CN101142329A - 含钛固体的热处理工艺和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热处理含钛固体的工艺和设备。为达到此目的，在具有循环流化床的反应器(4)中将细粒固体加热到温度700到1000℃，并且部分地与废气一起从反应器(4)排入下游的分离器(9)。固体在分离器中与废气分离，并且至少部分地和/或分阶段地重新循环到反应器(4)。根据本发明，热处理是在还原条件下进行的。

Description

含钛固体的热处理工艺和设备

本发明涉及一种含钛固体的热处理工艺，其中在具有循环流化床的反应器中将细粒的固体加热到温度700到1000℃，并且与废气一起从反应器排入下游的分离器，固体在分离器中与废气分离，并且至少部分地和/或分阶段地重新循环到反应器。此外，本发明涉及一种相应的设备。

这种工艺和设备例如应用于钛铁矿(X＊TiO₂Y＊FeOZ＊Fe₂O₃)的磁化煅烧。过去使用具有静止流化床的反应器磁化煅烧钛铁矿，但是这种反应器仅仅具有小的控制范围和低的反应密度。另外，当使用具有静止流化床的反应器时，考虑到容器容积，仅仅可能达到相当低的流速。对于这种具有静止流化床的反应器，温度和保持时间的控制也常常是不顺利的。

因此，在具有循环流化床的反应器中在氧化条件下进行磁化煅烧也是公知的。为此目的，通过风口底部(气体分配器)向反应器中吹入热气体将固体流化。此热气体大多是在外部燃烧器中产生的，其中燃烧例如天然气或燃料油和环境空气。与废气一起从反应器中排出的固体，在分离器中与废气分开并且至少部分地重新循环到反应器中。为了控制固体从分离器重新循环进入反应器，使用一个所谓的“L阀”，可以通过供应气体进行控制。

在进一步处理反应器中煅烧的钛铁矿之前，必须将其冷却。为此，公知的是，例如使用流化床冷却器，在其中散失产品的热量。但是，在这些公知的工艺和设备中，在冷却周期过程中可能出现磁化煅烧钛铁矿的变化，从而先前达到的正面的磁性能再次下降。

因此，本发明的目的是提供一种如上所述的工艺，其中可以处理不适于在氧化条件下磁化煅烧的钛铁矿，从而大大避免热处理之后的产品变化。

根据本发明，此目的是通过在还原条件下煅烧钛铁矿实现的。

为了提高产品质量并且为了避免在热处理后的产品变化，反应器和/或分离器的下游优选的是冷却装置，其可以实现相当快地冷却产品。这可以通过灌溉或喷淋冷却器间接冷却，或者通过喷水直接冷却。优选地，提供喷射冷却器，其中通过喷射冷却剂将固体冷却到250℃以下，并且可能在喷射冷却器下游的另一个冷却器中进一步冷却，例如流化床冷却器，流化气体进入喷射冷却器的气体速度使流化床的颗粒弗劳德数在0.01到10之间，特别是在0.1到1之间。优选地，在流化床冷却器底部的颗粒弗劳德数在0.1到0.25之间，特别约为0.17。在流化床冷却器顶部，颗粒弗劳德数优选地在0.35到0.55之间，特别约为0.47。

每个颗粒弗劳德数由以下方程定义：

${\mathrm{Fr}}_p=\frac{u}{\sqrt{\frac{({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_f)}{{\mathrm{\ρ}}_f}*d_p*g}}$

式中，

u是气流的有效速度，m/s；

ρ_f是流化气体的有效密度，kg/m³；

ρ_s是固体颗粒密度，kg/m³(表观密度)；

d_p是在反应器作业过程中反应器物料颗粒m(或者形成的二次团粒)的平均直径；

g是重力加速度，m/s²。

当使用此方程时，应该考虑到d_p不表示所用材料的平均直径(d₅₀)，而是在反应器作业过程中形成的反应器物料的平均直径，这与所用物料(一次颗粒)的平均直径明显不同。

在根据本发明的工艺中，从反应器或分离器取出的产品首先在冷却装置中在很短时间内明显冷却到例如约100到200℃。以这种方式可以避免磁化煅烧钛铁矿在冷却周期过程中的变化。由于快速冷却，可以得到产品质量特别高的磁化煅烧钛铁矿。高的产品质量保证在随后的磁性分离过程中分离程度高。由于在冷却过程中温度范围大，因此必须不但要注意产品的变化，而且要恰当地调节输入喷射冷却器用于流化的气体的数量和速度，喷射冷却器优选地作为冷却装置，从而流化床不会在喷射的冷却剂挥发时膨胀太多。根据本发明，由此将喷射冷却器中的流化气体的气体速度选择为得到相当稠密的流化床。流化床在喷射冷却器的底部比在喷射冷却器的顶部稠密，因为喷射的冷却剂在顶部挥发。在喷射冷却器下游的流化床冷却器，将在工艺中不再有用的产品热量散发。

优选地，将水喷射到喷射冷却器作为冷却剂。由此在喷射冷却器的流化床的气体含量包括在50到70％之间的蒸汽，特别是约60％的蒸汽。

根据本发明的工艺，对于所有含有钛的矿石，特别是那些还含有铁的氧化物的矿石，可以有效地进行热处理。特别是，此工艺适于磁化煅烧钛铁矿。供应到反应器的固体的平均粒度(d₅₀)优选地在75到350μm之间，特别是约在100到150μm之间。供应到反应器的固体的最大粒度约是2mm，优选地小于250μm。在反应器中磁化煅烧的钛铁矿的粒度，优选地处于上述相同范围内。

产生反应器工作所需的热量可以是这一方面专家公知的任何方式。根据本发明的一个优选实施例，提供所需的热量是通过供应热气体或预热的固体。优选地，向反应器输入气态还原剂，例如分子氢、含有分子氢的气体混合物、一氧化碳或含有一氧化碳的气体混合物，如重整煤气。在反应器中产生上述还原气体也是可以的，例如通过燃料(如天然气、油或煤)的低于化学计量比的燃烧。

在根据本发明的工艺中，当固体在反应器内的保持时间在10到50分钟之间、特别约为30分钟时，可以达到特别高的产品质量。反应器内的颗粒弗劳德数处于约0.3到30的范围内，特别是在0.5到15之间。

工艺的能量消耗可以减小，因为在分离器中，至少一部分的反应器废气与固体分离并供应到反应器上游的预热站。预热站可以包括，例如诸如文丘里预热器的热交换器，以及诸如旋风等分离器。以这种方式，将供应到反应器的固体干燥和预热，由此促进反应器内的热处理。多级预热固体也是可以的，反应器的废气逐步冷却。

根据本发明的发展，可以提供反应器的废气与例如喷射冷却器混有蒸汽的废气一起在预热站下游的废气清洁站进行清洁。接着，可以将气体重新循环到工艺中。

根据本发明的一个优选实施例，固体从分离器重新循环到反应器是以自调节方式进行的。以这种方式，可以实现被处理的固体在反应器中强烈的内部和外部重新混合，从而在反应器中实现均匀的温度和反应分布。

根据本发明的一种设备，特别适于执行上述的工艺，包括具有循环流化床的反应器，在其下游具有分离器。在反应器和/或分离器的下游还可以具有冷却装置，冷却装置形成为喷射冷却器，其下游是单独的流化床冷却器。在喷射冷却器中，通过喷射例如水，产品被快速冷却，即在几秒内达到例如100到200℃之间的温度。此快速的第一次冷却对于产品质量是决定性的，因为例如在钛铁矿磁化煅烧过程中，在太长的冷却时间过程中可能出现产品变化。另外，产品的最终冷却是在单独的流化床冷却器中进行的，此流化床冷却器处于喷射冷却器下游。

优选地，在流化床冷却器中具有冷却线圈，冷却剂反向通过此冷却线圈。此冷却线圈例如可以组合形成冷却管束。

当流化床冷却器具有两个或多个室，流化气体通过鼓风机经过其底部输入时，在流化床冷却器中，特别有效地散发工艺中不再有用的产品热量。流化气体一方面用于冷却产品，同时用于被冷却的固体的强烈相互混合。

为了调节固体热处理所需的温度，反应器优选地具有单独的上游燃烧室，其中产生热气体。但是，其同样可以提供开口在燃烧室内的例如横向设置的喷枪组件和/或底部风口，喷枪组件和/或底部风口用于连接专门的气态还原剂的供应管道，从而使燃料在反应器内燃烧。

根据本发明的一个优选实施例，在反应器与分离器之间设置自调节U形密封，由此控制固体从分离器供应到反应器。由此可以省略一种昂贵的控制系统，例如使用现有技术公知的L阀。

为了减小设备的水能消耗，在反应器上游设置预热站，固体在此反应器中干燥和预热。预热站包括例如干燥器，其连接反应器下游的分离器的废气管道，从而利用废气气流中存在的热量预干燥/预热固体。

从以下的实施例描述和附图中可以得出本发明的其它发展、优点和可能的应用。这里描述和/或图示的所有特征本身或以任何组合形成本发明的主题，而不管其包括在权利要求中或者其支撑参考文献中。

仅有的一幅图表示根据本发明一个实施例的工艺和设备的工艺图。

在附图所示的工艺中，此工艺特别适于磁化煅烧含钛固体，例如钛铁矿，通过螺杆输送器1将潮湿固体输入预热站。此预热站包括文丘里干燥器2，其中原料被悬浮、干燥和预热；以及在文丘里干燥器2下游的分离器3，例如旋风分离器。在分离器3内与废气分离的固体装入反应器4。

反应器4构成具有循环流化床的流化床反应器。为了流化固体，在反应器4中具有底部风口，利用吹风机5由此输入气体，例如空气或具有空气的混合物。通过横向喷枪6将天然气供应到反应器4，在反应器中与流化气体一起燃烧。可选择的或者另外，燃料可以利用底部风口通过管道7输入反应器4。在此燃烧中，调节气体成分，例如CO和CO₂的含量，使钛铁矿磁化煅烧或烘烤。气体的还原势取决于CO:CO₂的关系。

在流化床反应器4中，固体被流化气体向上带动。部分固体在反应器中分离出来，由此重新循环到循环流化床，以便被流化气体再次向上带动。另一部分固体与反应器4的废气气流一起通过管道8向上排出，并进入下游分离器9，例如旋风分离器，并且大部分与气体流分离。通过管道10将分离器9的固体重新循环到流化床反应器4。借助此强烈的内部和外部再次混合，在流化床反应器4内部形成特别均匀的温度和反应分布。

通过设置在管道10中的自调节U形密封11，可以控制从分离器9重新循环到流化床反应器4的固体数量。结果，可以省略计量重新循环到流化床反应器4的固体数量的控制和调节单元。

在分离器9内与固体分离的气体流供应到文丘里干燥器2，从而利用离开分离器9的气体流的热量干燥和预热固体。

从流化床反应器4和/或分离器9取出热的固体，并分别通过管道12a和12b供应到喷射冷却器13。在喷射冷却器13中，在静止流化床中流化热固体。为此，通过鼓风机14将空气作为流化空气输入喷射冷却器13。流化气体的气体速度的选择使得喷射冷却器13的流化低，从而静止流化床仅膨胀很小。同时，通过管道15将水作为冷却剂喷射到喷射冷却器13中。水在喷射冷却器13中蒸发，因而在喷射冷却器13上区的静止流化床的膨胀超过喷射冷却器的底部区域。通过喷射水，将热产品快速冷却到例如低于200℃的温度。

在喷射冷却器13的下游具有单独的流化床冷却器16，其中散发在工艺中不再使用的产品热量。在图示实施例中，流化床冷却器具有两个室16a和16b，例如水作为冷却剂，经过示意性表示的冷却线圈17反向输入其中，由此将产品进一步冷却到需要进一步处理的温度，例如磁性分离。为了流化和冷却产品，借助鼓风机18将空气输入流化床冷却器16的两个室16a和16b。接着，将冷却的产品通过管道19供应到随后的处理过程。

通过管道将预热站的分离器3、喷射冷却器13以及流化床冷却器16与废气清洁站20连接，废气清洁站例如具有袋式过滤器。在此废气清洁站20中，将部分含有固体和/或蒸汽的气体流进行清洁。固体通过管道21从废气清洁站20装入流化床冷却器16。

实施例(钛铁矿的磁化煅烧)

在附图所示的钛铁矿磁化煅烧设备中，通过螺杆输送器1以43t/h将潮湿钛铁矿从贮存罐装入文丘里干燥器2。在文丘里干燥器2中，分离器9的热废气将潮湿钛铁矿悬浮、干燥和预热。在处于文丘里干燥器2下游的旋风分离器3中，将干燥和预热的钛铁矿与气体流分离，并输入具有循环流化床的反应器4。

旋风分离器3的废气供应到废气清洁站20，部分地重新循环和氧化并供应到烟囱。将在废气清洁站20分离的干燥钛铁矿灰经过管道直接进入产品流19。

借助鼓风机5，将46000Nm³/h的气体(包括15000Nm³/h的空气和31000Nm³/h重新循环的废气)输入流化床反应器4进行流化。同时，将约1800Nm³/h的天然气通过横向喷枪6以及管道7供应到反应器4，并在流化床中与空气一起燃烧。由此得到的还原气体使装在流化床反应器4中的钛铁矿的温度达到约800℃，反应器中的颗粒弗劳德数约为1.2。钛铁矿的磁化煅烧是在固体的保持时间为10到50分钟之间时实现的。

固体与反应器4的废气一起输送到分离器9，其在此分离并且大多数通过管道10重新循环到反应器4。将数量对应于装入反应器4的数量的钛铁矿产品分别通过管道12a和12b供应到喷射冷却器13。装入反应器4的钛铁矿和煅烧后的钛铁矿的平均粒度(d₅₀)约为100到150μm，最大颗粒尺寸约为250μm。

喷射冷却器13的运行像静止流化床，将6300Nm³/h重新循环的废气作为流化气体通过鼓风机14供应到喷射冷却器13。同时，通过管道15将8m³/h水输入喷射冷却器13，从而将热钛铁矿在几秒钟内冷却到约150℃。由于水的蒸发，喷射冷却器13的流化床的气体总量的约60％是蒸汽。通过鼓风机14吹入的流化气体的气体速度选择成使喷射冷却器13底部的颗粒弗劳德数约为0.17，在喷射冷却器13顶部约为0.47。

产品的最终冷却在流化床冷却器16的两个室16a和16b中进行。为了流化，将约6000Nm³/h重新循环的废气通过鼓风机18输入流化床冷却器16。同时，冷却水通过管道17反向经过室16a和16b。在室16a和16b中，管道17具有冷却管束。

以这种方式，可以实现钛铁矿的还原磁性煅烧，并且由于快速冷却，在冷却周期过程中没有检测到变化，从而煅烧钛铁矿具有高的产品质量。

参考数字表

1         螺杆输送器

2         文丘里干燥器

3         旋风分离器

4         流化床反应器

5         鼓风机

6         喷枪

7         管道

8         管道

9         分离器

10        管道

11        U形密封

12a，12b  管道

13        喷射冷却器

14        鼓风机

15        管道

16        流化床冷却器

16a，16b  室

17        管道

18        鼓风机

19        管道

20        废气清洁站

21        管道

Claims (22)

1.一种热处理含钛固体的工艺，其中细粒固体在具有循环流化床的反应器(4)中被加热到700到1000℃，并部分地与废气一起从反应器(4)排放到下游的分离器(9)中，固体在分离器(9)中与废气分离并且至少部分地和/或分阶段地重新循环到反应器(4)，其特征在于热处理是在还原条件下进行的。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于在反应器(4)和/或分离器(9)的下游具有冷却装置，优选的是流化床喷射冷却器(13)，在喷射冷却器(13)中通过喷射冷却剂将固体冷却到250℃以下，并且将流化气体输入喷射冷却器(13)，气体速度设定为使流化床的颗粒弗劳德数在0.01到10之间，特别是在0.1到1之间。

3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于在喷射冷却器(13)底部的颗粒弗劳德数在0.1和0.25之间，特别约为0.17。

4.根据权利要求2或3所述的工艺，其特征在于在喷射冷却器(13)顶部的颗粒弗劳德数在0.35和0.55之间，特别约为0.47。

5.根据上述权利要求的任一项所述的工艺，其特征在于在喷射冷却器(13)中的流化床气体含量包括50到70％，特别约为60％的蒸汽。

6.根据上述权利要求的任一项所述的工艺，其特征在于在喷射冷却器(13)的下游具有流化床冷却器(16)。

7.根据上述权利要求的任一项所述的工艺，其特征在于钛铁矿作为原料。

8.根据上述权利要求的任一项所述的工艺，其特征在于供应到反应器(4)的固体的平均粒度(d₅₀)在75到250μm之间，特别是在100到150μm之间。

9.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于供应到反应器(4)的固体的最大粒度是2mm，特别是小于350μm。

10.根据上述权利要求的任一项所述的工艺，其特征在于将燃料供应到反应器(4)，通过其在反应器(4)中与含氧气体的燃烧产生还原气体。

11.根据权利要求10所述的工艺，其特征在于气态燃料，优选的是天然气，通过喷枪(6)和/或通过底部风口输入反应器(4)，并且输入至少部分空气作为流化气体。

12.根据上述权利要求的任一项所述的工艺，其特征在于固体在反应器(4)内的平均保持时间在10到50分钟之间，特别约为30分钟。

13.根据上述权利要求的任一项所述的工艺，其特征在于反应器(4)的至少部分废气在分离器(9)中与固体大体分离并供应到反应器(4)上游的具有干燥器(2)和分离器(3)的预热站(2、3)，用于干燥和预热供应到反应器(4)的固体。

14.根据权利要求13所述的工艺，其特征在于反应器(4)的废气与喷射冷却器(13)的载有蒸汽的废气一起，在预热站(2、3)下游的废气清洁站(20)清洁。

15.根据上述权利要求任一项所述的工艺，其特征在于固体从分离器(9)重新循环到反应器(4)是以自调节方式进行的。

16.一种执行根据上述权利要求任一项所述的热处理含钛固体的工艺的设备，包括具有循环流化床的反应器(4)，反应器(4)的下游具有分离器(9)，其特征在于在反应器(4)和/或分离器(9)的上游具有固体预热装置，在其下游具有喷射冷却器(13)。

17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于在反应器(4)下游具有流化床冷却器(16)。

18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于流化床冷却器(16)具有冷却线圈，冷却剂逆流地流过所述冷却线圈。

19.根据权利要求17或18所述的设备，其特征在于流化床冷却器(16)具有两个或多个室(16a、16b)，流化气体通过鼓风机(18)流过所述室的底部。

20.根据权利要求16到19的任一项所述的设备，其特征在于反应器(4)具有喷枪组件(6)，其敞口于反应器(4)和/或底部风口内，反应器(4)和/或底部开口与专门的气态燃烧供应管道(7)相连。

21.根据权利要求16到20的任一项所述的设备，其特征在于在反应器(4)和分离器(9)之间具有自调节U形密封(11)，用于控制从分离器到反应器的固体供应。

22.根据权利要求16到21的任一项所述的设备，其特征在于在反应器(4)上游具有固体的预热站(2、3)，其干燥器(2)连接反应器(4)下游的分离器(9)的废气管道。

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