一种基于化学链气化的赤泥还原磁选回收装置和工艺的制作方法

本文涉及化学链气化以及工业固废资源化利用领域。该发明是一种利用化学链气化的燃料反应器中高温气基还原剂，原位还原焙烧处理高铁含量的拜耳法赤泥中磁性弱的赤铁矿，得到磁性强的磁铁矿或铁单质，进行弱磁选工艺回收赤泥中磁性铁矿物的铁金属回收再利用技术工艺。

背景技术：

1、赤泥是工业提炼氧化铝过程中排放的碱性固体废弃物，2023年我国赤泥排放量超1亿吨。生产氧化铝的工艺方法主要分为烧结法与拜耳法，其中拜耳法因能耗低目前占世界90％产量。超过10亿吨储存量量赤泥的碱性对环境有不可忽视的危害，而赤泥的资源化利用率不到排放量的10％，主要集中在制备建筑材料、用于环境治理、以及回收其中的有价金属资源。拜耳法赤泥由于铝土矿原料含铁，同样含有30％以上的赤铁矿成分，回收其中的铁元素是一种有效的减量化、资源化工业固体废弃物的方法。

2、回收赤泥中铁元素的方法可以分为物理选铁，包括直接磁选法与重选法等，以及化学提铁，包括酸浸提取与还原焙烧磁选法。其中，直接磁选需求强磁场的高设备要求；重选法受到赤泥细粉末团聚包覆的负面影响，铁分离效率低下。而酸浸提取法中，赤泥的碱性成分消耗过量的酸，生成了大量废液与废渣，难以用于大规模工业生产。还原焙烧磁选法是通过还原剂在焙烧处理中将弱磁性赤铁矿还原为强磁性磁铁矿或单质铁，随后弱磁选回收磁性铁矿物。根据还原剂的种类可分为固态碳质还原剂、气基还原剂以及生物质还原剂。然而固态还原所需温度过高，能耗成本不经济；气态还原的温度较低，而生物质气化更降低了原料成本。

3、化学链燃烧与气化是一种新兴的环保能源技术，通过金属氧化物作为载氧体，将燃料与空气的氧化还原过程分到两个反应器中分别进行，载氧体在空气反应器中被氧化携带晶格氧，在燃料反应器中被还原释放晶格氧，如此循环实现化学链燃烧或气化的持续运行。分隔空气与燃料后，燃烧烟气或气化产物中几乎不存在氮气，大幅提高二氧化碳和可燃气的浓度，利于高效率的碳捕集与合成气后续的费托合成。化学链气化中燃料反应器处于高温还原气氛，适合气基还原焙烧磁选回收赤泥中的铁元素，并且赤泥的高赤铁矿含量也能担任一部分载氧体的作用，在少量循环后被还原为磁铁矿或铁单质，还原后的细颗粒的赤泥从燃料反应器烟气或合成气分离的飞灰中回收。

4、发明专利cn118127314a(发明名称：一种电炉高效还原高铁赤泥提取金属铁的方法)公开了：将赤泥与煤混合造球干燥后，加入装有熔融废钢的1600摄氏度电炉中，直接还原赤泥中的铁进入钢水中，通过融分分离其余渣相。但是，该发明的还原温度过高，能耗较高，并且需要额外的煤与喷碳保持还原性气氛，导致整体成本过高，难以大规模工业化应用。

技术实现思路

1、以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

2、针对赤泥还原焙烧磁选回收铁工艺中，使用额外的气化炉制备气态还原剂，以及高温条件所需的还原炉带来的原料、设备与能耗成本问题，本技术利用化学链气化工艺的燃料反应器同时具备高温以及还原性合成气原料的条件，结合拜耳法赤泥赤铁矿含量高可用作载氧体，以及赤泥粉末粒径小的性状，使用高铁拜耳法赤泥粉末作为化学链气化工艺中的一部分载氧体，给入燃料反应器中原位高温还原得到磁铁矿或铁单质，经过短暂循环后随烟气排出飞灰，得到还原赤泥进行弱磁选回收赤泥中的铁元素。本技术有机结合了化学链气化与赤泥还原焙烧磁选这两种环保工艺，实现了低能耗低成本的回收赤泥中铁元素以及化学链气化中载氧体的低成本替代。

3、本技术第一个方面提供了一种基于化学链气化的赤泥还原磁选回收装置，包括：化学链气化装置、赤泥给料器、布袋除尘器和磁选分离器；所述化学链气化装置包括：空气反应器、第一旋风分离器、燃料反应器固体燃料给料器和第二旋风分离器；

4、其中，所述空气反应器的上部与所述第一旋风分离器的进料口连接，所述第一旋风分离器的出料口与所述燃烧反应器的上部连接，所述燃料反应器的上部与所述第二旋风分离器的进料口连接，所述第二旋风分离器的顶部通过燃料反应器尾部烟道与所述布袋除尘器连接，所述磁选分离器与所述布袋除尘器的排灰口连接；所述赤泥给料器与所述燃料反应器的底部连接，所述固体燃料给料器与所述燃料反应器的底部连接并且所述赤泥给料器位于所述固体燃料给料器的上方。

5、在一种示例性实施例中，所述化学链气化装置还包括：第一回料器、第二回料器、第三回料器和载氧体给料器；其中，所述载氧体给料器与所述空气反应器的底部连接，所述第一回料器连接所述燃料反应器的中部和所述空气反应器的底部；所述第一旋风分离器的出料口料腿通过所述第二回料器与所述燃料反应器的上部连接；所述第二旋风分离器的出料口料腿通过所述第三回料器与所述燃料反应器的底部连接。

6、在一种示例性实施例中，所述空气反应器的上部通过空气反应器提升管与顶部的空气反应器水平烟道的一端连接，所述空气反应器水平烟道的另一端与所述第一旋风分离器的进料口连接。

7、在一种示例性实施例中，所述燃料反应器的上部通过燃料反应器提升管与顶部的燃料反应器水平烟道的一端连接，所述燃料反应器水平烟道的另一端与所述第二旋风分离器的进料口连接。

8、在一种示例性实施例中，所述化学链气化装置还包括压缩机，所述压缩机与所述布袋除尘器连接，用于压缩气化过程中生成的高浓度二氧化碳与合成气。

9、在一种示例性实施例中，所述排灰口设置于所述布袋除尘器的下部，所述压缩机与所述布袋除尘器上部的气体出口连接。

10、在一种示例性实施例中，所述第一旋风分离器的顶部还设有第一气体出口，所述第一气体出口与空气反应器尾部烟道连接，用于排出所述空气反应器中生成的氮气。

11、在一种示例性实施例中，所述第二旋风分离器的顶部还设有设置有第二气体出口，所述第二气体出口通过燃料反应器尾部烟道与所述布袋除尘器连接。

12、在一种示例性实施例中，所述空气反应器为快速床，所述空气反应器的底部设置有空气入口，用于通入空气作为流化风。

13、在一种示例性实施例中，所述燃料反应器为湍动床，所述燃料反应器的底部设置有水蒸气和再循环烟气的入口，用于通入水蒸气和再循环烟气作为流化风。

14、在一种示例性实施例中，所述第一回料器、所述第二回料器和所述第三回料器的底部分别设有水蒸汽入口，用于通入来自外部蒸汽锅炉的水蒸汽作为流化风。

15、在一种示例性实施例中，所述固体燃料给料器和所述赤泥给料器均为螺旋给料机。

16、在一种示例性实施例中，所述磁选分离器为弱磁选分离器。

17、本技术第二个方面提供了一种基于化学链气化的赤泥还原磁选回收工艺，通过上述基于化学链气化的赤泥还原磁选回收装置来实现，包括以下步骤：

18、s1.赤泥原料的预处理；

19、s2.化学链气化产生合成气；

20、s3.赤泥的投入与还原；

21、s4.还原赤泥的分离；以及

22、s5.磁选回收铁。

23、在一种示例性实施例中，步骤s1赤泥原料的预处理包括：选取三氧化二铁的含量在30％以上的赤泥原料，对所述赤泥原料进行干燥(例如，风干或晒干)破碎，得到赤泥粉末。其中，所述赤泥原料来源于拜耳法提炼氧化铝过程所排出的固体废弃物。由于拜耳法赤泥由泥浆形态排出，经处理后筑坝堆积的原始赤泥含水量较高并呈泥块状。

24、在一种示例性实施例中，步骤s1中，所述的赤泥粉末的粒径为5-50μm。

25、在一种示例性实施例中，步骤s2化学链气化产生合成气包括：化学链气化装置启动并运行(例如，经过点火、升温、投入载氧体、切换烟气循环等步骤)至自热维持稳定阶段，调节空气与固体燃料的当量比以及载氧体循环量得到不含氮气的高可燃气高二氧化碳合成气。

26、在一种示例性实施例中，所述载氧体粒径为150-350μm。

27、在一种示例性实施例中，步骤s2中，所述固体燃料为煤或生物质。

28、在一种示例性实施例中，步骤s2中，所述燃料反应器的底部温度为850-950℃，所述燃料反应器的运行压力为0.1-1mpa。

29、在一种示例性实施例中，步骤s2中，所述空气反应器的运行温度为900℃-1100℃。

30、在一种示例性实施例中，步骤s3赤泥的投入与还原包括：向所述化学链气化装置的高温燃料反应器底部投入步骤s1制备的赤泥粉末，所述赤泥粉末与所述固体燃料气化生成的合成气发生氧化还原反应，所述赤泥中的赤铁矿被还原；具体地：

31、步骤s2中的所述化学链气化装置稳定持续运行后，向高温的燃料反应器投入步骤s1制备的赤泥粉末，所述赤泥粉末与所述固体燃料气化生成的合成气(如，一氧化碳与氢气等)发生氧化还原反应，所述赤泥中的赤铁矿被还原为具有磁性的磁铁矿甚至铁单质；同时所述赤泥粉末还提供赤铁矿中的晶格氧，可替代部分载氧体，或者参与少量化学链循环。

32、在一种示例性实施例中，步骤s4还原赤泥的分离包括：还原后的所述赤泥粉末通过所述化学链气化装置的第二旋风分离器与所述载氧体分离，并进入布袋除尘器被捕获；具体地：

33、由于所述赤泥粉末被还原为磁铁矿后，所述赤泥粉末的粒径远小于所述载氧体(如钛铁矿等)粒径，还原后的所述赤泥粉末伴随流化烟气通过所述第二旋风分离器与所述载氧体分离，进入所述布袋除尘器被捕获；该过程中，碱性的赤泥粉末还能吸收脱除烟气中的二氧化硫等酸性气体。

34、在一种示例性实施例中，步骤s4还包括：还原后的所述赤泥粉末中部分粒径较大的颗粒伴随所述载氧体进入空气反应器，参与化学链循环；

35、可选地，参与化学链循环的所述赤泥粉末约占赤泥粉末总量的10％。

36、在一种示例性实施例中，步骤s5磁选回收铁包括：经所述布袋除尘器捕获的所述赤泥粉末(例如，通过皮带)运输进入所述磁选分离器进行分离回收。其中，磁性含铁成分与尾渣分离，尾渣可用于制造建筑材料或改良土壤等。

37、在一种示例性实施例中，所述基于化学链气化的赤泥还原磁选回收工艺的铁回收率超过80％。

38、通过本技术所设计的工艺与现有技术相比，主要具备以下技术优点：

39、(1)能耗成本低廉。不需要单独建设气化炉与高温还原炉，不需要额外提供固态或气态还原剂，直接原位利用化学链气化装置的高温以及还原性气氛，节省设备与燃料开支，实现经济的还原焙烧赤泥。

40、(2)实现赤泥资源化利用。通过还原焙烧磁选，将赤泥中的赤铁矿还原为磁铁矿甚至铁单质后分离回收，磁选尾渣可用于制备建筑材料以及改良土壤等，实现了赤泥的高附加值减量化无害化资源化再利用，对环境友好。

41、(3)方便投入与取出。赤泥粉末可以连续给料进入燃料反应器，由于粒径小，很容易进入烟气成为飞灰，而不会和原始载氧体混合，飞灰被旋风分离后布袋除尘后快速进入弱磁选回收铁。

42、(4)减少载氧体用量。赤泥的赤铁矿提供了一部分晶格氧，减少了载氧体运输晶格氧的需求，减少化学链气化的载氧体循环量，节省载氧体成本，并且不影响化学链气化持续稳定运行。

43、综上所述，该化学链气化还原赤泥工艺具备能耗成本低廉、实现赤泥资源化利用、方便投入与取出、以及减少载氧体用量的优点，这些优点使得该发明在赤泥回收铁元素的应用场景中具备广泛的工业应用市场。

44、通过该发明，集成了化学链气化与赤泥还原，利用高温与合成气，可以在化学链气化中原位还原赤泥后磁选回收铁元素。该发明能降低还原焙烧的能耗成本，减量化无害化资源化利用工业固废赤泥，实现了赤泥的连续给料还原反应后便捷排出后弱磁选回收铁，在不影响化学链气化稳定运行的前提下节省载氧体用量成本。赤泥在化学链气化过程中原位还原后磁选回收铁可实现大规模工业化生产。

45、本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得明显的，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。