CN106467930B - 一种钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钒钛磁铁矿粉矿流态化高温快速氧化还原的系统及方法。本发明采用三台沸腾流化床串联进行钒钛磁铁矿粉矿的流态化氧化及还原处理，钒钛磁铁矿粉矿首先经过预热烘干后进入氧化床高温氧化处理，随后再经过两段还原床完成高温还原；氧化尾气用于预热烘干钒钛磁铁矿粉矿，还原尾气与氧化空气热交换后再清洗脱除氧化成分循环利用。本发明通过预氧化处理和低气速流化床的串联工艺设计，可以明显改善钒钛磁铁矿粉体高温流态化性能，提高矿物反应效率和降低工序能耗，本发明的气体利用方案具有反应效率和能量利用率高的优点。

Description

一种钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统及方法
技术领域
本发明属于钒钛磁铁矿相关的化工和冶金领域，具体涉及一种钒钛磁铁矿粉矿流态化高温快速氧化还原的系统及方法。
背景技术
钒、钛是世界公认的稀有资源和重要战略物质，全球约98％的钒储量和91％的钛储量赋存于以钒钛磁铁矿为主的复合矿物中。一般而言，含钛品位低的钒钛磁铁矿(TiO2<14wt.％)主要作为高炉原料冶炼铁、钒，且需配加普通铁矿稀释，且最终因高炉渣中TiO2富集度低(～22wt.％)、含钛物相复杂(TixOy，Ti(C,N))、粒度分散细小(<10um)，难以回收其中的钛资源。近年来提出的直接还原-电炉熔分两步法短流程工艺，在兼顾长流程冶炼铁、钒元素同时，结合低温固相预还原，可以通过全钒钛矿冶炼，提高后续熔分渣中TiO2含量至中钛渣品位(>50wt.％)，从而满足钛渣提质升级有价利用需求，最终实现Fe、V、Ti有价元素的全面综合利用。
两步法短流程中的第一步工艺直接还原属于非高炉炼铁工艺，该工艺具有不使用焦炭、污染物排放低等优点，是代替传统高炉长流程炼铁方案的发展方向。按照所使用还原剂归类，非高炉直接还原铁氧化物工艺分为煤基和气基两种。煤基工艺包括回转窑、转底炉等工艺，气基工艺包括竖炉、流化床等工艺。相比煤基工艺，气基工艺具有温操作低、反应效率高等特点，特别是无需使用煤而采用还原性气体为还原剂，清洁还原优势突出，是主要的直接还原工艺。从反应器角度而言，气基流化床反应器具有直接处理粉矿、传热传质好、还原效率高等突出优点，被认为是最为理想高效的铁矿石直接还原反应器。
近年来，基于直接还原炼铁技术的发展，许多结合不同直接还原工艺的钒钛磁铁矿两步法短流程方案得到了开发。一部分直接还原工艺采用了煤基球团或气基球团还原的方法，如四川龙蟒集团设计的内配碳转底炉直接还原方法(CN 1641045A)，攀枝花钢铁集团设计的内配碳球团高温直接还原方法(CN 1814813A，CN 104862441A)，重庆钢铁集团、中冶赛迪工程技术公司设计的钒钛矿氧化球团竖炉直接还原方法(CN 103451419A，CN102424876A，CN 103255255A)等，这些方法都需要对钒钛磁铁矿粉矿预先造球后再进入还原反应器，内配碳方法还需配煤造球。而配煤会引入煤种非铁杂质，降低了后续熔分渣中TiO2品位，气基造球则增加了还原气传热传质阻力，降低了气基直接还原效率。
也有一些方案应用了粉矿流化床气基直接还原工艺方法。如专利CN 102127611A、专利CN 202007243U等提出了采用三级串联流化床直接还原钒钛磁铁粉矿的方案，经炉前预热后温度为600-700℃的钒钛磁铁粉矿依次进入一级、二级和三级还原流化床，在逆向而上的还原气体的作用下，实现流态化并发生还原反应。还原温度在650-850℃之间，预热介质为还原尾气。这些钒钛磁铁矿粉矿流化床气基直接还原工艺一般直接采用或借鉴非高炉炼铁主流工艺的多段流化床方案，仅在流化床前设置炉前尾气预热系统，以干燥脱水和单纯提高粉矿入炉温度为目的，在矿物反应原理上与普通铁精矿流化床气基直接还原相同，并未充分考虑钒钛磁铁矿自身矿物特性，也没有解决高温高还原效率与可能发生的粉矿高温高金属化率间的矛盾。可参考的非高炉流化床直接还原炼铁主要代表性工艺有FIOR、Circored、FINMET等进行了中试或产业化实践。
FIOR工艺由Exxon研究和工程公司开发，采用四级流化床串联，第一级为预热流化床，后三级为还原流化床(US 5082251，US 5192486)。高品位铁粉矿由一级流化床依次进入至第四级流化床。第一级预热流化床单独采用天然气或煤气与空气燃烧后的热烟气，温度为780℃，气速0.8m/s。还原气经加热后由第四级流化床进入，逆流至第二级流化床，中间不再加热。第二、三、四还原流化床的温度分别为700℃、780℃、790℃，还原气速1m/s，产品金属化率～90％。其还原气体中氢气含量要求高，以减少铁粉矿还原过程中高温高金属化率粘结失流情况发生，同时以改善还原温度低于800℃带来的较低还原效率，但还原期间还需适当加入防粘剂来控制流化状态。
Circored工艺由鲁奇冶金公司开发，采用两级流化床串联还原，包括一个循环流化床反应器和一个鼓泡流化床反应器(卧式横向多段)(US5603748，US5833734)。该工艺首先在流化床的预热器中将0.1-1mm的细铁粉矿加热至800℃，随后在循环流化床反应器还原至金属化率70％，再进入鼓泡流化床反应器还原至金属化率92％。其中循环流化床气速4-6m/s，反应时间20-30min，反应温度850-900℃，鼓泡流化床气速0.5-0.6m/s，反应时间45-240min，反应温度630℃。虽然第一段循环流化床反应效率高，粉矿无粘结，但所需气速高。第二段所用气速低，但考虑粘结失流控制终还原温度很低，不免还原效率很低。
FINMET工艺由奥钢联与FIOR公司联合开发，以天然气转化气为还原剂，采用四级紊流型流化床串联，无预热流化床(US6569377)。铁粉矿首先在预热器炉前预热至100℃后再进入流化床还原。第一级还原流化床温度约为550℃，温度逐级上升，第四级还原流化床温度达到800℃左右，终产品金属化率～93％。还原期间需通过增加粒度(限制12mm)及加入防粘剂来防止粉矿还原粘结失流的发生。
综上，结合矿物特性，通过工艺和技术创新，在不引入外来防粘剂的前提下，减小粉矿流化床操作气速，改善物料流化还原性能，同时保证高温高还原效率，是实现降低流化床还原钒钛磁铁矿工艺能耗，提高经济性的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于钒钛磁铁矿粉矿流态化高温快速氧化还原的系统及方法，基于本发明的系统，钒钛磁铁矿粉矿经氧化处理后在不引入外来防粘剂的前提下，减小粉矿流化床操作气速，改善物料流化还原性能，同时保证高温高还原效率。
本发明提供的一种钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统包括矿料仓和进料器0，粉矿预热器1，氧化床2，若干级还原床单元和产品料仓5；
所述粉矿预热器1包括若干级旋风分离器和多个氧化床进料器，粉矿矿料仓内的粉矿经进料器进入旋风分离器循环预热并分离后通过氧化床进料器进入氧化床。所述矿粉预热器可实现钒钛磁铁矿粉矿经旋风分离器和来自氧化床旋风分离器出气口的氧化尾气预热后得到的粒径粗细不同的矿粉，该矿粉经收集后进入氧化床本体。
所述氧化床2包括氧化流化床本体20、氧化床气体加热器21、氧化床第一出料器22、氧化床第二出料器23和氧化床旋风分离器24，所述氧化床旋风分离器24的下部出料口和所述氧化床第二出料器23连接；所述氧化床第一出料器22和氧化床第二出料器23与第一级还原床的进料口连接；氧化床尾气出口与粉矿预热器连接1。所述氧化床可以实现如下的功能：粒径粗细不同的矿粉分别收集进入氧化床本体后，经流态化高温氧化后的粗颗粒粉矿直接进入一级还原流化床本体，氧化后的细颗粒粉矿经氧化床旋风分离器分离后进入第一级还原流化床本体。
所述还原床包括还原床本体、还原床气体加热器、还原床第一出料器、还原床第二出料器和还原床旋风分离器；还原床第一出料器的出口和下一级还原床的进料口连接，最后一级还原床出料器的出口和粉矿料仓连接；还原床气体加热器的入口和下一级还原床旋风分离器的气体出口连接，第一级还原床旋风分离器的气体出口与尾气处理单元连接，还原床旋风分离器的下部出料口与还原床第二出料器连接。以设置两级还原床为例，所述还原床可以实现如下的功能：粉矿经在还原床中经高温还原后，粗颗粒直接由还原床本体排出，细颗粒经旋风分离器分离后排出；第一级还原床的还原粉矿排出后进入第二级还原床，第二级还原床的还原粉矿排出后进入料仓；第二级还原床旋风分离器排出的气体作为第一级还原床单元的还原性原料气体，第一级还原床旋风分离器排出的气体作为尾气处理。
优选的，所述矿粉预热器1包括第一级旋风分离器11、第二级旋风分离器12、第三级旋风分离器13、第一氧化床进料器14和第二氧化床进料器15；
所述粉矿料仓和进料器的出料口与所述粉矿预热器1的第一级旋风分离器11的出气口相连接，所述第一级旋风分离器11的底部出料口与氧化床进料器14的进料口相连接，所述第一级旋风分离器11的出气口与第二级旋风分离器12的入口相连接；
所述第二级旋风分离器12的底部出料口与第一级旋风分离器11的入口相连接，所述第二级旋风分离器12的出气口与第三级旋风分离器13的入口相连接；
所述第三级旋风分离器13的底部出料口与氧化床进料器15的进料口相连接，所述第三级旋风分离器13的出气口与外接尾气处理设施相连接。
作为本领域技术人员的基本技能，矿粉预热器1中设置的旋风分离器的个数以及氧化床进料器的个数可以根据实际情况进行变更。
优选的，所述粉矿预热器的氧化床进料器的出料口与所述氧化床2的氧化流化床本体20的进料口相连接；
所述氧化流化床本体20的底部进气口与所述氧化床气体加热器21的出气口相连接，所述氧化流化床本体20的顶部出气口与所述氧化床旋风分离器24的入口相连接，所述氧化流化床本体20的出料口与所述氧化床第一出料器22的进料口相连接；所述氧化床旋风分离器24的出气口与第一级旋风分离器的气体入口相连接，所述氧化床旋风分离器24的底部出料口与所述氧化床第二出料器23的进料口相连接。
此处氧化床的气体加热器可以由外接的燃烧气提供气源。
优选的，所述用于钒钛磁铁矿流态化氧化还原的系统包括第一还原床单元3和第二还原床单元4，所述第一还原床单元3包括一级还原流化床本体30、一级还原床气体加热器31、一级还原床第一出料器32和一级还原床第二出料器33、一级还原床旋风分离器34；所述第二还原床单元4包括二级还原流化床本体40、二级还原床气体加热器41、二级还原床第一出料器42和二级还原床第二出料器43、二级还原床旋风分离器44；
所述氧化床2的氧化床第一出料器22和氧化床第二出料器23的出料口与所述第一还原床3的一级还原流化床本体30的进料口相连接，所述一级还原流化床本体30的底部进气口与所述一级还原床气体加热器31的出气口相连接，所述一级还原流化床本体30的顶部出气口与所述一级还原床旋风分离器34的入口相连接，所述一级还原流化床本体30的出料口与所述一级还原床第一出料器32的进料口相连接；所述一级还原床旋风分离器34的底部出料口与所述一级还原床第二出料器33的进料口相连接；所述一级还原床气体加热器31的进气口与所述还原床4的二级还原床旋风分离器44的出气口相连接；
所述第一还原床3的一级还原床第一出料器32和一级还原床第二出料器33的出料口与所述第二还原床4的二级还原流化床本体40的进料口相连接，所述二级还原流化床本体40的底部进气口与所述二级还原床气体加热器41的出气口相连接，所述二级还原流化床本体40的顶部出气口与所述级二级还原床旋风分离器44的入口相连接，所述二级还原流化床本体40的出料口与所述二级还原床第一出料器42的进料口相连接；所述二级还原床旋风分离器44的底部出料口与所述二级还原床第二出料器43的进料口相连接；
所述第二还原床4的二级还原床第一出料器42和二级还原床第二出料器43的出料口与产品料仓5的进料口相连接。
优选的，所述系统还包括热交换器6，所述氧化床气体加热器21的进气口与所述热交换器6的空气出气口相连接，第一级还原床上设置的旋风分离器的气体出口管道和所述热交换器6的空气进气口相连接。
优选的，本装置所包括的供气管道上均可设置调节阀门。
优选的，所述用于钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统还包括还原气加压器，所述还原气加压器位于还原床的入口管路上。
优选的，所述用于钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统还进一步包括洗涤器7，其设置于还原床的尾气管路上。
更优选的，所述洗涤器后的尾气管路分为第一支路和第二支路，第一支路和尾气处理装置连接，第二支路和还原床的气体加热器的气体入口连接，第二支路内的气体作为还原气进入还原床的气体加热器。
更优选的，所述第二支路上设置有二氧化碳脱除器。
更优选的，所述第二支路上设置有还原尾气加压器。
优选的，所述氧化床和还原床均为沸腾流化床，流化床本体下部为进气气速流化段，即0.2-0.8m/s，上部为降气速扩大流化段，上部内径为下部内径的1.3-2倍。
在本发明内，氧化床和还原床的上部降气速扩大流化段因内径扩大而气速自然降低。
原料矿粉在预热过程中的粗颗粒和细颗粒的分别进出料是通过第一氧化床进料器14和第二氧化床进料器15来实现的，氧化阶段中的粗颗粒和细颗粒的分别进出料是通过氧化床第一出料器22和氧化床第二出料器23来实现的，还原阶段中的粗颗粒和细颗粒的分别进出料通过一级还原床第一出料器32和一级还原床第二出料器33、二级还原床第一出料器42和二级还原床第二出料器43来实现的。
本发明还提供了基于上述系统的一种钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的方法，所述方法包括：
钒钛磁铁矿粉矿经旋风分离器和来自氧化床旋风分离器出气口的氧化尾气预热后得到的粒径粗细不同的矿粉分别收集进入氧化床本体，经流态化高温氧化后的粗颗粒粉矿直接进入一级还原流化床本体，氧化后的细颗粒粉矿经氧化床旋风分离器分离后进入第一级还原流化床本体；粉矿经在还原床中经高温还原后，粗颗粒直接由还原床本体排出，细颗粒经旋风分离器分离后排出；第一级还原床的还原粉矿排出后进入第二级还原床，第二级还原床的还原粉矿排出后进入料仓；第二级还原床旋风分离器排出的气体作为第一级还原床单元的还原性原料气体，第一级还原床旋风分离器排出的气体进入尾气处理。
优选的，所述钒钛磁铁矿粉矿为天然矿物采选或加工获得，全铁含量为45-65wt％、TiO2含量为8-15wt％的铁矿石粉矿，所述粉矿的粒径为0.005-0.5mm。
优选的，所述氧化床和还原床均采用低气速操作，所述的低气速为0.2-0.8m/s，操作压力4-9atm。
优选的，所述粉矿预热器的第一级旋风分离器的入口氧化尾气温度为750-850℃，所述氧化床的高温氧化温度为800-950℃，所述还原床的高温还原温度为850-950℃。
优选的，所述的氧化气体为空气或以氧气为主要成分的气体，所述的还原气体为煤气或重整气，以H2和CO为有效成分。
更优选的，氧化气体由经过热交换器7与还原尾气热交换后再经氧化床气体加热器21加热后的热空气供应。
更优选的，一级还原流化床本体30所用还原气体来自二级还原床旋风分离器44出气口排出的经一级还原床气体加热器31加热的还原气。
更优选的，二级还原流化床本体40所用还原气体来自经洗涤器7洗涤、加压器8加压和二氧化碳脱除器9脱除二氧化碳后的还原尾气，及经还原气加压器16加压的外接补充新还原气，两部分还原气混合后再经二级还原床气体加热器41加热作为二级还原流化床本体40的热还原气。
更优选的，一级还原床旋风分离器34出气口排出的还原尾气，首先经热交换器6与氧化原料气空气进行热交换，随后再进入洗涤器7洗涤，其中部分通过还原尾气加压器8加压后循环利用，部分进入外接尾气处理装置供各加热器21、31、41加热燃烧使用。
优选的，原料矿粉在预热、氧化和还原过程中其粗颗粒和细颗粒实现分别进出料控制。
在本发明的一个实施例内记载了通过如下的方法来实现钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原：
钒钛磁铁矿粉矿由粉矿料仓和进料器0的出料口进入第一级旋风分离器11出气口并与来自氧化床旋风分离器24出气口的氧化尾气换热，随后进入第二级旋风分离器12入口，经由第二级旋风分离器12分离，由其底部出料口排出的粗颗粒粉矿进入第一级旋风分离器11入口再次与来自氧化床旋风分离器24出气口的氧化尾气换热后进入氧化床进料器14的进料口；由第二级旋风分离器12出气口夹带出的细颗粒粉矿经第二级旋风分离器13分离后直接进入氧化床进料器15的进料口；经粉矿预热器1预热后的钒钛磁铁矿粉矿由氧化床第一进料器14和氧化床第二进料器15出料口进入氧化流化床本体20进行氧化；
氧化后的粗颗粒粉矿经由氧化床第一出料器22进入一级还原流化床本体30进行第一次还原，氧化后的细颗粒粉矿经氧化床旋风分离器24分离后由氧化床第二出料器23进入一级还原流化床本体30进行第一次还原；
钒钛磁铁矿粉矿经第一次还原后，粗颗粒粉矿经由一级还原床出料器32进入二级还原流化床本体40进行第二次还原，细颗粒粉矿经一级还原床旋风分离器34分离后由一级还原床出料器33进入二级还原流化床本体40进行第二次还原；第二次还原结束后，钒钛磁铁矿粗还原粉矿产品经二级还原床出料器42排出至产品料仓5，细还原粉矿产品经二级还原床旋风分离器44分离后由二级还原床出料器43排出至产品料仓5，还原粉矿冷却储存或热态供其后续生产使用。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点：
钒钛磁铁矿粉矿首先在独立氧化床中进行高温氧化处理，能够有效提高矿物自身反应效率并降低还原操作气速，从而实现高温快速还原并大幅提高流态化稳定性。
钒钛磁铁矿粉矿经预热、氧化床氧化后串联进入预还原床和终还原床，预还原床不外接气体加热，充分利用氧化后物料温度进行预还原，终还原床外接气体加热实现高温高效率还原，系统整体粉矿物料热量利用率高。
氧化气进入加热器前与还原尾气热交换提温并回收利用还原尾气余热，氧化尾气用于粉矿预热器回收利用氧化尾气余热，还原尾气经处理后再次与外接还原气混合作为还原气进入还原流化床循环利用，系统整体气体物料热能和化学能利用率高。
设计沸腾流化床本体上部降气速扩大以及原料粉矿粗颗粒和细颗粒的旋风及流化床本体分别进出料控制的方式，能够保证粗细颗粒的均匀氧化和还原。
采用本发明对钒钛磁铁矿粉矿首先进行流态化氧化还原，在高温氧化处理后，矿物自身反应效率提高，后续高温还原所需操作气速降低，流化状态稳定，高温还原效率高，从根本上避免了传统技术高气速操作、反应温度低、易粘结失流，需过程强制稳定流化状态的不足。设计沸腾流化床本体变径结构及粗细颗粒独立进出料，能够保证产品过程质量均匀稳定。同时合理布置能量和物质工艺过程流向，设置中间预还原流化床，充分利用粉矿和气体的热能和化学能，可降低流化床还原钒钛磁铁矿粉矿工艺能耗，提高整体经济性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步阐释，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明的钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统配置示意图。
附图标记
0、粉矿料仓和进料器；1、粉矿预热器；11、第一级旋风分离器；12、第二级旋风分离器；13、第三级旋风分离器；14、氧化床第一进料器；15、氧化床第二进料器；2、氧化床；20、氧化流化床本体；21、氧化床气体加热器；22、氧化床第一出料器；23、氧化床第二出料器；24、氧化床旋风分离器；3、第一还原床；4、第二还原床；30、一级还原流化床本体；31、一级还原床气体加热器；32、一级还原床第一出料器；33、一级还原床第二出料器；34、一级还原床旋风分离器；40、二级还原流化床本体；41、二级还原床气体加热器；42、二级还原床第一出料器；43、二级还原床第二出料器；44、二级还原床旋风分离器；5、产品料仓；6、热交换器；7、洗涤器；8、还原尾气加压器；9、二氧化碳脱除器；16、还原气加压器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统，系统包括粉矿料仓和进料器0，粉矿预热器1，氧化床2，第一还原床3和第二还原床4，产品料仓5，热交换器6，洗涤器7，还原尾气加压器8，二氧化碳脱除器9，还原气加压器16。
粉矿预热器1包括第一级旋风分离器11、第二级旋风分离器12、第三级旋风分离器13、氧化床第一进料器14和氧化床第二进料器15。氧化床2包括氧化流化床本体20、氧化床气体加热器21、氧化床第一出料器22和氧化床第二出料器23、氧化床旋风分离器24。第一还原床3包括一级还原流化床本体30、一级还原床气体加热器31、一级还原床第一出料器32和一级还原床第二出料器33、一级还原床旋风分离器34，第二还原床4包括二级还原流化床本体40、二级还原床气体加热器41、二级还原床第一出料器42和二级还原床第二出料器43、二级还原床旋风分离器44。
粉矿料仓和进料器0的出料口与粉矿预热器1的第一级旋风分离器11的出气口相连接，第一级旋风分离器11的底部出料口与氧化床第一进料器14的进料口相连接，第一级旋风分离器11的出气口与第二级旋风分离器12的入口相连接。第二级旋风分离器12的底部出料口与第一级旋风分离器11的入口相连接，第二级旋风分离器12的出气口与第三级旋风分离器13的入口相连接。第三级旋风分离器13的底部出料口与氧化床第二进料器15的进料口相连接，第三级旋风分离器13的出气口与外接尾气处理设施相连接。
粉矿预热器1的氧化床第一进料器14和氧化床第二进料器15的出料口与氧化床2的氧化流化床本体20的进料口相连接，氧化流化床本体20的底部进气口与氧化床气体加热器21的出气口相连接，氧化流化床本体20的顶部出气口与氧化床旋风分离器24的入口相连接，氧化流化床本体20的出料口与氧化床第一出料器22的进料口相连接。氧化床旋风分离器24的出气口与粉矿预热器1的第一级旋风分离器11的入口相连接，氧化床旋风分离器24的底部出料口与氧化床第二出料器23的进料口相连接。氧化床气体加热器21的进气口与热交换器6的空气出气口相连接。
氧化床2的氧化床第一出料器22和氧化床第二出料器23的出料口与还原床3的一级还原流化床本体30的进料口相连接，一级还原流化床本体30的底部进气口与一级还原床气体加热器31的出气口相连接，一级还原流化床本体30的顶部出气口与一级还原床旋风分离器34的入口相连接，一级还原流化床本体30的出料口与一级还原床第一出料器32的进料口相连接。一级还原床旋风分离器34的底部出料口与一级还原床第二出料器33的进料口相连接。一级还原床气体加热器31的进气口与还原床4的二级还原床旋风分离器44的出气口相连接。
还原床3的一级还原床第一出料器32和一级还原床第二出料器33的出料口与还原床4的二级还原流化床本体40的进料口相连接，二级还原流化床本体40的底部进气口与二级还原床气体加热器41的出气口相连接，二级还原流化床本体40的顶部出气口与级二级还原床旋风分离器44的入口相连接，二级还原流化床本体40的出料口与二级还原床第一出料器42的进料口相连接。二级还原床旋风分离器44的底部出料口与二级还原床第二出料器43的进料口相连接。二级还原床气体加热器41的进气口与二氧化碳脱除器9的出气口和外接还原气加压器16的出气口相连接。
还原床4的二级还原床第一出料器42和二级还原床第二出料器43的出料口与产品料仓5的进料口相连接。热交换器6的空气进气口与外接空气供气装置相连接，热交换器6的还原尾气出气口与洗涤器7的进气口相连接。洗涤器7的出气口与加压器8的进气口和外接尾气处理设施相连接。加压器8的出气口与二氧化碳脱除器9的进气口相连接。
氧化床第一进料器14和氧化床第二进料器15的底部进气由外接氧化床气体加热器21的燃烧尾气提供，氧化床第一出料器22、氧化床第二出料器23和二级终还原床第一出料器42、二级终还原床第二出料器43的底部进气由外接氮气提供，一级还原床第一出料器32、一级还原床第二出料器3233的底部进气由外接还原气提供，氧化床气体加热器21、一级还原床气体加热器31和二级还原床气体加热器41的热源由外接燃烧气提供，的供气管道上均设置了调节阀门。
本实施例中氧化床2，第一还原床3和第二还原床4，均为沸腾流化床，流化床本体下部为进气气速流化段，即0.2-0.8m/s，上部为降气速扩大流化段(因内径扩大而气速自然降低)，上部内径为下部内径的1.3-2倍。
在该实施例中，还原床的个数以及旋风分离器的个数可以根据需要而进行变更，此处的列出的结构仅为本发明的一个较好的实现。
实施例2
采用上述钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原系统进行钒钛磁铁矿流态化氧化还原的方法包括以下步骤：钒钛磁铁矿粉矿由粉矿料仓和进料器0的出料口进入第一级旋风分离器11出气口并与来自氧化床旋风分离器24出气口的氧化尾气换热，随后进入第二级旋风分离器12入口，经由第二级旋风分离器12分离，由其底部出料口排出的粗颗粒粉矿进入第一级旋风分离器11入口再次与来自氧化床旋风分离器24出气口的氧化尾气换热后进入氧化床进料器14的进料口。由第二级旋风分离器12出气口夹带出的细颗粒粉矿经第二级旋风分离器13分离后直接进入氧化床进料器15的进料口。经粉矿预热器1预热后的钒钛磁铁矿粉矿由氧化床第一进料器14和氧化床第二进料器15出料口进入氧化流化床本体20进行氧化。氧化气体由经过热交换器7与还原尾气热交换后再经氧化床气体加热器21加热后的热空气供应。氧化后的粗颗粒粉矿经由氧化床出料器22进入一级还原流化床本体30进行第一次还原，氧化后的细颗粒粉矿经氧化床旋风分离器24分离后由氧化床第二出料器23进入一级还原流化床本体30进行第一次还原。一级还原流化床本体30所用还原气体来自二级还原床旋风分离器44出气口排出的经一级还原床气体加热器31加热的还原气。钒钛磁铁矿粉矿经第一次还原后，粗颗粒粉矿经由一级还原床第一出料器32进入二级还原流化床本体40进行第二次还原，细颗粒粉矿经一级还原床旋风分离器34分离后由一级还原床第二出料器33进入二级还原流化床本体40进行第二次还原。二级还原流化床本体40所用还原气体来自经洗涤器7洗涤、加压器8加压和二氧化碳脱除器9脱除二氧化碳后的还原尾气，及经还原气加压器16加压的外接补充新还原气，两部分还原气混合后再经二级还原床气体加热器41加热作为二级还原流化床本体40的热还原气。第二次还原结束后，钒钛磁铁矿粗还原粉矿产品经二级还原床第一出料器42排出至产品料仓5，细还原粉矿产品经二级还原床旋风分离器44分离后由二级还原床第二出料器43排出至产品料仓5，还原粉矿冷却储存或热态供其后续生产使用。一级还原床旋风分离器34出气口排出的还原尾气，首先经热交换器6与氧化原料气空气进行热交换，随后再进入洗涤器7洗涤，其中部分通过还原尾气加压器8加压后循环利用，部分进入外接尾气处理装置供各加热器21、31、41加热燃烧使用。
实施例3
采用本发明处理原矿化学成分wt.％为55.86％TFe、15.00％FeO、63.19％Fe2O3、13.71％TiO2、2.21％SiO2、1.16％MgO、3.18％Al2O3、1.57％V2O5、0.22％CaO的钒钛磁铁矿粉矿，粉矿粒度为0.01-0.3mm。根据本发明粉矿预热烘干后首先在氧化流化床进行氧化处理，825℃氧化15分钟，氧化气速为0.22m/s，操作压力3.1atm，氧化气为空气，钒钛磁铁矿的二价铁氧化度达到43.17％。随后，经过氧化处理的钒钛磁铁矿粉矿进入还原流化床进行还原，还原温度860℃，还原时间总计90分钟。两台还原床的气速均为0.76m/s，操作压力6.8atm，还原气为煤制气，最终金属化率可达92.7％，物料收得率>97％，产品金属化率偏差<2.2％。
实施例4
采用本发明处理原矿化学成分wt.％为54.54％TFe、32.16％FeO、42.18％Fe2O3、10.77％TiO2、3.81％SiO2、3.72％MgO、3.54％Al2O3、0.67％V2O5、0.39％CaO的钒钛磁铁矿粉矿，粉矿粒度为0.01-0.25mm。根据本发明粉矿预热烘干后首先在氧化流化床进行氧化处理，950℃氧化10分钟，氧化气速为0.37m/s，操作压力4atm，氧化气为空气，钒钛磁铁矿的二价铁氧化度达到85.94％。随后，经过氧化处理的钒钛磁铁矿粉矿进入还原流化床进行还原，还原温度880℃，还原时间总计85分钟。三台还原床的气速均为0.72m/s，操作压力7.9atm，还原气为天然气重整气，最终金属化率可达93.1％，物料收得率>96％，产品金属化率偏差<2.1％。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统，包括粉矿料仓和进料器、粉矿预热器(1)、一台氧化床(2)、若干级还原床和产品料仓(5)，其特征在于：
所述粉矿预热器(1)包括若干级旋风分离器和多个氧化床进料器，粉矿矿料仓内的粉矿经进料器进入旋风分离器循环预热并分离后通过氧化床进料器进入氧化床；
所述氧化床(2)包括氧化流化床本体(20)、氧化床气体加热器(21)、氧化床第一出料器(22)、氧化床第二出料器(23)和氧化床旋风分离器(24)，所述氧化床旋风分离器(24)的下部出料口和所述氧化床第二出料器(23)连接；所述氧化床第一出料器(22)和氧化床第二出料器(23)与第一级还原床的进料口连接；氧化床尾气出口与粉矿预热器(1) 连接；
所述还原床包括还原床本体、还原床气体加热器、还原床第一出料器、还原床第二出料器和还原床旋风分离器；还原床第一出料器的出口和下一级还原床的进料口连接，最后一级还原床出料器的出口和粉矿料仓连接；还原床气体加热器的入口和下一级还原床旋风分离器的气体出口连接，第一级还原床旋风分离器的气体出口与尾气处理单元连接，还原床旋风分离器的下部出料口与还原床第二出料器连接。
2.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统，其特征在于，所述粉 矿预热器(1)包括第一级旋风分离器(11)、第二级旋风分离器(12)、第三级旋风分离器(13)、第一氧化床进料器(14)和第二氧化床进料器(15)；
所述粉矿料仓和进料器的出料口与所述粉矿预热器(1)的第一级旋风分离器(11)的出气口相连接，所述第一级旋风分离器(11)的底部出料口与第一氧化床进料器(14)的进料口相连接，所述第一级旋风分离器(11)的出气口与第二级旋风分离器(12)的入口相连接；
所述第二级旋风分离器(12)的底部出料口与第一级旋风分离器(11)的入口相连接，所述第二级旋风分离器(12)的出气口与第三级旋风分离器(13)的入口相连接；
所述第三级旋风分离器(13)的底部出料口与第二氧化床进料器(15)的进料口相连接，所述第三级旋风分离器(13)的出气口与外接尾气处理设施相连接。
3.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统，其特征在于，所述粉矿预热器的氧化床进料器的出料口与所述氧化床(2)的氧化流化床本体(20)的进料口相连接；
所述氧化流化床本体(20)的底部进气口与所述氧化床气体加热器(21)的出气口相连接，所述氧化流化床本体(20)的顶部出气口与所述氧化床旋风分离器(24)的入口相连接，所述氧化流化床本体(20)的出料口与所述氧化床第一出料器(22)的进料口相连接；所述氧化床旋风分离器(24)的出气口与第一级旋风分离器的气体入口相连接，所述氧化床旋风分离器(24)的底部出料口与所述氧化床第二出料器(23)的进料口相连接。
4.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统，其特征在于，所述钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统包括第一还原床单元(3)和第二还原床单元(4)，所述第一还原床单元(3)包括一级还原流化床本体(30)、一级还原床气体加热器(31)、一级还原床第一出料器(32)和一级还原床第二出料器(33)、一级还原床旋风分离器(34)；所述第二还原床单元(4)包括二级还原流化床本体(40)、二级还原床气体加热器(41)、二级还原床第一出料器(42)和二级还原床第二出料器(43)、二级还原床旋风分离器(44)；
所述氧化床(2)的氧化床第一出料器(22)和氧化床第二出料器(23)的出料口与所述第一还原床单元(3)的一级还原流化床本体(30)的进料口相连接，所述一级还原流化床本体(30)的底部进气口与所述一级还原床气体加热器(31)的出气口相连接，所述一级还原流化床本体(30)的顶部出气口与所述一级还原床旋风分离器(34)的入口相连接，所述一级还原流化床本体(30)的出料口与所述一级还原床第一出料器(32)的进料口相连接；所述一级还原床旋风分离器(34)的底部出料口与所述一级还原床第二出料器(33)的进料口相连接；所述一级还原床气体加热器(31)的进气口与所述还原床(4)的二级还原床旋风分离器(44)的出气口相连接；
所述第一还原床单元(3)的一级还原床第一出料器(32)和一级还原床第二出料器(33)的出料口与所述第二还原床单元(4)的二级还原流化床本体(40)的进料口相连接，所述二级还原流化床本体(40)的底部进气口与所述二级还原床气体加热器(41)的出气口相连接，所述二级还原流化床本体(40)的顶部出气口与所述二级还原床旋风分离器(44)的入口相连接，所述二级还原流化床本体(40)的出料口与所述二级还原床第一出料器(42)的进料口相连接；所述二级还原床旋风分离器(44)的底部出料口与所述二级还原床第二出料器(43)的进料口相连接；
所述第二还原床单元(4)的二级还原床第一出料器(42)和二级还原床第二出料器(43)的出料口与产品料仓(5)的进料口相连接。
5.根据权利要求1所述的一种钒钛磁铁矿流态化高温快速氧化还原的系统，其特征在于，所述氧化床(2)和还原床均为沸腾流化床，流化床本体下部为进气气速流化段，上部为降气速扩大流化段，上部内径为下部内径的1.3-2倍。
6.一种利用权利要求1-5任一所述的系统进行钒钛磁铁矿流态化氧化还原的方法，包括：
钒钛磁铁矿粉矿经旋风分离器和来自氧化床旋风分离器出气口的氧化尾气预热后得到的粒径粗细不同的矿粉分别收集进入氧化床本体，经流态化高温氧化后的粗颗粒粉矿直接进入一级还原流化床本体，氧化后的细颗粒粉矿经氧化床旋风分离器分离后进入第一级还原流化床本体；粉矿经在还原床中经高温还原后，粗颗粒直接由还原床本体排出至下一级还原流化床本体，细颗粒经旋风分离器分离后排出进入下一级还原流化床本体；最后一级的还原床的还原粉矿排出后进入料仓，还原床旋风分离器排出的气体作为上一级还原床单元的还原性原料气体，第一级还原床旋风分离器排出的气体进入尾气处理单元；
所述氧化床和还原床均采用低气速操作，所述的低气速为0.2-0.8m/s，操作压力4-9atm；
所述粉矿预热器的第一级旋风分离器的入口氧化尾气温度为750-850℃，所述氧化床的高温氧化温度为800-950℃，所述还原床的高温还原温度为850-950℃。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述钒钛磁铁矿粉矿为天然矿物采选或加工获得，全铁含量为45-65wt％、TiO2含量为8-15wt％的铁矿石粉矿，所述粉矿的粒径为0.005-0.5mm。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的氧化气体为空气或以氧气为主要成分的气体，所述的还原气体为煤气或重整气，以H2和CO为有效成分。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，原料矿粉在预热、氧化和还原过程中其粗颗粒和细颗粒实现分别进出料控制。
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