CN105925809B - 串联闪速炉及冶炼方法 - Google Patents

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Abstract

一种串联闪速炉，包括上反应体(5)和下反应体(1)及连接两者的连接通道(7)，所述上反应体(5)位于所述下反应体(1)的上部，形成串联式结构，所述下反应体(1)下部设有至少一个熔池(2)；所述闪速炉还包括用于排出烟气的上升烟道(3)，所述上升烟道(3)通过所述熔池(2)与所述下反应体(1)相连通，各所述熔池(2)上均设有排渣口。本发明所述的串联闪速炉通过上反应体为下反应体提供热量和还原气氛，实现金属氧化矿的矿粉在下反应体快速的还原熔炼。

Description

串联闪速炉及冶炼方法
技术领域
本发明属于冶金领域，尤其是涉及一种串联闪速炉及冶炼方法。
背景技术
闪速冶金从发明到现在，只用于金属硫化矿的冶炼，主要原因是现有的闪速炉只拥有一个反应空间，且为微负压环境，在该空间内可进行气固或气液间的氧化反应或弱还原反应，但无法制造强还原气氛进行快速有效的还原反应，例如，利用闪速炉微负压的单反应空间无法制造出有效还原气（CO+H2）体积比超过73%的还原气体，因而无法保证金属氧化物在悬浮态下基本完成还原。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种串联闪速炉，以解决现有闪速炉空间直接制造还原气体效率低、有效成分浓度低，而从外部引入还原气体成本高、危险大等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种串联闪速炉，包括上反应体5、下反应体1及连通两者的连接通道7，所述上反应体5位于所述下反应体1的上部，形成串联式结构，所述下反应体1下部设有至少一个熔池2；所述闪速炉还包括用于排出烟气的上升烟道3，所述上升烟道3通过所述熔池2与所述下反应体1相连通，各所述熔池2上均设有排渣口。通过向上反应体5喷入含氧气体（空气，氧气－空气混合物或者工艺氧）及气化剂如：煤粉、水煤浆、水蒸气、天然气、燃油、甲烷，为闪速炉下反应体1制造还原气体（CO+H2），同时为下反应体1提供热量。上反应体5内的气压可以大于或等于下反应体1的压强，优选高压条件，通过构建一个独立的高温高压气化空间，使气化剂能够很好的气化，从而提高有效还原气（CO+H2）的浓度。上反应体5的压强可以通过调节连接通道7的内宽及单位时间喷入含氧气体及气化剂的量来进行控制。本发明所述的串联闪速炉结构紧凑，可直接通过上反应体5向下反应体1提供冶炼所需要的热量和还原气氛，相对于目前现有的一些将尾气重整后再返回作为冶炼气体的冶炼工艺，避免了高温气体在长距离输运过程中的热量损失及对传输管道的损耗（1000℃以上的高温尾气的输送对管道材料的要求较高，管道成本高、寿命短）；同时，由于不需要附属设备（如尾气裂化转化设备、气体加压输送设备等），大大降低了一次性投资，也使整套设备的故障率大大的降低，从而降低了设备成本与维修成本；此外，本发明所述上反应体5造气原理简单，使用气化剂（如煤粉）和氧气进行简单的化学反应即可实现，而不需要通过其他复杂昂贵的方式（如等离子电离等）实现造气或气体转化，大大降低了生产和使用成本。所述上反应体5位于下反应体1的上部，且通过不大于2m的连接通道7直接串接，使上反应体5生产的还原气流可以从下反应体1最顶部进入，进而使从连接通道7加入的矿粉和还原气氛有更长的接触时间，提高待冶炼金属氧化物的还原率。
进一步的，所述连接通道7的内宽不大于下反应体1内径的2/3，同时长度不大于2m。连接通道7的内宽可调，通过控制连接通道7的内宽，可以控制上反应体5内部的压强，进而影响造气效率，同时，也可改变上反应体5向下反应体1内输送气流的速度。接通道7的长度不大于2m，以免过长影响上反应体5向下反应体1传递热量的效率。
进一步的，所述连接通道7上设有给料装置。待冶炼的矿粉通过设置在连接通道7上的给料装置加入闪速炉内，可以使矿粉和还原气体在进入下反应体1前即开始提前接触并充分混合，变相延长了待冶炼矿粉在下反应体1的冶炼时间，提高了矿粉中待冶炼金属氧化物的还原率。所述给料装置为喷嘴、喷枪、密封加料口中的一种或多种；或者为喷嘴、喷枪、密封加料口中的一种或多种与烧嘴的组合。通过设置喷嘴或喷枪或密封加料口向闪速炉加入冶炼所必需的原料、燃料和辅助材料；必要时，可通过烧嘴为下反应体1内补充热量。当然，根据实际需要，给料装置也可设置在下反应体1顶部，或设置于下反应体1侧壁上。
进一步的，所述上反应体5上设有向上反应体5内喷吹含氧气体及气化剂的喷枪或喷管。喷枪或喷管设置于上反应体5上，并穿透上反应体5内壁，伸入上反应体5内。喷枪或喷管可为单通道或多通道，可只喷吹一种原料，多通道喷枪或喷管可同时喷吹多种原料。喷枪或喷管向上反应体5内喷入含氧气体及气化剂如：煤粉、水煤浆、水蒸气、天然气、燃油、甲烷、乙炔中一种或多种的组合，用来产生还原性气体并为下反应体1提供热量。优选的，气化剂为煤粉，煤气化技术比较成熟，同时煤也是目前国内最经济的造气原料。
进一步的，所述熔池2内盛纳熔体的空间上部设有熔融炉料下落时通过的焦滤层空间。所述熔池2熔体上部形成有熔融炉料下落时通过的焦滤层6，一种实现方式是通过设置在连接通道7或下反应体1顶部的加料装置把焦炭加入下反应体1，焦炭粒径范围为1-11mm，在下反应体1内迅速被加热，加热后的焦炭颗粒落到熔池2熔体表面形成一层多孔的碳物料－焦滤层6；如果焦炭的粒度小于1mm，焦炭在高温下损耗较快，但粒度超过11mm又会使焦炭的中心不能够被加热到足够的温度，且粒度过大会使焦炭颗粒间的间隙变大，这会导致通过焦滤层6的金属氧化物熔体回收率的损失。焦滤层6也可通过加入适合炼焦的粉煤的方式实现，粉煤在高温下烧掉其中的挥发分后，即可形成焦炭颗粒。
进一步的，所述焦滤层6空间高50-250mm。焦滤层空间高50-250mm，优选为100-200mm，焦滤层6过厚会造成焦炭浪费、能耗升高，过薄又起不到所需要的还原效果。根据待冶炼金属氧化物被碳还原的难易程度，可适当调节焦滤层的厚度，调节的方法是调节向下反应体1内加入焦炭或适合炼焦的粉煤的速度。
进一步的，各所述熔池2均设有向所述熔池2内喷入燃料和含氧气体的侧吹布置。通过侧吹向熔池喷入燃料和气体，为熔池提供热量，使熔池维持在一定的高温段。所述燃料为重油、天然气、液化石油气、煤、焦丁、碳氢化合物中的一种；所述含氧气体为空气、氧气－空气混合物或者工艺氧。
进一步的，所述侧吹布置所在位置与所述熔池中熔渣层中下部对应。侧吹设置在熔渣层中下部，可以使熔渣形成对流或翻滚，方便上下层间的热量和物质交换，从而减小熔体的粘度，提高待冶炼金属的回收率。
进一步的，所述侧吹布置包括对称设置在所述熔池2相对侧壁上的侧吹孔及设置在侧吹孔内的侧吹喷管4。
进一步的，所述熔池2的数目为1-4个。闪速炉中1-4个熔池2的设置能够满足不同冶炼产量需求。
本发明还提供一种利用上述串联闪速炉进行冶炼的方法。
本发明还保护利用上述闪速炉在冶炼中的应用。
相对于现有技术，本发明所述的串联闪速炉具有以下优势：
本发明所述的串联闪速炉能够在上反应体5中制造高温高压高浓度的还原气体，为下反应体1提供冶炼所需要的还原气氛和热量，相对于直接在现有闪速炉下反应体1内进行煤气化，一方面造气的质量更高，可为熔炼过程提供更高浓度的有效还原气，从而使矿粉在下反应体1的还原速度更快，同时也使某些在空间需要高浓度还原气氛才能实现还原的金属氧化物采用闪速炉进行冶炼成为可能；另一方面造气的效率更高，不需要让下反应体1再另行承担造气的任务，矿粉一进入闪速炉内即可与还原气体充分接触并发生反应，变相的延长了矿粉在闪速炉空间的冶炼时间，从而提高了待冶炼金属的还原率，降低了能耗，提高了经济效益。
本发明所述的串联闪速炉通过一个不大于2m的连接通道串接上反应体和下反应体，使上反应体制造的还原气氛和热量能有效快速的供给下反应体，相对于现有冶金行业一些将尾气重整后再返回作为冶炼气体的工艺，工艺流程简单，一次性投资小，能耗低，生产和维护成本低。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的串联闪速炉的一种结构示意图；
图2为本发明实施例所述的串联闪速炉的第二种结构示意图；
图3为本发明实施例所述的串联闪速炉的第三种结构示意图；
图4为本发明实施例所述的串联闪速炉的第四种结构示意图；
图5为本发明实施例所述的串联闪速炉的第五种结构示意图；
图6为本发明实施例所述的串联闪速炉的第六种结构示意图；
图7为本发明实施例所述的串联闪速炉的第七种结构示意图；
图8为本发明实施例所述的串联闪速炉的第八种结构示意图；
图9为本发明实施例所述的串联闪速炉的第九种结构示意图；
图10为本发明实施例所述的串联闪速炉的第十种结构示意图；
图11为本发明实施例所述的串联闪速炉的第十种结构示意图。
附图标记说明：
1-下反应体，2-熔池，3-上升烟道，4-侧吹喷管，5-上反应体，6-焦滤层，7-连接通道。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种串联闪速炉，如图1-11所示，包括上反应体5、下反应体1及连通两者的连接通道7，上反应体5位于下反应体1的上部，形成串联式结构，下反应体1下部设有至少一个熔池2；闪速炉还包括用于排出烟气的上升烟道3，上升烟道3通过熔池2与下反应体1相连通，各熔池2上均设有排渣口，排渣口未在图1-11中标出。
本实例的工作过程：将造气燃料和含氧气体喷入上反应体5中，产生高浓度的还原气体并放出热量，向下反应体1内喷入干燥的金属氧化矿粉料、熔剂和焦炭，在高温炽热、充满还原气氛的下反应体1中，通过传热、传质和气-固、气-液反应，迅速完成粉料中待冶炼金属氧化物的还原和熔化；在下反应体1中形成的弥散的氧化物熔体以小滴状落入熔池并进入焦滤层6，当熔体穿透焦滤层6时，其中未被完全还原的待冶炼金属氧化物被碳热还原。
在熔池2中，矿粉中的脉石和熔剂发生造渣反应，生成熔点低的渣。根据需要，也可同时在熔池2中设置侧吹布置，通过侧吹向熔体中分别喷吹燃料和含氧气体，本实施例中向熔体中分别喷吹煤粉和氧气，为熔池2提供热量并实现熔体的翻滚，同时使熔池2保持强还原环境，剩余的待冶炼金属氧化物彻底在熔池2中完成还原，从而提高待冶炼金属的回收率。被还原出来的低沸点金属进入烟气通过上升烟道3排出炉外，后续可通过冷凝或烟化进行收集，其余被还原出的熔融的金属在熔池2内与液态渣沉淀分层，形成金属层和渣层，将金属熔体从熔池2内排出，得到粗金属，熔渣从排渣口排出炉外。
将本发明提供的串联闪速炉应用在钢铁厂烟尘的冶炼：
钢铁企业在高炉、电炉、转炉、烧结等工段都有大量的烟尘产生，烟尘中含有锌、铅、铋、铟和铁等有价金属的氧化物，其中铟和铋的含量相对较低。下面是国内一钢铁厂含锌烟尘成分加权平均后得出的主要金属成分表，如表1所示：
表1：
Fe Pb Zn Bi In
30.2% 3.5% 7.5% 0.3% 0.010%
上反应体5及连接通道7的外壁选用双层钢板，中间通冷却水，内壁砌耐火砖。冷却水形成激冷壁，有利于煤中的灰分在内壁形成挂渣，保护炉壁。上反应体5在侧壁上设有四只喷枪，粉煤、氧气（可加水蒸气）从喷枪2喷入上反应体5，在上反应体5内粉煤迅速燃烧并气化，生成温度为1380℃、有效还原气（CO+H2）成分体积比达90%的还原气流，从上反应体5出口喷出。
连接通道7长0.8m，内宽约为下反应体1内径的2/5，在连接通道7上设有给料装置，本实施例中给料装置为具有三层通道结构的密封加料口，通过三层通道结构的密封加料口，分别用压缩空气向闪速炉内送入钢铁厂烟尘、熔剂和焦炭，钢铁厂烟尘一般粒度都在100目以下，不需要再进行磨矿处理，只需烘干至水量≦0.3%；熔剂为石灰石，含CaCO3在90% 以上，粒度小于1mm，干燥至含水小于1%；焦炭的粒径在1 - 11 mm范围内。
烟尘颗粒在喷入闪速炉的瞬间，即与上反应体5喷出的还原气体充分混合，并呈飘浮状态进入约1100℃-1450℃高温的下反应体1中，烟尘中的金属氧化物以极大的比表面积状态弥撒于炽热、充满还原气分的下反应体1中，通过快速传热、传质和气-固、气-液反应，迅速完成粉料中锌、铅、铁、铋和铟等金属氧化物的还原和熔化，并飘落在下反应体1下部的熔池中。被还原出来的Zn迅速气化并进入上升烟道3，后续可采用铅雨/锌雨冷凝或烟化的方式进行回收。
在下反应体1中未被完全还原的铁和锌等金属氧化物熔体以小滴状进入150mm厚的焦滤层6，在熔体穿透焦滤层6向下流动时，被碳还原，从而使ZnO和FeO等比较难还原的金属氧化物也基本完成还原。
在熔池2中，矿粉中的脉石和加入的熔剂造渣，通过侧吹喷管4向熔池2喷入氧气和粉煤（工艺氧浓度为99.6%，粉煤粒度为5mm-8mm），为熔池2补充热量，并使熔池2形成1300℃-1650℃的高温还原环境。侧吹的位置位于渣层的下部，可使熔体翻滚，使渣层中的少量未还原的锌铁铅铋铟等金属氧化物与碳还原剂充分接触，彻底完成还原。在熔池2中，还原出来的Zn绝大部分会迅速气化离开熔体进入上升烟道3，其余被还原出来的金属液滴除了极少量挥发外，穿过密度较小的渣层向下聚集，Fe和Pb熔体完全不互溶，金属层分为铁水层和粗铅合金层，由于密度的差异，熔池1从上到下形成渣层、铁水层、粗铅合金层三层结构。少量的Bi、In及少量未蒸发的Zn易溶于铅液中，被铅液捕集后进入粗铅合金层，粗铅合金排出后，后续可以采用精炼等方式提纯Pb并分离合金中的其它金属。
采用本发明提供的串联闪速炉对钢铁烟尘进行处理的工艺，相比现有的回转窑工艺或湿法工艺，流程短，可综合回收多种有价金属，综合能耗降低40%以上，污染减少90%。
在下反应体1内发生的主要化学反应有：
CaCO3＝CaO+CO2
ZnO+CO=Zn(g)+CO2
PbO+CO=Pb+CO2
Bi2O3+3CO=2Bi+3CO2
In2O3 +3CO =2In+3CO2
3Fe2O3+CO＝2Fe3O4+CO2
Fe3O4+CO＝3FeO+CO2
FeO+CO＝Fe+CO2
在熔池2中发生的主要化学反应如下：
(PbO)渣+C=Pb(l)+CO
(ZnO)渣+C=Zn(g)+CO
(ZnO)渣+Fe(l)=Zn(g)+(FeO)渣
(PbO)渣+Fe(l)=Pb(g)+(FeO)渣
(FeO)渣+C=Fe(l)+CO
(Bi2O3)渣+3C=2Bi(l)+3CO
(In2O3)渣+3C=2In(l)+3CO
根据本发明的一个实施例，连接通道7的内宽不大于下反应体1内径的2/3，同时长度不大于2m。连接通道7的内宽过大会影响上反应体5内部的压强，进而影响造气效率。连接通道7的长度不大于2m，以免过长影响上反应体5向下反应体1传递热量的效率。
根据本发明的一个实施例，连接通道7上设有给料装置，如图1所示，通过该给料装置可以给入待冶炼的矿粉，使矿粉和还原气体提前接触，提高矿粉中待冶炼金属氧化物的还原率。给料装置为喷嘴、喷枪、密封加料口中的一种或多种；或者为喷嘴、喷枪、密封加料口中的一种或多种与烧嘴的组合。通过设置喷嘴或喷枪或密封加料口向闪速炉加入冶炼所必需的原料、燃料和辅助材料。给料装置也可设置在下反应体1顶端，如图2所示，2组烧嘴设置在下反应体1的顶部为下反应体1补充热量。另外，根据需要，给料装置也可设置下反应体1的侧壁上。
根据本发明的一个实施例，上反应体5上设有向上反应体5内喷吹含氧气体及气化剂的喷枪或喷管。喷枪或喷管设置于上反应体5上，并穿透上反应体5内壁，伸入上反应体5内，如图1及图2所示。喷枪或喷管向上反应体5中喷入含氧气体及气化剂。双通道的喷枪向上反应体5内喷入氧气和煤粉，用来产生还原气体（CO+H2）并为下反应体1提供热量。
根据本发明的一个实施例，所述熔池2内盛纳熔体的空间上部设有焦滤层空间。所述熔池2熔体上部形成有熔融炉料下落时通过的焦滤层6，如图2所示，一种实现方式是通过设置在下反应体1顶部的喷嘴把焦炭加入下反应体1，焦炭粒径范围为1 - 11 mm，在下反应体1内迅速被加热，加热后的焦炭颗粒落到熔池2熔体表面形成一层多孔的碳物料－焦滤层6。如果块度小于1mm，焦炭在高温下损耗较快，但粒度超过11mm又会使焦炭的中心不能够被加热到足够的温度，且粒度过大会使焦炭颗粒间的间隙变大，这会导致通过焦滤层6的待冶炼金属氧化物熔体回收率的损失。焦滤层6也可通过喷吹适合炼焦的粉煤的方式实现，粉煤在高温下烧掉其中的挥发分后，即可形成焦炭颗粒。
根据本发明的一个实施例，焦滤层空间高50-250 mm，优选为100-200 mm，如图2所示。根据待冶炼金属被碳还原的难易程度，适当调节焦滤层的厚度，调节的方法是调节向下反应体1内加入焦炭或粉煤的速度。
根据本发明的一个实施例，各熔池2均设有向熔池2内喷入含碳燃料和含氧气体的侧吹布置，如图3-4及6-11所示。
根据本发明的一个实施例，侧吹布置所在位置与所述熔池中熔渣层中下部对应，侧吹设置在熔渣层中下部，可以使熔渣形成对流或翻滚，方便上下层间热量和物质的交换，从而减小熔体的粘度，提高金属回收率。
根据本发明的一个实施例，上升烟道3数目与熔池2数目一致，如图10及图11所示。
根据本发明的一个实施例，熔池2的数目为1-4个。闪速炉中1-4个熔池2的设置能够满足不同冶炼产量需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种串联闪速炉，其特征在于：包括上反应体(5)、下反应体(1)及连通两者的连接通道(7)，所述上反应体(5)位于所述下反应体(1)的上部，形成串联式结构，所述下反应体(1)下部设有至少一个熔池(2)；所述闪速炉还包括用于排出烟气的上升烟道(3)，所述上升烟道(3)通过所述熔池(2)与所述下反应体(1)相连通，各所述熔池(2)上均设有排渣口；所述连接通道(7)的长度不大于2m；所述连接通道(7)上设有给料装置。
2.根据权利要求1所述的串联闪速炉，其特征在于：所述连接通道(7)的内宽不大于下反应体(1)内径的2/3。
3.根据权利要求1所述的串联闪速炉，其特征在于：所述上反应体(5)上设有向上反应体(5)内喷吹含氧气体及气化剂的喷枪或喷管。
4.根据权利要求1所述的串联闪速炉，其特征在于：所述熔池(2)内盛纳熔体的空间上部设有熔融炉料下落时通过的焦滤层空间。
5.根据权利要求4所述的串联闪速炉，其特征在于：所述焦滤层空间高50-250mm。
6.根据权利要求1所述的串联闪速炉，其特征在于：各所述熔池(2)均设有向所述熔池(2)内喷入燃料和含氧气体的侧吹布置。
7.根据权利要求6所述的串联闪速炉，其特征在于：所述侧吹布置所在位置与所述熔池中熔渣层中下部对应。
8.根据权利要求1所述的串联闪速炉，其特征在于：所述熔池(2)的数目为1-4个。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的闪速炉进行冶炼的方法。
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