CN103145182A - 钛精矿改性用循环气流床装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续化生产的钛精矿改性用循环气流床装置，包括气流床反应器、钛精矿加料系统、气体进入系统、余热利用系统和出料系统，所述的气流床反应器包括氧化焙烧用气流床反应器和还原焙烧用气流床反应器，所述的气流床反应器包括气流分布段、气固反应段、气流分选段和出料段，设置有燃气入口、改性气体入口、钛精矿进料口、返回料进料口、尾气出口和物料出口，所述的物料出口包括大比重物料出口和小比重物料出口。该装置对于原料的粒度要求低、原料适应性强，反应充分迅速、生产效率高、生产周期短，能耗低，操作简单，改性效果好。

Description

钛精矿改性用循环气流床装置

技术领域

本发明涉及一种钛精矿改性用循环气流床装置，属于化工机械领域。

背景技术

人造金红石又称合成金红石，系指利用化学加工方法，将钛精矿中的大部分铁及钙、镁等成分分离出去所生产的一种在成分和结构性能上与天然金红石相同的富钛原料，其TiO₂含量视加工工艺之不同在88%~96%之间波动，是天然金红石的优质代用品。人造金红石因为产品质量好、杂质含量少，常作为海绵钛或氯化法钛白粉生产过程中沸腾氯化的优质原料。

目前，国外采用钛铁矿生产人造金红石生产方法主要是BCA法、锈蚀法、石原法等，都已实现大规模工业化生产，这些发明已经为本领域技术人员所公知。而国内近年来所关注的焦点是以盐酸浸出法制备人造金红石的生产工艺研究。盐酸浸出法的生产主要是通过钛精矿与盐酸反应，选择性地将钛精矿中的铁、钙、镁、钒、锰等杂质浸出分离，从而得到TiO₂含量较高的人造金红石，其反应式如下：

FeO.TiO₂+2HCl=2FeCl₂+TiO₂+ H₂O

CaO.TiO₂+2HCl=2CaCl₂+TiO₂+ H₂O

MgO.TiO₂+2HCl=2MgCl₂+TiO₂+ H₂O

MnO.TiO₂+2HCl=2MnCl₂+TiO₂+ H₂O

无论国内还是国外的盐酸浸出制备人造金红石的生产技术，钛精矿在浸出除杂之前都要进行氧化还原改性焙烧，这主要是因为钛铁矿氧化焙烧时，其中的绝大部分铁转变为三价铁，而还原焙烧又重新将三价铁还原为二价铁。如此使钛铁矿经历从钛铁矿到高铁钛矿再回到钛铁矿的过程，虽然从热力学上看是不合理的，但该过程并非简单的钛价态改变，重要的是发生了原子重排，原子间的结晶化学力大大的削弱了，微观上钛铁矿晶格结构变得不完整、松弛、容易破环；宏观上，钛的颗粒表面出现了缝隙、微孔，表面自由能增加。整体上钛铁矿反应活性得到极大的增强，从而为浸出反应创造了更为有利的动力学条件。研究证明：若钛铁矿不预处理而直接进行锈蚀反应，由于矿中没有单质铁，无法形成原电池，锈蚀反应无法进行。如果直接盐酸浸出，将发生如下反应：  

FeO.TiO₂+4HCl=TiOCl₂+2H₂O+FeCl₂

2TiOCl₂+2H₂O= 2TiO₂↓+4HCl

这将导致钛的收率降低和增加产品的粉化率，而对原矿进行预处理，除钛精矿反应活性增加外，矿中无定形TiO₂由于温度较高转化成了金红石形晶体结构，其酸溶解能力极大降低，在一定程度上避免了粉化率的产生，从而达到富集TiO₂目的，其化学反应方程式如下：

FeO.TiO₂+O₂= Fe₂O₃.TiO₂

TiO₂（Anatase）高温→TiO₂（Rutile）

FeO. TiO₂+2HCl=FeCl₂+ TiO₂+ H2O

其中， TiO₂（Rutile）不溶于盐酸。

对于钛精矿的改性，目前主要有三种方法：

（1）回转窑预处理法

在人造金红石生产方法中，BCA法、Becher还原锈蚀法和石原法都采用回转窑对钛精矿进行预处理，这已经为行业内技术人员所公知。采用回转窑预处理处理钛精矿时，一般将钛精矿用螺旋输料装置从窑尾加入，利用倾斜的窑体转动使物料沿轴向前移动，而物料在移动过程中和燃气及改性气体相遇被加热和发生氧化或还原反应，反应完成后由窑头落入收料器收集以进入下步工序。采用回转窑处理钛精矿具有操作简单、装置成熟可靠、产能大、能连续生产等优点，但也存在反应温度低、原料要求高、回转窑易结圈、开工周期短等缺陷。

（2）机械磨矿法

中国专利公开号为CN 101177297A的发明专利公开了一种以高钙镁岩矿制备高品质人造金红石的方法，其工艺步骤依次为：球磨活化、盐酸常压浸出、固液分离、洗涤干燥、煅烧、细粒造粒。该方法通过机械磨矿装置改性钛精矿、活化其表面，在一定程度上改善了钛精矿的浸出性能，最终获得了品位较高的人造金红石产品。但该工艺存在产品粉化率高、细粉产品造粒难等问题。

（3）流化床预处理法

针对上述两种方法出现的问题，国内外有相关学者提出采用流化床技术预处理钛精矿，流化床改性钛精矿包括氧化焙烧和还原焙烧，当钛精矿采用流化床处理工艺时，可以增加钛精矿和气体的接触面积、缩短气体和颗粒内部的传热和传质距离，具有原料来源广、物料反应速度快、产品粉化率低等优点。但是流化床对于原料钛精矿的粒度要求高，需要钛精矿达到较细的粒度才能在流化床内实现流态化，因此流化床的原料适应性不强。

另外，中国专利公开号为CN 101412536A的发明专利公开了一种高钙镁钒钛磁铁矿制备人造金红石的方法。该方法以攀西钒钛磁铁矿为原料，首先将其在一定温度进行流态化氧化焙烧，然后将氧化焙烧后的物料流态化还原焙烧，再将改性后的物料用一定浓度的盐酸流态化浸出，最后固液分离、干燥煅烧得到产品。该方法最大的亮点在于引入了流化床改性技术。

流化床装置在一定程度上避免了转窑改性钛精矿和机械磨矿改性钛精矿存在的不足，但是仍存在流化床装置的设备复杂，流态化操作对气流速度有严格控制、装置操作要求高，对于钛精矿原料的粒度要求高、原料粒度范围适应性窄，流化床内部物料易出现沟流和腾涌等缺陷，很难实现连续生产。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种连续化生产的钛精矿改性用循环气流床装置，该装置对于原料的粒度要求低、原料适应性强，反应充分迅速、生产效率高、生产周期短，能耗低，操作简单，改性效果好。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：

一种钛精矿改性用循环气流床装置，包括气流床反应器、钛精矿加料系统、气体进入系统、余热利用系统和出料系统，所述的气流床反应器包括氧化焙烧用气流床反应器和还原焙烧用气流床反应器，所述的气流床反应器包括气流分布段、气固反应段、气流分选段和出料段，设置有燃气入口、改性气体入口、钛精矿进料口、返回料进料口、尾气出口和物料出口，所述的物料出口包括大比重物料出口和小比重物料出口。

所述的改性气体入口设置在所述气流分布段底部，燃气入口设置在气流分布段下部，钛精矿进料口和返回料进料口设置在所述气固反应段下部，尾气出口设置在出料段顶部，物料出口设置在出料段底部。

所述的气流分布段、气固反应段和气流分选段的内径比为6∶15∶5～3∶9∶2，长度比为1∶2.4∶1～1∶3∶1。

为了使气体分布均匀，所述的气流分布段设置有改性气体分布器和燃气分布器。高温燃气和改性气体通过燃气入口和改性气体入口进入反应器后，通过分布器混合均匀并使流速恒定。

所述的钛精矿加料系统包括钛精矿料仓、钛精矿预热器和螺旋加料机。

所述的气体进入系统包括热风炉和改性气体储罐。

所述的余热利用系统由管道和旋风收尘器组成。

所述的出料系统包括料仓和螺旋加料机。

所述的料仓包括已氧化物料料仓、未氧化物料料仓、已还原物料料仓和未还原物料料仓。

钛精矿经预热器预热后由螺旋加料机喂入反应器内部，预热器的热量由余热利用系统提供，本发明提供的气流床反应器以高温燃气和改性气体为反应介质和载体，使钛精矿在反应器中处于一定的流动状态，具有气固相间接触面积大、接触充分、传热传质效果好、反应迅速、温度易于控制等优点；同时气流床使物料呈现均匀良好的流动状态，既使之不会出现使用转窑时的烧结现象，客观上也增加了反应温度，加快反应速度，避免了使用流化床改性时物料易出现沟流和腾涌的问题。高温燃气和改性气体的分开同时使用，方便调整高温燃气的流量，以调整气体流速适用于不同粒度的钛精矿原料，原料适应性强，扩大了原料的来源。

在本发明中，最关键点为反应物料分离的实现，主要利用改性物料和未改性物料二者间比重不同的物理性质，一般的，钛精矿的实比重4.0左右，而氧化焙烧后的物料由于吸收了氧元素，质量有所增加，同时氧化焙烧后体积较原矿缩小约6%，这导致氧化改性后的钛精矿实比重达到4.5以上。而还原焙烧时，由于还原气体将氧化矿中的氧元素夺取，加之物料还原焙烧后体积增大约10%左右，客观上导致还原焙烧完成后的钛精矿实比重降至4.0左右。利用比重不同的物料在气流场中受到的几乎相同的气流推力和不同重力的综合因素，使其在同一水平面产生不同的抛射距离，通常密度较小的物质抛射较远，反之，距离较短。因此本发明利用不同比重物料抛射距离的不同，通过调节高温燃气和改性气体的流速，在反应器内实现了改性钛精矿与未反应钛精矿之间的同步分离，使二者在气流分选段不同位置被分别收集，未反应物料通过加料系统返回继续反应，而改性完成后的钛精矿物料则被排出供下一步工序使用，装置整体上实现了连续化生产。

在本发明中，充分利用了反应器各段直径的不同，以获得不同的反应效果。在气流分布段，直径较小，利用较小的直径获得较快的气体流速，使反应物料从静止状态很快流动起来，强化了气固二相间的接触强度和传热传质效果；而气固反应段直径增大，气体流速减慢，钛精矿物料的上升速度降低，使反应物料和改性气体接触充分，增加了物料温度和焙烧时间，客观上也起到降低了能耗的作用；在气流分选段，直径变小，通过收缩使气流速度加快，其承载物料被其以一定速度抛射出去，根据不同比重的物料抛射距离不同，将未改性物料和改性物料分开来，实现装置的连续性生产。

根据生产规模从10000吨/年～50000吨/年的不同，钛精矿改性用的气流床反应器气流分布段的直径为1200mm～3000mm，气固反应段的最大直径为2400mm～7200mm，一般控制气流分布段、气固反应段和气流分选段的内径比为6∶15∶5～3∶9∶2。为了使反应器有足够的反应时间，控制气流分布段的高度在2000～3500mm，控制气固反应段的高度在6000～8600mm，气流分选段的长度在2000～3200 mm，三者的长度比为1∶2.4∶1～1∶3∶1。

和传统的钛精矿转窑焙烧和较新型的流态化焙烧工艺相比，利用本发明装置制备人造金红石有以下优点：

（1）生产效率高，生产周期缩短

本发明装置可使钛精矿在反应器中处于一定的流动状态，具有气固相间接触面积大、接触充分、传热传质效果好、反应迅速等优点，客观上缩短了生产周期，提高了装置的生产效率。

（2）能源消耗少

钛精矿和改性气体在较短的时间内、较高的温度下充分接触，在一定程度上降低了能耗，另外，装置充分的利用了余热，将还原焙烧尾气作为氧化焙烧的燃料，将氧化尾气用来预热钛精矿，较好的回收了余热，节约了能源的消耗。  

（3）操作简单

钛精矿在改性过程中处于流动状态，只要求气流速度大于某一恒定值即可，相对于流态化操作对气流速度的严格控制，其操作要简单得多。

（4）实现了装置的大规模生产

目前国内人造金红石的生产规模为1000吨/年～5000吨/年，采用本发明的循环气流床装置规模达可到10000吨/年～30000吨/年，为国内首创，达到了经济规模。

（5）原料粒度要求低，原料适应性强

本装置以高温燃气和改性气体作为钛精矿原料流态化的动力和载体，高温燃气和改性气体分别加入反应器内部，通过分布器混合均匀，在一定气速范围下都可操作，提高了可操作容量，对不同粒径分布的钛精矿只需要调整高温燃气的流量即可获得较佳的反应效果，因此钛精矿原料的适应性强。

（6）改性效果好

由于钛精矿在反应器中气固相间接触面积大、接触充分、传热传质效果好，可在较高温度下反应，这在很大程度上促进了反应进行的深度和广度；而装置中余热利用系统的旋风收尘器不仅回收利用高温气体，还可将气体中带有的细微矿粒排出系统，使改性物料的粒度分布变好。二者客观上使物料改性效果变好。

附图说明

图1为本发明循环气流床装置的结构图；

图2为图1中气流床反应器的结构示意图。

图例说明：

1-钛精矿料仓；2-钛精矿预热器；3、8、10、15-螺旋加料机；4、11-热风炉；5-氧化焙烧用流化床反应器；6-已氧化物料料仓；7-未氧化物料料仓；9、16-旋风收尘器；12-还原焙烧用气流床反应器；13-未还原物料料仓；14-已还原物料料仓； 

501-改性气体分布器；502-燃气分布器；503-气流分布段；504-气固反应段；505-气流分选段；508-改性气体入口；509-燃气入口；510—钛精矿进料口；511-返回料进料口；512-大比重物料出口；513-小比重物料出口；514-尾气出口；515-出料段。

具体实施方式

为了更加清楚地理解本发明的目的、技术方案及有益效果，下面结合附图对本发明做进一步的说明，但并不将本发明的保护范围限定在以下实施例中。

本发明提供了一种用于人造金红石生产中钛精矿改性用的循环气流床装置。在本发明中，由于钛精矿以热气流为载体，气固相间接触面积大、接触充分、传热传质效果好，因此，具有原料适应性强、反应充分迅速、操作简单、能耗低且能连续化生产的优点。本发明利用不同比重物料抛射距离的不同，通过调节燃气和改性气体的流速，在反应器内实现了改性钛精矿与未反应钛精矿之间的同步分离，装置整体上实现了连续化生产。

参见图1，本发明一种钛精矿改性用循环气流床装置，包括气流床反应器、钛精矿加料系统、气体进入系统、余热利用系统和出料系统。

（1）所述的钛精矿加料系统包括钛精矿料仓1、钛精矿预热器2和螺旋加料机3或10，用来向流化床反应器输送经预热后的钛精矿固体物料。钛精矿料仓用来储存原料，根据生产的实际情况将钛精矿加入预热料仓中，钛精矿预热后通过螺旋加料机进入气流床反应器中进行改性反应。

（2）所述的气体进入系统包括热风炉4、11和改性气体储罐。热风炉主要提供高温燃气，为改性气体提供一定热量。改性气体储罐根据改性作用不同分别提供氧化焙烧用改性气体和还原焙烧用改性气体。高温燃气和改性气体的流量可以根据反应的实际情况调节。

（3）所述的余热利用系统由管道和旋风收尘器9或16组成，主要是将流化床反应器出来的高温尾气回收利用来预热钛精矿，将钛精矿中的细小微粒矿收集，使之不进入到下步工序，客观上改善钛精矿的粒度分布。

（4）所述的出料系统包括料仓和螺旋加料机8或15。所述的料仓包括已氧化物料料仓6、未氧化物料料仓7、已还原物料料仓14和未还原物料料仓13。其主要作用是将改性后的钛精矿排出反应器，将未反应的物料返回反应器继续改性。

下面结合图2详细地解释根据本发明气流床装置中的气流床反应器。

参见图2，本发明所述的气流床反应器包括氧化焙烧用气流床反应器5和还原焙烧用气流床反应器12，所述的气流床反应器包括气流分布段503、气固反应段504、气流分选段505和出料段515，设置有燃气入口509、改性气体入口508、钛精矿进料口510、返回料进料口511、尾气出口514和物料出口，所述的物料出口包括大比重物料出口512和小比重物料出口513。

所述的改性气体入口508设置在所述气流分布段503底部，燃气入口509设置在气流分布段505下部，钛精矿进料口510和返回料进料口511设置在所述气固反应段504下部，尾气出口514设置在出料段515顶部，物料出口设置在出料段515底部。

所述的气流分布段、气固反应段和气流分选段的内径比为6∶15∶5～3∶9∶2，长度比为1∶2.4∶1～1∶3∶1。

为了使气体分布均匀，所述的气流分布段设置有改性气体分布器501和燃气分布器502。改性气体分布器采用填料方式。高温燃气和改性气体通过燃气入口和改性气体入口进入反应器后，通过分布器混合均匀并使流速恒定。

参照图1、2，钛精矿在本发明气流床装置中经历如下历程：

首先，钛精矿从料仓1出来在预热器2中被氧化焙烧尾气预热到一定温度，然后通过螺旋加料机3将其以一定速度加人到气流床反应器5中，与此同时，热风炉燃气和改性气体同时被加入到反应器5中。当钛精矿进入反应器时，热气流将其抬升并在气流分布段503内将其加热到一定温度和维持一定速度，当钛精矿进入气固反应段504时，由于气流速度下降，钛精矿上升速度也降低，这在一定程度上延长了物料反应时间，当钛精矿进入气流分选段503时，由于气流床反应器直径的收缩，气流速度变快，其携带的物料受到的推力加大，而物料在这个作用力下会因比重不同而表现出不一样的抛射距离，收料器不同“抛射”距离的物料分开并收集。在氧化焙烧中，比重大的物料通过螺旋加料机10排出进入到还原焙烧用气流床反应器12中进行还原焙烧，而比重小的物料则被螺旋加料机8返回反应器5中继续反应；同理，在还原焙烧中，物料比重较大的物料被通过螺旋加料机15返回反应器12中继续反应，比重小的物料被排出参加下一步工序的反应。

在上述过程中，氧化焙烧的尾气被旋风收尘器9除尘后用来预热钛精矿，而还原焙烧的尾气通过旋风收尘器16除尘后用来作为氧化焙烧的燃料气。收尘器中的钛精矿可用来作为钛白粉生产的原料。

Claims (9)

1.一种钛精矿改性用循环气流床装置，包括气流床反应器、钛精矿加料系统、气体进入系统、余热利用系统和出料系统，所述的气流床反应器包括氧化焙烧用气流床反应器和还原焙烧用气流床反应器，其特征在于：所述的气流床反应器包括气流分布段、气固反应段、气流分选段和出料段，设置有燃气入口、改性气体入口、钛精矿进料口、返回料进料口、尾气出口和物料出口，所述的物料出口包括大比重物料出口和小比重物料出口。

2.根据权利要求1所述的一种钛精矿改性用循环气流床装置，其特征在于：所述的改性气体入口设置在所述气流分布段底部，燃气入口设置在气流分布段下部，钛精矿进料口和返回料进料口设置在所述气固反应段下部，尾气出口设置在出料段顶部，物料出口设置在出料段底部。

3.根据权利要求1或2所述的一种钛精矿改性用循环气流床装置，其特征在于：所述的气流分布段、气固反应段和气流分选段的内径比为6∶15∶5～3∶9∶2，长度比为1∶2.4∶1～1∶3∶1。

4.根据权利要求1所述的一种钛精矿改性用循环气流床装置，其特征在于：所述的气流分布段设置有改性气体分布器和燃气分布器。

5.根据权利要求1所述的一种钛精矿改性用循环气流床装置，其特征在于：所述的钛精矿加料系统包括钛精矿料仓、钛精矿预热器和螺旋加料机。

6.根据权利要求1所述的一种钛精矿改性用循环气流床装置，其特征在于：所述的气体进入系统包括热风炉和改性气体储罐。

7.根据权利要求1所述的一种钛精矿改性用循环气流床装置，其特征在于：所述的余热利用系统由管道和旋风收尘器组成。

8.根据权利要求1所述的一种钛精矿改性用循环气流床装置，其特征在于：所述的出料系统包括料仓和螺旋加料机。

9.根据权利要求8所述的一种钛精矿改性用循环气流床装置，其特征在于：所述的料仓包括已氧化物料料仓、未氧化物料料仓、已还原物料料仓和未还原物料料仓。

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