流体床精矿焙烧中的氧气注入的制作方法

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本申请要求2017年10月13日提交的美国临时申请序列号62/571,838的权益，该临时申请以引用方式并入本文。

本发明涉及在流化床中焙烧金属硫化物料，诸如金属矿石。

背景技术：

通常，用于硫化物物料的流化床焙烧的方法在技术上和商业上是已知的。将原料(精矿)进料到焙烧炉中，在焙烧炉中它们在流化床中被流化，流化床通过使空气向上穿过炉栅或分布板来保持，炉栅或分布板结合有许多穿过炉栅或板的空气喷嘴。流化气体(通常是空气)含有氧气，氧气与硫化物料反应，以将硫化物转化为氧化物。流化床的深度通过将经焙烧的精矿以床上溢流或底流的形式取出来而控制。气体在穿过床并使床流化之后，可能含有较细的粒子，这些粒子被夹带在气流中，并且随后通过已知的技术诸如过滤器或静电除尘器从气体中分离。来自床的气体含有二氧化硫，因此通常将该气体送至硫酸厂。经焙烧的产物通常称为锻烧产物。物料中硫化化合物的氧化是自热的，并且氧化反应中可获得过量的热。在流化床焙烧炉中加工的硫化矿物的示例包括含有锌、铜、铅、铁、镍和钼的硫化物的物料。

可能希望的是，在炉栅或分布板上的不同位置处，能与硫化物料相互作用的氧气的量是不同的，例如，以便能够处理更接近和更远离硫化物料进料区的床物料的不同特性。

改变传递到硫化物料床中的氧气量的现有技术通常改变穿过炉栅或分布板的通道的数量和/或改变穿过炉栅或分布板的通道的尺寸，穿过所述炉栅或分布板，含氧气体从床下方的空间被进料到床中。因此，当需要在床的一个区域提供较高的氧气含量时，相对于将含氧流化气体进料到床的其他区域的通道的数量和/或通道的尺寸，可以提供更多的通道和/或提供更大的通道。

该技术在美国专利号7,044,996中有描述，该专利教导了在将床物料进料到焙烧炉中所处的区域(进料炉栅)附近的缺氧可以通过增加进料炉栅附近的气体喷嘴的数量，并且通过在进料炉栅附近使用相比于用于在炉栅其余部分进料气体的气体喷嘴的数量和气体喷嘴的尺寸更大的气体喷嘴来弥补。本专利将这些作为增加在进料炉栅处进料的气体的“氧气含量”的技术来提及，但是显然本专利通过“氧气含量”来表示进料至炉栅上的一个区域或另一个区域的氧气的总量。美国专利号7,044,996根本没有认识到本发明人已经发现的创新，即相对于穿过其他通道进入床的其他区域中的流化气体的实际氧气浓度，增加穿过选定的有限数量的通过炉栅的通道的流化气体的实际氧气浓度。特别地，在将本发明与美国专利号7,044,996的公开内容进行比较时，可以看出美国专利号7,044,996不含任何提供这种穿过炉栅中的各种开口的变化的氧气浓度的公开内容，也不含任何可以如何实现提供这种变化的氧气浓度的公开内容。相反，美国专利号7,044,996仅教导了使用仅一种气态含氧流化气体穿过炉栅中的通道的每一个通道。

技术实现要素：

本发明在焙烧金属-硫化物料的方法中实现了本文所述的许多优点，所述方法包括

(a)将固体粒状金属-硫化物料进料到具有分布板的焙烧炉中，所述分布板支撑进料到所述焙烧炉中的固体粒状物料，其中所述物料被进料到包括小于所述分布板的整个上表面的在所述分布板上方的进料区中，其中所述焙烧炉包括在所述分布板下方的空间，并且其中通道穿过所述分布板存在，所述通道具有通向所述空间的入口并且具有在所述进料区中的在所述分布板的上表面中的出口，并且其中通道穿过所述分布板存在，所述通道具有通向所述空间的入口并且具有不在所述进料区中的在所述分布板的上表面中的出口；

(b)将含氧气体进料到所述分布板下方的空间中；

(c)将氧气浓度高于所述含氧气体的氧气浓度的含氧富集气体注入所述空间的在所述进料区下方的区域中，并且在所述区域中使所述含氧富集气体与含氧气体混合以在所述区域中形成富氧氧化剂气体；以及

(d)将所述富氧氧化剂气体从所述空间通过所述分布板中的通道进料到所述进料区中的所述金属-硫化物料的下方及其中，同时将所述含氧气体从所述空间通过所述分布板中的不在所述进料区下方的通道进料。

本发明的另一方面是一种改变流化床焙烧炉的操作的方法，在所述操作中将固体粒状金属-硫化物料进料到具有分布板的焙烧炉中，所述分布板支撑进料到所述焙烧炉中的固体粒状物料，其中所述物料被进料到包括小于所述分布板的整个上表面的在所述分布板上方的进料区中，其中所述焙烧炉包括在所述分布板下方的空间，并且其中通道穿过所述分布板存在，所述通道具有通向所述空间的入口并且具有在所述进料区中的在所述分布板的上表面中的出口，并且其中通道穿过所述分布板存在，所述通道具有通向所述空间的入口并且具有不在所述进料区中的在所述分布板的上表面中的出口，以及将含氧气体进料到所述分布板下方的空间中，所述方法包括

(a)将氧气浓度高于所述含氧气体的氧气浓度的含氧富集气体注入所述空间的在所述进料区下方的区域中，并且在所述区域中使所述含氧富集气体与含氧气体混合以在所述区域中形成富氧氧化剂气体；以及

(b)将所述富氧氧化剂气体从所述空间通过所述分布板中的通道进料到所述进料区中的所述金属-硫化物料的下方及其中，同时将所述含氧气体从所述空间通过所述分布板中的不在所述进料区下方的通道进料。

附图说明

图1是用于焙烧硫化矿石的工艺的流程图。

图2是可用于实施本发明的焙烧炉的侧视剖视图。

图3是图2的焙烧炉的俯视剖视图。

具体实施方式

本发明可用于加工金属-硫化物料，这是指含有一种或多种金属的一种或多种硫化物的固体粒状物料。优选的示例是金属的矿石和混合矿石。可以使用本发明加工的物料中通常存在的金属包括锌、铜、铅、铁、镍和钼。例如，当存在锌时，在存在氧的情况下焙烧时的主要总体反应是

zns+1.5o2---->zno+so2

图1示出了可以利用本发明的典型加工过程(processingtrain)。金属-硫化物料通过进料口1进料到焙烧炉2中，在那里堆积为由分布板5支撑的床3。可用于实施本发明的焙烧炉可以具有一个进料口，如图所示，或者可具有一个以上的进料口(每个进料口都如图所示)。风箱4在分布板5下方。优选地，风箱4在分布板5下方构成单个未划分的整体空间，也就是说，不应存在将风箱4划分成一个以上空间的任何隔板或阻隔件。在这种优选的布置中，在风箱4空间中的任何地方的气体都不会被阻止进入本文所述的穿过分布板的通道。

数十个或甚至数百个(数量取决于分布板的尺寸)通道6穿过分布板5延伸，以允许流化气体从风箱4流入焙烧炉2，并在存在床3的情况下流入床3。分布板通常每平方米分布板表面可含有约100个喷嘴。含氧气体7在鼓风机7a的作用下被进料到风箱4中，并以足够的动量流入、通过和流出通道6到床3中，该动量使气体传递到床3的物料中并使物料流化，其中气体中的氧气与床中的物料反应。含氧气体7通常是空气，并且可以是富氧空气或其他含有氧气的气流。

含氧气体7的氧气浓度应在20.9体积％至40体积％的范围内，并且优选地在20.9体积％至28体积％的范围内。

在操作中，含氧气体7中的氧气与硫化物料反应，将金属硫化物转化为金属氧化物和金属氧化物的混合物，硫化物料中的硫转化形成二氧化硫，并且通常还形成可能是气态和粒状固体的其他硫氧化物、亚硫酸盐和/或硫酸盐。这些反应在流化床3中发生的温度通常在900℃至970℃的范围内。应注意控制流化和氧化气体的流动，以使床3中的温度不会升高到使床物料软化或熔融的程度。

被氧化的固体氧化金属物料的料流10从焙烧炉2中被传递到单元12，在那里它可以被收集并优选地被冷却。焙烧产生的气体料流8从焙烧炉2中被传递到单元9，在那里料流8可以被冷却。冷却通常通过与水的间接传热产生蒸汽来完成。在单元9中与料流8分离的任何固体都可以作为料流11传递以加入料流10，例如在单元12中。

氧化固体作为料流13从单元12中传递出去，以供使用或进一步加工，通常回收其中的有价金属。在单元9中形成的冷却气体从单元9作为料流14传递到气固分离单元15，诸如旋风分离器，在那里除去气流中夹带的粒状固体，并且然后可以作为料流16传递，可以向前传递以进行进一步加工。在单元15中产生的气流作为料流17被传递到另一个气固分离单元，诸如静电除尘器18，以除去额外的夹带固体19，从而形成可以被输送以进行进一步加工的清洁料流30。料流30的典型的进一步加工涉及将料流30进料至将料流30中的硫氧化物转化成硫酸的工厂。

图2以横截面示出了可用于实施本发明的典型的焙烧炉。焙烧炉2包括进料口1，金属-硫化物料通过该进料口进料到焙烧炉2中，在那里它作为床3堆积在分布板5上。将含氧气体7进料到风箱4中，并且然后向上通过分布板5中的通道6到床3中。由焙烧形成的气流8离开焙烧炉2。周期性地或连续地将经焙烧的固体产物10从焙烧炉2中送出。

进料到焙烧炉2中的固体金属-硫化物料1从进料口1的下游端落下并停留在进料区21内，该进料区被定义为床3的顶表面上的区域，通过进料口1进料的物料落在该区域上(当床3已经存在于焙烧炉2中时)。进料区也可以被定义为相对于床中的总氧气含量而言缺氧的床部分。正如上面提到的，可以有一个以上的进料口一样，也可以有一个以上的进料区，通常每个进料口都有一个不同的进料区。从图3的上方也可以看到进料区21，其中进料区21在进料口1的出口下方。示出了通道6，但是并未示出将在实际实践中使用的焙烧炉中存在的所有通道。

在本发明的实践中，将含氧富集气体的料流20通过风箱4的侧壁提供到风箱4中。在新建造的焙烧炉和已经建造的焙烧炉中，可以通过以下方式来提供料流20：在现有风箱4的侧面钻一个孔(或多个孔)并在通过孔的中途安装喷枪23，使得喷枪23的出口24在进料区21的下方，并且将含氧富集气体通过喷枪进料到进料区21下方的区域21a中。含氧富集气体20的氧气浓度应在25体积％至100体积％的范围内，并且优选地在50体积％至至少95体积％的范围内，更优选地至少99体积％至100体积％。使用工业纯氧(诸如至少99体积％的氧气)可以最大程度地减小喷枪的尺寸，并简化流量控制设备，因为不需要氧气和空气的共混。另外，料流20的氧气浓度应大于含氧气体7的氧气浓度。

将料流20在垂直地在进料区21下方的位置处进料到风箱4中。料流20在进料区21下方的区域21a中与风箱4中的含氧气体混合，以形成氧气浓度高于含氧气体的氧气浓度的富氧氧化剂气体。富氧氧化剂气体22的氧气浓度在进料区21下方的整个区域21a中不一定是均匀的，应在23体积％至95体积％的范围内，并且优选地在25体积％至75体积％的范围内。

富氧氧化剂气体(表示为22)穿过进料区21下方的通道6，因此传递到床3的一部分中，该部分含有已通过进料端口1新进料到床3上的金属-硫化物料。未与含氧富集气体混合的含氧气体(表示为25)穿过不在进料区21下方的开口6。因此，与在进料区21中的床3中的物料接合的流化气体的氧气浓度高于与不在进料区21中的床3中的物料接合的流化气体的氧气浓度。即使在进料区21下方和不在进料区21下方的通道6的尺寸(横截面积)相同，并且即使存在于进料区21下方的分配板的每单位面积的通道数量与不存在于进料区21下方的分配板的每单位面积的通道数量相同，也可以实现这种结果。流化喷嘴通常是具有圆形横截面的会聚喷嘴，但是其他构造也是有效的。

为了在进料区21下方的风箱4中形成所需的富氧氧化剂气体，应相对于含氧气体7的进料速率以一定的进料速率进料料流20，使得料流20和7的混合形成具有所需的富氧浓度的料流22。与不在进料区21中的床3中的物料接合的流化气体可能具有比进料到风箱4中的含氧气体中的氧气含量更高的氧气浓度，诸如高出最多5体积％。

本发明的实施方式优选地利用安装在风箱4的侧壁中的氧气喷枪23。喷枪23被设计成发出氧气富集气体的料流，该氧气富集气体的料流对准风箱4的在将富氧氧化剂直接进料到进料区21中的通道下方的区域中的含氧气体。料流从每个喷枪23端部处的出口24出现。每个出口可以是单个开口或多个开口。

在设计实现这些目标的设备和条件的优选过程中，了解风箱4中空气(或富氧空气)的背景流场非常有用。风箱4流场对于每个焙烧炉都将是唯一的，并且取决于风箱的流动参数和几何形状。背景流还受到结构支撑件诸如工字梁和探头位置的影响。执行该任务的优选方法是使用计算流体动力学(cfd)来模拟风箱4中的空气流。

cfd研究的输出然后提供背景速度场，含氧富集气体的射流必须穿透该背景速度场，以便与风箱4中的含氧气体相互作用和混合，以产生富氧氧化剂气体，该富氧氧化剂气体是旨在进入将该气体进料到进料区21中的床3中的通道的气体。

已知背景风箱速度场(来自cfd)、风箱几何形状和进料区的位置，该设计程序可从对喷射器数量、位置、氧气流速、喷嘴设计和喷枪插入位置的第一估计开始，接着是对注入风箱内的料流迭代地执行的附加计算，以基于观察到的进入进料区21内的床3中的流来优化条件。在获得令人满意的结果之后，该设计信息可以用于喷枪的商业制造。

通过使用简单的管道或具有亚音速的会聚喷嘴、或者通过使用具有一对安装在尖端以使射流成角度的会聚喷嘴的喷射器来增强对进料区目标的覆盖，可以促进料流7和20的混合以形成期望的混合料流22。也可以使用超音速喷射器，其具有会聚-发散喷嘴，以增加氧气进料料流通过风箱气氛的渗透。

另外，料流7和20的以使得应考虑到这些料流中每一种的相应氧气浓度、并考虑到将硫化物料进料到焙烧炉中的速率和该物料的可氧化含量的速率进料，料流7和20一起提供足够的氧气以完全氧化进料到焙烧炉中的物料的硫化物含量。优选地，由料流7和20提供的氧气的量应为金属-硫化物料的总化学计量要求的至少100％，并且优选地至少105％。这些量和速率可以容易地根据对硫化物料的化学式和含量的认识以及将使用的料流7和20的氧气浓度来确定。

本发明是特别有利的，因为它使操作者能够克服在炉子的进料侧的床3区域中的氧气不足。焙烧炉的“氧气系数”决定用于精矿的完全焙烧的氧气可用性，即工艺气体中的总氧气与进料混合物在焙烧炉废气中形成稳定氧化物和硫酸盐的氧气需求之比。通常，由于硫化“燃料”(来自进料)的高局部浓度，进料区中的氧气系数较低，并且本发明是解决这种不平衡的有效方法。

同样重要的是，本发明可用于增强焙烧低质量原料的能力，即具有较细粒度分布和较高杂质浓度的精矿共混物，特别是铅和铜。铜是焙烧中的关键成分，并且其行为与铅不同。铜杂质越多，为了避免在床中烧结(由于较低温度的熔融相)，氧气系数就必须越高，烧结会引起流化问题。对于高铜，必须保持高氧气系数，以应对减少附聚现象所需的较低床温操作。