多金属共伴生矿流态化氢基矿相预还原-熔炼装置及方法

技术领域

本发明属于多金属共伴生矿还原焙烧技术领域，具体涉及一种多金属共伴生矿流态化氢基矿相预还原-熔炼装置及方法。

背景技术

镍、钒、钛等稀有金属是国民经济、社会发展、国防工业建设以及科学技术发展必不可少的基础材料和重要的战略物资，广泛应用于冶金、化工、建筑、机械制造、电池、电镀、航天等领域。目前多金属共伴生铁矿是主要的铁矿资源来源之一。

回转窑—电炉工艺是处理多金属共伴生矿最有效的手段之一。由于原矿含有大量附着水和结晶水，所以熔炼前的炉料准备主要是干燥脱水，一般是在干燥窑内脱除附着水；在较长的回转窑内于较高的温度下焙烧预还原，进一步脱除结晶水；部分铁氧化物预还原，同时炉料得到预热，为下一步电炉熔炼节省能源；出窑炉料温度为650～900℃，直接送入电炉熔炼制取镍铁。精炼后用做冶炼不锈钢的原料。

但回转窑—电炉工艺存在缺点和不足：混合料在回转窑高温段预还原时因物料软熔产生结圈现象。生产中通过降低预还原温度至低于1000℃来避免结圈，但低温不利于碳的气化，因而影响预还原率。受预还原温度低的影响，最终主要依靠还原熔分反应器熔融还原实现镍和铁的还原与渣铁熔分，导致能耗较高。还原剂的煤粉与多金属共伴生矿颗粒的接触紧密程度不足，还原效果有待提升。除此之外，此类火法处理工艺国内外均采用煤或焦炭为还原剂，但是碳质还原剂产生的温室气体会对环境造成不良的影响，并且随着煤炭价格的不断上涨，使得碳热还原工艺面临着成本高而能源效率相对较低的局面。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多金属共伴生矿流态化氢基矿相预还原-熔炼装置及方法。本发明以氢气为直接还原剂可降低还原反应温度，且还原过程中不产生CO

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种多金属共伴生矿流态化氢基矿相预还原-熔炼装置，主要由给料干磨系统、三级换热氧化系统、氢基矿相还原系统、还原熔分系统和循环供热系统组成；给料干磨系统、三级换热氧化系统、流态化氢基矿相还原系统和还原熔分系统互相连接，循环供热系统与三级换热氧化系统相连，形成循环气路；

所述的给料干磨系统包括料仓和干磨机；

所述的三级换热氧化系统包括一级、二级换热器和三级氧化加热器；

所述的氢基矿相还原系统包括第一密封阀和氢基矿相还原反应器；

所述的还原熔分系统包括第二密封阀和还原熔分反应器；

所述的循环供热系统包括一级旋风、二级旋风、除尘器、风机、烟囱和热风炉；

所述的料仓和干磨机给矿口相连；一级换热器底部排料口和二级换热器给料口相连，二级换热器底部排料库和三级氧化加热器给料口相连；第一密封阀和氢基矿相还原反应器串联；第二密封阀和还原熔分反应器串联；

一级旋风进风口与三级氧化加热器相连，底部出料口与三级氧化反应器顶部相连，顶部出风口与一级、二级换热器给料口相连；二级旋风进料口与氢基矿相还原反应器相连，底部出料口与氢基矿相还原反应器顶部向量，顶部出风口与上级氧化加热器底部进风口相连；另外连接风机和热风炉的管路中设有烟囱和空气进气口；在循环气路中需要补充或排出气体时，可补充和排放气体；

所述的干磨机的供气来源于一级、二级换热器热烟气，干磨后的物料被热烟气初步加热；所述的干磨机的烟气经除尘器风机被热风炉加热，加热后的烟气再给入三级氧化加热器中。

所述的一级旋风的作用是先将三级氧化加热器中的高温烟气和细粒物料分离，再将高温烟气给入一级、二级换热器；

所述的二级旋风的作用是将氢基矿相还原反应器中的热烟气与细粒物料分离，再将高温烟气给入三级氧化加热器；

所述的装置中，部分气体流向形成循环；主气体流向为：热风炉—三级氧化加热器—一级旋风—一级换热器、二级换热器—干磨机—除尘器—风机—热风炉。

所述的装置中，物料走向为：料仓—干磨机—一级换热器—二级换热器—三级氧化加热器—第一密封阀—氢基矿相还原反应器—第二密封阀—还原熔分反应器。

多金属共伴生矿流态化还原焙烧制备含多金属共伴生的铁水的方法，采用上述装置实现，主要包括以下步骤：

步骤1、将多金属共伴生矿给入到氢基矿相还原系统的干磨机中；干磨机将原矿破碎后，进入一级换热器中；

步骤2、多金属共伴生矿在风力作用下和热烟气一同进入一级换热器并在腔室内气固分离，烟气从腔室顶部出口排出；物料由一级换热器底部出料口进入二级换热器；物料被热烟气预热；

步骤3、物料在风力作用下进入二级换热器并在腔室内气固分离，烟气从腔室顶部出口排出，物料由二级换热器底部出料口进入三级氧化加热器；物料被热烟气继续加热；

步骤4、多金属共伴生矿在三级氧化加热器中被加热，多金属共伴生矿中的褐铁矿被完全氧化为赤铁矿；热风炉内空气和天然气燃烧后的热量经内部换热器传递给循环热烟气，并给入三级氧化加热器；

步骤5、经预热、氧化后的多金属共伴生矿由二级旋风下部出料口经二级密封阀进入氢基矿相还原反应器内部；物料氮气作用下，在W型的四个腔室内呈流态化运动；氢气2作为唯一还原剂由氢基矿相还原反应器底部给入，为反应器内提供还原气氛；多金属共伴生矿中的褐铁矿从第一腔室向第四腔室流动过程中被逐渐还原为磁铁矿，氢基矿相还原反应器内壁设有电热丝，保证内部物料温度；氢基矿相还原反应器排料口处烟气夹杂着细粒物料进入二级旋风中实现气固分离；烟气由二级旋风上部排出至三级氧化加热器中；

步骤6、经过氢基矿相还原的高温多金属共伴生矿经第二密封阀进入还原熔分反应器中，控制还原熔分反应器内温度，得到含共伴生金属的铁水。

所述的步骤1中，多金属共伴生矿为0～10mm，含水量25～35％；给入速度为200～500kg/h；破碎后的粒径为0～2mm；

所述的步骤2中，物料被热烟气预热至300～500℃；

所述的步骤3中，物料被热烟气预热至500～800℃；

所述的步骤4中，物料被热烟气加热至1000～1200℃；所述热烟气是由热风炉、氢基矿相还原反应器和还原熔分反应器共同提供；

所述的步骤5中，氮气流量为80～180m

所述的步骤6中，温度为1300～1500℃。

所述装置通过给料干磨系统、三级换热氧化系统、流态化氢基矿相还原系统、还原熔分系统、循环供热系统与三级换热氧化系统，实现对多金属共伴生矿的三级预热氧化、氢基矿相还原、还原熔分作业，从而实现多金属共伴生矿流态化氢基矿相预还原—熔分制备含共伴生金属铁水产品；

所述的铁水中，共伴生金属的回收率为87～100％，铁回收率为89～100％。

本发明提供一种多金属共伴生矿流态化氢基矿相预还原-熔炼装置及方法，其关键点是：

1、本发明采用流态化焙烧技术，焙烧过程中要保证反应器和密封阀的供气量适宜，以保证物料处于流化态。

2、本发明的气路形成闭路循环，被热风炉加热的高温烟气依次经过三级氧化加热器、二级换热器、一级换热器和干磨机，实现了烟气中热量的高效利用，能大大降低能耗。

3、密封阀要起到防止窜气的作用将前段三级换热氧化系统中的氧气气氛完全隔绝，以保证氢基矿相还原反应器中为无氧的还原环境。

4、氢基矿相还原反应器的低硫煤含量应该适量。一方面保证燃烧产生的CO能充分将赤铁矿还原，另一方面不应产生过量的CO，避免氢基矿相还原反应器排气进入预热氧化反应器中影响氧化效果。

本发明与现有技术相比，其有益效果及创新点在于：

1、能量利用效率高，整体能耗低，较回转窑-电炉工艺可以降低能耗20％-50％。并且本发明中干磨机进风口可以掺杂细粒灰尘，采用热风干磨将一级、二级换热器排出烟气中的热量再利用，取消冷却水套能大大降低系统能耗，因此不需要在一级、二级换热器排出烟气中设置冷却水套、布袋除尘器和风机。

2、流态化焙烧过程气固反应更充分，气氛、温度调控精准：流态化焙烧过程的氢气与多金属共伴生矿颗粒直接发生气固反应，还原反应效率对比回转窑大大提高。并且该系统能实现先氧化、后还原的焙烧过程，并且各焙烧过程的温度相比回转窑更易控制。

3、系统处理能力大：因为还原熔分作业的给料已经经过了氢基矿相还原焙烧，其中的氧化亚铁含量高、物料温度高，这有效降低了还原熔分炉对物料的加热时间和还原反应时间，大大提高了反应效率。同功率电炉处理能力较回转窑—电炉工艺提高50％以上。

4、环境友好，流程紧凑，自动化程度高：该工艺流态化焙烧系统内自带脱硝和除尘装置，无需新建废气处理装置，并可实现绿色超低排放。该系统为密闭状态，流程紧凑，整个过程实现了物料的连续送热。发明系统由自动化控制，较回转窑-电炉工艺降低操作岗位40％以上。

附图说明

图1一种节能降碳的多金属共伴生矿氢基矿相还原—熔分装置的结构示意图；

其中，1-料仓，2-干磨机，3-一级换热器，4-二级换热器，5-三级氧化加热器，6-第一密封阀，7-氢基矿相还原反应器，8-第二密封阀，9-还原熔分反应器，10-一级旋风，11-二级旋风，12-除尘器，13-风机，14-烟囱，15-热风炉。

具体实施方式

结合附图1，对本发明实施中的技术方案进行清楚、完整的描述。应当指出的是，本发明描述的实例仅用来进一步解释和说明，而非对其应用范围进行限制。基于本发明，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下获得的所有其它实施例，都属于本发明专利的保护范围。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，具体如下：

实施例1

一种多金属共伴生矿流态化氢基矿相预还原-熔炼装置，如图1所示，主要由给料干磨系统、三级换热氧化系统、氢基矿相还原系统、还原熔分系统和循环供热系统组成；

所述给料干磨系统包括料仓1和干磨机2；

所述三级热氧化系统包括一级换热器3，二级换热器4和三级氧化加热器5；

所述氢基矿相还原系统包括第一密封阀6，氢基矿相还原反应器7；

所述还原熔分系统包括第二密封阀8和还原熔分反应器9；

所述循环供热系统包括一级旋风10、二级旋风11、除尘器12、风机13、烟囱14和热风炉15；

所述装置中，给料干磨系统、三级换热氧化系统、流态化氢基矿相还原系统和还原熔分系统相互连接；所述料仓1和干磨机2的给矿口相连；一级换热器3底部排料口和二级换热器4给料口相连，二级换热器4底部排料口和三级氧化加热器5给料口相连；第一密封阀6和氢基矿相还原反应器7串联；第二密封阀8和还原熔分反应器9串联；一级旋风10进风口与三级氧化加热器5排料口相连，底部出料口与三级氧化反应器5顶部相连，顶部出风口与一级换热器3、二级换热器4给料口相连；二级旋风11进料口与氢基矿相还原反应器7排料口相连，底部出料口与氢基矿相还原反应器7顶部相连，顶部出风口与三级氧化加热器5底部进风口相连；连接风机13和热风炉15的管路中设有烟囱14和空气进气口；

所述给料干磨系统中，干磨机2的供气为一级换热器3和二级换热器4的热烟气，干磨后的物料被热烟气初步加热；

所述的循环供热系统中，干磨机2的烟气经除尘器12、风机13被热风炉15加热，加热后的烟气再给入三级氧化加热器5中；一级旋风10将三级氧化加热器5中的高温烟气和细粒物料分离，再将高温烟气给入一级换热器3、二级换热器4；二级旋风11将氢基矿相还原反应器7中的热烟气与细粒物料分离，再将高温烟气给入三级氧化加热器5；

所述装置中，部分气体流向形成循环，其中主气体流向为：热风炉15—三级氧化加热器5—一级旋风10—一级换热器3、二级换热器4—干磨机2—除尘器12—风机13—热风炉15；

所述装置中，物料走向为：料仓1—干磨机2—一级换热器3—二级换热器4—三级氧化加热器5—第一密封阀6—氢基矿相还原反应器7—第二密封阀8—还原熔分反应器9。

以菲律宾某多金属共伴生矿为原料进行流态化氢基矿相还原—熔分制备含多金属共伴生的铁水的实验，采用上述装置实现，具体为：

1.给料干磨作业：将-8mm、含水量25％的多金属共伴生矿以200kg/h速度给入氢基矿相还原系统的干磨机中，破碎至-2mm后给入一级换热器；

2.一级换热作业：多金属共伴生矿在风力作用下和热烟气一同进入一级换热器，并在腔室内气固分离，烟气从腔室顶部出口排出；物料由一级换热器底部出料口进入二级换热器。此时物料被热烟气预热至300℃；

3.二级换热作业：物料在风力作用下进入二级换热器并在腔室内气固分离，烟气从腔室顶部出口排出。此时物料被热烟气预热至500℃；物料由二级换热器底部出料口进入三级氧化加热器；

4.三级氧化加热作业：多金属共伴生矿在三级氧化加热器中被电加热和热烟气协同作用，加热至1000℃；此处热烟气是由热风炉、氢基矿相还原反应器和还原熔分反应器共同提供；此时多金属共伴生矿中的褐铁矿被完全氧化为赤铁矿；

5.氢基矿相还原作业：经预热氧化后的多金属共伴生矿由二级旋风下部出料口经二级密封阀进入氢基矿相还原反应器内部；物料在100m

6.还原熔分作业：经过氢基矿相还原的高温多金属共伴生矿经第二密封阀进入还原熔分反应器中；控制还原熔分反应器内温度为1350℃；此时原矿中的磁赤铁矿被深度还原为金属铁；因为共伴生金属元素主要以类质同象形式存在于铁矿物中，所以最终共伴生金属和铁以含共伴生金属的铁水形式产出；共伴生金属的铁水中其中共伴生金属的回收率为89.58％，铁回收率为92.15％。

实施例2

以四川某多金属共伴生矿为原料进行流态化氢基矿相还原—熔分制备含共伴生金属的铁水的实验，采用实施例1所述装置实现，具体为：

1.给料干磨作业：将-10mm以下、含水量30％的多金属共伴生矿以450kg/h的速度给入氢基矿相还原系统的干磨机中；干磨机将原矿破碎至-1mm以下，进入一级换热器中；

2.一级换热作业：多金属共伴生矿在风力作用下和热烟气一同进入一级换热器，并在腔室内气固分离，烟气从腔室顶部出口排出；物料由一级换热器底部出料口进入二级换热器。此时物料被热烟气预热至400℃；

3.二级换热作业：物料在风力作用下进入二级换热器并在腔室内气固分离，烟气从腔室顶部出口排出；此时物料被热烟气预热至650℃；物料由二级换热器底部出料口进入三级氧化加热器；

4.三级氧化加热作业：多金属共伴生矿在三级氧化加热器中被电加热和热烟气协同作用，加热至1000℃；此处热烟气是由热风炉、氢基矿相还原反应器和还原熔分反应器共同提供；此时多金属共伴生矿中的褐铁矿被完全氧化为赤铁矿；

5.氢基矿相还原作业：经预热、氧化后的多金属共伴生矿由二级旋风下部出料口经二级密封阀进入氢基矿相还原反应器内部；物料在130m

6.还原熔分作业：经过氢基矿相还原的高温多金属共伴生矿经第二密封阀进入还原熔分反应器中；控制还原熔分反应器内温度为1400℃；此时原矿中的磁赤铁矿被深度还原为金属铁；因为共伴生金属元素主要以类质同象形式存在于铁矿物中，所以最终共伴生金属和铁以含共伴生金属的铁水形式产出；含共伴生金属的铁水中其中共伴生金属的回收率为93.45％，铁回收率为95.48％。

实施例3

以印尼某多金属共伴生矿为原料进行流态化氢基矿相还原—熔分制备含多金属共伴生的铁水的实验，采用实施例1所述装置实现，具体为：

1.给料干磨作业：将-7.5mm以下、含水量32％的多金属共伴生矿以500kg/h的速度给入氢基矿相还原系统的干磨机中；干磨机将原矿破碎至-2mm以下，进入一级换热器中；

2.一级换热作业：多金属共伴生矿在风力作用下和热烟气一同进入一级换热器，并在腔室内气固分离，烟气从腔室顶部出口排出；物料由一级换热器底部出料口进入二级换热器；此时物料被热烟气预热至400℃；

3.二级换热作业：物料在风力作用下进入二级换热器并在腔室内气固分离，烟气从腔室顶部出口排出；此时物料被热烟气预热至600℃；物料由二级换热器底部出料口进入三级氧化加热器；

4.三级氧化加热作业：多金属共伴生矿在三级氧化加热器中被电加热和热烟气协同作用，加热至1200℃；此处热烟气是由热风炉、氢基矿相还原反应器和还原熔分反应器共同提供；此时多金属共伴生矿中的褐铁矿被完全氧化为赤铁矿；

5.氢基矿相还原作业：经预热、氧化后的多金属共伴生矿由二级旋风下部出料口经二级密封阀进入氢基矿相还原反应器内部；物料在180m

6.还原熔分作业：经过氢基矿相还原的高温多金属共伴生矿经第二密封阀进入还原熔分反应器中；控制还原熔分反应器内温度为1500℃；此时原矿中的磁赤铁矿被深度还原为金属铁；因为共伴生金属元素主要以类质同象形式存在于铁矿物中，所以最终共伴生金属和铁以含共伴生金属的铁水形式产出；含共伴生金属的铁水中中其中共伴生金属的回收率为95.68％，铁回收率为98.45％。

实施例4

以印尼某多金属共伴生矿为原料进行流态化氢基矿相还原—熔分制备含多金属共伴生的铁水的实验，采用实施例1所述装置实现，具体为：

1.给料干磨作业：将-8.5mm以下、含水量25％的多金属共伴生矿以450kg/h的速度给入氢基矿相还原系统的干磨机中；干磨机将原矿破碎至-1mm以下，进入一级换热器中；

2.一级换热作业：多金属共伴生矿在风力作用下和热烟气一同进入一级换热器，并在腔室内气固分离，烟气从腔室顶部出口排出；物料由一级换热器底部出料口进入二级换热器；此时物料被热烟气预热至300℃；

3.二级换热作业：物料在风力作用下进入二级换热器并在腔室内气固分离，烟气从腔室顶部出口排出；此时物料被热烟气预热至500℃；物料由二级换热器底部出料口进入三级氧化加热器；

4.三级氧化加热作业：多金属共伴生矿在三级氧化加热器中被电加热和热烟气协同作用，加热至1000℃；此处热烟气是由热风炉、氢基矿相还原反应器和还原熔分反应器共同提供；此时多金属共伴生矿中的褐铁矿被完全氧化为赤铁矿；

5.氢基矿相还原作业：经预热、氧化后的多金属共伴生矿由二级旋风下部出料口经二级密封阀进入氢基矿相还原反应器内部；物料在160m

6.还原熔分作业：经过氢基矿相还原的高温多金属共伴生矿经第二密封阀进入还原熔分反应器中；控制还原熔分反应器内温度为1450℃；此时原矿中的镍被还原为金属镍，磁赤铁矿被深度还原为金属铁；因为共伴生金属元素主要以类质同象形式存在于铁矿物中，所以最终共伴生金属和铁以含共伴生金属的铁水形式产出；含共伴生金属的铁水中其中共伴生金属的回收率为96.85％，铁回收率为97.57％。

实施例5

同实施例4，不同点是，氢气流量减小至25m

实施例6

同实施例4，不同点是，本例不进行三级换热，物料直接给入氢基矿相还原反应器；虽然最终也能产出含多金属共伴生的铁水产品，但共伴生金属的回收率仅为87.21％，铁回收率仅为87.15％；这是由于原矿中的褐铁矿没有被预先氧化为赤铁矿，褐铁矿直接进行还原焙烧产品的亚铁还原度较低；与实例4相比，本例能耗增加48.60％；因为室温物料未经预热，物料需要由氢基矿相还原反应器和熔分炉加温，导致总体电耗大大增加。

实施例7

同实施例2，不同点是，本例不进行三级换热，物料直接给入氢基矿相还原反应器；虽然最终也能产出含多金属共伴生的铁水产品，但共伴生金属的回收率仅为86.45％，铁回收率仅为85.17％；这是由于原矿中的褐铁矿没有被预先氧化为赤铁矿，褐铁矿直接进行还原焙烧产品的亚铁还原度较低；与实例2相比，本例能耗增加42.10％；因为室温物料未经预热，物料需要由氢基矿相还原反应器和熔分炉加温，导致总体电耗大大增加。

实施例8

同实施例3，不同点是，本例不进行氢基矿相还原焙烧，经过三级预热的产品直接给入还原熔分反应器；虽然最终也能产出含多金属共伴生的铁水产品，但共伴生金属的回收率仅为86.58％，铁回收率仅为87.58％；与实例3相比，本例电耗增加35.1％；这是因为进入还原熔分反应器的物料中的铁主要以赤铁矿形式存在，亚铁的含量极少，导致还原过程仅发生在还原熔分反应器中，此时还原效率差，反应时间长，总体电耗增加。