煤提钒通常是指从含钒碳质页岩、含钒煤矸石和含钒粘土矿石中提取钒化合物的工业过程。
中国石煤提钒产业起步于20世纪70年代末。经过大约30年的发展，它在钒工业中发挥了重要作用，其产量估计已达到中国钒总产量的30%左右。在工业行业中，石煤提钒是一个比较年轻的行业，技术和设备还处于落后状态，技术经济上还有很大的提升空。
1.石煤提钒工艺的现状及发展方向
经过三十年的发展，石煤提钒工艺已发展为火法焙烧、湿法浸出和湿法酸浸两大技术路线。火法焙烧湿法浸出提钒技术是指将矿石在高温下氧化焙烧，将低价钒氧化转化为五价钒，然后进行湿法浸出，得到含钒液体，实现提钒的工艺过程。钒的湿法浸出过程是指含钒原矿的直接酸浸，包括在高浓度酸性条件下，甚至在加热加压和氧化剂存在下，将钒溶解在矿物中得到含钒液体的过程。
(1)火法焙烧湿法浸出提钒工艺
根据焙烧过程中添加剂或焙烧机理的不同，火法焙烧湿法浸出提钒工艺可分为盐焙烧工艺、空白焙烧工艺和钙化焙烧工艺。
1.加盐焙烧提钒
1979年形成了钠盐焙烧石煤，水浸水解沉淀粗钒，碱溶精炼粗钒和精钒的传统工艺流程，又称“钠化焙烧，两步沉钒工艺”或“盐焙烧提钒工艺”。前几年引进离子交换工艺或萃取工艺富集低浓度钒液，实现了一步沉钒，降低了能耗和生产成本。
该工艺技术成熟，设备简单，投资少。
目前国内已有省市有石煤提钒，新建企业多采用禁止加盐(含低盐)焙烧提钒的产业政策，如河南、湖北、重庆、陕西、新疆、贵州等。
该工艺的缺陷是:焙烧废气污染严重，废气处理成本高，处理后废气转化为废水污染，废水循环利用率低，废水排放量大，环境污染严重。
根据计算和实测，若在含钒石煤焙烧过程中加入8%的盐(氯化钠)，烟气中氯化氢和氯气的总浓度将达到10000mg/Nm3左右。根据《大气污染物综合排放标准》GB16297—1996，氯化氢最高允许排放浓度为150mg/Nm3，氯气最高允许排放浓度为85mg/Nm3。如果烟气未经处理，氯化氢的最高允许排放浓度为85mg/nm3。目前，工业上采用石灰乳吸收法或烧碱吸收法处理这种烟气。石灰乳吸收法属于气液固反应，对吸收设备要求高，相应的烟气处理设备投资大。烧碱吸收法效果好，设备投资低，但处理费用高。按一般工业条件，如1%钒品位的矿石，每吨五氧化二钒需要消耗五吨以上氢氧化钠和一万五千元以上吸收剂。但更多的技术和经济问题接踵而至，烟气污染物吸收后会变成废水污染。根据目前工业上通用的技术措施，这部分烟气处理废水纳入工艺中。根据工艺计算和工业测量，这部分废水并入工艺，会使工艺水中氯离子含量一度高达16g/L，严重影响离子交换过程中钒离子的富集，更重要的是影响工艺水的循环利用率。因此，工艺水的循环利用率非常低，根据工业调查数据，该工艺的水循环利用率全部低于40%，并且每生产一吨五氧化二钒产品，排放的工艺废水超过300m3，造成企业周围土壤的盐碱化，从而引发了多年来的一系列涉钒环保事件！
图1盐焙烧提钒过程中氯离子趋势
2.钙化焙烧提钒工艺
钙化提钒工艺是指在含钒矿物中加入石灰或石灰石。在高温下，低价钒被氧化成高价钒，形成偏钒酸钙化合物。偏钒酸钙化合物在弱酸性环境中易溶于液体，从而实现从矿物中分离提取钒。
焙烧提钒的工艺路线最早出现在前苏联50年代的文献中，但没有工业化。上世纪90年代中后期，国内某科研单位在企业做工业实验，也没有实现产业化。我带领的课题组在90年代末就开发了这项技术，并数次进入企业进行工业试验。2006年，河南省某企业实现了日处理矿石200吨的工业规模生产。这项技术有以下优点和缺点:
(1)用钙盐(石灰、石灰石)代替食盐，彻底消除了钠化焙烧过程中含有HCl、Cl2等有毒有害气体的废气污染问题。焙烧过程中加入的钙盐(约5%)在浸出过程中基本与硫酸反应生成少量硫酸钙沉淀。该工艺的优点是工艺水中其他水溶性离子含量低，有利于工艺水的循环利用。根据设计计算和工业测量，工艺水的回收率可达90%以上。每生产一吨五氧化二钒产品，排放或待处理的工艺废水只有60m3左右，是用盐焙烧提钒工艺的五分之一。
(2)焙烧物料为低酸浸出(混酸浓度为1-2%，硫酸)，硫酸消耗低。每百吨矿石耗酸量仅4吨左右，生产成本低，液体杂质少，有利于工艺水循环使用。
(3)设备投资高于加盐焙烧工艺。盐焙烧工艺可以通过水浸得到含钒液体。中小企业一般采用球直接浸入法，设备投资少，不需要考虑防腐。但也有企业采用酸浸法提高钒回收率。钙化过程必须采用酸浸。焙烧后的物料需要再次破碎，然后机械搅拌浸出，再用带式真空空过滤机进行渣分离。工艺中应考虑设备防腐。
3.其他高温焙烧提钒工艺
包括空白焙烧提钒工艺、复合添加剂焙烧提钒工艺等。
空白焙烧提钒工艺又称无盐焙烧提钒工艺，焙烧过程中不添加任何添加剂。20世纪90年代初，湖南煤炭科学研究院与相关企业合作研发了这项技术。目前该技术仅在湖南怀化市个别企业使用，矿石中钒的总收率在38%-45%之间。经过技术改进，总收率可以进一步提高。该技术对矿石选择性强，不值得在工业上推广。
复合添加剂焙烧提钒工艺是钠化焙烧提钒工艺和钙化焙烧提钒工艺的改进，不是单一的提钒工艺。根据各地矿石的不同特性，添加不同成分配比的添加剂，如氯化钠、碳酸钠、石灰、氯化铵、软锰矿等。通过小型工艺试验，在焙烧过程中确定。
(2)湿法酸浸提钒工艺
钒的湿法浸出技术是指用高浓度的酸代替焙烧从矿石中浸出钒。酸，通常是硫酸，在一些工艺装置中与价格高、危险性大、腐蚀性强的盐酸甚至氢氟酸(氟化物盐)混合使用，还经常加入一些氧化剂。浸出过程通常在加热和加压的条件下进行。如果不施加压力，成本就是增加氧化剂的用量或者采用氧化性更强的氧化剂。这种工艺的优点是焙烧过程中不存在烟气污染的问题。但由于生产过程腐蚀性强，对设备要求高，投资大，生产成本高。该工艺的另一大缺点是废水量大，由于用酸量大，矿石中的大量重金属溶出，废水成分复杂。该技术对矿石也有一定的选择性。有些企业已经建立了湿法工艺，生产后还要在前道工序中增加预焙。一些技术单位甚至提出了矿石预焙烧——湿法提钒的工艺，背离了湿法提钒技术的初衷。
(3)石煤提钒工艺的发展方向
虽然从煤中提取钒的工艺已发展成火法焙烧、湿法浸出和湿法酸浸两大工艺，但每种工艺都有各自的优缺点。我认为石煤提钒的发展方向是这两种技术的结合。
从矿物的特性来看，预先对矿石进行氧化焙烧，可以在一定程度上破坏矿物结构，有利于钒的提取。同时，从资源综合利用的角度，矿石焙烧或燃烧过程中的热能可以回收。因此，在石煤提钒的预处理过程中，应优先考虑焙烧过程。从提高矿石中钒的总回收率和工厂的技术经济水平考虑，火法焙烧湿法提钒工艺应积极借鉴湿法酸浸强化浸出的技术经验。由于矿石经过高温焙烧，可以明显降低浸出过程中的酸耗，有利于降低生产成本，提高工艺废水的回收率，减少生产过程中废水的排放或处理量。事实上，一些企业和科研院所已经开展了相关技术的探索和实践。
二。石煤提钒工艺的选择
提钒工艺的选择一直是业内有争议的实际问题。从科学上讲，面对复杂多变的含钒原料，从来没有一个通用的提钒工艺。根据不同地方石煤的不同特点，通过系统的选矿和冶金试验，选择合适的提钒工艺。此外，在确定钒提取工艺时，应考虑以下因素:
(一)企业所在地石煤提钒的产业政策
大部分有石煤提钒产业的省市都制定了类似产业政策的文件，新建企业一般不允许采用钠化焙烧技术提钒，甚至不允许采用平窑焙烧设备。这些政策或规定有的是以明确文件的形式在行业内公布，有的是以政府相关部门的调研报告和发展规划作为项目审批的指导依据。
(二)项目所在地的环境特征和环境容量
对水污染特别敏感的地区，采用湿法提钒工艺和钠化焙烧提钒工艺。由于废水量大，虽然可以配套相应的废水处理装置，但要特别小心。对于空气体污染特别敏感的地区，采用火法焙烧技术提钒应特别谨慎。
(3)过程的可靠性和成熟度
煤提钒技术市场比较混乱，各种技术标新立异。有的企业投资几千万元却生产不出产品，或者技术经济指标低。一项技术是否成熟可靠，作为企业，重点应该是该技术是否在工业实践中得到成功应用，一项技术的经济性如何，相关技术方应该拿出完整的单耗表作为判断依据。
(4)项目所在地硫酸的价格。
石煤提钒过程中，用量大、价值低的原料是硫酸，不同地区硫酸价格相差很大。如果在硫酸需要长途外购且价格明显偏高的地区建设湿法酸浸提钒装置，提钒装置在行业内将缺乏竞争力。
三、石煤提钒厂工艺设计
工厂的工艺设计包含很多内容，包括工艺设计、物料和能量平衡、设备工艺设计、车间布置设计、管道布置设计、非工艺设计、工程预算等。本文不可能详细介绍这些方面。仅针对石煤提钒厂存在的典型设计问题，以火法焙烧湿法浸出提钒工艺设计为例进行介绍。
(一)工艺和流程选择的原则是技术上先进可靠，经济上合理可行。
除了上面提到的石煤提钒的主要技术，行业内各种所谓的新技术层出不穷，有些技术甚至被冠以“清洁技术”、“环保技术”、“高效技术”、“无污染技术”等标签。这并不是一种严谨的行为，笔者甚至遇到过号称“细菌提钒工业技术”的所谓专家。工业的设计和建造首先必须遵循技术可靠的原则。现在大型石煤提钒厂投资都在几千万以上。笔者也走访过国内几家投资上千万，但两三年生产不出产品的企业。这些企业投资损失巨大，惨不忍睹！选择了可靠的工艺，即使在试生产期间达不到满意的技术经济指标，工艺上也不会出现原则性的错误。此外，还要考虑技术的先进性和经济性，在保证技术可靠性的基础上，兼顾技术的先进性。
(2)工艺设计阶段
工厂设计是阶段性的。虽然根据项目的特点可以简化设计阶段，但是任何工厂项目的设计都不可能一次性进入施工图设计阶段。以两段式设计为例。即使简化设计流程，也必须在施工图设计之前进行方案设计。在方案设计阶段，根据项目的特点，做好主要环节的物料平衡。在平衡计算的过程中，经常会发现之前预定的流程会有一些不合适的地方，通过不断的调整会得到一个科学合理的设计流程。笔者接触到一些技术，在没有相应处理手段和数据的情况下，声称总回收率可以达到85%以上。这不是严谨的技术态度。
企业要注意，千万不要盲目追求工期，采取“边建设边设计”的策略，这样会给工厂建设带来不可预知的隐患，至少无法准确把握投资金额。
(3)关键设备的选择或设计
火法焙烧湿法浸出提钒工艺的关键设备通常包括石煤预脱碳设备、破碎设备、焙烧设备、固液分离设备等。此外，烟气处理设备也属于全厂的关键设备。目前，石煤提钒行业在关键设备的配套上相对滞后。在设计中，要做好关键设备的勘察设计。
这几年最大的问题是焙烧设备选择错误，比如回转窑(转炉)。笔者亲眼目睹了三家企业钒焙烧工艺用回转窑的大失败！不是说钒矿焙烧过程一定不能用回转窑，而是要做好研究工作和设备选型设计，要慎重。
(4)工艺流程设计
随着物料平衡、设备设计和车间布局设计的进展，工艺流程设计是一个不断修改和调整的过程。笔者走访考察了很多石煤提钒企业，能够拿到完整工艺流程图的企业很少。遇到技术问题时是零敲碎打的解决方案，缺乏工艺流程的概念，无法深入理解整个流程的技术特点，会影响企业整体技术经济水平的提高。
个人认为，目前石煤提钒企业普遍忽视厂房设计，有的企业是边设计边建，在建设过程中反复追加投资，有的企业根本就没有设计。导致装置投产后，设备不配套，生产达不到标准。装置一旦投入试运行，将不断面临技术改造，严重影响企业的经济效益。
