后再用细砂纸进一步对集热板表面进行打磨，得到无集热涂层的集热壁板。Sum20um图2提钒弃渣的SEM（2)提钒弃渣预处理。由于提钒弃渣中铁含量较高，密度较大，在制备提钒弃渣浆料时容易分层，分散性不好，所以先对提钒弃渣碳热还原除铁处理，得到除铁后的提钒弃渣。除铁处理后的提钒弃渣成分见表3所示，然后将其球磨得到粒度细小的细粉颗粒（-0.074mm的颗粒大于9 0%）备用。表3除铁后的提钒弃渣主要化学成分/%Fe203Ti02Si02MgOA1,0;CaoMnoCr,03Na,0V,0s其他3.2921.4322.465.855.244.1012.843.6713.303.514.31（3)提钒弃渣浆料的制备。称取一定量的提钒弃渣细粉颗粒加入8%浓度的PVA溶剂中，加热的同时不断搅拌使提钒弃渣颗粒均匀分散在PVA溶剂中，分别制备浓度为0.3g/mL和0.35g/mL的提钒弃渣浆料，待用。（4)提钒弃渣太阳集热涂层的制备。将制备的提钒弃渣浆料在热态的时候均匀喷涂在集热空板上，自然晾干，得到提钒弃渣太阳集热涂层集热板1.4提钒弃渣太阳集热涂层的集热效率测试以水为介质，来计算集热板的集热效率，集热效率计算公式为：=Q,（A G)9)。其中：m-集热效率,单位为%;Qn-集热板吸收的太阳辐射能,单位为w；A-集热器的面积，3920233年攀枝花科技与信息(总第153期）第48 卷第2 期单位为m;G-辐照度,单位为W/m集热板吸收的太阳辐射能计算公式为：Q,=（W,+W,）。其中：Qn-集热器吸收的太阳辐射能,单位为W；W，-水升温的热量，单位为kJ；Wz-水的气化热量，单位为kJ。水升温的热量计算公式为：W,=cXm（T,-T。）)。其中:W,-水升温的热量,单位为kJ;c-水的比热容,单位为KJ/（k g.）;m-水的质量,单位为kg;T,-升温温度,单位为.;T。-初始温度,单位为。除升温以外，在集热板加热过程中，气化的水的热量计算公式为：W,=Xxm所示。其中：W,-水的气化热量,单位为kJ;x-水的汽化潜热，单位为kJ/kg;m-水的质量，单位为kg。2结果与讨论2.1提钒弃渣光吸收率的理论计算提钒弃渣中含有大量的金属氧化物，其主要金属氧化物的光吸收率见表4,结合表3计算其光吸收率为8 3.2 5%，计算公式为：提钒弃渣W+WTio,TiO2O,+Wv.0,v.0,Fe+Wcr.03Cr.03,+WMnoMno+Wsio,sio,+WCaoCao+WAl,0,Al,0,+WMgoMgo=83.25表4提钒弃渣中氧化物的吸收率成分Fe,0;TiO2V,OsMnosio2A1,0;CaoMgOCr,0;Na,0吸收率0.880.830.850.900.890.860.870.920.820.872.2提钒弃渣涂层集热板的集热性能提钒弃渣涂层集热板的集热性能实验（实验地点攀技花市东区，时间在2 0 2 2 年1月7 日11：0 0-13：2 0,集热板为平铺，倾角0），对比环境温度，同时考察蓝钛膜涂层集热板、0.3g/mL提钒弃渣涂层集热板和0.35g/mL提钒弃渣涂层集热板内腔的空气温度升温情况，实验结果见图3，图4为当日11：0 0 12：2 0 时间段的太阳辐照强度记录。由图3可知，当日11：0 0 12：2 0 时间段，室外阳光下空气温度维持在2 1.523.2，三块集热板内空气温度随着集热时间的延长，温度逐渐上升，其中蓝钛膜涂层集热板内空气的升温速率最快，在经过2 0 min集热后，蓝钛膜涂层集热板空气温度达到51，0.3g/m L提钒弃渣涂层集热板内空气温度46.1，0.35g/mL提钒弃渣涂层集热板内空气温度47.8，相较于环境温度22.2，三块集热板内空气温度都有明显提高，且前2 0 min的温度上升最为迅速，2 0 min后温度上升趋于平缓。空气温度与辐照强度656055500./4540环境空气温度35蓝钛膜涂层集热板300.30g/ml提钒弃渣涂层集热板250.35g/ml提钒弃渣涂层集热板206s:0161:1167:1166:1160:2111:0912:19时间图3空气温度变化情况的变化有关，实验过程中有云层遮挡（11：3311：55），辐照强度变低后，集热板内空气温度有略微的波动。实验结果可以看出提钒弃渣涂层集热板内空气温度上升略低于蓝钛膜涂层集热板，但相差较小，表明提钒弃渣涂层的集热性能与蓝钛膜涂层接近，8 0 min后蓝钛膜涂层集热板内空气温度为59.5，40PZNZHIHUASCI-TECH&INNFORMATION0.3g/mL提钒弃渣涂层集热板内空气温度53.7，0.35g/mL提钒弃渣涂层集热板内空气温度55.4，温度差小于10%，表明提钒弃渣集热板具有良好的集热性能。15001400(z.M/1300一一辐照强度12001100100090080070065:0167:1166:1160:Z111:49时间图4辐照强度变化情况2.3提钒弃渣涂层集热板的集热效率分析为进一步验证提钒弃渣涂层集热板的集热性能和集热效率，以水为集热介质，考察三块集热板的集热效率（实验地点攀枝花，时间在2 0 2 2 年1月7 日14：0 0 16：0 0 进行提钒弃渣涂层集热板的集热性能测试，集热板的面积均A为2 m；集热板内水添加量为1kg;集热板平铺，倾角0；该时段的平均辐照度G为12 8 9.9 W/m）。经过2 h的实验，根据上述公式分别计算不同集热板中水汽化情况见表5，集热效率见图5。0.3g/mL和0.35g/mL提钒弃渣涂层集热板的集热效率分别可达到6 1.6 6%和7 0.11%0.35g/mL提钒弃渣涂层集热板的集热效率能够达到蓝钛膜集热板的8 3.0 1%表5实验数据结果计算水减少量水升温的热量汽化的水的热量集热器吸收的太阳集热器集热集热板/kgW,/kJW,/kJ辐射能Q./W效率%蓝钛膜0.8642.752136.242178.9984.460.3g/mL提钒弃渣0.59125.191465.561590.7561.660.35g/mL提钒弃渣0.6994.661713.961808.6270.112.4倾角对提钒弃渣涂层集热板集热效率的影响集热板的安装倾角是直接影响太阳辐照在集热板上的热量总量的重要因素1-12 攀枝花市地处北纬2 6 0 5 2 7 2 1，理论安装倾角是地里纬度值10,所以为进一步探究集热板的集热性能，分别对0、10、2 0、30 和40倾角进行了集热板的集热性能分析，实验时间2 h,加水量均为1kg，由于不同时间段的太阳辐照强度不同，所以进行辐照强度的均值计算。实验结果见表6，不同安装倾角下的集热板集热效率见图6。由图6 可知，在相同辐照强度下，随着安装倾角的变化，集热板的集热效率呈先上升后降低的趋势，在倾角为30 时，集热板的集热效率达到最大值，84.468070.1161.666040200蓝钛膜0.3 g/mL0.35 g/mL提钒弃渣提钒弃渣集热涂层材料图5不同集热涂层集热板的集热效率其中0.3g/mL和0.35g/mL提钒弃渣涂层集热板的集热效率分别达到7 3.6 8%和84.69%，同条件下比蓝钛膜涂层集热板集热41上接第30 页323952392023年(总第153期）攀枝花科技与信息第2 期第48 卷效率低6.8 1%，接近蓝钛膜涂层集热板集热效率。表6不同倾角下提钒弃渣涂层集热板的集热性能倾角0.3g/mL0.35g/mL蓝钛膜辐照强度度数提钒弃渣 提钒弃渣084.4661.6670.111289.9w/m1085.9563.3572.581217.5w/m2089.4567.8775.941257.4w/m3091.5073.6884.691189.5w/m4083.5465.8979.561276.8 w/m9590858075706560一蓝钛膜集热板55-0.3g/mL提钒弃渣集热板500.3g/mL提钒弃渣集热板45010203040集热板倾角/()图6不同倾角下集热板的集热效率均热段断面温差最小，为0，符合出炉要求；（3）通过研究板坏最大断面温差随炉膛内预热段温度和钛坏初始温度的变化规律，发现预热段温度平均每升高5，最大断面温差增加1-2；钛坏人炉温度平均每升50，最大断面温差减小3-8 左右；通过研3结论（1)提钒弃渣中主要物相为铁、铬、锰、硅、钛、钠、镁的金属氧化物，具有很好地光吸收性能，理论光吸收率为8 3.2 5%。(2)以提钒弃渣为原料,经除铁、球磨、打浆和喷涂工艺制备了提钒弃渣涂层集热板，具有工艺技术可行、成本低、集热效果好等优势，是冶金固废提钒弃渣利用新途径。（3）以空气为介质，对比分析了三块不同涂层集热板的集热效率，研究表明提钒弃渣涂层集热板经过15min左右的集热，集热板内腔空气可达到50 左右，继续加热可维持在55（4)以水为加热介质，对比分析了不同安装倾角下集热板的集热效率,研究表明在倾角为30 时，提钒弃渣涂层集热板的集热效率最好，达到8 4.6 9%，同条件下仅比蓝钛膜涂层集热板集热效率低6.8 1%，表现出良好的集热性能。(参考文献略）究钛坏芯部温度满足出炉要求的时间与炉膛温度的变化规律，发现预热段影响较小，预热段温度每升高10，芯部满足出炉要求的时间减少1-2 min；一加热段温度每升高10，芯部满足要求时间减少4-6 min。（参考文献略）