一种利用生物质热解还原赤泥提铁的系统及方法

技术领域

本发明属于有色冶金环保领域，特别涉及一种利用生物质热解还原赤泥提铁的系统及方法。

背景技术

赤泥是碱浸铝土矿生产氧化铝过程中产生的工业固体废渣，具有高碱度、高水分、高粘性和放射性等特点，现有处置方法以干法筑坝堆存为主，不仅占用大量土地资源，长期堆存还会对周围土壤和水资源造成巨大安全隐患和危害。赤泥中含铁量较高，可以作为回收铁的二次资源。对赤泥中的铁资源分离回收，是其资源化利用和减量化处理的重要途径。

中国专利申请CN1300348A公开了一种从赤泥中回收铁的方法，将含水量10-20％的赤泥与煤和海绵铁粉混合、挤压成型并干燥，然后与工业煤混合送入回转窑在1100-1200℃下还原焙烧，焙烧产物冷却后磁选得到海绵铁粉。中国专利申请CN102839249A公开了一种转底炉直接还原高铁赤泥生产铁精粉的方法，利用预热空气将赤泥在链篦机中烘干至水分低于12％，再与焦粉或煤粉混合压制成生球，生球经烘干筛分至8-12mm送入回转窑，在1000-1400℃下还原焙烧，焙烧产物经冷却、破碎、磁选得到铁品位高于60％的铁精粉。中国专利申请CN103805726A公开了一种利用转底炉珠铁工艺综合利用高铁赤泥的方法，将高铁赤泥、煤粉或焦粉及一定量的添加剂混匀、造球，置于转底炉中1350-1450℃下还原焙烧，焙烧产物经冷却、破碎、磁选得到珠铁。中国专利申请CN107254583A公开了一种基于回转窑直接还原焙烧-磁选的赤泥综合利用方法，以赤泥为原料，煤粉为还原剂，钛磁铁矿为添加剂，淀粉和膨润土为粘结剂制球、烘干，将干球置于1280-1300℃下的回转窑中直接还原焙烧，焙烧产物经冷却磁选得到铁品位高于92％的直接还原铁。上述各技术方案均通过还原焙烧实现了赤泥中铁资源的回收，但都是以煤粉或焦粉为还原剂，焙烧过程中二氧化碳排放量大，并且会在焙烧产物中引入其他杂质，此外各技术方案的还原焙烧温度均在1000℃以上，能耗较高。

生物质是一种重要的可再生能源，直接或间接来自植物的光合作用，具有环境友好、成本低廉和碳中和等特点。中国专利申请CN107311479A公开了一种生物质还原赤泥中氧化铁同步提高无机组分活性的方法，将生物质与高铁拜耳法赤泥混合均匀，在400-750℃下焙烧，焙烧产物经磁选后可得铁精矿和高胶凝活性的无机材料，与煤粉还原相比，生物质还原可以将还原温度降低200℃，节省了能耗，然而该方案停留在实验室固定床小规模研究阶段，尚无切实可行的生产工艺系统和方法，同时，该方法中生物质热解与铁氧化物还原耦合在相同温度下进行，不利于反应的优化调控。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种利用生物质热解还原赤泥提铁的系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用生物质热解还原赤泥提铁的系统，包括赤泥料仓、赤泥加料器、变径流化床、底伸式多层搅拌装置、搅拌电机、一级旋风分离器I、立管、出料阀I、二级旋风分离器I、一级旋风预热器、二级旋风预热器、一级旋风分离器II、燃料生物质料仓、燃料生物质加料器、燃烧室、多层流化床、出料阀II、热解生物质料仓、热解生物质加料器、一级旋风分离器Ⅲ、二级旋风分离器I I、旋风分离器出料阀I、流化床冷却器、一级旋风分离器Ⅵ、二级旋风分离器Ⅲ、旋风分离器出料阀II、出料阀Ⅲ和磁选系统；

所述赤泥料仓、赤泥加料器、变径流化床沿物料流通的方向依次连接；所述变径流化床的进气口、出气口和出料口分别与所述一级旋风分离器II的出气口、所述一级旋风分离器I的进气口和所述立管上端的进料口相连接；

二级旋风分离器I的进气口、出气口和出料口分别与所述一级旋风分离器I的出气口、尾气处理系统和所述一级旋风预热器的进料口相连接；

出料阀I的进料口、出料口和进气口分别与所述立管下端的出料口、所述一级旋风预热器的进料口和空气管线相连接。

所述一级旋风预热器的出料口和出气口分别与所述燃烧室的出气口和所述一级旋风分离器II的进气口相连接；所述一级旋风预热器的进气口与二级旋风预热器的出气口相连接，所述二级旋风预热器的进气口与燃烧室的出气口相连接；所述燃料生物质料仓的出料口与燃料生物质加料器的进料口相连接，所述燃料生物质加料器的出料口与燃烧室的进料口相连接；

所述多层流化床内部的中部从下往上依次分隔为三级生物质层、二级赤泥颗粒层和一级赤泥颗粒层，气体可在三级生物质层、二级赤泥颗粒层和一级赤泥颗粒层之间通过；所述三级生物质层的出料口和进料口分别与所述燃料生物质加料器的进料口和所述热解生物质加料器的出料口相连接，所述二级赤泥颗粒层的出料口与出料阀II的进料口相连接，所述一级旋风分离器I I的出料口和所述二级旋风预热器的出料口均与一级赤泥颗粒层的进料口连接；所述多层流化床内还设有溢流管，所述溢流管上端的进料口与一级赤泥颗粒层相通，所述二级赤泥颗粒层与溢流管下端的出料口相通；所述热解生物质加料器的进料口与热解生物质料仓的出料口相连接；

所述多层流化床的进气口和出气口分别与所述二级旋风分离器Ⅲ的出气口和一级旋风分离器Ⅲ的进气口相连接；所述一级旋风分离器Ⅲ的出气口与二级旋风分离器II的进气口相连接，所述一级旋风分离器Ⅲ的出料口和所述二级旋风分离器I I的出料口均与旋风分离器出料I的进料口相连接，所述二级旋风分离器II的出气口与二级旋风预热器的进气口相连接；所述出料阀I I的出料口和所述旋风分离器出料I的出料口均与流化床冷却器的进料口相连接，所述出料阀I I的进气口与氮气管线相连接，所述旋风分离器出料I的进气口与氮气管线相连接；

所述流化床冷却器的进气口与氮气管线相连接，所述流化床冷却器的出气口与一级旋风分离器Ⅵ的进气口相连接，所述一级旋风分离器Ⅵ的出气口与二级旋风分离器Ⅲ的进气口相连接，所述一级旋风分离器Ⅵ的出料口与旋风分离器出料阀I I的进料口相连接，所述二级旋风分离器Ⅲ的出料口与旋风分离器出料阀I I的进料口相连接，所述流化床冷却器的出料口与出料阀Ⅲ的进料口相连接，所述出料阀Ⅲ的进气口与氮气管线相连接，所述旋风分离器出料阀II的进气口与氮气管线相连接；

所述旋风分离器出料阀II的出料口与磁选系统的进口相连接，所述出料阀Ⅲ的进气口与氮气管线相连接。

进一步地，上述系统中，所述变径流化床的下部的直径大于上部的直径，所述变径流化床的下部设有底伸式多层搅拌装置，所述底伸式多层搅拌装置由搅拌电机驱动。

进一步地，上述系统中，所述底伸式多层搅拌装置的搅拌中心轴由变径流化床的底部中心伸入，所述底伸式多层搅拌装置的搅拌桨为多层搅拌桨，所述多层搅拌桨的层数为3层以上，各层搅拌桨沿搅拌轴轴向均匀分布。

本发明还提供一种上述利用生物质热解还原赤泥提铁的系统的工作方法，具体过程为：

赤泥存储在赤泥料仓中，经赤泥加料器进入变径流化床，在变径流化床内，赤泥物料在来自一级旋风分离器I I的烟气的余热下完成干燥，在具有3层以上搅拌桨的底伸式多层搅拌装置的搅拌剪切作用下完成打散；经干燥和打散后的赤泥物料进入一级旋风分离器I进行气固分离，分离所得的赤泥物料依次经过立管和出料阀I进入一级旋风预热器，分离所得的尾气进入尾气处理系统，处理达标后排放；

赤泥物料在一级旋风预热器中进行一级预热后，从一级旋风预热器的出料口输出，并随着燃烧室输出的烟气一并进入二级旋风预热器中进行二级预热；二级旋风预热器中预热所需热量由燃烧室输出的烟气提供，烟气在二级旋风预热器中经过换热后进入一级旋风预热器，烟气中的余热继续为一级旋风预热器提供预热所需热量；一级旋风预热器中经过换热后的烟气进入一级旋风分离器II，经过气固分离后所得的烟气进入变径流化床内，使变径流化床内的赤泥物料在烟气作用下呈快速流态化，并在烟气的余热作用下赤泥物料得到干燥；

一级旋风分离器II分离所得的赤泥物料和二级旋风预热器预热后的赤泥物料均进入多层流化床的一级赤泥颗粒层，当一级赤泥颗粒层中赤泥物料的高度达到溢流管的进料口的高度时，经溢流管进入二级赤泥颗粒层；

热解生物质从热解生物质料仓经热解生物质加料器进入三级生物质层，在来自二级旋风分离器Ⅲ的热氮气作用下焙烧完成热解，热解生物质产物经燃料生物质加料器进入燃烧室；燃料生物质从燃料生物质料仓经燃料生物质加料器进入燃烧室，空气从空气管线进入燃烧室，燃料生物质和热解生物质产物在燃烧室空气中完成燃烧，形成高温烟气，高温烟气送入二级旋风预热器中；三级生物质层的热解气向上依次经过二级赤泥颗粒层和一级赤泥颗粒层，二级赤泥颗粒层和一级赤泥颗粒层中的赤泥物料进行还原焙烧，在热解气的作用下完成低温流态化固态还原，还原尾气依次经一级旋风分离器Ⅲ、二级旋风分离器II分离出固体后进入二级旋风预热器；

低温流态化固态还原后的物料经出料阀II进入流化床冷却器，氮气经过氮气管线进入流化床冷却器，与流化床冷却器内的物料进行换热；换热冷却后的物料经出料阀Ⅲ进入磁选系统，经磁选得到铁磁性物料和含铝渣；

换热后的热氮气从流化床冷却器的出气口依次经过一级旋风分离器Ⅵ和二级旋风分离器Ⅲ的气固分离后进入多层流化床的三级生物质层，为热解生物质热解提供热量。

进一步地，上述方法中，所述多层流化床的一级赤泥颗粒层、二级赤泥颗粒层和三级生物质层内的物料呈鼓泡流态化或湍动流态化。

进一步地，上述方法中，所述赤泥的固体质量含量为30％-80％。

进一步地，上述方法中，所述燃料生物质和热解生物质的含水量≤5％，所述燃料生物质和热解生物质均为木质素、木屑、稻壳、秸秆中的一种或多种的组合。

进一步地，上述方法中，所述底伸式多层搅拌装置的转速为100-2000rpm。

进一步地，上述方法中，所述多层流化床的一级赤泥颗粒层和二级赤泥颗粒层的还原焙烧温度为400-500℃，还原时间为0.5-1h；所述多层流化床的三级生物质层的热解温度为200-400℃，还原时间为0.5-1h。

进一步地，上述方法中，铁的回收率≥80％。

本发明的有益效果在于：

1.本发明以生物质热解气为流化还原气，在较低温度下将赤泥中的氧化铁还原，省去了混合、造球和生球干燥等工序，工艺流程简单。流化床内气固相间混合接触好，传质传热速率快，还原效率高。

2.本发明采用多层流化床将生物质热解与赤泥中氧化铁还原解耦，使两者可以在不同温度下进行，有利于系统优化调控，降低能耗。

3.本发明采用内置底伸式多层搅拌装置的高转速变径流化床，实现对赤泥的高效干燥、脱水、打散和输送。高转速底伸式多层搅拌装置可以高效剪切分散高水分高粘度赤泥，增强传质传热，强化干燥脱水效果，并有效破碎干燥料，设备简单，操作简便。

4.本发明中赤泥的干燥、打散、输送以及赤泥中氧化铁还原等固相加工过程均采用气固流化床，便于连续化操作和大规模处理。

综上所述，本发明提供了一种先进、完整、可控的生物质热解还原赤泥提铁系统及方法，可以实现赤泥中铁资源大规模高效清洁利用。

附图说明

图1为本发明实施例1中的系统结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

实施例1

本实施例提供一种利用生物质热解还原赤泥提铁的系统，如图1所示，包括赤泥料仓1、赤泥加料器2、变径流化床3、底伸式多层搅拌装置31、搅拌电机32、一级旋风分离器I4、立管5、出料阀I 6、二级旋风分离器I 7、一级旋风预热器8、二级旋风预热器9、一级旋风分离器II 10、燃料生物质料仓11、燃料生物质加料器12、燃烧室13、多层流化床14、一级赤泥颗粒层141、二级赤泥颗粒层142、三级生物质层143、溢流管144、出料阀I I 15、热解生物质料仓16、热解生物质加料器17、一级旋风分离器Ⅲ18、二级旋风分离器II 19、旋风分离器出料阀I 20、流化床冷却器21、一级旋风分离器Ⅵ22、二级旋风分离器Ⅲ23、旋风分离器出料阀I I 24、出料阀Ⅲ25和磁选系统26；

所述赤泥料仓1、赤泥加料器2、变径流化床3沿物料流通的方向依次连接；所述变径流化床3的进气口、出气口和出料口分别与所述一级旋风分离器II 10的出气口、所述一级旋风分离器I 4的进气口和所述立管5上端的进料口相连接；二级旋风分离器I 7的进气口、出气口和出料口分别与所述一级旋风分离器I 4的出气口、尾气处理系统和所述一级旋风预热器8的进料口相连接；

出料阀I 6的进料口、出料口和进气口分别与所述立管5下端的出料口、所述一级旋风预热器8的进料口和空气管线相连接。

所述一级旋风预热器8的出料口和出气口分别与所述燃烧室13的出气口和所述一级旋风分离器II 10的进气口相连接；所述一级旋风预热器8的进气口与二级旋风预热器9的出气口相连接，所述二级旋风预热器9的进气口与燃烧室13的出气口相连接；所述燃料生物质料仓11的出料口与燃料生物质加料器12的进料口相连接，所述燃料生物质加料器12的出料口与燃烧室13的进料口相连接；

所述多层流化床14内部的中部从下往上依次分隔为三级生物质层143、二级赤泥颗粒层142和一级赤泥颗粒层141，气体可在三级生物质层143、二级赤泥颗粒层142和一级赤泥颗粒层141之间通过；所述三级生物质层143的出料口和进料口分别与所述燃料生物质加料器12的进料口和所述热解生物质加料器17的出料口相连接，所述二级赤泥颗粒层142的出料口与出料阀I I 15的进料口相连接，所述一级旋风分离器II 10的出料口和所述二级旋风预热器9的出料口均与一级赤泥颗粒层141的进料口连接；所述多层流化床14内还设有溢流管144，所述溢流管144上端的进料口与一级赤泥颗粒层141相通，所述二级赤泥颗粒层142与溢流管144下端的出料口相通；所述热解生物质加料器17的进料口与热解生物质料仓16的出料口相连接；

所述多层流化床14的进气口和出气口分别与所述二级旋风分离器Ⅲ23的出气口和一级旋风分离器Ⅲ18的进气口相连接；所述一级旋风分离器Ⅲ18的出气口与二级旋风分离器II 19的进气口相连接，所述一级旋风分离器Ⅲ18的出料口和所述二级旋风分离器II19的出料口均与旋风分离器出料阀I 20的进料口相连接，所述二级旋风分离器II 19的出气口与二级旋风预热器9的进气口相连接；所述出料阀II 15的出料口和所述旋风分离器出料阀I 20的出料口均与流化床冷却器21的进料口相连接，所述出料阀II 15的进气口与氮气管线相连接，所述旋风分离器出料阀I 20的进气口与氮气管线相连接；

所述流化床冷却器21的进气口与氮气管线相连接，所述流化床冷却器21的出气口与一级旋风分离器Ⅵ22的进气口相连接，所述一级旋风分离器Ⅵ22的出气口与二级旋风分离器Ⅲ23的进气口相连接，所述一级旋风分离器Ⅵ22的出料口与旋风分离器出料阀I I24的进料口相连接，所述二级旋风分离器Ⅲ23的出料口与旋风分离器出料阀II 24的进料口相连接，所述流化床冷却器21的出料口与出料阀Ⅲ25的进料口相连接，所述出料阀Ⅲ25的进气口与氮气管线相连接，所述旋风分离器出料阀I I 24的进气口与氮气管线相连接；

所述旋风分离器出料阀II 24的出料口与磁选系统26的进口相连接，所述出料阀Ⅲ25的进气口与氮气管线相连接。

在本实施例中，所述变径流化床3的下部的直径大于上部的直径，所述变径流化床3的下部设有底伸式多层搅拌装置31，所述底伸式多层搅拌装置31由搅拌电机32驱动。

在本实施例中，所述底伸式多层搅拌装置31的搅拌中心轴由变径流化床3的底部中心伸入，所述底伸式多层搅拌装置31的搅拌桨为多层搅拌桨，所述多层搅拌桨的层数为3层以上，各层搅拌桨沿搅拌轴轴向均匀分布。

实施例2

本实施例提供一种实施例1所述利用生物质热解还原赤泥提铁的系统的工作方法：

固含量30％的赤泥存储在赤泥料仓1中，经赤泥加料器2进入变径流化床3，在变径流化床3内，赤泥物料在来自一级旋风分离器II 10的烟气的余热下完成干燥，在具有3层搅拌桨的底伸式多层搅拌装置31的2000rpm高速搅拌剪切作用下完成打散；经干燥和打散后的赤泥物料进入一级旋风分离器I 4进行气固分离，分离所得的赤泥物料依次经过立管5和出料阀I 6进入一级旋风预热器8，分离所得的尾气进入尾气处理系统，处理达标后排放；

赤泥物料在一级旋风预热器8中进行一级预热后，从一级旋风预热器8的出料口输出，并随着燃烧室输出的烟气一并进入二级旋风预热器9中进行二级预热；二级旋风预热器9中预热所需热量由燃烧室13输出的烟气提供，烟气在二级旋风预热器中经过换热后进入一级旋风预热器8，烟气中的余热继续为一级旋风预热器8提供预热所需热量；一级旋风预热器8中经过换热后的烟气进入一级旋风分离器II 10，经过气固分离后所得的烟气进入变径流化床3内，使变径流化床3内的赤泥物料在烟气作用下呈快速流态化，并在烟气的余热作用下赤泥物料得到干燥；

一级旋风分离器II 10分离所得的赤泥物料和二级旋风预热器9预热后的赤泥物料均进入多层流化床14的一级赤泥颗粒层141，当一级赤泥颗粒层141中赤泥物料的高度达到溢流管144的进料口的高度时，经溢流管144进入二级赤泥颗粒层142；

含水量5％的秸秆热解生物质从热解生物质料仓16经热解生物质加料器17进入三级生物质层143，在来自二级旋风分离器Ⅲ23的热氮气作用下，在200℃下焙烧1h完成热解，热解生物质产物经燃料生物质加料器12进入燃烧室13。含水量3％的木屑燃料生物质从燃料生物质料仓11经燃料生物质加料器12进入燃烧室13，空气从空气管线进入燃烧室13，燃料生物质和热解生物质产物在燃烧室13空气中完成燃烧，形成高温烟气，高温烟气送入二级旋风预热器9中；三级生物质层的热解气向上依次经过二级赤泥颗粒层142和一级赤泥颗粒层141，二级赤泥颗粒层142和一级赤泥颗粒层141中的赤泥物料进行400℃下焙烧1h，在热解气的作用下完成低温流态化固态还原，还原尾气依次经一级旋风分离器Ⅲ18、二级旋风分离器II 19分离出固体后进入二级旋风预热器9；

低温流态化固态还原后的物料经出料阀I I 15进入流化床冷却器21，氮气经过氮气管线进入流化床冷却器21，与流化床冷却器21内的物料进行换热；换热冷却后的物料经出料阀Ⅲ25进入磁选系统26，经磁选得到铁磁性物料和含铝渣，铁磁性物料中铁回收率为83％。

换热后的热氮气从流化床冷却器21的出气口依次经过一级旋风分离器Ⅵ22和二级旋风分离器Ⅲ23的气固分离后进入多层流化床14的三级生物质层143，为热解生物质热解提供热量。

在本实施例中，所述多层流化床14的一级赤泥颗粒层141、二级赤泥颗粒层142和三级生物质层143内的物料呈鼓泡流态化或湍动流态化。

实施例3

本实施例与实施例2基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：赤泥的固含量为80％，底伸式多层搅拌装置31的搅拌桨层数为5层，转速为100rpm，赤泥在多层流化床14的一级赤泥颗粒层141和二级赤泥颗粒层142中500℃下焙烧0.5h。燃料生物质为木质素燃料生物质，含水量2％；热解生物质为稻壳热解生物质，含水量3％；稻壳热解生物质在三级生物质层143中400℃下焙烧0.5h。低温流态化固态还原后的物料经冷却、磁选后得到铁磁性物料，铁回收率为85％。

实施例4

本实施例与实施例2基本相同，相同之处不再叙述，不同之处在于：赤泥的固含量为50％，底伸式多层搅拌装置31的搅拌桨层数为4层，转速为1000rpm，赤泥在多层流化床14的一级赤泥颗粒层141和二级赤泥颗粒层142中450℃下焙烧0.7h。燃料生物质为稻壳燃料生物质，含水量3％；热解生物质为秸秆热解生物质，含水量4％；稻壳热解生物质在三级生物质层143中300℃下焙烧0.7h。低温流态化固态还原后的物料经冷却、磁选后得到铁磁性物料，铁回收率为87％。

以上各实施例中中％未进行说明的，均为质量百分比含量。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。