一种用于钒钛磁铁矿流态化氧化还原的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种钒钛磁铁矿流态化氧化还原的系统及方法。本发明专利技术采用四段流化床进行钒钛磁铁矿粉矿的流态化氧化及还原，流化床反应体系由沸腾床串联组成。通过预氧化处理和低气速反应流化床的工艺设计，可以明显改善钒钛磁铁矿粉体流态化性能，提高反应效率和降低工序能耗。钒钛磁铁矿粉矿首先经过预热烘干后进入低温氧化床氧化处理，随后进入预还原床进行预还原，最终经过两段高温终还原床完成终还原，氧化尾气用于预热烘干钒钛磁铁矿粉矿，还原尾气与氧化空气热交换后再清洗脱除氧化成分循环利用，气体利用方案具有反应效率和能量利用率高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于钒钛磁铁矿相关的化工、冶金领域，具体涉及一种钒钛磁铁矿粉矿流态化氧化还原的系统及方法。
技术介绍
钒、钛是世界公认的稀有资源和重要战略物质，全球约98％的钒储量和91％的钛储量赋存于以钒钛磁铁矿为主的复合矿物中。一般而言，钒钛磁铁矿含钛品位低(TiO2<14wt.％)，主要作为高炉原料冶炼铁、钒，且需配加普通铁矿稀释，最终因高炉渣中TiO2富集度低(～22wt.％)、含钛物相复杂(TixOy，Ti(C,N))、粒度分散细小(<10um)，难以回收其中的钛资源。近年来提出的直接还原-电炉熔分两步法短流程工艺，在兼顾长流程冶炼铁、钒元素同时，结合低温固相预还原，可以通过全钒钛矿冶炼，提高后续熔分渣中TiO2含量至中钛渣品位(>50wt.％)，从而满足钛渣提质升级有价利用需求，最终实现Fe、V、Ti有价元素的全面综合利用。两步法短流程中的第一步工艺直接还原属于非高炉炼铁工艺，该工艺具有不使用焦炭、污染物排放低等优点，是代替传统高炉长流程炼铁方案的发展方向。按照所使用还原剂归类，非高炉直接还原铁氧化物工艺分为煤基和气基两种。煤基工艺有回转窑、转底炉等，气基工艺有竖炉、流化床等。相比煤基工艺，气基工艺具有温操作低、反应效率高等特点，特别是无需使用煤而采用还原性气体为还原剂，清洁还原优势突出，是主要的直接还原工艺。具体从反应器角度而言，气基流化床反应器具有直接处理粉矿、传热传质好、还原效率高等突出优点，从而被认为是最为理想高效的铁矿石直接还原反应器，主要代表性工艺有FIOR、Circored、FINMET等进行了中试或产业化实践。FIOR工艺由Exxon研究和工程公司开发，以富氢气体(H2～85vol％)为还原剂，采用四级流化床串联，第一级为预热流化床，后三级为还原流化床(US5082251，US5192486)。1976年在委内瑞拉PuertoOrdaz建成了40万吨/年工业装置。高品位铁粉矿由一级流化床依次进入至第四级流化床。第一级预热流化床单独采用天然气或煤气与空气燃烧后的热烟气，温度为780℃，气速0.8m/s。还原气经加热后由第四级流化床进入，逆流至第二级流化床，中间不再加热。第二、三、四还原流化床的温度分别为700℃、780℃、790℃，还原气速1m/s，产品金属化率～90％。采用富氢气可减少铁粉矿还原过程中高温高金属化率粘结失流情况发生，同时还原期间也适当加入防粘剂来控制流化状态。Circored工艺由鲁奇冶金公司开发，以氢气作为单一还原剂，采用两级流化床串联还原，包括一个循环流化床反应器和一个鼓泡流化床反应器(卧式横向多段)(US5603748，US5833734)。1996年在特立尼达Trinidad首次建成了热压块产能为50万t/a的工厂。该工艺首先在流化床的预热器中将0.1-1mm的细铁粉矿加热至800℃，随后在循环流化床反应器还原至金属化率70％，再进入鼓泡流化床反应器还原至金属化率92％。其中循环流化床气速4-6m/s，反应时间20-30min，反应温度850-900℃，鼓泡流化床气速0.5-0.6m/s，反应时间45-240min，反应温度630℃。虽然第一段循环流化床反应效率高，粉矿无粘结，但所需气速高。第二段所用气速低，但考虑粘结失流控制终还原温度低，不免还原效率低。FINMET工艺由奥钢联与FIOR公司联合开发，以天然气转化气为还原剂，采用四级紊流型流化床串联，无预热流化床(US6569377)。1999年在澳大利亚BHPDRI公司建成50万吨/年工业装置。铁粉矿首先在预热器炉前预热至100℃后再进入流化床还原。第一级还原流化床温度约为550℃，温度逐级上升，第四级还原流化床温度达到800℃左右，终产品金属化率～93％。还原期间需通过增加粒度(限制12mm)及加入防粘剂来防止粉矿还原粘结失流的发生。近年来，基于直接还原炼铁技术的发展，许多结合不同直接还原工艺的钒钛磁铁矿两步法短流程方案得到了开发。一部分直接还原工艺采用了煤基球团或气基球团还原的方法，如四川龙蟒集团设计的内配碳转底炉直接还原方法(CN1641045A)，攀枝花钢铁集团设计的内配碳球团高温直接还原方法(CN1814813A，CN104862441A)，重庆钢铁集团、中冶赛迪工程技术公司设计的钒钛矿氧化球团竖炉直接还原方法(CN103451419A，CN102424876A，CN103255255A)等，这些方法都需要对钒钛磁铁矿粉矿预先造球后再进入还原反应器，内配碳方法还需配煤造球。而配煤会引入煤种非铁杂质，降低了后续熔分渣中TiO2品位，气基造球则增加了还原气传热传质阻力，降低了气基直接还原效率。也有一些方案应用了粉矿流化床气基直接还原工艺方法。如专利CN102127611A、专利CN202007243U等提出了采用三级串联流化床直接还原钒钛磁铁粉矿的方案，经炉前预热后温度为600-700℃的钒钛磁铁粉矿依次进入一级、二级和三级还原流化床，在逆向而上的还原气体的作用下，实现流态化并发生还原反应。还原温度在650-850℃之间，预热介质为还原尾气。这些钒钛磁铁矿粉矿流化床气基直接还原工艺一般直接采用类似非高炉炼铁FIOR、Circored、FINMET的多段串联流化床方案，或在流化床前设置炉前尾气预热系统，仅以干燥脱水和单纯提高粉矿入炉温度为目的，在矿物反应原理上与普通铁精矿流化床气基直接还原相同，并未充分考虑钒钛磁铁矿自身矿物特性，也没有解决高温高还原效率与可能发生的粉矿高温高金属化率间的矛盾。综上，结合矿物特性，通过工艺和技术创新，在不引入外来防粘剂的前提下，减小粉矿流化床操作气速，改善物料流化还原性能，同时保证高温高还原效率，是实现降低流化床还原钒钛磁铁矿工艺能耗，提高经济性的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种钒钛磁铁矿粉矿流态化氧化还原的系统及方法，通过该装置和方法可以实现钒钛磁铁矿粉矿经氧化处理后被高温高还原效率的同时，减小粉矿流化床操作气速并避免外来杂质引入。本专利技术提供了一种用于钒钛磁铁矿流态化氧化还原的系统，所述系统包括粉矿料仓和进料器、粉矿预热器1、氧化床2、预还原床3、若干个终还原床单元和产品料仓6；所述粉矿预热器1包括若干个旋风分离器和若干个氧化床进料器，粉矿料仓内的粉矿经进料器进入旋风分离器循环预热并分离后通过氧化床进料器进入氧化床2。所述矿粉预热器可以实现钒钛磁铁矿粉矿经旋风分离器和来自氧化床旋风分离器出气口的氧化尾气预热后得到的粒径粗细不同的矿粉进入氧化床本体。所述氧化床2包括氧化流化床本体20、氧化床气体加热器21、氧化床第一出料器22、氧化床第二出料器23和氧化床旋风分离器24，所述氧化床旋风分离器24的下部出料口和所述氧化床第二出料器23连接；所述氧化床第一出料器22和氧化床第二出料器23与第一级还原床的进料口连接；氧化床尾气出口与粉矿预热器连接1。所述氧化床2内矿粉颗粒被流态化高温氧化，氧化后得到的的粗颗粒粉矿直接进入预还原流化床本体，氧化后得到的细颗粒粉矿经氧化床旋风分离器分离后进入预还原流化床本体。所述预还原床3包括预还原流化床本体30、预还原床第一出料器32、预还原床第二出料器33和预还原床旋风分离器34；预还原本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于钒钛磁铁矿流态化氧化还原的系统，所述系统包括粉矿料仓和进料器、粉矿预热器(1)、氧化床(2)、预还原床(3)、若干个终还原床单元和产品料仓(6)；其特征在于：所述粉矿预热器(1)包括若干个旋风分离器和若干个氧化床进料器，粉矿料仓内的粉矿经进料器进入旋风分离器循环预热并分离后通过氧化床进料器进入氧化床(2)；所述氧化床(2)包括氧化流化床本体(20)、氧化床气体加热器(21)、氧化床第一出料器(22)、氧化床第二出料器(23)和氧化床旋风分离器(24)，所述氧化床旋风分离器(24)的下部出料口和所述氧化床第二出料器(23)连接；所述氧化床第一出料器(22)和氧化床第二出料器(23)与第一级还原床的进料口连接；氧化床尾气出口与粉矿预热器连接(1)；所述预还原床(3)包括预还原流化床本体(30)、预还原床第一出料器(32)、预还原床第二出料器(33)和预还原床旋风分离器(34)；预还原床第一出料器(32)和第一级终还原床单元的还原床的进料口连接，预还原床旋风分离器(34)和预还原床第二出料器(33)连接，所述预还原床第二出料器(33)和第一级终还原床单元的还原床的进料口连接；所述终还原床单元包括终还原流化床本体、终还原床气体加热器、终还原床第一出料器、终还原床第二出料器和终还原床旋风分离器；所述终还原床旋风分离器的出料口和终还原床第二出料器连接，所述终还原床第一出料器与下一级终还原床单元的进料口连接，所述终还原床第二出料器与下一级终还原床单元的进料口连接，最后一级终还原床单元的终还原床第一出料器和终还原床第二出料器与料仓连接；终还原床旋风分离器的气体出口和前一级终还原床单元的还原床气体加热器的气体入口连接，所述预还原床(3)的气体入口管道和第一级终还原床单元的终还原床旋风分离器气体出口管路连接。...

【技术特征摘要】
1.一种用于钒钛磁铁矿流态化氧化还原的系统，所述系统包括粉矿料仓和进料器、粉矿预热器(1)、氧化床(2)、预还原床(3)、若干个终还原床单元和产品料仓(6)；其特征在于：所述粉矿预热器(1)包括若干个旋风分离器和若干个氧化床进料器，粉矿料仓内的粉矿经进料器进入旋风分离器循环预热并分离后通过氧化床进料器进入氧化床(2)；所述氧化床(2)包括氧化流化床本体(20)、氧化床气体加热器(21)、氧化床第一出料器(22)、氧化床第二出料器(23)和氧化床旋风分离器(24)，所述氧化床旋风分离器(24)的下部出料口和所述氧化床第二出料器(23)连接；所述氧化床第一出料器(22)和氧化床第二出料器(23)与第一级还原床的进料口连接；氧化床尾气出口与粉矿预热器连接(1)；所述预还原床(3)包括预还原流化床本体(30)、预还原床第一出料器(32)、预还原床第二出料器(33)和预还原床旋风分离器(34)；预还原床第一出料器(32)和第一级终还原床单元的还原床的进料口连接，预还原床旋风分离器(34)和预还原床第二出料器(33)连接，所述预还原床第二出料器(33)和第一级终还原床单元的还原床的进料口连接；所述终还原床单元包括终还原流化床本体、终还原床气体加热器、终还原床第一出料器、终还原床第二出料器和终还原床旋风分离器；所述终还原床旋风分离器的出料口和终还原床第二出料器连接，所述终还原床第一出料器与下一级终还原床单元的进料口连接，所述终还原床第二出料器与下一级终还原床单元的进料口连接，最后一级终还原床单元的终还原床第一出料器和终还原床第二出料器与料仓连接；终还原床旋风分离器的气体出口和前一级终还原床单元的还原床气体加热器的气体入口连接，所述预还原床(3)的气体入口管道和第一级终还原床单元的终还原床旋风分离器气体出口管路连接。2.根据权利要求1所述的用于钒钛磁铁矿流态化氧化还原的系统，其特征在于:所述粉矿预热器(1)包括第一级旋风分离器(11)、第二级旋风分离器(12)、第三级旋风分离器(13)、氧化床第一进料器(14)和氧化床第二进料器(15)；所述粉矿料仓和进料器的出料口与所述粉矿预热器(1)的第一级旋风分离器(11)的出气口相连接，所述第一级旋风分离器(11)的底部出料口与氧化床进料器(14)的进料口相连接，所述第一级旋风分离器(11)的出气口与第二级旋风分离器(12)的入口相连接；所述第二级旋风分离器(12)的底部出料口与第一级旋风分离器(11)的入口相连接，所述第二级旋风分离器(12)的出气口与第三级旋风分离器(13)的入口相连接；所述第三级旋风分离器(13)的底部出料口与氧化床进料器(15)的进料口相连接，所述第三级旋风分离器(13)的出气口与外接尾气处理设施相连接；所述粉矿预热器(1)的氧化床第一进料器(14)和氧化床第二进料器(15)的出料口与所述氧化床(2)的氧化流化床本体(20)的进料口相连接；所述氧化床旋风分离器(24)的出气口与所述粉矿预热器(1)的第一级旋风分离器(11)的入口相连接。3.根据权利要求1所述的用于钒钛磁铁矿流态化氧化还原的系统，其特征在于:所述氧化流化床本体(20)的底部进气口与所述氧化床气体加热器(21)的出气口相连接，所述氧化流化床本体(20)的顶部出气口与所述氧化床旋风分离器(24)的入口相连接，所述氧化流化床本体(20)的出料口与所述氧化床第一出料器(22)的进料口相连接，所述氧化床旋风分离器(24)的底部出料口与所述氧化床第二出料器(23)的进料口相连接；所述氧化床第一出料器(22)和所述氧化床第二出料器(23)的出料口与预还原流化床本体(30)的进料口相连接。4.根据权利要求1所述的用于钒钛磁铁矿流态化氧化还原的系统，其特征在于:所述预还原流化床本体(30)的底部进气口与第一级终还原床单元的旋风分离器的出气口相连接，所述预还原流化床本体(30)的顶部出气口与所述预还原床旋风分离器(34)的入口相连接，所述预还原流化床本体(30)的出料口与所述预还原床第一出料器(32)的进料口相连接；所述预还原床旋风分离器(34)的底部出料口与所述预还原床第二出料器(33)的进料口相连接。5.根据权利要求1所述的用于钒钛磁铁矿流态化氧化还原...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙昊延，朱庆山，潘锋，王珍，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11