CN105107435B - 一种流化反应器及使用该反应器处理矿石的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流化反应器(1)，所述反应器(1)至少具有燃烧室(10)和第一反应室(20)，所述燃烧室(10)和所述第一反应室(20)通过设置在所述燃烧室(10)顶部的喷射拱(11)彼此分隔开；所述燃烧室(10)内经燃烧产生的高温气体能够通过设置在所述喷射拱(11)上的喷流通道(111)喷射入所述第一反应室(20)，所述喷射入第一反应室(20)的高温气体能够用以将所述第一反应室(20)的固体颗粒物料托起并进行高温加热反应。本发明提供的反应器适用于中低品位矿石，克服了使用现有技术的反应器造成的高能耗问题，本发明的反应器尤其对中低品位矿石的反应状态进行控制，解决了物料出现熔融、结焦而造成排渣口堵塞的问题。
Description
技术领域
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
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：
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％。
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。
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。
中国专利(公开号为CN 101413056A)公开了一种用于锰矿石的反应器。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。
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1000～1400mm，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。
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
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。
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。
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。
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。
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、纬线方向间隔布置有多个直径为6～12mm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。
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500～700mm。所述组合耐火材料层可以被称作保温层。
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。
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℃，所述第二反应室的高温为700～1800℃。
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。
本发明还提供了一种利用本发明的流化反应器处理矿石的方法，所述方法包括如下步骤：造炼，将矿石破碎后再进行造炼，形成固体颗粒作为原料；加热，反应开始前，燃气通过燃烧头与助燃剂混合燃烧以对所述反应器的第一反应室和第二反应室进行加热；反应，所述固体颗粒进入第一反应室后被从喷射拱上的喷流通道向上喷出的气体托起而悬浮于所述第一反应室发生第一步反应，并且所述燃烧反应和所述第一步反应通过设置在所述燃烧室顶部的喷射拱彼此分隔开；和/或所述第一反应室生成的中间产物通过上升气流进入第二反应室并与从进气管进入的原料气体在高温下发生第二步反应，并且所述第一步反应和所述第二步反应通过所述第一反应室向上的气流与所述第二反应室进入的原料气体形成稳定的气流界面彼此分隔开；产物收集和排渣，反应完后的气体产物和/或尾气通过出口管导出炉外，反应完后的固体产物和/或尾渣通过排渣管排出炉外。所述造炼可以被称作原料准备阶段。所述造炼也可以被称作制粒阶段。所述第一反应可以被称作还原反应。所述第一反应也可以被称作氧化反应。所述第一反应还可以被称作催化反应。所述第一反应还可以被称作置换反应。所述第二反应可以被称作还原反应。所述第二反应也可以被称作氧化反应。所述第二反应还可以被称作催化反应。
本发明提供的利用反应器处理矿石的方法，还包括如下步骤：熔融物收集：第一步反应和/或第二步反应产生的熔融态物质经第一截流槽和/或第二截流槽收集。收集至截流槽的熔融态物质由第一截流引出管和/或第二截流引出管导出炉外。
本发明提供的流化反应器和使用该反应器处理矿石的方法至少具有如下优势：
(1)本发明通过在燃烧室的顶部设置喷射拱结构，通过喷射拱的喷流通道将燃烧室燃烧产生的高温气体喷射入第一反应室，可使第一反应室的矿石颗粒呈流化状态，流化状态的矿石颗粒更易于发生反应；通过喷流通道喷入第一反应室的高温气体流速较大，足以托起第一反应室中的矿石颗粒；即使高温高速气流无法将部分较大的颗粒托起悬浮于第一反应室，也可以通过喷射拱承受其重力，确保矿石颗粒在第一反应室发生反应。
(2)本发明的反应器仅有一个燃烧头，通过在燃烧头上均匀布置的喷孔，可使燃烧室内的燃气与助燃剂空气混合均匀，燃烧形成短火焰，使得燃料充分燃烧。
(3)本发明将二次进气管设置在第二反应室，通过进气管进入的原料气体可与同高温气流上升的中间产物继续发生反应，解决了现有技术中将富氧空气管布置在反应器下方，难以和中间产物充分反应的问题。
(4)本发明在第一反应室和第二反应室的下部分别设置截流槽和截流引出管，通过截流槽将粘流在炉壁的熔融态物质收集，再由截流引出管将收集的熔融态物质导出炉外，避免了熔融态物质对排渣管造成堵塞。
(5)本发明将现有技术中使用的耐火材料改为组合耐火材料层，不仅可以改善保温效果，而且可以使保温材料层的厚度大大降低，增大反应器的可用空间。
(6)本发明提供的流化反应器和使用该反应器处理矿石的方法适用于中、低品位矿石的综合利用，克服了现有技术反应设备落后造成的高能耗和环境污染的问题；本发明尤其对中、低品位矿石的反应状态及反应时间进行控制，解决了物料出现熔融、结焦和堵塞的问题，可实现连续式生产。
附图说明
图1是本发明的流化反应器的结构示意图；
图2是本发明的喷射拱的剖面结构示意图；
图3是本发明的燃烧头的剖面结构示意图；和
图4是本发明的燃烧头的喷孔位置布置示意图。
附图标记列表
1：反应器 10：燃烧室 20：第一反应室
30：第二反应室 40：外壳 50：组合耐火材料层
11：喷射拱 12：探测口 13：空气管
14：燃烧头 15：燃气进口管 21：进料管
22：第一截流槽 23：第一截流引出管 24：排渣管
31：出口管 32：进气管 33：第二截流槽
34：第二截流引出管 111：喷流通道 141：喷孔
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
图1示出了一种流化反应器1。如图1所示，反应器1至少具有燃烧室10和第一反应室20。燃烧室10和第一反应室20通过喷射拱11分隔开。喷射拱11设置在燃烧室10的顶部。燃烧室10内经燃烧产生的高温气体可以通过设置在喷射拱11上的喷流通道111喷射入第一反应室20。喷射入第一反应室20的高温气体可以用以将第一反应室20的固体颗粒物料托起并进行高温加热反应。本发明提供的流化反应器1通过在燃烧室10的顶部设置喷射拱11，通过喷射拱11的喷流通道111将燃烧室10内燃烧产生的高温气体喷射入第一反应室20，喷入的高温气体温度可高达1350℃左右，足以使第一反应室20的矿石颗粒呈流化状态。流化状态的矿石颗粒更易于反应的进行。另外，与平面状的气体分布器相比，通过拱形的喷射拱11的高温气体流速较大，足以托起第一反应室20中的矿石颗粒，确保矿石颗粒在第一反应室20发生反应。解决了现有技术中通过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，还原效果不理想的问题。即使高温高速气流都无法将部分较大的颗粒托起悬浮于第一反应室20，也可以通过喷射拱11承受其重力。拱形的喷射拱11较平面的分布器可以承受更重的固体颗粒，具有不易断裂的优势。
图2示出了本发明的喷射拱11的剖面结构示意图。喷射拱11是由耐火材料制成的拱形结构，如图2所示。喷射拱11制成拱形的优势在于：喷射拱11采用中间高四周低的方式，可使反应完后落在喷射拱11上的残渣颗粒滑向反应器的排渣口而排出炉外，实现了反应的连续进行。喷射拱11的拱形结构设计解决了现有技术中残渣颗粒堆积在反应器中，造成反应效率逐渐降低、反应不能连续进行的问题。根据一个优选实施方式，喷流通道111均匀设置在喷射拱11中轴线附近的弧面上。仅将喷流通道111设置在喷射拱11的中轴线附近的弧面上，可以增大喷出气体的流速。另外，在远离喷射拱11中轴线的弧面上未设置喷流通道111，也可使得滑向反应器排渣口的残渣颗粒顺利排出炉外，避免残渣颗粒落入喷流通道111而对其造成堵塞。喷流通道111的尺寸至少满足燃烧室10内燃料气体膨胀后的气体流速。喷流通道11的尺寸根据流体力学计算，其尺寸大小至少满足燃烧室10内燃料气体膨胀后的气体流速，避免燃烧室10内产生的高温气体膨胀而造成安全事故。喷流通道111的尺寸还应小于第一反应室20内矿石颗粒的尺寸，避免矿石颗粒对其造成堵塞。
根据一个优选实施方式，反应器1还具有第二反应室30，如图1所示。第一反应室20经加热生成的中间产物可随高温气流上升至第二反应室30。中间产物与第二反应室30进入的原料气体继续进行第二步高温反应。通过控制第一反应室20上升的高温气流与第二反应室30进入的原料气流以形成稳定的气流界面。气流界面将第一反应室20与第二反应室30分隔开。本发明的反应器1不仅适用于仅需一步反应即可完成的工艺，也可适用于需要两步及以上反应才能完成的工艺。通过第一反应室20上升的高温气流与第二反应室30进入的原料气流以形成稳定的气流界面，可将第一反应室20与第二反应室30分隔开，使两步反应分别在两个相对独立的空间进行，解决了现有技术中使用导热板将氧化区和还原区分开，造成热量损失和氧化区不能得到足够热量的问题。
在700～1800℃的高温下，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。由于排渣口的温度稍低于第一反应室20和/或第二反应室30的温度，粘流在炉壁上的熔融态物质下降至排渣口时，温度的降低极易造成熔融态物质结焦，进而对排渣口造成堵塞。熔融态物质易对排渣口造成堵塞，使得反应不能连续进行，也需要频繁清洗反应器的技术问题被本领域技术人员忽略，目前也还没有较好的解决方案。再次参见图1，第一反应室20和第二反应室30分别具有收集粘流在炉壁上的熔融态物质的截流组件。截流组件分别设置于第一反应室20和第二反应室30的底部。将截流组件分别设置于第一反应室20和第二反应室30底部的原因是：由于反应器1内的第一反应室20和第二反应室30温度不同，沿炉壁下流的熔融态物质会随温度的改变而改变其状态。若仅设置一个截流组件，不仅会增大截流组件的尺寸，还会造成导出熔融态物质的流速减慢。更重要的是，设置一个截流组件不能将熔融态物质及时收集。例如，若仅在第一反应室20设置一个截流组件，在第二反应室30的熔融态物质流到第一反应室20后可能成为凝固态而非熔融态，不能被截流组件收集，凝固态的物质下落可能会造成排渣口的堵塞。反之，若仅在第二反应室30设置一个截流组件，第一反应室20产生的熔融态物质也不能被截流组件即时收集，使得生成的产物杂质较多。如图1所示，截流组件包括至少一个第一截流槽22和第一截流引出管23，以及至少一个第二截流槽33和第二截流引出管34。第一截流槽22和第二截流槽33以径向向内突出的方式内嵌于组合耐火材料层50。第一截流槽22和第二截流槽33沿炉壁设置成一圈环形。第一截流槽22和第二截流槽33的接口向上倾斜，粘流在炉壁的熔融态物质向下流动时可被第一截流槽22和第二截流槽33收集。第一截流引出管23和第二截流引出管34的开口向上倾斜。第一截流引出管23和第二截流引出管34的开口下沿分别与第一截流槽22和第二截流槽33的接口下沿对接，可使第一截流槽22和第二截流槽33内收集的熔融态物质及时被导出炉外。避免第一截流槽22和第二截流槽33内堆积过多的熔融态物质而影响了反应器1内的反应效率。总之，第一截流引出管23和第二截流引出管34倾斜的设计方式更有利于将炉内的熔融态物质导出。
继续参见图1，燃烧室10底部沿中轴线方向设置有一燃气进口管15。通过燃气进口管15进入的燃气可为煤气、天然气、液化气等燃料。在燃气进口管15的上端部设置有一燃烧头14。燃烧头14由高温耐火材料制成。燃烧头14呈拱形结构。在拱形燃烧头14的弧面上按经、纬线方向间隔布置。优选地，喷孔141可平行等间距地布置。喷孔141的直径为6～12mm。根据一个优选实施方式，燃烧头14为半球形结构，如图3所示。在半球形燃烧头14上按经、纬线方向平行等间距的原则布置有多个直径为6～12mm的喷孔141，如图4所示。将燃烧头14设计为拱形结构，并且在燃烧头14的弧面上布置多个喷孔141是为了使从燃气进口管15进入的燃气，经喷孔141喷出后，与燃烧室10内的助燃剂空气混合均匀，使得燃气的燃烧更充分，解决了现有技术中燃料燃烧不充分的问题。另外，本发明仅有一个燃烧头14，并且将其设置在燃烧室10底部，也避免了增加设备成本和燃料浪费的问题。空气管13设置在燃烧头14的四周，也是为了使进入的空气与喷孔141喷出的燃气混合均匀，使得燃气的燃烧更充分。空气管13的数量至少为两个，优选为4个，更优选为6个。空气管13上方配有至少一个探测口12，探测口12用于监测燃烧室10的燃烧状态。探测口12可为温度探测口，也可是微量氧探测口，其目的均是为了监测燃烧室10内燃气的燃烧状态。
根据一个优选实施方式，反应器1还包括组合耐火材料层50。组合耐火材料层50由耐火成型料和耐火浇注料组合而成。组合耐火材料层50内衬于反应器1的外壳40。组合耐火材料层50的厚度为500～700mm。现有技术中使用的耐火材料多为不定型耐火材料。例如，莫来石浇注料、高铝浇注料或是刚玉浇注料。将现有技术中的耐火材料层内衬于反应器1的外壳40，所需耐火材料层的厚度较厚，通常为1000～1400mm。在炉内温度为1350℃左右时，通过耐火材料层，使得炉外的温度为80℃左右。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。本发明将不定型耐火材料改为由耐火成型料与耐火浇注料组合而成的组合耐火材料，可充分利用耐火成型料和耐火浇注料的优势。组合耐火材料不仅可以将耐火材料层的厚度减小至500～700mm，而且在炉内温度为1350℃左右时，通过组合耐火材料层后，炉外的温度可降低至50℃左右。
继续参见图1，第一反应室20还包括至少一个进料管21和至少一个排渣管24。进料管21位于第二反应室20的截流组件下部。进料管21以其开口向下倾斜的方式设置于第一反应室20的上部。进料管21由一水平段和一倾斜段组成。该进料管21的结构设计方式，便于固体颗粒物料以合适的速度进入第一反应室20。进入第一反应室20的固体颗粒物料被喷射拱11的喷流通道111喷出的高温高速气流托起，悬浮于第一反应室20，进行第一步高温反应。排渣管24位于第一反应室20的截流组件下部。排渣管24以其向上倾斜的开口下沿与喷射拱11的弧面对接的方式设置于第一反应室20的下端。排渣管24采用倾斜的设计方式，主要是为了让第一反应室20反应完后的尾渣和/或反应生成的固体产物及时排出炉外。另外，排渣管24的开口下沿与喷射拱11的弧面端部刚好对接，也可使从喷射拱11中部向四周滑落的尾渣可及时排出炉外。排渣管24如此的结构设计，可使尾渣及时排出反应器1，实现反应的连续进行。
根据一个优选实施方式，燃烧室10和第一反应室20的高温为700～1350℃。第二反应室30的高温为700～1800℃。根据一个优选实施方式，燃烧室10和第一反应室20的高温为900～1300℃，第二反应室30的高温为800～1700℃。更优选的实施方式是，燃烧室10和第一反应室20的高温为1100～1200℃，第二反应室30的高温为900～1600℃。本发明的反应器1适用于需要经过高温处理矿石的反应过程。处理不同的矿石，所需的高温优选为使用现有技术中的温度。
继续参见图1，第二反应室30还包括至少一个出口管31和至少一个进气管32。出口管31设置于第二反应室30顶部沿中轴线的方向上用以导出反应的气体产物和/或排除尾气。进气管32设置于第二反应室30的下部并且高于第二反应室30的截流组件的位置。进气管32用以导入原料气体并与第一反应室20上升至第二反应室30的中间产物继续参加反应。通过将进气管32设置于第二反应室30，可使第一反应室20与第二反应室30的反应相对独立的进行，解决了现有技术中将二次空气进口管布置在氧化区下方，使得富氧空气难以和中间产物充分混合的问题。
一种利用本发明的反应器1处理矿石的方法，该方法包括如下步骤：
造炼，将矿石破碎后过筛至10～100目。再加入第一步反应所需原料物质与过筛后的矿石混合造炼。形成直径为3～4mm的固体颗粒作为原料备用。第一步反应所需的物质可以是还原剂、氧化剂、催化剂、分散剂或其他第一步反应所需的物质。将矿石和还原剂制成3～4mm的固体颗粒主要是根据反应炉的要求。该步骤有助于原料颗粒在反应器内被喷出的高温气体托起而流化，使得反应更容易进行。
加热，反应开始前，从燃气进口管15引入燃气。引入的燃气通过燃烧头14上的喷孔141喷出后进入燃烧室10。同时，从空气进口管13引入助燃剂。经喷孔141喷出后的燃气与助燃剂空气混合均匀，使得燃气的燃烧更充分，解决了现有技术中燃料燃烧不充分的问题。
反应，固体颗粒从进料管21进入第一反应室20。固体颗粒被从喷射拱11上的喷流通道111向上喷出的高温气体托起。使得固体颗粒可以悬浮于第一反应室20发生第一步反应。第一反应室20的高温为700～1350℃。燃烧反应和第一步反应通过设置在燃烧室10顶部的喷射拱11彼此分隔开。该反应器也适用于需要两步完成的反应。第一反应室20生成的中间产物通过上升气流进入第二反应室30。进入第二反应室30的中间产物与从进气管32进入的原料气体在高温下发生第二步反应。第二反应室30的高温为700～1800℃。第一步反应和第二步反应通过第一反应室20上升的气流与第二反应室30的进气管32进入的原料气体形成稳定的气流界面彼此分隔开。
产物收集和排渣，反应完后的气体产物和/或尾气通过出口管31导出炉外。反应完后的固体产物和/或尾渣通过排渣管24排出炉外。
本发明提供的利用反应器1处理矿石的方法，还包括如下步骤：
熔融物收集，第一步反应和/或第二步反应产生的熔融态物质经第一截流槽22和/或第二截流槽33收集。收集至截流槽的熔融态物质由第一截流引出管23和/或第二截流引出管34导出炉外。解决了熔融态物质对排渣口造成堵塞，使得反应不能连续进行的问题。
使用本发明的反应器处理矿石的方法适用于中、低品位矿石的综合利用，克服了现有技术反应设备落后造成的高能耗和环境污染的问题；本发明尤其对中、低品位矿石的反应状态及反应时间进行控制，解决了物料出现熔融、结焦和堵塞的问题，可实现连续式生产。
实施例1
以使用本发明的反应器1处理中低品位磷矿制取五氧化二磷为例。
由磷矿制取五氧化二磷需要经过两步反应，如下所示：
Ca3(PO4)2+A→P4↑+其他化学成分 △H>0
P4+5O2＝2P2O5 △H<0
其中A为能使磷还原的还原剂，可以是炭、硅石、石灰石等。
进入反应器的原料需要经过造炼。造炼的具体步骤为：将采集的中低品位磷矿石(含磷17～22％)破碎后过筛，使磷矿石的颗粒直径小于20目。再将还原剂与过筛后的磷矿一起放入造炼炉造炼，形成直径为3～4mm的小颗粒，作为原料备用。将磷矿和还原剂制成小颗粒主要是根据反应炉的要求，该步骤有助于还原反应过程原料颗粒的流化。
反应开始前，需要从燃气进口管15引入燃气、从空气管13引入助燃剂空气。燃气经燃烧头14上的喷孔141喷出后，可与助燃剂空气混合均匀，使燃气进行充分燃烧。同时，通过空气管上方的探测口12监测燃烧室10内燃气的燃烧状态。当炉内温度达到1200℃左右时，开始投料。经过造炼后的原料颗粒从进料管21进入反应器的第一反应室20，进入的原料颗粒由从喷射拱11上的喷流通道111喷出的高温高速气体托起，悬浮于第一反应室20，同时在1200℃的高温下进行还原反应。反应完后的尾渣通过第一反应室20下方的排渣管24排出炉外。反应生成的中间产物磷单质随向上流动的气流进入第二反应室30，同时与从第二反应室30的进气管32进入的富氧空气在1650℃的高温下发生氧化反应，生成五氧化二磷。生成的五氧化二磷可从第二反应室30顶端的出口管31导出炉外。第二反应室30内进行的氧化反应为放热反应，因此无需再设置燃烧头也可使第二反应室30的温度达到反应所需的高温。另外，在反应过程中生成的熔融态物质，可被第一反应室20和第二反应室30上的截流组件收集并导出炉外。
因此，使用本发明提供的反应器处理中、低品位磷矿石生产五氧化二磷，克服了现有技术的热法制备磷酸的高能耗和污染环境的问题，并且使用本发明提供的反应器尤其对中、低品位磷矿石的反应状态及反应时间进行控制，解决了物料出现熔融、结焦和堵塞的问题，可实现连续式生产。
实施例2
以使用本发明的反应器1处理锰矿制取氧化锰为例。
由锰矿制取氧化锰的主要原理是软锰矿(MnO2)在还原剂的作用下，加热至700～1000℃，高价氧化锰转化成低价易于酸浸出的低价锰。反应如下所示：
2MnO2+C＝2MnO+CO2 △H>0
其中的炭还原剂也可用硅石、石灰石等还原剂替代。
进入反应器的原料需要经过造炼。造炼的具体步骤为：将采集的中低品位锰矿石破碎后过筛，使锰矿石的颗粒直径小于60目。再将还原剂与过筛后的锰矿一起放入造炼炉造炼，形成直径为3～4mm的小颗粒，作为原料备用。将锰矿和还原剂制成小颗粒主要是根据反应炉的要求，该步骤有助于还原反应过程原料颗粒的流化。
反应开始前，需要从燃气进口管15引入燃气、从空气管13引入助燃剂空气。燃气经燃烧头14上的喷孔141喷出后，可与助燃剂空气混合均匀，使燃气进行充分燃烧。同时，通过空气管上方的探测口12监测燃烧室10内燃气的燃烧状态。当炉内温度达到800℃左右时，开始投料。经过造炼后的原料颗粒从进料管21进入反应器的第一反应室20，进入的原料颗粒由从喷射拱11上的喷流通道111喷出的高温高速气体托起，悬浮于第一反应室20，同时在800℃的高温下进行还原反应。反应完后的MnO通过第一反应室20下方的排渣管24排出炉外。反应生成的二氧化碳尾气可从反应器1顶端的出口管31导出炉外。另外，在反应过程中生成的熔融态物质，可被第一反应室20的截流组件收集并导出炉外。
因此，使用本发明提供的反应器处理锰矿石生产MnO，克服了现有技术的反应器造成的高能耗和污染环境的问题，并且使用本发明提供的反应器尤其对锰矿石的反应状态及反应时间进行控制，解决了物料出现熔融、结焦和堵塞的问题。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种流化反应器(1)，所述反应器(1)至少具有一燃烧室(10)和第一反应室(20)，其特征在于，所述燃烧室(10)和所述第一反应室(20)通过设置在所述燃烧室(10)顶部的喷射拱(11)彼此分隔开，使得所述燃烧室(10)内经燃烧产生的高温气体能够通过设置在所述喷射拱(11)上的喷流通道(111)向上喷射入所述第一反应室(20)，所述喷射入第一反应室(20)的高温气体能够用以将所述第一反应室(20)的固体颗粒物料托起并进行高温加热反应，所述喷射拱(11)是由耐火材料制成的拱形结构；所述至少一个喷流通道(111)设置在所述喷射拱(11)中轴线附近的弧面上，并且所述喷流通道(111)的尺寸至少满足所述燃烧室(10)内燃料气体膨胀后的气体流速。
2.如权利要求1所述的流化反应器(1)，其特征在于，所述反应器(1)还具有第二反应室(30)，所述第一反应室(20)经加热生成的中间产物随高温气流上升至所述第二反应室(30)，并且所述中间产物与所述第二反应室(30)进入的原料气体继续进行高温反应；通过所述第一反应室(20)上升的高温气流与所述第二反应室(30)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(20)与所述第二反应室(30)分隔开。
3.如权利要求2所述的流化反应器(1)，其特征在于，所述第一反应室(20)和所述第二反应室(30)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(20)和所述第二反应室(30)的底部，并且所述截流组件包括至少一个第一截流槽(22)和第一截流引出管(23)，以及至少一个第二截流槽(33)和第二截流引出管(34)；其中，
所述第一截流槽(22)和所述第二截流槽(33)以径向向内突出的方式内嵌于组合耐火材料层(50)，并且所述第一截流槽(22)和所述第二截流槽(33)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(23)和所述第二截流引出管(34)的开口向上倾斜并且所述第一截流引出管(23)和所述第二截流引出管(34)以其开口下沿分别与所述第一截流槽(22)和所述第二截流槽(33)的接口下沿对接的方式设置于所述第一截流槽(22)和所述第二截流槽(33)内以将其所收集的熔融态物质导出炉外。
4.如权利要求1或2所述的流化反应器(1)，其特征在于，所述燃烧室(10)底部沿中轴线方向设置有一燃气进口管(15)，在所述燃气进口管(15)的上端部设置有一燃烧头(14)；其中，
所述燃烧头(14)由高温耐火材料制成，并且所述燃烧头(14)呈拱形结构，在所述拱形燃烧头(14)的弧面上按经、纬线方向间隔布置有多个直径为6～12mm的喷孔(141)；
所述燃烧头(14)的四周还布置有至少两个空气管(13)，所述空气管(13)上方配有至少一个探测口(12)，所述探测口(12)用于监测所述燃烧室(10)的燃烧状态。
5.如权利要求1或2所述的流化反应器(1)，其特征在于，所述反应器(1)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(50)，所述组合耐火材料层(50)内衬于所述反应器(1)的外壳(40)，并且所述组合耐火材料层(50)的厚度为500～700mm。
6.如权利要求2所述的流化反应器(1)，其特征在于，所述第一反应室(20)还包括至少一个进料管(21)和至少一个排渣管(24)；其中，
所述进料管(21)位于所述第二反应室(20)的截流组件下部并且所述进料管(21)以其开口向下倾斜的方式设置于所述第一反应室(20)的上部；
所述排渣管(24)位于所述第一反应室(20)的截流组件下部并且所述排渣管(24)以其向上倾斜的开口下沿与所述喷射拱(11)的弧面对接的方式设置于所述第一反应室(20)的下端。
7.如权利要求2所述的流化反应器(1)，其特征在于，所述燃烧室(10)和所述第一反应室(20)的高温为700～1350℃，所述第二反应室(30)的高温为700～1800℃。
8.如权利要求2所述的流化反应器(1)，其特征在于，所述第二反应室(30)还包括至少一个出口管(31)和至少一个进气管(32)；其中，
所述出口管(31)设置于所述第二反应室(30)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(32)设置于所述第二反应室(30)的下部并且高于所述第二反应室(30)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(20)上升至所述第二反应室(30)的中间产物继续参加反应。
9.一种利用前述权利要求之一的流化反应器(1)处理矿石的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
造炼，将矿石破碎后再进行造炼，形成固体颗粒作为原料；
加热，反应开始前，燃气通过燃烧头(14)与助燃剂混合燃烧以对所述反应器(1)的第一反应室(20)和第二反应室(30)进行加热；
反应，所述固体颗粒进入第一反应室(20)后被从喷射拱(11)上的喷流通道(111)向上喷出的气体托起而悬浮于所述第一反应室(20)发生第一步反应，并且所述燃烧反应和所述第一步反应通过设置在所述燃烧室(10)顶部的喷射拱(11)彼此分隔开；和/或所述第一反应室(20)生成的中间产物通过上升气流进入第二反应室(30)并与从进气管(32)进入的原料气体在高温下发生第二步反应，并且所述第一步反应和所述第二步反应通过所述第一反应室(20)上升的气流与所述第二反应室(30)进入的原料气体形成稳定的气流界面彼此分隔开；
产物收集和排渣，反应完后的气体产物和/或尾气通过出口管(31)导出炉外，反应完后的固体产物和/或尾渣通过排渣管(24)排出炉外。
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