低品位铁矿石流化焙烧_磁选提质试验研究

JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience)

浙󰀁江󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报(工学版)

Vol.45No.5May.2011

DOI:10.3785/j.issn.1008󰀁973X.2011.05.018

低品位铁矿石流化焙烧󰀁磁选提质试验研究

王国军,朱燕群,王智化,杨󰀁丽,王星昊,黄镇宇,周俊虎,岑可法

(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027)

摘󰀁要:针对我国低品位铁矿石嵌布粒度极细,成分复杂,难提难选的现况,运用循环流化床和磁选管进行劣质铁矿石的流化焙烧󰀁磁选试验研究,试验采用CO、N2的混合气体营造还原性气氛(其中CO体积分数为10%),将粒径为1mm以下的新疆某低品位铁矿石(原矿铁品位为9󰀁63%)于850󰀁焙烧10min,得到强磁性的磁铁矿,将焙烧产物破碎细磨(磨至200目以下占75%),利用湿式磁选管在71󰀁66kA/m的磁场强度下进行弱磁选抛尾,可以得

到铁精矿品位为46󰀁25%,全铁回收率为25󰀁52%的选矿指标.研究表明,运用循环流化床焙烧󰀁弱磁选的方法提质铁矿石,可以有效地减少焙烧时间,在保证选矿达标的基础上,有效地降低生产周期.关键词:循环流化床;低品位铁矿;焙烧;磁选

中图分类号:TK22;TD92󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码:A󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1008󰀁973X(2011)05󰀁0885󰀁05

Investigationonupgradingironoreutilizedbycirculating

fluidizedbedroastingandmagneticseparation

WANGGuo󰀁jun,ZHUYan󰀁qun,WANGZhi󰀁hua,YANGLi,WANGXing󰀁hao,

HUANGZhen󰀁yu,ZHOUJun󰀁hu,CENKe󰀁fa

(StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:Thelow󰀁gradeironorehastypicallycharacterisicofdisseminatedfinegranularity,complexcom󰀁ponentsanddifficultpurificationinChina.Therefore,anewprocessofintegratedcirculatingfluidizedbed(CFB)roastingwithmagneticseparationwasemployedtoupgradethelow󰀁gradeironore.Underthere󰀁ducingatmosphereconditionwith10%COandN2balanced,theXinjiang'slow󰀁gradeironore,whichwasbelow1mmdiameter,9.63%bygradeorginally,wasroastedat850󰀁for10minutes,toobtainhighlymagneticmagnetiteAftergrinding,75%lessthan0.074mmindiameter,andwettypemagneticsepera󰀁tionat71.66kA/m,46.25%ironoregradingwasobtainedwithironrecoveryaround25.52%.There󰀁sultsverifiesthatusingthewayofCFBroasting󰀁magneticseparationprocesscanimprovethequalityoftheironore,reduceroastingtime,improvetheproductioncycle.Keywords:CFB;lowgradeironore;roast;magneticseparation󰀁󰀁我国低品位铁矿石由于嵌布粒度极细,成分复杂,要使矿物单体解离,需要磨至很细,泥化现象严重,采用常规的强磁选、直接浮选、强磁脱泥󰀁正浮选、强磁脱泥󰀁反浮选往往都不能达到理想效果,并且矿石品位提升有限.目前国内可开发利用的铁矿资源近一半为难选矿石,品位低、有害杂质多,常规

收稿日期:2009󰀁11󰀁27.

的磁浮选选矿技术已很难提高铁精矿的品位.

本文对运用一种新的󰀁循环流化床磁化焙烧󰀁弱磁选󰀁工艺对我国新疆某难选鲕状赤铁矿的提质富集问题进行了深入的探讨.利用循环流化床中气固反应物料混合迅速,传热传质速度高,床内处于等温状态等特点,采用󰀁磁化焙烧󰀁弱磁选󰀁的方法将鲕状

[1]

浙江大学学报(工学版)网址:www.journals.zju.edu.cn/eng

基金项目:博士点基金新教师基金资助项目200803351056);高等学校学科创新引智计划资助项目(B08026).作者简介:王国军(1984-),男,山西运城人,硕士生,从事循环流化床高效焙烧系统研究.E󰀁mail:wgjamb@zju.edu.cn

通信联系人:朱燕群,女,工程师.E󰀁mail:yqzhu@zju.edu.cn

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浙󰀁江󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报(工学版)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第45卷󰀁

难选铁矿石在还原性气氛中使弱磁性铁矿物焙烧转变为强磁性铁矿物.

(Fe2O3+CO)的量比大于1/4时,会有弱磁性的FeO生成,所以保持CO和(Fe2O3+CO)的量比小于1/4,即CO和Fe2O3的量比小于1/3.

󰀁磁化焙烧󰀁弱磁选󰀁试验提高低品位铁矿的铁品位,工艺流程如图2所示.

1󰀁还原磁化焙烧原理

还原磁化焙烧[2]是在低于矿物原料熔点和一定气氛中使弱磁性铁矿物转变为强磁性铁矿物的处理工艺,铁矿中的赤铁矿在还原性气氛中经过磁化焙烧以后变成强磁性的物质,而脉石矿物的磁性却不变,因此铁矿经过磁化焙烧以后就可以有效地实现铁矿石与脉石的分离.本文的还原剂为CO,还原焙烧弱磁性的赤铁矿(Fe2O3)的化学反应如下:

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2,

(1)

图2󰀁磁化焙烧󰀁弱磁选工艺流程

当CO过量时,会和生成的Fe3O4继续反应生成弱磁性的FeO,这属于过还原反应,会影响到磁选的效果,过还原反应如下:

Fe3O4+CO=3FeO+CO2,FeO+CO=Fe+CO2.

(2)(3)

Fig.2󰀁Processofmagnetizatingroastandlowintensity

magneticseparation

有研究者采用还原焙烧的方法来提升品位,如李广涛等

[3]

采用矿石搀混煤样在马弗炉中还原的方

利用化学热力学平衡分析软件FACTAGE进行的Fe2O3相变计算结果如图1所示,横坐标表示CO与Fe2O3的相对物质的量之比,纵坐标T为反应热力学温度,单位K0,图中可以看出,控制CO的相对质量,使Fe2O3可以有效地转变成为Fe3O4,并不希望Fe3O4继续还原为FeO和Fe.当CO和

法,得到了较好的提升效果,但是反应过程缺乏气氛控制,且矿石与煤粉的接触不佳均限制了其最终应用.在流化床焙烧反应中,对焙烧物料在熔点以下加热,物料不结块,松散成粒状,有利于分析和继续加工.同时反应物料混合迅速,传热传质速度高,床内处于等温状态.本次实验以循环流化床技术实现对新疆某低品位铁矿石的还原焙烧.

在循环流化床锅炉燃烧发电过程中,为抑制NOx生成,常常通过分级配风[4]营造局部还原性气氛,且物料处于流化状态,传热、混合及反应时间均非常充分,若将铁矿石的还原焙烧与煤粉流化床燃烧技术[5]相结合,在流化床锅炉内合理组织燃烧气氛和燃烧温度,同时将赤铁矿有效还原为磁铁矿,将成为一种非常有效的低品位铁矿石品位提升手段和技术.同时流化床燃烧温度也非常适合赤铁矿的还原,并且在低NOx燃烧技术中控制炉内局部的还原性气氛[6]已非常成熟,同时煤粉燃烧的热量可继续发电,由矿石替代部分床料,在发电的同时有效还原赤铁矿,大大降低运行成本.本试验是初步验证性试验,所以首先采用模拟还原性气氛来研究对矿石的焙烧特性,炉内气氛采用CO和N2的不同比例混合气体来实现,温度通过电加热来实现.还原焙烧后通过磁选机进行矿石的富集提纯.硫磷等杂质由于浮选工艺成熟,本文暂以铁品位提升为研究重点[4󰀁7].

图1󰀁赤铁矿还原过程的Fe󰀁O󰀁CO综合图Fig.1󰀁Fe󰀁O󰀁COcompositivegraph

2󰀁矿样及试验装置介绍

本文试验的低品味矿样采自于新疆某地,样品

第5期

王国军,等:低品位铁矿石流化焙烧󰀁磁选提质试验研究

887

多元素分析见表1,原矿铁品位9󰀁63%,磁性物质的质量分数较小.

表1󰀁

样品多元素化学分析

%

w(Al)7󰀁2w(V)0󰀁5

1󰀁N2;2󰀁CO;3󰀁流量计:4󰀁预热管;5󰀁卸料管;6󰀁风室,外接U型管测压力;7󰀁布风板;8󰀁反应炉;9󰀁高温旋风分离器;10󰀁投料口;11󰀁烟气出口;T󰀁测温点

图4󰀁循环流化床磁化焙烧试验台示意图

Fig.4󰀁SchematicdiagramofCFBusedformagnetizingroast

Tab.1󰀁Chemicalanalysisofspecimen

w(TFe)9󰀁63w(Si)2󰀁23

w(FeO)3󰀁23w(S)0󰀁04

w(Mn)0󰀁08w(P)0󰀁4

w(Mg)2󰀁26w(Ti)0󰀁7

对试验样品的XRD(X射线衍射)分析结果如图3所示,图中,M表示2倍角,I表示衍射强度,样

品的成分比较复杂,Fe主要以硅酸盐的形态存在,少数的磁铁矿以伴生矿状态出现.

体流量大到一定程度后,大颗粒也开始流化,使床层压降逐渐增加,直到大颗粒被完全流化,床层压降才不再随气速的增大而增加.床层从固定床转变到流化床没有明显的󰀁解锁󰀁现象.一般认为此时固定床与流化床2条压降线的延长线的交点对应的气体流量为临界流化风量.调节电加热的功率使炉膛温度

图3󰀁X射线衍射分析结果Fig.3󰀁X󰀁raydiffractionanalysisresults

维持在700󰀁10󰀁,加入粒径为1mm以下的试样

150g,测得料层阻力p随入口空气体积流量qV的变化如图5所示,图中可以看出,当空气体积流量约为0󰀁6m/h时床料开始流化化气体流量选择为1󰀁4m/h.

3

3

[10]

流化床实验装置见图4,主要由流化床反应炉

及预热管、高温旋风分离器组成.流化床内部为一根内径为42mm,高度为1000mm的耐热不锈管,床层内装有测量床温的K型热电偶.N2和CO的混合气体经预热管预热后进入到反应段,作为床料的矿样由流化床上部的投料口加入,反应完后从下部的排渣口排出.

在试验时将炉膛温度稳定在某一稳定范围内,从加料口投入铁矿石样品,粒径在1mm以下,然后通入N2使和CO的混和气体使物料充分流态化进行焙烧并开始计时,焙烧到指定时间后,切断气体,打开下部的排渣口并将其卸入水中淬冷,这种冷却方法优点是不与空气接触,冷却速度快,不影响焙烧矿的选别效果[8].将冷却后的物料研磨一定的细度后用磁选管选别,并用化学滴定法分析精矿和尾矿的铁品位,计算铁回收率,作为产品质量的评价指标.本文中󰀁表示精矿铁品位,󰀁表示精矿铁回收率.

流化风量

[9]

,试验时的操作流

图5󰀁料层阻力Fig.5󰀁Layerresistance

3󰀁结果与讨论

3.1󰀁焙烧温度的影响

将破碎到粒径为1mm以下的铁矿石分别在650󰀁10、700󰀁10、750󰀁10、800󰀁10及850󰀁10󰀁5个温度条件下通入CO体积分数为10%的还原性气体焙烧10min,将还原后的产物磨至200目以下占75%,在磁选磁感强度为71󰀁66kA/m的条件下进行弱磁选,结果如图6所示.

可根据床层压降󰀁流量特性曲线确

定.通常将从固定状态转变为硫化状态时的风量成

为临界流化风量.风速从零开始逐渐增大时,床层保持固定床状态,床层压降呈正比增加.随着气体流量逐渐增大,一些细颗粒会很容易在大颗粒构成的空穴中起到很好的润滑和促使大颗粒松动的作用,气

888

浙󰀁江󰀁大󰀁学󰀁学󰀁报(工学版)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第45卷󰀁

图6󰀁焙烧温度对焙烧产品的影响图8󰀁󰀁(CO)对焙烧产品的影响

Fig.6󰀁EffectoftemperatureoncroastedproductFig.8󰀁EffectofCOvolumefractiononroastedproduct

从图6可看出,铁精矿铁品位随着温度的升高

而增加,铁品位从41󰀁25%增加到46󰀁26%,但是铁回收率在700󰀁10󰀁至850󰀁10󰀁范围内回收率基本相近,综合考虑铁品位和回收率2个因素选择最佳焙烧反应温度为850󰀁.3.2󰀁焙烧时间的影响

温度为850󰀁10󰀁、CO体积分数为10%的条件下,将破碎到粒径为1mm以下的铁矿石颗粒分别在2、4、6、8、10min5个时间段进行还原焙烧,将焙烧产物磨至200目以下占75%,在磁选磁感强度71󰀁66kA/m的条件下进行弱磁选,结果如图7所示:随着还原焙烧时间t越长,选矿的效果越好,精铁矿的品位和回收率随着反应时间的延长而增大,在2min时,精矿铁品位为39󰀁78%,到6min时已达到43󰀁78%,之后趋势减缓,到10min时达到46󰀁25%,时间选择为10min.

到15%,精铁矿铁品位和铁回收率基本保持不变,所以最佳还原性气氛选择10%的CO体积分数.

3.4󰀁磁感应强度的影响

采用磁选管对焙烧矿进行磁选试验.将粒径为1mm以下的原矿在850󰀁10󰀁、反应时间为10min、CO体积分数为10%的条件下进行焙烧,将焙烧产物磨至200目以下占75%,然后在不同的磁场强度下进行弱磁选,试验结果如表2所示.随着磁选磁场强度H从39󰀁81kA/m提高到103󰀁51kA/m,铁回收率从22󰀁05%上升至28󰀁66%,但精矿铁品位从47󰀁2%逐渐下降到42󰀁46%.综合考虑精矿铁品位和铁回收率,选择磁选磁场强度为71󰀁66kA/m.

表2󰀁磁场强度对焙烧󰀁弱磁选的影响

Tab.2󰀁Effectofmagneticfieldonroasting󰀁lowintensity

magneticseparation

H/kA󰀁m-39󰀁81

1

产品精矿尾矿原矿精矿尾矿原矿精矿

产率/%4󰀁5095󰀁5100󰀁005󰀁0095󰀁00100󰀁005󰀁5094󰀁50100󰀁006󰀁0094󰀁00100󰀁006󰀁5093󰀁50100󰀁00

󰀁(Fe)/

%47󰀁27󰀁869󰀁6347󰀁067󰀁669󰀁6346󰀁257󰀁509󰀁6344󰀁597󰀁409󰀁6342󰀁467󰀁359󰀁63

󰀁(Fe)/

%22󰀁0577󰀁95100󰀁0024󰀁4375󰀁57100󰀁0025󰀁5274󰀁48100󰀁0027󰀁7872󰀁22100󰀁0028󰀁6671󰀁34100󰀁00

55.74

71.66

图7󰀁

焙烧时间对焙烧产品的影响

87.58

Fig.7󰀁Effectoftimeonroastedproduct

尾矿

原矿精矿尾矿原矿精矿尾矿原矿

3.3󰀁还原性气氛的影响

在850󰀁10󰀁、反应时间为10min的条件下,将粒径为1mm以下的铁矿石颗粒分别在CO体积分数为3%、5%、8%、10%及15%时进行还原焙烧,将还原后的产物磨至200目以下占75%,在磁选磁感强度71󰀁66kA/m的条件下进行弱磁选,结果见图8所示.当CO体积分数󰀁从3%增加到10%时,精矿铁品位和铁回收率都随之增大,当CO体积分数为10%时精矿铁品位达到46󰀁25%,精矿铁回收率为25󰀁52%,当CO体积分数从10%增加

103.51

3󰀁5󰀁流程试验

根据条件试验结果,本文低品味铁矿石提高铁品位的实验流程如图9所示.

从图9可见,采用流化床还原焙烧󰀁弱磁选的试验工艺流程能有效提升该低品位铁矿石,从原矿的9󰀁63%品位提升到46󰀁25%、铁回收率为25󰀁52%.

第5期

王国军,等:低品位铁矿石流化焙烧󰀁磁选提质试验研究

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图9󰀁磁化焙烧󰀁弱磁选试验流程

Fig.9󰀁Processofmagnetizatingroastandlowintensity

magneticseparation

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进一步的条件优化可望进一步提高低品味矿石的精矿铁回收率.

4󰀁结󰀁论

运用循环流化床和磁选管,通过对劣质铁矿石流化焙烧󰀁磁选的试验研究,得到以下结论:

(1)试验中采用的新疆某低品位铁矿石原矿品位为9󰀁63%,矿石中磁性物质含量较低,矿物组成复杂,成分分布不均匀,该矿石组成矿物以细粒为主.将1mm以下粒径的矿物在CO体积分数为10%,焙烧温度为850󰀁时间为10min,可以显著地将铁品位提高到46󰀁25%,同时可以达到铁回收率为25󰀁52%的选矿指标,证明循环流化床焙烧技术处理低品味铁矿石是可行的.

(2)温度是影响还原焙烧的最主要因素,提高反应的温度可以显著的减少反应的时间,在本试验中最佳的温度为850󰀁;还原性气氛含量越高焙烧的效果也越好,本试验中选用10%的CO体积分数作为最佳的还原性气氛.通过结合煤粉流化床燃烧技术,在流化床锅炉内合理组织燃烧气氛和燃烧温度,将赤铁矿有效还原为磁铁矿.

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