CN108624751A - 一种难选铁矿石流化加热低温氢还原装置 - Google Patents

一种难选铁矿石流化加热低温氢还原装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，属于冶金和矿物工程技术领域，装置包括给料装置、除尘排放装置、焙烧矿收集装置、流化加热还原装置和冷却排料装置，流化加热还原装置包括流态化加热炉、加热物料收集器和低温氢还原炉，流化态加热炉的底端设置调温装置，所述冷却排料装置与焙烧矿收集装置连通。本发明将铁矿石流态化加热炉与回转窑低温氢还原炉集成在一起，铁矿石采用流态化加热炉，可实现快速、均匀加热及提高单炉产量；铁矿石磁化焙烧采用回转式低温氢还原炉，可在不使用外供煤气情况下，实现铁矿石的低温氢还原，提高铁矿石的焙烧质量。

Description

一种难选铁矿石流化加热低温氢还原装置
技术领域
本发明属于冶金和矿物工程技术领域，具体涉及一种难选铁矿石流化加热低温氢还原装置。
背景技术
我国的铁矿石储量中97%为贫矿，其中常规重选、磁选及浮选技术难以有效处理的铁矿石资源，包括褐铁矿、菱铁矿、沉积型赤铁矿等在内有近200亿吨。对这些难选铁矿石，可通过磁化焙烧将其中弱磁性的铁氧化物转化成强磁性的人工磁铁矿，再继以弱磁选实现铁矿物与脉石的分离，是难选铁矿分选的有效方法。
过去几十年中，我国的科技工作者对难选铁矿资源利用问题进行了长期的研究，尤其是对难选铁矿石采用磁化焙烧工艺进行了系统的研究与开发，证明了磁化焙烧工艺是处理难选低品位铁矿石的有效方法。目前，国内外铁矿石磁化焙烧工艺主要有竖炉磁化焙烧工艺和回转窑磁化焙烧工艺。
竖炉磁化焙烧工艺是处理铁矿石块矿（入炉粒级15-100mm）的一种工艺，其存在的主要问题有：①处理的铁矿石粒度较大，其重量比表面积比较小，因而铁矿石与还原剂（CO和H2等）的接触机会较小，铁矿石还原过程速度缓慢；②铁矿石磁化焙烧中，块矿表层还原度高于心部，存在着块矿表层和心部还原不均匀的现象，且块矿粒度愈大，其还原不均匀现象愈严重；③块矿入炉粒度差异较大，存在小粒级块矿整体过还原及大粒级块矿整体欠还原的问题。以上这些问题导致了竖炉焙烧铁矿石的能耗较大、焙烧矿技术经济指标差、生产成本高、经济性差。
回转窑磁化焙烧工艺是处理入炉粒度为25mm以下铁矿石的一种工艺，其技术指标较竖炉要好，但也存在着铁矿石还原质量不均、焙烧成本高等问题，特别是回转窑生产过程中尾端结圈频繁出现难以持久维持正常生产。
在铁矿石流态化磁化焙烧方面，铁矿石流态化加热还原反应炉及以其为核心的新型磁化焙烧技术与传统磁化焙烧技术（如回转窑法）相比，其最大不同点是将原来在回转窑内堆积态气固换热和传质变为流态化气固传热和传质过程，气体通过流化床使物料形成湍流状态，然后进入到预热器内，在预热器旋风筒切向风力作用下形成湍流，稀相流化状态下的传质过程与回转窑内堆积过程相比，其优点为：（1）气固两相流在流化状态下接触面积较大，其热量交换、质量传递和颗粒化学反应的速度较快；（2）流态化预热装置是由多级气流单元自上而下串联组成的逆流式换热器，物料湍流度较高，气固两相之间温度差及还原气氛浓度差较大，综合传递系数和传递动力较大。
本发明所要解决的技术问题是：提供一种实用性较强的难选铁矿石流态化加热-低温氢还原工艺，解决铁矿石在流态化磁化焙烧过程中，还原废气燃烧产生结馏、还原过程煤气用量较大、设置余热锅炉回收系统多余热量的问题，并采用铁矿石煤基还原的方法，使难选铁矿石在流态化条件下进行快速加热、加热物料采用煤基进行低温氢还原。
中国发明专利申请号201010621731.X公开了一种难选铁矿石粉体磁化焙烧的系统及焙烧工艺，该发明采用循环流化床对难选铁矿石粉体进行磁化焙烧，焙烧尾气经燃烧室燃烧释放未反应气体的潜热后，由3-5级旋风预热器与常温铁矿石粉体进行换热，通过预热铁矿石粉体来回收焙烧尾气的显热和潜热。该技术方案存在的主要问题，一是铁矿石粉焙烧温度较低，不利于铁矿石快速磁化焙烧；二是对高温焙烧矿的显热未进行有效回收利用；三是系统需要消耗大量的煤气资源；四是系统在焙烧过程中存在结馏和失流问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，以解决现有技术存在的铁矿石粉焙烧温度低、高温能量未有效回收利用、煤气资源消耗量大和焙烧结馏和失流的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，包括给料装置、除尘排放装置和焙烧矿收集装置，给料装置与除尘排放装置连通，还包括流化加热还原装置和冷却排料装置，所述流化加热还原装置包括流态化加热炉、加热物料收集器和低温氢还原炉，流化态加热炉的底端设置调温装置，流化态加热炉的进料口与给料装置连通，流化态加热炉的出料端通过加热物料收集器与低温氢还原炉连通，低温氢还原炉的进料端设置还原物料给料装置，低温氢还原炉的出料端与冷却排料装置连通，低温氢还原炉的高温助燃空气排出端与调温装置连通；所述冷却排料装置与焙烧矿收集装置连通，冷却排料装置包括至少一级流化床冷却机，流化床冷却机的空气进入端设置风机，流化床冷却机的空气排出端与调温装置连通。
所述冷却排料装置包括一级流化床冷却机和二级流化床冷却机，一级流化床冷却机和二级流化床冷却机内均设有空气换热管，一级流化床冷却机的进料端与低温氢还原炉的出料端连通，一级流化床冷却机的出料端与二级流化床冷却机的进料端连通，一级流化床冷却机的出料端设置一级冷却除尘装置，二级流化床冷却机的出料端设置二级冷却除尘装置，二级冷却除尘装置上设有两级冷却水结构，一级冷却除尘装置和二级冷却除尘装置的排气端分别与调温装置连通。
所述调温装置包括调温室和与调温室连通的热风炉，调温室分别与一级冷却除尘装置和二级冷却除尘装置连通，热风炉与高温助燃空气排出端连通。
所述一级冷却除尘装置的出料端与低温氢还原炉连通，二级流化床冷却机和二级冷却除尘装置的出料端分别与焙烧矿回收装置连通。
所述加热物料收集器的废气排出口与给料装置的气体入口连通，低温氢还原炉的烟气出口端设置含尘烟气除尘器与给料装置的气体入口连通，给料装置的排料口和含尘烟气除尘器的出料口分别与低温氢还原炉连通。
所述流态化加热炉的进料口设置于炉体下部的侧壁上。
所述还原物料给料装置包括还原粒煤料斗、原料回收矿粉料斗和混料机，还原粒煤料斗和原料回收矿粉料斗分别与混料机连通。
所述流态化加热炉与给料装置之间设置原料收集装置，原料收集装置的废气排出端与除尘排放装置连通，除尘排放装置中设置原料矿粉收集器与原料回收矿粉料斗连通。
所述低温氢还原炉为回转式低温氢还原炉。
本发明相较于现有技术的有益效果为：
本发明将铁矿石流态化加热炉与回转窑低温氢还原炉集成在一起，铁矿石采用流态化加热炉，可实现快速、均匀加热及提高单炉产量；铁矿石磁化焙烧采用回转式低温氢还原炉，可在不使用外供煤气情况下，实现铁矿石的低温氢还原，提高铁矿石的焙烧质量。
1、将铁矿石粉流态化加热与低温氢还原集成在一起，物料加热采用流态化加热炉、磁化焙烧采用回转式低温氢还原炉，可在大大降低系统煤气用量的情况下，实现铁矿石的快速均匀加热及低温氢还原；
2、铁矿石回转式低温氢还原炉产生的烟气量少，排出焙烧矿的温度低，系统产生的热量通过回转式低温氢还原炉、一级流化床冷却机、二级流化床冷却机等设备的回收，不仅使焙烧矿在较短时间内冷却到较低的温度，而且热量在系统内部得到全部利用，不产生多余热量的外供问题，提高了系统的能源利用效率；
3、铁矿石磁化焙烧采用本发明，提高了系统焙烧温度，可使铁矿石中Fe3O4在氧化气氛下生成Fe2O3后，Fe2O3再在还原气氛中生成新生的Fe3O4，有利于嵌布粒度较细的难选铁矿石晶粒长大，对于磁选非常有利；
4、在流态化加热炉内，燃烧所用空气都是净化空气、煤气是不含尘气体，煤气在热风炉内燃烧过程中不会产生结馏问题。同时铁矿石磁化焙烧采用煤基回转式低温氢还原炉，不存在系统的结馏问题；
5、铁矿石矿粉在回转式低温氢还原炉内采用煤基还原，还原过程产生的烟气温度较低，同时铁矿石采用低温氢还原工艺，排出的焙烧矿温度较低，系统产生的热量可在系统内部进行全部得到回收利用，系统没有多余的热量进行外供。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
附图标记含义如下：1、给料装置；2、除尘排放装置；3、焙烧矿收集装置；4、流化加热还原装置；5、冷却排料装置；6、流态化加热炉；7、加热物料收集器；8、低温氢还原炉；9、调温装置；10、还原物料给料装置；11、一级流化床冷却机；12、二级流化床冷却机；13、一级冷却除尘装置；14、二级冷却除尘装置；15、调温室；16、热风炉；17、高温助燃空气排出端；18、含尘烟气除尘器；19、还原粒煤料斗；20、原料回收矿粉料斗；21、混料机；22、原料收集装置；23、原料矿粉收集器；24、原料矿仓；25、电子定量给料机；26、螺旋给料器；27、文丘里干燥器；28、布袋除尘器；29、抽风机；30、罗茨鼓风机；31、螺旋定量给料机；32、风机；33、冷却水结构；34、空气换热管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，包括给料装置1、除尘排放装置2和焙烧矿收集装置3，所述给料装置1与除尘排放装置2连通，还包括流化加热还原装置4和冷却排料装置5，所述流化加热还原装置4包括流态化加热炉6、加热物料收集器7和低温氢还原炉8，流化态加热炉6的底端设置调温装置9，流化态加热炉6的进料口与给料装置1连通，流化态加热炉4的出料端通过加热物料收集器7与低温氢还原炉8连通，低温氢还原炉8的进料端设置还原物料给料装置10，低温氢还原炉8的出料端与冷却排料装置5连通，低温氢还原炉8的高温助燃空气排出端与调温装置9连通；所述冷却排料装置5与焙烧矿收集装置3连通，冷却排料装置5包括至少一级流化床冷却机，流化床冷却机的空气进入端设置风机32，流化床冷却机的空气排出端与调温装置9连通。将难选铁矿石矿粉在流态化加热炉内先进行氧化焙烧，再进入回转式低温氢还原炉内进行磁化焙烧，可使铁矿石中的Fe3O4先氧化焙烧生成Fe2O3，再进行还原焙烧使Fe2O3还原为新生的Fe3O4，有利于Fe3O4晶粒的长大。流态化加热炉的燃料采用煤气，煤气与高温助燃空气在热风炉内混合燃烧后产生高温烟气，通过在烟气中掺入高温空气和中温空气可使高温烟气温度控制到800-900℃，调温后的烟气送入到流态化加热炉进行铁矿石加热，可避免铁矿石高温还原过程中产生低熔点物质的熔融，达到流态化加热炉连续生产的目的。
所述冷却排料装置5包括一级流化床冷却机11和二级流化床冷却机12，一级流化床冷却机11和二级流化床冷却机12内均设有空气换热管34，一级流化床冷却机11的进料端与低温氢还原炉8的出料端连通，一级流化床冷却机11的出料端通过与二级流化床冷却机12的进料端连通，一级流化床冷却机11的出料端设置一级冷却除尘装置13，二级流化床冷却机12的出料端设置二级冷却除尘装置14，二级冷却除尘装置14上设有两级冷却水结构33，一级冷却除尘装置13和二级冷却除尘装置14的排气端分别与调温装置9连通。回转式低温氢还原炉8排出的高温焙烧物料，其余热回收采用一级流化床冷却机11、二级流化床冷却机12串联工艺，高温焙烧物料采用常温助燃空气间接预热的方法，可提高系统的能源利用效率；中温物料采用两级冷却水冷却的方法，可使焙烧矿在较短时间内降低到较低的温度。在一级和二级流化床冷却机内设有空气换热管和流化床，从风机鼓入的空气，一部分从一级流化床冷却机底部吹入，可使焙烧矿在流化床上流化的同时与空气进行直接换热，另一部分从一级流化床冷却机侧面吹入，空气在通过换热管道过程中与焙烧矿进行间接换热。
所述调温装置9包括调温室15和与调温室15连通的热风炉16，调温室15分别与一级冷却除尘装置13和二级冷却除尘装置14连通，热风炉16与高温助燃空气排出端17连通。
所述一级冷却除尘装置13的出料端与低温氢还原炉8连通，二级流化床冷却机12和二级冷却除尘装置14的出料端分别与焙烧矿回收装置3连通。
所述加热物料收集器7的废气排出口与给料装置1的气体入口连通，低温氢还原炉8的烟气出口端设置含尘烟气除尘器18与给料装置1的气体入口连通，给料装置1的排料口和含尘烟气除尘器18的出料口分别与低温氢还原炉8连通。在回转式低温氢还原炉内，在入炉端高温铁矿石从上部加入，给料装置1的常温矿煤混合物从下部加入到距入炉端1m左右的位置，可防止高温铁矿石与常温矿煤混合物在混合过程中，因常温矿煤混合物中气体的集中放出而出现物料飞溅现象。从物料内部逸出的气体含有一定的可燃成份，当高温空气喷入到炉内后，空气在与可燃气体混合过程中进行无焰弥漫燃烧，可使炉内可燃气体燃烧温度控制在1000℃以下，从而防止含尘空气在炉内助燃过程中，造成矿尘熔融及回转式低温氢还原炉8结圈现象。
所述流态化加热炉6的进料口设置于炉体下部的侧壁上。
所述还原物料给料装置10包括还原粒煤料斗19、原料回收矿粉料斗20和混料机21，还原粒煤料斗19和原料回收矿粉料斗20分别与混料机21连通。
所述流态化加热炉6与给料装置1之间设置原料收集装置22，原料收集装置22的废气排出端与除尘排放装置2连通，除尘排放装置2中设置原料矿粉收集器23与原料回收矿粉料斗20连通。
所述低温氢还原炉8为回转式低温氢还原炉。
作业过程如下：
1、含水10-12%的常温矿粉由给料装置1的原料矿仓24经电子定量给料机25、螺旋给料器26输送到文丘里干燥器27中，在670℃左右加热废气的作用下，矿粉被干燥并预热到150℃左右后，废气与矿粉流化形成原料气固两相流；
2、原料气固两相流输送到焙烧区后进入原料收集装置22的原料旋风收集器中，其中大部分矿粉被收集后进入到流态化加热炉6中，排出的含尘废气送入到除尘排放装置2的布袋除尘器28中进行除尘，从布袋除尘器28排出的洁净空气经抽风机29加压后进行排放，布袋除尘器28收集的矿物粉尘经罗茨鼓风机30吹风、气力提升泵流化后，由气力输送管道输送到原料矿粉收集器23中进行收集。原料矿粉收集器23收集的矿物粉尘进入到原料回收矿粉料斗20进行储存，排出的含尘空气送入到布袋除尘器28中进行处置；
3、干燥矿粉从流态化加热炉6底部加入后，在调温室15吹出烟气作用下，矿粉被吹起形成气固两相流，气固两相流在流态化加热炉6内流动过程中，矿粉被高温烟气加热到670℃左右后，从流态化加热炉6顶部流出并进入到加热物料收集器7中；
4、在热风炉16内，通入的常温煤气与从一级流化床冷却机11排出的助燃空气进行混合燃烧，产生的1000℃左右高温烟气进入到调温室15内，掺入一级冷却除尘装置13排出的高温空气、二级冷却除尘装置14排出的中温空气进行调温，得到的800-900℃的烟气再送入到流态化加热炉6中；
5、加热物料气固两相流经加热物料收集器7处置后，从其顶部排出的加热废气作为文丘里干燥器27的干燥热源进行利用，从其底部排出的加热物料进入到回转式低温氢还原炉8中；
6、加热物料在回转式低温氢还原炉8中随还原炉的转动，物料被铺设到底部并与还原粒煤和矿粉组成的矿煤混合物进行混合，在粒煤干馏放出的挥发份（其中含有H2）作用下，矿粉经过8-15min的低温氢还原，可使其得到充分磁化，从混合物料内部排出的气体进入到低温氢还原炉8内空间后，其中可燃成份在高温空气的作用下进行弥散燃烧；
7、在回转式低温氢还原炉8中，还原粒煤经过还原粒煤料斗19及螺旋定量给料机31称重后物料与原料矿粉经过原料回收矿粉料斗20及螺旋定量给料机31称重后物料一同加入到混料机21进行混合，还原粒煤按总矿量的3%左右由还原粒煤料斗19进行加入，常温原料矿粉加入量按总矿量的5-10%由原料回收矿粉料斗20进行加入，矿煤混合物加入回转式低温氢还原炉后，可使回转式低温氢还原炉的入料端温度保持在600℃左右，混合物料由螺旋定量给料机31加入到回转式低温氢还原炉8中；其中铁矿石还原煤选择高挥发分的煤种，还原煤受热分解后，挥发分中的H2还原铁矿石后生成水，水再与高温煤炭发生碳气化反应生成H2和CO，可为铁矿石磁化焙烧提供较多的还原气体，使铁矿石得到充分的还原。
8、回转式低温氢还原炉8排出的烟气进入到含尘烟气除尘器18进行除尘，从含尘烟气除尘器18顶部排出的低尘废气送入到文丘里干燥器27进行余热利用，从含尘烟气除尘器18底部排出的氧化物料返回到回转式低温氢还原炉8的原料中进行利用；
9、回转式低温氢还原炉8排出的高温焙烧物料进入到一级流化床冷却机11中，罗茨风机30鼓入的常温空气，一部分与高温焙烧物料在一级流化床冷却机11中进行间接换热，得到300℃左右高温空气作为热风炉16的助燃空气进行利用，另一部分在一级流化床冷却机11中与高温焙烧物料进行直接换热，得到350℃左右一级冷却气固两相流再经一级冷却除尘装置13除尘后，其中20%左右空气作为回转式低温氢还原炉8的助燃空气进行利用，约80%左右空气作为调温室15的高温空气进行利用；
10、从一级流化床冷却机11排出的200℃左右中温焙烧物料进入到二级流化床冷却机12中，与风机32鼓入的常温空气进行直接换热、冷却水进行间接换热后，从二级流化床冷却机12排出的150℃左右中温空气经二级冷却除尘装置14除尘后，作为调温室15的中温气体进行利用；
11、焙烧物料在二级流化床冷却机12中冷却到100℃左右后，从二级流化床冷却机12排出，由焙烧矿收集装置3收集后再送到磨选工序进行利用。

Claims (9)

1.一种难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，包括给料装置（1）、除尘排放装置（2）和焙烧矿收集装置（3），所述给料装置（1）与除尘排放装置（2）连通，其特征在于：还包括流化加热还原装置（4）和冷却排料装置（5），所述流化加热还原装置（4）包括流态化加热炉（6）、加热物料收集器（7）和低温氢还原炉（8），流化态加热炉（6）的底端设置调温装置（9），流化态加热炉（6）的进料口与给料装置（1）连通，流化态加热炉（4）的出料端通过加热物料收集器（7）与低温氢还原炉（8）连通，低温氢还原炉（8）的进料端设置还原物料给料装置（10），低温氢还原炉（8）的出料端与冷却排料装置（5）连通，低温氢还原炉（8）的高温助燃空气排出端与调温装置（9）连通；所述冷却排料装置（5）与焙烧矿收集装置（3）连通，冷却排料装置（5）包括至少一级流化床冷却机，流化床冷却机的空气进入端设置风机（32），流化床冷却机的空气排出端与调温装置（9）连通。
2.如权利要求1所述的难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，其特征在于：所述冷却排料装置（5）包括一级流化床冷却机（11）和二级流化床冷却机（12），一级流化床冷却机（11）和二级流化床冷却机（12）内均设有空气换热管（34），一级流化床冷却机（11）的进料端与低温氢还原炉（8）的出料端连通，一级流化床冷却机（11）内设有空气换热管（34），一级流化床冷却机（11）的出料端通过与二级流化床冷却机（12）的进料端连通，一级流化床冷却机（11）的出料端设置一级冷却除尘装置（13），二级流化床冷却机（12）的出料端设置二级冷却除尘装置（14），二级冷却除尘装置14上设有两级冷却水结构（33），一级冷却除尘装置（13）和二级冷却除尘装置（14）的排气端分别与调温装置（9）连通。
3.如权利要求2所述的难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，其特征在于：所述调温装置（9）包括调温室（15）和与调温室（15）连通的热风炉（16），调温室（15）分别与一级冷却除尘装置（13）和二级冷却除尘装置（14）连通，热风炉（16）与高温助燃空气排出端（17）连通。
4.如权利要求3所述的难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，其特征在于：所述一级冷却除尘装置（13）的出料端与低温氢还原炉（8）连通，二级流化床冷却机（12）和二级冷却除尘装置（14）的出料端分别与焙烧矿回收装置（3）连通。
5.如权利要求4所述的难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，其特征在于：所述加热物料收集器（7）的废气排出口与给料装置（1）的气体入口连通，低温氢还原炉（8）的烟气出口端设置含尘烟气除尘器（18）与给料装置（1）的气体入口连通，给料装置（1）的排料口和含尘烟气除尘器（18）的出料口分别与低温氢还原炉（8）连通。
6.如权利要求5所述的难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，其特征在于：所述流态化加热炉（6）的进料口设置于炉体下部的侧壁上。
7.如权利要求6所述的难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，其特征在于：所述还原物料给料装置（10）包括还原粒煤料斗（19）、原料回收矿粉料斗（20）和混料机（21），还原粒煤料斗（19）和原料回收矿粉料斗（20）分别与混料机（21）连通。
8.如权利要求7所述的难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，其特征在于：所述流态化加热炉（6）与给料装置（1）之间设置原料收集装置（22），原料收集装置（22）的废气排出端与除尘排放装置（2）连通，除尘排放装置（2）中设置原料矿粉收集器（23）与原料回收矿粉料斗（20）连通。
9.如权利要求8所述的难选铁矿石流化加热低温氢还原装置，其特征在于：所述低温氢还原炉（8）为回转式低温氢还原炉。
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