用于固体物料的热处理的设备的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于固体物料的热处理以降低重金属元素含量的设备(plant)和方法。
2.本实用新型还涉及一种用于生产肥料前体(fertilizer precursor)的方法，其中该方法使用用于固体物料的热处理的设备和/或方法。


背景技术：

3.低品位磷矿石的选矿是普通的工艺步骤，用以取得30％或更高的p2o5含量。对于硅质矿石和粘土矿石而言，通常使用传统的选矿技术(包括例如破碎、研磨、磁选、浮选、擦洗和洗涤)以去除脉石。但是，对于含有氧化镉、碳酸盐和有机碳的矿石而言，物理分离方法并不那么有效。
4.现已研究了若干种技术，用以从磷矿石去除有毒重金属元素(诸如镉)。但是，它们都有缺点，并且难以在工业规模上应用这些技术。
5.例如，氧化性气氛下的煅烧对于温度敏感的磷矿石而言是不可行的，因为氧化镉(cdo)蒸发所需的工艺温度处于临界烧结温度以上。这在矿石的后续加工步骤(诸如浸出步骤)中会引发问题。而且，例如在流化床反应器中在还原性气氛下的煅烧对于温度敏感的磷矿石而言是不可行的，因为工艺温度超过了形成积聚物的临界温度。


技术实现要素：

6.目的
7.本实用新型的目的在于提供一种新式的用于处理固体物料以降低重金属元素和其它杂质含量的设备和方法。特别是用于处理低品位磷矿石以便去除杂质，诸如镉、碳酸盐和/或有机碳。
8.概要
9.根据本实用新型，提供了一种用于固体物料的热处理的设备，以降低重金属元素和/或其它杂质的含量，所述设备包括：可选地，至少一个干燥系统；可选地，至少一个预加热系统；反应器，用于将所述固体物料加热到反应温度；可选地，热回收系统，以及可选地，冷却系统。其中，所述设备仅包括一个反应器，且所述反应器被布置为兼具氧化性气氛和还原性气氛，并且所述设备包括热气源，该热气源被布置为向所述反应器提供热气。
10.在上述设备中，所述反应器可以是回转炉。
11.在上述设备中，所述热气源可被布置为提供用于加热并提供还原性气氛的热还原和/或无氧气体。
12.在上述设备中，所述热气源可以是热气发生器。
13.在上述设备中，所述固体物料可以是矿石，优选为磷矿石，优选为磷酸盐含量小于30％重量百分比的磷矿石。
14.在上述设备中，所述反应器可以是回转炉，其中，所述热气源被布置为用以加热所
述固体物料，并通过逆向气流来提供还原气。
15.在上述设备中，所述热气源可被布置为将热气、优选为包含co和h2的热气在所述反应器的排放端处和/或附近提供到所述反应器中。
16.在上述设备中，所述还原性气氛可被布置在所述反应器的排放端处和/ 或附近，而所述氧化性气氛可被布置在所述反应器的进料端处和/或附近。
17.在上述设备中，所述反应器可以是回转炉，该回转炉包括至少两个壳式风扇。
18.在上述设备中，所述反应器可以是回转炉，该回转炉中每10米炉窑包括至少一个壳式风扇。
19.在上述设备中，所述反应器可被布置为将所述固体物料加热到 500-1000℃、优选750-900℃的温度。
20.在上述设备中，所述重金属元素可包括镉(cd)。
21.在上述设备中，所述设备可包括至少一个预加热器，并且离开所述回转炉的废气配置为被引导到所述至少一个预加热器。
22.在上述设备中，所述设备可包括预干燥器(1)以及位于所述预干燥器(1) 下游的预加热器。
23.根据本实用新型，还提供了一种用于固体物料的热处理以去除重金属元素和/或其它杂质的方法，所述方法包括以下步骤：可选地，将所述固体物料干燥；可选地，预加热所述固体物料；将反应器中的固体物料加热至反应温度，以降低重金属元素和/或其它杂质的含量；可选地，将加热后的固体物料冷却，以及获得处理过的固体物料。其中，所述加热仅在一个反应器中进行，并且所述反应器兼具还原性气氛和氧化性气氛，以及所述反应器的加热至少部分地通过经由热气源提供热气来实现。
24.在上述方法中，所述反应器可以是回转炉。
25.在上述方法中，所述固体物料可以是矿石，优选为磷矿石，该磷矿石优选具有小于30％重量百分比的磷酸盐含量。
26.在上述方法中，所述热气源可以是热气发生器。
27.在上述方法中，所述反应器的加热可至少部分地通过在所述反应器的排放端处和/或附近，经由热气源提供包括co和h2的热气来实现。
28.在上述方法中，从加热步骤去除所述重金属元素可通过使所述元素附着到悬浮在废气流中的固体颗粒来完成。
29.在上述方法中，所述固体物料可在逆向流中被加热。
30.在上述方法中，所述反应器可以是回转炉，该回转炉可包括至少两个壳式风扇。
31.在上述方法中，所述反应器可以是回转炉，该回转炉中每10米炉窑包括至少一个壳式风扇。
32.在上述方法中，在所述回转炉中的所述固体物料被加热到700-1000℃、优选750-900℃的温度。
33.在上述方法中，所述重金属元素可包括镉(cd)。
34.在上述方法中，所述固体物料可以是粒状固体物料，优选具有6mm或更小的粒度。
35.在上述方法中，在所述固体物料被供给到所述反应器之前，所述固体物料可在预干燥器中被干燥，且随后在预加热器中被加热。
36.此外，还提供了一种用于生产肥料前体的方法，该方法使用根据本实用新型所述的用于固体物料的热处理以降低重金属元素和/或其它杂质的含量的设备，以及/或者根据本实用新型所述的用于固体物料的热处理以去除重金属元素和/或其它杂质的方法。
37.本实用新型的方案具有如下有益效果：通过在此公开的设备和/或方法，固体物料、例如低品位磷矿石的热处理允许去除或降低杂质的含量至一定水平，以避免下游工艺(诸如酸化工艺)中的低效率。而且，这种热处理能够符合与最终产物(例如，能用于制备肥料的肥料前体)相关的质量和健康法规。
附图说明
38.所包括的附图提供了对本公开的进一步理解，并且构成本说明书的一部分，阐示了本公开的实施例，并且与说明书一起有助于解释本公开的原理。在图中：
39.图1是阐示该设备的一个实施例的方块图。
40.图2是阐示该设备的另一个实施例的流程图。
41.图3是阐示该设备的另一个实施例的流程图。
具体实施方式
42.在本公开中，若非另有说明，以下术语和表达均具有如下所述的定义。
43.术语“固体物料”指的是要在该设备中处理或者要根据该方法处理的进料(馈给物料)。其可以是矿石，诸如天然岩石和/或沉积物，包含有价值的物料，诸如磷酸盐。该固体物料在所公开的设备/方法中在用作进料之前可以经过某种处理。通常，该矿石是磷矿石。该磷矿石可以具有基于矿石的总重量的重量百分比小于30％的磷酸盐含量。具有重量百分比在30％以下(小于或等于)的量的矿石是低品位磷矿石。该固体物料通常为粒状固体物料。优选地，该固体物料为具有6mm以下的粒度的粒状固体物料 (“精细物料”)。
44.术语“热气源”是用于产生热气的系统。该热气源通常是产生热气的热气发生器，该热气能够向反应器提供热量和还原性气氛和/或无氧气氛，诸如co气体和h2气体。该热气源可以是能够提供这种气体的任何源。
45.具体说明
46.根据本实用新型的设备和方法被提供为用于固体物料的热处理，以去除杂质，诸如重金属组分碳酸盐(heavy metal species carbonate，重金属类碳酸盐)和/或有机碳。
47.提供一种节能性方案，用于在升高的温度下对固体物料(特别是粒状固体物料)的热处理、以降低有毒重金属元素的含量，特别是存在于进料中的镉和其它杂质的含量。
48.一个目的是提供一种新的方法和设备，用以直接从温度敏感的磷矿石中去除诸如镉之类的重金属组分。在此方面，温度敏感性连同熔融相的形成和相应的烧结一起，在高于特定温度时屈服于积聚物和颗粒结块体。
49.为此，公开了一种用于固体物料的热处理以降低重金属元素和/或其它杂质的含量的设备，该设备包括：
50.反应器5，用于将该固体物料加热到反应温度，
51.可选地，至少一个干燥系统，
52.可选地，至少一个预加热系统，
53.可选地，热回收系统，以及
54.可选地，冷却系统8。
55.该设备仅包括一个反应器5，且该反应器被配置为兼具氧化性气氛和还原性气氛。另外，该设备包括热气源9，其被布置为向反应器5提供热气。
56.还公开了一种用于固体物料的热处理以去除重金属元素和/或其它杂质的方法，其中该方法包括以下步骤：
57.在反应器中将该固体物料加热至反应温度，以降低重金属元素和/或其它杂质的含量，
58.可选地，将该固体物料干燥，
59.可选地，预加热该固体物料，
60.可选地，冷却被加热的固体物料，以及
61.获得处理过的固体物料。
62.在本方法中，加热仅在一个反应器中进行，而且该反应器兼具还原性气氛和氧化性气氛。反应器的加热至少部分地通过由热气源提供热气来实现。
63.该设备和/或方法能够以节能方式从固体物料中去除杂质，诸如重金属和/或碳酸盐组分。这避免了局部高温，因为该设备并非仅是通过直接燃烧来操作。
64.根据一个实施例，该设备和/或方法可以提供一种含有磷酸盐(p2o5) 的煅烧产物(即，处理过的固体物料)，其每p2o5当量的镉(cd)含量为 60mg/kg或更少。可以从进料(即，固体物料)去除至少50％重量百分比、或甚至高达70％或80％重量百分比的cd。
65.根据一个优选实施例，该反应器为回转炉。回转炉具有若干优点。一个重要的优点是它在炉顶部中提供了自由空间(free-board)，气体能够在此处逆向流动，由于其呈细长的形状而能够形成两种不同的气氛。通常，该回转炉包括溢料槽5’，溢出物5d能够通过该溢料槽而被去除。
66.回转炉是优选的，但其它的反应器替代物可以是转底炉(rotary hearthfurnace)、竖式炉(shaft furnace，高炉)或流化床反应器。
67.在同一个反应器中兼具氧化性和还原性气氛的效果是，能够将待被去除的杂质诸如cdo还原为金属cd，但是可以避免cd的立即再氧化。相反，再氧化发生在靠近气体出口(诸如，在回转炉的顶部处的进料端)的自由空间中，以允许cdo例如通过粘附到固体颗粒(诸如离开反应器的灰尘) 而离开该回转炉。这样，杂质就被有效地去除。
68.根据一个优选实施例，该热气源9被配置为提供热的还原性气体，用于加热并用于提供还原性气氛。
69.根据一个优选实施例，该热气源9是热气发生器。这种热气发生器的一个优点是，除了以热气形式提供热量之外，它还可以提供还原性气氛。这提供了能量效率(节能)，并能够控制工艺条件，诸如合适的反应温度以及低氧分压。
70.上述的所有可选部分均通过提供用于热回收之类的手段而有利于能量效率。通常，低品位矿石被用作该设备中的原料，而且在这种情况下，节能是非常重要的，以能够实现具成本效益的、工业上可用的设备。
71.根据一个实施例，该设备包括预加热系统。该预加热系统优选地包括至少一个预加热器3。该预加热器(pre-heater，预热器)包括用于分离气体和固体的文丘里管和旋风分
离器(venturi and cyclone)。
72.根据一个实施例，该设备包括干燥系统。该干燥系统优选包括至少一个干燥器1。根据一个实施例，该设备包括至少一个预干燥器1。该预干燥器的一个目的是从用作进料的固体物料中去除表面水分。
73.根据一个优选实施例，该设备包括预干燥器1和位于该预干燥器1下游的预加热器3。在经过预加热器之后，固体物料被供给到反应器5。预加热器和预干燥器的组合提供了益处，因为使用预干燥器能够防止杂质(诸如 cd颗粒)附着到预加热器(这将导致固体物料的可加工性困难)。这可能是一个问题，尤其如果固体物料包含水分时更是如此。而且，预干燥器和预加热器的组合还进一步提高了能量效率。
74.因此，根据该方法的一个实施例，该固体物料在预干燥器1中被干燥，随后在预加热器3中被加热。在预加热器中加热之后，固体物料被供给到该反应器5。
75.根据一个实施例，该设备包括热回收系统。
76.根据一个实施例，该设备包括冷却系统8。
77.根据一个实施例，该固体物料是矿石。通常，该矿石是磷矿石。该磷矿石可以基于矿石的总重量而具有小于30％重量百分比的磷酸盐含量。重量百分比的量在30％以下的磷矿石是低品位磷矿石。
78.根据一个实施例，该反应器5是回转炉，而且该热气源被配置为加热固体物料，且通过逆向(counter-current，逆流)气流来提供还原气体。
79.根据该方法的一个实施例，固体物料在逆向流中被加热。
80.此逆向流确保了将热量和可选的还原性气氛提供到炉中的正确位置。这提高了在炉中发生的反应的效率。
81.根据一个实施例，该热气源9被布置为在反应器的排放端5-2处和/或附近将热气提供到反应器中。优选地，该热气含有还原组分，诸如包含co 气体和h2气体的热气。
82.根据本方法的一个实施例，该反应器的加热是通过在反应器5的排放端5-2处和/或附近经由热气源提供包含co和h2的热气来至少部分地实现。
83.co和h2气体提供上述还原性气氛。在炉的排放端处和/或附近引入这些气体，而在炉的最佳位置提供这种还原性气氛。
84.根据一个实施例，还原性气氛被布置在该反应器5的排放端5-2处和/ 或附近，且氧化性气氛被布置在该反应器5的进料端5-1处和/或附近。这种布置在上述最佳位置提供了用于反应的气氛，而能够进行期望的反应。
85.根据一个实施例，该反应器5是回转炉，其包括至少两个壳式风扇 (shell air fan)5b。该壳式风扇具有将空气/氧气提供到炉中的作用。空气能够让co气体和h2气体，此co气体和h2气体可以由热气源9提供，作为交换而在炉的自由空间中提供氧化性气氛。这样能够将cd氧化回cdo，其通常附着于固体颗粒，诸如灰尘(ash)或粉尘(dust)，且随废气一起从炉中离开。该固体颗粒可以通过旋风分离器而从气体中去除。
86.根据一个优选实施例，该反应器5是回转炉，其每10米的炉窑(kiln) 即包括至少一个壳式风扇5b。此壳式风扇的频率可以提供足够的空气以能够进行期望的反应。
87.根据一个实施例，该重金属元素包括镉(cd)。
88.根据一个实施例，该反应器被配置为用以将固体物料加热至 500-1000℃、优选
2 和进料端5-1。燃料、线路9b(例如石油焦)以及空气、线路9c被引导到热气源9，而热气经由靠近反应器5的排放端5-1的线路9a被引导到反应器。该反应器系统包括溢料槽5’，且溢出物经由线路5d被引导出。炉废气经由线路5c而从反应器5循环回预加热器3。
99.图3示出了根据本实用新型的另一实施例的设备。该设备包括分离器 3’、反应器5(回转炉煅烧炉)、热气源9(热气发生器)，以及后燃烧室 13和位于后燃烧室之后的热回收装置14。图3还示出了用于将固体物料供给到反应器5中的入口线路1a。粗粉尘(coarse dust，粗粉粒)从分离器3’经由线路3’a被引导至线路1a，而且粉尘排放(线路)3’b被引导出。壳式风扇5b为反应器5提供空气和/或氧气。燃料、线路9b和空气、线路9c被引导到热气源9，而且热气经由靠近反应器5的排放端的线路9a被供给到反应器。经由线路13a向后燃烧室提供空气。
100.本实用新型提供了一种设备和一种方法，以直接的、具能量效率的方式从温度敏感的低品位磷矿石中去除镉。在结合本实用新型进行的测试中已显示了可以实现高的去除率(示例1)。
101.下面描述了本实用新型的设备和方法的一个非常具体的实施例，该实施例中的固体物料是含有要借助根据本实用新型的设备和方法去除的氧化镉和其它杂质的低品位磷矿石。
102.每当进料矿石包含作为金属微量元素(trace element，痕量元素)的氧化镉时，由于其蒸汽压较低而需要相对高的温度(大于1000℃)来使氧化镉蒸发。对于某些(温度敏感的)磷矿石而言，在积聚物和结块体开始形成之前的温度极限在800℃-900℃左右。在工业过程中这些副作用会产生不可接受的后果，例如可能导致停机的设备故障和堵塞。
103.为了去除镉并省去禁止性的高温(其伴随有粘性物料性能的非期望后果)，氧化镉被还原为其金属的形态以从固体中释放出来。镉作为一种金属元素具有比其氧化态的蒸汽压显著地高的蒸汽压，并且其在高于500℃的温度下已能够被蒸发。
104.相对于高于500℃的温度以及周围气体气氛，氧化镉向金属镉的非均相转化(heterogenous conversion，异质转化)反应需要相对轻度的还原条件。可以使用气态还原剂co(一氧化碳)。
105.为了防止在反应器中的固体床的边界层内渗透含镉烟雾的瞬时发生再氧化和相应的再升华，必须在炉的自由空间中，在反应器的排放端处或附近调节足够低(接近零)的氧分压。这是通过位于反应器上游的热气源(诸如热气发生器)来实现的，其在亚化学计量条件下或者在非常接近于亚化学计量条件的情况下操作，以使热气从所存在的氧气中耗尽。
106.存在于热气中的燃料成分的后燃(post combustion，二次燃烧)被布置在反应器的中部/前部中(在进料端处和/或附近)，在此处，自由空间中的金属镉也会被再氧化。而被再氧化之后，氧化镉在其所存在的固体表面上 (例如在粉尘颗粒或炉壁上)立即再升华。最后氧化镉以附着至粉尘颗粒的固体状态从炉中被去除，这些粉尘颗粒悬浮在来自反应器(在其进料端)的热废气流中。
107.可以使用另外的系统从来自回转炉的热废气及被热煅烧的产物中回收热量，以显著地降低燃料消耗。
108.在下面的章节中，在这一非常具体的实施例中更详细地描述该方法的步骤和该设
备的部件。
109.潮湿的固体物料(例如滤饼)被供给到文丘里管预干燥器。预干燥步骤的任务是从矿石颗粒中去除表面水分，并防止含镉/杂质的粉尘在后续的预加热器中通过湿结块而结合到新鲜物料，该预加热器使用热炉废气进行操作。预干燥器的第二个任务是从进料矿石中筛选出超细物料，其经由除尘系统而在下游被收集。这种粉尘不富含cd。
110.在进入旋风分离器和除尘单元之前，通过将热的新鲜空气与废气的旁路混合，来避免预干燥器废气的再冷凝。
111.经预干燥的物料被传送到文丘里管预加热器，在此处固态的进料在与热反应器废气的直接热交换中被进一步干燥和加热。
112.然后，被预加热的物料可以经由特定的送料管而被送入到反应器，以防止形成粉尘。如果需要额外的还原剂，还可以将非常少量的含碳物料供给到炉中。
113.炉和壳式风扇的逆向(逆流)操作允许沿着炉的长度调节特定的大气条件(atmospheric condition，气氛条件)。热气源(热气发生器)的使用将允许在受控温度下将热还原气输送至炉，避免了通常在具有中央燃烧器的标准炉中发生的煅烧的任何局部过热。离开炉的热煅烧产物(hot calcine，热焙砂)可以被筛选，以在被供给到用于空气预加热的两级文丘里管冷却系统中之前去除任何块状颗粒。然后，将来自文丘里管冷却系统的预加热的空气用于干燥固体物料。在已被处理的固体物料(煅烧产物)能够被排放到传送带之前，其必须在产品冷却器中被冷却到最终目标温度。
114.根据另一实施例，固体物料的干燥在一单独的单元中进行，而且干燥的固体物料被送入到文丘里管预加热器中，或者直接被送入到反应器中。从回转炉排出的热的煅烧产物能够在产物冷却器中直接被冷却。
115.如果是处理磷矿石，则可以实现的一个重要的优点是，对磷矿石中包含的碳酸盐和结合水的热处理和相应的分解(煅烧)有助于下游的浸出工艺，并能使得磷酸生产所需的酸(例如，硫酸)最少。磷酸是用于磷酸盐肥料生产的基础物料，其是通过本方法和设备处理的磷酸盐的一种可能的应用。
116.可以通过在此描述的该设备和方法来实现若干重要的优点。
117.前文描述的实施例可以在其任何相互组合中使用。若干实施例可以被组合以形成进一步的实施例。本实用新型所涉及的设备或方法可以包括前述实施例中的至少一个。
118.示例
119.现在将详细参照本实用新型的实施例，其示例在附图中示出。
120.下文的描述详细地公开了一些实施例，使得本领域技术人员能够基于本实用新型来使用该方法和设备。对于实施例的所有步骤不做详细讨论，因为基于本说明书，许多步骤对于本领域技术人员而言是显而易见的。
121.为简单起见，在以下的示例性实施例中，在部件重复的情况下，附图标记将维持不变。
122.图1通过方块图阐示了根据一个实施例的设备。
123.示例1
––
试验性规模回转炉测试：低品位磷矿石的煅烧
124.该工艺过程的目标是通过去除水分、蒸发物、有机碳和镉来提升磷矿石的等级。
125.含有28.5％的p2o5和12％的水分的低品位矿石被供给到干燥系统，在此处通过矿
石与热空气直接接触而去除水分，该热空气在热回收系统中被预加热。
126.干燥的矿石和空气通过旋风分离器2而被分离，且含尘空气2b在被释放到大气(10a粉尘、10b废气)之前，被输送到用于去除粉尘的除尘系统 10。这些粉尘可以被处理掉或者与最终产品混合。
127.来自旋风分离器2的干燥的矿石被转移到预加热器3，在该预加热器处借助来自回转炉煅烧炉5的热废气5c将该矿石预加热至》250℃的温度。
128.气体和预加热的固体在预加热器旋风分离器4中被分离。含尘的气体在被释放到大气(11a粉尘、11b废气)之前，被输送到气体净化系统11，以便去除含镉的粉尘和任何其它污染物。
129.被预加热的矿石从预加热器旋风分离器4转移到回转炉5(线路4a)。在该回转炉中，矿石与流过该炉的自由空间的热气逆向行进而被加热。
130.跟随着气体的流动方向，炉中的气氛通过沿着炉(壳式风扇5b)加入空气而从还原性气氛(靠近炉的排放端)变成为氧化性气氛(靠近炉的进料端)。还原气通过提供热量的空气而持续燃烧。
131.在炉中，矿石中所包含的有机碳被燃烧并且蒸发物被去除。矿石中所包含的氧化镉(cdo)在还原性气氛中被去除而成为金属镉，其进而被转换为气相。一旦炉内的气氛变成为氧化性气氛(当气体流向进料端)，则镉金属(蒸汽)被氧化成氧化镉(固体)，且最终作为粉尘被炉废气夹带。
132.来自于上述炉的热煅烧产物被排放到热回收系统，在该热回收系统处，这些固体直接与空气接触而被冷却。空气和固体经由旋风分离器7而被分离。
133.来自旋风分离器7的固体被转移到冷却器，并在该冷却器处借助水而被间接地冷却。来自旋风分离器7的被预加热的空气被用于在干燥器1中对进料进行干燥。
134.通过使用这种工艺和设备，能够实现煅烧度超过90％，且镉去除超过 80％。例如，p2o5含量增加到31.7％，而cd含量从30mg/kg降至6mg/kg。
135.对本领域技术人员显而易见的是，随着技术的进步，本实用新型的基本构思可以通过多种方式实施。因此，本实用新型及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。