本实用新型涉及一种矿石焙烧系统及其焙烧工艺方法，具体为一种煤基流态化还原焙烧系统。
背景技术：
我国铁矿资源较为丰富，截至2015年底查明资源储量达850.8亿吨，但多数为 “贫”、“细”、“杂”矿，品质较差；其中菱铁矿、褐铁矿、鲕状赤铁矿、微细粒赤铁矿及其共（伴）生类型复杂难选铁矿资源储量高达上百万吨，目前常用的物理选矿技术不能充分利用此类矿石，虽经多次强（弱）磁、浮选，铁精矿品位和回收率仍难以提高，目前此类矿石除少数矿区被开采利用外，多数未进行开发利用。大量实验室试验和工业实践证明，磁化焙烧是处理复杂难选铁矿资源的最有效方法。
现阶段铁矿的磁化焙烧方法主要有以下几种：竖炉焙烧、回转窑焙烧、流态化焙烧和微波焙烧。竖炉焙烧用于处理15～75mm的块矿，由于原料粒度粗，焙烧时间较长，且只适用于块矿，制约了其大规模推广应用。回转窑焙烧用于处理0～25mm的矿石，给矿粒度虽比竖炉小，但焙烧时间要求60~90min，同时细粒级粉矿的存在导致回转窑焙烧容易结圈，焙烧过程操控难度较大。闪速焙烧用于处理1mm以下的粉矿，该焙烧方法气固两相之间的传热传质速率比回转窑大3000~4000倍，能迅速完成铁矿物的磁性转化，但焙烧物料的还原反应时间仅数十秒，为使还原反应充分进行，还原温度一般需600℃以上，特别是对于鲕状赤铁矿类型结构致密的矿石，还原时间略显不足。微波焙烧用于处理0～3mm矿石，该焙烧方法能耗低、生产环境清洁，但因需采用二次能源、装置难以大型化等问题，目前未能在铁矿石这种产量大、附加值低的生产中使用。
CN201510647362、CN200610032484和CN200720064996均提出了采用煤做热源及还原性介质的流态化还原焙烧方法，这类磁化焙烧方法焙烧反应过程可在数十秒内完成，但还原反应时间可调范围小，对于结构致密的矿石可能存在还原不充分的缺陷；CN 102127635 A公布了一种煤与硫化金矿一起干磨后在外循环流化床反应器内氧化焙烧的方法，该方法将煤与原料混合送入焙烧炉，煤燃烧仅仅是提供氧化焙烧所需温度，且采用的反应器无法将煤灰、已完成氧化反应的物料、未完成氧化反应的物料分离开来，导致反应器内物料的循环负荷较大，且由于反应时间难以精确控制，可能出硫化金矿的过氧化或欠氧化现象，同时也降低了焙烧矿中有用元素含量；CN 103031432 A、CN201510139825和CN201010621731提出了采用煤气做热源及还原性介质的流态化氧化（还原）焙烧方法，但这类焙烧方法仅适用于有煤气或者天然气的地区，且对煤气的清洁程度要求高，大大限制了其应用地域。
依靠技术进步开发出一种更加节能环保、适应性更强、选矿产品质量更好的矿石流态化焙烧装置及方法，更大限度地利用我国有限的铁矿资源，尤其是高效开发利用上述复杂难选以及虽能利用但产品质量和利用率较低的铁矿资源，从而提高我国自产铁矿资源的市场占有率，一直是本领域技术人员追求的目标。
技术实现要素：
本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种煤基流态化还原焙烧系统，它具有高效率、高产能、低能耗、低成本、适用地域广、产品质量好等优点。
为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：一种煤基流态化还原焙烧系统，包括燃煤汽化单元、矿粉预热单元、焙烧单元、余热利用单元和除尘单元，所述燃煤汽化单元包括燃煤汽化炉和旋风除尘器，所述焙烧单元包括焙烧炉、固气分离器和还原反应器，所述余热利用单元包括换热器，所述燃煤汽化单元产生的高温烟气不需冷却分成两路，一路与焙烧炉的进气口相连，另一路通过旋风除尘器净化、加压后与还原反应器的进气口相连；所述焙烧单元的进料口与矿粉预热单元出料口相连，所述焙烧单元的出料口与余热利用单元的进料口相连，所述矿粉预热单元的排气口与除尘单元的进气口连通。
作为上述技术方案的进一步改进：所述矿粉预热单元包括2～3级旋风预热器，上一级旋风预热器C1的进气口与下一级旋风预热器C2的排气口通过提升管相连，旋风预热器是利用焙烧炉尾气进行矿粉的预热，充分利用了焙烧炉尾气余热，预热一般为2级，也可根据需要调整循环预热级数，确保矿粉预热单元的排气温度在300℃以下。
进一步的，所述焙烧炉的出料口与固气分离器的进料口相连，所述固气分离器的出料口与还原反应器的进料口连通，这一设备配置焙烧炉只需完成燃烧加热的作用而不需提供还原气氛，可确保矿粉预热后的外排尾气中无残余的CO、NO等有害气体；还原反应器只需完成还原反应而不用提供热源，且还原反应时间可通过调节还原气体流量来合理控制，确保了焙烧炉与还原反应器操作的独立。
进一步的，所述换热器内铺设有3-6层换热组件，多层所述换热组件错位安装，换热器为立式结构，焙烧矿依靠重力向下自流，换热器上部留有较大空间，可利用重力在该空间对还原反应器流入的物料进行分离；换热器的上部散热口与焙烧炉连通，反应后的残余还原性气体进入焙烧炉内燃烧，在充分利用燃料的同时合理回收了焙烧矿的余热。
进一步的，所述换热组件为换热板或换热管，换热组件中的换热介质为空气或水，当换热介质为水时，换热组件的一端与外部高位储水槽连通，另一端与外部的余热利用系统相连；当换热介质为空气时，换热组件的一端与空气压缩机相连，另一端与外部的余热利用系统相连。
上述煤基流态化还原焙烧系统的使用方法包括以下步骤：
1）原料破碎：将矿石和燃煤分别进行破碎，保证矿石的粒度小于0.075mm的占30%～80%，燃煤破碎至粒度不大于15mm；
2）燃煤汽化：将破碎后的燃煤加至燃煤汽化炉中，同时向燃煤汽化炉内的流化床通入适量的水，产生具有还原性的高温烟气；
3）悬浮预热：破碎后的矿石计量后通过斗式提升机和锁风阀给入矿粉预热单元内进行分级预热，使得预热后矿粉温度上升至250℃～550℃，预热后的烟气冷却至300℃以下后经除尘单元净化后排出；
4）流化态还原：预热后的矿粉进入到焙烧炉中先进行焙烧，然后再进入到还原反应器中，步骤2）中得到的高温烟气分成两路，一路进入焙烧炉内燃烧，为焙烧系统提供热源；另一路经除尘、加压后通入至还原反应器内将矿粉还原；
5）余热利用：流态化还原产物进入到换热器内，换热介质与焙烧矿不接触，确保还原产品不被二次氧化，通过与换热介质进行热交换，使反应产物冷却至80℃～200℃后流出余热利用单元，实现反应产物的余热回收。
进一步的，所述步骤2）中碎煤的发热量为14000～27000kJ/kg，产生的高温烟气中CO和H2总浓度10%～40%，高温烟气不经冷却直接分成两部分使用，一部分进入焙烧炉内燃烧，为原料的预热和焙烧提供热源；另一部分经除尘、加压后进入还原反应器，为原料还原提供还原性介质。
进一步的，所述步骤3）中的除尘单元包括高温风机、布袋除尘器和引风机,高温风机放置在矿粉预热单元的出气端处，高温风机对矿粉预热单元、焙烧炉进行抽风，使焙烧系统在负压下运行，控制焙烧炉下部的压力为-2000Pa～-100Pa，确保生产环境清洁。
进一步的，所述步骤4）中焙烧炉中物料与烟气呈喷腾流态化状态，焙烧温度为500℃～1200℃。
进一步的，所述步骤4）中还原反应器中矿粉在流态化状态下进行还原反应，还原性气体即为流化介质，其用量为理论还原用量的1.2～2.0倍，还原反应温度400℃～1100℃，还原反应时间0.5～30min。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
1、本实用新型采用普通燃煤同时为焙烧系统提供热源及还原性介质，有利于降低焙烧能耗和成本，大大拓宽了工艺技术的适用地域；
2、本实用新型的燃煤汽化炉产生的高温烟气不需冷却直接分成两路，一路进入焙烧炉内燃烧，且焙烧炉只需完成燃烧加热的作用而不需提供还原气氛，可确保矿粉预热后的外排尾气中无残余的CO、NO等有害气体；另一路净化加压后进入还原反应炉内，为系统提供还原介质，确保了焙烧炉与还原反应器操作的独立；可根据矿石性质的差异精确调节进入焙烧炉及还原反应炉的烟气流量和成分，合理调节还原焙烧时间；
3、本实用新型的焙烧系统在换热器内错位安装有多层换热组件，可充分利用矿石焙烧后的余热资源，有利于进一步降低工艺成本；
4、本实用新型适用于各种复杂难选铁矿石（例如赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、鲕状赤铁矿及其共生矿等）的磁化焙烧，将矿石中弱磁性的Fe2O3、FeCO3充分转化为强磁性的Fe3O4；
5、本实用新型的技术方案具有高效率、高产能（单位容积产能大）、低成本、适用性广、产品质量好等优点，对今后我国难选铁矿资源的深度开发利用具有重要意义。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图例说明：
1、燃煤汽化单元；11、燃煤汽化炉；12、旋风除尘器；2、矿粉预热单元；21、旋风预热器；211、上一级旋风预热器C1；212、下一级旋风预热器C2；3、焙烧单元；31、焙烧炉；32、固气分离器；33、还原反应器；4、余热利用单元；41、换热器；5、除尘单元；51、高温风机；52、布袋除尘器；53、引风机；6、斗式提升机；7、锁风阀；8、星形给料机；9、煤气加压机。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本实用新型作更全面、细致地描述，但本实用新型的保护范围并不限于以下具体的实施例。
如图1所示，一种煤基流态化还原焙烧系统，包括燃煤汽化单元1、矿粉预热单元2、焙烧单元3、余热利用单元4和除尘单元5，燃煤汽化单元1包括燃煤汽化炉11和旋风除尘器12，焙烧单元3包括焙烧炉31、固气分离器32和还原反应器33，余热利用单元4包括换热器41，燃煤汽化单元1产生的高温烟气不需冷却分成两路，一路与焙烧炉31的进气口相连，另一路通过旋风除尘器12净化、煤气加压机9加压后与还原反应器33的进气口相连；焙烧单元3的进料口与矿粉预热单元2出料口相连，焙烧单元3的出料口与余热利用单元4的进料口相连，矿粉预热单元2的排气口与除尘单元5的进气口连通。
本实施例中，矿粉预热单元2包括两级旋风预热器21，上一级旋风预热器C1211的进气口与下一级旋风预热器C2212的排气口通过提升管相连。
上一级旋风预热器C1211进风管通过提升管连接至下一级旋风预热器C2212的出风口，斗式提升机6的下料口通过管道与上一级旋风预热器C1211的进风管相连，上一级旋风预热器C1211底部的出料口通过管道和锁风阀7后与下一级旋风预热器C2212的进风管相连，上一级旋风预热器C1211的排气口通过高温风机51和管道与除尘单元布袋除尘器52的进气口连通，布袋除尘器52的排气口通过管道与引风机53的进气口连通，引风机53的排气口通过管道与外部的烟囱相连。
本实施例中，焙烧炉31的进料口通过管道与下一级旋风预热器C2212的出料口相连，焙烧炉31的出料口与固气分离器32的进料口相连，固气分离器32的排气口通过提升管与下一级旋风预热器C2212的进风管相连，固气分离器32的出料口与还原反应器33的进料口连通。
本实施例中，换热器41内铺设有五层换热组件，多层换热组件错位安装，换热器41为立式结构；换热器41的上部散热口与焙烧炉31连通，换热器41的排料口通过管道与星形给料机8的进料口相连，便于焙烧矿的排出。
本实施例中，换热组件为换热板或换热管，换热组件中的换热介质为水，换热组件的一端与外部高位储水槽连通，另一端与外部的余热利用系统相连。
上述的煤基流态化还原焙烧系统的使用方法包括以下步骤：
1）原料破碎：将矿石和燃煤分别进行破碎，保证矿石的粒度小于0.075mm的占30%～80%，燃煤破碎至粒度不大于15mm，破碎后分别储存于矿粉原料仓和燃煤原料仓内；
2）燃煤汽化：将破碎后的燃煤加至燃煤汽化炉11中，同时向燃煤汽化炉11内的流化床通入适量的水，产生具有还原性的高温烟气；
3）悬浮预热：原料仓内的矿粉计量后经斗式提升机6和锁风阀7后给入上一级旋风预热器C1211内进行预热，使得物料温度上升至250℃~300℃后进入下一级旋风预热器C2212进行进一步的预热、尾气温度下降至230℃左右后进入除尘单元5；经上一级旋风预热器C1211预热后的矿粉再次进入下一级旋风预热器C2212与焙烧炉31排出的废气进行热交换，使得矿粉温度上升至500℃~550℃后进入焙烧炉31内，从下一级旋风预热器C2212排气口排出的废气温度降至400℃~450℃后进入上一级旋风预热器C1211与矿粉进行热交换；
4）流化态还原：预热后的矿粉进入到焙烧炉31中先进行焙烧，然后再进入到还原反应器33中，步骤2）中得到的高温烟气分成两路，一路进入焙烧炉31内燃烧，为焙烧系统提供热源；另一路经除尘、加压后通入至还原反应器33内将矿粉还原；
5）余热利用：流态化还原产物进入到换热器41上部，利用重力在该空间对还原反应器33流入的物料进行气固分离；分离后的烟气进入到焙烧炉31内燃烧，为焙烧系统提供热源；固体焙烧产物在重力作用下进入到换热器41下部的物料余热利用区进行余热的回收；物料余热利用区错位布置有板状换热组件，换热组件内通入水作为换热介质，高温物料通过与换热介质进行热交换，使反应产物冷却至150℃后送出反应装置，完成流态化还原焙烧处理。
本实施例中，步骤2）中碎煤的发热量为14000～27000kJ/kg，产生的高温烟气中CO和H2总浓度10%～40%，高温烟气不经冷却直接通过自动控制阀门分成两路，精确控制两路烟气的流量，使得进入焙烧炉31内燃烧的烟气量占烟气总量的70%~80%、经除尘、加压后通入至还原反应器33内的气量占烟气总量的20%~30%；煤气在焙烧炉31内燃烧后产生的烟气温度为700℃~750℃、焙烧后的矿粉温度上升至550℃~600℃后流入还原反应器33内进一步发生还原反应。
本实施例中，步骤3）中除尘单元5包括高温风机51、布袋除尘器52和引风机53，高温风机51放置在矿粉预热单元2的出气端处，高温风机51对矿粉预热单元2、焙烧炉31进行抽风，使焙烧系统在负压下运行，控制焙烧炉31下部的压力为-2000Pa～-100Pa。
本实施例中，步骤4）中焙烧炉31中物料与烟气呈喷腾流态化状态，焙烧温度为500℃～1200℃。
本实施例中，步骤4）中还原反应器33中矿粉在流态化状态下进行还原反应，还原性气体即为流化介质，其用量为理论还原用量的1.2～2.0倍，还原反应温度400℃～1100℃，还原反应时间0.5～30min。
对于原矿TFe品位32.54%的复杂难选铁矿，采用上述煤基流态化还原焙烧工艺处理，焙烧产品的磁化率≥95%，焙烧矿不磨矿通过一粗两精三次弱磁选可获得铁精矿品位≥60%、铁回收率≥88%的选别指标。