CN101191149B - 一种煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属化工、冶金领域，特别涉及一种煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合工艺及装置。其特征是煤炭气化反应与铁矿石还原反应分别在独立的反应室中进行，保证煤炭气化与铁矿石还原都能够在各自最优的条件下进行。同时煤炭气化室与铁矿石还原室又耦合在一起形成一个反应装置，煤炭气化在下部的气化室进行，气化后得到的还原性气体进入焙烧室与粉状难选贫铁矿进行还原焙烧反应。贫铁矿焙烧室中设有3-6个异形缩口，将整个焙烧室分隔成4-7级流化床，保证贫铁矿颗粒的停留时间分布接近平推流。本发明工艺简单，可在一个反应装置内对煤炭气化与贫铁矿磁化焙烧反应分别进行优化，同时在焙烧室的贫铁矿颗粒内停留时间分布均匀，因而可提高焙烧、磁选效率，获得良好的铁精矿品位和铁回收率。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合工艺及装置，属化工、冶金领域。
背景技术
钢铁行业是国民经济的支柱性产业，支撑着汽车、建筑、交通、机电等众多重要产业。随着我国经济的快速发展，对铁矿石的需求大幅攀升，当前国内铁矿石的产量已难以满足生产需求，每年需要进口大量的铁矿石(如2005年我国共进口铁矿石约2.7亿吨)。近年来国际铁矿石价格大幅攀升，铁矿石进口国际形势不容乐观，已危及我国铁矿石供应的安全。
截至2002年底，全国铁矿石储量为118.36亿吨，基础储量213亿吨，资源储量365亿吨(与此相比，我国目前主要的铁矿石进口国澳大利亚、巴西和印度的铁矿石同期储量分别为180亿吨、78亿吨和28亿吨)。虽然我国铁矿储量不少，但铁矿石的平均品位仅为33％，比目前世界铁矿石供应大国平均品位约低20％。我国铁矿成因类型多、成矿条件复杂，磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿常常共生在一起，脉石矿物也比较复杂，不仅有石英，还有透辉石、透闪石、石榴子石、碧玉等含铁硅酸盐矿物。已探明的储量中，97％为贫矿，品位大于50％的“富矿”仅占探明资源总量的2.7％。这些低品位铁矿中有一半属于弱磁性难选贫矿。为了利用这些铁矿，往往采用浮选、重选或强磁选等多种方法进行处理。但是浮选不能有效处理脉石成分复杂、物化性质和赤铁矿石相近的低品位铁矿，重选也不能有效处理细粒度的粉状低品位铁矿，使用强磁选的方法也不能将赤铁矿和脉石矿物有效分离。所以，尽管采用了复杂的选矿工艺、多段分选，但因原矿品质差，不仅难以得到高品质的铁精矿，而且还会产生大量的尾矿，导致选矿总回收率低。对上述铁矿石进行还原磁化焙烧，可将弱磁性的贫铁矿转变成强磁性的铁矿石，简化后续选矿工艺，提高磁选效率和铁回收率，是弱磁性贫铁矿品位提升的重要技术手段。
铁矿石磁化焙烧技术研发可追溯到上世纪初，采用的焙烧反应器主要包括竖炉、回转窑、流化床(沸腾炉)等。由于流化床内气固接触状态好，焙烧过程中传热、传质效率都远高于竖炉和回转窑，是进行铁矿石磁化焙烧的理想反应器。国内外已对流化床反应器铁矿石磁化焙烧进行过不少研究，如英国专利GB 1008938提出通过过程设计降低磁化焙烧过程能耗，其设计了4个流化床反应器，铁矿石在第一个反应器内脱水、在第二个反应器内完成焙烧、第三个反应器进行还原、第四个反应器进行热量回收，还原介质采用汽油。我国在上世纪六十年代，曾经由中国科学院化工冶金研究所(现中国科学院过程工程研究所)与马鞍山矿山研究院共同建造了我国第一座100吨/天流态化磁化焙烧中试系统，采用煤气作还原介质，先后对鞍山赤铁矿、南京凤凰山赤铁矿、酒泉菱铁矿、镜铁矿、河北宣化鲕状铁矿、包头白云鄂博含稀土金属矿等进行磁化焙烧-磁选研究，可获得含Fe 60～65％的铁精矿，铁回收率最高可达90～94％.70年度以后，马鞍山矿山研究院使用4吨/天的流态化焙烧炉(沸腾炉)，将粉煤直接喷入沸腾炉内作为还原剂，对黄铁矿烧渣和贫铁矿石进行了多次磁化焙烧试验，均获得了很好的效果.中国发明专利申请200510019917.7提出了一种“难选氧化铁矿石的旋流悬浮闪速磁化焙烧-磁选方法，使磨细了的铁矿石在微负压条件下、弱还原性气氛(CO含量＜15％)、600-850℃下处于旋流悬浮状态(流态化)实现还原，整个反应时间小于100s即可完成.中国发明专利申请200410041935.0提出了一种“循环流化床矿物还原焙烧装置及还原焙烧方法”，将预处理矿石和原料煤加入循环流化床焙烧段，通入空气使煤进行不完全燃烧产生还原性气氛，提供矿石的还原焙烧所需还原性气氛.
然而现有以煤炭直接作为还原剂的铁矿石流态化磁化焙烧工艺也存在如下明显的不足：(1)煤炭难以被完全利用。现有的工艺都是将煤炭与铁矿石直接混合，再通入空气使煤炭部分燃烧以提供反应所需的还原性气氛，而煤炭气化反应与铁矿石磁化焙烧反应的最佳条件不一致，在实际操作中煤炭的部分燃烧反应与铁矿石的还原反应很难做到完全同步，即难以做到煤炭正好被完全气化，导致焙烧矿中不可避免会夹杂着一定量的未气化煤炭颗粒，这不仅降低煤炭的利用率，还会造成环境污染。(2)未解决硫污染问题。现有的煤炭直接还原工艺没有考虑煤炭中硫的脱除问题，煤炭在部分燃烧过程中硫会转化成H2S，若不脱除H2S则会造成环境污染。(3)矿石停留时间分布过宽，降低后续磁选效率。无论是鼓泡流化床(沸腾炉)还是循环流化床都是一种全混反应器，铁矿石具有很宽的停留时间分布(从零到无穷大)，而磁化焙烧的最佳工艺条件是要使Fe2O3正好全部转化为Fe3O4，还原不足(尚有Fe2O3存在)或过度还原(有部分被还原成FeO)都会降低还原矿的磁性，降低磁化焙烧的效率，从而影响后续磁选的效率和铁矿石的收率。因此，理想的磁化焙烧反应器应该是使铁矿石在反应器内的停留时间分布越窄越好，最好接近理想的平推流。
本发明正是针对现有技术的上述不足，提出了一种煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合工艺及装置，以实现煤炭的完全利用，解决煤炭气化过程H2S污染问题，并同时解决铁矿石在反应器的停留时间分布过宽问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤炭气化与贫铁矿磁化焙烧耦合工艺及其实现装置，其特征是一方面将煤炭气化反应与铁矿石磁化焙烧反应分开，使气化反应及铁矿石磁化焙烧反应都在各自最优的条件下进行，另一方面又将煤炭气化反应器与铁矿石磁化焙烧反应器耦合在一起，形成一个反应器，以简化流程，并节约固定资产投资及操作费用。
本发明的又一目的是提供一种在煤炭直接还原铁矿石过程中硫的脱除方法，以解决H2S污染问题。
本发明的又一目的是通过反应器结构设计，使铁矿石在反应器的停留时间分布接近平推流，提高磁化焙烧的效率。
本发明的日的是通过如下方式实现的：
本发明提供的煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧反应装置，包括粉煤及脱硫剂料仓(1)，贫铁矿加料系统(2)，煤炭气化室(3)，贫铁矿磁化焙室(4)，旋风分离器(7)，料腿料仓(8)，焙烧矿换热装置(9)，空气换热器(10)等组成.其特征是煤炭气化反应与铁矿石还原反应分别在不同的反应室中进行，以保证煤炭气化与铁矿石还原都能够在各自最优的条件下进行.同时煤炭气化反应室与铁矿石还原反应室有机耦合在一起，煤炭气化反应在位于反应器底部的气化室内进行，气化后的气体直接进入上部的铁矿石焙烧反应室内，形成一个有机的整体，可避免煤炭在独立的反应器中气化后，气体的高温净化及输送等操作.
本发明提供的煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合工艺是通过上述反应装置实现的，其特征是将粉煤与脱硫剂的混合物以一定的速率连续加入到反应器的气化室(3)，从气化室底部通入经过预热的空气，煤炭在气化室(3)中于700-1200℃下进行气化；气化后得到的还原性气体进入焙烧室(4)底部与一定量的返回尾气及水蒸气混合，同时粉状难选贫铁矿以一定速率加入焙烧室下部，在焙烧室内550-900℃下与调制后的还原性气体发生还原焙烧反应。
本发明提供的煤炭气化室(3)独立于磁化焙烧室(4)，其特征是气化室设有分布器(5)，粉煤与适量的脱硫剂的混合物加入到气化室下部的分布器上，经预热的热空气从底部进入反应器，在气化室内进行煤炭气化反应，同时加入的脱硫剂完成对气相H2S的捕捉与固定，避免煤炭中的硫排放到尾气中污染环境。根据煤种的不同，气化反应可在700-1200℃下进行，气化温度和气氛的还原性可通过煤炭/空气比例进行调节。
本发明提供的贫铁矿磁化焙烧室(4)位于煤炭气化室(3)的上方，通过一段缩口与煤炭气化室(3)相连，其特征是：贫铁矿磁化焙烧室(4)设有分布器(6)，贫铁矿粉矿从加料系统(2)加入到磁化焙烧室的分布器(6)上方，气化室(3)产生的还原性气体从气化室顶部直接进入焙烧室底部，同时根据需要还可引入部分尾气并可加入一定量的水蒸气对气氛进行调制，使铁矿石在多段焙烧室(4)中实现快速流态化，以强化传质传热。反应后的气体与铁矿石粉体一起从焙烧室顶部进入旋风分离器(7)，气体的显热通过与冷空气换热而回收，铁矿石粉体则通过旋风分离器(7)的料腿部分返回焙烧室，部分从料腿的排料口排出。
本发明中提供的贫铁矿磁化焙烧室(4)，其又一特征是在焙烧室中设置多段异形缩口，将整个焙烧室分隔成多级流化床，因缩口处气体的表观速度大大高于非缩口处，使得铁矿石不能从上一级流化床返回到下一级流化床。这种设计使得铁矿石在焙烧室内接近平推流，同时又延长了矿粉的停留时间。根据实际要求，可将焙烧室(4)分隔成3-6段，将整个焙烧室分隔成4-7级流化床，以满足不同反应条件对停留时间分布的要求。
本发明中提供的贫铁矿磁化焙烧室(4)，其又一特征是根据贫铁矿的不同，从料腿返回的铁矿石粉体可以进入焙烧室的中上部、如上部2-3级之间，而非焙烧室的底部，以减小整体的铁矿石的返混程度。
本发明中提供的铁矿石焙烧反应可以不受煤炭气化条件的限制，可独立于气化反应而追求最佳的焙烧反应条件，其特征是焙烧反应可在550-900℃下进行，焙烧反应的平均停留时间在1-30分钟之间。
本发明提供的煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合工艺，其特征适于处理铁品位大于20％的贫铁矿，焙烧矿经弱磁选后，铁精矿铁品位大于60％，铁回收率大于85％。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
(1)在同一反应装置内，将煤炭气化反应与铁矿石磁化焙烧反应分开，使气化反应及铁矿石磁化焙烧反应都可以在各自最优的条件下进行，提高磁化焙烧效率。
(2)可以很好地控制煤炭气化过程，使煤炭在优化的条件下完全气化，与传统技术相比，既提高了煤炭的利用率，又可避免未反应煤炭颗粒造成的污染。
(3)铁矿石粉体在焙烧反应室的停留时间分布接近平推流，使铁矿石粉体中的Fe2O3基本全部转化为Fe3O4，避免了现有技术因停留时间分布过宽而出现的部分还原不足和部分过度还原问题，提高磁化焙烧效率，进而提高后续磁选的效率和铁矿石的收率。
(4)通过脱硫剂对煤炭中的硫在气化过程中进行脱除和固定，避免煤炭气化及后续铁矿石还原过程中硫的衍生物对环境造成污染。
附图说明
图1是本发明煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合工艺流程示意图。
图2是本发明煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧反应器的结构示意图。
附图标记
1.煤粉及脱硫剂料仓 2.铁矿石粉体加料系统 3.煤炭气化室
4.铁矿石粉体磁化焙烧室 5.气化室分布器 6.焙烧室分布器
7.旋风分离器 8.料腿料仓 9.焙烧矿换热器
10.空气预热器 11.异形缩口内构件
具体实施方式
本发明提供了一种煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合工艺及装置，具体是：将粉煤与脱硫剂的混合物以一定的速率连续加入到反应器的气化室，从气化室底部通入经过预热的空气，煤炭在气化室中、于700-1200℃下进行气化；气化后得到的还原性气体进入焙烧室底部与一定量的返回尾气及水蒸气混合，同时粉状难选贫铁矿以一定速率加入焙烧室下部，在多段焙烧室内于550-900℃下与还原性气体发生还原焙烧反应，使铁矿石内弱磁性的Fe2O3快速地被还原成为强磁性的Fe3O4。还原后的焙烧矿经弱磁场(如磁场强度≤0.1T)进行磁选，即可获得高品质铁精矿，铁精矿的铁品位大于60％，铁回收率大于85％。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：选用河南灵宝铁矿石，原矿铁品位46％，将铁矿石磨细至80％小于71μm(200目)；选用山西褐煤，硫含量1wt％，铁矿石粉与煤炭比例为15∶1；选用CaO作为脱硫剂，CaO∶煤炭比为1∶40，煤炭气化温度选1000℃。铁矿石的还原温度控制在850℃，反应平均停留时间控制为1分钟。焙烧得到的铁矿石在0.9T磁场下磁选，可获得铁精矿品位60-65％，产率50-58％，回收率为85-88％，尾矿铁品位为8-13％的良好指标。
实施例2：选用酒泉铁矿石，原矿品位铁38.8％，将铁矿石磨细至80％小于71μm；选用山西褐煤，硫含量1wt％，铁矿石粉与煤炭比例为10∶1，选用CaO作为脱硫剂，CaO∶煤炭比为1∶40，煤炭气化温度选900℃。铁矿石的还原温度控制在550℃，反应平均停留时间控制为25分钟。焙烧得到的铁矿石在0.9T磁场下磁选，可获得铁精矿品位62％，回收率为93％，金属回收率86％，尾矿铁品位为7.5％的良好指标。
实施例3：选用鞍山赤铁矿，原矿品位铁22％，将铁矿石磨细至80％小于71μm；选用山西褐煤，硫含量1wt％，铁矿石粉与煤炭比例为10∶1，选用CaO作为脱硫剂，CaO∶煤炭比为1∶40，煤炭气化温度选900℃。铁矿石的还原温度控制在700℃，反应平均停留时间控制为10分钟。焙烧得到的铁矿石在0.9T磁场下磁选，可获得铁精矿品位大于60％，铁回收率为85％以上的良好指标。
Claims (6)
1.一种煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合装置，其装置特征是：由粉煤及脱硫剂料仓，铁矿粉加料系统，煤炭气化室，贫铁矿磁化焙烧室，旋风分离器，料腿料仓，焙烧矿换热装置，空气换热器组成，贫铁矿磁化焙烧室位于煤炭气化室的上部，通过一段缩口与煤炭气化室相连，其中，空气经过预热后，从煤炭气化室的底部通入煤炭气化室，粉煤与脱硫剂的混合物从煤炭气化室的下部加入到煤炭气化室，煤炭在煤炭气化室内气化，气化后得到的还原性气体进入贫铁矿磁化焙烧室底部与尾气及水蒸气混合，同时粉状贫铁矿从贫铁矿磁化焙烧室的下部加入贫铁矿磁化焙烧室，在贫铁矿磁化焙烧室内与还原性气体发生还原反应，反应后的气体与铁矿石粉体从贫铁矿磁化焙烧室顶部进入旋风分离器、料腿部分铁矿石粉体返回贫铁矿磁化焙烧室，部分铁矿石粉体从料腿的排料口排出。
2.根据权利要求1所述的煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合装置，其特征是贫铁矿磁化焙烧室中设有3-6个异形缩口，将整个贫铁矿焙烧室分隔成4-7级流化床，保证贫铁矿颗粒的停留时间分布接近平推流。
3.根据权利要求1所述的煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合装置，其特征是料腿返回的铁矿石粉体是进入贫铁矿磁化焙烧室的中上部2-3级之间。
4.一种煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合工艺，其工艺特征是由权利要求1所述的煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合装置来实现，即空气经过预热后，从煤炭气化室的底部通入煤炭气化室，粉煤与脱硫剂的混合物从煤炭气化室的下部加入到煤炭气化室，煤炭在煤炭气化室内气化，气化后得到的还原性气体进入贫铁矿磁化焙烧室底部与尾气及水蒸气混合，同时粉状贫铁矿从贫铁矿磁化焙烧室的下部加入贫铁矿磁化焙烧室，在贫铁矿磁化焙烧室内与还原性气体发生还原反应，反应后的气体与铁矿石粉体从贫铁矿磁化焙烧室顶部进入旋风分离器、料腿部分铁矿石粉体返回贫铁矿磁化焙烧室，部分铁矿石粉体从料腿的排料口排出。
5.根据权利要求4所述的煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合工艺，其特征是煤炭气化室的操作温度为700-1200℃；贫铁矿磁化焙烧室的操作温度为550-900℃，贫铁矿在贫铁矿磁化焙烧室的平均停留时间在1-30分钟之间。
6.根据权利要求4所述的煤炭气化-贫铁矿磁化焙烧耦合工艺，其特征是可处理铁品位大于20％的贫铁矿，贫铁矿焙烧后经弱磁选，铁精矿铁品位大于60％，铁回收率大于85％。
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