CN108396134A - 一种氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置及方法，其中，铁矿焙烧装置主要包括进料单元、氧化预热单元、流态化还原反应器和热烟气供给单元；氧化预热单元的进料端与进料单元的出料端连通，用于对矿粉进行氧化预热；热烟气供给单元的出气端与所述氧化预热单元的进气端连通，用于为氧化预热单元供应含氧或中性热烟气；流态化还原反应器的进料端与氧化预热单元的出料端连通，用于对经过预热后的矿粉进行流态化还原。该铁矿焙烧装置及方法将氧化预热和流化态还原相结合，有效提高了选别产品的质量和焙烧生产效率。

Description

一种氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置及方法

技术领域

本发明涉及矿石焙烧技术领域，具体涉及一种氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置及方法。

背景技术

我国铁矿资源较为丰富，截至2015年底查明资源储量850.8亿吨，但多数为“贫”、“细”、“杂”矿，品质较差；其中菱铁矿、褐铁矿、鲕状赤铁矿、微细粒赤铁矿及其共(伴)生类型复杂难选铁矿资源储量高达上百万吨，目前此类矿石采用常规物理选矿技术分选，铁精矿品位和回收率均较低，这一类型矿产资源除少数矿区被开采利用外，多数未进行开发利用。大量实验室试验和工业实践证明，磁化焙烧是处理复杂难选铁矿资源的最有效方法。

现阶段得以工业应用的铁矿磁化焙烧方法主要有以下几种：竖炉焙烧、回转窑焙烧和闪速焙烧。竖炉焙烧用于处理15-75mm的块矿，由于原料粒度过大，焙烧时间较长，且只适用于块矿，制约了其大规模推广应用。回转窑焙烧用于处理0-25mm的全粒级粉矿，给矿粒度虽较竖炉小，但焙烧时间要求60-90min，同时细粒级粉矿的存在容易引起回转窑结圈，导致焙烧过程操控难度较大。闪速焙烧用于处理1mm以下的粉矿，该焙烧方法气固两相之间的传热传质速率比回转窑大3000-4000倍，能快速完成铁矿物的磁性转化，但该种磁化焙烧方法预热为还原气氛、中性气氛或者弱氧化气氛，要求预热单元的密封性较好，对基建过程施工精度要求较高。

中国专利“一种利用难选弱磁性氧化铁矿生产成强磁性磁铁矿的制备方法”、“一种还原赤铁矿、褐铁矿或菱铁矿的焙烧装置”和“多级循环预热流态化还原焙烧氧化铁矿石反应装置”均提出了采用煤做热源及还原性介质的流态化还原焙烧方法，这类磁化焙烧方法反应炉为穿流流化床结构，焙烧反应时间仅数十秒，对于结构致密的矿石可能存在还原不充分的缺陷；“复杂难选铁矿石的预富集-三段悬浮焙烧-磁选处理方法”、“一种难选铁矿石粉氧化-磁化焙烧系统及工艺”和“一种难选铁矿石粉体磁化焙烧的系统及焙烧工艺”均提出了采用煤气做热源及还原性介质的流态化还原焙烧方法，但这类焙烧方法仅适用于有煤气或者天然气的地区，且对煤气的清洁程度要求高，大大限制了其应用地域；同时还原反应炉为外循环式反应炉，无法将已完全磁化的矿样与未磁化完全的矿样分离，存在焙烧矿的“过还原”与“欠还原”现象，最终导致磁选精矿铁回收率偏低。

依靠技术进步开发出一种选别产品质量更好、效率高、更加节能环保、适应性更强的矿石流态化焙烧装置及方法，最大限度地利用我国有限的矿产资源，尤其是高效开发利用上述复杂难选以及虽能利用但产品质量和利用率较低的铁矿资源，对经济合理开发利用我国有限的矿产资源具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置及方法，从而解决现有技术中的铁矿焙烧装置及方法选别产品质量不好、焙烧效率不高、可能存在外排CO的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置，主要包括进料单元、氧化预热单元、流态化还原反应器和热烟气供给单元；氧化预热单元的进料端与进料单元的出料端连通，用于对矿粉进行氧化预热；热烟气供给单元的出气端与氧化预热单元的进气端连通，用于为氧化预热单元供应含氧或中性热烟气；流态化还原反应器的进料端与氧化预热单元的出料端连通，用于对经过氧化预热后的矿粉进行流态化还原。

进一步地，热烟气供给单元供应的热烟气中氧气的体积分数为0％-10％。

进一步地，热烟气供给单元包括：热风炉，其进气口与燃料供应管路连接，热风炉的排气口与氧化预热单元的进气口连通；鼓风机，其排气口通过鼓风管路与热风炉的进气口连通。

进一步地，氧化预热单元包括：气固分离器，其进气口与热风炉的排气口连通，气固分离器的出料口与流态化还原反应器的进料口连通；C2预热器，其进气口与气固分离器的排气口连通，C2预热器的出料口与气固分离器的进气口连通；C1预热器，其进气口与C2预热器的排气口连通，C1预热器的出料口与C2预热器的进气口连通，C1预热器的进气口与进料单元的出料端连通。

进一步地，进料单元包括：料仓；给料装置，其进料口与料仓的出料口连通，给料装置的出料口与C1预热器的进气口连通。

进一步地，铁矿焙烧装置还包括一除尘单元，除尘单元包括：布袋除尘器，其进气口与C1预热器的排气口连通；引风机，其进气口与布袋除尘器的排气口连通。

进一步地，铁矿焙烧装置还包括一余热利用单元，余热利用单元包括：冷却器，其进料口与流态化还原反应器的出料口连通；排料装置，安装在冷却器的出料口处。

进一步地，冷却器的上部连接有气体回用管路，气体回用管路的一端与冷却器的内腔连通，气体回用管路的另一端与热烟气供给单元的进气端连通。

本发明的另一方面，提供了一种氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧方法，采用上述的铁矿焙烧装置对铁矿进行焙烧，该铁矿焙烧方法主要包括以下步骤：

S1、将铁矿粉从进料单元送入氧化预热单元中，通过热烟气供给单元向氧化预热单元内通入热烟气对铁矿粉进行预热并部分氧化，在预热过程中铁矿粉中的部分低价态金属被氧化为高价态，使铁矿粉颗粒产生裂隙，有利于还原过程中还原气体的进入；

S2、将经过氧化预热后的铁矿粉送入流态化还原反应器内，向流态化还原反应器内通入具有还原性的流化介质对铁矿粉进行流态化还原。

进一步地，步骤S1中，热烟气中氧气的体积分数为0％-10％，铁矿粉的粒度在1mm以下；步骤S2中，流化介质为煤气，煤气中CO和H₂的总体积分数为10％-50％，煤气的用量为理论用量的1-5倍，流态化还原的温度为400℃-1100℃，流态化还原的时间为0.5min-30min。

应用本发明的技术方案，通过设置氧化预热单元、流态化还原反应器和热烟气供给单元，焙烧时，先利用热烟气供给单元产生的热烟气对铁矿粉进行预热，在预热过程中，铁矿粉中的部分低价态金属被氧化为高价态，促使铁矿粉颗粒产生裂隙，有利于流态化还原过程中还原气体的扩散进入，提高铁矿粉的流化态还原反应速率；同时含氧或中性气氛可保证尾气中无残留的CO和H₂等有害气体，确保绿色生产。

下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书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为本发明铁矿焙烧装置的结构示意简图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、流态化还原反应器；20、热风炉；21、鼓风机；30、气固分离器；31、C2预热器；32、C1预热器；40、料仓；41、给料装置；50、布袋除尘器；51、引风机；60、冷却器；61、排料装置；62、气体回用管路。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

一种本发明实施例的氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置，该铁矿焙烧装置主要适用于铁矿石的磁化焙烧，尤其适用于各种复杂难选铁矿石，如赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、鲕状赤铁矿及其共(伴)生矿等的磁化焙烧。该铁矿焙烧装置的结构示意简图如图1所示，由图1可见，其主要包括进料单元、氧化预热单元、流态化还原反应器10和热烟气供给单元。其中，氧化预热单元的进料端与进料单元的出料端连通，用于对矿粉进行氧化预热；热烟气供给单元的出气端与氧化预热单元的进气端连通，用于为氧化预热单元供应含氧或中性热烟气；流态化还原反应器10的进料端与氧化预热单元的出料端连通，用于对经过氧化预热后的矿粉进行流态化还原。

应用上述技术方案的铁矿焙烧装置，通过设置氧化预热单元、流态化还原反应器10和热烟气供给单元，焙烧时，先利用热烟气供给单元产生的含氧或中性热烟气对铁矿粉进行预热，在氧化预热过程中，铁矿粉中的部分低价态金属被氧化为高价态，促使铁矿粉颗粒产生裂隙，有利于流态化还原过程中还原气体的扩散进入，提高铁矿粉的流化态还原反应速率；同时中性或氧化性气氛可保证尾气中无残留的CO和H₂等有害气体。该铁矿焙烧装置将氧化预热和流化态还原相结合，通过氧化预热过程和流态化还原过程的协同，有效提高了产品质量，确保绿色生产。

为了进一步提高氧化预热的效果，进一步提高产品质量和生产效率，在本实施例中，将热烟气供给单元供应的热烟气中氧气的体积分数控制在0％-10％之间，为含氧或中性(不含氧也不含还原性气体)热烟气。

参见图1，在本实施例中，热烟气供给单元包括热风炉20和鼓风机21。其中，热风炉20的进气口与燃料供应管路连接，热风炉20的排气口与氧化预热单元的进气口连通；鼓风机21的排气口通过鼓风管路与热风炉20的进气口连通。通过鼓风机21向热风炉20内鼓入空气，空气和燃料在热风炉20内燃烧产生高温烟气，通过该高温烟气对氧化预热单元内的铁矿粉进行氧化预热。其中，燃料可以采用煤气、天然气、煤、燃料油中的一种或多种。

在本实施例中，氧化预热单元包括气固分离器30、C2预热器31和C1预热器32。其中，气固分离器30的进气口与热风炉20的排气口连通，气固分离器30的出料口与流态化还原反应器10的进料口连通；C2预热器31的进气口与气固分离器30的排气口连通，C2预热器31的出料口与气固分离器30的进气口连通；C1预热器32的进气口与C2预热器31的排气口连通，C1预热器32的出料口与C2预热器31的进气口连通，C1预热器32的进气口与进料单元的出料端连通。如此，预热气依次流经气固分离器30、C2预热器31和C1预热器32；铁矿粉依次通过C1预热器32、C2预热器31和气固分离器30。经过三级氧化预热有效提高了预热效果，更进一步提高了产品质量和生产效率。进一步地，上述气固分离器30、C2预热器31和C1预热器32均采用旋风除尘器，确保对铁矿粉进行快速均匀的预热。

参见图1，在本实施例中，进料单元包括料仓40和给料装置41。其中，给料装置41的进料口与料仓40的出料口连通，给料装置41的出料口与C1预热器32的进气口连通。经破碎后的铁矿粉运输至料仓40内，经给料装置41将铁矿粉送入C1预热器32内进行氧化预热。

为了使该铁矿焙烧装置更加环保，参见图1，在本实施例中，铁矿焙烧装置还包括一个除尘单元，该除尘单元包括布袋除尘器50和引风机51。其中，布袋除尘器50的进气口与C1预热器32的排气口连通；引风机51的进气口与布袋除尘器50的排气口连通。从C1预热器32的出气口排出的尾气中含有较多的粉尘，直接排放将对环境造成污染，通过设置除尘单元，可将尾气除尘达标后排放。

为了使该铁矿焙烧装置更加节能，参见图1，在本实施例中，铁矿焙烧装置还包括一个余热利用单元，该余热利用单元包括冷却器60和排料装置61。其中，冷却器60的进料口与流态化还原反应器10的出料口连通；排料装置61，安装在冷却器60的出料口处。经流态化还原后的高温焙烧矿进入冷却器60内，焙烧矿在重力作用下自流至冷却器60的中下部与冷却介质进行间接换热，回收焙烧矿的余热，然后焙烧矿通过排料装置61排出，送后续选别作业处理。

进一步地，在冷却器60的上部连接有一根气体回用管路62，该气体回用管路62的一端与冷却器60的内腔连通，气体回用管路62的另一端与热烟气供给单元的进气端连通。经流态化还原后的高温焙烧矿随气流进入冷却器60内，在冷却器60的上部空间发生气固分离，含有还原性成分的气体通过气体回用管路62进入热风炉20内燃烧，进行回收利用。冷却器60的上部设有较大的空腔，以确保空腔内气体空截面流速≤0.5m/s。冷却器60采用立式间接换热器，换热介质与焙烧矿不接触，确保还原好的焙烧矿不被再氧化。冷却器60内铺设有3-6层换热组件，3-6层换热组件错位安装。换热组件为换热板或换热管，换热组件中的换热介质为空气或水；当换热介质为水时，换热组件的一端与外部高位储水槽连通，另一端与外部的余热利用系统相连；当换热介质为空气时，换热组件的一端与空气压缩机相连，另一端与外部的余热利用系统相连。

该铁矿焙烧装置的一个应用实例如下：

采用上述的铁矿焙烧装置对铁矿粉进行焙烧，具体包括以下步骤：

(1)原料破碎：

将铁矿石破碎、干磨至粒度-0.075mm占总质量的65％-70％；将发热量约为23000kJ/kg的普通燃煤破碎至粒度15mm以下，然后分别储存于料仓40和燃煤原料仓内；

(2)燃料燃烧：

将破碎后的普通燃煤通过喷煤枪喷入热风炉20中燃烧，制备得到温度为700℃-750℃的高温烟气；

(3)悬浮氧化预热：

将料仓40内的铁矿粉计量后经给料装置41给入C1预热器32内进行氧化预热，使得物料温度上升至300℃-350℃，C1预热器32的尾气温度下降至250℃左右后进入除尘单元，经布袋除尘器50除尘后通过烟囱高空达标排放；一级预热过程中控制高温烟气中O₂体积浓度为5％-8％；经C1预热器32预热至300℃-350℃后的铁矿粉进入C2预热器31内，与气固分离器30排出的废气在C2预热器31内进行热交换，使得铁矿粉温度上升至450℃-500℃；C2预热器31排气口排出的废气温度降至350℃-400℃，二级预热过程中控制高温烟气中O₂体积浓度为3％-5％；预热好的粉矿被热风炉20燃烧产生的高温烟气带入至气固分离器30内进行气固分离，矿粉温度上升至550℃-600℃进入流态化还原反应器10内进行还原反应，烟气由气固分离器30排气口排出后进入C2预热器31；在氧化预热过程中，铁矿粉中的部分低价态金属被氧化为高价态，促使铁矿粉颗粒产生裂隙，有利于流态化还原过程中还原气体的扩散进入，提高铁矿粉的流化态还原反应速率；同时中性或氧化性气氛可保证尾气中无残留的CO和H₂等有害气体，确保无有害气体外排。

(4)流态化还原：

气固分离后的粉矿进入流态化还原反应器10内进行流态化还原，还原气体用量为还原反应理论用量的2倍，控制还原反应时间为3min左右；其中，还原反应理论用量是指铁矿粉中的铁的氧化物被完全还原成四氧化三铁时的还原剂用量；

(5)余热利用：

流态化还原产物进入到冷却器60的上部，利用重力在该空间对流入的物料进行气固分离；分离后的烟气进入到热风炉20内燃烧，为焙烧系统提供热源；固体焙烧产物在重力作用下进入到冷却器60下部的物料余热利用区进行余热的回收；物料余热利用区错位布置有5层换热板，换热板内通入水作为换热介质，高温物料通过与换热介质进行热交换，使反应产物冷却至150℃后送出反应装置，完成焙烧处理。

对于某复杂难选菱褐铁混合矿，采用上述氧化预热、流态化还原焙烧工艺处理，焙烧产品的磁化率≥93％，焙烧矿经选矿后可获得铁精矿品位≥60％、铁回收率≥88％的选别指标。

总而言之，本发明的铁矿焙烧装置及方法，在氧化或中性气氛中完成矿粉预热，将矿粉中的部分低价金属氧化成为高价态，促使矿石颗粒产生裂隙，从而促进了后续的矿石还原；本发明的铁矿焙烧装置可保证外排尾气中无残留的CO和H₂等有害气体，确保绿色生产；该铁矿焙烧装置的燃料为煤气、天然气、煤、燃料油中的一种或多种，有利于降低焙烧能耗和成本，大大拓宽了工艺技术的适用地域；本发明的装置及方法适用于各种复杂难选铁矿石(例如赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、鲕状赤铁矿及其共(伴)生矿等)的磁化焙烧；本发明的铁矿焙烧装置及方法具有高效率、高产能(单位容积产能大)、低成本、适用性广、产品质量好、生产效率高等优点，对今后我国难选矿产资源的深度开发利用具有重要意义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置，其特征在于，主要包括进料单元、氧化预热单元、流态化还原反应器(10)和热烟气供给单元；

所述氧化预热单元的进料端与所述进料单元的出料端连通，用于对矿粉进行预热；

所述热烟气供给单元的出气端与所述氧化预热单元的进气端连通，用于为所述氧化预热单元供应热烟气；

所述流态化还原反应器(10)的进料端与所述氧化预热单元的出料端连通，用于对经过氧化预热后的矿粉进行流态化还原。

2.根据权利要求1所述的氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置，其特征在于，所述热烟气供给单元供应的含氧或中性热烟气中氧气的体积分数为0％-10％。

3.根据权利要求1所述的氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置，其特征在于，所述热烟气供给单元包括：

热风炉(20)，其进气口与燃料供应管路连接，所述热风炉(20)的排气口与所述氧化预热单元的进气口连通；

鼓风机(21)，其排气口通过鼓风管路与所述热风炉(20)的进气口连通。

4.根据权利要求3所述的氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置，其特征在于，所述氧化预热单元包括：

气固分离器(30)，其进气口与所述热风炉(20)的排气口连通，所述气固分离器(30)的出料口与所述流态化还原反应器(10)的进料口连通；

C2预热器(31)，其进气口与所述气固分离器(30)的排气口连通，所述C2预热器(31)的出料口与所述气固分离器(30)的进气口连通；

C1预热器(32)，其进气口与所述C2预热器(31)的排气口连通，所述C1预热器(32)的出料口与所述C2预热器(31)的进气口连通，所述C1预热器(32)的进气口与所述进料单元的出料端连通。

5.根据权利要求4所述的氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置，其特征在于，所述进料单元包括：

料仓(40)；

给料装置(41)，其进料口与所述料仓(40)的出料口连通，所述给料装置(41)的出料口与所述C1预热器(32)的进气口连通。

6.根据权利要求4所述的氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置，其特征在于，所述铁矿焙烧装置还包括一除尘单元，所述除尘单元包括：

布袋除尘器(50)，其进气口与所述C1预热器(32)的排气口连通；

引风机(51)，其进气口与所述布袋除尘器(50)的排气口连通。

7.根据权利要求1所述的氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置，其特征在于，所述铁矿焙烧装置还包括一余热利用单元，所述余热利用单元包括：

冷却器(60)，其进料口与所述流态化还原反应器(10)的出料口连通；

排料装置(61)，安装在所述冷却器(60)的出料口处。

8.根据权利要求7所述的氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧装置，其特征在于，所述冷却器(60)的上部连接有气体回用管路(62)，所述气体回用管路(62)的一端与所述冷却器(60)的内腔连通，所述气体回用管路(62)的另一端与所述热烟气供给单元的进气端连通。

9.一种氧化预热、流态化还原的铁矿焙烧方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一项所述的铁矿焙烧装置对铁矿进行焙烧，所述铁矿焙烧方法主要包括以下步骤：

S1、将铁矿粉从进料单元送入氧化预热单元中，通过热烟气供给单元向氧化预热单元内通入热烟气对铁矿粉进行预热并部分氧化，在氧化预热过程中铁矿粉中的部分低价态金属被氧化为高价态，使铁矿粉颗粒产生裂隙，有利于还原过程中还原气体的进入；

S2、将经过氧化预热后的铁矿粉送入流态化还原反应器(10)内，向流态化还原反应器(10)内通入具有还原性的流化介质对铁矿粉进行流态化还原。

10.根据权利要求9所述的铁矿焙烧方法，其特征在于，

步骤S1中，所述热烟气中氧气的体积分数为0％-10％，所述铁矿粉的粒度在1mm以下；

步骤S2中，所述流化介质为煤气，所述煤气中CO和H₂的总体积分数为10％-50％，所述煤气的用量为理论用量的1-5倍，所述流态化还原的温度为400℃-1100℃，流态化还原的时间为0.5min-30min。