CN105907904B - 一种含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置和方法 - Google Patents

一种含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置和方法，该含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置结构较为简单，简化了提钛处理工艺操作流程，生产实施和使用操作都较为简便，并且结合其含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法，在实现对熔融液态的含钛高炉渣粒化加工的同时，利用含钛高炉渣的余热进行甲烷碳化并实现对含钛高炉渣的提钛处理，有效回收、利用高温液态含钛高炉渣的余热作为化学热，大幅减少了额外能耗的消耗，降低了对含钛高炉渣干法粒提钛处理的能耗和成本，很好的解决了现有技术中含钛高炉渣提钛处理工艺程序复杂、能耗和成本高的问题，具有很好的工业应用价值，可以在国内冶金企业推广应用。

Description

一种含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置和方法
技术领域
本发明涉及含钛高炉渣回收处理技术领域，主要涉及液态含钛高炉渣干法粒化及甲烷低温碳化工艺，特别涉及一种含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置和方法。
背景技术
我国蕴藏着极为丰富的钒钛磁铁矿资源，主要分布在四川攀枝花和河北承德。攀西是我国钒钛资源最为富集的地区，钒钛磁铁矿远景储量超过100亿吨，其中钒、钛储量分别占全国的63%和90.5%，分列世界第三位、第一位。经过几十年的发展，针对钒钛资源的利用，已经建立了以高炉-转炉工艺为主的提铁提钒流程，和以电炉钛渣工艺为主的提钛工艺。以原矿中的元素含量为基准，现有工艺流程中铁、钒和钛元素的回收利用率分别为63%、42%和25%。可见，目前钛资源的利用水平低是影响整个资源利用的关键原因。
钒钛磁铁矿经选矿后得到铁精矿及钛精矿；铁精矿经高炉冶炼，得到含钒铁水，铁精矿中的TiO2全部进入高炉渣，形成了含23%TiO2的含钛高炉渣。由于含TiO2炉渣多以化学活性极低的玻璃相为主，加之赋存在炉渣中的高结晶性析出矿物种类多，使其矿相十分复杂，即不能像普通高炉渣那样用作生产水泥的原料，也难以用常规物理或化学方法从中提取TiO2，导致大量炉渣堆积在金沙江两岸，即浪费了资源，又污染了环境，还造成了潜在的重大自然灾害隐患。这部分无法利用的含钛高炉渣浪费掉了大约50%的钛资源。如果能够将含钛高炉渣中的钛资源提取并利用起来，则钛资源的利用率可以达到70%以上。
为此，我国科研工作者及工程技术人员进行了大量含钛高炉渣的利用研究，大规模的研究热潮出现在上世纪90年代。针对含钛高炉渣所提出的综合利用路线可谓“五花八门”。这些技术大部分在实验室条件下取得了效果，但在推广应用时多由于无法放大、经济效益差、处理量有限或二次污染等问题，均未能实现工业化。
“七五”、“八五”期间，攀研院分别进行了攀钢含钛高炉渣电炉熔融还原碳化制取碳化渣试验、低温氯化制取TiCl4、氯化残渣制备水泥等多项研究。“十一五”期间，集中力量攻克含钛高炉渣碳化过程泡沫渣、炉底上涨等技术难题，并与2009年10月建立了年产2.6万吨碳化渣中试线。目前，利用该中试线已经进行了多轮次的工业化试验，基本上从全流程上打通了含钛高炉渣提钛及尾渣综合利用的技术路线。客观的说，高温碳化-低温氯化工艺是目前最接近工业化应用的含钛高炉渣提钛技术。
然而，成本太高注定是影响高温碳化-低温氯化工艺最终实现工业化的最大顽疾。该工艺成本高的原因主要包括如下三点：
（1）碳化工艺温度高、周期长、电耗高。
电炉碳化过程是在熔融态下进行碳化反应，碳化过程温度为1600~1650℃，过程产生的CO气体必须通过熔融炉渣层排出；含钛高炉渣表面张力低，具备产生泡沫化的条件；TiC产生后使得炉渣变成固液共存的体系，且TiC与炉渣的润湿性好（接触角为10~20°），导致体系粘度增大，气体逸出更加困难。上述因素使得含碳高炉渣的碳化过程变为炉渣泡沫化的过程。为了控制泡沫在电炉内，并且不破坏电极等相关设备，只有通过控制还原剂碳的一次加入量，人为的降低碳化速率，这使得碳化工艺周期增长。同时，由于泡沫化现象的存在导致电炉的有效利用容积降低，利用系数下降，导致电耗增高。
（2）电炉炉底上涨，炉墙寿命短。
含钛高炉渣中钛氧化物还原碳化过程生成碳化钛，碳化钛是一种高熔点的化合物，其固体比重为4.93 g/cm3。在含钛高炉渣高温碳化过程中，呈固体颗粒存在于熔液中，由于其比重大，碳化钛固体颗粒向炉底沉降、富集，会造成炉底上涨，减小了电炉的有效容积。一定数量的炉次后，炉底上涨会影响电极及其辅助设备的正常工作，需要清除炉底重新砌筑。由于冶炼后期TiC数量的增多，炉渣变得异常粘稠，为了能够顺利出渣，需要把电炉温度升高到接近1700℃，长期的高温冲刷导致炉墙寿命较短，增加了设备维护成本。
（3）碳化渣水淬排渣后仍需干燥，耗水耗电。
由于碳化渣后续连接流态化氯化处理工序，流态化工序要求碳化渣的粒度范围为0.1~1mm，为达到这一要求，采用了高压水淬法获得粒化渣。粒化后碳化渣含有大量水分，又不得不采用干燥工序，额外消耗了水资源和热能源。
整体上来看，采用电炉碳化工艺对含钛高炉渣进行提钛处理，不仅增加了工艺的复杂程度，而且工艺周期长、能耗和成本高。因此，面对现有技术中含钛高炉渣提钛工艺中存在的这些缺陷，亟需一种易于操作、能耗和成本较低的含钛高炉渣提钛处理工艺技术。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置，其用于通过对熔融液态的含钛高炉渣进行粒化加工，且利用含钛高炉渣的余热进行甲烷碳化并实现对含钛高炉渣的提钛处理，以达到有效回收、利用高温液态含钛高炉渣的余热作为化学热的目的，不仅易于使用和操作，而且通过对余热的高效回收利用大幅减少了额外能耗的消耗，降低了对含钛高炉渣干法粒提钛处理的能耗和成本，能够用以解决现有技术中含钛高炉渣提钛处理工艺程序复杂、能耗和成本高的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置，包括干法粒化器、碳化反应床、渣粒收集器和一氧化碳分离器；
所述干法粒化器的顶部设有含钛高炉渣液入口和气体出口，干法粒化器内的中部位于含钛高炉渣液入口的正下方位置处设有离心粒化装置，干法粒化器的底部与所述碳化反应床的顶部相贯通连接；碳化反应床的底部设有漏斗状的出料口，且碳化反应床的下部靠近漏斗状出料口位置处的侧壁上设有用于通入甲烷气体和氢气的反应气体进气口；所述渣粒收集器正对设置于碳化反应床的出料口下方的出料位置处；
所述干法粒化器顶部的气体出口通过设置有抽风机和气体干燥过滤器的气流通道连通至一氧化碳分离器的进气口；所述一氧化碳分离器用于从进入的气体中分离出一氧化碳，并将分离得到的一氧化碳和混合尾气分别从其一氧化碳气体出口和混合尾气出口排出，且一氧化碳分离器的混合尾气出口连通至碳化反应床的反应气体进气口。
上述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置中，作为改进方案，所述干法粒化器内的离心粒化装置由驱动轴竖直向上设置的旋转驱动电机以及安装在旋转驱动电机的驱动轴上的多孔离心转杯构成；所述多孔离心转杯具有一水平设置的杯底以及沿杯底边缘竖直向上延伸的杯壁，多孔离心转杯的开口朝上且正对于干法粒化器的含钛高炉渣液入口，多孔离心转杯的杯壁上沿周向设有从杯底位置处自下而上排布成若干行的通孔，所述杯壁的厚度为1~3mm，所述通孔的孔径为0.1~1mm，排布在同一行的相邻两个通孔边缘之间的间距为1~2mm，排布在相邻两行的相邻两个通孔边缘之间的间距为1~3mm，且每相邻两行的通孔交错排列。
上述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置中，作为优选方案，所述碳化反应床为移动床、流化床、转底炉、竖炉、回转窑或隧道窑。
上述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置中，作为改进方案，所述渣粒收集器的底部还设置有热交换器，且渣粒收集器的底部与热交换器之间能够进行热传导。
上述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置中，作为改进方案，所述碳化反应床的出料口与渣粒收集器之间设有圆盘给料器，用以进行碳化反应床的出料口向渣粒收集器的送料。
相应地，本发明还提供了含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法；为此，本发明采用了如下的技术方案：
一种含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法，采用上述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置按如下步骤实施：
1）启动运行含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置，并通过其反应气体进气口向碳化反应床内通入甲烷和氢气，由气流通道上的抽风机带动含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置内的气流循环；
2）将1350~1450℃的熔融液态的含钛高炉渣注入干法粒化器顶部的含钛高炉渣液入口，流入干法粒化器中的离心粒化装置，在离心力作用下被甩出，随后破碎、粒化成熔滴，且飞行中的含钛高炉渣熔滴在表面张力以及与干法粒化器内上升的气流进行对流换热，凝固成含钛高炉渣颗粒，落入碳化反应床中；
3）进入碳化反应床的含钛高炉渣颗粒在继续下落以及在碳化反应床内堆砌停留的过程中，与碳化反应床内上升的气流再次进行对流换热，使得含钛高炉渣颗粒降温；
4）在步骤2）~3）的过程中，在气流通道上的抽风机的抽吸作用下，从反应气体进气口进入碳化反应床的甲烷和氢气向上流入干法粒化器内，且在碳化反应床和干法粒化器内与含钛高炉渣颗粒直接接触，在温度升高至1100~1300℃后，甲烷分解生成炭黑和氢气，碳和氢气再与含钛高炉渣中的TiO2反应生成碳化钛、一氧化碳和水蒸气，其中氢气为还原剂，炭黑为碳化剂，从而使得含钛高炉渣转化为含有碳化钛的碳化渣颗粒，然后从碳化反应床底部的出料口排放至渣粒收集器加以收集；而碳化反应床和干法粒化器内反应生成的一氧化碳、水蒸气与未反应完的甲烷和氢气所组成的混合气体从干法粒化器顶部的气体出口流入气流通道，在气流通道上的抽风机的抽吸作用下，经气体干燥过滤器进行干燥和除尘后流入至一氧化碳分离器，使得去除水蒸气的混合气体中的一氧化碳在一氧化碳分离器中被分离后从一氧化碳气体出口排出，而去除水蒸气的混合气体中的甲烷和氢气在一氧化碳分离器中与一氧化碳分离后从混合尾气出口排出，然后通过碳化反应床的反应气体进气口重新回到碳化反应床和干法粒化器内参与反应。
上述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法中，作为改进方案，所述干法粒化器内的离心粒化装置由驱动轴竖直向上设置的旋转驱动电机以及安装在旋转驱动电机的驱动轴上的多孔离心转杯构成；所述多孔离心转杯具有一水平设置的杯底以及沿杯底边缘竖直向上延伸的杯壁，多孔离心转杯的开口朝上且正对于干法粒化器的含钛高炉渣液入口，多孔离心转杯的杯壁上沿周向设有从杯底位置处自下而上排布成若干行的通孔，所述杯壁的厚度为1~3mm，所述通孔的孔径为0.1~1mm，排布在同一行的相邻两个通孔边缘之间的间距为1~2mm，排布在相邻两行的相邻两个通孔边缘之间的间距为1~3mm，且每相邻两行的通孔交错排列。
上述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法中，作为优选方案，所述步骤1）中，启动运行含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置后，控制干法粒化器中离心粒化装置转速为900~2000rpm。
上述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法中，作为改进方案，所得碳化渣颗粒直接用于进行氯化处理生产四氯化钛。
上述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法中，作为改进方案，所述渣粒收集器的底部还设置有热交换器，且渣粒收集器的底部与热交换器之间能够进行热传导；含钛高炉渣颗粒从碳化反应床底部的出料口排放至渣粒收集器后，在渣粒收集器内的含钛高炉渣颗粒还与热交换器进行热交换，对渣粒收集器内含钛高炉渣颗粒的余热进行回收利用。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置和方法，通过对熔融液态的含钛高炉渣进行粒化加工，且利用含钛高炉渣的余热进行甲烷碳化并实现对含钛高炉渣的提钛处理，达到了有效回收、利用高温液态含钛高炉渣的余热作为化学热的目的，大幅减少了额外能耗的消耗，降低了对含钛高炉渣干法粒提钛处理的能耗和成本。
2、本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法，简化了提钛处理工艺操作流程，生产实施和使用操作都较为简便。
3、本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置和方法，其反应后的混合气体经过分离，能够将分离所得的一氧化碳气体收集后用以作为燃料，用以提升碳化反应床和干法粒化器内的温度，而分离所得的甲烷和氢气能够重新回到碳化反应床和干法粒化器内参与反应，从而可以实现气体资源的循环利用。
4、本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理和方法中，不需要对设备额外加热到接近1700℃的高温，不会导致设备因长期的高温冲刷而出现使用寿命短的问题，降低了设备维护成本。
5、本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法所得到的碳化渣颗粒可直接用于进行后续的氯化处理生产四氯化钛。
6、本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法，很好的解决了现有技术中含钛高炉渣提钛处理工艺程序复杂、能耗和成本高的问题，具有很好的工业应用价值，可以在国内冶金企业推广应用。
附图说明
图1为本发明含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置的一种优选实施结构示意图。
图2本发明含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法的流程示意框图。
图3为本发明含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置中离心粒化装置优化方案的多孔离心转杯具体实施结构的剖视结构示意图。
具体实施方式
针对于现有技术中采用电炉碳化工艺对含钛高炉渣进行提钛处理的工艺程序复杂、周期长、能耗和成本高的问题，如果能够开发出一种工艺流程相对简单、能耗低、成本低的提钛处理工艺，则会极大的提高整个工艺的竞争力，最终实现含钛高炉渣的高效资源综合利用。
申请人在使用天然气还原铁矿石的研究中发现，还原前需要对天然气进行重整处理，使其变成CO和H2，否则还原产物中极易出现Fe3C。从这个现象中受到了启发，如果采用CH4作碳化剂，则可以和氧化物一起反应制备金属碳化物。关于CH4为何可以制备金属碳化物，Ostrovski教授认为CH4分解出的碳不同于一般的固体碳质还原剂，几个碳原子形成的团簇为基本的反应单元，其化学活性非常高，因此具有更强的碳化能力与碳化速率。因此，从理论上看，采用CH4为主的还原气体通过气固反应，可实现在较低的温度下快速生成TiC。
基于上述思路，本申请结合含钛高炉渣干法粒化+余热回收技术与CH4碳化工艺相耦合的工艺过程，提出一种含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置及其处理方法，将含钛高炉渣干法粒化+余热回收技术与CH4碳化工艺相耦合，目的是用于通过对熔融液态的含钛高炉渣进行粒化加工，同时利用炉渣的余热与CH4+H2为主的混合气体反应对含钛高炉渣的提钛处理，获得可直接进行氯化工艺的含有TiC的碳化渣颗粒，使得含钛高炉渣粒化工艺、TiO2碳化工艺相结合后能够直接与TiC低温氯化工艺紧密衔接，达到有效回收、利用高温液态含钛高炉渣的余热作为化学热的目的，降低了对含钛高炉渣干法粒提钛处理的能耗、水耗及成本。
下面对本发明的技术方案进行更详细的说明。
如图1所示，本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置主要由干法粒化器10、碳化反应床20、渣粒收集器30、和一氧化碳分离器40几部分构成。其中，干法粒化器10的顶部设有含钛高炉渣液入口11和气体出口12，干法粒化器10内的中部位于含钛高炉渣液入口的正下方位置处设有离心粒化装置50，干法粒化器10的底部与所述碳化反应床20的顶部相贯通连接；碳化反应床20的底部设有漏斗状的出料口21，且碳化反应床20的下部靠近漏斗状出料口位置处的侧壁上设有反应气体进气口22，在这里，反应气体进气口可以仅设置有一个，也可以设置有多个，且每个反应气体进气口用于通入甲烷和氢气或者是主要成分为甲烷和氢气的混合气体（例如天然气）；渣粒收集器30则正对设置于碳化反应床的出料口21下方的出料位置处。干法粒化器10顶部的气体出口12通过依次设置有抽风机13和气体干燥过滤器14的气流通道连通至一氧化碳分离器40的进气口；所述一氧化碳分离器40用于从进入的气体中分离出一氧化碳，并将分离得到的一氧化碳和混合尾气分别从其一氧化碳气体出口41和混合尾气出口42排出，且一氧化碳分离器的混合尾气出口42连通至碳化反应床10的反应气体进气口22。
采用本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置实施含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理的方法流程示意框图如图2所示，具体实施步骤如下：
1）启动运行含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置，并通过其反应气体进气口向碳化反应床内通入甲烷和氢气，由气流通道上的抽风机带动含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置内的气流循环；
2）将熔融液态的含钛高炉渣注入干法粒化器顶部的含钛高炉渣液入口，流入干法粒化器中的离心粒化装置，在离心力作用下被甩出，随后破碎、粒化成熔滴，且飞行中的含钛高炉渣熔滴在表面张力以及与干法粒化器内上升的气流进行对流换热，凝固成含钛高炉渣颗粒，落入碳化反应床中；
3）进入碳化反应床的含钛高炉渣颗粒在继续下落以及在碳化反应床内堆砌停留的过程中，与碳化反应床内上升的气流再次进行对流换热，使得含钛高炉渣颗粒降温；
4）在步骤2）~3）的过程中，在气流通道上的抽风机的抽吸作用下，从反应气体进气口进入碳化反应床的甲烷和氢气向上流入干法粒化器内，且在碳化反应床和干法粒化器内与含钛高炉渣颗粒直接接触，在温度升高至1100~1300℃后，甲烷分解生成炭黑和氢气，碳和氢气再与含钛高炉渣中的TiO2反应生成碳化钛、一氧化碳和水蒸气，其中氢气为还原剂，炭黑为碳化剂，从而使得含钛高炉渣转化为含有碳化钛的碳化渣颗粒，然后从碳化反应床底部的出料口排放至渣粒收集器加以收集；而碳化反应床和干法粒化器内反应生成的一氧化碳、水蒸气与未反应完的甲烷和氢气所组成的混合气体从干法粒化器顶部的气体出口流入气流通道，在气流通道上的抽风机的抽吸作用下，经气体干燥过滤器进行干燥和除尘后流入至一氧化碳分离器，使得去除水蒸气的混合气体中的一氧化碳在一氧化碳分离器中被分离后从一氧化碳气体出口排出，而去除水蒸气的混合气体中的甲烷和氢气在一氧化碳分离器中与一氧化碳分离后从混合尾气出口排出，然后通过碳化反应床的反应气体进气口重新回到碳化反应床和干法粒化器内参与反应。
通过本发明上述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置及其含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法可以看到，本发明采用了干法粒化法来达到对含钛高炉渣的细化粒化效果，同时通过通入甲烷和氢气，利用含钛高炉渣的余热对进行碳化，实现对含钛高炉渣的提钛处理，其原理是：液态的含钛高炉渣注入干法粒化器后，通过离心粒化装置高速旋转的离心力作用，将液态含钛高炉渣离心甩出，在运动甩出及碰撞过程中破碎成粒状，在表面张力的作用下得到细小的含钛高炉渣颗粒，下落并在碳化反应床内堆砌停留，此过程中CH4和H2的混合气体与具有一定初始温度的含钛高炉渣颗粒接触传热，使得上升的CH4和H2的混合气体温度由于传热也升高到较高温度，在温度升高至1100~1300℃后，CH4分解成为C和H2，与含钛高炉渣中的TiO2反应成为碳化钛，使得含钛高炉渣转化为含有碳化钛的碳化渣颗粒，然后从碳化反应床底部的出料口排放至渣粒收集器加以收集；此过程中，碳化反应床内通入CH4和H2，甲烷在实验条件下分解生成炭黑和氢气的反应如下：
CH4 = C + 2H2；
氢气和含钛高炉渣中的TiO2发生气固反应，还原效率高，反应如下：
TiO2 + H2 = TiO + H2O↑；
含钛高炉渣中反应生产的TiO在实验条件下很快与甲烷分解生成的炭黑反应生成碳化钛，反应如下：
TiO + 2C = TiC + CO；
由于CH4气体分解生成的C活性很高，碳化温度低，碳化速率快，碳化效率高，因此直接利用液态含钛高炉渣的余热即可达到上述反应的实验温度条件，并且氢气与含钛高炉渣的反应过程是反应速率较快的气固反应，因此其整体反应效率高、反应过程稳定易控；此外，碳化反应床和干法粒化器内反应生成的一氧化碳、水蒸气与未反应完的甲烷和氢气所组成的混合气体从干法粒化器顶部的气体出口流入气流通道，在气流通道上的抽风机的抽吸作用下，经气体干燥过滤器进行干燥和除尘，去除混合气体中的水蒸气以及随气体流动的炭黑，干燥过滤后的混合气体流入至一氧化碳分离器，使得去除水蒸气的混合气体中的一氧化碳在一氧化碳分离器中被分离后从一氧化碳气体出口排出；该一氧化碳气体出口排出的一氧化碳气体可以收集后用以作为燃料，用以提升碳化反应床和干法粒化器内的温度；而去除水蒸气的混合气体中的甲烷和氢气在一氧化碳分离器中与一氧化碳分离后从混合尾气出口排出，然后通过碳化反应床的反应气体进气口重新回到碳化反应床和干法粒化器内参与反应，并且由于碳化反应床和干法粒化器内反应后得到的混合气体的温度高、所含显热量大，因此经过简单的干燥、分离后得到的甲烷和氢气混合气体依然具有较高的温度，重新回到碳化反应床和干法粒化器内也能够作为热能补给；不仅如此，本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置和方法中，不需要对设备额外加热到接近1700℃的高温，不会导致设备因长期的高温冲刷而出现使用寿命短的问题，降低了设备维护成本，并且所得到的碳化渣颗粒可以通过粉碎等处理达到所需粒度后直接用于进行后续的氯化处理生产四氯化钛。
由此可以看到，本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置和方法，通过对熔融液态的含钛高炉渣进行粒化加工，且利用含钛高炉渣的余热进行甲烷碳化并实现对含钛高炉渣的提钛处理，达到了有效回收、利用高温液态含钛高炉渣的余热作为化学热的目的，不仅易于使用和操作，而且通过对余热的高效回收利用大幅减少了额外能耗的消耗，降低了对含钛高炉渣干法粒提钛处理的能耗和成本，能够有效解决现有技术中含钛高炉渣提钛处理工艺程序复杂、能耗和成本高的问题。
对于具体实施而言，在本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置中，为了确保碳化反应床和干法粒化器中含钛高炉渣与氢气和甲烷分解的炭黑、氢气更充分的进行反应，同时也使得反应后所得的碳化渣颗粒的粒度能够直接的达到后续氯化处理所需的0.1~1mm的粒度要求，干法粒化器内的离心粒化装置可以采用优化的结构设计，该优化结构设计的离心粒化装置由驱动轴竖直向上设置的旋转驱动电机以及安装在旋转驱动电机的驱动轴上的多孔离心转杯构成；如图3所示，所述多孔离心转杯51具有一水平设置的杯底51a以及沿杯底边缘竖直向上延伸的杯壁51b，多孔离心转杯51的开口朝上且正对于干法粒化器的含钛高炉渣液入口，多孔离心转杯的杯壁51b上沿周向设有从杯底位置处自下而上排布成若干行的通孔51c，为了保证离心转杯的杯壁具有足够的容纳支撑性，杯壁的厚度最好为1~3mm，而通孔的孔径为0.1~1mm，排布在同一行的相邻两个通孔边缘之间的间距为1~2mm，排布在相邻两行的相邻两个通孔边缘之间的间距为1~3mm，且每相邻两行的通孔交错排列。该优化结构的离心粒化装置采用了独特结构设计的多孔离心转杯，多孔离心转杯的杯壁沿杯底边缘竖直向上延伸，且杯壁上沿周向设有从杯底位置处自下而上排布成若干行的通孔，从而在离心粒化的过程中，进入多孔离心转杯的熔融液态的含钛高炉渣难以从杯壁的上边缘甩出，而是在旋转离心力作用下被迫从杯壁上的通孔中挤涌而出，形成直径与通孔孔径相当的熔渣液线，并随后破碎、粒化成熔滴，从而大幅减少了块渣和渣棉的产生；多孔离心转杯的杯壁上通孔的孔径为0.1~1mm，被甩出的含钛高炉渣熔滴大小受到通孔孔径的限制，因此使得含钛高炉渣熔滴冷却后得到的冷却粒化粒径也主要分布在0.1~1mm的区间，能够直接的达到后续氯化处理所需的粒度要求；并且，由于多孔离心转杯杯壁上的通孔从杯底位置处自下而上设置有多层，在离心粒化过程中，无论多孔离心转杯内熔融含钛高炉渣的蓄积量较少或较多时，都能够很好的使得熔融含钛高炉渣从杯壁上不同高度的通孔涌出而得以粒化，从而使得多孔离心转杯能够很好的适应不同熔融液态的含钛高炉渣进料流量的变化，减小了设备对熔融含钛高炉渣进料流量的限制，同时也使得旋转粒化过程中多孔离心转杯的旋转能能够得到充分的利用，让离心粒化装置能够以更高的转速运行，以提高粒化处理效率；此外，多孔离心转杯杯壁的厚度为1~3mm，因为杯壁厚度不宜过大，否则杯壁上通孔的轴向长度过长容易导致熔渣在通孔中粘附，进而易使得通孔堵塞，造成通孔利用率下降；而多孔离心转杯杯壁上的通孔之间，排布在同一行的相邻两个通孔边缘之间的间距为1~2mm，排布在相邻两行的相邻两个通孔边缘之间的间距为1~3mm，且每相邻两行的通孔交错排列，这样是保证多孔离心转杯上通孔的分布情况不会过于密集而致使从不同通孔涌出的熔渣液线或熔滴因距离过近而重新相互结团，影响粒化效果，也保证通孔的分布情况不会过于稀疏而导致多孔离心转杯杯壁上通孔数量较少造成转杯内蓄积的熔渣无法快速排出。在采用此优化结构设计的离心粒化装置的条件下，为了保证粒化效果，在启动运行含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置后，需要控制干法粒化器中离心粒化装置转速达到900~2000rpm，可以使得含钛高炉渣被粒化的粒度在0.1~1mm之间的颗粒质量百分比占到80~90%，从而反应得到碳化渣颗粒后，无需进一步粉碎，即可直接用于进行后续的氯化处理生产四氯化钛。
此外，在本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置的具体实施中，碳化反应床可以采用移动床、流化床、转底炉、竖炉、回转窑或隧道窑等设备，避免了因完全重新设计碳化反应床而增加装置制造成本。而一氧化碳分离器主要是用于将碳化反应生成的混合气体经过干燥后（主要成分为一氧化碳、甲烷和氢气），将其中的一氧化碳分离出来，可以采用多级变压吸附塔等设备得以实现，其具体的一氧化碳分离实施方法属于现有技术，不是本发明的技术创新点，在此不再多加叙述。
而作为进一步的技术改进，在本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置的具体实施中，如图1所示，由于从碳化反应床排出至渣粒收集器的碳化渣颗粒依然具有较高的温度（通常可达到600~900℃），因此可以在渣粒收集器30的底部增加设置热交换器60，且渣粒收集器30的底部与热交换器60之间能够进行热传导，通过热交换器进一步回收渣粒收集器内碳化渣颗粒的余热，换取的热量可用于发电等，实现进一步的余热回收利用。而在此基础上，如图1所示，装置中碳化反应床20的出料口21与渣粒收集器30之间还可以增设有圆盘给料器70，用以进行碳化反应床的出料口向渣粒收集器的送料布料处理；这样以来，可以通过圆盘给料器，使得从碳化反应床的出料口落入渣粒收集器的渣粒在渣粒收集器中铺设更加均匀，避免了渣粒收集器内的渣粒在碳化反应床出料口下方位置的集中堆砌而导致散热不均，从而更有利于渣粒收集器中的渣粒与热交换器之间的热传导，能够更好的保证碳化渣颗粒在渣粒收集器中与热交换器的换热效率。上述两方面的改进方案，通过不同侧面的结构改进，使得本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置能够具备更好的余热回收利用效率。
此外需要说明的是，在本发明技术方案中，反应所需通入的甲烷、氢气的用量和比例，需要根据实际应用的含钛高炉渣中TiO2的含量情况，根据反应所需用量比例来加以确定，是本领域技术人员能够根据其已有技术知识进行掌握的，加之本发明技术方案中可以能够对未反应完的甲烷、氢气加以回收循环，所以无需对入的甲烷、氢气的用量和比例进行过于严格的控制，本领域技术人员完全可以根据实际运行的情况，在不同阶段适当调整甲烷、氢气的供应量，来满足实际加工操作需求。
综上所述，本发明的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置结构较为简单，简化了提钛处理工艺操作流程，生产实施和使用操作都较为简便，并且结合其含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法，在实现对熔融液态的含钛高炉渣粒化加工的同时，利用含钛高炉渣的余热进行甲烷碳化并实现对含钛高炉渣的提钛处理，有效回收、利用高温液态含钛高炉渣的余热作为化学热，大幅减少了额外能耗的消耗，降低了对含钛高炉渣干法粒提钛处理的能耗和成本，很好的解决了现有技术中含钛高炉渣提钛处理工艺程序复杂、能耗和成本高的问题，具有很好的工业应用价值，可以在国内冶金企业推广应用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置，其特征在于，包括干法粒化器、碳化反应床、渣粒收集器和一氧化碳分离器；
所述干法粒化器的顶部设有含钛高炉渣液入口和气体出口，干法粒化器内的中部位于含钛高炉渣液入口的正下方位置处设有离心粒化装置，干法粒化器的底部与所述碳化反应床的顶部相贯通连接；碳化反应床的底部设有漏斗状的出料口，且碳化反应床的下部靠近漏斗状出料口位置处的侧壁上设有用于通入甲烷气体和氢气的反应气体进气口；所述渣粒收集器正对设置于碳化反应床的出料口下方的出料位置处；
所述干法粒化器顶部的气体出口通过设置有抽风机和气体干燥过滤器的气流通道连通至一氧化碳分离器的进气口；所述一氧化碳分离器用于从进入的气体中分离出一氧化碳，并将分离得到的一氧化碳和混合尾气分别从其一氧化碳气体出口和混合尾气出口排出，且一氧化碳分离器的混合尾气出口连通至碳化反应床的反应气体进气口。
2.根据权利要求1所述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置，其特征在于，所述干法粒化器内的离心粒化装置由驱动轴竖直向上设置的旋转驱动电机以及安装在旋转驱动电机的驱动轴上的多孔离心转杯构成；所述多孔离心转杯具有一水平设置的杯底以及沿杯底边缘竖直向上延伸的杯壁，多孔离心转杯的开口朝上且正对于干法粒化器的含钛高炉渣液入口，多孔离心转杯的杯壁上沿周向设有从杯底位置处自下而上排布成若干行的通孔，所述杯壁的厚度为1~3mm，所述通孔的孔径为0.1~1mm，排布在同一行的相邻两个通孔边缘之间的间距为1~2mm，排布在相邻两行的相邻两个通孔边缘之间的间距为1~3mm，且每相邻两行的通孔交错排列。
3.根据权利要求1所述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置，其特征在于，所述碳化反应床为移动床、流化床、转底炉、竖炉、回转窑或隧道窑。
4.根据权利要求1所述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置，其特征在于，所述渣粒收集器的底部还设置有热交换器，且渣粒收集器的底部与热交换器之间能够进行热传导。
5.根据权利要求4所述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置，其特征在于，所述碳化反应床的出料口与渣粒收集器之间设有圆盘给料器，用以进行碳化反应床的出料口向渣粒收集器的送料。
6.一种含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置按如下步骤实施：
1）启动运行含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置，并通过其反应气体进气口向碳化反应床内通入甲烷和氢气，由气流通道上的抽风机带动含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置内的气流循环；
2）将1350~1450℃的熔融液态的含钛高炉渣注入干法粒化器顶部的含钛高炉渣液入口，流入干法粒化器中的离心粒化装置，在离心力作用下被甩出，随后破碎、粒化成熔滴，且飞行中的含钛高炉渣熔滴在表面张力以及与干法粒化器内上升的气流进行对流换热，凝固成含钛高炉渣颗粒，落入碳化反应床中；
3）进入碳化反应床的含钛高炉渣颗粒在继续下落以及在碳化反应床内堆砌停留的过程中，与碳化反应床内上升的气流再次进行对流换热，使得含钛高炉渣颗粒降温；
4）在步骤2）~3）的过程中，在气流通道上的抽风机的抽吸作用下，从反应气体进气口进入碳化反应床的甲烷和氢气向上流入干法粒化器内，且在碳化反应床和干法粒化器内与含钛高炉渣颗粒直接接触，在温度升高至1100~1300℃后，甲烷分解生成炭黑和氢气，碳和氢气再与含钛高炉渣中的TiO2反应生成碳化钛、一氧化碳和水蒸气，其中氢气为还原剂，炭黑为碳化剂，从而使得含钛高炉渣转化为含有碳化钛的碳化渣颗粒，然后从碳化反应床底部的出料口排放至渣粒收集器加以收集；而碳化反应床和干法粒化器内反应生成的一氧化碳、水蒸气与未反应完的甲烷和氢气所组成的混合气体从干法粒化器顶部的气体出口流入气流通道，在气流通道上的抽风机的抽吸作用下，经气体干燥过滤器进行干燥和除尘后流入至一氧化碳分离器，使得去除水蒸气的混合气体中的一氧化碳在一氧化碳分离器中被分离后从一氧化碳气体出口排出，而去除水蒸气的混合气体中的甲烷和氢气在一氧化碳分离器中与一氧化碳分离后从混合尾气出口排出，然后通过碳化反应床的反应气体进气口重新回到碳化反应床和干法粒化器内参与反应。
7.根据权利要求6所述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法，其特征在于，所述干法粒化器内的离心粒化装置由驱动轴竖直向上设置的旋转驱动电机以及安装在旋转驱动电机的驱动轴上的多孔离心转杯构成；所述多孔离心转杯具有一水平设置的杯底以及沿杯底边缘竖直向上延伸的杯壁，多孔离心转杯的开口朝上且正对于干法粒化器的含钛高炉渣液入口，多孔离心转杯的杯壁上沿周向设有从杯底位置处自下而上排布成若干行的通孔，所述杯壁的厚度为1~3mm，所述通孔的孔径为0.1~1mm，排布在同一行的相邻两个通孔边缘之间的间距为1~2mm，排布在相邻两行的相邻两个通孔边缘之间的间距为1~3mm，且每相邻两行的通孔交错排列。
8.根据权利要求7所述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法，其特征在于，所述步骤1）中，启动运行含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理装置后，控制干法粒化器中离心粒化装置转速为900~2000rpm。
9.根据权利要求6所述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法，其特征在于，所得碳化渣颗粒直接用于进行氯化处理生产四氯化钛。
10.根据权利要求6所述的含钛高炉渣干法粒化及甲烷碳化提钛处理方法，其特征在于，所述渣粒收集器的底部还设置有热交换器，且渣粒收集器的底部与热交换器之间能够进行热传导；
含钛高炉渣颗粒从碳化反应床底部的出料口排放至渣粒收集器后，在渣粒收集器内的含钛高炉渣颗粒还与热交换器进行热交换，对渣粒收集器内含钛高炉渣颗粒的余热进行回收利用。
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