CN107523661A - 利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统和方法，该系统包括：磨矿装置，具有硫铁矿烧渣入口和硫铁矿烧渣颗粒出口；磁化焙烧装置，具有硫铁矿烧渣颗粒入口、还原剂入口和焙烧产物出口；磁选装置，具有焙烧产物入口、铁精粉出口和非磁性物出口；造球装置，具有铁精粉入口、粘结剂入口、淀粉入口和球团出口；焙烧装置，具有球团入口和焙烧球团出口；竖炉，具有焙烧球团入口、还原气入口和金属化球团出口；磨选装置，具有金属化球团入口、海绵铁出口和尾矿出口。采用该系统可以获得TFe含量不小于92wt％的高品质海绵铁，从而不仅实现了硫铁矿烧渣的资源化利用，而且解决了硫铁矿烧渣长期堆存而对土壤、水体和大气造成污染和破坏的问题。

Description

利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统和方法
技术领域
本发明属于资源再利用领域，具体而言，本发明涉及利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统和方法。
背景技术
硫铁矿是生产硫酸的重要原料。目前，主要采用硫铁矿氧化焙烧-烟气制酸工艺来生产硫酸。每生产1t硫酸就会产生0.8～0.9t硫铁矿烧渣。目前，国内大部分硫铁矿烧渣的铁含量在56wt％以下，其中的绝大部分铁以磁铁矿和赤铁矿的形态存在，而SiO2的含量随产地不同波动较大，且以游离的SiO2为主，大部分硫铁矿烧渣的总脉石(SiO2+CaO+MgO+Al2O3)含量在40wt％以上。综上，硫铁矿烧渣远不能满足铁矿石的品质要求，很难直接作为炼铁原料，只能以5～10％的比例与铁矿石搭配炼铁。
目前，我国每年产生的近1000万吨硫铁矿焙烧渣中，只有100万吨左右得到回收利用，余下的主要采取堆存处理，不仅造成了巨大的资源浪费，还对土壤，水体及大气造成不同程度的污染和破坏。
因此，现有处理硫铁矿烧渣的技术有待进一步改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统和方法。采用该系统可以获得TFe含量不小于92wt％的高品质海绵铁，从而不仅实现了硫铁矿烧渣的资源化利用，而且解决了硫铁矿烧渣长期堆存而对土壤、水体和大气造成污染和破坏的问题。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统。根据本发明的实施例，该系统包括：
磨矿装置，所述磨矿装置具有硫铁矿烧渣入口和硫铁矿烧渣颗粒出口；
磁化焙烧装置，所述磁化焙烧装置具有硫铁矿烧渣颗粒入口、还原剂入口和焙烧产物出口，所述硫铁矿烧渣颗粒入口与所述硫铁矿烧渣颗粒出口相连；
磁选装置，所述磁选装置具有焙烧产物入口、铁精粉出口和非磁性物出口，所述焙烧产物入口与所述焙烧产物出口相连；
造球装置，所述造球装置具有铁精粉入口、粘结剂入口、淀粉入口和球团出口，所述铁精粉入口与所述铁精粉出口相连；
焙烧装置，所述焙烧装置具有球团入口和焙烧球团出口，所述球团入口和所述球团出口相连；
竖炉，所述竖炉具有焙烧球团入口、还原气入口和金属化球团出口，所述焙烧球团入口与所述焙烧球团出口相连；
磨选装置，所述磨选装置具有金属化球团入口、海绵铁出口和尾矿出口，所述金属化球团入口与所述金属化球团出口相连。
根据本发明实施例的利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统，通过对经细磨后的硫铁矿烧渣颗粒进行磁化焙烧，使得硫铁矿烧渣颗粒中非磁性的三氧化二铁在还原剂的作用下被还原成磁性较强的四氧化三铁，从而经磁选分离即可分离得到非磁性物和高品位的铁精粉(铁精粉中TFe含量不小于65wt％，硫含量不大于0.15wt％)，然后将所得铁精粉与粘结剂和淀粉进行造球和焙烧处理，使得所得焙烧球团具有较高的强度，从而满足竖炉还原的要求，接着将所得焙烧球团供给竖炉进行还原处理，可以显著提高金属化球团的金属化率(金属化率大于92％)，且相比于铁精粉煤基直接还原，采用竖炉气基还原不会引入外来杂质，最后将金属化球团经磨选后可将磁性海绵铁与尾矿进行分离，得到高品质的海绵铁(TFe含量不小于92wt％，硫含量不大于0.15wt％)，满足炼钢用海绵铁的要求，从而不仅实现了硫铁矿烧渣的资源化利用，而且解决了硫铁矿烧渣长期堆存而对土壤、水体和大气造成污染和破坏的问题。
另外，根据本发明上述实施例的利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述磁化焙烧装置内布置微波发生器，并且所述磁化焙烧装置内的炉衬和坩埚材质均为莫来石。由此，可提高硫铁矿烧渣颗粒的磁化焙烧效率同时降低能耗。
在本发明的再一个方面，本发明提出一种采用上述利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统实施利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)将硫铁矿烧渣供给至所述磨矿装置中进行细磨，以便得到硫铁矿烧渣颗粒；
(2)将所述硫铁矿烧渣颗粒和还原剂供给至所述磁化焙烧装置中进行磁化焙烧处理，以便得到焙烧产物；
(3)将所述焙烧产物供给至所述磁选装置中进行磁选处理，以便得到铁精粉和非磁性物；
(4)将所述铁精粉供给至所述造球装置中与粘结剂和淀粉进行造球处理，以便得到球团；
(5)将所述球团供给至所述焙烧装置中进行焙烧处理，以便得到焙烧球团；
(6)将所述焙烧球团供给至所述竖炉中，在还原气的作用下进行还原处理，以便得到金属化球团；
(7)将所述金属化球团供给至所述磨选装置中进行磨选处理，以便得到海绵铁和尾矿。
根据本发明实施例的利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的方法通过对经细磨后的硫铁矿烧渣颗粒进行磁化焙烧，使得硫铁矿烧渣颗粒中非磁性的三氧化二铁在还原剂的作用下被还原成磁性较强的四氧化三铁，从而经磁选分离即可分离得到非磁性物和高品位的铁精粉(铁精粉中TFe含量不小于65wt％，硫含量不大于0.15wt％)，然后将所得铁精粉与粘结剂和淀粉进行造球和焙烧处理，使得所得焙烧球团具有较高的强度，从而满足竖炉还原的要求，接着将所得焙烧球团供给竖炉进行还原处理，可以显著提高金属化球团的金属化率(金属化率大于92％)，且相比于铁精粉煤基直接还原，采用竖炉气基还原不会引入外来杂质，最后将金属化球团经磨选后可将磁性海绵铁与尾矿进行分离，得到高品质的海绵铁(TFe含量不小于92wt％，硫含量不大于0.15wt％)，满足炼钢用海绵铁的要求，从而不仅实现了硫铁矿烧渣的资源化利用，而且解决了硫铁矿烧渣长期堆存而对土壤、水体和大气造成污染和破坏的问题。
另外，根据本发明上述实施例的利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述硫铁矿烧渣颗粒与所述还原剂按照质量比为100：(5～15)进行混合。由此，有利于提高硫铁矿烧渣颗粒的磁化焙烧效率。
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述磁化焙烧处理过程采用微波发生器进行，所述微波发生器的微波频率为300MHz～300kMHz，微波管功率为15～30kW。由此，可进一步提高硫铁矿烧渣颗粒的磁化焙烧效率。
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述磁化焙烧处理的温度为600～800摄氏度，N2流量为3～6L/min。由此，可进一步提高硫铁矿烧渣颗粒的磁化焙烧效率。
在本发明的一些实施例中，在步骤(4)中，所述铁精粉和所述粘结剂、所述淀粉按照质量比为100：(0.5～1.5)：(0.5～1)进行混合。由此，可以显著提高所得焙烧球团的强度，使其满足竖炉生产要求。
在本发明的一些实施例中，在步骤(5)中，所述焙烧处理的温度为1100～1300摄氏度。由此，可以进一步提高焙烧球团的强度。
在本发明的一些实施例中，在步骤(7)中，所述磨选处理过程中，将所述金属化球团破碎至粒径低于74微米占比不低于80％。由此，可以分离得到高品质的海绵铁。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统结构示意图；
图2是根据本发明再一个实施例的利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的磁化焙烧装置示意图；
图3是根据本发明一个实施例的利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的方法流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统。根据本发明的实施例，参考图1，该系统包括：磨矿装置100、磁化焙烧装置200、磁选装置300、造球焙烧装置400、竖炉500和磨选装置600。
根据本发明的实施例，磨矿装置100具有硫铁矿烧渣入口101和硫铁矿烧渣颗粒出口102，且适于将硫铁矿烧渣进行细磨，以便得到硫铁矿烧渣颗粒。具体的，硫铁矿烧渣疏松多孔，非常容易磨细，磨矿简单易行。
根据本发明的一个实施例，硫铁矿烧渣颗粒的粒径并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，硫铁矿烧渣颗粒的粒径可以为低于45微米的占比80％以上。发明人发现，若硫铁矿烧渣颗粒的粒径过大，则后续硫铁矿烧渣颗粒的磁化焙烧处理效率降低，甚至出现与还原剂反应不充分的现象，进而降低焙烧产物的品质。
根据本发明的实施例，磁化焙烧装置200具有硫铁矿烧渣颗粒入口201、还原剂入口202和焙烧产物出口203，硫铁矿烧渣颗粒入口201与硫铁矿烧渣颗粒出口102相连，且适于将硫铁矿烧渣颗粒和还原剂进行磁化焙烧处理，以便得到焙烧产物。具体的，经过磁化焙烧处理，硫铁矿烧渣颗粒中非磁性的三氧化二铁可在还原剂的作用下被还原成磁性较强的四氧化三铁，并且所得焙烧产物的磁化率达92-95％，从而经磁选分离即可分离得到非磁性物和高品位的铁精粉(铁精粉中TFe含量不小于65wt％，硫含量不大于0.15wt％)。
根据本发明的一个实施例，参考图2，磁化焙烧装置200内布置微波发生器21，并且磁化焙烧装置200内的炉衬和坩埚材质均为莫来石。发明人发现，采用微波加热进行磁化焙烧具有升温迅速快、能量效率高的优点，且微波还对硫铁矿烧渣颗粒与还原剂的化学反应具有催化作用，可大大缩短磁化焙烧的时间，降低能耗，同时炉衬和坩埚均采用吸波效应不明显的莫来石，可进一步降低能耗。
根据本发明的再一个实施例，微波发生器的微波频率和微波管的功率并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，微波发生器的微波频率可以为300MHz～300kMHz，微波管功率可以为15～30kW。发明人发现，若微波管功率过高，制造成本和操控难度会大幅提高，会影响本发明的实用性；若微波管的功率过低则会显著降低对物料的加热效果，难以满足磁化焙烧的温度要求。
根据本发明的又一个实施例，磁化焙烧处理的条件并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，磁化焙烧处理的温度可以为600～800摄氏度，时间可以为10～30min，N2流量可以为3～6L/min。发明人发现，若磁化焙烧温度过低或时间过短，物料中非磁性三氧化二铁转化为磁性四氧化三铁的比率会偏低，大幅降低后续磁选步骤的铁收率；而若磁化焙烧温度过高或时间过长，容易造成过还原，磁性四氧化三铁被进一步还原为非磁性氧化亚铁，同样降低磁选步骤的铁收率。若N2流量过低，高温下生成的磁性四氧化三铁容易被氧化为三氧化二铁，影响磁化焙烧的转化率；而若N2流量过高会影响炉内温度场的均匀性和稳定性，造成磁化焙烧产物不均匀。由此，采用本发明所述的磁化焙烧处理的温度和时间以及氮气的流量可以显著提高铁收率。
根据本发明的又一个实施例，硫铁矿烧渣颗粒与还原剂的质量比并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，硫铁矿烧渣颗粒与还原剂可以按照质量比为100：(5～15)进行混合。发明人发现，若硫铁矿烧渣颗粒与还原剂的质量比过高，即硫铁矿烧渣颗粒过多，则硫铁矿烧渣颗粒中的非磁性三氧化二铁还原不充分，所得焙烧产物的磁化率降低；而若硫铁矿烧渣颗粒与还原剂的质量比过低，即还原剂的含量过多，则磁化焙烧反应结束后所得的焙烧产物中含有未反应的还原剂，降低了焙烧产物的品质，同时增加了原材料成本。由此，采用本申请的上述硫铁矿烧渣颗粒与还原剂的质量比可以显著优于其他条件在提高焙烧产物的磁化率的同时降低能耗和成本。
根据本发明的又一个实施例，还原剂的具体类型并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，还原剂可以为选自无烟煤、木炭、焦炭和石油焦中的至少之一。发明人发现，采用该类还原剂可以显著优于其他类型提高硫铁矿烧渣颗粒中非磁性的三氧化二铁的还原效率，从而提高后续所得海绵铁的品位。
根据本发明的又一个实施例，还原剂的粒径并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，还原剂中粒径小于74μm的占比80％-100％。发明人发现，若还原剂的粒径过大，还原剂的比表面积减少，则不利于还原剂还原硫铁矿烧渣颗粒，进而降低焙烧产物的磁化率。
根据本发明的实施例，磁选装置300具有焙烧产物入口301、铁精粉出口302和非磁性物出口303，焙烧产物入口301与焙烧产物出口203相连，且适于将焙烧产物进行磁选处理，以便得到铁精粉和非磁性物。具体的，先将焙烧产物破碎至粒径小于45μm的占比不小于80％，然后经磁选处理可得到铁精粉和非磁性物。发明人发现，通过对硫铁矿烧渣颗粒预先进行磁化焙烧和磁选处理，可获得高品位的铁精粉(铁精粉中TFe含量不小于65wt％，硫含量不大于0.15wt％)，从而可以显著提高后续所得海绵铁的品位。
根据本发明的一个实施例，磁选处理时的磁场强度并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，磁选处理时的磁场强度可以为600-800Oe。发明人发现，若磁选处理的磁场强度过高，则磁选处理的能耗增加，且磁选出的铁精粉将携带部分非磁性物，所得的铁精粉的品质降低；而若磁选处理的磁场强度过低，则铁精粉磁选不完全，铁精粉的总量减少，且磁选效率降低，工艺的经济性降低。由此，采用本申请上述磁选处理的磁场强度可以显著优于其他在提高铁精粉品位的同时降低能耗。
根据本发明的实施例，造球装置400具有铁精粉入口401、粘结剂入口402、淀粉入口403和球团出口404，铁精粉入口401与铁精粉出口302相连，且适于将铁精粉与粘结剂和淀粉进行造球处理，以便得到球团。具体的，先将铁精粉和粘结剂、淀粉混合均匀，然后送至圆盘造球机中造球，得到粒径为8-12mm的球团。具体的，将铁精粉与粘结剂和淀粉混合可以显著提高所得球团的强度，从而可使所得的球团满足后续竖炉还原的要求。其中，粘结剂可以为膨润土或羟甲基纤维素钠。
根据本发明的一个实施例，铁精粉和粘结剂、淀粉的质量比并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，铁精粉和粘结剂、淀粉可以按照质量比100：(0.5～1.5)：(0.5～1)进行混合。发明人发现，若粘结剂比例过高，会降低球团的铁品位，影响气基竖炉还原的顺行和经济性；而若粘结剂比例过低，球团强度难以满足气基竖炉的要求。淀粉的作用是提高球团的孔隙率以满足气基竖炉还原的要求。淀粉含量过高会降低球团的强度，过低则不能保证球团孔隙率满足要求。
根据本发明的实施例，焙烧装置500具有球团入口501和焙烧球团出口502，球团入口501和球团出口404相连，且适于将球团进行焙烧处理，以便得到焙烧球团。发明人发现，球团焙烧过程中主要发生四氧化三铁氧化为三氧化二铁的反应，反应式为：Fe3O4+O2＝Fe2O3。且高温下的膨润土会发生部分熔化成为液相，对球团产生固结作用，显著提高氧化球团的强度。同时球团中的绝大部分硫会被氧化为SO2气体，通过球团内部的孔隙逸出，从而起到脱硫作用。
根据本发明的一个实施例，焙烧处理的条件并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，焙烧处理的温度可以为1100～1300摄氏度，时间可以为40-90min。并且焙烧气氛要求氧含量不低于8％，例如可以选择空气气氛，而氧含量过低会影响球团焙烧和脱硫的效果。发明人发现，若焙烧温度过低，不能对球团产生足够的固结作用，产出球团的强度不能满足气基竖炉的要求；而若焙烧温度过高会产生过多液相，虽然能够显著提高球团的强度，但是会显著降低球团的气孔率，不能满足气基竖炉对球团的气孔率要求，而且焙烧的能耗也会提高。由此，采用本发明所述的焙烧处理的温度和时间可以显著提高焙烧球团的品质同时节约能耗。
根据本发明的实施例，竖炉600具有焙烧球团入口601、还原气入口602和金属化球团出口603，焙烧球团入口601与焙烧球团出口502相连，且适于将焙烧球团在还原气的作用下进行还原处理，以便得到金属化球团。发明人发现，焙烧球团在还原气气氛下于竖炉中被还原，可获得金属化率大于92％的金属化球团，且相比于铁精粉煤基直接还原，采用竖炉气基还原不会引入外来杂质，从而保证后续所得海绵铁具有较高的品位。焙烧球团与还原气的相关反应式有：
Fe2O3+3CO＝2Fe+3CO2
Fe2O3+3H2＝2Fe+3H2O
Fe3O4+4CO＝3Fe+4CO2
Fe3O4+4H2＝3Fe+4H2O
根据本发明的一个实施例，还原气为一氧化碳和氢气的混合气体，且氢气与一氧化碳的体积比为1.3-3.0，还原气中甲烷含量不大于3vt％，一氧化碳和氢气的总含量不小于90vt％，还原气的氧化度(即二氧化碳和水蒸气的总体积与一氧化碳和氢气、二氧化碳、水蒸气的总体积之比)不大于5％。发明人发现，CO还原铁氧化物是放热反应，而H2还原铁氧化物是强吸热反应。还原气中H2/CO过低会降低球团的还原效率和还原金属化率；H2/CO过高，H2还原氧化球团会大量吸热，降低炉内还原段的温度，也同样会降低球团的还原效率和还原金属化率。如果还原气中CH4含量偏高，甲烷在竖炉还原段内热解为C和H2，大量吸热而降低还原段的温度，与H2/CO过高的不利影响类似。CO+H2总含量过低很明显不利于球团还原效率和还原金属化率的提高。还原气中氧化度过高容易造成球团的二次氧化，也不利于球团还原效率和还原金属化率的提高。
根据本发明的再一个实施例，还原处理的条件并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，还原处理的温度可以为800-950摄氏度，时间可以为6-12h。发明人发现，还原处理温度过高，能耗也会大幅提高，就失去了气基竖炉还原炼铁本身的低能耗和低排放优势；而还原温度过低则不利于获得理想的还原金属化率。还原时间过长会严重降低气基竖炉的生产效率，过短则不利于球团的充分还原，不能获得理想的还原金属化率。
根据本发明的实施例，磨选装置700具有金属化球团入口701、海绵铁出口702和尾矿出口703，金属化球团入口701与金属化球团出口603相连，且适于将金属化球团进行磨选处理，以便得到海绵铁和尾矿。发明人发现，金属化球团经磨选后可将磁性海绵铁与尾矿进行分离，得到高品质的海绵铁(TFe含量不小于92wt％，硫含量不大于0.15wt％)，满足炼钢用海绵铁的要求。
根据本发明的一个实施例，磨选处理过程中，金属化球团的粒径并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，金属化球团可破碎至粒径小于74μm占比不低于80％。发明人发现，该粒径下可以显著提高海绵铁与尾矿的分离效率，从而得到高品位的海绵铁。
根据本发明的再一个实施例，磨选处理过程中磁场的强度并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，磨选处理过程中磁场的强度可以为600-800Oe。发明人发现，若磨选处理的磁场强度过高，则磨选处理的能耗增加，且磨选出的海绵铁将携带部分尾矿，所得的海绵铁的品质降低；而若磨选处理的磁场强度过低，则海绵铁磨选不完全，海绵铁的总量减少，且磨选效率降低，工艺的经济性降低。由此，采用本申请上述磨选处理的磁场强度可以显著优于其他提高海绵铁的产率和品质同时节约能耗。
根据本发明实施例的利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统通过对经细磨后的硫铁矿烧渣颗粒进行磁化焙烧，使得硫铁矿烧渣颗粒中非磁性的三氧化二铁在还原剂的作用下被还原成磁性较强的四氧化三铁，从而经磁选分离即可分离得到非磁性物和高品位的铁精粉(TFe含量不小于65wt％，硫含量不大于0.15wt％)，然后将所得铁精粉与粘结剂和淀粉进行造球和焙烧处理，使得所得焙烧球团具有较高的强度，从而满足竖炉还原的要求，接着将所得焙烧球团供给竖炉进行还原处理，可以显著提高金属化球团的金属化率(金属化率大于92％)，且相比于铁精粉煤基直接还原，采用竖炉气基还原不会引入外来杂质，最后将金属化球团经磨选后可将磁性海绵铁与尾矿进行分离，得到高品质的海绵铁(TFe含量不小于92wt％，硫含量不大于0.15wt％)，满足炼钢用海绵铁的要求，从而不仅实现了硫铁矿烧渣的资源化利用，而且解决了硫铁矿烧渣长期堆存而对土壤、水体和大气造成污染和破坏的问题。
在本发明的再一个方面，本发明提出一种采用上述利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统实施利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的方法。根据本发明的实施例，参考图3，该方法包括：
S100：将硫铁矿烧渣供给至磨矿装置中进行细磨
该步骤中，将硫铁矿烧渣供给至磨矿装置中进行细磨，以便得到硫铁矿烧渣颗粒。具体的，硫铁矿烧渣疏松多孔，非常容易磨细，磨矿简单易行。
根据本发明的一个实施例，硫铁矿烧渣颗粒的粒径并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，硫铁矿烧渣颗粒的粒径可以为低于325目的占比80％以上。发明人发现，若硫铁矿烧渣颗粒的粒径过大，则后续硫铁矿烧渣颗粒的磁化焙烧处理效率降低，甚至出现与还原剂反应不充分的现象，进而降低焙烧产物的品质。
S200：将硫铁矿烧渣颗粒和还原剂供给至磁化焙烧装置中进行磁化焙烧处理
该步骤中，将硫铁矿烧渣颗粒和还原剂供给至磁化焙烧装置中进行磁化焙烧处理，以便得到焙烧产物。具体的，经过磁化焙烧处理，硫铁矿烧渣颗粒中非磁性的三氧化二铁可在还原剂的作用下被还原成磁性较强的四氧化三铁，并且所得焙烧产物的磁化率达92-95％，从而经磁选分离即可分离得到非磁性物和高品位的铁精粉(铁精粉中TFe含量不小于65wt％，硫含量不大于0.15wt％)。
根据本发明的一个实施例，磁化焙烧处理是采用微波发生器进行的，并且磁化焙烧装置内的炉衬和坩埚材质均为莫来石。发明人发现，采用微波加热进行磁化焙烧具有升温迅速快、能量效率高的优点，且微波还对硫铁矿烧渣颗粒与还原剂的化学反应具有催化作用，可大大缩短磁化焙烧的时间，降低能耗，同时炉衬和坩埚均采用吸波效应不明显的莫来石，可进一步降低能耗。
根据本发明的再一个实施例，微波发生器的微波频率和微波管的功率并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，微波发生器的微波频率可以为300MHz～300kMHz，微波管功率可以为15～30kW。
根据本发明的又一个实施例，磁化焙烧处理的条件并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，磁化焙烧处理的温度可以为600～800摄氏度，时间可以为10～30min，N2流量可以为3～6L/min。发明人发现，若磁化焙烧温度过低或时间过短，物料中非磁性三氧化二铁转化为磁性四氧化三铁的比率会偏低，大幅降低后续磁选步骤的铁收率；而若磁化焙烧温度过高或时间过长，容易造成过还原，磁性四氧化三铁被进一步还原为非磁性氧化亚铁，同样降低磁选步骤的铁收率。若N2流量过低，高温下生成的磁性四氧化三铁容易被氧化为三氧化二铁，影响磁化焙烧的转化率；而若N2流量过高会影响炉内温度场的均匀性和稳定性，造成磁化焙烧产物不均匀。由此，采用本发明所述的磁化焙烧处理的温度和时间以及氮气的流量可以显著提高铁收率。
根据本发明的又一个实施例，硫铁矿烧渣颗粒与还原剂的质量比并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，硫铁矿烧渣颗粒与还原剂可以按照质量比为100：(5～15)进行混合。发明人发现，若硫铁矿烧渣颗粒与还原剂的质量比过高，即硫铁矿烧渣颗粒过多，则硫铁矿烧渣颗粒中的非磁性三氧化二铁还原不充分，所得焙烧产物的磁化率降低；而若硫铁矿烧渣颗粒与还原剂的质量比过低，即还原剂的含量过多，则磁化焙烧反应结束后所得的焙烧产物中含有未反应的还原剂，降低了焙烧产物的品质，同时增加了原材料成本。由此，采用本申请的上述硫铁矿烧渣颗粒与还原剂的质量比可以显著优于其他条件在提高焙烧产物的磁化率的同时降低能耗和成本。
根据本发明的又一个实施例，还原剂的具体类型并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，还原剂可以为选自无烟煤、木炭、焦炭和石油焦中的至少之一。发明人发现，采用该类还原剂可以显著优于其他类型提高硫铁矿烧渣颗粒中非磁性的三氧化二铁的还原效率，从而提高后续所得海绵铁的品位。
根据本发明的又一个实施例，还原剂的粒径并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，还原剂的粒径可以为小于74μm的占比80％-100％。发明人发现，若还原剂的粒径过大，还原剂的比表面积减少，则不利于还原剂还原硫铁矿烧渣颗粒，进而降低焙烧产物的磁化率。
S300：将焙烧产物供给至磁选装置中进行磁选处理
该步骤中，将焙烧产物供给至磁选装置中进行磁选处理，以便得到铁精粉和非磁性物。具体的，先将焙烧产物破碎至粒径小于45μm的占比不小于80％，然后经磁选处理可得到铁精粉和非磁性物。发明人发现，通过对硫铁矿烧渣颗粒预先进行磁化焙烧和磁选处理，可获得高品位的铁精粉(铁精粉中TFe含量不小于65wt％，硫含量不大于0.15wt％)，从而可以显著提高后续所得海绵铁的品位。
根据本发明的一个实施例，磁选处理时的磁场强度并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，磁选处理时的磁场强度可以为600-800Oe。发明人发现，若磁选处理的磁场强度过高，则磁选处理的能耗增加，且磁选出的铁精粉将携带部分非磁性物，所得的铁精粉的品质降低；而若磁选处理的磁场强度过低，则铁精粉磁选不完全，铁精粉的总量减少，且磁选效率降低，工艺的经济性降低。由此，采用本申请上述磁选处理的磁场强度可以显著优于其他在提高铁精粉的品位的同时降低能耗。
S400：将铁精粉供给至造球装置中与粘结剂和淀粉进行造球处理
该步骤中，将铁精粉供给至造球装置中与粘结剂和淀粉进行造球处理，以便得到球团。具体的，先将铁精粉和粘结剂、淀粉混合均匀，然后送至圆盘造球机中造球，得到粒径为8-12mm的球团。具体的，将铁精粉与粘结剂和淀粉混合可以显著提高所得球团的强度，从而可使所得的球团满足后续竖炉还原的要求。其中，粘结剂可以为膨润土或羟甲基纤维素钠。
根据本发明的一个实施例，铁精粉和粘结剂、淀粉的质量比并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，铁精粉和粘结剂、淀粉可以按照质量比100：(0.5～1.5)：(0.5～1)进行混合。发明人发现，若粘结剂比例过高，会降低球团的铁品位，影响气基竖炉还原的顺行和经济性；而若粘结剂比例过低，球团强度难以满足气基竖炉的要求。淀粉的作用是提高球团的孔隙率以满足气基竖炉还原的要求。淀粉含量过高会降低球团的强度，过低则不能保证球团孔隙率满足要求。
S500：将球团供给至焙烧装置中进行焙烧处理
该步骤中，将球团供给至焙烧装置中进行焙烧处理，以便得到焙烧球团。发明人发现，球团焙烧过程中主要发生四氧化三铁氧化为三氧化二铁的反应，反应式为：Fe3O4+O2＝Fe2O3。且高温下的膨润土会发生部分熔化成为液相，对球团产生固结作用，显著提高氧化球团的强度。同时球团中的绝大部分硫会被氧化为SO2气体，通过球团内部的孔隙逸出，从而起到脱硫作用。
根据本发明的一个实施例，焙烧处理的条件并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，焙烧处理的温度可以为1100～1300摄氏度，时间可以为40-90min。并且焙烧气氛要求氧含量不低于8％，例如可以选择空气气氛，而氧含量过低会影响球团焙烧和脱硫的效果。发明人发现，若焙烧温度过低，不能对球团产生足够的固结作用，产出球团的强度不能满足气基竖炉的要求；而若焙烧温度过高会产生过多液相，虽然能够显著提高球团的强度，但是会显著降低球团的气孔率，不能满足气基竖炉对球团的气孔率要求，而且焙烧的能耗也会提高。由此，采用本发明所述的焙烧处理的温度和时间可以显著提高焙烧球团的品质同时节约能耗。
S600：将焙烧球团供给至竖炉中，在还原气的作用下进行还原处理
该步骤中，将焙烧球团供给至竖炉中，在还原气的作用下进行还原处理，以便得到金属化球团。发明人发现，焙烧球团在还原气气氛下于竖炉中被还原，可获得金属化率大于92％的金属化球团，且相比于铁精粉煤基直接还原，采用竖炉气基还原不会引入外来杂质，从而保证后续所得海绵铁具有较高的品位。焙烧球团与还原气的相关反应式有：
Fe2O3+3CO＝2Fe+3CO2
Fe2O3+3H2＝2Fe+3H2O
Fe3O4+4CO＝3Fe+4CO2
Fe3O4+4H2＝3Fe+4H2O
根据本发明的一个实施例，还原气为一氧化碳和氢气的混合气体，且氢气与一氧化碳的体积比为1.3-3.0，还原气中甲烷含量不大于3vt％，一氧化碳和氢气的总含量不小于90vt％，还原气的氧化度(即二氧化碳和水蒸气的总体积与一氧化碳和氢气、二氧化碳、水蒸气的总体积之比)不大于5％。发明人发现，CO还原铁氧化物是放热反应，而H2还原铁氧化物是强吸热反应。还原气中H2/CO过低会降低球团的还原效率和还原金属化率；H2/CO过高，H2还原氧化球团会大量吸热，降低炉内还原段的温度，也同样会降低球团的还原效率和还原金属化率。如果还原气中CH4含量偏高，甲烷在竖炉还原段内热解为C和H2，大量吸热而降低还原段的温度，与H2/CO过高的不利影响类似。CO+H2总含量过低很明显不利于球团还原效率和还原金属化率的提高。还原气中氧化度过高容易造成球团的二次氧化，也不利于球团还原效率和还原金属化率的提高。
根据本发明的再一个实施例，还原处理的条件并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，还原处理的温度可以为800-950摄氏度，时间可以为6-12h。发明人发现，还原处理温度过高，能耗也会大幅提高，就失去了气基竖炉还原炼铁本身的低能耗和低排放优势；而还原温度过低则不利于获得理想的还原金属化率。还原时间过长会严重降低气基竖炉的生产效率，过短则不利于球团的充分还原，不能获得理想的还原金属化率。
S700：将金属化球团供给至磨选装置中进行磨选处理
该步骤中，将金属化球团供给至磨选装置中进行磨选处理，以便得到海绵铁和尾矿。发明人发现，金属化球团经磨选后可将磁性海绵铁与尾矿分离，得到高品质的海绵铁(TFe含量不小于92wt％，硫含量不大于0.15wt％)，满足炼钢用海绵铁的要求。
根据本发明的一个实施例，磨选处理过程中，金属化球团的粒径并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，金属化球团可破碎至粒径低于74μm占比不低于80％。发明人发现，该粒径下可以显著提高海绵铁与尾矿的分离效率，从而得到高品位的海绵铁。
根据本发明的再一个实施例，磨选处理过程中磁场的强度并不受特别限制，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，磨选处理过程中磁场的强度可以为600-800Oe。发明人发现，若磨选处理的磁场强度过高，则磨选处理的能耗增加，且磨选出的海绵铁将携带部分尾矿，所得的海绵铁的品质降低；而若磨选处理的磁场强度过低，则海绵铁磨选不完全，海绵铁的总量减少，且磨选效率降低，工艺的经济性降低。由此，采用本申请上述磨选处理的磁场强度可以显著优于其他提高海绵铁的产率和品质同时节约能耗。
通过对经细磨后的硫铁矿烧渣颗粒进行磁化焙烧，使得硫铁矿烧渣颗粒中非磁性的三氧化二铁在还原剂的作用下被还原成磁性较强的四氧化三铁，从而经磁选分离即可分离得到非磁性物和高品位的铁精粉(TFe含量不小于65wt％，硫含量不大于0.15wt％)，然后将所得铁精粉与粘结剂和淀粉进行造球和焙烧处理，使得所得焙烧球团具有较高的强度，从而满足竖炉还原的要求，接着将所得焙烧球团供给竖炉进行还原处理，可以显著提高金属化球团的金属化率(金属化率大于92％)，且相比于铁精粉煤基直接还原，采用竖炉气基还原不会引入外来杂质，最后将金属化球团经磨选后可将磁性海绵铁与尾矿进行分离，得到高品质的海绵铁(TFe含量不小于92wt％，硫含量不大于0.15wt％)，满足炼钢用海绵铁的要求，从而不仅实现了硫铁矿烧渣的资源化利用，而且解决了硫铁矿烧渣长期堆存而对土壤、水体和大气造成污染和破坏的问题。
需要说明的是，上述针对利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统所描述的特征和优点同样适用于该利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的方法，此处不再赘述。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
将硫铁矿烧渣细磨至粒径低于325目的占比80％；接着将硫铁矿烧渣颗粒和粒径为小于200目的占比80％的无烟煤按照质量比100：5混合均匀，采用微波加热磁化焙烧，微波频率为300MHz，微波管功率可以为15kW，进行磁化焙烧处理，磁化焙烧处理的温度为600摄氏度，时间为10min，N2流量为3L/min，得到焙烧产物；然后将焙烧产物破碎至粒径小于325目的占比80％，在600Oe下进行磁选处理，得到铁精粉和非磁性物，经分析，铁精粉中TFe含量为66wt％，硫含量为0.1wt％；然后将铁精粉与膨润土和淀粉按照质量比100：0.5：0.5混合均匀，然后送至圆盘造球机中造球，得到粒径为9-11mm的球团，将此球团于空气中焙烧，焙烧温度为1100摄氏度，时间40min，反应结束后冷却至室温得到焙烧球团；焙烧球团用一氧化碳和氢气的混合气体还原，其中氢气与一氧化碳的体积比为1.3，气体中甲烷含量3vt％，一氧化碳和氢气的总含量为92vt％，气体的氧化度(二氧化碳和水蒸气的总体积与一氧化碳和氢气、二氧化碳、水蒸气的总体积之比)为3％，还原处理的温度为800摄氏度，时间6h，然后在保护气氛下冷却至室温，得到金属化球团，经分析，该金属化球团的金属化率为94％；然后将金属化球团破碎至低于200目的占比80％，在600Oe的磁场强度下进行磨选，得到海绵铁和尾矿，经分析，该海绵铁中TFe含量为93wt％，硫含量为0.018wt％，满足炼钢用海绵铁的国标H92的二级要求。
实施例2
将硫铁矿烧渣细磨至粒径低于325目的占比95％；接着将硫铁矿烧渣颗粒和粒径为小于200目的占比100％的无烟煤按照质量比100：15混合均匀，采用微波加热磁化焙烧，微波频率为300kMHz，微波管功率可以为30kW，进行磁化焙烧处理，磁化焙烧处理的温度为800摄氏度，时间为30min，N2流量为6L/min，得到焙烧产物，经分析，焙烧产物的磁化率为93％；然后将焙烧产物破碎至粒径小于325目的占比90％，在800Oe下进行磁选处理，得到铁精粉和非磁性物，经分析，铁精粉中TFe含量为65wt％，硫含量为0.12wt％；然后将铁精粉与羟甲基纤维素钠和淀粉按照质量比100：1.5：1混合均匀，然后送至圆盘造球机中造球，得到粒径约为12mm的球团，将此球团于空气中焙烧，焙烧温度为1300摄氏度，时间90min，反应结束后冷却至室温得到焙烧球团；焙烧球团用一氧化碳和氢气的混合气体还原，其中氢气与一氧化碳的体积比为3，气体中甲烷含量4vt％，一氧化碳和氢气的总含量为92vt％，气体的氧化度(二氧化碳和水蒸气的总体积与一氧化碳和氢气、二氧化碳、水蒸气的总体积之比)为4％，还原处理的温度为950摄氏度，时间12h，然后在保护气氛下冷却至室温，得到金属化球团，经分析，该金属化球团的金属化率为94％；然后将金属化球团破碎至低于200目的占比100％，在800Oe的磁场强度下进行磨选，得到海绵铁和尾矿，经分析，该海绵铁中TFe含量为93wt％，硫含量为0.015wt％，满足炼钢用海绵铁的要求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的系统，其特征在于，包括：
磨矿装置，所述磨矿装置具有硫铁矿烧渣入口和硫铁矿烧渣颗粒出口；
磁化焙烧装置，所述磁化焙烧装置具有硫铁矿烧渣颗粒入口、还原剂入口和焙烧产物出口，所述硫铁矿烧渣颗粒入口与所述硫铁矿烧渣颗粒出口相连；
磁选装置，所述磁选装置具有焙烧产物入口、铁精粉出口和非磁性物出口，所述焙烧产物入口与所述焙烧产物出口相连；
造球装置，所述造球装置具有铁精粉入口、粘结剂入口、淀粉入口和球团出口，所述铁精粉入口与所述铁精粉出口相连；
焙烧装置，所述焙烧装置具有球团入口和焙烧球团出口，所述球团入口和所述球团出口相连；
竖炉，所述竖炉具有焙烧球团入口、还原气入口和金属化球团出口，所述焙烧球团入口与所述焙烧球团出口相连；
磨选装置，所述磨选装置具有金属化球团入口、海绵铁出口和尾矿出口，所述金属化球团入口与所述金属化球团出口相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁化焙烧装置内布置微波发生器，并且所述磁化焙烧装置内的炉衬和坩埚材质均为莫来石。
3.一种采用权利要求1或2所述的系统实施利用硫铁矿烧渣制备海绵铁的方法，其特征在于，包括：
(1)将硫铁矿烧渣供给至所述磨矿装置中进行细磨，以便得到硫铁矿烧渣颗粒；
(2)将所述硫铁矿烧渣颗粒和还原剂供给至所述磁化焙烧装置中进行磁化焙烧处理，以便得到焙烧产物；
(3)将所述焙烧产物供给至所述磁选装置中进行磁选处理，以便得到铁精粉和非磁性物；
(4)将所述铁精粉供给至所述造球装置中与粘结剂和淀粉进行造球处理，以便得到球团；
(5)将所述球团供给至所述焙烧装置中进行焙烧处理，以便得到焙烧球团；
(6)将所述焙烧球团供给至所述竖炉中，在还原气的作用下进行还原处理，以便得到金属化球团；
(7)将所述金属化球团供给至所述磨选装置中进行磨选处理，以便得到海绵铁和尾矿。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述硫铁矿烧渣颗粒与所述还原剂按照质量比为100：(5～15)进行混合。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述磁化焙烧处理过程采用微波发生器进行，所述微波发生器的微波频率为300MHz～300kMHz，微波管功率为15～30kW。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述磁化焙烧处理的温度为600～800摄氏度，N2流量为3～6L/min。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述铁精粉和所述粘结剂、所述淀粉按照质量比为100：(0.5～1.5)：(0.5～1)进行混合。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述焙烧处理的温度为1100～1300摄氏度。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(7)中，所述磨选处理过程中，将所述金属化球团破碎至粒径低于74微米占比不低于80％。
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