CN102329948B - 一种难选贫铁矿脉动流化床磁化焙烧装置及焙烧方法 - Google Patents

一种难选贫铁矿脉动流化床磁化焙烧装置及焙烧方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种难选贫铁矿脉动流化床磁化焙烧装置及焙烧方法。本发明采用里克管型脉动燃烧与流化床直接耦合构成的脉动流化床对铁矿石粉体进行磁化焙烧。铁矿石粉体由料仓(7)经矿石加热器(6)预热后进入焙烧炉(1)，焙烧尾气经矿石加热器(6)冷却后进入燃烧器(8)中燃烧，然后经气-气预热器(9)冷却进入布袋除尘器(10)后排入大气。由矿石冷却器(14)回收高温铁精矿的显热。本发明具有系统简单，结构紧凑，能耗低，阻力降低，焙烧时间短等优点，有效克服了普通流化床磁化焙烧的沟流、死区、短路等不良现象以及反应器停留时间分布过宽问题，提高了焙烧质量和焙烧效率。

Description

一种难选贫铁矿脉动流化床磁化焙烧装置及焙烧方法
技术领域
本发明涉及一种难选氧化铁矿石粉体的脉动流化床磁化焙烧方法以及使用该方法的装置，属于化工、冶金领域。
背景技术
中国是一个铁矿石资源丰富、但大部分为低品位(平均在30％左右)复杂难选贫铁矿(包括褐铁矿、赤铁矿等)的国家，采用常规的重选、强磁选、浮选及其联合工艺难以有效分选这些复杂难选铁矿石。近年来由于铁矿石价格上涨以及国内铁精矿供应紧张，不能适应钢铁工业要求的大量低品位铁矿石资源没有得到有效利用，为此需开发一种有效的低品位铁矿石分选方法与装置。
磁化焙烧早在上世纪五六十年代就已被证明可行的，其是将弱磁性的铁氧化物还原焙烧成强磁性人工磁铁矿的有效分选方法。目前，所述磁化焙烧尚未走向工业化应用，因此进一步研发难选铁矿石磁化焙烧技术，使其走上工业应用，对于缓解我国铁精矿紧缺、需要进口大量铁矿石的局面具有重要的意义。
磁化焙烧反应器主要有竖炉、回转窑、流化床(沸腾炉)。与竖炉和回转窑相比，流化床磁化焙烧是铁矿石粉体在还原气流的作用下形成流态化层，它具有传热传质效率高、焙烧质量好、还原时间短等优点，因此国内外许多学者对流化床磁化焙烧还原反应器进行了较多的研究。
如英国专利GB 1008938提出采用过程优化设计降低磁化焙烧能耗的工艺。
中科院化工冶金研究所(现为中科院过程工程研究所)早在上世纪六十年代就已经开始了铁矿石沸腾磁化焙烧技术的研究，与马鞍山矿山研究院共同建造了我国第一座100吨/天的流态化磁化焙烧中试系统，鞍山钢铁公司在此基础上设计建成日处理量700吨的折倒式半截流两相沸腾焙烧炉，获得较好的结果。
中国发明专利(申请号200710304534.3，公开号CN 101215631 A)提出了“一种铁矿石流化床磁化焙烧装置”，将预处理的矿石与煤送入循环流化床焙烧炉，在空气中加入部分再循环烟气提高还原气氛中CO含量以提高矿石还原所需的还原气氛质量。
中国发明专利(申请号200710121616.4，公开号CN 101386908 A)提出了“对难选铁矿石粉体进行磁化焙烧的工艺系统及焙烧的工艺”，采用高效、低阻的循环流化床反应器对铁矿石粉体进行磁化焙烧，焙烧尾气先在燃烧室中通过燃烧释放其中未反应还原性气体的潜热，并采用流态化冷却器回收高温焙烧时的显热。该发明具有磁化焙烧效率高，焙烧过程热量回收利用充分等优点。
然而现有的流化床磁化焙烧技术明显存在若干不足之处：受流化床技术本身以及矿石本身特性的限制，存在沟流、粘结、死区、短路等不良现象、相对高的压力降以及不同粒径矿粉颗粒所需不同最佳焙烧时间带来的过还原与欠还原问题。
解决这些问题的较好途径是提高气流脉动频率与幅度以增加气流剪切力-气固脉动流化床。脉动流化床就是利用脉动气流来增强流化床层物料的扰动，达到减小气泡增长对操作引起的沟流、短路等影响。
气固脉动流化床的研究及其应用始于20世纪60年代末，主要集中在美国、波兰、前苏联和前西德等国家，主要应用于燃烧、干燥中。
现有气固脉动流化床分为机械式及自激式两类。其中自激式脉动流化床的研究非常少见，中国发明专利(申请号200510060851.6，公开号CN 1740635 A)提出了“脉动流化床燃烧装置”，它具有声去耦室，在声去耦室上连接有里克管型脉动流化床燃烧室主体，在里克管型脉动流化床燃烧室主体下端起的L/12-3L/4处，设有布风板，其中L为燃烧室主体管长，在布风板上下的里克管型脉动流化床燃烧室主体内壁或外壁设有加热装置，在里克管型脉动流化床燃烧室主体上部的外壁上设有热交换面，在热交换面与加热装置之间的里克管型脉动流化床燃烧室主体的外壁上设有给料装置。但所述脉动流化床燃烧装置仅适用于各煤种及生物质的燃烧、物品干燥以及富氧条件下的煤炭气化。
本发明针对现有流化床磁化焙烧的不足，提出了一种高炉煤气、焦炉煤气以及煤炭气化气燃烧耦合流化床磁化焙烧技术的工艺与装置-里克管型脉动流化床磁化焙烧装置及焙烧方法，以有效地破坏和抑制流化床磁化焙烧出现的“沟流”、“死区”、“短路”等不良现象以及铁矿石粉体在反应器内停留时间分布过宽的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种难选贫铁矿脉动流化床磁化焙烧装置及焙烧方法。它是通过气流脉动强化传热传质，有效调节和控制床内的气固两相流动，克服流化床自身技术的不足以及不同粒径铁矿石的过还原和欠还原问题，提高磁化焙烧效率以及铁回收率。
本发明所述的难选贫铁矿脉动流化床磁化焙烧装置，其特征在于：声去耦室4上部连接有里克管型脉动流化床焙烧炉1，在焙烧炉1的1/12～1/2处设置有布风板2，布风板2下部为多孔介质3，多孔介质3下部布置有煤气燃烧器烧嘴19，布风板2上部布置有热交换器18；利用铁精矿冷却器14提高煤气的进气温度，焙烧尾气预热贫铁矿提高贫铁矿的入炉温度，利用气-气换热器9回收焙烧尾气的潜热与显热，利用换热器18提高供入声去耦室4的空气温度以及降低焙烧炉1上部的温度。
本发明所述的难选贫铁矿脉动流化床磁化焙烧方法，该方法是将铁矿石粉经矿石加热器6预热送入脉动流化床焙烧炉1，铁矿石粉体在脉动流化床磁化焙烧炉1与料腿之间进行循环，反应后的高温焙烧矿经旋风分离器5进行气固分离，分离后的矿石进入铁精矿冷却器14冷却而后排入铁精矿贮罐15中，而含未反应气的气体经预热铁矿石粉体后进入燃烧器8燃烧，生成的烟气再进入气-气换热器9对来自鼓风机11的空气预热，然后进入布袋除尘器除尘后经引风机12引入烟囱排入大气。该方法中的铁矿石粉为品位大于20％的贫铁矿；所涉及的焙烧反应温度为500℃～950℃，平均停留时间为1min～15min，比现有的流化床磁化焙烧还原时间降低1倍以上。
上述技术方案中，所述的声去耦室4是脉动流化床磁化焙烧反应器体积的10倍以上。
上述技术方案中，所述的布风板位置1/12～1/2是指自声去耦室起的1/12、1/6、1/4、1/3、5/12、1/2脉动流化床磁化焙烧炉高度处。
上述技术方案中，所述的矿石加热器是指管式换热器、多级旋风分离器构成的悬浮态预热系统、流化床换热器等。
上述技术方案中，所述的煤气是指高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气以及由煤炭气化产生的煤气，其热值要求大于850Kcal/Nm3。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.系统简单、体积小、结构紧凑，焙烧炉阻力降低，操作方便。将里克管型脉动燃烧器与流化床磁化焙烧反应器有机地耦合在一起，使得焙烧炉结构非常简单紧凑。
2.设计矿石粒度不超过5mm，极大地降低了磨矿能耗。气流高频脉动加快了颗粒间的摩擦，促进了大颗粒在床内的进一步破碎，因此降低了入床颗粒的磨矿破碎要求。
3.传热传质系数大、反应器停留时间分布窄。由于脉动流化床中的声振造成了较大的流体振动，引起湍流速度振动，使得传热传质边界层变薄而不稳定，削弱了边界层的阻力，降低了总传热传质阻力，从而使不同大小铁矿石颗粒的还原时间趋于一致，并减少了反应时间及焙烧炉反应器体积，节省了固定投资，平均停留时间为1min～15min，比现有的流化床磁化焙烧还原时间降低1倍以上。不同条件可得到不同程度的传热传质效率，最高效率可达一倍以上。
4.能耗低、焙烧成本低。由于充分利用了精矿石的显热及未反应气的潜热，使焙烧成本及能耗得到了大幅度地降低。
5.有效克服了因气泡增长对操作引起的沟流、死区、短路等问题，提高了焙烧质量。
附图说明
图1是一种难选贫铁矿脉动流化床磁化焙烧装置示意图
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
本发明附图1中，所述附图标记表示如下：
1.焙烧炉  2.布风板  3.多孔介质  4.声去耦室  5.旋风分离器6.矿石加热器  7.料仓  8.尾气燃烧器  9.气-气换热器  10.布袋除尘器11.鼓风机  12.引风机  13.烟囱  14.铁精矿冷却器  15.铁精矿贮罐16.煤气  17.煤气压缩机  18.热交换器  19.烧嘴。
如附图1所示，本发明提供的是高炉煤气、焦炉煤气以及煤炭气化气直接还原贫铁矿流化床磁化焙烧的反应装置，该装置由焙烧炉1、声去耦室4、料仓7及矿石加热器6、旋风分离器5、尾气燃烧器8、气-气换热器9、布袋除尘器10、铁精矿冷却器14及其铁精矿贮罐15等组成。里克管型脉动燃烧与流化床磁化焙烧反应室有机地耦合在一起构成了脉动流化床磁化焙烧炉；声去耦室4上部连接有里克管型脉动流化床焙烧炉1，在焙烧炉1的1/12～1/2处(从焙烧炉底部算起)设置有布风板2，布风板2下部为多孔介质3，多孔介质3下部布置有煤气燃烧器烧嘴19，布风板2上部布置有热交换器18；脉动燃烧产生的脉动气流大大强化了磁化焙烧反应器内的传热传质，有效避免了流化床磁化焙烧反应器内的沟流、死区、短路等不良现象以及过还原与欠还原问题，从而提高了贫铁矿磁化焙烧效率与焙烧质量。
本发明的其余工艺与现有技术相同或相似，例如，矿石料仓7连接矿石加热器6，矿石加热器6的底部连接焙烧炉1，矿石加热器6与焙烧炉1的连接口(即入口)高于布风板2。
煤气16通过煤气压缩机与铁精矿冷却器14连通，铁精矿冷却器14又与焙烧炉1的底部连通。
旋风分离器5的底部出口与铁精矿冷却器14连通，顶部出口与矿石加热器6下部的气体入口连通，矿石加热器6上部的气体出口连接尾气燃烧器8的气体入口，所述尾气燃烧器8的气体出口连接气-气换热器9，气-气换热器9的气体出口连接布袋除尘器10，布袋除尘器10进而连接引风机12，引风机12的气体出口连接烟囱13。
鼓风机11进气端连接大气，另一端连接气-气换热器9，其出口经热交换器18进而连接声去耦室4，声去耦室4上部连接有里克管型脉动流化床焙烧炉1。
鼓风机11的出口端还连接尾气燃烧器8的气体入口。
实施例一
一种难选贫铁矿脉动流化床磁化焙烧方法，该方法是煤气，例如热值大于850Kcal/Nm3的高炉煤气、焦炉煤气或煤制气化气，经煤气压缩机17压缩并由铁精矿冷却器14预热，与来自气-气换热器9预热后的空气经声去耦室4一起进入脉动流化床，进行部分燃烧，生成的热量使磁化焙烧反应器温度达到500℃～950℃，在这一区间弱磁性的Fe2O3快速地被还原成强磁性的Fe3O4，然后经弱磁场磁选即可得到高品质铁精矿(品位＞70％，铁回收率＞90％)。反应后的高温焙烧矿经旋风分离器5进行气固分离进入铁精矿冷却器14冷却，含未反应气的气体由铁矿石粉体冷却后进入燃烧器8燃烧释放未反应气的潜热，生成的高温烟气经气-气换热器9冷却进入布袋除尘器除尘后由引风机12引入烟囱排入大气中。
粉碎后的铁矿石从料仓7进入矿石加热器6预热后直接进入流化床磁化焙烧炉1焙烧。预热后的铁矿石粉体温度为150℃～400℃。
脉动流化床磁化焙烧炉在底部有一声去耦室4，其上连接有里克管型脉动流化床磁化焙烧炉1，在距底部1/12～1/2反应器高度处布置布风板，其下布设多孔介质3，多孔介质3下部布置有煤气燃烧器烧嘴19，布风板2上部布置有热交换器18。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (11)

1.一种难选贫铁矿脉动流化床磁化焙烧装置，其特征在于：声去耦室（4）上部连接有里克管型脉动流化床焙烧炉（1），在所述焙烧炉（1）的1/12～1/2处设置有布风板（2），布风板（2）下部为多孔介质（3），多孔介质（3）下部布置有煤气燃烧器烧嘴(19),布风板（2）上部布置有热交换器(18)；利用铁精矿冷却器（14）提高煤气（16）的进气温度，含未反应气的气体由铁矿石粉体冷却后进入燃烧器（8）燃烧，以提高贫铁矿的入炉温度，利用气-气换热器（9）将焙烧尾气与进入热交换器（18）的空气换热。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的声去耦室（4）是脉动流化床磁化焙烧炉（1）体积的10倍以上。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的布风板设置于自声去耦室起的1/12、1/6、1/4、1/3、5/12或1/2脉动流化床磁化焙烧炉高度处。
4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的矿石加热器是指管式热换器、多级旋风分离器构成的悬浮态预热系统、流化床换热器。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的矿石加热器是指管式热换器、多级旋风分离器构成的悬浮态预热系统、流化床换热器。
6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的煤气是指高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气以及由煤炭气化产生的煤气，其热值要求大于850Kcal/Nm3。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的煤气是指高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气以及由煤炭气化产生的煤气，其热值要求大于850Kcal/Nm3。
8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的煤气是指高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气以及由煤炭气化产生的煤气，其热值要求大于850Kcal/Nm3。
9.一种利用权利要求1-8之一的难选贫铁矿脉动流化床磁化焙烧装置进行难选贫铁矿脉动流化床磁化焙烧的方法，所述方法是将铁矿石粉经预热送入脉动流化床焙烧炉（1），铁矿石粉体在脉动流化床磁化焙烧炉（1）与料腿之间进行循环反应，反应后的高温焙烧矿经旋风分离器（5）进行气固分离，分离后的矿石冷却而后排入铁精矿贮罐（15）中，而含未反应气的气体经预热铁矿石粉体后进入燃烧器（8）燃烧，生成的烟气再进入气-气换热器（9）对空气预热，除尘后排入大气，所述铁矿石粉为品位大于20%的贫铁矿，所述焙烧反应温度为500℃～950℃，平均停留时间为1min～15min。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述铁矿石粉的预热，是在矿石加热器（6）中与来自旋风分离器（5）的气体换热。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，预热后的铁矿石粉温度为150℃～400℃。
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