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大冶铁矿难选氧化铁矿多级循环流态化磁化焙烧工艺及机理研究

张汉泉  
【摘要】: 目前,我国钢铁工业所需的铁矿石自给率仅46%左右,国内铁矿石资源严重短缺,必须扩大开发利用新的铁矿资源。针对储量约100亿吨目前尚不能有效利用的菱铁矿、褐铁矿、鲕状赤铁矿等复杂难选铁矿石,磁化焙烧—磁选法是最有效的方法,但常规工艺存在流程复杂、成本高等许多致命缺陷。本文利用气固流态化高效传热传质的优点,开发出氧化铁矿石快速转化成易于回收的磁性铁矿石的循环流态化磁化焙烧新工艺,低成本地解决传统焙烧和强磁技术无法处理的难选氧化矿回收难题。 论文创造性研究开发了流态化磁化焙烧反应实验室基础实验装置,完成了适合大冶铁矿尾矿的布风板的设计与选择,通过理论计算和试验研究,确定最佳的开孔率。在高温条件下,通入含CO还原气体,使物料处于悬浮状态,进行了不同磁化焙烧温度及时间试验,查明在650℃~760℃,焙烧时间10~60秒内,可以使菱铁矿(FeCO_3)、赤铁矿(Fe_2O_3)快速转变为磁铁矿(Fe_3O_4)。该装置具有对温度、O_2、CO、还原气体流量、反应时间等的快速检测及调控及快速卸料功能。大冶铁矿尾矿中以赤褐铁矿、菱铁矿为主的氧化铁矿石经焙烧后,经弱磁选,得到了铁精矿品位为60~61%,铁回收率为85~90%,尾矿铁品位为10~12%的良好指标证实了弱磁性氧化铁矿在数十秒钟实现磁化焙烧的科学设想,为研制工业型循环流态化磁化焙烧装置奠定了技术及理论基础。大冶铁矿尾矿难选红铁矿磁化焙烧热力学分析表明,因为该类矿石菱铁矿含量高,分解后产生CO和CO_2对磁化焙烧反应影响较大,在CO含量大于1%的情况下,磁化焙烧即能完成。通过热力学计算,首次揭示了菱铁矿还原焙烧的分步相变转化反应式和基本规律。 为进一步促进循环流态化磁化焙烧工艺的工业化,首次完成了多级循环流态化磁化焙烧设备、炉型结构及工艺流程优化,研究了多级循环流态化磁化焙烧工艺的基本特点,经过计算,在该系统中,气固接触面积是回转窑堆积状态下1万倍以上,对于细粒铁矿石(-0.2mm),与气体间的换热系数大,高达1000kW/(m~2·k)以上,为回转窑内气固换热系数的600倍以上,整个系统传热效率大大增加。 对各级旋风筒结构设计、风速计算和换热管道风速计算表明,大冶铁矿尾矿难选红铁矿矿粉颗粒(平均粒径O.0693mm),能在旋风筒内较好地实现气固分离,固气比为0.964Kg/Nm~3(反应炉工况固气比为0.237 Kg/m~3),整个系统气固分离效率在95%以上;矿粉颗粒不会在系统中短路,能达到多级循环多级预热的效果;热平衡计算表明,采用多级循环流态化磁化焙烧工艺处理氧化铁矿,热耗为1196KJ/kg矿,仅为煤基回转窑的70%、沸腾炉的80%,竖炉的75%,水泥烧成常规工艺的21%左右,加工成本大大降低;对颗粒在系统各级旋风筒内的悬浮速度与沉降速度的计算验证了实际设计速度与理论计算颗粒的速度的一致,能够确保矿粉颗粒在系统中的气固分离和充分循环预热的实现;对系统压力损失的理论计算和实测表明,气流在流动过程的压头损失△p_m为系统的主要压力损失(80%以上),系统总的压力损失为3000Pa左右,与常规四级旋风预热器系统压力损失相当。 多级循环流态化磁化焙烧系统采用喷腾式反应炉与旋风筒相结合的结构形式,促使物料总的运动趋向顺着气流旋回前进有序地出炉。克服了流化床物料运动紊乱,容易出现过还原或还原不足的弱点。对大冶铁矿强磁铁中矿进行磁化焙烧,半工业试验表明,在流态化反应炉温度900~950℃,流态化反应炉入口气体CO浓度1.5%~2.5%,多级循环流态化磁化反应炉系统中固气比0.8~1.0Kg/Nm~3条件下,弱磁选铁精矿品位达到60%~61%,回收率达到92%~93%;焙烧矿中铁矿物90%以上转化为磁铁矿。 试验过程表明,多级循环流态化磁化反应工艺具有较宽温度、气氛、固气比的操作范围,操作方便,系统运行稳定可控。该工艺具有单位体积产能高,反应速度快,能耗低等优点,是赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿磁化焙烧的先进工艺。 多级循环流态化新工艺的研究成功,将促使难选氧化铁矿的广泛开发利用,扩大我国有效铁矿资源量,产生巨大的经济效益和社会效益。


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