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中科院过程所朱庆山研究员课题组:从小试实验到工业生产——软锰矿流态化低温高效还原技术的应用开发

已有 189 次阅读 2021-4-2 03:52 |个人分类:精选文章|系统分类:博客资讯

中科院过程所朱庆山研究员课题组:从小试实验到工业生产——软锰矿流态化低温高效还原技术的应用开发

研究背景

锰作为一种重要的战略金属资源,在冶金、电子、化工等工业技术领域应用广泛。我国电解锰的产量和产能均居世界第一位,但随着传统原料碳酸锰的日趋枯竭,使用软锰矿(二氧化锰)生产电解锰已势在必行。针对国内锰矿资源品位偏低,传统技术设备能耗高和污染重等矛盾问题,为了进一步解决软锰矿有效利用的技术难题,中科院过程所朱庆山研究员课题组结合自身在流态化基础研究与工业应用方面长期积攒的技术优势,在GCE发表题为“From laboratory research to industrial application: A green technology of fluidized mineral processing for manganese dioxide ore reduction”的研究文章,详细报道了软锰矿流态化低温高效还原技术从实验室小试,通过中试强化与模拟优化,最终实现工业生产的应用开发历程。

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图1. 首条20万t/年软锰矿流态化还原生产线。


软锰矿流态化还原反应工艺小试

通过工艺实验探究流态化还原反应规律,确定如下关键技术参数:

(1)      软锰矿物料通过减小矿物粒度(100目以上比重<4%),在500℃流态化还原焙烧8 min,可实现二价锰的浸出率在95%以上;

(2)      软锰矿还原产品可通过冷却至80℃后,再进行浆化处理抑制二次氧化以保证最终产品质量;

(3)      工业煤气中氧化性气体的存在会降低产品还原效率,可通过延长浸出时间来达到二价锰浸出率的指标要求。

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2. 流态化还原工艺实验图(a)与反应结果(b)。


中试放大强化:固相停留时间与气泡行为调控

为了解决宽粒度颗粒停留时间与反应时间不匹配,以及床层大气泡存在降低气固反应效率的问题,分别借助中间冷/热态放大实验与CFD耦合模拟计算的方法进行了研究:

(1)      通过不同结构竖直挡板及其组合方式的优化,同时调节流化气速与进料速率,实现对不同粒级颗粒停留时间的有效调控,达到粗细颗粒同步转化的目的;

(2)      基于气-固构效关系模型的CFD耦合计算,对水平内构件流化床中气泡破碎行为进行统计分析,实现了对流化床焙烧反应器内部结构的设计与优化。

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图3. 中间冷/热态放大实验装置(图a-b)和粗细颗粒停留时间调控分布(图c)和气泡破碎行为统计分布(图d)。

 

流态化工程系统集成与优化

在对流态化还原系统完成前期工艺设计的基础上,通过对不同反应工段进行优化配置,最终优选出:对原料前期两级预热、后部还原、中间尾气充分燃烧、最终产品冷却的技术路线,以实现能量利用率高、操作范围宽、工艺参数易于调节的目的。具体系统工艺流程如图4所示。

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图4. 流态化还原生产工艺流程图。

 

结论

与竖炉、回转窑和反射炉等传统固相加工设备相比,流化床焙烧炉具有反应温度低、处理效率高、运行成本低、环境友好等绿色过程工程优势。20万t/年软锰矿流态化还原生产线经历了基础实验小试、中试强化与模拟优化、大规模工业化生产的开发历程。该项化工技术的成功放大应用,有助于推动流态化技术朝着模型化、工程化和绿色化方向发展。

文章信息

Title:From laboratory research to industrial application: a green technology of fluidized mineral processing for manganese dioxide ore reduction


Authors:Zheng Zou, Guoqiang Shao, Yu Ge, Shan Wang, Zhaohui Xie, Qingshan Zhu*, Hongzhong Li*


DOI:doi.org/10.1016/j.gce.2020.09.015


原文链接: https://doi.org/10.1016/j.gce.2020.09.015

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通讯作者简介

朱庆山.jpg

朱庆山,工学博士,研究员,博士生导师。现任中国科学院过程工程研究所党委书记、副所长。科技部“中青年科技创新领军人才”(2014年),2013年获得国家杰出青年基金。主要从事矿产资源高效利用、流化床反应器放大规律、流态化过程强化、纳微粉体结构调控与规模化制备、全陶瓷牙科材料等方面的研究工作。在国际主流学术期刊发表SCI论文160多篇,国内学术期刊发表论文60多篇,申请中国发明专利110多项,其中60多项已授权,申请国际专利70多项。

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李洪钟,研究员,博士生导师,化学工程专家,中国科学院院士, 英国皇家化学会会士。现任中国科学院过程工程研究所学术委员会主任、多相复杂系统国家重点实验室学术委员会副主任。曾任中国科学院化工冶金研究所副所长、学术委员会主任、工程技术委员会主任、学位委员会副主任、中科院多相反应重点实验室副主任和学术委员会副主任。研究方向为工业多相流反应器结构与流动行为的量化预测理论和优化调控方法; 多相流结构与传递和反应的相互关系;多相反应与传递过程强化的理论与方法;流化床反应器模拟与放大规律的研究等。

期刊简介

Green Chemical EngineeringGreenChE)于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”,2020年9月正式创刊。GreenChE以绿色化工为学科基础,聚焦"绿色",立足"工程" ,注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题,紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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