點(diǎn)“石”成金 化“渣”為寶

張一敏教授(左二)在人民大會(huì)堂受獎(jiǎng)
張一敏,教授、博士生導(dǎo)師,現(xiàn)任武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院院長(zhǎng)和武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院院長(zhǎng)。武漢科技大學(xué)“楚天學(xué)者計(jì)劃”特聘教授,武漢理工大學(xué)學(xué)科首席教授,國(guó)家863計(jì)劃資源環(huán)境領(lǐng)域主題專家組組長(zhǎng),國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專家。
以第一完成人獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng),省部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng);以第二完成人獲省部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng);以第三完成人獲省部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)2項(xiàng);獨(dú)著或主編出版《固體物料分選理論與工藝》、《二次資源利用》、《球團(tuán)生產(chǎn)技術(shù)》等5部著作,在國(guó)內(nèi)外重要刊物上發(fā)表論文120余篇。
資源是人類賴以生存的基礎(chǔ),在我們的地球上,資源數(shù)量有限。隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、工業(yè)化進(jìn)程不斷深入,資源正在被大規(guī)模開發(fā)利用。在資源開發(fā)利用過程中,很多問題隨之而生,如資源利用率低、二次資源浪費(fèi)嚴(yán)重、環(huán)境污染等等,已成為人類面臨的一道重要“考題”。 如何提高資源利用水平,解決復(fù)雜資源和挑戰(zhàn)新的資源領(lǐng)域,很多人都在尋找答案。
現(xiàn)任武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院院長(zhǎng)、武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院院長(zhǎng)的張一敏,從武漢鋼鐵學(xué)院礦物加工工程專業(yè)畢業(yè)留校工作開始,就與資源高效利用正式結(jié)緣,他長(zhǎng)期從事潔凈礦物加工理論與工藝、濕法冶金、資源綜合利用的科研和教學(xué)工作,在礦物高效提取和資源綜合利用等領(lǐng)域主持和參與了多項(xiàng)重大研究課題,取得了重要突破,獲得廣泛贊譽(yù)。
點(diǎn)“石”成金
高熔點(diǎn)稀有金屬元素釩是一種重要的戰(zhàn)略物資,除廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金外,還大量應(yīng)用于國(guó)防、宇航、核能、化工、電子、船舶及新能源等領(lǐng)域,一直是西方各國(guó)的重要戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源。
含釩頁巖是我國(guó)一種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)含釩資源,其儲(chǔ)量超過國(guó)外該類資源的總和。但是,由于我國(guó)這類資源利用技術(shù)起步晚、水平差,珍貴資源不僅得不到合理利用,還威脅到環(huán)境質(zhì)量。

張一敏教授在指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)
早在上世紀(jì)70年代末,張一敏就接觸到這種珍貴資源。含釩頁巖俗稱石煤,產(chǎn)出地老百姓常錯(cuò)把它當(dāng)成燃煤,用于燒制石灰或其他低級(jí)利用,亂采濫挖、浪費(fèi)嚴(yán)重。上世紀(jì)80年代,人們開始認(rèn)識(shí)到釩資源的重要性,民間土法提釩廠大量涌現(xiàn),浪費(fèi)和污染觸目驚心。作為一名長(zhǎng)期研究資源利用的礦物加工專家,提起這些,張一敏至今仍記得當(dāng)時(shí)的痛心。也正是這種痛心,讓他有了最原始的科研動(dòng)力和方向—尋找一條高效石煤提釩方法,既節(jié)約資源又保護(hù)環(huán)境。
但是,事情遠(yuǎn)沒有張一敏想象的那么簡(jiǎn)單。由于全世界90%含釩頁巖礦集中在我國(guó),因此國(guó)外在這方面的研究微乎其微,國(guó)內(nèi)的研究當(dāng)時(shí)也僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。沒有經(jīng)驗(yàn)參考,他只能從零開始,探索符合“中國(guó)資源特色”的提釩新技術(shù)。
傳統(tǒng)石煤提釩技術(shù)存在幾大瓶頸:釩回收率低;廢氣、廢水、余熱大量浪費(fèi);尾渣無法利用,環(huán)境污染嚴(yán)重。一些新開發(fā)的技術(shù)也往往只能兼顧某一方面,高效提釩技術(shù)成為一道十分棘手的科學(xué)難題。張一敏和他的團(tuán)隊(duì)從開始著手研究提釩技術(shù)就已目標(biāo)明確,要與傳統(tǒng)提釩技術(shù)一點(diǎn)一滴的不足較真,立志開發(fā)出我國(guó)先進(jìn)提釩新工藝,既能夠大幅度提高釩回收率,又能實(shí)現(xiàn)提釩生產(chǎn)工藝節(jié)能減排、在線循環(huán)和降耗增效。
通過不斷攻關(guān),張一敏在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)了雙循環(huán)高效氧化提釩新工藝,創(chuàng)建了全新的在線循環(huán)新思路,通過多種強(qiáng)化機(jī)制,發(fā)明了自催化—高效解離—循環(huán)氧化提釩新方法,突破了含釩頁巖低價(jià)釩難以氧化轉(zhuǎn)價(jià)的技術(shù)難關(guān)和環(huán)境瓶頸,首次在我國(guó)建成標(biāo)志性先進(jìn)提釩工程,大幅度提高了釩回收率,實(shí)現(xiàn)了提釩生產(chǎn)節(jié)能減排、在線循環(huán)和降耗增效。

張一敏教授與團(tuán)隊(duì)成員研討
該項(xiàng)技術(shù)可獲得99級(jí)高純V2O5,回收率高(ε>75%),遠(yuǎn)超過國(guó)內(nèi)現(xiàn)有指標(biāo)。新研發(fā)出的多床循環(huán)流態(tài)化脫碳裝置等關(guān)鍵設(shè)備,確保了工藝過程的在線循環(huán)和環(huán)??刂茖?shí)施。
開發(fā)出的與提釩工藝配套的提釩煙氣∕廢水在線循環(huán)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了酸介質(zhì)等中間產(chǎn)品返回主流程,使噸釩成本降低15%~20%,余熱利用率>85%。膜熱耦合新型高鹽廢水處理技術(shù),使含鹽廢水循環(huán)利用率高達(dá)99%,結(jié)晶鹽全部回用。
該項(xiàng)目已在國(guó)內(nèi)10余家提釩企業(yè)推廣應(yīng)用,所開發(fā)的節(jié)能、環(huán)保配套技術(shù)還先后用于國(guó)內(nèi)20余家鋼鐵企業(yè),取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。這一集成技術(shù)解決了含釩資源高效提取節(jié)能減排和環(huán)境污染等重大問題,實(shí)現(xiàn)了我國(guó)含釩頁巖資源開發(fā)利用的跨越。項(xiàng)目獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利9項(xiàng)、公開國(guó)家發(fā)明專利12項(xiàng)、授權(quán)實(shí)用新型專利8項(xiàng);獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng),省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng),其他省部級(jí)獎(jiǎng)5項(xiàng);相關(guān)技術(shù)被列為"國(guó)家重點(diǎn)環(huán)境保護(hù)實(shí)用技術(shù)示范工程"項(xiàng)目,項(xiàng)目配套技術(shù)成果得到中央電視臺(tái)新聞聯(lián)播等國(guó)內(nèi)主流媒體的關(guān)注,形成了我國(guó)獨(dú)特釩資源先進(jìn)提取成套集成技術(shù)。
化“渣”為寶
工業(yè)中產(chǎn)生的各類含鐵渣塵,是具有重要利用價(jià)值的二次資源。但傳統(tǒng)意義上的含鐵渣塵利用,多為有限低附加值利用,絕大部分含鐵渣塵長(zhǎng)期廢棄堆放,不僅造成資源浪費(fèi),且極易形成環(huán)境污染。現(xiàn)有的含鐵渣塵利用技術(shù)普遍存在處理工藝復(fù)雜、過程控制困難、產(chǎn)品指標(biāo)不穩(wěn)、運(yùn)行成本過高等缺陷,所生產(chǎn)的產(chǎn)品粉化率高,易造成二次污染。
1999年,原國(guó)家冶金局將含鐵渣塵高效利用列為冶金重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目,張一敏帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)歷時(shí)7年,瞄準(zhǔn)含鐵渣塵高效利用中的關(guān)鍵技術(shù)和理論難題,在掌握核心技術(shù)和進(jìn)行集成創(chuàng)新的前提下,開發(fā)出超極限(h/D)分選提純新工藝、新裝備,發(fā)明了基于功能抽取及分子設(shè)計(jì)的高效含鐵渣塵氧化、冷壓球團(tuán)添加劑。形成了集新工藝、新設(shè)備、新產(chǎn)品在內(nèi)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的整套含鐵渣塵高效循環(huán)利用技術(shù)。

張一敏教授(中)在提釩工程現(xiàn)場(chǎng)
攻關(guān)初期,國(guó)內(nèi)找不到適合該類含鐵粉塵預(yù)處理的設(shè)備,張一敏根據(jù)在“六五”科技攻關(guān)中對(duì)我國(guó)鉻鐵礦分選預(yù)處理的成功經(jīng)驗(yàn),大膽實(shí)踐,創(chuàng)造性地采用0.36的超極限距徑比設(shè)計(jì),開發(fā)出我國(guó)第一臺(tái)超極限(h/D)螺旋溜槽。在這一思路提出之初,受到了一些同行的質(zhì)疑,認(rèn)為這與螺旋溜槽距徑比(h/D)不能小于0.45的傳統(tǒng)理論相悖,難以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。面對(duì)困難和質(zhì)疑,張一敏沒有退縮,帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)組織攻關(guān),理論上的突破和嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,最終與相關(guān)設(shè)備專家一起拿出了超極限(h/D)溜槽整套設(shè)計(jì)方案,并自籌經(jīng)費(fèi)委托廠家加工出第一臺(tái)工業(yè)樣機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明,設(shè)備完全適合含鐵渣塵的分選預(yù)處理的特殊需求,效果突出。在成功研發(fā)出含鐵渣塵分選關(guān)鍵設(shè)備的基礎(chǔ)上,張一敏建立的單一超極限h/D螺旋溜槽“一粗二精一掃”的含鐵渣塵分選提純新工藝,鐵品位可提高5%~7%,回收率提高10%~15%,S脫除率高達(dá)95%。
張一敏緊跟企業(yè)需求,不斷調(diào)整研究重心。2006年,國(guó)際市場(chǎng)鐵礦石年均漲價(jià)近20%,使國(guó)內(nèi)鋼企噸鋼成本上升,國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)紛紛把降低成本作為企業(yè)生存發(fā)展的首要任務(wù)。張一敏審時(shí)度勢(shì),帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)開發(fā)出冶金渣塵冷態(tài)球團(tuán)技術(shù),發(fā)明了用飽和蒸汽介質(zhì)對(duì)轉(zhuǎn)爐LT干式粉塵及AOD、EAF爐粉塵進(jìn)行旋風(fēng)消解處理的技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備。所獲得的粉塵冷壓球團(tuán),強(qiáng)度高、水分低、長(zhǎng)期存放不粉化,遠(yuǎn)超出國(guó)外該類球團(tuán)僅3~5天的存放時(shí)限,有效解決了球團(tuán)粉化關(guān)鍵難題,實(shí)現(xiàn)了直接在線循環(huán)。
發(fā)明的含鐵渣塵氧化球團(tuán)和冶金粉塵干式冷壓球團(tuán)高效系列粘結(jié)劑,可使球團(tuán)強(qiáng)度高達(dá)3000N/個(gè),比傳統(tǒng)粘結(jié)劑球團(tuán)提高了500N/個(gè);在冷壓球團(tuán)時(shí),分散性好,速凝效果突出,品質(zhì)穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了熱、冷態(tài)兼用。

張一敏教授(二排居中)和部分團(tuán)隊(duì)成員合影
該成果先后在國(guó)內(nèi)多家大型鋼鐵企業(yè)推廣應(yīng)用,并與美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)的企業(yè)實(shí)現(xiàn)了合作。含鐵渣塵利用技術(shù)的重大突破,為這一類資源的高效合理利用開辟了新的途徑,對(duì)推動(dòng)我國(guó)冶金行業(yè)節(jié)能減排、資源循環(huán)利用、緩解我國(guó)冶煉原料進(jìn)口壓力發(fā)揮了重要作用。該項(xiàng)目先后獲國(guó)家發(fā)明專利7項(xiàng)、實(shí)用新型專利4項(xiàng);獲“國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃”和“國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品”項(xiàng)目支持;獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、省部二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。
近十多年來,張一敏先后主持完成和在研國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“低品級(jí)含釩頁巖礦產(chǎn)資源高效開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)及工程示范”、國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目課題“非金屬礦高溫反應(yīng)爐成套技術(shù)研究”、國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“鄂西高磷赤鐵礦二次資源在線循環(huán)高效利用技術(shù)及設(shè)備”、環(huán)保部專項(xiàng)項(xiàng)目“提釩行業(yè)先進(jìn)工藝及污染防治技術(shù)評(píng)估研究”、國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃項(xiàng)目“硫酸渣分選提純研究及工業(yè)應(yīng)用”等國(guó)家與地方重大研究項(xiàng)目40余項(xiàng)。
在礦物加工、資源綜合利用領(lǐng)域取得的成績(jī)有目共睹,張一敏先后榮獲科技部“‘十一五’國(guó)家科技計(jì)劃執(zhí)行突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”、湖北省有突出貢獻(xiàn)專家、湖北省勞動(dòng)模范、湖北五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)碌取H缃?,張一敏仍舊忙碌著,帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì),一如既往地為自己摯愛的事業(yè)傾注著滿腔熱情。
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