CN1932049A - 热回收型氧化锰矿石微波还原焙烧工艺及设备 - Google Patents

Abstract

一种热回收型氧化锰矿石微波还原焙烧工艺，用微波加热炉进行氧化锰矿石的还原焙烧、用热风循环技术回收余热；其工艺参数为：还原煤与氧化锰矿粉的重量比为15％－18％，原料矿粉颗粒度－100目≥85％，还原焙烧温度380℃－450℃，还原焙烧反应时间≥5分钟，物料最终出口温度≤80℃。所用工艺设备是微波加热炉及在其上方的预热仓、下方的冷却仓，在预热仓和冷却仓之间有热风管连接。使用本发明的焙烧工艺及设备，可获得如下技术指标：还原率：≥92％，煤耗：≤180kg/吨矿，常温进料时微波能耗：210－240kw.h；采用热回收技术时在200℃时进料，微波能耗≤110kw.h/吨矿；系统设备总能耗：≤140kw.h/吨矿。

Description

热回收型氧化锰矿石微波还原焙烧工艺及设备

                              技术领域

本发明涉及采用微波技术来还原焙烧氧化锰矿石并回收余热的工艺和设备领域。

                              背景技术

氧化锰矿石的还原焙烧是锰矿石深加工工艺中的一个重要环节，在目前工业生产中采用的还原焙烧装备主要有反射炉、竖炉、回转窑、流态化焙烧炉等。上述炉具中，反射炉热耗高、生产效率低、劳动条件恶劣、环境污染严重，我国新的行业标准已明令禁止使用；竖炉适应的矿物粒度范围小、矿石透气性差、还原效果不理想；回转窑能耗高、加热体(镍铬丝)使用寿命短、炉内铁壳氧化层常有脱落、炉具损耗大且对矿石污染较严重；流态化焙烧炉热耗高、烟尘大、配套设备较复杂。因此，研究开发节能降耗、清洁环保、劳动强度低的氧化锰还原焙烧工艺及装备已成为行业的科研重点之一。

近年来，吉林大学、昆明理工大学对微波技术在冶金行业的应用进行了较深入的研究。据《微波促进MnO₂分解的动力学》(中国有色金属学报，1998.9)报道：应用微波技术对MnO₂(化学纯级，98.5％)进行加热分解可取得良好效果。

MnO₂的加热分解是分步进行的，即

       MnO₂→Mn₂O₃→Mn₃O₄

其中，在MnO₂→Mn₂O₃环节，微波加热分解速率比传统加热提高了2.18～16.71倍，在Mn₂O₃→Mn₃O₄环节，微波加热分解速率比传统加热提高了1.85～78.86倍。同时，利用微波对锰矿石进行加热分解，还可以在较低的温度下进行：微波加热至347℃时矿石还原反应速率与传统加热至900℃时的反应速率相等；当传统加热至1000℃时，矿石的分解速率与微波加热至437℃时的反应速率相等；在同样速率下，微波加热所需的反应温度比传统加热所需的反应温度相差553℃～563℃，用微波加热代替传统加热可使反应过程的能耗大幅降低。

但是以上研究仅提到从MnO₂→Mn₃O₄环节，且只在实验室的理想状态下(化学纯级)进行；而要实现采用微波技术从矿石中直接将MnO₂还原得到MnO，还有如下问题：

1.氧化锰矿石的氧化锰含量一般只有35％-50％，低品位的甚至只有30％；其理化状态与纯MnO₂有很大区别，热解及还原差别也很大。氧化锰矿石的还原煤配比、粒度、还原焙烧温度、时间等参数均会直接影响到实际生产中氧化锰矿石的还原率、结焦与否、成本高低等。

2.还原焙烧后的后续降温冷却以及余热利用问题：还原焙烧后的氧化锰矿石需在隔绝空气的前提下冷却到一定温度下才能保证不被重新氧化。实践表明，虽然氧化锰的还原焙烧可以在较低温度下进行，但在较低温度下同样也可能会再氧化。在实验室，焙烧后可以用水直接浇淋强制冷却，但在工业化生产中因后续工艺及可操作性的要求，不可能采取水直接浇淋，必须研究合理的后续强制降温冷却的方法，并充分利用余热，降低热损失。

3.工业化生产要求氧化锰矿石的还原焙烧能连续、均衡且处理量大；但一般的微波装置不能完全满足这些要求，必须设计适合的微波加热装置。

                              发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种产能高、质量好且可大幅降低能耗的热回收型氧化锰矿石微波还原焙烧工艺及设备。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

本发明采用的工艺参数如下：

(1).还原煤与氧化锰矿粉的重量比为15％-18％；

(2).原料矿粉颗粒度-100目≥85％；

(3).还原焙烧温度380℃-450℃；

(4).还原焙烧反应时间≥5分钟；

(5).物料最终出口温度≤80℃。

实施本发明的专用设备结构是：

在微波加热炉的上方有预热仓，下方有冷却仓，在预热仓上部和冷却仓下部之间、预热仓下部和冷却仓上部之间分别有热风循环管连接。

微波加热炉是重力式竖炉结构，炉膛截面为竖长方形，炉膛的宽度或直径小于166mm。

在预热仓和冷却仓内腔上中部均有许多分流板。

使用本发明的热回收型氧化锰矿石微波还原焙烧工艺及设备，可获得如下生产技术指标：还原率：≥92％，煤耗：≤180kg/吨矿，常温进料时微波能耗：210-240kw.h/吨矿；采用热回收技术在200℃时进料时，微波能耗≤110kw.h/吨矿；系统设备总能耗：≤140kw.h/吨矿。本发明的技术充分利用了余热，显著降低了能耗；实现了产能大，连续化生产，而且达到洁净化生产，杜绝了烟尘的产生。

                              附图说明

图1是本发明热回收型氧化锰矿石微波还原焙烧工艺及设备的流程框图；

图2是本发明热回收型氧化锰矿石微波还原焙烧工艺所用设备的结构示意图；

图3是图2所示设备中的冷却仓的结构示意图；

图4是图2所示设备中的微波加热设备的结构示意图。

                              具体实施方式

在研究本发明的热回收型氧化锰矿石微波还原焙烧工艺中，要解决的主要问题是氧化锰矿石微波还原焙烧的工艺路线、工艺参数、设备配置、还原焙烧的后续强制冷却方法及如何利用余热，以及微波加热装置的结构形式和核心参数。

本发明氧化锰矿石微波还原焙烧的工艺参数如下：

(1).还原煤与氧化锰矿粉的配比为15％-18％(重量％比，以下同)；

(2).原料矿粉颗粒度-100目85％以上，但不宜过细，控制最小粒度-325目在1％以下；

(3).还原焙烧温度380℃-450℃；

(4).还原焙烧反应时间不低于5分钟；

(5).物料最终出口(即隔离星阀14处)温度≤80℃。

实施本发明的专用设备结构是：在微波加热炉5的上方有预热仓4，下方有冷却仓7。在预热仓上部和冷却仓下部之间、预热仓下部和冷却仓上部之间分别用热风管11和热风管12连接。

在预热仓和冷却仓内腔上中部均有许多分流板17，冷却仓顶部和底部分别有星阀6、星阀14，侧面有进气口22、出气口23；预热仓顶部有星阀3，两仓其余部分结构相同。

微波还原焙烧的基本工艺过程如下：

合格的煤粉和锰矿粉按设计配比进入混料机1搅拌混匀后进入缓冲料仓2，再从进料星阀3进入预热仓4，在预热仓4内按图2中的空心箭头方向下落，与由循环热风机8送出、经热风管12送来的温度高于350℃、按图2中实心箭头方向上行的高温热风逆行相遇，在相向运动过程中完成换热，矿煤粉预热升温后继续下落，热气流则被降温到设计的温度(约50℃)后通过循环热风机9和热风管道11返回到冷却仓7；热矿煤粉继续下落进入微波加热炉5进行还原焙烧；还原焙烧合格后的高温矿煤粉由出料星阀6送出、经料管15进入冷却仓7，在冷却仓7内自上至下下落，由循环热风机9通过热风管道11送过来的循环冷风在仓内自下而上流动，两者在逆向运动过程中完成换热，达到物料降温冷却的目的；物料被降温到80℃以下并经保温一段时间后通过隔离星阀14进入后工序，而气流在被加温到350℃以上后通过循环热风机8返回到预热仓4不断循环。

根据氧化锰还原的总反应化学方程 可知，在还原焙烧过程中不断有CO₂气体产生，系统处于正压状态；系统如果完全密闭，则其内部压力会越来越高；为维持系统的正常运行，可在循环风管道上设一单向卸压阀10，保持系统的压力时刻处于微正压状态。

由于系统不断有水蒸汽产生，不及时排出会影响系统的运行；水汽的排出主要从单向卸压阀10排气卸压时排出，少量在风管上冷凝结露后再从排污阀13排出。

在冷却仓中，还原焙烧后的高温矿煤粉进入冷却仓的导料口时，下落速度逐步加速，所受的气流阻力也逐步增加，当阻力与重力相等时，物料颗粒与气流的相对速度达到恒定，此时的速度为颗粒的自由沉降速度；根据颗粒沉降速度的斯托克斯(Stokes)公式

$u_t=\frac{d^2({\mathrm{\ρ}}_s-\mathrm{\ρ})g}{18\mathrm{\μ}}$

其中：U_t-颗粒的自由沉降速度，m/s；

d-颗粒直径，m；

ρ_s，ρ-分别为颗粒和流体的密度，kg/m³；

g-重力加速度，m/s²；

μ-流体的粘度，Pa.s

代入相关数据可计算出当最小颗粒d＝44×10^-6mm(325目)时的自由沉降速度u_t＝0.17m/s；

在冷却仓内的物料下落过程中，由于仓内分流板17的分流作用，矿煤粉被充分弥散化并缓慢落到仓底；在仓底部形成一定厚度的料层20。约50℃的冷气流经喷射管21再从喷嘴18朝底部的料层高速喷出，在料层上形成一层很薄的悬浮层19，形成射流换热；气体喷出后，由于过流面积变大，气流被迅速减速。冷却仓中上部分的截面尺寸应设计成使气流速度降到≤0.1m/s；由于气流的速度低于物料最小颗粒的自由沉降速度(0.17m/s)，故物料不会产生扬尘问题；由于分流板和逆向气流的存在，矿煤粉的下落速度也很低。冷却仓中上部分的高度应设计成能保证物料与气流在逆向运动的过程中有充分时间换热，物料逐步降温，气流逐步升温，形成对流换热。两种换热方式以对流换热为主、射流换热为辅。最终矿煤粉被降温到设计的温度(≤80℃)并从隔离星阀14排出进入后工序。而气流在被加热后流经过滤板16汇总到气流室24，最后从气流出口23送出，再进入预热仓用于预热冷矿煤粉并不断循环。

预热仓的换热过程与冷却仓的换热相同。

为适应连续生产、均衡加热的要求，对微波炉作如下设计：

(1)微波炉的结构形式：为适应工业化生产连续性的要求，氧化锰微波还原焙烧炉为如图四所示的重力式竖炉结构，炉膛26纵截面为竖长方体，其四周为耐火墙25，微波发生单元27均匀分布在耐火墙周围；氧化锰矿粉从炉膛上部进，底部出，在通过炉膛时被微波加热还原焙烧，通过控制微波炉下部的出料星阀6转速，即可控制矿煤粉在炉膛内的停留时间。

(2)氧化锰还原焙烧微波炉的炉膛尺寸：

理论和实验证明：氧化锰能强烈地吸收微波，由于能量不断被吸收并转化为热能，微波所携带的能量就随着深入介质表面的距离，以指数形式衰减；故微波对于氧化锰矿粉有一定的穿透深度；一般氧化锰矿粉的微波穿透深度(材料内部功率密度为表面能量密度的1/e或36.8％算起的深度D)约为120mm左右；对于重力式竖炉结构的炉膛，如要保证炉膛内的物料不出现“冷芯”现象，就要求炉膛中心位置的微波能量功率密度必须为100％；因微波发生单元均匀分布在炉膛周围，故对于单侧的微波能量功率密度则为50％；由于微波能以指数形式衰减，故炉膛中心点到边缘距离L＝120×ln 0.5/ln(1/e)＝83mm，则炉膛的宽度或直径必须小于2×83＝166mm。

以下列举用微波技术来还原焙烧氧化锰矿石的实施例：

实施例1：

一.验证实验

1.实验目的：进一步检验微波设备对锰矿粉进行工业化还原焙烧能实现的程度，探讨微波还原焙烧的反应条件、主要影响因素。

2.实验仪器及实验对象

a.仪器：实验用工业微波焙烧炉(10kw)、精密电子天平、计算器、手持式高精度红外测温仪(量程0℃～500℃)、普鲁士牌在线式高精度红外测温仪(量程0℃～900℃)、刚玉莫来石炉膛(225mm×145mm×145mm)氧化铝保温棉、样品密封罐。

b.原料：广西大新锰矿冶金矿粉、广西大新锰矿生产使用的无烟煤粉。

3.焙烧还原工艺参数：

设定的实验条件为：焙烧温度分别为420℃、400℃、380℃；保温时间分别为15min、20min、30min。煤矿比分别为5％、10％、15％(增加18％、20％作扩大实验)。最后根据以上结果逐一确定反应条件进行正交实验，找出最优条件组合。

4.实验步骤

每次焙烧矿量4kg，按煤矿比5％，10％、15％、18％、20％进行配煤，混匀后放入实验用工业微波炉焙烧。烧成后取出加盖自然冷却至室温，取样分析。

5.实验结果：

实验结果表明，煤矿比是影响转化率的关键因素，在焙烧温度、保温时间相同的情况下，15％煤矿配比转化率都比10％、5％高。配煤不足时物料有结块现象，煤矿比提高到18％时物料无结块，转化率也明显提高。而温度在380℃～420℃、保温时间在20～40min时对转化率影响不大。焙烧结束后，物料在炉膛中自然冷却到室温，此时取样分析转化率不高，究其原因主要是在冷却过程中焙烧料重新严重氧化。实验中最高转化率为93.57％，最低转化率为54.34％。

6.结论

实验最优焙烧条件为：反应温度380℃、保温时间30min、煤矿比18％。在以上条件下进行锰矿粉焙烧，可获得满意的转化率。实验推算还原电耗为208度/吨，处理量为5.76kg/度电·h。

实施例2

焙烧设备为HWS-18型回转式微波炉。

实验方法为：称料→拌料混匀→装料焙烧→取样强制冷却→制样分析

实验过程：将原料分为17份试样，每份分别为10或20公斤，煤矿比分别为14％或18％。在其他工艺参数基本相同的条件下，微波将物料从常温加热到150℃时需耗电100度左右，在该温度段电耗占焙烧总电耗平均为33％；加热到200℃、250℃、300℃时各温度段电耗分别占焙烧总电耗的平均值为53％、68％和80％。从总体上估算，用微波对锰矿粉进行焙烧还原，大致每吨矿需耗电210度～240度，其最终值与初始含水量密切相关。还原率最高为99.32％，最低为67.68％，还原率在92％以上的占正常操作条件样品总数的70.1％。

实验结论

1、采用微波加热对锰矿粉或矿砂进行还原焙烧，将锰矿粉加热到400℃后强冷可获得95％左右的还原率；

2、焙烧后冷却方式对还原率影响较大，快速密闭冷却较自然冷却的还原率高得多。

3、保温时间和保温方式对还原率影响并不显著。

4、颗粒料也可实现还原焙烧，但颗粒度不宜过大，否则对还原率有很大的影响。

实施例3

为中间试验。

焙烧炉为连续进出料的竖炉。因条件所限，采用人工混、投料及星形阀机械卸料，无强制水冷装置。

焙烧炉炉膛宽150mm，体积0.176m³。共有微波发生器8组计189个微波单元，因供电电压不足，实验时只能开3组微波器，实际使用功率为48KW。

实验原料为大新锰矿冶金锰粉和无烟煤粉。

实验过程：

实验一：冶金锰粉500kg，无烟煤粉50kg；混匀后投入焙烧炉内焙烧，焙烧完成后经星形出料机卸料，取样自然冷却后制样送化验。

实验二、三、四：冶金锰粉500kg，无烟煤粉90kg；取样密封外部水冷后制样送化验；其他步骤同实验一。

结果如下表：

                  冶金锰粉微波焙烧实验数据表

实验四	18∶100	27.39	1.75	93.61
					28.99	1.72	94.05

	现象	备注
			实验一	物料在炉内移动时有喷料现象，焙烧完成后卸料发现炉内物料有烧结现象，无法正常卸料。待炉温降至室温后拆开出料机，用钢钎捅开炉内结块，发现结块部位在物料中间，没有发现物料和炉壁粘结(结炉)。物料颜色呈黑色。	1、煤比过低，(小试已证实)2、焙烧反应产生的高温气体在物料移动时夹带物料从投料口喷出。3、因自然冷却，高温物料再氧化严重，锰还原率刚达25％。
实验二实验三实验四	物料在炉内移动时有喷料现象，焙烧完成后卸料发现物料没有烧结现象，物料在炉内移动顺畅，星形出料机因直接接触高温物料变形中途卡死，未经冷却物料表面温度高达300℃(红外线测温)，及时取样密封冷却后制样化验，锰还原率各为：92.27％，90.86％，93.83％。	1、提高煤比到小试指标后无烧结现象。2、因无预冷却装置，出料机有一定变形卡死，无法正常卸料，

中间实验微波焙烧基本技术指标：

1、初始温度：常温

2、临界温度：380℃

3、最高温度：480℃

4、焙烧总时间：90分钟

5、耗电量：95KW·h/500Kg矿

6、矿煤比  100∶18

7、喷料程度：物料在炉内移动时有喷料现象

8、烧结程度：无烧结现象，物料在炉内能顺畅移动

9、未经冷却的物料温度：300℃(表面温度)

10、还原率：92.32％(平均)

Claims (4)

1.一种热回收型氧化锰矿石微波还原焙烧工艺，其特征是微波加热炉用于氧化锰矿石的还原焙烧、采用热风循环技术回收余热，采用的工艺参数如下：

(1).还原煤与氧化锰矿粉的重量比为15％-18％；

(2).原料矿粉颗粒度-100目≥85％；

(3).还原焙烧温度380℃-450℃；

(4).还原焙烧反应时间≥5分钟。

(5).物料最终出口温度≤80℃

2.一种氧化锰矿石微波还原焙烧的工艺设备，其特征是在微波加热炉的上方有预热仓，下方有冷却仓，在预热仓上部和冷却仓下部之间、预热仓下部和冷却仓上部之间分别有热风管连接。

3.如权利要求2所述的氧化锰矿石微波还原焙烧的工艺设备，其特征是微波加热炉是重力式竖炉结构，炉膛截面为竖长方形，炉膛的宽度或直径小于166mm。

4.如权利要求2所述的氧化锰矿石微波还原焙烧的工艺设备，其特征是在预热仓和冷却仓内腔上中部均有许多分流板。

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