串联闪速炉及冶炼方法
【专利摘要】一种串联闪速炉，包括上反应体(5)和下反应体(1)及连接两者的连接通道(7)，所述上反应体(5)位于所述下反应体(1)的上部，形成串联式结构，所述下反应体(1)下部设有至少一个熔池(2)；所述闪速炉还包括用于排出烟气的上升烟道(3)，所述上升烟道(3)通过所述熔池(2)与所述下反应体(1)相连通，各所述熔池(2)上均设有排渣口。本发明所述的串联闪速炉通过上反应体为下反应体提供热量和还原气氛，实现金属氧化矿的矿粉在下反应体快速的还原熔炼。
【专利说明】
串联闪速妒及冶炼方法
技术领域
[0001] 本发明属于冶金领域，尤其是设及一种串联闪速炉及冶炼方法。
【背景技术】
[0002] 闪速冶金从发明到现在，只用于金属硫化矿的冶炼，主要原因是现有的闪速炉只 拥有一个反应空间，且为微负压环境，在该空间内可进行气固或气液间的氧化反应或弱还 原反应，但无法制造强还原气氛进行快速有效的还原反应，例如，利用闪速炉微负压的单反 应空间无法制造出有效还原气（CO+也)体积比超过73%的还原气体，因而无法保证金属氧 化物在悬浮态下基本完成还原。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明旨在提出一种串联闪速炉，W解决现有闪速炉空间直接制造还 原气体效率低、有效成分浓度低，而从外部引入还原气体成本高、危险大等问题。
[0004] 为达到上述目的，本发明的技术方案是运样实现的：
[0005] -种串联闪速炉，包括上反应体5、下反应体1及连通两者的连接通道7,所述上反 应体5位于所述下反应体1的上部，形成串联式结构，所述下反应体1下部设有至少一个烙池 2;所述闪速炉还包括用于排出烟气的上升烟道3,所述上升烟道3通过所述烙池2与所述下 反应体1相连通，各所述烙池2上均设有排渣口。通过向上反应体5喷入含氧气体（空气，氧 气一空气混合物或者工艺氧)及气化剂如:煤粉、水煤浆、水蒸气、天然气、燃油、甲烧，为闪 速炉下反应体1制造还原气体(CO+也），同时为下反应体1提供热量。上反应体5内的气压可 W大于或等于下反应体1的压强，优选高压条件，通过构建一个独立的高溫高压气化空间， 使气化剂能够很好的气化，从而提高有效还原气（CO+也）的浓度。上反应体5的压强可W通 过调节连接通道7的内宽及单位时间喷入含氧气体及气化剂的量来进行控制。本发明所述 的串联闪速炉结构紧凑，可直接通过上反应体5向下反应体1提供冶炼所需要的热量和还原 气氛，相对于目前现有的一些将尾气重整后再返回作为冶炼气体的冶炼工艺，避免了高溫 气体在长距离输运过程中的热量损失及对传输管道的损耗(IOOCTC W上的高溫尾气的输送 对管道材料的要求较高，管道成本高、寿命短）；同时，由于不需要附属设备（如尾气裂化转 化设备、气体加压输送设备等），大大降低了一次性投资，也使整套设备的故障率大大的降 低，从而降低了设备成本与维修成本;此外，本发明所述上反应体5造气原理简单，使用气化 剂(如煤粉)和氧气进行简单的化学反应即可实现，而不需要通过其他复杂昂贵的方式(如 等离子电离等)实现造气或气体转化，大大降低了生产和使用成本。所述上反应体5位于下 反应体1的上部，且通过不大于2m的连接通道7直接串接，使上反应体5生产的还原气流可W 从下反应体1最顶部进入，进而使从连接通道7加入的矿粉和还原气氛有更长的接触时间， 提高待冶炼金属氧化物的还原率。
[0006] 进一步的，所述连接通道7的内宽不大于下反应体1内径的2/3，同时长度不大于 2m。连接通道7的内宽可调，通过控制连接通道7的内宽，可W控制上反应体5内部的压强，进 而影响造气效率，同时，也可改变上反应体5向下反应体I内输送气流的速度。接通道7的长 度不大于2m，W免过长影响上反应体5向下反应体1传递热量的效率。
[0007] 进一步的，所述连接通道7上设有给料装置。待冶炼的矿粉通过设置在连接通道7 上的给料装置加入闪速炉内，可W使矿粉和还原气体在进入下反应体1前即开始提前接触 并充分混合，变相延长了待冶炼矿粉在下反应体1的冶炼时间，提高了矿粉中待冶炼金属氧 化物的还原率。所述给料装置为喷嘴、喷枪、密封加料口中的一种或多种；或者为喷嘴、喷 枪、密封加料口中的一种或多种与烧嘴的组合。通过设置喷嘴或喷枪或密封加料口向闪速 炉加入冶炼所必需的原料、燃料和辅助材料;必要时，可通过烧嘴为下反应体1内补充热量。 当然，根据实际需要，给料装置也可设置在下反应体1顶部，或设置于下反应体1侧壁上。
[0008] 进一步的，所述上反应体5上设有向上反应体5内喷吹含氧气体及气化剂的喷枪或 喷管。喷枪或喷管设置于上反应体5上，并穿透上反应体5内壁，伸入上反应体5内。喷枪或喷 管可为单通道或多通道，可只喷吹一种原料，多通道喷枪或喷管可同时喷吹多种原料。喷枪 或喷管向上反应体5内喷入含氧气体及气化剂如：煤粉、水煤浆、水蒸气、天然气、燃油、甲 烧、乙烘中一种或多种的组合，用来产生还原性气体并为下反应体1提供热量。优选的，气化 剂为煤粉，煤气化技术比较成熟，同时煤也是目前国内最经济的造气原料。
[0009] 进一步的，所述烙池2内盛纳烙体的空间上部设有烙融炉料下落时通过的焦滤层 空间。所述烙池2烙体上部形成有烙融炉料下落时通过的焦滤层6, 一种实现方式是通过设 置在连接通道7或下反应体1顶部的加料装置把焦炭加入下反应体1，焦炭粒径范围为1- Ilmm,在下反应体1内迅速被加热，加热后的焦炭颗粒落到烙池2烙体表面形成一层多孔的 碳物料一焦滤层6;如果焦炭的粒度小于1mm，焦炭在高溫下损耗较快，但粒度超过Ilmm又会 使焦炭的中屯、不能够被加热到足够的溫度，且粒度过大会使焦炭颗粒间的间隙变大，运会 导致通过焦滤层6的金属氧化物烙体回收率的损失。焦滤层6也可通过加入适合炼焦的粉煤 的方式实现，粉煤在高溫下烧掉其中的挥发分后，即可形成焦炭颗粒。
[0010] 进一步的，所述焦滤层6空间高50-250mm。焦滤层空间高50-250mm，优选为100- 200mm，焦滤层6过厚会造成焦炭浪费、能耗升高，过薄又起不到所需要的还原效果。根据待 冶炼金属氧化物被碳还原的难易程度，可适当调节焦滤层的厚度，调节的方法是调节向下 反应体1内加入焦炭或适合炼焦的粉煤的速度。
[0011] 进一步的，各所述烙池2均设有向所述烙池2内喷入燃料和含氧气体的侧吹布置。 通过侧吹向烙池喷入燃料和气体，为烙池提供热量，使烙池维持在一定的高溫段。所述燃料 为重油、天然气、液化石油气、煤、焦下、碳氨化合物中的一种;所述含氧气体为空气、氧气一 空气混合物或者工艺氧。
[0012] 进一步的，所述侧吹布置所在位置与所述烙池中烙渣层中下部对应。侧吹设置在 烙渣层中下部，可W使烙渣形成对流或翻滚，方便上下层间的热量和物质交换，从而减小烙 体的粘度，提高待冶炼金属的回收率。
[0013] 进一步的，所述侧吹布置包括对称设置在所述烙池2相对侧壁上的侧吹孔及设置 在侧吹孔内的侧吹喷管4。
[0014] 进一步的，所述烙池 2的数目为1-4个。闪速炉中1-4个烙池 2的设置能够满足不同 冶炼产量需求。
[0015] 本发明还提供一种利用上述串联闪速炉进行冶炼的方法。
[0016] 本发明还保护利用上述闪速炉在冶炼中的应用。
[0017] 相对于现有技术，本发明所述的串联闪速炉具有W下优势：
[0018] 本发明所述的串联闪速炉能够在上反应体5中制造高溫高压高浓度的还原气体， 为下反应体1提供冶炼所需要的还原气氛和热量，相对于直接在现有闪速炉下反应体1内进 行煤气化，一方面造气的质量更高，可为烙炼过程提供更高浓度的有效还原气，从而使矿粉 在下反应体1的还原速度更快，同时也使某些在空间需要高浓度还原气氛才能实现还原的 金属氧化物采用闪速炉进行冶炼成为可能；另一方面造气的效率更高，不需要让下反应体1 再另行承担造气的任务，矿粉一进入闪速炉内即可与还原气体充分接触并发生反应，变相 的延长了矿粉在闪速炉空间的冶炼时间，从而提高了待冶炼金属的还原率，降低了能耗，提 高了经济效益。
[0019] 本发明所述的串联闪速炉通过一个不大于2m的连接通道串接上反应体和下反应 体，使上反应体制造的还原气氛和热量能有效快速的供给下反应体，相对于现有冶金行业 一些将尾气重整后再返回作为冶炼气体的工艺，工艺流程简单，一次性投资小，能耗低，生 产和维护成本低。
【附图说明】
[0020] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实 施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0021] 图1为本发明实施例所述的串联闪速炉的一种结构示意图；
[0022] 图2为本发明实施例所述的串联闪速炉的第二种结构示意图；
[0023] 图3为本发明实施例所述的串联闪速炉的第=种结构示意图；
[0024] 图4为本发明实施例所述的串联闪速炉的第四种结构示意图；
[0025] 图5为本发明实施例所述的串联闪速炉的第五种结构示意图；
[0026] 图6为本发明实施例所述的串联闪速炉的第六种结构示意图；
[0027] 图7为本发明实施例所述的串联闪速炉的第屯种结构示意图；
[0028] 图8为本发明实施例所述的串联闪速炉的第八种结构示意图；
[0029] 图9为本发明实施例所述的串联闪速炉的第九种结构示意图；
[0030] 图10为本发明实施例所述的串联闪速炉的第十种结构示意图；
[0031] 图11为本发明实施例所述的串联闪速炉的第十种结构示意图。
[0032] 附图标记说明：
[0033] 1-下反应体，2-烙池，3-上升烟道，4-侧吹喷管，5-上反应体，6-焦滤层，7-连接通 道。
【具体实施方式】
[0034] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可W相 互组合。
[0035] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中屯、"、"纵向横向上"、"下"、 "前"、"后V'左'、"右V'竖曹'、"水甲V'顶'、"底V'胖V'外"等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、W特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相 对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"等的特征可 W明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
[0036] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相 连"、"连接"应做广义理解，例如，可W是固定连接，也可W是可拆卸连接，或一体地连接;可 W是机械连接，也可W是电连接;可W是直接相连，也可W通过中间媒介间接相连，可W是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可W通过具体情况理解上述术语 在本发明中的具体含义。
[0037] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0038] -种串联闪速炉，如图1-11所示，包括上反应体5、下反应体1及连通两者的连接通 道7,上反应体5位于下反应体1的上部，形成串联式结构，下反应体1下部设有至少一个烙池 2;闪速炉还包括用于排出烟气的上升烟道3,上升烟道3通过烙池2与下反应体1相连通，各 烙池2上均设有排渣口，排渣口未在图1-11中标出。
[0039] 本实例的工作过程:将造气燃料和含氧气体喷入上反应体5中，产生高浓度的还原 气体并放出热量，向下反应体1内喷入干燥的金属氧化矿粉料、烙剂和焦炭，在高溫识热、充 满还原气氛的下反应体1中，通过传热、传质和气-固、气-液反应，迅速完成粉料中待冶炼金 属氧化物的还原和烙化;在下反应体1中形成的弥散的氧化物烙体W小滴状落入烙池并进 入焦滤层6，当烙体穿透焦滤层即寸，其中未被完全还原的待冶炼金属氧化物被碳热还原。
[0040] 在烙池 2中，矿粉中的脉石和烙剂发生造渣反应，生成烙点低的渣。根据需要，也可 同时在烙池2中设置侧吹布置，通过侧吹向烙体中分别喷吹燃料和含氧气体，本实施例中向 烙体中分别喷吹煤粉和氧气，为烙池2提供热量并实现烙体的翻滚，同时使烙池2保持强还 原环境，剩余的待冶炼金属氧化物彻底在烙池2中完成还原，从而提高待冶炼金属的回收 率。被还原出来的低沸点金属进入烟气通过上升烟道3排出炉外，后续可通过冷凝或烟化进 行收集，其余被还原出的烙融的金属在烙池2内与液态渣沉淀分层，形成金属层和渣层，将 金属烙体从烙池2内排出，得到粗金属，烙渣从排渣口排出炉外。
[0041] 将本发明提供的串联闪速炉应用在钢铁厂烟尘的冶炼：
[0042] 钢铁企业在高炉、电炉、转炉、烧结等工段都有大量的烟尘产生，烟尘中含有锋、 铅、祕、铜和铁等有价金属的氧化物，其中铜和祕的含量相对较低。下面是国内一钢铁厂含 锋烟尘成分加权平均后得出的主要金属成分表，如表1所示：
[0043] 表1:
[0044]
[0045] ~上反应体5及连接通道7的外壁选用双层钢板，中间通冷却水，内壁搁耐火砖。冷却 水形成激冷壁，有利于煤中的灰分在内壁形成挂渣，保护炉壁。上反应体5在侧壁上设有四 只喷枪，粉煤、氧气（可加水蒸气)从喷枪2喷入上反应体5,在上反应体5内粉煤迅速燃烧并 气化，生成溫度为1380°C、有效还原气(CO+出)成分体积比达90%的还原气流，从上反应体5 出口喷出。
[0046] 连接通道7长0.8m，内宽约为下反应体I内径的2/5，在连接通道7上设有给料装置， 本实施例中给料装置为具有=层通道结构的密封加料口，通过=层通道结构的密封加料 口，分别用压缩空气向闪速炉内送入钢铁厂烟尘、烙剂和焦炭，钢铁厂烟尘一般粒度都在 100目W下，不需要再进行磨矿处理，只需烘干至水量^0.3%;烙剂为石灰石，含CaC〇3在 90% W上，粒度小于1mm，干燥至含水小于1 % ;焦炭的粒径在1-1 Imm范围内。
[0047] 烟尘颗粒在喷入闪速炉的瞬间，即与上反应体5喷出的还原气体充分混合，并呈飘 浮状态进入约ll〇〇°C-145(TC高溫的下反应体1中，烟尘中的金属氧化物W极大的比表面积 状态弥撒于识热、充满还原气分的下反应体1中，通过快速传热、传质和气-固、气-液反应， 迅速完成粉料中锋、铅、铁、祕和铜等金属氧化物的还原和烙化，并飘落在下反应体1下部的 烙池中。被还原出来的Zn迅速气化并进入上升烟道3,后续可采用铅雨/锋雨冷凝或烟化的 方式进行回收。
[0048] 在下反应体1中未被完全还原的铁和锋等金属氧化物烙体W小滴状进入150mm厚 的焦滤层6，在烙体穿透焦滤层6向下流动时，被碳还原，从而使化0和化0等比较难还原的金 属氧化物也基本完成还原。
[0049] 在烙池2中，矿粉中的脉石和加入的烙剂造渣，通过侧吹喷管4向烙池2喷入氧气和 粉煤(工艺氧浓度为99.6%，粉煤粒度为5mm-8mm)，为烙池巧h充热量，并使烙池2形成1300 °C-1650°C的高溫还原环境。侧吹的位置位于渣层的下部，可使烙体翻滚，使渣层中的少量 未还原的锋铁铅祕铜等金属氧化物与碳还原剂充分接触，彻底完成还原。在烙池2中，还原 出来的化绝大部分会迅速气化离开烙体进入上升烟道3,其余被还原出来的金属液滴除了 极少量挥发外，穿过密度较小的渣层向下聚集，Fe和Pb烙体完全不互溶，金属层分为铁水层 和粗铅合金层，由于密度的差异，烙池1从上到下形成渣层、铁水层、粗铅合金层=层结构。 少量的Bi、In及少量未蒸发的化易溶于铅液中，被铅液捕集后进入粗铅合金层，粗铅合金排 出后，后续可W采用精炼等方式提纯化并分离合金中的其它金属。
[0050] 采用本发明提供的串联闪速炉对钢铁烟尘进行处理的工艺，相比现有的回转害工 艺或湿法工艺，流程短，可综合回收多种有价金属，综合能耗降低40% W上，污染减少90%。 [0051 ]在下反应体1内发生的主要化学反应有：
[0052] CaC〇3 = CaO+C〇2
[0053] ai〇+co=ai(g)+c〇2
[0054] PbO+CO = Pb+C〇2
[0化5] Bi2〇3+3CO = 2Bi+30)2 [0056] In2〇3+3CO = 2In+30)2 [0化7] 3 化 2〇3+CO = 2Fe3〇4+0)2
[0化引化 304+CO = 3FeO+0)2
[0059] 化 0+C0=化+C〇2
[0060] 在烙池2中发生的主要化学反应如下：
[006。 （PbO)渣+C = Pb(I)+CO
[0062] (化〇)渣+c=ai(g)+co
[0063] (化0)渣+Fe(l)=ai(g) + (FeO)渣
[0064] (PbO)渣+Fe(l)=Pb(g) + (FeO)渣
[00化]巧 eO)渣+C=化（I)+CO
[0066] (Bi2〇3)渣+3C = 2Bi(l)+3C0
[0067] (In2〇3)it+3C = 2In(l)+3CO
[0068] 根据本发明的一个实施例，连接通道7的内宽不大于下反应体I内径的2/3,同时长 度不大于2m。连接通道7的内宽过大会影响上反应体5内部的压强，进而影响造气效率。连接 通道7的长度不大于2m，W免过长影响上反应体5向下反应体1传递热量的效率。
[0069] 根据本发明的一个实施例，连接通道7上设有给料装置，如图1所示，通过该给料装 置可W给入待冶炼的矿粉，使矿粉和还原气体提前接触，提高矿粉中待冶炼金属氧化物的 还原率。给料装置为喷嘴、喷枪、密封加料口中的一种或多种;或者为喷嘴、喷枪、密封加料 口中的一种或多种与烧嘴的组合。通过设置喷嘴或喷枪或密封加料口向闪速炉加入冶炼所 必需的原料、燃料和辅助材料。给料装置也可设置在下反应体1顶端，如图2所示，2组烧嘴设 置在下反应体1的顶部为下反应体1补充热量。另外，根据需要，给料装置也可设置下反应体 1的侧壁上。
[0070] 根据本发明的一个实施例，上反应体5上设有向上反应体5内喷吹含氧气体及气化 剂的喷枪或喷管。喷枪或喷管设置于上反应体5上，并穿透上反应体5内壁，伸入上反应体5 内，如图1及图2所示。喷枪或喷管向上反应体5中喷入含氧气体及气化剂。双通道的喷枪向 上反应体5内喷入氧气和煤粉，用来产生还原气体(CO+出)并为下反应体1提供热量。
[0071] 根据本发明的一个实施例，所述烙池2内盛纳烙体的空间上部设有焦滤层空间。所 述烙池2烙体上部形成有烙融炉料下落时通过的焦滤层6,如图2所示，一种实现方式是通过 设置在下反应体1顶部的喷嘴把焦炭加入下反应体1，焦炭粒径范围为1-llmm，在下反应体1 内迅速被加热，加热后的焦炭颗粒落到烙池2烙体表面形成一层多孔的碳物料一焦滤层6。 如果块度小于1mm，焦炭在高溫下损耗较快，但粒度超过Ilmm又会使焦炭的中屯、不能够被加 热到足够的溫度，且粒度过大会使焦炭颗粒间的间隙变大，运会导致通过焦滤层6的待冶炼 金属氧化物烙体回收率的损失。焦滤层6也可通过喷吹适合炼焦的粉煤的方式实现，粉煤在 高溫下烧掉其中的挥发分后，即可形成焦炭颗粒。
[0072] 根据本发明的一个实施例，焦滤层空间高50-250mm，优选为100-200mm，如图2所 示。根据待冶炼金属被碳还原的难易程度，适当调节焦滤层的厚度，调节的方法是调节向下 反应体1内加入焦炭或粉煤的速度。
[0073] 根据本发明的一个实施例，各烙池 2均设有向烙池 2内喷入含碳燃料和含氧气体的 侧吹布置，如图3-4及6-11所示。
[0074] 根据本发明的一个实施例，侧吹布置所在位置与所述烙池中烙渣层中下部对应， 侧吹设置在烙渣层中下部，可W使烙渣形成对流或翻滚，方便上下层间热量和物质的交换， 从而减小烙体的粘度，提局金属回收率。
[0075] 根据本发明的一个实施例，上升烟道3数目与烙池2数目一致，如图10及图11所示。
[0076] 根据本发明的一个实施例，烙池 2的数目为1-4个。闪速炉中1-4个烙池 2的设置能 够满足不同冶炼产量需求。
[0077] W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种串联闪速炉，其特征在于:包括上反应体(5)、下反应体（1)及连通两者的连接通 道(7)，所述上反应体(5)位于所述下反应体（1)的上部，形成串联式结构，所述下反应体（1) 下部设有至少一个熔池（2);所述闪速炉还包括用于排出烟气的上升烟道(3)，所述上升烟 道(3)通过所述熔池(2)与所述下反应体(1)相连通，各所述熔池(2)上均设有排渣口。2. 根据权利要求1所述的串联闪速炉，其特征在于:所述连接通道(7)的内宽不大于下 反应体(1)内径的2/3，长度不大于2m。3. 根据权利要求1-2任一项所述的串联闪速炉，其特征在于:所述连接通道(7)上设有 给料装置。4. 根据权利要求3所述的串联闪速炉，其特征在于:所述上反应体(5)上设有向上反应 体(5)内喷吹含氧气体及气化剂的喷枪或喷管。5. 根据权利要求1所述的串联闪速炉，其特征在于:所述熔池（2)内盛纳熔体的空间上 部设有熔融炉料下落时通过的焦滤层空间。6. 根据权利要求5所述的串联闪速炉，其特征在于:所述焦滤层空间高50-250mm。7. 根据权利要求1所述的串联闪速炉，其特征在于:各所述熔池（2)均设有向所述熔池 (2)内喷入燃料和含氧气体的侧吹布置。8. 根据权利要求7所述的串联闪速炉，其特征在于:所述侧吹布置所在位置与所述熔池 中熔渣层中下部对应。9. 根据权利要求1所述的串联闪速炉，其特征在于:所述熔池(2)的数目为1-4个。10. -种利用权利要求1-9所述的闪速炉进行冶炼的方法。
【文档编号】C22B30/06GK105925809SQ201610280446
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】李效东, 邱江波, 夏明 , 黄小兵
【申请人】天津闪速炼铁技术有限公司