一种流化反应器及使用该反应器处理矿石的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种化工生产技术领域的反应器及使用该反应器处理矿石的方法，尤其涉及一种适用于固体颗粒的流化反应器及使用该流化反应器处理矿石的方法。
【背景技术】
[0002]众所周知，矿产资源是人类生存与发展的物质基础。根据有关资料统计，世界上工业制成品的原料70%来自于矿产资源，能源有90%来自矿产资源。我国是世界上矿产资源比较丰富、矿种比较齐全的少数几个国家之一。我国的矿产资源具有以下特点:
[0003]第一，矿产分布不均，一些重要的支柱性矿产多为短缺或探明储量不足，需要长期依赖进口。第二，贫矿多富矿少，低品位难选冶矿石所占比例大，如我国铁矿石平均品位为33.5%，比世界平均水平低10个百分点以上；锰矿平均品位仅为22%，与世界商品矿石工业标准的48%相差甚远；铜矿平均品位仅为0.87% ;磷矿平均品位仅16.95% ;铝土矿几乎全为一水硬铝石，分离提取难度很大。第三，大型-超大型矿床少、中-小型矿床多，以铜矿为例，我国迄今发现的铜矿产地900余处，其中大型-超大型矿床仅占3%，中型矿床占9 %，小型矿床多达88 %。第四，单一矿种的矿床少，共生矿床多，据统计我国的共、伴生矿床约占已探明矿产储量的80 %。
[0004]目前，我国在矿石资源的利用上存在综合利用意识淡薄、综合利用率低；技术欠缺，工艺水平落后的问题。尤其是对中低品位矿石的综合利用技术较为欠缺，其主要表现在:传统矿产加工生产工艺复杂、流程长、成本高；采矿工艺技术水平落后、选冶过程的自动控制水平低、选冶流程不科学，使很多伴生、共生组分损失遗弃；大型高效低耗选冶加工装备缺乏，选矿厂装备水平不高；相对缺少对尾矿、废渣等固体废弃物进行综合回收利用的先进装备和工艺。因此，为了利用中低品位矿石，开发一种新型反应器和新型生产工艺已成为亟待解决的问题。
[0005]相对于固定床反应器而言，利用流态化技术的流化床反应器具有传热和传质效率高，床层温度趋于均匀，能防止局部过热，操作较稳定等特点，目前已经作为一门基础技术，广泛应用于化工、冶金、能源、环保等各个领域。中国专利(公开号为CN 102616759A)公开了一种流化床反应器。该专利的流化床反应器通过导热板将氧化区和还原区分开并实现热量耦合，通过使矿石物料流化还原，强化热、质传递，大幅降低其还原温度和反应时间，解决了回转窑堵料结圈等问题。但是，该专利在实施过程中存在如下缺陷:首先，该专利的气体分布器呈平面结构，若在气体分布器上沉积了较多的固体颗粒，平面状的气体分布器难以承受其重力而易造成断裂，并且炉渣口设置在气体分布器上方，平面结构的气体分布器也不利于炉渣的顺利排出。其次，燃烧过程中通过平面状的气体分布器的能量不足，难以将还原反应区的矿石托起而均匀分散在整个还原区，使得进入的矿石大多沉积在还原反应区的中下部，还原效果不理想，并且进入的矿石容易对气体分布器造成堵塞，影响反应的连续进行。再次，通过导热板将氧化区和还原区分开，利用导热板来实现热量耦合，不能充分利用热量，易造成热量的损失，使氧化区不能得到足够的热量。另外，该专利的富氧空气和中间产物气体均从下方进气口向上流动，由于二者的流速不同，导致混合效果不理想，使得氧化反应进行得不充分。
[0006]中国专利(公开号为CN 101413056A)公开了一种用于猛矿石的反应器。该专利的反应器为上中下三段立式结构的还原焙烧炉。上段为焙烧室，对多管状焙烧室或不规则球状焙烧器中的锰粉进行隔离火焰焙烧，有利于锰矿粉还原且不会扬尘。但是，该专利的焙烧室为多管结构，需要多个烧嘴才能满足各管对热量的要求，不仅增加设备的成本，浪费燃料；而且，即使是分布多个烧嘴，也难以保证各管的还原温度均匀，使得还原产品质量存在差异。该专利将回收余热后的空气再次通入燃气入口管，虽然可以提高热能的利用，但是燃气和空气混合不均匀，燃料燃烧形成长火焰，使得燃烧不充分，造成能源的浪费。
[0007]另外，在中低品位矿石综合利用技术中，还有如下两个技术问题是容易被本领域技术人员忽略的:一是在高温下，矿石中的部分成分易形成熔融态物质，如焦炭、硅石、磷矿石等；粘流在炉壁上的熔融态物质下降至出料口时，温度的降低极易造成熔融态物质结焦，进而对出料口造成堵塞，使得反应不能连续进行，而且需要频繁清洗反应器。二是现有反应器中使用的保温材料多为不定型耐火材料，如莫来石浇注料、高铝浇注料或是刚玉浇注料，所用耐火材料层的厚度通常为1000?1400_，虽然现有技术中采用的耐火材料层可有效地控制炉内热量的流失，但是耐火材料层的厚度较厚，极大地缩小了反应器的可用空间。
[0008]因此，急需开发一种先进的反应器能替代现有技术中落后的反应装备，以解决中低品位矿石的利用问题。
【发明内容】
[0009]针对现有技术之不足，本发明提供了一种流化反应器，所述反应器至少具有燃烧室和第一反应室，所述燃烧室和所述第一反应室通过设置在所述燃烧室顶部的喷射拱彼此分隔开，使得所述燃烧室内经燃烧产生的高温气体能够通过设置在所述喷射拱上的喷流通道向上喷射入所述第一反应室，所述喷射入第一反应室的高温气体能够用以将所述第一反应室的固体颗粒物料托起并进行高温加热反应。所述第一反应室可以被称作还原室。所述第一反应室也可以被称作氧化室。所述第一反应室还可以被称作催化室。所述第一反应室还可以被称作置换室。所述喷射拱也可以被称作拱形的气体分布器。所述喷射拱也可以被称作拱形的喷头。所述喷流通道可以被称作喷孔。所述喷流通道也可以被称作气孔。
[0010]根据一个优选实施方式，所述喷射拱是由耐火材料制成的拱形结构；所述至少一个喷流通道设置在所述喷射拱的中轴线附近的弧面上，并且所述喷流通道的尺寸至少满足所述燃烧室内燃料气体膨胀后的气体流速。所述拱形结构也可以被称作弯曲形结构。
[0011]根据一个优选实施方式，所述反应器还具有第二反应室，所述第一反应室经过加热生成的中间产物随高温气流上升至所述第二反应室，并且所述中间产物与所述第二反应室进入的原料气体继续进行高温反应；通过所述第一反应室向上流动的高温气流与所述第二反应室进入的原料气流形成稳定的气流界面以将所述第一反应室与所述第二反应室分隔开。所述第二反应室可以被称作还原室。所述第二反应室也可以被称作氧化室。所述第二反应室还可以被称作催化室。
[0012]根据一个优选实施方式，所述第一反应室和所述第二反应室分别具有收集粘流在炉壁上的熔融态物质的截流组件，所述截流组件分别设置于所述第一反应室和所述第二反应室的底部，并且所述截流组件包括至少一个第一截流槽和第一截流引出管，以及至少一个第二截流槽和第二截流引出管；其中，所述第一截流槽和所述第二截流槽，以径向向内突出的方式内嵌于所述组合耐火材料层，并且所述第一截流槽和所述第二截流槽的接口向上倾斜以接收粘流在炉壁的熔融态物质；所述第一截流引出管和所述第二截流引出管的开口向上倾斜并且所述第一截流引出管和所述第二截流引出管以其开口下沿分别与所述第一截流槽和所述第二截流槽的接口下沿对接的方式设置于所述第一截流槽和所述第二截流槽内以将其所收集的熔融态物质导出炉外。所述截流组件可以被称作收集组件。所述截流槽可以被称作收集槽。所述截流引出管可以被称作导出管。所述截流引出管也可以被称作引流管。
[0013]根据一个优选实施方式，所述燃烧室底部沿中轴线方向设置有一燃气进口管，在所述燃气进口管的上端部设置有一燃烧头；其中，所述燃烧头由高温耐火材料制成，并且所述燃烧头呈拱形结构，在所述拱形燃烧头的弧面上按经、玮线方向间隔布置有多个直径为6?12_的喷孔；所述燃烧头的四周还布置有至少两个空气管，所述空气管上方配有至少一个探测口，所述探测口用于监测所述燃烧室的燃烧状态。所述燃烧头可以被称作烧嘴。所述燃烧头也可以称作燃气头。所述探测口可以被称作温度监测口。所述探测口也可以被称作温度控制口。所述喷孔可以被称作通孔。所述喷孔也可以被称作通道。
[0014]根据一个优选实施方式，所述反应器还包括由耐火成型料和耐火浇注料组合而成的组合耐火材料层，所述组合耐火材料层内衬于所述反应器的外壳，并且所述组合耐火材料层的厚度为500?700_。所述组合耐火材料层可以被称作保温层。
[0015]根据一个优选实施方式，所述第一反应室还包括至少一个进料管和至少一个排渣管；其中，所述进料管位于所述第二反应室的截流组件下部并且所述进料管以其开口向下倾斜的方式设置于所述第一反应室的上部；所述排渣管位于所述第一反应室的截流组件下部并且所述排渣管以其向上倾斜的开口下沿与所述喷射拱的弧面对接的方式设置于所述第一反应室的下端。所述排渣管也可以被称作出料管。所述排渣管的开口下沿与所述喷射拱的弧面对接的方式也可以被称作所述排渣管的开口下沿与所述喷射拱的弧面相切的方式。
[0016]根据一个优选实施方式，所述燃烧室和所述第一反应室的高温为700?1350°C，所述第二反应室的高温为700?1800°C。
[0017]根据一个优选实施方式，所述第二反应室还包括至少一个出口管和至少一个进气管；其中，所述出口管设置于所述第二反应室顶部沿中轴线的方向上用以导出反应产物和/或排除尾气；所述进气管设置于所述第二反应室的下部并且高于所述第二反应室的截流组件的位置用以导入原料气体并与所述第一反应室向上流动至所述第二反应室的中间产物继续参加反应。
[0018]本发明还提供了一种利用本发明的流化反应器处理