專利名稱：一種旋浮卷吸冶金工藝及其反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種有色冶金工藝及裝置，尤其是一種旋浮卷吸冶金工藝及其反應
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背景技術：
在有色金屬行業，火法冶金是利用硫化物礦中的硫和鐵通過與氧反應最終被脫除而得到有色金屬的過程。隨著冶金工業的發展，科技的進步，越來越高的環保要求，強化冶煉過程和低生產成本成為冶金行業的重要課題，促進新的冶金工藝不斷涌現。雖然各種工藝遵循的化學反應機理相同，但過程上火法冶金工藝大致可分為熔池熔煉和空間懸浮熔煉兩大類，空間懸浮熔煉應用最廣泛的是芬蘭科學家于1949年發明的奧托昆普閃速熔煉。空間懸浮熔煉的實質就是利用干燥后粉狀硫化物礦的巨大表面積，使物料粒子與氧充分結合，在瞬間0 3秒)內完成氧化反應，達到脫硫的目的。由于氧化反應過程中產生巨大的熱量，產物是高溫煙氣和高溫熔體，反應爐需要承受巨大的熱負荷，目前公認的懸浮熔煉爐能承受的熱負荷為2000MJ/m3. h，而且爐襯被沖刷腐蝕嚴重。空間懸浮熔煉是連續的生產工藝，物料與氧都是按冶金計算的結果連續、成比例的加入，要求物料與對應的氧在冶金爐有限的空間和時間內充分混合并反應，否則就會出現“下生料”和過氧化的現象。在中國專利公開號(CN1232538A國際公布W098/14741英 98. 4. 9)，英國(GB)專利 1,569，813，美國(US)專利 5，133，801，美國(US)專利 4，392，885， 美國(US)專利5，362，032，美國(US)專利5，370，369，芬蘭(FI)專利申請93M58，日本專利申請5-9613中描述的已知的方法，反應氣體都是在物料流的外側垂直進入到反應爐內， 依靠設置在物料流中心的分料錐和水平方向的擴散空氣將垂直下落的物料導入到反應氣體中，得到一種懸浮的狀態。這些方法中都是使物料和反應氣體離開反應爐的中軸線朝向反應爐壁的方向運行，充滿整個反應爐的空間，反應時的高溫及高溫熔體直接對反應爐的爐襯造成沖刷和腐蝕，爐襯需要承受巨大熱負荷；而物料的粒度、比重都不完全相同，造成物料在反應氣體中的分布不可能均勻，物料分布少的區域相對氧過剩，物料被過氧化，物料分布多的區域相對氧欠缺，物料欠氧化，極易造成“下生料”的現象。為解決上述工藝中的不足，中國專利(03125473)中描述了一種中心旋渦柱的空間熔煉方法該工藝將干燥的粉狀物料和氧氣從設于反應塔頂部中央的噴嘴切線噴入，在精礦溜管的外部是由若干個同心圓旋渦室組成的空氣腔，在精礦溜管的內部設置有傘形的分散錐，分散錐上設有水平方向的噴射孔。在該方法中，反應氣體仍然在物料的外側，仍然需要設置在物料中心的分散錐和噴射孔中噴射的氣體使物料與反應氣體混合；反應氣體經過旋渦室進入到高溫的反應塔內，被加熱體積膨脹，過小的噴射氣體不能是物料與反應氣體很好的混合，過大的噴射氣體又會破壞旋渦，使物料與反應氣體沿切線方向向反應塔壁擴散；而且噴射孔與物料接觸容易被堵塞而失去作用，環狀非接觸過渡圈的存在，降低了氧的利用率，其中的氧隨爐氣進入反應爐后的工序設備，在降溫的過程中還與Sh反應生成稀酸而腐蝕設備。
同樣，中國發明專利(專利號ZL 2009 1 0230500. 3)中描述干燥物料與富氧空氣分別送入噴嘴混合形成氣固兩相混合體，通過安裝在噴嘴中的旋流器使氣固混合體高速旋轉進入反應器中，在反應器中形成以軸線為中心的旋流體，為增加粒子間的碰撞機率，彌補旋流體中心氧量不足，在噴嘴中心設置脈沖器，將氧氣或富氧空氣以脈動形式送入旋流體中。根據該發明工藝也可以形成氣固兩相混合體，但要將氣固兩相混合體在反應爐內維持，需要很高的旋轉速度，高速旋轉的氣固兩相混合體對噴嘴和旋流器的磨損是非常嚴重的，在很短的時間內，噴嘴將無法正常工作。在旋流體中的中心引入脈動形式的氧氣或富氧空氣，從旋流體斷面看，渦核實際上是沒有物料或物料很少的空洞；而且氧氣或富氧空氣脈動形式的引入會造成中心物料下落速度過快，來不及反應即落入爐底；中心氧勢的變化勢必會引起反應時間和空間的變化，可以增加粒子的碰撞幾率，但也會引起煙氣的波動，甚至會引起排煙設備例如廢熱鍋爐的共振。物料在進入反應爐前已形成氣固兩相混合體，物料粒子只能通過爐內的高溫輻射加熱，被加熱達到著火點的時間過長。

發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種旋浮卷吸冶金工藝及其反應器，它是利用反應氣體所具備的能量，在改變運行方式后形成氣體旋流，進入到反應爐后將干燥的粉狀物料和爐內煙氣卷吸其中，快速完成物料粒子被加熱點燃一氧化反應一產物再混合的過程。在充分利用物料顆粒比表面積和反應熱能的同時，有效提升反應爐所能承受的熱負荷，避免高溫熔體對冶金爐壁的沖刷腐蝕，同時有效提升了氧的利用率、降低煙塵發生率，減少NOx的排放量，較好的滿足高產能、低能耗的強化冶金的要求。為實現上述目的，本發明采用下述技術方案一種旋浮卷吸冶金工藝，其包括氣體進入、物料進入和氣流反應；氣體進入采用使反應氣體沿多個均勻分布的回轉進風口并受到控制閥的調整， 呈切線進入到旋流發生器內，形成可控的旋轉氣流，用一個圓錐形能上下移動的出口風速控制器控制旋流發生器的出口面積，用以控制反應氣體進入到反應爐內的速度；物料進入采用使粉狀的物料流沿反應氣體的周圍環狀空間自由下落，進入到反應爐內被卷入到高速旋轉的氣流中；氣流反應自上而下噴射到反應爐內的旋流體帶動并卷吸爐氣，與物料、反應氣體共同形成一種粉狀物料高度彌散于反應氣體中的在徑向上高速旋轉、軸向向下移動的氣、 固兩相混合旋流體；同時，爐氣自下而上的回流，旋流體在反應爐內的噴射和旋轉作用使爐氣形成環狀的相對低溫的回流保護區，回流的爐氣夾帶的熔融液滴在反應爐爐襯上形成難熔物保護層。所述反應氣體為富氧空氣，其氧濃度按體積比為21% 99%。所述氣、固兩相混合旋流體是以反應爐的中軸線為軸線而高速旋轉，物料粒子是被回流的爐氣和爐內的輻射熱共同迅速加熱到著火點的。一種旋浮卷吸冶金反應器，包括一個安裝在反應器中心的旋流發生器，旋流發生器的頂部由堵板封堵，旋流發生器的上段上垂直于其中軸線均勻設有多個回轉式進風口，為保證反應氣體進入到旋流發生器時具有一定的初速度，回轉式進風口上安裝調節閥，在旋流發生器的中軸線上安裝有中心軸，中心軸上套裝一個圓錐形并能在旋流發生器的空腔內上下移動的出口風速控制器，旋流發生器內的空腔是反應氣體通道，旋流發生器的外側設有反應器外殼體，外殼體與旋流發生器具有同一個中軸線，外殼體與旋流發生器之間設有一環形空間，該環形空間是物料通道，外殼體的進料口處安裝多個流化布料裝置，每個流化布料裝置都與相應的計量給料裝置對接。所述旋流發生器的下端出口處成圓錐型。所述中心軸的上端固定于旋流發生器頂部的堵板上。所述外殼體上設有水冷元件。所述旋流發生器頂部堵板外設有控制風速控制器的升降裝置。本發明中的旋流發生器、回轉式進風口、調節閥、出口風速控制器、流化布料裝置、 計量給料裝置和水冷元件均為現有公知技術，在此不再贅述。本發明采用將反應氣體與粉狀固體顆粒充分混合形成旋流體，其目的是為了把反應氣體和粉狀物料噴射到反應爐內時，得到一種可控制的高度彌散的旋轉懸浮狀態，同時， 噴射到反應爐內的旋流體帶動爐氣，在旋流體的周圍形成相對低溫的回流保護層，在反應爐高溫的輻射下而達到著火溫度，進行劇烈的燃燒反應。本發明的反應爐身是圓筒形垂直于水平面安裝的結構，在其頂部垂直向下送入反應氣體和粉狀物料。為使粉狀物料在反應爐由爐頂到爐底的空間內完成被加熱點燃一氧化反應一產物再混合過程，保證送入的氧完全被消耗，每個物料粒子都能參與反應轉為熔融狀態，并且要避免反應爐襯被高溫損耗。本發明將反應氣體轉化為旋轉氣流噴射到反應爐內，將沿其周圍呈環狀自由下落的物料流卷入其中，同時將反應爐頂部的高溫爐氣(相對反應氣體)也卷吸進來，形成在徑向上高速旋轉，沿反應爐中軸線向下噴射的氣、固兩相混合旋流體，在旋流體中，物料粒子和反應氣體被高溫爐氣(相對反應氣體)加熱達到著火溫度并迅速發生化學反應，反應產生的高溫將物料粒子熔為小液滴并最終碰撞結合長大與反應后的煙氣分離。反應氣體作為動力源，在徑向上的旋轉速度和軸向上的噴射速度是非常重要的，需要將物料粒子與氧充分結合，迅速加熱達到著火點進行燃燒反應，反應產生的高溫區最大限度的集中，對爐襯的的輻射足夠小，熔融產物在空中碰撞、結合長大幾率高；即氣、固兩相混合旋流體的旋轉速度和向反應爐內的噴射速度是可以控制和調節的。根據本發明提出的方法，反應氣體、物料、高溫爐氣是在反應爐內才形成氣、固兩相混合旋流體的。反應氣體在旋流發生器的空腔內高速旋轉，因不攜帶固體顆粒，對旋流發生器沒有磨損；粉狀的物料流在外殼體與旋流發生器組成的環形物料通道內自由下落，因速度小對外殼體與旋流發生器的磨損是可以不考慮的；所以設備(發生器)可以長期連續運行而不會出現故障。眾所周知，物料粒子只有在被加熱達到著火點才與氧在瞬間內完成反應，物料粒子被加熱的時間事實上決定了完成反應的時間，根據本發明提出的方法中，粉狀的物料流沿反應氣體的周圍自由下落，旋轉的反應氣體在反應爐內卷吸物料和高溫爐氣形成氣、固兩相混合旋流體，即高溫爐氣被卷吸時要通過環形的物料流，實現物料粒子在進入到反應爐的第一時間內即被高溫爐氣加熱而迅速達到著火溫度，使物料粒子從加熱到化學反應能在極短的時間(一秒)內完成。
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反應器垂直圓筒形反應爐的頂部，構成突然擴張的流管結構，根據本發明提出的方法中，反應氣體是唯一的動力源，為得到可控的旋轉氣流，反應氣體)進入到旋流發生器前受到調節閥的控制，得到一定的初速度，反應氣體在發生器的出口處獲得一定的向心力， 在一個環形的空間內對反應氣體的出口速度可進行任意調節。噴射到反應爐內卷吸物料和爐氣的同時各物質向中軸線運動，形成的混合旋流體事實上在中心是氧勢和物料都高度集中的區域，即混合旋流體的斷面上是以渦核為中心的各物質的富集區，并在混合旋流體內由內向外各物質的分布密度逐漸減弱。當混合旋流體保持狀態由上向下運行達到著火的溫度進行反應后，瞬間產生的高溫使旋流體的體積急速膨脹，使旋流體的旋轉狀態減弱，由于渦核是各物質的富集區，即該區域是反應的焦點區和高溫區，在反應后的旋流體內溫度的分布同樣是以渦核為中心的向外逐漸減弱的趨勢。反應后的旋流體是由熔融小液滴和爐氣組成，熔融小液滴相互碰撞長大而沉降與爐氣分離；旋轉狀態減弱的旋流體最外層溫度相對降低的爐氣在反應爐內自下而上運行， 填補反應爐頂部的空間，在旋流體與反應爐壁的空間內形成環形的回流保護區，并且回流的爐氣中夾帶少量的熔融小液滴粘貼在反應爐的內襯上，最終殘留下難熔的物質(例如磁鐵)形成保護層。根據本發明提出的方法，反應氣體是唯一的動力源，是物料與氧混合并反應的保證，為使混合旋流體在反應爐內狀態能較好的維持，在軸心線上形成氧勢與物料的富集區， 其氧濃度為21% 99% (體積比)，物料在反應爐內的加熱時間足夠短，停留時間足夠長， 反應氣體在進入到反應爐內時所具有的旋轉速度、向心加速度、向下噴射速度是最為關鍵的參數。根據本發明提出的可無級調節的反應器中，旋流發生器的頂部用堵板封堵，分為三個部分，進氣口設置為多個回轉式進風口，中間為圓筒體，為使反應氣體噴出后具有更大向心加速度，出口為圓錐形逐漸收縮狀。所述的多個回轉式進風口，垂直于中軸線并呈等角分布，以保證旋轉氣流在發生器的出口處偏流最?。徽{節閥受同一信號控制，同時動作，具有相同的開度，只控制進氣速度，不改變進氣方向。 發生器出口設計為圓錐形逐漸收縮，使旋轉氣流具有向心加速度。為保證從發生器內流出的物料流均勻并與反應氣體匹配進，發生器物料的進口處安裝多個流化布料裝置，每個流化布料裝置都與計量給料裝置對接。反應氣體進入到旋流發生器后以中心軸為軸心線高速旋轉，并在頂部堵板的作用下向出口運行，并在出口處軸向速度和徑向速度達到最大。外殼體與旋流發生器組成的環形空間是物料通道，并在出口處設置成圓錐形逐漸收縮，以利于物料流被反應氣體卷吸。旋流發生器的中軸線上依托頂部堵板安裝中心軸，其外壁上安裝可在旋流發生器的空腔內一定的高度內上下移動的圓錐形風速控制器，以控制旋流發生器的環狀出口面積，從而使沿反應氣體的出口方向氣流面積逐漸減小，達到控制反應氣體噴射到反應爐內目的。為保證環形物料通道的形狀不變，外殼體受高溫部分采用水冷元件。為保證物料流被反應氣體卷吸時準確、均勻，發生器的進料口對稱布置多個流化布料裝置和計量給料裝置。本發明的有效益果一是物料加熱時間短、氧利用率高，反應完全。二是反應空間小，高溫區集中，對反應爐爐襯的輻射距離遠，高溫區與爐襯間存在環形保護區。三是粒子間的碰撞機率高，利于反應后的沉降，煙塵發生率低。四是產能大，能適應高氧濃強化冶煉的需要，能耗低，投資少。五是結構簡單、控制、操作方便、可靠，充分利用反應氣體的勢能，運行成本低。


圖1是本發明工藝所述的機理示意圖；圖2是本發明設備所述的結構示意圖；圖3是圖2的俯視圖；其中1外殼體，2旋流發生器，3物料通道，4流化布料器，5計量給料裝置，6調節閥，7回轉進風口，8中心軸，9風速控制器，10升降裝置，11物料流，12反應氣體，13反應爐， 14保護層，15氣、固兩相混合旋流體，16回流保護區，17中軸線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1、圖2、圖3中，一種旋浮卷吸冶金工藝，其包括氣體進入、物料進入和氣流反應；氣體進入反應氣體12沿多個對稱的回轉進風口 7并受到控制閥6的調整，呈切線進入到旋流發生器2內，形成可控的旋轉氣流，用一個圓錐形的可上下移動的風速控制器9控制旋流發生器2的出口面積，用以控制反應氣體進入到反應爐13內的速度；物料進入粉狀的物料流11沿反應氣體的周圍自由下落，進入到反應爐13內被卷入到高速旋轉的氣流中；氣流反應自上而下噴射的旋流體帶動并卷吸爐氣，形成一種粉狀物料高度彌散于反應氣體中的在經向上高速旋轉、軸向向下移動的氣、固兩相混合旋流體15 ；同時，爐氣自下而上的回流，在旋流體和反應爐壁間形成環狀的低溫(相對反應產生的高溫)回流保護區16，回流的爐氣夾帶的熔融液滴在反應爐爐襯上形成難熔物保護層14。所述反應氣體12為富氧空氣，其氧濃度按體積比為21% 99%。所述氣、固兩相混合旋流體15是以反應爐13的中軸線17為軸線而高速旋轉，物料粒子是被回流的爐氣和爐內的輻射熱共同迅速加熱到著火點的。一種旋浮卷吸冶金反應器，包括一個安裝在反應器中心的旋流發生器2，旋流發生器2的頂部由堵板封堵，分為三個部分，上段垂直于旋流發生器的中軸線17設有多個回轉式進風口 7，中間為圓筒體，為使反應氣體噴出后具有更大向心加速度，出口為圓錐形逐漸收縮狀。為保證反應氣體進入到旋流發生器時的速度，其上安裝調節閥6，在旋流發生器的中軸線上安裝中心軸8，中心軸上套裝一個圓錐形并可以在旋流發生器的空腔內上下移動的出口風速控制器9，風速控制器9受旋流發生器頂部堵板外的升降裝置10控制，旋流發生器的空腔是反應氣體通道10，旋流發生器的外側是反應器外殼體1，外殼體1與旋流發生器 2具有同一個中軸線17，外殼體1與旋流發生器2組成的環形空間是物料通道3，外殼體1 的進料口處安裝多個流化布料裝置4，每個流化布料裝置4都與計量給料裝置5對接。所述旋流發生器2的下端出口處成圓錐型。所述中心軸8的上端固定于旋流發生器2頂部的堵板上。所述外殼體1上設有水冷元件。本發明所述的技術方案并不限制于本發明所述的實施例的范圍內。本發明未詳盡描述的技術內容均為公知技術。
權利要求
1.一種旋浮卷吸冶金工藝，其特征是，包括氣體進入、物料進入和氣流反應；氣體進入采用使反應氣體沿多個均勻分布的回轉進風口并受到控制閥的調整，呈切線進入到旋流發生器內，形成可控的旋轉氣流，用一個圓錐形能上下移動的出口風速控制器控制旋流發生器的出口面積，用以控制反應氣體進入到反應爐內的速度；物料進入采用使粉狀的物料流沿反應氣體的周圍環狀空間自由下落，進入到反應爐內被卷入到高速旋轉的氣流中；氣流反應自上而下噴射到反應爐內的旋流體帶動并卷吸爐氣，與物料、反應氣體共同形成一種粉狀物料高度彌散于反應氣體中的在徑向上高速旋轉、軸向向下移動的氣、固兩相混合旋流體；同時，爐氣自下而上的回流，旋流體在反應爐內的噴射和旋轉作用使爐氣形成環狀的相對低溫的回流保護區，回流的爐氣夾帶的熔融液滴在反應爐爐襯上形成難熔物保護層。
2.如權利要求1所述的一種旋浮卷吸冶金工藝，其特征是，所述反應氣體為富氧空氣， 其氧濃度按體積比為21% 99%。
3.如權利要求1所述的一種旋浮卷吸冶金工藝，其特征是，所述氣、固兩相混合旋流體是以反應爐的中軸線為軸線而高速旋轉，物料粒子是被回流的爐氣和爐內的輻射熱共同迅速加熱到著火點的。
4.一種旋浮卷吸冶金反應器，其特征是，包括一個安裝在反應器中心的旋流發生器，旋流發生器的頂部由堵板封堵，旋流發生器的上段上垂直于其中軸線均勻設有多個回轉式進風口，為保證反應氣體進入到旋流發生器時具有一定的初速度，回轉式進風口上安裝調節閥，在旋流發生器的中軸線上安裝有中心軸，中心軸上套裝一個圓錐形并能在旋流發生器的空腔內上下移動的出口風速控制器，旋流發生器內的空腔是反應氣體通道，旋流發生器的外側設有反應器外殼體，外殼體與旋流發生器具有同一個中軸線，外殼體與旋流發生器之間設有一環形空間，該環形空間是物料通道，外殼體的進料口處安裝多個流化布料裝置， 每個流化布料裝置都與相應的計量給料裝置對接。
5.如權利要求4所述的旋浮卷吸冶金反應器，其特征是，所述旋流發生器的下端出口處成圓錐型。
6.如權利要求4所述的旋浮卷吸冶金反應器，其特征是，所述中心軸的上端固定于旋流發生器頂部的堵板上。
7.如權利要求4所述的旋浮卷吸冶金反應器，其特征是，所述外殼體上設有水冷元件。
8.如權利要求4所述的旋浮卷吸冶金反應器，其特征是，所述旋流發生器頂部堵板外設有控制風速控制器的升降裝置。
全文摘要
本發明公開了一種旋浮卷吸冶金工藝法，把反應氣體和粉狀物料噴射到反應爐內，得到一種可控制的高度彌散的旋轉懸浮狀態，在反應爐高溫的輻射下而達到著火溫度，進行劇烈燃燒反應；同時，噴射到反應爐內的旋流體帶動爐氣，在旋流體的周圍形成相對低溫的回流保護層。反應氣體沿多個回轉通道呈切線進入到旋流發生器內，形成可控旋轉氣流，用一個圓錐形可上下移動的出口風速控制器控制旋流發生器出口面積，控制反應氣體進入反應爐內速度；粉狀物料流沿反應氣體的周圍自由下落，并被卷入到高速旋轉氣流中，形成一種粉狀物料高度彌散于反應氣體中的在徑向上高速旋轉軸向向下移動的旋流體。本發明還涉及到為實現該目的而設計的可無級調節的反應器。
文檔編號C22B15/00GK102268558SQ20111020801
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月25日 優先權日2011年7月25日
發明者劉衛東, 周松林 申請人:陽谷祥光銅業有限公司