CN1767894A - 颗粒固体热处理的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于颗粒固体在带旋流室(4)的反应器(1)中热处理的方法，所述的反应器特别是构成闪速反应器或悬浮反应器，其中将微波源(2)的微波射线通过波导管送入反应器(1)，以及涉及一种相应的设备。为了避免波导管中的沉积物，所述的波导管构成供气管(3)，以及另外将气流通过所述的供气管(3)送入旋流室(4)。

Description

颗粒固体热处理的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种颗粒固体在带旋流室的反应器中热处理的方法，所述的反应器尤其是构成闪速反应器或悬浮反应器，其中将微波辐射通过至少一个波导送入反应器，本发明还涉及一种相应的设备。在本方法中，颗粒固体在反应器中形成的流化床中热处理，其中将流化用气体和来自微波源的电磁波(微波)送入构成流化层的反应器流化床。
将微波源与这样的流化床反应器进行耦合存在几种可能方式。它们包括例如开式波导、隙缝天线、耦合环、膜片、装有气体或其他电介质的同轴天线，或用微波穿透的物质封闭的波导管(窗口)。微波与进料导管去耦可用不同的方式进行。
理论上，微波能量可在波导管中无损失地输送。波导管横截面作为含有线圈和电容器的振荡电路向着很高频率的逻辑推导得到。理论上，这样的振荡电路同样可在无损失下操作。在共振频率显著提高的情况下，电振荡电路的线圈变成半缠绕，它对应于波导管截面的一侧。电容器变成板式电容器，它同样对应于波导管截面的两侧。实际上，由于线圈和电容器中的欧姆电阻，振荡电路有能量损失。由于波导管壁中的欧姆电阻，波导管也有能量损失。
通过耦合第二个振荡电路，能量可从电振荡电路分流，所述第二个振荡电路从第一个振荡电路取出能量。类似的是，通过将第二个波导管凸缘安装到第一波导管上，能量可与其去耦(波导变换器)。当第一个波导管在耦合点以后通过短路柱塞(shorting p1unger)关闭时，甚至全部能量都可切换到第二个波导管。
波导管中的微波能量可被导电壁封闭。在壁中，壁电流流动，而在波导管截面中存在电磁场，所述电磁场的强度可为数十千伏/米。当导电天线杆插入波导管时，它可直接消耗电磁场的电势差，通过具有适合的形状也使它在其端部(天线或探针去耦合)再次发出电势差。通过开口进入波导管并与波导管壁在另一点接触的天线杆仍可直接接受壁电流，同样在其端部发出电流。当波导管在天线耦合以后通过短路柱塞关闭时，在这种情况下，全部能量也可从波导管切换到天线。
当波导管中壁电流的场线被隙缝中断时，微波能量通过这些隙缝(隙缝去耦)从波导管出来，因为能量不能在壁中继续流动。矩形波导管中的壁电流平行于波导管宽边中央上的中心线流动，而横切波导管窄边中央上的中心线。所以，宽边中的横向隙缝和窄边中的纵向隙缝使微波辐射与波导管去耦。
微波辐射可在各种几何形状的导电中空部分中传导，只要它们的尺寸不低于特定最小数值。共振条件的准确计算涉及相当复杂的数学，因为麦克斯威尔方程式(非稳态的非线性的微分方程)必需最终用相应的边界条件来解。但是，在矩形或圆形波导管截面的情况下，方程式可简化到这样的程度，以致它们在可解析解，与波导管设计有关的问题变得更清楚，并更容易解。所以，由于相对容易生产，只有矩形波导管或圆形波导管在工业上使用，它们也优选用于本发明。主要使用的矩形波导管在Anglo-Saxon文献中标准化。这些标准尺寸过去在德国采用，这就是为什么奇怪的尺寸部分存在的原因。通常，频率2.45千兆赫的所有工业微波源都装有R26型矩形波导管，其截面为43×86毫米。在波导管中，存在不同的振荡状态：在横向电模(TE模式)中，电场分量横过波导管方向，而磁场分量同波导管方向。在横向磁模(TM模式)中，磁场分量横过波导管方向，而电场分量同波导管方向。两种振荡状态都可在空间中所有方向出现，具有不同振荡模数(例如TE-1-1、TM-2-0)。
从US 5972302中已知一种用于颗粒固体热处理的方法，其中将硫化物矿石进行微波支持的氧化。这一方法主要涉及黄铁矿在流化床中的焙烧，其中送入流化床的微波促进赤铁矿和元素硫的生成，而抑制SO2的生成。在这里使用直接设置在流化床上方的微波源直接照射的固定流化床。微波源或微波的输入点必需与从流化床上升的气体、蒸气和粉尘接触。
EP 0403820 B1公开了一种在流化床中干燥物质的方法，其中微波源安装在流化床外，通过波导管将微波送入流化床。在要处理的固体处常常发生微波射线的反射，从而使效率下降以及可能损坏微波源。在开式微波波导管的情况下，在波导管中还有粉尘沉积物，它吸收部分微波辐射，并可能损坏微波源。
发明概述
所以，本发明的目的是要使微波送入固定流化床或循环流化床更有效，并保护微波源免受到生成的气体、蒸气和粉尘以及反射的微波能量的影响。
根据本发明，这一目的在上述的方法中基本上达到，因为波导管构成供气管，以及除了微波辐射外，还将气流通过供气管送入旋流室。
借助波导管的连续气流，可靠地避免了粉尘或工艺气体进入波导管、波及到微波源和损坏微波源或在波导管中生成固体沉积物。根据本发明，在波导管中，可省去用于防护微波源的微波穿透的窗口，它们通常用于现有技术。所述窗涉及在窗口上粉尘或其他固体的沉积物可削弱和部分吸收微波辐射的问题。所以，本发明的开式波导管是特别有利的。例如，微波源可安装在循环流化床外，微波辐射通过至少一个开式波导管与气流一起送入流化床反应器。
也可以将仍含粉尘的热工艺气体通过中心管或中心气体风嘴构成的供气管送入反应器，所述的工艺气体使固体在旋流室中旋流。但是，因为粉尘颗粒吸收微波射线，含粉尘的气体使微波辐射的效率下降，所以根据本发明，首先将中性的不含粉尘的气体例如冲洗气体通过供气管，所述的中性气体不与反应器中所含的物质反应，并几乎不吸收微波辐射。在这一创新概念的继续发展中，只将含粉尘的气体送入在供气管(中心气体风嘴)前很近的反应器空间。在反应器的循环流化床中热处理的过程中，固体在流化床反应器(闪速反应器或悬浮反应器)、与反应器上部相连的固体分离器和固体分离器与流化床反应器下部相连的返回导管之间连续循环。通常，每小时循环的固体数量为流化床反应器中存在的固体数量的至少三倍。
当通过供气管或中心气体风嘴送入的气流被用于反应器另外的流化时，也就是已通过其他供应导管送入反应器的一部分气体用于使构成波导管的中心气体风嘴脱粉尘时，得到另外的改进。因此，当所用的流化用气体不含粉尘或由于其他原因吸收显著部分送入的微波能量时，可省去提供中性的冲洗气体。
通过构成波导管的中心气体风嘴中连续的气流，可避免固体沉积物，从而得到另一优点。这些固体沉积物使波导管的截面以不希望的方式改变，并吸收一部分在反应器中用于固体的微波能量。由于在中心气体风嘴中能量的吸收，使它升温很多，从而使材料经受强烈的热磨损。此外，中心气体风嘴中的固体沉积物对微波源产生不希望的反馈作用(feedback reaction)。
适合的微波源即电磁波源例如包括磁控管或速调管。此外，也可使用有相应线圈或功率晶体管的高频发生器。微波源产生的电磁波频率通常为300兆赫至30千兆赫。优选的是，使用ISM频率435兆赫、915兆赫和2.45千兆赫。方便的是，可在试验操作中，对每一应用确定最佳频率。
根据本发明，也作为波导管的供气管全部或大部分由导电材料例如铜组成。波导管的长度为0.1-10米。波导管可为直的或弯曲的。优选用圆或矩形截面的段，具体按所用的频率来调整尺寸。
根据本发明，这样调节波导管(供气管)中的气体速度，以致在波导管中的Particle-Froude-Numbers为0.1-100。Particle-Froude-Numbers用以下方程式定义：
Fr P = u ( ρ s - ρ f ) ρ f * d p * g
其中
u＝气流的有效速度，米/秒
ρs＝进入波导管的工艺气体或固体颗粒的密度，公斤/米3
ρf＝波导管中冲洗气体的有效密度，公斤/米3
dp＝在反应器操作过程中反应器藏量颗粒(或形成的颗粒)的平均直径，米
g＝重力常数，米/秒2。
为了防止固体颗粒或反应生成的工艺气体进入波导管，例如作为冲洗气体的气体流过波导管。固体颗粒例如可为反应器中存在的粉尘颗粒或也是经处理的固体。工艺气体在反应器中发生的反应过程中产生。通过规定特定Particle-Froude-Numbers，当调节气体速度时，根据本发明考虑进入固体颗粒或工艺气体与冲洗气体的密度比，除了气流速度外，所述的比决定气流是否可携带进入的颗粒。从而可防止物质进入波导管。对于要处理的固体来说，采用波导管中的上述Particle-Froude-Numbers使反应器中存在良好的工艺条件。对于大多数应用来说，在波导管中2-30的Particle-Froude-Numbers是优选的。
流化床中的温度例如为150-1200℃，并可推荐采用将另外的热送入流化床，例如通过间接换热。为了在流化床中测量温度，可使用绝缘的传感元件、辐射高温计或光纤传感器。
要用本发明方法处理的颗粒固体例如可为矿石，特别是硫化物矿石，它们例如用于回收金、铜或锌。此外，循环的物质例如含锌的加工氧化物或废弃物质也可在流化床中热处理。如果硫化物矿石例如含金的砷黄铁矿用本方法处理，那么硫化物转化成氧化物，而用适合的步骤，优选生成元素硫，只有少量的SO2。本发明的方法以有利的方式使矿石的结构松解，以致随后的金浸析有提高的产率。热处理优选生成的硫化砷铁(FeAsS)可很容易处理。方便的是，要处理的固体至少部分吸收所用的电磁辐射，从而使床加热。令人吃惊地发现，特别是在高场强下处理的材料可更容易浸析。常常是，还可实现其他技术优点，例如缩短停留时间或降低所需的工艺温度。
此外，本发明还涉及一种特别是实施上述用于颗粒固体热处理方法的设备。本发明的设备包括带旋流室的反应器，它特别是构成闪速反应器或悬浮反应器，还包括设置在反应器外的微波源，以及包括用于将微波辐射送入反应器的波导管，其中波导管构成供气管，除了微波辐射外，气流也可通过波导管送入旋流室。气流用于在反应器的旋流室中产生循环流化床。
从以下实施例和附图的描述也可了解到本发明的发展、优点和可能的应用。所描述和/或说明的所有特点本身或任何组合属于本发明的主题，而与其包含于权利要求书或其在前引用的相互独立。
附图简介
在附图中
图1表示本发明波导管耦合的闪速反应器的示意图。
优选实施方案的详述
图1表示一个实施本发明方法用于颗粒固体在循环流化床中热处理的设备。
所述的设备包括一个构成闪速反应器的反应器1，要处理的颗粒固体从固体料斗5通过供料导管6送入反应器1。固体进入反应器1的旋流室4，并被通过供气管3送入的气流夹带，以致它们在旋流室4中形成循环流化床。为此，供气管特别是可构成中心气体风嘴。为了将必需的热量送入在反应器1中发生的反应过程，在反应器上游提供用作燃烧室的微波源2，微波射线从该微波源通过构成波导管的供气管3送入反应器空间(旋流室4)。反应器1中的固体吸收送入的微波辐射，从而加热到所需希望的工艺温度。
同时，将冲洗气体通过导管7经供气管3(中心气体风嘴)送入旋流室4，在那里它使固体旋流。供气管3中的Particle-Froude-NumberFrp为约25。在旋流室4中，Particle-Froude-Number Frp为约6，根据各自工艺可能产生偏差。由于技术原因，也可将冲洗气体例如流化用气体预热。可任选将另外的气体例如含粉尘的热工艺气体通过进料导管8送入供气管。在供气管3接通旋流室4的之前的附近提供该另外的气体，以致微波射线无阻碍地冲击在固体上，而不被工艺气体中的粉尘吸收。因此，达到微波辐射的高效率。
在旋流室4中，然后发生固体与工艺气体的希望反应。随后含固体的气体流入反应器1的上部，从那它与夹带的固体一起通过出口9流入分离器10，在分离器前方，气体通过导管11排出。将分离出的固体从分离器10的底部通过返回导管12循环回反应器1的旋流室4，也可通过排料导管13取出一部分细颗粒的固体。
为了使微波更有效地送入带循环流化床的反应器1特别是闪速反应器，同时又使微波源2不受气体、蒸气、粉尘和反射的微波射线的影响，将本发明的微波源设置在反应器1外。微波辐射通过至少一个开式波导管送入反应器1的旋流室，波导管构成供气管3，除了微波辐射外，气流也通过它送入反应器1，以便形成循环流化床。
实施例(菱镁矿的焙烧)
下表示出用于菱镁矿焙烧的典型方法参数。为了比较，示出有和没有本发明微波辐射的数据。辐射微波的频率为2.45千兆赫。将全部流化用空气通过导管7送入。在这一实施例中，不通过导管8混入其他工艺气体。
  进料反应器类型操作方式流速粒度流化用空气，炉入口温度能量输入燃料油微波产品质量焙烧损失   菱镁矿单位公斤/小时100％标米3/小时℃升/小时千瓦％ 传统的闪速反应器连续的252＜0.20毫米30075028.502.3 微波支持的闪速反应器+微波连续的245＜0.20毫米30072026.560.4
用所提出的方法产品质量可显著提高。
参考数表
1   反应器
2   微波源
3   供气管，中心气体风嘴，波导管
4   旋流室
5   固体料斗
6   供料导管
7   导管
8   进料导管
9   出口
10  分离器
11  导管
12  返回导管
13  排出导管

Claims (8)

1.一种用于颗粒固体在带旋流室(4)的反应器(1)中热处理的方法，所述的反应器特别是构成闪速反应器或悬浮反应器，其中将微波源(2)的微波辐射通过波导管送入反应器(1)，其特征在于，波导管构成供气管(3)，以及另外将气流通过所述的供气管(3)送入旋流室(4)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，通过供气管(3)送入的气流用于旋流室(4)中形成的流化床的附加流化。
3.根据权利要求1或2中任一项的方法，其特征在于，借助送入供气管(3)的气流，避免供气管(3)中的固体沉积物。
4.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于，使用的微波辐射的频率为300兆赫至30千兆赫，优选频率为435兆赫，915兆赫和2.45千兆赫。
5.根据上述权利要求中任一项的方法，其特征在于，反应器(1)中的温度为150-1200℃。
6.一种特别是用于实施权利要求1-5任一项的方法的颗粒固体热处理的设备，所述的设备包括带旋流室(4)的反应器(1)，它特别是构成闪速反应器或悬浮反应器，还包括设置在反应器(1)外的微波源(2)，以及包括将微波辐射送入反应器(1)的波导管，其特征在于，波导管构成供气管(3)，气流可另外通过它送入旋流室(4)。
7.根据权利要求6的设备，其特征在于，供气管(3)有矩形或圆形截面，其尺寸特别是根据所用的微波辐射的频率调节。
8.根据权利要求6或7的设备，其特征在于，供气管(3)的长度为0.1-10米。
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