CN114485168B - 一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统，属于矿物加工技术领域。一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统，所述系统包括依次设置的预氧化焙烧装置和流态化焙烧装置，物料经由预氧化焙烧装置顶部排出后进入流态化焙烧装置顶部的给料口，其中，所述流态化焙烧装置包括垂直于地面设置的流态化还原反应器及作用于该流态化还原反应器的声波发生装置和加热装置；所述流态化还原反应器内部被垂直于地面方向设置的隔板分为两个区域，两个区域在流态化还原反应器底部相通。本发明所述系统能够使用声波将聚团颗粒打散，增大气固两相间的接触面积，使铁矿物与气体充分反应，提高生产效率，提高产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统，属于矿物加工技术领域。
背景技术
矿产资源使国民经济建设与社会发展的重要物质基础，而铁矿资源是发现最早、利用最广的矿产资源，也是最为重要的战略性资源之一。我国铁矿资源较为丰富，但难选贫杂铁矿石比例较大，主要表现在矿物嵌布粒度细、组成复杂、铁品位低。“流态化还原焙烧-磁选”是目前公认的高效处理难选贫杂铁矿石的选别工艺。但是，为了使铁矿石能够完全解离，通常会将矿石超细磨，所以会有大量的微细粒物料进入选冶流程，给铁资源的回收利用带来极大的困难。微细粒物料会在反应过程中发生团聚、吸附，从而使还原反应不充分、不均匀，极大降低最终的铁精矿的TFe品位和Fe回收率。因此，研制新型的流态化焙烧反应装置，对提升难处理铁矿反应效率、增强磁化焙烧-磁选工艺分选效果具有重大意义。
发明内容
本发明目的是提供一种基于声波作用提高微细粒铁矿石磁化焙烧效率的流态化焙烧系统，通过在还原反应器周围加入稳定声场，通过声波将焙烧过程中相互吸引团聚、粘连的颗粒打散，减少反应过程中微细粒团聚现象的发生，合理控制反应中颗粒的流动行为，使气体与铁矿石反应充分，提高焙烧效率。
一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统，所述系统包括依次设置的预氧化焙烧装置和流态化焙烧装置，物料经由预氧化焙烧装置顶部排出后进入流态化焙烧装置顶部的给料口，其中，
所述流态化焙烧装置包括垂直于地面设置的流态化还原反应器及作用于该流态化还原反应器的声波发生装置和加热装置；所述流态化还原反应器内部被垂直于地面方向设置的隔板分为两个区域，两个区域在流态化还原反应器底部相通。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统优选地，所述预氧化焙烧装置包括垂直于地面设置的悬浮态预氧化反应器及作用于该悬浮态预氧化反应器的声波发生装置和加热装置。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统优选地，所述流态化还原反应器的主体为一垂直于地面设置的腔体容器；流态化还原反应器的顶板和腔体共同固定一隔板，所述隔板将腔体分为空间相等的松动反应腔室和流化反应腔室，两个腔室在流态化还原反应器底部相通；所述腔体底部设置两个分别对应两个腔室的进气口。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统优选地，所述松动反应腔室顶部连通流化态还原反应器进料口；所述流化反应腔室连通流化态还原反应器出料口。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统优选地，所述悬浮态预氧化反应器的主体为一垂直于地面设置的腔体容器，腔体底部设有一进气口；在腔体容器的侧壁上设置进料口，进料口通过管道通道连通垂直设置的原料预热器。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统优选地，所述预氧化焙烧装置和流态化焙烧装置中，所述声波发生装置产生的声波方向与腔体中颗粒的运动方向垂直。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统优选地，所述预氧化焙烧装置和流态化焙烧装置中，所述声波发生装置为设置于腔体外部的若干扬声器，扬声器与信号放大器相连。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统优选地，所述系统包括两个旋风分离器，预氧化反应器的顶端通过物料通道与1#旋风分离器的进料口相连，1#旋风分离器的出料口通过物料通道与位于流态化反应器顶端的进料口相连接。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统优选地，所述流态化还原反应器流化反应腔室的顶端通过物料通道与2#旋风分离器的进料口相连，2#旋风分离器的出料口连通流态化还原反应器松动反应腔室。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统优选地，所述有加热装置包括用于控制加热装置的温控系统。
本发明的原理是：矿粉在550～750℃的温度下进行预氧化焙烧，其中的结晶水、吸附水以其他挥发组分脱出，颗粒间因为摩擦力、静电力而相互聚集，声波作用能将矿粉团打散，提高预氧化阶段的传质传热效率，获得高质量预氧化产品；预氧化产品在470～600℃的温度下进行还原焙烧，弱磁性的Fe2O3被还原为强磁性的Fe3O4，磁性颗粒相互吸引而发生团聚，声波作用能将矿粉聚团打散，保证物料在流态化焙烧过程中保持松散的状态，提高气固两相间的反应效率和焙烧效率；还原产物以水冷方式进行冷却，防止未冷却的Fe3O4与空气接触重新被氧化被Fe2O3；冷却的还原产物经弱磁选分离出磁性产品，同时保证了铁品位和回收率。
本发明的有益效果为：与常规焙烧-磁选方法相比，本发明所涉及的方法能够提高从微细粒难选贫杂铁矿中回收铁的效率；采用气基方法进行焙烧，使物料在反应器中呈流态化，相较于传统的静态焙烧方法，提高了焙烧系统的传质传热效率，实现了对难选铁矿的高效还原；特别在反应器两侧加装了声波发生装置，能够使用声波将聚团颗粒打散，增大气固两相间的接触面积，使铁矿物与气体充分反应，提高生产效率，提高产品质量；本方法工艺流程简单，反应条件易控制，有十分光明的产业化前景。
附图说明
图1为本发明实施例中基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧装置的结构示意图，
附图标记如下：1、料仓，2、螺旋给料机，3、矿粉预热器，4、悬浮态预氧化反应器，5、预氧化反应器给料口，6、预氧化阶段声波发生装置，7、空气进气管，8、空气预热器，9、预氧化反应器电加热，10、电加热控制系统，11、1#旋风分离器，12、风机，13、流态化还原反应器，14、还原反应器给料口，15、还原反应器内隔板，16、1#还原气进气管，17、2#还原气进气管，18、还原气预热器，19、还原阶段声波发生装置，20、还原反应器电加热，21、2#旋风分离器，22、还原反应器出料口，23、水冷接矿槽。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
具体实施方式之一：
一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统，所述系统包括依次设置的预氧化焙烧装置和流态化焙烧装置，物料经由预氧化焙烧装置顶部排出后进入流态化焙烧装置顶部的给料口。具体地，该流态化焙烧系统包括下述设备单元及连接设备单元的管道：料仓1、螺旋给料机2、矿粉预热器3、悬浮态预氧化反应器4、预氧化反应器给料口5、预氧化阶段声波发生装置6、空气进气管7、空气预热器8、预氧化反应器电加热9、电加热控制系统10、1#旋风分离器11、风机12、流态化还原反应器13、还原反应器给料口14、还原反应器内隔板15、1#还原气进气管16、2#还原气进气管17、还原气预热器18、还原阶段声波发生装置19、还原反应器电加热20、2#旋风分离器21、还原反应器出料口22、水冷接矿槽23。
料仓1出料口下方正对螺旋给料机2的储料槽；螺旋给料机2出料口与矿粉预热器3的接料口相连接；矿粉预热器3通过物料通道与悬浮态预氧化反应器进料口5相连接；声波发生装置6位于悬浮态预氧化反应器4的两侧，悬浮态预氧化反应器4外部包裹电加热装置9；空气进气口7通过导管与空气预热器8连接，空气预热器8与悬浮态预氧化反应器4的底部连通；悬浮态预氧化反应器4的顶端通过物料通道与1#旋风分离器11的进料口相连；流态化还原反应器13内部有隔板15，隔板15镶嵌于流态化还原反应器15顶部的正中间使反应器腔体被分为完全相等的两个腔室；1#旋风分离器11的出料口通过物料通道与流态化反应器15的进料口14相连接，进料口14位于还原反应器顶端；1#还原气进气口16和2#还原气进气口17各通过导管连接还原气预热器18，还原气预热器18与流态化还原反应器13底部连通；声波发生装置19位于流态化还原反应器13两侧，流态化反应器13外部包裹电加热装置20；电加热控制系统10与电加热装置9、电加热装置20连接，可对不同电加热装置分别控制；流态化还原反应器13后端(此处将接收来自悬浮态预氧化反应器4的预氧化产品的松动反应腔室定义为流化态还原反应器的前端；相应的流化反应腔室为后端)侧壁上设置有出料口22，流化反应腔室的顶端通过物料通道与2#旋风分离器21，2#旋风分离器21的出料口连通流态化还原反应器松动反应腔室；1#旋风分离器11和2#旋风分离器21均与风机12连接；出料口22通过物料通道与水冷接矿槽23相连。
上述系统中，所述的物料入口处均为连续给料，防止气体从物料入口向四周溢出。
上述系统中，矿粉预热器3内部装有温度传感器，外壁装置加热保温层，加热/保温范围为500～750℃。
上述系统中，预氧化阶段声波发生装置6和还原阶段声波发生装置19包括信号放大器和扬声器两部分。
上述系统中，矿粉预热器3、悬浮态预氧化反应器4、1#旋风分离器11、2#旋风分离器21、空气预热器8、还原气预热器18、流态化还原反应器13、还原反应器内部隔板15以及各物料通道的外壁材料均为高纯氧化铝。
上述系统中，还原反应器内部隔板15将还原反应器13平均分为两个部分，与进料口14相连的为前端松动反应腔室，与出料口22相连的为后端流化反应腔室，还原反应器13内焙烧温度处处相同。
上述系统中，还原反应器内隔板15的长度为筒体总高度1/2～3/4。
上述系统中，还原反应器初始加料厚度应高于隔板15的下沿，形成锁气结构，防止还原气向四处溢出。
本发明的基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统的使用方法按以下方法进行：
1、将难选贫杂铁矿经破碎磨细后给入料仓1内；所述的难选贫杂铁矿的铁品位TFe≥15％；上所述矿粉中粒径＜0.038mm的部分占总质量的50～90％；
2、开启风机12，使悬浮态预氧化反应器4、1#旋风分离器11、流态化还原反应器13、2#旋风分离器19内部呈负压状态；负压与气流共同作用，引导物料在焙烧装置中的走向；
3、料仓1中的微细粒物料经过螺旋给料机2给入矿粉预热器3，预热的矿粉经过物料通道给入悬浮态预氧化反应器4；空气通过导管经过空气预热器8加热后从预氧化反应器底部14给入，与负压共同作用，将物料提升至预氧化反应器4顶部；开启电加热装置9和声波发生装置6；矿粉在提升过程中并被加热至550～750℃进行预氧化焙烧反应，同时聚团颗粒被声波打散，物料始终保持松散的状态以一定的速度上升；
4、预氧化产品经过物料通道进入1#旋风分离器11的入料口，经过气固分离作用，固体物料通过物料通道由进料口14进入流态化还原反应器13；开启电加热装置20和声波发生装置19；还原气通过1#进气管16和2#进气管17分别经过还原气预热器18从流态化还原反应器底13部给入；矿粉呈流态化状态并被加热至470～600℃进行还原焙烧反应，同时由于磁性颗粒相互吸引而产生的颗粒聚团被打散，物料始终保持松散的状态以一定的速度在气流与负压的共同作用下从出料口22排出；由出料口22排出的还原产品经过物料通道进入水冷接矿槽23进行冷却；对冷却的还原产品进行弱磁选，磁性产品即为铁精矿。
上述方法中，难选贫杂矿石主要为赤(褐)铁矿、菱铁矿、针铁矿等。
上述方法中，破碎机选用颚式破碎机。
上述方法中，磨矿机选用球磨机。
上述步骤2中，螺旋给料机2的给料速度为30～120kg/h。
上述步骤2中，预氧化焙烧的主要反应式为：
Fe2O3·nH2O→Fe2O3+nH2O、FeCO3+O2→Fe2O3+CO2。
上述步骤2中，预氧化反应器4中的铁矿物颗粒的停留时间为1～2min。
上述步骤2中，空气的气速为0.1～2m/s，空气气速的设置需考虑给料的密度、粒度以及黏性，需要维持预氧化反应器4中的物料向上运动同时保证物料在反应器内停留足够的时间。
上述步骤2和3中，声波发生装置选用扬声器，同时扬声器与信号放大器相连。
上述步骤2和3中，声波发生装置6和19产生的声波频率为30～50Hz，声压级为80～120dB。
上述步骤3中，还原气为氮气与CO、H2的混合气，还原反应主要的反应式为：Fe2O3+H2/CO→Fe3O4+H2O/CO2。
上述步骤3中，还原气中CO/H2和氮气的体积流量比为1：(1～3)。
上述步骤3中，预氧化产品在还原反应器13中停留的时间为10～25min。
上述步骤3中，还原气的气速为0.1～2m/s，还原气气速的设置需考虑预氧化产品的密度、粒度以及黏性，需要维持还原反应器中的物料向上运动同时保证物料在反应器内停留足够的时间。
上述步骤4中，弱磁选采用湿式磁选机。
上述步骤4中，弱磁选场强为1000～2000Oe。
上述方法中，铁精矿的铁品位为TFe≥60％。
上述方法中，铁的回收率≥85％。
本发明中流态化反应器锁气结构原理：流态化还原反应器内设有隔板，将内部空间分隔为松动反应腔室和流化反应腔室两部分，隔板的顶边和侧边与反应器的顶部和侧部固定相连；隔板的上下高度为反应器总高度的1/2～3/4，在反应器底部留下一条水平通道；松动反应腔室上部设置有进料口，流化反应腔室侧壁上端设置有出料口；反应器底部设置有1#还原气进气管和2#还原气进气管，分别为松动风和流化风入口。
本发明中流态化反应器锁气结构的工作方法：进料口处连续给入物料，微细粒物料在松动反应腔室逐渐堆积，直至物料层高于隔板下缘；通过1#还原气进气管给入松动风，通过2#还原气进气管给入流化风，二者共同作用，使物料不断向流化反应室运动；流化反应室内物料不断堆积，最终在气流作用下，物料从出料口排出。
本发明实施例中，声波发生装置选用扬声器，同时扬声器与信号放大器相连。
本发明实施例中，还原气为氮气与CO、H2的混合气。
实施例1
基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统如图1所示，包括料仓1、螺旋给料机2、矿粉预热器3、悬浮态预氧化反应器4、预氧化反应器给料口5、预氧化阶段声波发生装置6、空气进气管7、空气预热器8、预氧化反应器电加热9、电加热控制系统10、1#旋风分离器11、风机12、流态化还原反应器13、还原反应器给料口14、还原反应器内隔板15、1#还原气进气管16、2#还原气进气管17、还原气预热器18、还原阶段声波发生装置19、还原反应器电加热20、2#旋风分离器21、还原反应器出料口22、水冷接矿槽23；料仓1的出料口下方正对螺旋给料机2的储料槽，螺旋给料机出料口与矿粉预热器3的进料口相连接；矿粉预热器3通过物料通道与预氧化反应器进料口5相连接；声波发生装置6位于悬浮态预氧化反应器4的两侧，悬浮态预氧化反应器4外部包裹电加热装置9；空气进气口7通过导管与空气预热器8连接，空气预热器8与悬浮态预氧化反应器4的底部连通；悬浮态预氧化反应器4的顶端通过物料通道与1#旋风分离器11的进料口相连；流态化还原反应器13内部有隔板15，隔板13镶嵌于流态化还原反应器15顶部的正中间且二者宽度一致，将流态化还原反应器15平均分隔为两部分，隔板15的长度为筒体总高度3/4；1#旋风分离器11的出料口通过物料通道与流态化反应器15的进料口14相连接，进料口14位于还原反应器顶端；1#还原气进气口16和2#还原气进气口17各通过导管连接还原气预热器18，还原气预热器18与流态化还原反应器底部连通；声波发生装置19位于流态化还原反应器13两侧，流态化反应器13外部包裹电加热装置20；电加热控制系统10与电加热装置9、电加热装置20连接，可对不同电加热装置分别控制；流态化还原反应器13后端上部设置有出料口22，上部与2#旋风分离器21相连；1#旋风分离器11和2#旋风分离器21均与风机12连接；出料口22通过物料通道与水冷接矿槽23相连。
本实施例按以下方法进行：
1、将难选贫杂铁矿经破碎磨细后给入料仓1内；所述的难选贫杂铁矿的铁品位TFe≥15％；上所述矿粉中粒径＜0.038mm的部分占总质量的50～90％；
2、开启风机12，使悬浮态预氧化反应器4、1#旋风分离器11、流态化还原反应器13、2#旋风分离器19内部呈负压状态；负压与气流共同作用，引导物料在焙烧装置中的走向；
3、料仓1中的微细粒物料经过螺旋给料机2给入矿粉预热器3，预热的矿粉经过物料通道给入悬浮态预氧化反应器4；空气通过导管经过空气预热器8加热后从预氧化反应器底部给入，与负压共同作用，将物料提升至预氧化反应器顶部；开启电加热装置9和声波发生装置6；矿粉在提升过程中并被加热至550～750℃进行预氧化焙烧反应，同时聚团颗粒被声波打散，物料始终保持松散的状态以一定的速度上升；
4、预氧化产品经过物料通道进入1#旋风分离器11的入料口，经过气固分离作用，固体物料通过物料通道由进料口14进入流态化还原反应器13；开启电加热装置20和声波发生装置19；还原气通过1#进气管16和2#进气管17分别经过还原气预热器18从还原反应器底部给入；矿粉呈流态化状态并被加热至470～600℃进行还原焙烧反应，同时由于磁性颗粒相互吸引而产生的颗粒聚团被打散，物料始终保持松散的状态以一定的速度在气流与负压的共同作用下从出料口22排出；由出料口22排出的还原产品经过物料通道进入水冷接矿槽23进行冷却；对冷却的还原产品进行弱磁选，磁性产品即为铁精矿。
上述方法中，选用的难选贫杂铁矿铁品位TFe为15.70％，矿石化学成分分析结果见表1，铁物相分析结果见表2；经过破碎磨细后，矿粉中粒径＜0.038mm的部分占总质量的85％；
上述方法中，螺旋给料机2的给料速度为60kg/h；
上述方法中，矿粉预热器3的温度设置为700℃；
上述方法中，预氧化反应器电加热装置9设置为650℃；
上述方法中，空气预热器8设置为700℃；
上述方法中，空气进气管7中空气流速为1.2m/s；
上述方法中，预氧化焙烧阶段声波发生装置6产生的声波频率为50Hz、声压强度为90dB；
上述方法中，流态化还原反应器电加热20温度设置为520℃；
上述方法中，还原气预热器18温度设置为550℃；
上述方法中，还原气进气管中还原气流速为0.8m/s，H2和N2的体积流量比为1：3；
上述方法中，还原焙烧阶段声波发生装置19产生的声波频率为50Hz、声压强度为100dB；
上述方法中，破碎机选用颚式破碎机，磨矿机选用球磨机；
上述方法中，使用湿式磁选机对还原产品进行弱磁选，选别场强为1500Oe，磁性产品即为铁精矿；
上述方法中，焙烧熟料经过磁选后可获得TFe品位62.17％、回收率86.02％的磁选铁精矿产品。
表1矿石化学成分分析/％
表2铁化学物相分析结果/％
实施例2
本实施例选用装置及其使用方法同实施例1，不同点在于：
(1)本实施例使用得矿样为甘肃地区某选厂矿石，属赤(褐)铁矿型复杂难选铁矿石；
(2)矿石化学成分分析见表3，矿石中TFe品位为51.66％，FeO含量为0.23％，SiO2含量为4.29％，该矿物主要有价元素为铁，主要杂质成分为硅；
(3)铁物相分析结果见表4，赤(褐)铁矿中的铁为50.54％，铁占有率为97.97％，该矿的主要回收对象为赤(褐)铁矿；
(4)矿石采用磨矿机磨细至0.038mm物料占比为75％；
(5)螺旋给料机给矿速度为40kg/h；
(6)预氧化反应器电加热温度设置为700℃，空气预热至750℃，空气流速为1.0m/s；
(7)预氧化反应器声波频率为40Hz，声压级为80dB；
(8)还原反应器电加热温度设置为550℃，还原气预热至600℃，还原气气速为0.6m/s，CO：N2的体积流量为1：2.5；
(9)还原反应器声波频率60Hz，声压级为100dB；
(10)弱磁选磁场强度为1000Oe，铁精矿TFe品位63.56％，Fe回收率92.18％。
表3矿石化学成分分析/％
表4铁化学物相分析结果/％
Claims (3)
1.一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧系统，其特征在于：所述系统包括依次设置的预氧化焙烧装置和流态化焙烧装置，物料经由预氧化焙烧装置顶部排出后进入流态化焙烧装置顶部的给料口，其中，
所述流态化焙烧装置包括垂直于地面设置的流态化还原反应器及作用于该流态化还原反应器的声波发生装置和加热装置；所述流态化还原反应器内部被垂直于地面方向设置的隔板分为两个区域，两个区域在流态化还原反应器底部相通；
所述预氧化焙烧装置包括垂直于地面设置的悬浮态预氧化反应器及作用于该悬浮态预氧化反应器的声波发生装置和加热装置；
所述流态化还原反应器的主体为一垂直于地面设置的腔体容器；流态化还原反应器的顶板和腔体共同固定一隔板，所述隔板将腔体分为空间相等的松动反应腔室和流化反应腔室，两个腔室在流态化还原反应器底部相通；所述腔体底部设置两个分别对应两个腔室的进气口；
所述松动反应腔室顶部连通流化态还原反应器进料口；所述流化反应腔室连通流化态还原反应器出料口；
所述悬浮态预氧化反应器的主体为一垂直于地面设置的腔体容器，腔体底部设有一进气口；在腔体容器的侧壁上设置进料口，进料口通过管道通道连通垂直设置的原料预热器；
所述预氧化焙烧装置和流态化焙烧装置中，所述声波发生装置产生的声波方向与腔体中颗粒的运动方向垂直；
所述预氧化焙烧装置和流态化焙烧装置中，所述声波发生装置为设置于腔体外部的若干扬声器，扬声器与信号放大器相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述悬浮态预氧化反应器的顶端通过物料通道与1#旋风分离器的进料口相连，1#旋风分离器的出料口通过物料通道与位于流态化反应器顶端的进料口相连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述流态化还原反应器流化反应腔室的顶端通过物料通道与2#旋风分离器的进料口相连，2#旋风分离器的出料口连通流态化还原反应器松动反应腔室。
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