铁矿悬浮焙烧炉中实时压力及颗粒浓度测量装置及方法

摘要

一种铁矿石悬浮焙烧炉中实时压力及颗粒浓度测量装置及方法，装置包括气体供给系统、连续给料系统、还原炉和压力采集及处理系统；还原炉的炉体侧壁上装配有压力传感器，内部设有布风板，将内部分为还原室和风室；压力采集及处理系统为NI数据采集卡和计算机。方法为：(1)用矿粉使布风板上形成料封；(2)将矿粉加入到还原炉的还原室内，空气压缩机通入空气；(3)出料的固体流率与进料的固体流率相同时，判定系统运行稳定；(4)启动计算机LabVIEW软件开始测量；(5)通过绝对压力值求得静压差；计算出固体颗粒浓度。本发明同时准确的测量还原炉内每个位置的实时压力及某一部分的颗粒平均浓度，装置简单、经济，操作方便，具有实时性、同步性的优点。

说明书

技术领域

本发明属于矿物加工技术领域，特别涉及一种铁矿石悬浮焙烧炉中实时压力及颗粒浓度测量装置及方法。

背景技术

微细粒赤铁矿、鲕状赤铁矿、镜褐铁矿及堆存铁尾矿等铁矿资源因其结晶粒度细，矿物组成复杂、铁赋存量低等特性，采用常规选矿技术手段难以获得理想的技术经济指标，难以获得大规模工业化开发利用，或部分资源虽得以开发但利用效率极低。

磁化焙烧-磁选技术是处理上述铁矿资源的有效途径，其中悬浮磁化焙烧具有气固接触充分，传热、传质效果好，反应速度快等优点，目前在难选铁矿处理方面多有应用；如中国发明专利局公开号为CN200720014578的《悬浮磁化焙烧炉》发明，公开号为CN200710012802的《铁矿物悬浮磁化焙烧炉系统及焙烧工艺》发明。

尽管复杂难选铁矿石悬浮焙烧新技术能使铁品位和回收率都大幅度提高，但在悬浮焙烧试验过程中仍存在还原产品质量不均、排料不畅等问题，主要是因为对悬浮焙烧过程中炉内颗粒运动状态研究不足；如果能对不同操作条件下炉内气固两相流动特性有清楚地认识，对整个焙烧过程的调控及系统的稳定运行有重要的指导意义；但由于悬浮焙烧炉整个过程均为高温运行，多数测量手段均无法实现耐高温运行，故现阶段大多学者采用冷态试验方法对其中气固流动特性进行系统研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁矿石悬浮焙烧炉中实时压力及颗粒浓度测量装置及方法，通过改进装置结构和数据处理方法，实现压力和浓度的实时同步测量。

本发明的装置包括气体供给系统、连续给料系统、还原炉和压力采集及处理系统；其中气体供给系统为空气压缩机，连续给料系统为漏斗式的储料塔；还原炉的炉体侧壁上装配有压力传感器，顶板上设有进料口，底板上设有进气口，炉体内部设有布风板，布风板的上方为还原室，布风板的下方为风室；压力采集及处理系统包括NI数据采集卡和计算机；空气压缩机通过浮子流量计与还原炉的进气口连通，储料塔底端的设有放料阀的下料管插入还原炉顶部的进料口，还原炉上部设有出料管，出料管下端与接料斗相对应；压力传感器与NI数据采集卡装配在一起，NI数据采集卡与计算机装配在一起。

上述装置中，风室分为流化风室和松动风室，流化风室和松动风室分别与一个空气压缩机连通。

上述的布风板上均匀分布有小孔，孔径为8～15微米，布风板的开孔率为6～10％。

上述装置中，还原炉的炉体侧壁从上到下依次开设有多个测压孔，测压孔为外螺纹结构，每个测压孔直接与压力传感器连接构成一个测压点，各相邻的测压孔的高度差相同；各测压孔的轴线与还原炉的炉体轴线垂直相交。

上述的压力传感器为齐平膜片结构，直接与测压孔连接，接收的压力信号经差分放大器和输出放大器放大后，再经过V/A转换器的转换，转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号。

上述的储料塔和还原炉的材质为有机玻璃。

本发明的方法是采用上述装置，按以下步骤进行；

1、向还原室内加入矿粉，使布风板上形成料封，防止气体向进料口反窜；

2、将矿粉置于储料塔中，通过放料阀标定进料的固体流率后，开启放料阀将矿粉加入到还原炉的还原室内，同时通过两个空气压缩机向风室通入空气，并通过浮子流量计控制空气流量；

3、在出料管开始排出物料时，通过测量单位时间内出料质量计算出出料的固体流率；当出料的固体流率与进料的固体流率相同时，即判定系统运行稳定；

4、启动计算机LabVIEW软件开始测量，此时压力传感器将压力信号转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号，然后通过NI数据采集卡将电流信号转化为数字信号，由计算机内的LabVIEW软件完成数据的检测、储存和分析；测量60s后停止运行；

5、通过获得不同测压点的绝对压力值，进而求得静压差；在忽略气固两相的加速度及阀体壁面的摩擦力之后，判定静压差是由两个测压点之间气固两相的重力造成的，因此有公式：

ΔP＝ρ_S(1-ε)gΔH+ρ_gεgΔH＝ρ_SCgΔH+ρ_gCgΔH>

由于颗粒的密度远大于气体密度，将公式(1)近似为：

ΔP＝ρ_S(1-ε)gΔH＝ρ_SCgΔH(2)

即：

C＝ΔP/ρ_sgΔH>

按公式(3)计算出固体颗粒浓度；

式中：

ΔP为测压点之间的压力差，单位Pa；

ρ_s为矿粉实际密度，单位Kg/m³；

ε为堆积物料的空隙率；

g为重力加速度，单位m/s²；

C为固体颗粒浓度，单位％；

△H为测压点之间的高度差，单位m。

上述方法中，选用的固体流率为20Kg/h～150Kg/h。

上述方法中，试验工作时采样频率0～500Hz，采样时间60s，测压点动态压力值的计算公式按：

y＝12.5x-515762.5 (4)

式中，x为压力传感器采集值；y为对应的压力值，单位Pa。

本发明的原理是：通过空气压缩机提供恒定的气源，保证流化风和松动风的稳定；输出的气体通过浮子流量计调节，实现试验所需要的参数；物料储存于储料塔内，通过调节放料阀调整给料速度；为方便后续试验开展，对给料速度进行了标定，保证了给料速度的稳定；还原炉主床采用有机玻璃制成，布风板孔径小于物料最小粒度，可防止出现物料阻塞并使得气体均匀分布；测孔设计为外螺纹结构，方便与压力传感器相连；压力采集系统是该冷态试验系统最重要的部分，压力传感器直接连接到测压孔，压力传感器齐平膜片结构，有效防止结垢等问题。

本发明与当前测量方法相比，可以同时准确的测量还原炉内每个位置的实时压力及某一部分的颗粒平均浓度，且测量装置简单、经济，操作方便，具有实时性、同步性的优点。

附图说明

图1为本发明实施例中的铁矿石悬浮焙烧炉中实时压力及颗粒浓度测量装置结构示意图；

图中，I、气体供给系统，Ⅱ、连续给料系统，Ⅲ、还原炉，Ⅳ、压力采集及处理系统；1、空气压缩机，2、浮子流量计，3、储料塔，4、还原炉的炉腔(包括还原室和风室)，5、压力传感器，6、NI数据采集卡，7、计算机，8、接料斗；

图2为图1中的还原炉的剖面结构示意图；

图3为图1中的还原炉的立体结构示意图；

图中，9、进料口，10、出料管，11、布风板，12、还原室，13、流化风室，14、松动风室，15、风室，16、测压孔；

图4为本发明实施例中的压力采集及处理系统的工作原理图；

图5为本发明实施例1中的原料氧化铝粉的x射线衍射图；

图6为本发明实施例1中的相对压力随流化风变化曲线图；图中1～6分别为还原炉上的由下到上的6个测压点；

图7为本发明实施例1中的相对压力实时变化曲线图；图中1～6分别为还原炉上的由下到上的6个测压点；

图8为本发明实施例1中的不同轴向高度颗粒浓度随流化风变化曲线图。

具体实施方式

本发明实施里中的压力传感器为WH131-PM型，ФM20×1.5外螺纹式，绝对压力量程范围0～200KPa；综合精度0.1％；供电电源24V；输出信号4～20mA；工作方式：压力传感器将压力信号转换为电信号，经差分放大器、输出放大器放大后，再经过V/A转换器的转换，转换为与输入压力成线性对应关系的4-20mA标准电流输出信号。

本发明实施里中由机箱NI DAQ9171、输入模块NI9208和附件NI9923构成了NI数据采集卡，其功能是实现电流信号转换为数字信号，传送至计算机；NI9208模块的性能参数如下：16通道电流输入，500S/s；±21.5mA，24位分辨率；高分辨率模式具有50/60Hz工频干扰抑制；V_sup引脚可用于外接电源，最大2A/30V；60VDC>

本发明实施例中的LabVIEW软件是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

本发明实施例中，按体积比流化风室:松动风室＝2:1。

本发明实施例中，料封高度为还原室高度的1/5。

本发明实施例中，出料的固体流率是通过测量30s排料质量计算出固体流率，与进料的固体流率相差不超过5％，即认为相同。

本发明实施例中，还原室内物料悬浮状态是通过控制气体流量实现的，根据物料的密度、黏度、粒度等流化态参数确定需要的悬浮状态初始气量，例如：当铁矿粉的细度为-200目占其总质量的50％以上时，给矿量为80Kg/h～150Kg/h时，所需要气体流量为1.5m³/h～5m³/h；当氧化铝粉的细度为100～150μm时，给矿量为20Kg/h～150Kg/h时，所需要的气体流量为1m³/h～3.5m³/h。

依据本发明的原理，松动风室在实际铁矿还原焙烧过程中通入N₂，而流化风室通入还原气体CO或H₂；还原室内的主要化学反应为：

若还原气为H₂：

3Fe₂O_3(s)+H_2(g)＝2Fe₃O_4(s)+H₂O_(g)

若还原气为CO：

3Fe₂O₃(s)+CO(g)＝2Fe₃O₄(s)+CO₂(g)。

本发明为了试验中便于观察物料的运动状态，选用粒度均一的白色物料氧化铝粉作为矿粉进行试验；氧化铝粉物料x射线衍射图谱如图5所示，其物理特性如表1所示。

表1

平均粒径，dp(mm)0.15颗粒真密度，ρ_p(kg/m³)2719颗粒堆密度，ρ_b(kg/m³)1132临界流化风速，U_mf(m/s)0.02颗粒终端速度，u_t(m/s)0.3球形度，φ_s1

实施例1

铁矿石悬浮焙烧炉中实时压力及颗粒浓度测量装置结构如图1所示，包括气体供给系统I、连续给料系统Ⅱ、还原炉Ⅲ和压力采集及处理系统Ⅳ；其中气体供给系统为空气压缩机1，连续给料系统为漏斗式的储料塔3；还原炉Ⅲ结构如图2所示，立体结构如图3所示，炉体侧壁上装配有压力传感器5，顶板上设有进料口9，底板上设有进气口，炉体内部设有布风板11，布风板11的上方为还原室12，布风板11的下方为风室15；压力采集及处理系统包括NI数据采集卡6和计算机7；空气压缩机1通过浮子流量计2与还原炉Ⅲ的进气口连通，储料塔3底端的设有放料阀的下料管插入还原炉Ⅲ顶部的进料口9，还原炉上部设有出料管10，出料管10下端与接料斗8相对应；压力传感器5与NI数据采集卡6装配在一起，NI数据采集卡6与计算机7装配在一起；

风室15分为流化风室13和松动风室14，流化风室13和松动风室14分别与一个空气压缩机1连通；

布风板11上均匀分布有小孔，孔径为12微米，布风板的开孔率为8％；

还原炉Ⅲ的炉体侧壁从上到下依次开设有测压孔16，其中还原室部分的测压孔为6个；测压孔16为外螺纹结构，每个测压孔16直接与压力传感器5连接构成一个测压点，各相邻的测压孔16的高度差相同；各测压孔16的轴线与还原炉Ⅲ的炉体轴线垂直相交；

压力传感器5为齐平膜片结构，直接与测压孔连接，接收的压力信号经差分放大器和输出放大器放大后，再经过V/A转换器的转换，转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号；

储料塔3和还原炉Ⅲ的材质为有机玻璃；

铁矿石悬浮焙烧炉中实时压力及颗粒浓度测量方法为：

向还原室内加入部分矿粉，使布风板上形成料封，防止气体向进料口反窜；

将其余矿粉置于储料塔中，通过放料阀标定进料的固体流率后，开启放料阀将矿粉加入到还原炉的还原室内，同时通过两个空气压缩机向风室通入空气，并通过浮子流量计控制空气流量；

在出料管开始排出物料时，通过测量单位时间内出料质量计算出出料的固体流率；当出料的固体流率与进料的固体流率相同时，即判定系统运行稳定；

启动计算机LabVIEW软件开始测量，此时压力传感器将压力信号转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号，然后通过NI数据采集卡将电流信号转化为数字信号，由计算机内的LabVIEW软件完成数据的检测、储存和分析；测量60s后停止运行；

通过获得不同测压点的绝对压力值，进而求得静压差；在忽略气固两相的加速度及阀体壁面的摩擦力之后，判定静压差是由两个测压点之间气固两相的重力造成的，按公式(3)计算出固体颗粒浓度；

选用放料的固体流率为20Kg/h～150Kg/h；

试验工作时采样频率0～500Hz，采样时间60s，测压点动态压力值按公式(4)计算；

选取的松动风量为0.4m³/h，流化风量为0.8m³/h～1.2m³/h，由浮子流量计控制调节；还原室长为150mm，宽度为50mm，左侧高为800mm，右侧高1000mm；6个轴向测压点间距为138mm；待运行一定时间后，还原室排料管恒定出料，可通过测量30s排料质量计算出固体流率，若排料量为240g～260g，便与给料量(理论排料量为250g/30s)相等，即此刻系统运行稳定，同时打开计算机Labview软件开始测量，测量1min后停止运行，输出数据后续进行处理；试验过程中人工加料控制储料塔内料位在一定高度以上，排出的物料均储存在接料斗中循环使用；

采用工作原理如图4所示；

在松动风量为0.4m³/h，流化风量为0.8m³/h～1.2m³/h的条件下，流化室6个测压点的相对压力变化情况如图6所示；

在松动风量为0.4m³/h，流化风量为0.8m³/h的条件下，流化室6个测压点的相对压力实时测量值如图7所示(测试时间：60s)；

根据上述数据处理方法，将测得的压力值代入式1.4，得出的不同轴向高度颗粒浓度随流化风变化曲线如图8所示。

实施例2

装置结构同实施例1，不同点在于：

布风板11上均匀分布有小孔，孔径为8微米，布风板的开孔率为6％；

还原室部分的测压孔为8个；

方法同实施例1。

实施例3

装置结构同实施例1，不同点在于：

布风板11上均匀分布有小孔，孔径为15微米，布风板的开孔率为10％；

还原室部分的测压孔为8个；

方法同实施例1。