流态化焙烧(fluid bed roasting)

粒状物料受自下鼓入而后向上的空气作用呈悬浮状态的焙烧方法。在气流一定线速度下，硫化精矿流态化焙烧体系中较粗颗粒形成浓相，宏观看去浓相似水沸腾，随炉气所携带的较细颗粒而形成稀相，类似水蒸气，因而俗称沸腾焙烧。流态化焙烧因床层内传热传质速率快，因而具有炉内温度分布均匀和易于调控的特点，在有色金属原料的焙烧中得到广泛的应用。

粒状物料的流态化原理   气体通过固体颗粒床时，随气流线速度(或表面速度，即是单位时间内流过气体体积除以床层截面的商)的加大，床层内颗粒开始不产生运动，彼此间呈点接触，床层总体积不变，气流通过床层的压力降随线速度加大而增大，这是一般固定床层所具有的特征。当空气线速度继续加大，床层的压力降等于床层单位面积上颗粒的有效质量时，粒子开始移动，床层体积有所膨胀。这种使颗粒开始移动的气流最小速度称为临界速度。气流线速度进一步增大时，床层的压力降先是平缓增加而后至最大值(颗粒开始互相分离)，最后又平稳下降至原临界速度所对应的压力降数值，这时床层中颗粒完全分离，在气流中呈悬浮状态即流态化床。在流态化床范围内增大气流线速度，床层的压力降保持不变。这时增大气流线速度只使浓相(流态化)密度变小，体积增大，空隙度增加。若气流线速度增大致使浓相全部变为稀相，即能将物料粒子全部从炉内带出，这时的线速度叫吹出速度，也就是流态化的最大速度。流态化焙烧的鼓风操作速度介于临界速度和吹出速度之间，一般吹出速度约为临界速度的50～80倍。这就说明，一般精矿粒度相差甚大，对较小粒子就达吹出速度而难免形成烟尘。另一方面也说明，若采用制粒和较大的鼓风操作速度工艺，不但可以强化流态化焙烧过程而且也可以降低烟尘率。流态化层由被气体分散均匀的颗粒相和含微量颗粒的气泡相所组成。气泡在上升过程中可互相合并成较大的气泡，若流态化层高度与横断面比大时，合并后的气泡几乎等于其横断面大小，将上面的料层向上托起，发生“腾冲”现象，此时气固接触不良，导致焙砂质量下降和烟尘率增加。为避免“腾冲”现象发生，可在床层内设置阻碍，减少气泡合并或使其破裂；也可改变床层中粗细粒料的比例，减少流态化层的有效粘度。

流态化层的热传递形式   分粒子与气体之间，层内各部分之间，以及流态化层与换热器之间三种形式。辐射和传导传热占很少比重，主要是对流传热。流态化层内粒子与气体间的传热系数比同一流速下的固定床的传热系数小，这可能是流态化层内颗粒与气体间的相对速度较小的缘故，但因气固接触良好而传热面特大，故流态化层内气固间的传热率仍比固定床大。流态化焙烧实践表明，冷空气经分布板只进入到10～20mm高度内便可达到床层温度。流态化床层内各部分间的传热系数比银还大，即便是大量放热的硫化精矿流态化焙烧，流态化床层内各部分的温度仍几乎一致(±10K)。由于流态化床内粒子快速运动及流股的激烈循环，流态化床与换热面间的传热系数很大，这是因为垂直热交换面热阻大的介面层很薄(0.1～0.5颗粒直径)的缘故。

生产实践   生产实践表明，鼓风操作速度和物料的颗粒直径(或称平均直径)是流态化焙烧的最主要参数。前者既直接影响到流态化焙烧炉的床能率又与炉型的选择有关；后者不但与前者存在某种制约关系，而且还成为影响炉型选择的重要因素。

鼓风操作速度   提高鼓风操作速度可增加床能率，但只有增加物料的粒径才能提高鼓风操作速度。焙烧工艺则要求流态化炉内气固间反应需达到一定速度，而物料粒径增大必然使气固间化学反应速度降低，导致炉子床能率下降。对某一具体粒径的物料而言，存在一与之对应的最佳鼓风操作速度值。若鼓风操作速度低于最佳操作速度时，提高焙烧温度或流态化床高度也不能提高炉子床能率；当鼓风操作速度高于最佳操作速度时，提高焙烧温度或流态化床高度能提高炉子床能率。提高反应气体的浓度(如富氧鼓风)在上述两种情况下都能提高炉子的床能率。

物料粒度与炉型   流态化焙烧可以处理从百分之几或几百毫米粒径的物料，不同粒径的混合料较单一粒径物料更适宜流态化焙烧。有色金属精矿一般粒径在0.01～0.3mm范围，适合流态化焙烧处理。现代流行的反应器按其鼓风操作速度和适宜处理一定粒度物料分为浓相流态化床、稀相流态化床和浓稀相流态化床三种基本类型。处理硫化精矿等细粒物料较常用浓相流化床焙烧(道尔型焙烧炉)(见硫化锌精矿流态化焙烧)，床中主要是已反应过的物料，它起调节正要氧化的物料温度不会超过床层温度的作用，床内各部分物料能均匀地氧化。稀相流化床常设有物料循环系统，固体在炉内停留时间较浓相流化床短，炉气流和料粒沉落回混作用少，因而炉底的反应气体浓度、温度和炉顶的不一样，存在一定的差别。故稀相流化床常用于热交换过程。浓一稀相流化床是焙烧硫化精矿较理想的炉型(鲁奇型焙烧炉)，可采用较大的鼓风操作速度来提高生产率和改善烟尘质量。物料的细粒部分因在较粗的焙砂浓相床中来不及进行充分反应就被气流带入稀相，但仍可在断面扩大了的炉子空间继续完成焙烧反应；另外，一些较粗尘粒上升到一定高度后因气流速度减慢而仍会落入浓相进行焙烧反应，这样溢流焙砂和余热锅炉及旋涡尘都经过了焙烧，而成为符合要求的最终焙砂。

设备   一般由加料、炉体、烟气和排料四个系统组成。在由钢板焊成、内砌耐火砖的炉体底部设有许多空气通入孔(图)，鼓风经风箱、空气分布板上的风帽均匀上升，使料层形成流态化床(约1m)，上部炉膛多采用1～3级扩大。扩散形炉膛有利于提高烟尘质量和减少烟尘率。在流化床炉壁上常装有汽化冷却水套，或使用插入式冷却管或喷水冷却用以调节炉温。加料系统将已配制好的含4％～8％水的松散物料经圆盘、螺旋、溜管、高速加料胶带等加入炉内。此种加料方法称为干法加料。湿法加料是将含20％～30％水的矿浆经泵喷入炉内。浮选精矿不需脱水干燥，但焙烧的炉气量大增，烟尘率比干法加料大20％～30％，炉气中水蒸气含量大而影响制酸。

含SO₂炉气经由余热锅炉、旋涡收尘器、电收尘组成的烟气净化系统，分别进行冷却和收尘后送制酸。焙砂一部分从流态化层上部经炉溢流口流出，另一部分则作为载运焙砂与炉气一起从炉顶逸出，并被旋风收尘器捕集。焙砂视后继作业要求，经浆化溜槽冲走或经水淋圆筒或流态化冷却器冷却。