本文涉及化學(xué)鏈氣化以及工業(yè)固廢資源化利用領(lǐng)域。該發(fā)明是一種利用化學(xué)鏈氣化的燃料反應(yīng)器中高溫氣基還原劑，原位還原焙燒處理高鐵含量的拜耳法赤泥中磁性弱的赤鐵礦，得到磁性強(qiáng)的磁鐵礦或鐵單質(zhì)，進(jìn)行弱磁選工藝回收赤泥中磁性鐵礦物的鐵金屬回收再利用技術(shù)工藝。

背景技術(shù)：

1、赤泥是工業(yè)提煉氧化鋁過程中排放的堿性固體廢棄物，2023年我國赤泥排放量超1億噸。生產(chǎn)氧化鋁的工藝方法主要分為燒結(jié)法與拜耳法，其中拜耳法因能耗低目前占世界90％產(chǎn)量。超過10億噸儲(chǔ)存量量赤泥的堿性對(duì)環(huán)境有不可忽視的危害，而赤泥的資源化利用率不到排放量的10％，主要集中在制備建筑材料、用于環(huán)境治理、以及回收其中的有價(jià)金屬資源。拜耳法赤泥由于鋁土礦原料含鐵，同樣含有30％以上的赤鐵礦成分，回收其中的鐵元素是一種有效的減量化、資源化工業(yè)固體廢棄物的方法。

2、回收赤泥中鐵元素的方法可以分為物理選鐵，包括直接磁選法與重選法等，以及化學(xué)提鐵，包括酸浸提取與還原焙燒磁選法。其中，直接磁選需求強(qiáng)磁場(chǎng)的高設(shè)備要求；重選法受到赤泥細(xì)粉末團(tuán)聚包覆的負(fù)面影響，鐵分離效率低下。而酸浸提取法中，赤泥的堿性成分消耗過量的酸，生成了大量廢液與廢渣，難以用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。還原焙燒磁選法是通過還原劑在焙燒處理中將弱磁性赤鐵礦還原為強(qiáng)磁性磁鐵礦或單質(zhì)鐵，隨后弱磁選回收磁性鐵礦物。根據(jù)還原劑的種類可分為固態(tài)碳質(zhì)還原劑、氣基還原劑以及生物質(zhì)還原劑。然而固態(tài)還原所需溫度過高，能耗成本不經(jīng)濟(jì)；氣態(tài)還原的溫度較低，而生物質(zhì)氣化更降低了原料成本。

3、化學(xué)鏈燃燒與氣化是一種新興的環(huán)保能源技術(shù)，通過金屬氧化物作為載氧體，將燃料與空氣的氧化還原過程分到兩個(gè)反應(yīng)器中分別進(jìn)行，載氧體在空氣反應(yīng)器中被氧化攜帶晶格氧，在燃料反應(yīng)器中被還原釋放晶格氧，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)化學(xué)鏈燃燒或氣化的持續(xù)運(yùn)行。分隔空氣與燃料后，燃燒煙氣或氣化產(chǎn)物中幾乎不存在氮?dú)?，大幅提高二氧化碳和可燃?xì)獾臐舛?，利于高效率的碳捕集與合成氣后續(xù)的費(fèi)托合成?；瘜W(xué)鏈氣化中燃料反應(yīng)器處于高溫還原氣氛，適合氣基還原焙燒磁選回收赤泥中的鐵元素，并且赤泥的高赤鐵礦含量也能擔(dān)任一部分載氧體的作用，在少量循環(huán)后被還原為磁鐵礦或鐵單質(zhì)，還原后的細(xì)顆粒的赤泥從燃料反應(yīng)器煙氣或合成氣分離的飛灰中回收。

4、發(fā)明專利cn118127314a(發(fā)明名稱：一種電爐高效還原高鐵赤泥提取金屬鐵的方法)公開了：將赤泥與煤混合造球干燥后，加入裝有熔融廢鋼的1600攝氏度電爐中，直接還原赤泥中的鐵進(jìn)入鋼水中，通過融分分離其余渣相。但是，該發(fā)明的還原溫度過高，能耗較高，并且需要額外的煤與噴碳保持還原性氣氛，導(dǎo)致整體成本過高，難以大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、以下是對(duì)本文詳細(xì)描述的主題的概述。本概述并非是為了限制權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

2、針對(duì)赤泥還原焙燒磁選回收鐵工藝中，使用額外的氣化爐制備氣態(tài)還原劑，以及高溫條件所需的還原爐帶來的原料、設(shè)備與能耗成本問題，本技術(shù)利用化學(xué)鏈氣化工藝的燃料反應(yīng)器同時(shí)具備高溫以及還原性合成氣原料的條件，結(jié)合拜耳法赤泥赤鐵礦含量高可用作載氧體，以及赤泥粉末粒徑小的性狀，使用高鐵拜耳法赤泥粉末作為化學(xué)鏈氣化工藝中的一部分載氧體，給入燃料反應(yīng)器中原位高溫還原得到磁鐵礦或鐵單質(zhì)，經(jīng)過短暫循環(huán)后隨煙氣排出飛灰，得到還原赤泥進(jìn)行弱磁選回收赤泥中的鐵元素。本技術(shù)有機(jī)結(jié)合了化學(xué)鏈氣化與赤泥還原焙燒磁選這兩種環(huán)保工藝，實(shí)現(xiàn)了低能耗低成本的回收赤泥中鐵元素以及化學(xué)鏈氣化中載氧體的低成本替代。

3、本技術(shù)第一個(gè)方面提供了一種基于化學(xué)鏈氣化的赤泥還原磁選回收裝置，包括：化學(xué)鏈氣化裝置、赤泥給料器、布袋除塵器和磁選分離器；所述化學(xué)鏈氣化裝置包括：空氣反應(yīng)器、第一旋風(fēng)分離器、燃料反應(yīng)器固體燃料給料器和第二旋風(fēng)分離器；

4、其中，所述空氣反應(yīng)器的上部與所述第一旋風(fēng)分離器的進(jìn)料口連接，所述第一旋風(fēng)分離器的出料口與所述燃燒反應(yīng)器的上部連接，所述燃料反應(yīng)器的上部與所述第二旋風(fēng)分離器的進(jìn)料口連接，所述第二旋風(fēng)分離器的頂部通過燃料反應(yīng)器尾部煙道與所述布袋除塵器連接，所述磁選分離器與所述布袋除塵器的排灰口連接；所述赤泥給料器與所述燃料反應(yīng)器的底部連接，所述固體燃料給料器與所述燃料反應(yīng)器的底部連接并且所述赤泥給料器位于所述固體燃料給料器的上方。

5、在一種示例性實(shí)施例中，所述化學(xué)鏈氣化裝置還包括：第一回料器、第二回料器、第三回料器和載氧體給料器；其中，所述載氧體給料器與所述空氣反應(yīng)器的底部連接，所述第一回料器連接所述燃料反應(yīng)器的中部和所述空氣反應(yīng)器的底部；所述第一旋風(fēng)分離器的出料口料腿通過所述第二回料器與所述燃料反應(yīng)器的上部連接；所述第二旋風(fēng)分離器的出料口料腿通過所述第三回料器與所述燃料反應(yīng)器的底部連接。

6、在一種示例性實(shí)施例中，所述空氣反應(yīng)器的上部通過空氣反應(yīng)器提升管與頂部的空氣反應(yīng)器水平煙道的一端連接，所述空氣反應(yīng)器水平煙道的另一端與所述第一旋風(fēng)分離器的進(jìn)料口連接。

7、在一種示例性實(shí)施例中，所述燃料反應(yīng)器的上部通過燃料反應(yīng)器提升管與頂部的燃料反應(yīng)器水平煙道的一端連接，所述燃料反應(yīng)器水平煙道的另一端與所述第二旋風(fēng)分離器的進(jìn)料口連接。

8、在一種示例性實(shí)施例中，所述化學(xué)鏈氣化裝置還包括壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)與所述布袋除塵器連接，用于壓縮氣化過程中生成的高濃度二氧化碳與合成氣。

9、在一種示例性實(shí)施例中，所述排灰口設(shè)置于所述布袋除塵器的下部，所述壓縮機(jī)與所述布袋除塵器上部的氣體出口連接。

10、在一種示例性實(shí)施例中，所述第一旋風(fēng)分離器的頂部還設(shè)有第一氣體出口，所述第一氣體出口與空氣反應(yīng)器尾部煙道連接，用于排出所述空氣反應(yīng)器中生成的氮?dú)狻?/p>

11、在一種示例性實(shí)施例中，所述第二旋風(fēng)分離器的頂部還設(shè)有設(shè)置有第二氣體出口，所述第二氣體出口通過燃料反應(yīng)器尾部煙道與所述布袋除塵器連接。

12、在一種示例性實(shí)施例中，所述空氣反應(yīng)器為快速床，所述空氣反應(yīng)器的底部設(shè)置有空氣入口，用于通入空氣作為流化風(fēng)。

13、在一種示例性實(shí)施例中，所述燃料反應(yīng)器為湍動(dòng)床，所述燃料反應(yīng)器的底部設(shè)置有水蒸氣和再循環(huán)煙氣的入口，用于通入水蒸氣和再循環(huán)煙氣作為流化風(fēng)。

14、在一種示例性實(shí)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別設(shè)有水蒸汽入口，用于通入來自外部蒸汽鍋爐的水蒸汽作為流化風(fēng)。

15、在一種示例性實(shí)施例中，所述固體燃料給料器和所述赤泥給料器均為螺旋給料機(jī)。

16、在一種示例性實(shí)施例中，所述磁選分離器為弱磁選分離器。

17、本技術(shù)第二個(gè)方面提供了一種基于化學(xué)鏈氣化的赤泥還原磁選回收工藝，通過上述基于化學(xué)鏈氣化的赤泥還原磁選回收裝置來實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

18、s1.赤泥原料的預(yù)處理；

19、s2.化學(xué)鏈氣化產(chǎn)生合成氣；

20、s3.赤泥的投入與還原；

21、s4.還原赤泥的分離；以及

22、s5.磁選回收鐵。

23、在一種示例性實(shí)施例中，步驟s1赤泥原料的預(yù)處理包括：選取三氧化二鐵的含量在30％以上的赤泥原料，對(duì)所述赤泥原料進(jìn)行干燥(例如，風(fēng)干或曬干)破碎，得到赤泥粉末。其中，所述赤泥原料來源于拜耳法提煉氧化鋁過程所排出的固體廢棄物。由于拜耳法赤泥由泥漿形態(tài)排出，經(jīng)處理后筑壩堆積的原始赤泥含水量較高并呈泥塊狀。

24、在一種示例性實(shí)施例中，步驟s1中，所述的赤泥粉末的粒徑為5-50μm。

25、在一種示例性實(shí)施例中，步驟s2化學(xué)鏈氣化產(chǎn)生合成氣包括：化學(xué)鏈氣化裝置啟動(dòng)并運(yùn)行(例如，經(jīng)過點(diǎn)火、升溫、投入載氧體、切換煙氣循環(huán)等步驟)至自熱維持穩(wěn)定階段，調(diào)節(jié)空氣與固體燃料的當(dāng)量比以及載氧體循環(huán)量得到不含氮?dú)獾母呖扇細(xì)飧叨趸己铣蓺狻?/p>

26、在一種示例性實(shí)施例中，所述載氧體粒徑為150-350μm。

27、在一種示例性實(shí)施例中，步驟s2中，所述固體燃料為煤或生物質(zhì)。

28、在一種示例性實(shí)施例中，步驟s2中，所述燃料反應(yīng)器的底部溫度為850-950℃，所述燃料反應(yīng)器的運(yùn)行壓力為0.1-1mpa。

29、在一種示例性實(shí)施例中，步驟s2中，所述空氣反應(yīng)器的運(yùn)行溫度為900℃-1100℃。

30、在一種示例性實(shí)施例中，步驟s3赤泥的投入與還原包括：向所述化學(xué)鏈氣化裝置的高溫燃料反應(yīng)器底部投入步驟s1制備的赤泥粉末，所述赤泥粉末與所述固體燃料氣化生成的合成氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，所述赤泥中的赤鐵礦被還原；具體地：

31、步驟s2中的所述化學(xué)鏈氣化裝置穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行后，向高溫的燃料反應(yīng)器投入步驟s1制備的赤泥粉末，所述赤泥粉末與所述固體燃料氣化生成的合成氣(如，一氧化碳與氫氣等)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，所述赤泥中的赤鐵礦被還原為具有磁性的磁鐵礦甚至鐵單質(zhì)；同時(shí)所述赤泥粉末還提供赤鐵礦中的晶格氧，可替代部分載氧體，或者參與少量化學(xué)鏈循環(huán)。

32、在一種示例性實(shí)施例中，步驟s4還原赤泥的分離包括：還原后的所述赤泥粉末通過所述化學(xué)鏈氣化裝置的第二旋風(fēng)分離器與所述載氧體分離，并進(jìn)入布袋除塵器被捕獲；具體地：

33、由于所述赤泥粉末被還原為磁鐵礦后，所述赤泥粉末的粒徑遠(yuǎn)小于所述載氧體(如鈦鐵礦等)粒徑，還原后的所述赤泥粉末伴隨流化煙氣通過所述第二旋風(fēng)分離器與所述載氧體分離，進(jìn)入所述布袋除塵器被捕獲；該過程中，堿性的赤泥粉末還能吸收脫除煙氣中的二氧化硫等酸性氣體。

34、在一種示例性實(shí)施例中，步驟s4還包括：還原后的所述赤泥粉末中部分粒徑較大的顆粒伴隨所述載氧體進(jìn)入空氣反應(yīng)器，參與化學(xué)鏈循環(huán)；

35、可選地，參與化學(xué)鏈循環(huán)的所述赤泥粉末約占赤泥粉末總量的10％。

36、在一種示例性實(shí)施例中，步驟s5磁選回收鐵包括：經(jīng)所述布袋除塵器捕獲的所述赤泥粉末(例如，通過皮帶)運(yùn)輸進(jìn)入所述磁選分離器進(jìn)行分離回收。其中，磁性含鐵成分與尾渣分離，尾渣可用于制造建筑材料或改良土壤等。

37、在一種示例性實(shí)施例中，所述基于化學(xué)鏈氣化的赤泥還原磁選回收工藝的鐵回收率超過80％。

38、通過本技術(shù)所設(shè)計(jì)的工藝與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

39、(1)能耗成本低廉。不需要單獨(dú)建設(shè)氣化爐與高溫還原爐，不需要額外提供固態(tài)或氣態(tài)還原劑，直接原位利用化學(xué)鏈氣化裝置的高溫以及還原性氣氛，節(jié)省設(shè)備與燃料開支，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的還原焙燒赤泥。

40、(2)實(shí)現(xiàn)赤泥資源化利用。通過還原焙燒磁選，將赤泥中的赤鐵礦還原為磁鐵礦甚至鐵單質(zhì)后分離回收，磁選尾渣可用于制備建筑材料以及改良土壤等，實(shí)現(xiàn)了赤泥的高附加值減量化無害化資源化再利用，對(duì)環(huán)境友好。

41、(3)方便投入與取出。赤泥粉末可以連續(xù)給料進(jìn)入燃料反應(yīng)器，由于粒徑小，很容易進(jìn)入煙氣成為飛灰，而不會(huì)和原始載氧體混合，飛灰被旋風(fēng)分離后布袋除塵后快速進(jìn)入弱磁選回收鐵。

42、(4)減少載氧體用量。赤泥的赤鐵礦提供了一部分晶格氧，減少了載氧體運(yùn)輸晶格氧的需求，減少化學(xué)鏈氣化的載氧體循環(huán)量，節(jié)省載氧體成本，并且不影響化學(xué)鏈氣化持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

43、綜上所述，該化學(xué)鏈氣化還原赤泥工藝具備能耗成本低廉、實(shí)現(xiàn)赤泥資源化利用、方便投入與取出、以及減少載氧體用量的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得該發(fā)明在赤泥回收鐵元素的應(yīng)用場(chǎng)景中具備廣泛的工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)。

44、通過該發(fā)明，集成了化學(xué)鏈氣化與赤泥還原，利用高溫與合成氣，可以在化學(xué)鏈氣化中原位還原赤泥后磁選回收鐵元素。該發(fā)明能降低還原焙燒的能耗成本，減量化無害化資源化利用工業(yè)固廢赤泥，實(shí)現(xiàn)了赤泥的連續(xù)給料還原反應(yīng)后便捷排出后弱磁選回收鐵，在不影響化學(xué)鏈氣化穩(wěn)定運(yùn)行的前提下節(jié)省載氧體用量成本。赤泥在化學(xué)鏈氣化過程中原位還原后磁選回收鐵可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

45、本技術(shù)的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得明顯的，或者通過實(shí)施本技術(shù)而了解。本技術(shù)的其他優(yōu)點(diǎn)可通過在說明書以及附圖中所描述的方案來實(shí)現(xiàn)和獲得。