CN102268558B - 一种旋浮卷吸冶金工艺及其反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋浮卷吸冶金工艺法，把反应气体和粉状物料喷射到反应炉内，得到一种可控制的高度弥散的旋转悬浮状态，在反应炉高温的辐射下而达到着火温度，进行剧烈燃烧反应；同时，喷射到反应炉内的旋流体带动炉气，在旋流体的周围形成相对低温的回流保护层。反应气体沿多个回转通道呈切线进入到旋流发生器内，形成可控旋转气流，用一个圆锥形可上下移动的出口风速控制器控制旋流发生器出口面积，控制反应气体进入反应炉内速度；粉状物料流沿反应气体的周围自由下落，并被卷入到高速旋转气流中，形成一种粉状物料高度弥散于反应气体中的在径向上高速旋转轴向向下移动的旋流体。本发明还涉及到为实现该目的而设计的可无级调节的反应器。

Description

一种旋浮卷吸冶金工艺及其反应器

技术领域

本发明涉及一种有色冶金工艺及装置，尤其是一种旋浮卷吸冶金工艺及其反应器。

背景技术

在有色金属行业，火法冶金是利用硫化物矿中的硫和铁通过与氧反应最终被脱除而得到有色金属的过程。随着冶金工业的发展，科技的进步，越来越高的环保要求，强化冶炼过程和低生产成本成为冶金行业的重要课题，促进新的冶金工艺不断涌现。虽然各种工艺遵循的化学反应机理相同，但过程上火法冶金工艺大致可分为熔池熔炼和空间悬浮熔炼两大类，空间悬浮熔炼应用最广泛的是芬兰科学家于1949年发明的奥托昆普闪速熔炼。空间悬浮熔炼的实质就是利用干燥后粉状硫化物矿的巨大表面积，使物料粒子与氧充分结合，在瞬间(2～3秒)内完成氧化反应，达到脱硫的目的。由于氧化反应过程中产生巨大的热量，产物是高温烟气和高温熔体，反应炉需要承受巨大的热负荷，目前公认的悬浮熔炼炉能承受的热负荷为2000MJ/m³.h，而且炉衬被冲刷腐蚀严重。

空间悬浮熔炼是连续的生产工艺，物料与氧都是按冶金计算的结果连续、成比例的加入，要求物料与对应的氧在冶金炉有限的空间和时间内充分混合并反应，否则就会出现“下生料”和过氧化的现象。在中国专利公开号(CN1232538A国际公布：WO98/14741英98.4.9)，英国(GB)专利1,569,813，美国(US)专利5,133,801，美国(US)专利4,392,885，美国(US)专利5,362,032，美国(US)专利5,370,369，芬兰(FI)专利申请932458，日本专利申请5-9613中描述的已知的方法，反应气体都是在物料流的外侧垂直进入到反应炉内，依靠设置在物料流中心的分料锥和水平方向的扩散空气将垂直下落的物料导入到反应气体中，得到一种悬浮的状态。这些方法中都是使物料和反应气体离开反应炉的中轴线朝向反应炉壁的方向运行，充满整个反应炉的空间，反应时的高温及高温熔体直接对反应炉的炉衬造成冲刷和腐蚀，炉衬需要承受巨大热负荷；而物料的粒度、比重都不完全相同，造成物料在反应气体中的分布不可能均匀，物料分布少的区域相对氧过剩，物料被过氧化，物料分布多的区域相对氧欠缺，物料欠氧化，极易造成“下生料”的现象。

为解决上述工艺中的不足，中国专利(03125473)中描述了一种中心旋涡柱的空间熔炼方法：该工艺将干燥的粉状物料和氧气从设于反应塔顶部中央的喷嘴切线喷入，在精矿溜管的外部是由若干个同心圆旋涡室组成的空气腔，在精矿溜管的内部设置有伞形的分散锥，分散锥上设有水平方向的喷射孔。在该方法中，反应气体仍然在物料的外侧，仍然需要设置在物料中心的分散锥和喷射孔中喷射的气体使物料与反应气体混合；反应气体经过旋涡室进入到高温的反应塔内，被加热体积膨胀，过小的喷射气体不能是物料与反应气体很好的混合，过大的喷射气体又会破坏旋涡，使物料与反应气体沿切线方向向反应塔壁扩散；而且喷射孔与物料接触容易被堵塞而失去作用，环状非接触过渡圈的存在，降低了氧的利用率，其中的氧随炉气进入反应炉后的工序设备，在降温的过程中还与SO₂反应生成稀酸而腐蚀设备。

同样，中国发明专利(专利号：ZL 2009 1 0230500.3)中描述干燥物料与富氧空气分别送入喷嘴混合形成气固两相混合体，通过安装在喷嘴中的旋流器使气固混合体高速旋转进入反应器中，在反应器中形成以轴线为中心的旋流体，为增加粒子间的碰撞机率，弥补旋流体中心氧量不足，在喷嘴中心设置脉冲器，将氧气或富氧空气以脉动形式送入旋流体中。

根据该发明工艺也可以形成气固两相混合体，但要将气固两相混合体在反应炉内维持，需要很高的旋转速度，高速旋转的气固两相混合体对喷嘴和旋流器的磨损是非常严重的，在很短的时间内，喷嘴将无法正常工作。在旋流体中的中心引入脉动形式的氧气或富氧空气，从旋流体断面看，涡核实际上是没有物料或物料很少的空洞；而且氧气或富氧空气脉动形式的引入会造成中心物料下落速度过快，来不及反应即落入炉底；中心氧势的变化势必会引起反应时间和空间的变化，可以增加粒子的碰撞几率，但也会引起烟气的波动，甚至会引起排烟设备例如废热锅炉的共振。物料在进入反应炉前已形成气固两相混合体，物料粒子只能通过炉内的高温辐射加热，被加热达到着火点的时间过长。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种旋浮卷吸冶金工艺及其反应器，它是利用反应气体所具备的能量，在改变运行方式后形成气体旋流，进入到反应炉后将干燥的粉状物料和炉内烟气卷吸其中，快速完成物料粒子被加热点燃→氧化反应→产物再混合的过程。在充分利用物料颗粒比表面积和反应热能的同时，有效提升反应炉所能承受的热负荷，避免高温熔体对冶金炉壁的冲刷腐蚀，同时有效提升了氧的利用率、降低烟尘发生率，减少NO_x的排放量，较好的满足高产能、低能耗的强化冶金的要求。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种旋浮卷吸冶金工艺，其包括气体进入、物料进入和气流反应；

气体进入：采用使反应气体沿多个均匀分布的回转进风口并受到控制阀的调整，呈切线进入到旋流发生器内，形成可控的旋转气流，用一个圆锥形能上下移动的出口风速控制器控制旋流发生器的出口面积，用以控制反应气体进入到反应炉内的速度；

物料进入：采用使粉状的物料流沿反应气体的周围环状空间自由下落，进入到反应炉内被卷入到高速旋转的气流中；

气流反应：自上而下喷射到反应炉内的旋流体带动并卷吸炉气，与物料、反应气体共同形成一种粉状物料高度弥散于反应气体中的在径向上高速旋转、轴向向下移动的气、固两相混合旋流体；

同时，炉气自下而上的回流，旋流体在反应炉内的喷射和旋转作用使炉气形成环状的相对低温的回流保护区，回流的炉气夹带的熔融液滴在反应炉炉衬上形成难熔物保护层。

所述反应气体为富氧空气，其氧浓度按体积比为21％～99％。

所述气、固两相混合旋流体是以反应炉的中轴线为轴线而高速旋转，物料粒子是被回流的炉气和炉内的辐射热共同迅速加热到着火点的。

一种旋浮卷吸冶金反应器，包括一个安装在反应器中心的旋流发生器，旋流发生器的顶部由堵板封堵，旋流发生器的上段上垂直于其中轴线均匀设有多个回转式进风口，为保证反应气体进入到旋流发生器时具有一定的初速度，回转式进风口上安装调节阀，在旋流发生器的中轴线上安装有中心轴，中心轴上套装一个圆锥形并能在旋流发生器的空腔内上下移动的出口风速控制器，旋流发生器内的空腔是反应气体通道，旋流发生器的外侧设有反应器外壳体，外壳体与旋流发生器具有同一个中轴线，外壳体与旋流发生器之间设有一环形空间，该环形空间是物料通道，外壳体的进料口处安装多个流化布料装置，每个流化布料装置都与相应的计量给料装置对接。

所述旋流发生器的下端出口处成圆锥型。

所述中心轴的上端固定于旋流发生器顶部的堵板上。

所述外壳体上设有水冷元件。

所述旋流发生器顶部堵板外设有控制风速控制器的升降装置。

本发明中的旋流发生器、回转式进风口、调节阀、出口风速控制器、流化布料装置、计量给料装置和水冷元件均为现有公知技术，在此不再赘述。

本发明采用将反应气体与粉状固体颗粒充分混合形成旋流体，其目的是为了把反应气体和粉状物料喷射到反应炉内时，得到一种可控制的高度弥散的旋转悬浮状态，同时，喷射到反应炉内的旋流体带动炉气，在旋流体的周围形成相对低温的回流保护层，在反应炉高温的辐射下而达到着火温度，进行剧烈的燃烧反应。

本发明的反应炉身是圆筒形垂直于水平面安装的结构，在其顶部垂直向下送入反应气体和粉状物料。为使粉状物料在反应炉由炉顶到炉底的空间内完成被加热点燃→氧化反应→产物再混合过程，保证送入的氧完全被消耗，每个物料粒子都能参与反应转为熔融状态，并且要避免反应炉衬被高温损耗。

本发明将反应气体转化为旋转气流喷射到反应炉内，将沿其周围呈环状自由下落的物料流卷入其中，同时将反应炉顶部的高温炉气(相对反应气体)也卷吸进来，形成在径向上高速旋转，沿反应炉中轴线向下喷射的气、固两相混合旋流体，在旋流体中，物料粒子和反应气体被高温炉气(相对反应气体)加热达到着火温度并迅速发生化学反应，反应产生的高温将物料粒子熔为小液滴并最终碰撞结合长大与反应后的烟气分离。反应气体作为动力源，在径向上的旋转速度和轴向上的喷射速度是非常重要的，需要将物料粒子与氧充分结合，迅速加热达到着火点进行燃烧反应，反应产生的高温区最大限度的集中，对炉衬的的辐射足够小，熔融产物在空中碰撞、结合长大几率高；即气、固两相混合旋流体的旋转速度和向反应炉内的喷射速度是可以控制和调节的。

根据本发明提出的方法，反应气体、物料、高温炉气是在反应炉内才形成气、固两相混合旋流体的。反应气体在旋流发生器的空腔内高速旋转，因不携带固体颗粒，对旋流发生器没有磨损；粉状的物料流在外壳体与旋流发生器组成的环形物料通道内自由下落，因速度小对外壳体与旋流发生器的磨损是可以不考虑的；所以设备(发生器)可以长期连续运行而不会出现故障。众所周知，物料粒子只有在被加热达到着火点才与氧在瞬间内完成反应，物料粒子被加热的时间事实上决定了完成反应的时间，根据本发明提出的方法中，粉状的物料流沿反应气体的周围自由下落，旋转的反应气体在反应炉内卷吸物料和高温炉气形成气、固两相混合旋流体，即高温炉气被卷吸时要通过环形的物料流，实现物料粒子在进入到反应炉的第一时间内即被高温炉气加热而迅速达到着火温度，使物料粒子从加热到化学反应能在极短的时间(一秒)内完成。

反应器垂直圆筒形反应炉的顶部，构成突然扩张的流管结构，根据本发明提出的方法中，反应气体是唯一的动力源，为得到可控的旋转气流，反应气体)进入到旋流发生器前受到调节阀的控制，得到一定的初速度，反应气体在发生器的出口处获得一定的向心力，在一个环形的空间内对反应气体的出口速度可进行任意调节。喷射到反应炉内卷吸物料和炉气的同时各物质向中轴线运动，形成的混合旋流体事实上在中心是氧势和物料都高度集中的区域，即混合旋流体的断面上是以涡核为中心的各物质的富集区，并在混合旋流体内由内向外各物质的分布密度逐渐减弱。

当混合旋流体保持状态由上向下运行达到着火的温度进行反应后，瞬间产生的高温使旋流体的体积急速膨胀，使旋流体的旋转状态减弱，由于涡核是各物质的富集区，即该区域是反应的焦点区和高温区，在反应后的旋流体内温度的分布同样是以涡核为中心的向外逐渐减弱的趋势。

反应后的旋流体是由熔融小液滴和炉气组成，熔融小液滴相互碰撞长大而沉降与炉气分离；旋转状态减弱的旋流体最外层温度相对降低的炉气在反应炉内自下而上运行，填补反应炉顶部的空间，在旋流体与反应炉壁的空间内形成环形的回流保护区，并且回流的炉气中夹带少量的熔融小液滴粘贴在反应炉的内衬上，最终残留下难熔的物质(例如磁铁)形成保护层。

根据本发明提出的方法，反应气体是唯一的动力源，是物料与氧混合并反应的保证，为使混合旋流体在反应炉内状态能较好的维持，在轴心线上形成氧势与物料的富集区，其氧浓度为21％～99％(体积比)，物料在反应炉内的加热时间足够短，停留时间足够长，反应气体在进入到反应炉内时所具有的旋转速度、向心加速度、向下喷射速度是最为关键的参数。

根据本发明提出的可无级调节的反应器中，旋流发生器的顶部用堵板封堵，分为三个部分，进气口设置为多个回转式进风口，中间为圆筒体，为使反应气体喷出后具有更大向心加速度，出口为圆锥形逐渐收缩状。所述的多个回转式进风口，垂直于中轴线并呈等角分布，以保证旋转气流在发生器的出口处偏流最小；调节阀受同一信号控制，同时动作，具有相同的开度，只控制进气速度，不改变进气方向。

发生器出口设计为圆锥形逐渐收缩，使旋转气流具有向心加速度。

为保证从发生器内流出的物料流均匀并与反应气体匹配进，发生器物料的进口处安装多个流化布料装置，每个流化布料装置都与计量给料装置对接。

反应气体进入到旋流发生器后以中心轴为轴心线高速旋转，并在顶部堵板的作用下向出口运行，并在出口处轴向速度和径向速度达到最大。

外壳体与旋流发生器组成的环形空间是物料通道，并在出口处设置成圆锥形逐渐收缩，以利于物料流被反应气体卷吸。

旋流发生器的中轴线上依托顶部堵板安装中心轴，其外壁上安装可在旋流发生器的空腔内一定的高度内上下移动的圆锥形风速控制器，以控制旋流发生器的环状出口面积，从而使沿反应气体的出口方向气流面积逐渐减小，达到控制反应气体喷射到反应炉内目的。

为保证环形物料通道的形状不变，外壳体受高温部分采用水冷元件。

为保证物料流被反应气体卷吸时准确、均匀，发生器的进料口对称布置多个流化布料装置和计量给料装置。

本发明的有效益果：

一是物料加热时间短、氧利用率高，反应完全。

二是反应空间小，高温区集中，对反应炉炉衬的辐射距离远，高温区与炉衬间存在环形保护区。

三是粒子间的碰撞机率高，利于反应后的沉降，烟尘发生率低。

四是产能大，能适应高氧浓强化冶炼的需要，能耗低，投资少。

五是结构简单、控制、操作方便、可靠，充分利用反应气体的势能，运行成本低。

附图说明

图1是本发明工艺所述的机理示意图；

图2是本发明设备所述的结构示意图；

图3是图2的俯视图；

其中：1外壳体，2旋流发生器，3物料通道，4流化布料器，5计量给料装置，6调节阀，7回转进风口，8中心轴，9风速控制器，10升降装置，11物料流，12反应气体，13反应炉，14保护层，15气、固两相混合旋流体，16回流保护区，17中轴线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1、图2、图3中，一种旋浮卷吸冶金工艺，其包括气体进入、物料进入和气流反应；

气体进入：反应气体12沿多个对称的回转进风口7并受到控制阀6的调整，呈切线进入到旋流发生器2内，形成可控的旋转气流，用一个圆锥形的可上下移动的风速控制器9控制旋流发生器2的出口面积，用以控制反应气体进入到反应炉13内的速度；

物料进入：粉状的物料流11沿反应气体的周围自由下落，进入到反应炉13内被卷入到高速旋转的气流中；

气流反应：自上而下喷射的旋流体带动并卷吸炉气，形成一种粉状物料高度弥散于反应气体中的在经向上高速旋转、轴向向下移动的气、固两相混合旋流体15；

同时，炉气自下而上的回流，在旋流体和反应炉壁间形成环状的低温(相对反应产生的高温)回流保护区16，回流的炉气夹带的熔融液滴在反应炉炉衬上形成难熔物保护层14。

所述反应气体12为富氧空气，其氧浓度按体积比为21％～99％。

所述气、固两相混合旋流体15是以反应炉13的中轴线17为轴线而高速旋转，物料粒子是被回流的炉气和炉内的辐射热共同迅速加热到着火点的。

一种旋浮卷吸冶金反应器，包括一个安装在反应器中心的旋流发生器2，旋流发生器2的顶部由堵板封堵，分为三个部分，上段垂直于旋流发生器的中轴线17设有多个回转式进风口7，中间为圆筒体，为使反应气体喷出后具有更大向心加速度，出口为圆锥形逐渐收缩状。为保证反应气体进入到旋流发生器时的速度，其上安装调节阀6，在旋流发生器的中轴线上安装中心轴8，中心轴上套装一个圆锥形并可以在旋流发生器的空腔内上下移动的出口风速控制器9，风速控制器9受旋流发生器顶部堵板外的升降装置10控制，旋流发生器的空腔是反应气体通道10，旋流发生器的外侧是反应器外壳体1，外壳体1与旋流发生器2具有同一个中轴线17，外壳体1与旋流发生器2组成的环形空间是物料通道3，外壳体1的进料口处安装多个流化布料装置4，每个流化布料装置4都与计量给料装置5对接。

所述旋流发生器2的下端出口处成圆锥型。

所述中心轴8的上端固定于旋流发生器2顶部的堵板上。

所述外壳体1上设有水冷元件。

本发明所述的技术方案并不限制于本发明所述的实施例的范围内。本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims (8)

1.一种旋浮卷吸冶金工艺，其特征是，包括气体进入、物料进入和气流反应；

气体进入：采用使反应气体沿多个均匀分布的回转进风口并受到控制阀的调整，呈切线进入到旋流发生器内，形成可控的旋转气流，用一个圆锥形能上下移动的出口风速控制器控制旋流发生器的出口面积，用以控制反应气体进入到反应炉内的速度；

物料进入：采用使粉状的物料流沿反应气体的周围环状空间自由下落，进入到反应炉内被卷入到高速旋转的气流中；

气流反应：自上而下喷射到反应炉内的旋流体带动并卷吸炉气，与物料、反应气体共同形成一种粉状物料高度弥散于反应气体中的在径向上高速旋转、轴向向下移动的气、固两相混合旋流体；

同时，炉气自下而上的回流，旋流体在反应炉内的喷射和旋转作用使炉气形成环状的相对低温的回流保护区，回流的炉气夹带的熔融液滴在反应炉炉衬上形成难熔物保护层。

2.如权利要求1所述的一种旋浮卷吸冶金工艺，其特征是，所述反应气体为富氧空气，其氧浓度体积百分含量为21%～99%。

3.如权利要求1所述的一种旋浮卷吸冶金工艺，其特征是，所述气、固两相混合旋流体是以反应炉的中轴线为轴线而高速旋转，物料粒子是被回流的炉气和炉内的辐射热共同迅速加热到着火点的。

4.一种旋浮卷吸冶金反应器，其特征是，包括一个安装在反应器中心的旋流发生器，旋流发生器的顶部由堵板封堵，旋流发生器的上段上垂直于其中轴线均匀设有多个回转式进风口，为保证反应气体进入到旋流发生器时具有一定的初速度，回转式进风口上安装调节阀，在旋流发生器的中轴线上安装有中心轴，中心轴上套装一个圆锥形并能在旋流发生器的空腔内上下移动的出口风速控制器，旋流发生器内的空腔是反应气体通道，旋流发生器的外侧设有反应器外壳体，外壳体与旋流发生器具有同一个中轴线, 外壳体与旋流发生器之间设有一环形空间，该环形空间是物料通道，外壳体的进料口处安装多个流化布料装置，每个流化布料装置都与相应的计量给料装置对接。

5.如权利要求4所述的旋浮卷吸冶金反应器，其特征是，所述旋流发生器的下端出口处成圆锥型。

6.如权利要求4所述的旋浮卷吸冶金反应器，其特征是，所述中心轴的上端固定于旋流发生器顶部的堵板上。

7.如权利要求4所述的旋浮卷吸冶金反应器，其特征是，所述外壳体上设有水冷元件。

8.如权利要求4所述的旋浮卷吸冶金反应器，其特征是，所述旋流发生器顶部堵板外设有控制风速控制器的升降装置。

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