雙碳背景下提釩棄渣制備集熱涂層及其性能

侯靜，徐眾，吳恩輝，李軍，蔣燕，黃平

（攀枝花學(xué)院 釩鈦資源綜合利用四川省重點實驗室，四川 攀枝花 617000）

礦產(chǎn)資源綜合利用是全面加強生態(tài)文明建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，隨著我國生態(tài)文明建設(shè)的深入推進(jìn)和環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，冶金礦產(chǎn)固廢綜合利用已是我國構(gòu)建綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟體系的重要組成部分，既是全面提高礦產(chǎn)資源綜合利用效率的本質(zhì)要求，也是助力實現(xiàn)國家雙碳目標(biāo)，建設(shè)美麗中國的重要支撐[1]。

提釩棄渣是釩渣經(jīng)鈉化焙燒和水浸提釩后的冶金固體廢棄物，近年來由于我國對釩的需求量越來越大，提釩棄渣也越來越多，僅鞍鋼、承鋼等企業(yè)每年排放的提釩棄渣就接近50 萬t，大量提釩棄渣被堆棄，不僅占用場地，并且其中可溶性Cr6+、V5+會嚴(yán)重污染周圍的環(huán)境[2-4]。提釩棄渣中含有大量鐵、鉻、錳、硅、鈦的金屬氧化物，可用于制備遠(yuǎn)紅外涂料和防脫碳涂料[5]，而且由于大量黑色氧化物的存在使其對太陽光吸收率超過90%，具有很好的光吸收性能，是良好的集熱和蓄熱功能材料[6-8]，筆者采用提釩棄渣作為原料制備太陽集熱涂層，綜合性能優(yōu)異，工藝技術(shù)可行，而且具有價格優(yōu)越性和冶金固廢再利用意義，可以推廣應(yīng)用到平板熱水器和其它集熱設(shè)備上，在雙碳目標(biāo)背景下為提釩棄渣的綜合利用提供了一條新的利用途徑。

1 實驗原料性能及研究方法

1.1 提釩棄渣的化學(xué)成分及粒度組成

本實驗提釩棄渣由四川省攀枝花市某企業(yè)提供，其化學(xué)成分見表1。粒度組成見表2，由表2 可以看出，粒度-0.074 mm93.54 %，-0.023 mm 64.41 %，有助于涂層的制備。

表1 提釩棄渣主要化學(xué)成分/%Table 1 Main Chemical Components of vanadium extraction tailings

表2 提釩棄渣的粒度組成/%Table 2 Particle size composition of vanadium extraction tailings

1.2 提釩棄渣的物相組成與形貌

提釩棄渣X 射線衍射分析見圖1，由圖1 可知，提釩棄渣的主要物相組成為Fe2O3、Fe9TiO15、FeCr2O4以及硅酸鹽相。圖2 為提釩棄渣的SEM 圖，由圖2 可以看出，提釩棄渣顆粒形貌呈條狀和黏合狀，其中黏合狀顆粒較大，直徑約為23～74 μm，條狀顆粒尺寸較小，橫向尺寸小于10 μm。

圖1 提釩棄渣的X 射線衍射分析Fig.1 XRD patterns of vanadium extraction tailings

圖2 提釩棄渣的SEMFig.2 SEM image of vanadium extraction tailings

1.3 提釩棄渣太陽集熱涂層的制備

（1）集熱板預(yù)處理。先對集熱板表面藍(lán)鈦膜用砂紙進(jìn)行打磨，磨除原裝藍(lán)鈦膜涂層，再用氫氟酸清洗集熱板表面，然后用稀鹽酸對集熱板表面進(jìn)行刻蝕，最后再用細(xì)砂紙進(jìn)一步對集熱板表面進(jìn)行打磨，得到無集熱涂層的集熱空板。

（2）提釩棄渣預(yù)處理。由于提釩棄渣中鐵含量較高，密度較大，在制備提釩棄渣漿料時容易分層，分散性不好，所以先對提釩棄渣碳熱還原除鐵處理，得到除鐵后的提釩棄渣。除鐵處理后的提釩棄渣成分見表3 所示，然后將其球磨得到粒度細(xì)小的細(xì)粉顆粒（-0.074 mm 的顆粒大于90%）備用。

表3 除鐵后的提釩棄渣主要化學(xué)成分/%Table 3 Main chemical composition of vanadium extraction tailings after removing iron

（3）提釩棄渣漿料的制備。稱取一定量的提釩棄渣細(xì)粉顆粒加入8%濃度的PVA 溶劑中，加熱的同時不斷攪拌使提釩棄渣顆粒均勻分散在PVA 溶劑中，分別制備濃度為0.3 g/mL 和0.35 g/mL 的提釩棄渣漿料，待用。

（4）提釩棄渣太陽集熱涂層的制備。將制備的提釩棄渣漿料在熱態(tài)的時候均勻噴涂在集熱空板上，自然晾干，得到提釩棄渣太陽集熱涂層集熱板。

1.4 提釩棄渣太陽集熱涂層的集熱效率測試

以水為介質(zhì)，來計算集熱板的集熱效率，集熱效率計算公式為：η=Qn/（AG）[9]。其中：η-集熱效率，單位為 %；Qn-集熱板吸收的太陽輻射能，單位為 w；A-集熱器的面積，單位為 m2；G-輻照度，單位為 W/m2。

集熱板吸收的太陽輻射能計算公式為：Qn=(W1+W2)。其中：Qn-集熱器吸收的太陽輻射能，單位為 W；W1-水升溫的熱量，單位為 kJ；W2-水的氣化熱量，單位為 kJ。

水升溫的熱量計算公式為：W1=c×m×(T1-T0)[10]。其中：W1-水升溫的熱量，單位為kJ；c-水的比熱容，單位為 KJ/(kg·℃)；m-水的質(zhì)量，單位為 kg；T1-升溫溫度，單位為 ℃；T0-初始溫度，單位為 ℃。

除升溫以外，在集熱板加熱過程中，氣化的水的熱量計算公式為：W2=χ×m所示。其中：W2-水的氣化熱量，單位為 kJ；χ-水的汽化潛熱，單位為 kJ/kg；m-水的質(zhì)量，單位為 kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 提釩棄渣光吸收率的理論計算

提釩棄渣中含有大量的金屬氧化物，其主要金屬氧化物的光吸收率見表4，結(jié)合表3 計算其光吸收率為83.25%，計算公式為：

表4 提釩棄渣中氧化物的吸收率Table 4 Absorption rate of oxide in vanadium extraction tailings

2.2 提釩棄渣涂層集熱板的集熱性能

提釩棄渣涂層集熱板的集熱性能實驗（實驗地點攀枝花市東區(qū)，時間在2022 年1 月7 日11：00-13：20，集熱板為平鋪，傾角0°），對比環(huán)境溫度，同時考察藍(lán)鈦膜涂層集熱板、0.3 g/mL 提釩棄渣涂層集熱板和0.35 g/mL 提釩棄渣涂層集熱板內(nèi)腔的空氣溫度升溫情況，實驗結(jié)果見圖3，圖4為當(dāng)日11：00～12:20 時間段的太陽輻照強度記錄。由圖3 可知，當(dāng)日11：00～12:20 時間段，室外陽光下空氣溫度維持在21.5～23.2 ℃，三塊集熱板內(nèi)空氣溫度隨著集熱時間的延長，溫度逐漸上升，其中藍(lán)鈦膜涂層集熱板內(nèi)空氣的升溫速率最快，在經(jīng)過20 min 集熱后，藍(lán)鈦膜涂層集熱板空氣溫度達(dá)到51℃，0.3 g/ mL提釩棄渣涂層集熱板內(nèi)空氣溫度46.1℃，0.35 g/mL 提釩棄渣涂層集熱板內(nèi)空氣溫度47.8℃，相較于環(huán)境溫度22.2℃，三塊集熱板內(nèi)空氣溫度都有明顯提高，且前20 min 的溫度上升最為迅速，20 min 后溫度上升趨于平緩?？諝鉁囟扰c輻照強度的變化有關(guān)，實驗過程中有云層遮擋（11:33～11:55），輻照強度變低后，集熱板內(nèi)空氣溫度有略微的波動。實驗結(jié)果可以看出提釩棄渣涂層集熱板內(nèi)空氣溫度上升略低于藍(lán)鈦膜涂層集熱板，但相差較小，表明提釩棄渣涂層的集熱性能與藍(lán)鈦膜涂層接近，80 min 后藍(lán)鈦膜涂層集熱板內(nèi)空氣溫度為59.5℃，0.3 g/mL 提釩棄渣涂層集熱板內(nèi)空氣溫度53.7℃，0.35 g/ mL 提釩棄渣涂層集熱板內(nèi)空氣溫度55.4℃，溫度差小于10%，表明提釩棄渣集熱板具有良好的集熱性能。

圖3 空氣溫度變化情況Fig.3 Air temperature variation

圖4 輻照強度變化情況Fig.4 Variation of irradiation intensity

2.3 提釩棄渣涂層集熱板的集熱效率分析

為進(jìn)一步驗證提釩棄渣涂層集熱板的集熱性能和集熱效率，以水為集熱介質(zhì)，考察三塊集熱板的集熱效率（實驗地點攀枝花，時間在2022 年1 月7 日14:00～16:00 進(jìn)行提釩棄渣涂層集熱板的集熱性能測試，集熱板的面積均A 為2 m2；集熱板內(nèi)水添加量為1kg；集熱板平鋪，傾角0°；該時段的平均輻照度G 為1289.9 W/m2）。經(jīng)過2 h 的實驗，根據(jù)上述公式分別計算不同集熱板中水汽化情況見表5，集熱效率見圖5。0.3 g/mL 和0.35 g/mL 提釩棄渣涂層集熱板的集熱效率分別可達(dá)到61.66%和70.11%，0.35 g/ mL 提釩棄渣涂層集熱板的集熱效率能夠達(dá)到藍(lán)鈦膜集熱板的83.01%。

圖5 不同集熱涂層集熱板的集熱效率Fig.5 Heat collection efficiency of collector plates with different heat collection coatings

表5 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果計算Table 5 Calculation of experimental data results

2.4 傾角對提釩棄渣涂層集熱板集熱效率的影響

集熱板的安裝傾角是直接影響太陽輻照在集熱板上的熱量總量的重要因素[11-12]，攀枝花市地處北緯26°05′～27°21′，理論安裝傾角是地里緯度值±10°，所以為進(jìn)一步探究集熱板的集熱性能，分別對0°、10°、20°、30°和40°傾角進(jìn)行了集熱板的集熱性能分析，實驗時間2 h，加水量均為1 kg，由于不同時間段的太陽輻照強度不同，所以進(jìn)行輻照強度的均值計算。實驗結(jié)果見表6，不同安裝傾角下的集熱板集熱效率見圖6。由圖6 可知，在相同輻照強度下，隨著安裝傾角的變化，集熱板的集熱效率呈先上升后降低的趨勢，在傾角為30°時，集熱板的集熱效率達(dá)到最大值，其中0.3 g/mL 和0.35 g/mL 提釩棄渣涂層集熱板的集熱效率分別達(dá)到73.68%和84.69%，同條件下比藍(lán)鈦膜涂層集熱板集熱效率低6.81%，接近藍(lán)鈦膜涂層集熱板集熱效率。

圖6 不同傾角下集熱板的集熱效率Fig.6 Collecting efficiency of heat collecting plate at different inclination angles

表6 不同傾角下提釩棄渣涂層集熱板的集熱性能Table 6 Heat collection performance of vanadium extraction slag discarding coating heat collector plate at different dip angles

3 結(jié)論

（1）提釩棄渣中主要物相為鐵、鉻、錳、硅、鈦、鈉、鎂的金屬氧化物，具有很好地光吸收性能，理論光吸收率為83.25%。

（2）以提釩棄渣為原料，經(jīng)除鐵、球磨、打漿和噴涂工藝制備了提釩棄渣涂層集熱板，具有工藝技術(shù)可行、成本低、集熱效果好等優(yōu)勢，是冶金固廢提釩棄渣利用新途徑。

（3）以空氣為介質(zhì)，對比分析了三塊不同涂層集熱板的集熱效率，研究表明提釩棄渣涂層集熱板經(jīng)過15 min 左右的集熱，集熱板內(nèi)腔空氣可達(dá)到50℃左右，繼續(xù)加熱可維持在55℃。

（4）以水為加熱介質(zhì)，對比分析了不同安裝傾角下集熱板的集熱效率，研究表明在傾角為30°時，提釩棄渣涂層集熱板的集熱效率最好，達(dá)到84.69%，同條件下僅比藍(lán)鈦膜涂層集熱板集熱效率低6.81%，表現(xiàn)出良好的集熱性能。