本發(fā)明屬于釩鈦磁鐵礦相關(guān)的化工和冶金領(lǐng)域，具體涉及一種釩鈦磁鐵礦粉礦流態(tài)化高溫快速氧化還原的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
釩、鈦是世界公認(rèn)的稀有資源和重要戰(zhàn)略物質(zhì)，全球約98％的釩儲(chǔ)量和91％的鈦儲(chǔ)量賦存于以釩鈦磁鐵礦為主的復(fù)合礦物中。一般而言，含鈦品位低的釩鈦磁鐵礦(TiO2<14wt.％)主要作為高爐原料冶煉鐵、釩，且需配加普通鐵礦稀釋，且最終因高爐渣中TiO2富集度低(～22wt.％)、含鈦物相復(fù)雜(TixOy，Ti(C,N))、粒度分散細(xì)小(<10um)，難以回收其中的鈦資源。近年來提出的直接還原-電爐熔分兩步法短流程工藝，在兼顧長流程冶煉鐵、釩元素同時(shí)，結(jié)合低溫固相預(yù)還原，可以通過全釩鈦礦冶煉，提高后續(xù)熔分渣中TiO2含量至中鈦渣品位(>50wt.％)，從而滿足鈦渣提質(zhì)升級有價(jià)利用需求，最終實(shí)現(xiàn)Fe、V、Ti有價(jià)元素的全面綜合利用。
兩步法短流程中的第一步工藝直接還原屬于非高爐煉鐵工藝，該工藝具有不使用焦炭、污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)，是代替?zhèn)鹘y(tǒng)高爐長流程煉鐵方案的發(fā)展方向。按照所使用還原劑歸類，非高爐直接還原鐵氧化物工藝分為煤基和氣基兩種。煤基工藝包括回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐等工藝，氣基工藝包括豎爐、流化床等工藝。相比煤基工藝，氣基工藝具有溫操作低、反應(yīng)效率高等特點(diǎn)，特別是無需使用煤而采用還原性氣體為還原劑，清潔還原優(yōu)勢突出，是主要的直接還原工藝。從反應(yīng)器角度而言，氣基流化床反應(yīng)器具有直接處理粉礦、傳熱傳質(zhì)好、還原效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最為理想高效的鐵礦石直接還原反應(yīng)器。
近年來，基于直接還原煉鐵技術(shù)的發(fā)展，許多結(jié)合不同直接還原工藝的釩鈦磁鐵礦兩步法短流程方案得到了開發(fā)。一部分直接還原工藝采用了煤基球團(tuán)或氣基球團(tuán)還原的方法，如四川龍蟒集團(tuán)設(shè)計(jì)的內(nèi)配碳轉(zhuǎn)底爐直接還原方法(CN 1641045A)，攀枝花鋼鐵集團(tuán)設(shè)計(jì)的內(nèi)配碳球團(tuán)高溫直接還原方法(CN 1814813A，CN 104862441A)，重慶鋼鐵集團(tuán)、中冶賽迪工程技術(shù)公司設(shè)計(jì)的釩鈦礦氧化球團(tuán)豎爐直接還原方法(CN 103451419A，CN 102424876A，CN 103255255A)等，這些方法都需要對釩鈦磁鐵礦粉礦預(yù)先造球后再進(jìn)入還原反應(yīng)器，內(nèi)配碳方法還需配煤造球。而配煤會(huì)引入煤種非鐵雜質(zhì)，降低了后續(xù)熔分渣中TiO2品位，氣基造球則增加了還原氣傳熱傳質(zhì)阻力，降低了氣基直接還原效率。
也有一些方案應(yīng)用了粉礦流化床氣基直接還原工藝方法。如專利CN 102127611A、專利CN 202007243U等提出了采用三級串聯(lián)流化床直接還原釩鈦磁鐵粉礦的方案，經(jīng)爐前預(yù)熱后溫度為600-700℃的釩鈦磁鐵粉礦依次進(jìn)入一級、二級和三級還原流化床，在逆向而上的還原氣體的作用下，實(shí)現(xiàn)流態(tài)化并發(fā)生還原反應(yīng)。還原溫度在650-850℃之間，預(yù)熱介質(zhì)為還原尾氣。這些釩鈦磁鐵礦粉礦流化床氣基直接還原工藝一般直接采用或借鑒非高爐煉鐵主流工藝的多段流化床方案，僅在流化床前設(shè)置爐前尾氣預(yù)熱系統(tǒng)，以干燥脫水和單純提高粉礦入爐溫度為目的，在礦物反應(yīng)原理上與普通鐵精礦流化床氣基直接還原相同，并未充分考慮釩鈦磁鐵礦自身礦物特性，也沒有解決高溫高還原效率與可能發(fā)生的粉礦高溫高金屬化率間的矛盾?？蓞⒖嫉姆歉郀t流化床直接還原煉鐵主要代表性工藝有FIOR、Circored、FINMET等進(jìn)行了中試或產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐。
FIOR工藝由Exxon研究和工程公司開發(fā)，采用四級流化床串聯(lián)，第一級為預(yù)熱流化床，后三級為還原流化床(US 5082251，US 5192486)。高品位鐵粉礦由一級流化床依次進(jìn)入至第四級流化床。第一級預(yù)熱流化床單獨(dú)采用天然氣或煤氣與空氣燃燒后的熱煙氣，溫度為780℃，氣速0.8m/s。還原氣經(jīng)加熱后由第四級流化床進(jìn)入，逆流至第二級流化床，中間不再加熱。第二、三、四還原流化床的溫度分別為700℃、780℃、790℃，還原氣速1m/s，產(chǎn)品金屬化率～90％。其還原氣體中氫氣含量要求高，以減少鐵粉礦還原過程中高溫高金屬化率粘結(jié)失流情況發(fā)生，同時(shí)以改善還原溫度低于800℃帶來的較低還原效率，但還原期間還需適當(dāng)加入防粘劑來控制流化狀態(tài)。
Circored工藝由魯奇冶金公司開發(fā)，采用兩級流化床串聯(lián)還原，包括一個(gè)循環(huán)流化床反應(yīng)器和一個(gè)鼓泡流化床反應(yīng)器(臥式橫向多段)(US5603748，US5833734)。該工藝首先在流化床的預(yù)熱器中將0.1-1mm的細(xì)鐵粉礦加熱至800℃，隨后在循環(huán)流化床反應(yīng)器還原至金屬化率70％，再進(jìn)入鼓泡流化床反應(yīng)器還原至金屬化率92％。其中循環(huán)流化床氣速4-6m/s，反應(yīng)時(shí)間20-30min，反應(yīng)溫度850-900℃，鼓泡流化床氣速0.5-0.6m/s，反應(yīng)時(shí)間45-240min，反應(yīng)溫度630℃。雖然第一段循環(huán)流化床反應(yīng)效率高，粉礦無粘結(jié)，但所需氣速高。第二段所用氣速低，但考慮粘結(jié)失流控制終還原溫度很低，不免還原效率很低。
FINMET工藝由奧鋼聯(lián)與FIOR公司聯(lián)合開發(fā)，以天然氣轉(zhuǎn)化氣為還原劑，采用四級紊流型流化床串聯(lián)，無預(yù)熱流化床(US6569377)。鐵粉礦首先在預(yù)熱器爐前預(yù)熱至100℃后再進(jìn)入流化床還原。第一級還原流化床溫度約為550℃，溫度逐級上升，第四級還原流化床溫度達(dá)到800℃左右，終產(chǎn)品金屬化率～93％。還原期間需通過增加粒度(限制12mm)及加入防粘劑來防止粉礦還原粘結(jié)失流的發(fā)生。
綜上，結(jié)合礦物特性，通過工藝和技術(shù)創(chuàng)新，在不引入外來防粘劑的前提下，減小粉礦流化床操作氣速，改善物料流化還原性能，同時(shí)保證高溫高還原效率，是實(shí)現(xiàn)降低流化床還原釩鈦磁鐵礦工藝能耗，提高經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種用于釩鈦磁鐵礦粉礦流態(tài)化高溫快速氧化還原的系統(tǒng)及方法，基于本發(fā)明的系統(tǒng)，釩鈦磁鐵礦粉礦經(jīng)氧化處理后在不引入外來防粘劑的前提下，減小粉礦流化床操作氣速，改善物料流化還原性能，同時(shí)保證高溫高還原效率。
本發(fā)明提供的一種釩鈦磁鐵礦流態(tài)化高溫快速氧化還原的系統(tǒng)包括礦料倉和進(jìn)料器0，粉礦預(yù)熱器1，氧化床2，若干級還原床單元和產(chǎn)品料倉5；
所述粉礦預(yù)熱器1包括若干級旋風(fēng)分離器和多個(gè)氧化床進(jìn)料器，粉礦礦料倉內(nèi)的粉礦經(jīng)進(jìn)料器進(jìn)入旋風(fēng)分離器循環(huán)預(yù)熱并分離后通過氧化床進(jìn)料器進(jìn)入氧化床。所述礦粉預(yù)熱器可實(shí)現(xiàn)釩鈦磁鐵礦粉礦經(jīng)旋風(fēng)分離器和來自氧化床旋風(fēng)分離器出氣口的氧化尾氣預(yù)熱后得到的粒徑粗細(xì)不同的礦粉，該礦粉經(jīng)收集后進(jìn)入氧化床本體。
所述氧化床2包括氧化流化床本體20、氧化床氣體加熱器21、氧化床第一出料器22、氧化床第二出料器23和氧化床旋風(fēng)分離器24，所述氧化床旋風(fēng)分離器24的下部出料口和所述氧化床第二出料器23連接；所述氧化床第一出料器22和氧化床第二出料器23與第一級還原床的進(jìn)料口連接；氧化床尾氣出口與粉礦預(yù)熱器連接1。所述氧化床可以實(shí)現(xiàn)如下的功能：粒徑粗細(xì)不同的礦粉分別收集進(jìn)入氧化床本體后，經(jīng)流態(tài)化高溫氧化后的粗顆粒粉礦直接進(jìn)入一級還原流化床本體，氧化后的細(xì)顆粒粉礦經(jīng)氧化床旋風(fēng)分離器分離后進(jìn)入第一級還原流化床本體。
所述還原床包括還原床本體、還原床氣體加熱器、還原床第一出料器、還原床第二出料器和還原床旋風(fēng)分離器；還原床第一出料器的出口和下一級還原床的進(jìn)料口連接，最后一級還原床出料器的出口和粉礦料倉連接；還原床氣體加熱器的入口和下一級還原床旋風(fēng)分離器的氣體出口連接，第一級還原床旋風(fēng)分離器的氣體出口與尾氣處理單元連接，還原床旋風(fēng)分離器的下部出料口與還原床第二出料器連接。以設(shè)置兩級還原床為例，所述還原床可以實(shí)現(xiàn)如下的功能：粉礦經(jīng)在還原床中經(jīng)高溫還原后，粗顆粒直接由還原床本體排出，細(xì)顆粒經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后排出；第一級還原床的還原粉礦排出后進(jìn)入第二級還原床，第二級還原床的還原粉礦排出后進(jìn)入料倉；第二級還原床旋風(fēng)分離器排出的氣體作為第一級還原床單元的還原性原料氣體，第一級還原床旋風(fēng)分離器排出的氣體作為尾氣處理。
優(yōu)選的，所述礦粉預(yù)熱器1包括第一級旋風(fēng)分離器11、第二級旋風(fēng)分離器12、第三級旋風(fēng)分離器13、第一氧化床進(jìn)料器14和第二氧化床進(jìn)料器15；
所述粉礦料倉和進(jìn)料器的出料口與所述粉礦預(yù)熱器1的第一級旋風(fēng)分離器11的出氣口相連接，所述第一級旋風(fēng)分離器11的底部出料口與氧化床進(jìn)料器14的進(jìn)料口相連接，所述第一級旋風(fēng)分離器11的出氣口與第二級旋風(fēng)分離器12的入口相連接；
所述第二級旋風(fēng)分離器12的底部出料口與第一級旋風(fēng)分離器11的入口相連接，所述第二級旋風(fēng)分離器12的出氣口與第三級旋風(fēng)分離器13的入口相連接；
所述第三級旋風(fēng)分離器13的底部出料口與氧化床進(jìn)料器15的進(jìn)料口相連接，所述第三級旋風(fēng)分離器13的出氣口與外接尾氣處理設(shè)施相連接。
作為本領(lǐng)域技術(shù)人員的基本技能，礦粉預(yù)熱器1中設(shè)置的旋風(fēng)分離器的個(gè)數(shù)以及氧化床進(jìn)料器的個(gè)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行變更。
優(yōu)選的，所述粉礦預(yù)熱器的氧化床進(jìn)料器的出料口與所述氧化床2的氧化流化床本體20的進(jìn)料口相連接；
所述氧化流化床本體20的底部進(jìn)氣口與所述氧化床氣體加熱器21的出氣口相連接，所述氧化流化床本體20的頂部出氣口與所述氧化床旋風(fēng)分離器24的入口相連接，所述氧化流化床本體20的出料口與所述氧化床第一出料器22的進(jìn)料口相連接；所述氧化床旋風(fēng)分離器24的出氣口與第一級旋風(fēng)分離器的氣體入口相連接，所述氧化床旋風(fēng)分離器24的底部出料口與所述氧化床第二出料器23的進(jìn)料口相連接。
此處氧化床的氣體加熱器可以由外接的燃燒氣提供氣源。
優(yōu)選的，所述用于釩鈦磁鐵礦流態(tài)化氧化還原的系統(tǒng)包括第一還原床單元3和第二還原床單元4，所述第一還原床單元3包括一級還原流化床本體30、一級還原床氣體加熱器31、一級還原床第一出料器32和一級還原床第二出料器33、一級還原床旋風(fēng)分離器34；所述第二還原床單元4包括二級還原流化床本體40、二級還原床氣體加熱器41、二級還原床第一出料器42和二級還原床第二出料器43、二級還原床旋風(fēng)分離器44；
所述氧化床2的氧化床第一出料器22和氧化床第二出料器23的出料口與所述第一還原床3的一級還原流化床本體30的進(jìn)料口相連接，所述一級還原流化床本體30的底部進(jìn)氣口與所述一級還原床氣體加熱器31的出氣口相連接，所述一級還原流化床本體30的頂部出氣口與所述一級還原床旋風(fēng)分離器34的入口相連接，所述一級還原流化床本體30的出料口與所述一級還原床第一出料器32的進(jìn)料口相連接；所述一級還原床旋風(fēng)分離器34的底部出料口與所述一級還原床第二出料器33的進(jìn)料口相連接；所述一級還原床氣體加熱器31的進(jìn)氣口與所述還原床4的二級還原床旋風(fēng)分離器44的出氣口相連接；
所述第一還原床3的一級還原床第一出料器32和一級還原床第二出料器33的出料口與所述第二還原床4的二級還原流化床本體40的進(jìn)料口相連接，所述二級還原流化床本體40的底部進(jìn)氣口與所述二級還原床氣體加熱器41的出氣口相連接，所述二級還原流化床本體40的頂部出氣口與所述級二級還原床旋風(fēng)分離器44的入口相連接，所述二級還原流化床本體40的出料口與所述二級還原床第一出料器42的進(jìn)料口相連接；所述二級還原床旋風(fēng)分離器44的底部出料口與所述二級還原床第二出料器43的進(jìn)料口相連接；
所述第二還原床4的二級還原床第一出料器42和二級還原床第二出料器43的出料口與產(chǎn)品料倉5的進(jìn)料口相連接。
優(yōu)選的，所述系統(tǒng)還包括熱交換器6，所述氧化床氣體加熱器21的進(jìn)氣口與所述熱交換器6的空氣出氣口相連接，第一級還原床上設(shè)置的旋風(fēng)分離器的氣體出口管道和所述熱交換器6的空氣進(jìn)氣口相連接。
優(yōu)選的，本裝置所包括的供氣管道上均可設(shè)置調(diào)節(jié)閥門。
優(yōu)選的，所述用于釩鈦磁鐵礦流態(tài)化高溫快速氧化還原的系統(tǒng)還包括還原氣加壓器，所述還原氣加壓器位于還原床的入口管路上。
優(yōu)選的，所述用于釩鈦磁鐵礦流態(tài)化高溫快速氧化還原的系統(tǒng)還進(jìn)一步包括洗滌器7，其設(shè)置于還原床的尾氣管路上。
更優(yōu)選的，所述洗滌器后的尾氣管路分為第一支路和第二支路，第一支路和尾氣處理裝置連接，第二支路和還原床的氣體加熱器的氣體入口連接，第二支路內(nèi)的氣體作為還原氣進(jìn)入還原床的氣體加熱器。
更優(yōu)選的，所述第二支路上設(shè)置有二氧化碳脫除器。
更優(yōu)選的，所述第二支路上設(shè)置有還原尾氣加壓器。
優(yōu)選的，所述氧化床和還原床均為沸騰流化床，流化床本體下部為進(jìn)氣氣速流化段，即0.2-0.8m/s，上部為降氣速擴(kuò)大流化段，上部內(nèi)徑為下部內(nèi)徑的1.3-2倍。
在本發(fā)明內(nèi)，氧化床和還原床的上部降氣速擴(kuò)大流化段因內(nèi)徑擴(kuò)大而氣速自然降低。
原料礦粉在預(yù)熱過程中的粗顆粒和細(xì)顆粒的分別進(jìn)出料是通過第一氧化床進(jìn)料器14和第二氧化床進(jìn)料器15來實(shí)現(xiàn)的，氧化階段中的粗顆粒和細(xì)顆粒的分別進(jìn)出料是通過氧化床第一出料器22和氧化床第二出料器23來實(shí)現(xiàn)的，還原階段中的粗顆粒和細(xì)顆粒的分別進(jìn)出料通過一級還原床第一出料器32和一級還原床第二出料器33、二級還原床第一出料器42和二級還原床第二出料器43來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明還提供了基于上述系統(tǒng)的一種釩鈦磁鐵礦流態(tài)化高溫快速氧化還原的方法，所述方法包括：
釩鈦磁鐵礦粉礦經(jīng)旋風(fēng)分離器和來自氧化床旋風(fēng)分離器出氣口的氧化尾氣預(yù)熱后得到的粒徑粗細(xì)不同的礦粉分別收集進(jìn)入氧化床本體，經(jīng)流態(tài)化高溫氧化后的粗顆粒粉礦直接進(jìn)入一級還原流化床本體，氧化后的細(xì)顆粒粉礦經(jīng)氧化床旋風(fēng)分離器分離后進(jìn)入第一級還原流化床本體；粉礦經(jīng)在還原床中經(jīng)高溫還原后，粗顆粒直接由還原床本體排出，細(xì)顆粒經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后排出；第一級還原床的還原粉礦排出后進(jìn)入第二級還原床，第二級還原床的還原粉礦排出后進(jìn)入料倉；第二級還原床旋風(fēng)分離器排出的氣體作為第一級還原床單元的還原性原料氣體，第一級還原床旋風(fēng)分離器排出的氣體進(jìn)入尾氣處理。
優(yōu)選的，所述釩鈦磁鐵礦粉礦為天然礦物采選或加工獲得，全鐵含量為45-65wt％、TiO2含量為8-15wt％的鐵礦石粉礦，所述粉礦的粒徑為0.005-0.5mm。
優(yōu)選的，所述氧化床和還原床均采用低氣速操作，所述的低氣速為0.2-0.8m/s，操作壓力4-9atm。
優(yōu)選的，所述粉礦預(yù)熱器的第一級旋風(fēng)分離器的入口氧化尾氣溫度為750-850℃，所述氧化床的高溫氧化溫度為800-950℃，所述還原床的高溫還原溫度為850-950℃。
優(yōu)選的，所述的氧化氣體為空氣或以氧氣為主要成分的氣體，所述的還原氣體為煤氣或重整氣，以H2和CO為有效成分。
更優(yōu)選的，氧化氣體由經(jīng)過熱交換器7與還原尾氣熱交換后再經(jīng)氧化床氣體加熱器21加熱后的熱空氣供應(yīng)。
更優(yōu)選的，一級還原流化床本體30所用還原氣體來自二級還原床旋風(fēng)分離器44出氣口排出的經(jīng)一級還原床氣體加熱器31加熱的還原氣。
更優(yōu)選的，二級還原流化床本體40所用還原氣體來自經(jīng)洗滌器7洗滌、加壓器8加壓和二氧化碳脫除器9脫除二氧化碳后的還原尾氣，及經(jīng)還原氣加壓器15加壓的外接補(bǔ)充新還原氣，兩部分還原氣混合后再經(jīng)二級還原床氣體加熱器41加熱作為二級還原流化床本體40的熱還原氣。
更優(yōu)選的，一級還原床旋風(fēng)分離器34出氣口排出的還原尾氣，首先經(jīng)熱交換器6與氧化原料氣空氣進(jìn)行熱交換，隨后再進(jìn)入洗滌器7洗滌，其中部分通過還原尾氣加壓器8加壓后循環(huán)利用，部分進(jìn)入外接尾氣處理裝置供各加熱器21、31、41加熱燃燒使用。
優(yōu)選的，原料礦粉在預(yù)熱、氧化和還原過程中其粗顆粒和細(xì)顆粒實(shí)現(xiàn)分別進(jìn)出料控制。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例內(nèi)記載了通過如下的方法來實(shí)現(xiàn)釩鈦磁鐵礦流態(tài)化高溫快速氧化還原：
釩鈦磁鐵礦粉礦由粉礦料倉和進(jìn)料器0的出料口進(jìn)入第一級旋風(fēng)分離器11出氣口并與來自氧化床旋風(fēng)分離器24出氣口的氧化尾氣換熱，隨后進(jìn)入第二級旋風(fēng)分離器12入口，經(jīng)由第二級旋風(fēng)分離器12分離，由其底部出料口排出的粗顆粒粉礦進(jìn)入第一級旋風(fēng)分離器11入口再次與來自氧化床旋風(fēng)分離器24出氣口的氧化尾氣換熱后進(jìn)入氧化床進(jìn)料器14的進(jìn)料口；由第二級旋風(fēng)分離器12出氣口夾帶出的細(xì)顆粒粉礦經(jīng)第二級旋風(fēng)分離器13分離后直接進(jìn)入氧化床進(jìn)料器15的進(jìn)料口；經(jīng)粉礦預(yù)熱器1預(yù)熱后的釩鈦磁鐵礦粉礦由氧化床第一進(jìn)料器14和氧化床第二進(jìn)料器15出料口進(jìn)入氧化流化床本體20進(jìn)行氧化；
氧化后的粗顆粒粉礦經(jīng)由氧化床第一出料器22進(jìn)入一級還原流化床本體30進(jìn)行第一次還原，氧化后的細(xì)顆粒粉礦經(jīng)氧化床旋風(fēng)分離器24分離后由氧化床第二出料器23進(jìn)入一級還原流化床本體30進(jìn)行第一次還原；
釩鈦磁鐵礦粉礦經(jīng)第一次還原后，粗顆粒粉礦經(jīng)由一級還原床出料器32進(jìn)入二級還原流化床本體40進(jìn)行第二次還原，細(xì)顆粒粉礦經(jīng)一級還原床旋風(fēng)分離器34分離后由一級還原床出料器33進(jìn)入二級還原流化床本體40進(jìn)行第二次還原；第二次還原結(jié)束后，釩鈦磁鐵礦粗還原粉礦產(chǎn)品經(jīng)二級還原床出料器42排出至產(chǎn)品料倉5，細(xì)還原粉礦產(chǎn)品經(jīng)二級還原床旋風(fēng)分離器44分離后由二級還原床出料器43排出至產(chǎn)品料倉5，還原粉礦冷卻儲(chǔ)存或熱態(tài)供其后續(xù)生產(chǎn)使用。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：
釩鈦磁鐵礦粉礦首先在獨(dú)立氧化床中進(jìn)行高溫氧化處理，能夠有效提高礦物自身反應(yīng)效率并降低還原操作氣速，從而實(shí)現(xiàn)高溫快速還原并大幅提高流態(tài)化穩(wěn)定性。
釩鈦磁鐵礦粉礦經(jīng)預(yù)熱、氧化床氧化后串聯(lián)進(jìn)入預(yù)還原床和終還原床，預(yù)還原床不外接氣體加熱，充分利用氧化后物料溫度進(jìn)行預(yù)還原，終還原床外接氣體加熱實(shí)現(xiàn)高溫高效率還原，系統(tǒng)整體粉礦物料熱量利用率高。
氧化氣進(jìn)入加熱器前與還原尾氣熱交換提溫并回收利用還原尾氣余熱，氧化尾氣用于粉礦預(yù)熱器回收利用氧化尾氣余熱，還原尾氣經(jīng)處理后再次與外接還原氣混合作為還原氣進(jìn)入還原流化床循環(huán)利用，系統(tǒng)整體氣體物料熱能和化學(xué)能利用率高。
設(shè)計(jì)沸騰流化床本體上部降氣速擴(kuò)大以及原料粉礦粗顆粒和細(xì)顆粒的旋風(fēng)及流化床本體分別進(jìn)出料控制的方式，能夠保證粗細(xì)顆粒的均勻氧化和還原。
采用本發(fā)明對釩鈦磁鐵礦粉礦首先進(jìn)行流態(tài)化氧化還原，在高溫氧化處理后，礦物自身反應(yīng)效率提高，后續(xù)高溫還原所需操作氣速降低，流化狀態(tài)穩(wěn)定，高溫還原效率高，從根本上避免了傳統(tǒng)技術(shù)高氣速操作、反應(yīng)溫度低、易粘結(jié)失流，需過程強(qiáng)制穩(wěn)定流化狀態(tài)的不足。設(shè)計(jì)沸騰流化床本體變徑結(jié)構(gòu)及粗細(xì)顆粒獨(dú)立進(jìn)出料，能夠保證產(chǎn)品過程質(zhì)量均勻穩(wěn)定。同時(shí)合理布置能量和物質(zhì)工藝過程流向，設(shè)置中間預(yù)還原流化床，充分利用粉礦和氣體的熱能和化學(xué)能，可降低流化床還原釩鈦磁鐵礦粉礦工藝能耗，提高整體經(jīng)濟(jì)性。
附圖說明
附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步闡釋，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
圖1為本發(fā)明的釩鈦磁鐵礦流態(tài)化高溫快速氧化還原的系統(tǒng)配置示意圖。
附圖標(biāo)記
0、粉礦料倉和進(jìn)料器；1、粉礦預(yù)熱器；11、第一級旋風(fēng)分離器；12、第二級旋風(fēng)分離器；13、第三級旋風(fēng)分離器；14、氧化床第一進(jìn)料器；15、氧化床第二進(jìn)料器；2、氧化床；20、氧化流化床本體；21、氧化床氣體加熱器；22、氧化床第一出料器；23、氧化床第二出料器；24、氧化床旋風(fēng)分離器；3、第一還原床；4、第二還原床；30、一級還原流化床本體；31、一級還原床氣體加熱器；32、一級還原床第一出料器；33、一級還原床第二出料器；34、一級還原床旋風(fēng)分離器；40、二級還原流化床本體；41、二級還原床氣體加熱器；42、二級還原床第一出料器；43、二級還原床第二出料器；44、二級還原床旋風(fēng)分離器；5、產(chǎn)品料倉；6、熱交換器；7、洗滌器；8、還原尾氣加壓器；9、二氧化碳脫除器；15、還原氣加壓器。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
實(shí)施例1
如圖1所示，一種釩鈦磁鐵礦流態(tài)化高溫快速氧化還原的系統(tǒng)，系統(tǒng)包括粉礦料倉和進(jìn)料器0，粉礦預(yù)熱器1，氧化床2，第一還原床3和第二還原床4，產(chǎn)品料倉5，熱交換器6，洗滌器7，還原尾氣加壓器8，二氧化碳脫除器9，還原氣加壓器15。
粉礦預(yù)熱器1包括第一級旋風(fēng)分離器11、第二級旋風(fēng)分離器12、第三級旋風(fēng)分離器13、氧化床第一進(jìn)料器14和氧化床第二進(jìn)料器15。氧化床2包括氧化流化床本體20、氧化床氣體加熱器21、氧化床第一出料器22和氧化床第二出料器23、氧化床旋風(fēng)分離器24。第一還原床3包括一級還原流化床本體30、一級還原床氣體加熱器31、一級還原床第一出料器32和一級還原床第二出料器33、一級還原床旋風(fēng)分離器34，第二還原床4包括二級還原流化床本體40、二級還原床氣體加熱器41、二級還原床第一出料器42和二級還原床第二出料器43、二級還原床旋風(fēng)分離器44。
粉礦料倉和進(jìn)料器0的出料口與粉礦預(yù)熱器1的第一級旋風(fēng)分離器11的出氣口相連接，第一級旋風(fēng)分離器11的底部出料口與氧化床第一進(jìn)料器14的進(jìn)料口相連接，第一級旋風(fēng)分離器11的出氣口與第二級旋風(fēng)分離器12的入口相連接。第二級旋風(fēng)分離器12的底部出料口與第一級旋風(fēng)分離器11的入口相連接，第二級旋風(fēng)分離器12的出氣口與第三級旋風(fēng)分離器13的入口相連接。第三級旋風(fēng)分離器13的底部出料口與氧化床第二進(jìn)料器15的進(jìn)料口相連接，第三級旋風(fēng)分離器13的出氣口與外接尾氣處理設(shè)施相連接。
粉礦預(yù)熱器1的氧化床第一進(jìn)料器14和氧化床第二進(jìn)料器15的出料口與氧化床2的氧化流化床本體20的進(jìn)料口相連接，氧化流化床本體20的底部進(jìn)氣口與氧化床氣體加熱器21的出氣口相連接，氧化流化床本體20的頂部出氣口與氧化床旋風(fēng)分離器24的入口相連接，氧化流化床本體20的出料口與氧化床第一出料器22的進(jìn)料口相連接。氧化床旋風(fēng)分離器24的出氣口與粉礦預(yù)熱器1的第一級旋風(fēng)分離器11的入口相連接，氧化床旋風(fēng)分離器24的底部出料口與氧化床第二出料器23的進(jìn)料口相連接。氧化床氣體加熱器21的進(jìn)氣口與熱交換器6的空氣出氣口相連接。
氧化床2的氧化床第一出料器22和氧化床第二出料器23的出料口與還原床3的一級還原流化床本體30的進(jìn)料口相連接，一級還原流化床本體30的底部進(jìn)氣口與一級還原床氣體加熱器31的出氣口相連接，一級還原流化床本體30的頂部出氣口與一級還原床旋風(fēng)分離器34的入口相連接，一級還原流化床本體30的出料口與一級還原床第一出料器32的進(jìn)料口相連接。一級還原床旋風(fēng)分離器34的底部出料口與一級還原床第二出料器33的進(jìn)料口相連接。一級還原床氣體加熱器31的進(jìn)氣口與還原床4的二級還原床旋風(fēng)分離器44的出氣口相連接。
還原床3的一級還原床第一出料器32和一級還原床第二出料器33的出料口與還原床4的二級還原流化床本體40的進(jìn)料口相連接，二級還原流化床本體40的底部進(jìn)氣口與二級還原床氣體加熱器41的出氣口相連接，二級還原流化床本體40的頂部出氣口與級二級還原床旋風(fēng)分離器44的入口相連接，二級還原流化床本體40的出料口與二級還原床第一出料器42的進(jìn)料口相連接。二級還原床旋風(fēng)分離器44的底部出料口與二級還原床第二出料器43的進(jìn)料口相連接。二級還原床氣體加熱器41的進(jìn)氣口與二氧化碳脫除器9的出氣口和外接還原氣加壓器15的出氣口相連接。
還原床4的二級還原床第一出料器42和二級還原床第二出料器43的出料口與產(chǎn)品料倉5的進(jìn)料口相連接。熱交換器6的空氣進(jìn)氣口與外接空氣供氣裝置相連接，熱交換器6的還原尾氣出氣口與洗滌器7的進(jìn)氣口相連接。洗滌器7的出氣口與加壓器8的進(jìn)氣口和外接尾氣處理設(shè)施相連接。加壓器8的出氣口與二氧化碳脫除器9的進(jìn)氣口相連接。
氧化床第一進(jìn)料器14和氧化床第二進(jìn)料器15的底部進(jìn)氣由外接氧化床氣體加熱器21的燃燒尾氣提供，氧化床第一出料器22、氧化床第二出料器23和二級終還原床第一出料器42、二級終還原床第二出料器43的底部進(jìn)氣由外接氮?dú)馓峁?，一級還原床第一出料器32、一級還原床第二出料器3233的底部進(jìn)氣由外接還原氣提供，氧化床氣體加熱器21、一級還原床氣體加熱器31和二級還原床氣體加熱器41的熱源由外接燃燒氣提供，的供氣管道上均設(shè)置了調(diào)節(jié)閥門。
本實(shí)施例中氧化床2，第一還原床3和第二還原床4，均為沸騰流化床，流化床本體下部為進(jìn)氣氣速流化段，即0.2-0.8m/s，上部為降氣速擴(kuò)大流化段(因內(nèi)徑擴(kuò)大而氣速自然降低)，上部內(nèi)徑為下部內(nèi)徑的1.3-2倍。
在該實(shí)施例中，還原床的個(gè)數(shù)以及旋風(fēng)分離器的個(gè)數(shù)可以根據(jù)需要而進(jìn)行變更，此處的列出的結(jié)構(gòu)僅為本發(fā)明的一個(gè)較好的實(shí)現(xiàn)。
實(shí)施例2
采用上述釩鈦磁鐵礦流態(tài)化高溫快速氧化還原系統(tǒng)進(jìn)行釩鈦磁鐵礦流態(tài)化氧化還原的方法包括以下步驟：釩鈦磁鐵礦粉礦由粉礦料倉和進(jìn)料器0的出料口進(jìn)入第一級旋風(fēng)分離器11出氣口并與來自氧化床旋風(fēng)分離器24出氣口的氧化尾氣換熱，隨后進(jìn)入第二級旋風(fēng)分離器12入口，經(jīng)由第二級旋風(fēng)分離器12分離，由其底部出料口排出的粗顆粒粉礦進(jìn)入第一級旋風(fēng)分離器11入口再次與來自氧化床旋風(fēng)分離器24出氣口的氧化尾氣換熱后進(jìn)入氧化床進(jìn)料器14的進(jìn)料口。由第二級旋風(fēng)分離器12出氣口夾帶出的細(xì)顆粒粉礦經(jīng)第二級旋風(fēng)分離器13分離后直接進(jìn)入氧化床進(jìn)料器15的進(jìn)料口。經(jīng)粉礦預(yù)熱器1預(yù)熱后的釩鈦磁鐵礦粉礦由氧化床第一進(jìn)料器14和氧化床第二進(jìn)料器15出料口進(jìn)入氧化流化床本體20進(jìn)行氧化。氧化氣體由經(jīng)過熱交換器7與還原尾氣熱交換后再經(jīng)氧化床氣體加熱器21加熱后的熱空氣供應(yīng)。氧化后的粗顆粒粉礦經(jīng)由氧化床出料器22進(jìn)入一級還原流化床本體30進(jìn)行第一次還原，氧化后的細(xì)顆粒粉礦經(jīng)氧化床旋風(fēng)分離器24分離后由氧化床第二出料器23進(jìn)入一級還原流化床本體30進(jìn)行第一次還原。一級還原流化床本體30所用還原氣體來自二級還原床旋風(fēng)分離器44出氣口排出的經(jīng)一級還原床氣體加熱器31加熱的還原氣。釩鈦磁鐵礦粉礦經(jīng)第一次還原后，粗顆粒粉礦經(jīng)由一級還原床第一出料器32進(jìn)入二級還原流化床本體40進(jìn)行第二次還原，細(xì)顆粒粉礦經(jīng)一級還原床旋風(fēng)分離器34分離后由一級還原床第二出料器33進(jìn)入二級還原流化床本體40進(jìn)行第二次還原。二級還原流化床本體40所用還原氣體來自經(jīng)洗滌器7洗滌、加壓器8加壓和二氧化碳脫除器9脫除二氧化碳后的還原尾氣，及經(jīng)還原氣加壓器15加壓的外接補(bǔ)充新還原氣，兩部分還原氣混合后再經(jīng)二級還原床氣體加熱器41加熱作為二級還原流化床本體40的熱還原氣。第二次還原結(jié)束后，釩鈦磁鐵礦粗還原粉礦產(chǎn)品經(jīng)二級還原床第一出料器42排出至產(chǎn)品料倉5，細(xì)還原粉礦產(chǎn)品經(jīng)二級還原床旋風(fēng)分離器44分離后由二級還原床第二出料器43排出至產(chǎn)品料倉5，還原粉礦冷卻儲(chǔ)存或熱態(tài)供其后續(xù)生產(chǎn)使用。一級還原床旋風(fēng)分離器34出氣口排出的還原尾氣，首先經(jīng)熱交換器6與氧化原料氣空氣進(jìn)行熱交換，隨后再進(jìn)入洗滌器7洗滌，其中部分通過還原尾氣加壓器8加壓后循環(huán)利用，部分進(jìn)入外接尾氣處理裝置供各加熱器21、31、41加熱燃燒使用。
實(shí)施例3
采用本發(fā)明處理原礦化學(xué)成分wt.％為55.86％TFe、15.00％FeO、63.19％Fe2O3、13.71％TiO2、2.21％SiO2、1.16％MgO、3.18％Al2O3、1.57％V2O5、0.22％CaO的釩鈦磁鐵礦粉礦，粉礦粒度為0.01-0.3mm。根據(jù)本發(fā)明粉礦預(yù)熱烘干后首先在氧化流化床進(jìn)行氧化處理，825℃氧化15分鐘，氧化氣速為0.22m/s，操作壓力3.1atm，氧化氣為空氣，釩鈦磁鐵礦的二價(jià)鐵氧化度達(dá)到43.17％。隨后，經(jīng)過氧化處理的釩鈦磁鐵礦粉礦進(jìn)入還原流化床進(jìn)行還原，還原溫度860℃，還原時(shí)間總計(jì)90分鐘。兩臺(tái)還原床的氣速均為0.76m/s，操作壓力6.8atm，還原氣為煤制氣，最終金屬化率可達(dá)92.7％，物料收得率>97％，產(chǎn)品金屬化率偏差<2.2％。
實(shí)施例4
采用本發(fā)明處理原礦化學(xué)成分wt.％為54.54％TFe、32.16％FeO、42.18％Fe2O3、10.77％TiO2、3.81％SiO2、3.72％MgO、3.54％Al2O3、0.67％V2O5、0.39％CaO的釩鈦磁鐵礦粉礦，粉礦粒度為0.01-0.25mm。根據(jù)本發(fā)明粉礦預(yù)熱烘干后首先在氧化流化床進(jìn)行氧化處理，950℃氧化10分鐘，氧化氣速為0.37m/s，操作壓力4atm，氧化氣為空氣，釩鈦磁鐵礦的二價(jià)鐵氧化度達(dá)到85.94％。隨后，經(jīng)過氧化處理的釩鈦磁鐵礦粉礦進(jìn)入還原流化床進(jìn)行還原，還原溫度880℃，還原時(shí)間總計(jì)85分鐘。三臺(tái)還原床的氣速均為0.72m/s，操作壓力7.9atm，還原氣為天然氣重整氣，最終金屬化率可達(dá)93.1％，物料收得率>96％，產(chǎn)品金屬化率偏差<2.1％。
最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。