(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011226543.7
(22)申请日 2020.11.06
(71)申请人 太原理工大学
地址 030024 山西省太原市万柏林区迎泽
西大街79号
(72)发明人 刘春莲 王晧 段小刚 张蕾蕾
(74)专利代理机构 太原市科瑞达专利代理有限
公司 14101
代理人 王思俊
(51)Int.Cl.
B09B 3/00(2006.01)
B09B 5/00(2006.01)
C22B 34/12(2006.01)
C22B 1/00(2006.01)
(54)发明名称一种赤泥综合利用方法及装置(57)摘要一种赤泥综合利用方法及装置，赤泥综合利用装置包括赤泥预处理装置、烘干赤泥仓、上料装置、大气微等离子体放电装置、赤泥处理腔、气体回收装置、出料装置、余热回收装置、研磨筛分装置、处理后赤泥仓、控制装置；赤泥综合利用方法包括将赤 泥进行预处理，蒸发去除水分后研磨；将所述赤泥送入赤泥处理腔中；启动大气微等离子体放电装置，将电磁能利用放电电源通过多相位电极输入赤泥处理腔中，处理后赤泥从处理后赤泥仓进入选矿装置，分别将赤泥中铁、钛选出，剩下部分作为耐火材料原料使用。本发明利用了大气等离子体放电产生的电子和活性粒子的碰撞激发轰击效应，将复合氧化物离解成容易分离的相对简单的氧化物，为后续选矿提供了便利，
快速而高效。权利要求书2页 说明书14页 附图8页CN 112547753 A 2021.03.26
C N 112547753
A
1.一种赤泥综合利用方法，其特征是包括以下内容：
（1）将赤泥进行预处理，蒸发去除水分后研磨；赤泥颗粒要求70~200目，水分≤5%；
（2）将所述赤泥送入赤泥处理腔；赤泥处理腔内设搅拌器或带式赤泥处理床，搅拌器在等离子体反应发生的同时对赤泥进行搅拌，保证等离子反应快速、均匀并方便赤泥出料；带式赤泥处理床使赤泥在发生等离子体反应同时随履带移动，反应结束后赤泥随履带进入出料装置；
（3）启动大气微等离子体放电装置，将电磁能利用放电电源通过多相位电极输入赤泥处理腔中，使赤泥处理腔内空气发生电离产生电子和高能带电粒子，电子和高能带电粒子与所述赤泥颗粒发生持续碰撞轰击，激发产生大量电子，高能粒子、自由基、亚稳态赤泥颗粒及带电赤泥颗粒并发生电离、复合及三体复合反应，使赤泥温度快速提高到600～1300℃，赤泥颗粒中复合氧化物快速裂解；
（4）反应结束后赤泥中赤铁矿及其他复杂氧化物根据赤泥成分的不同，经裂解反应后，变成了磁铁矿、TiO 2系列、Al 2O 3·SiO 2系列、CaO ·TiO 2系列以及气体Na 2O、CO 2、CO、H 2、游离H 2O；
（5）Na 2O、CO 2、CO、H 2、游离H 2O混合气用文氏管进行除尘收集, Na 2O、CO 2、游离H2O气体溶于水中，CO和H 2混合气回收成为燃气或用于赤泥预处理做燃料；
（6）处理完成后赤泥出料，出料时赤泥温度600 ~ 1300℃，赤泥余热经余热回收装置回收后输送到赤泥预处理装置用于烘干赤泥；
（7）当赤泥温度降到100~200℃时，赤泥进入研磨筛分装置，将赤泥筛分研磨成0.074~4mm颗粒并送入处理后赤泥仓；
（8）处理后赤泥从处理后赤泥仓进入选矿装置，先后通过重选、梯度磁选、浮选，酸洗、电选方法分别将赤泥中铁、钛选出成为高品位铁矿粉和高品位钛矿粉，剩下部分作为耐火材料原料使用。
2.用于权利要求1所述赤泥综合利用的一种赤泥综合利用装置，其特征是包括：赤泥预处理装置、烘干赤泥仓、上料装置、大气微等离子体放电装置、赤泥处理腔、气体回收装置、出料装置、余热回收装置、研磨筛分装置、处理后赤泥仓、控制装置；控制装置控制赤泥预处理装置、烘干赤泥仓、上料装置、大气微等离子体放电装置、赤泥处理腔、气体回收装置、出料装置、余热回收装置、研磨筛分装置、处理后赤泥仓；赤泥预处理装置连接烘干赤泥仓、烘干赤泥仓连接上料装置、上料装置连接赤泥处理腔、大气微等离子体放电装置连接赤泥处理腔、赤泥处理腔连接出料装置和气体回收装置、出料装置连接研磨筛分装置、出料装置连接余热回收装置、余热回收装置连接赤泥预处理装置、出料装置连接研磨筛分装置、研磨筛分装置连接处理后赤泥仓；所述赤泥预处理装置蒸发赤泥中水分，可利用热风加热方法处理，处理后赤泥的余热做辅助，加热过程中赤泥原料通过履带式或者隧道式或者滚筒输送并送入烘干赤泥仓中；赤泥预处理温度150~280℃，处理时间60min ~600min；烘干后赤泥水分小于5%，赤泥颗粒为70~200目；出料后赤泥放入赤泥仓中；所述上料装置利用超浓相输送装置上料或者真空上料，将赤泥输送到大气等离子体赤泥处理装置中；所述超浓相上料是经过流态化操作的赤泥床层转变成一种“气固两相”流体；烘干赤泥仓内赤泥的势能就通过这种“气固两相”流体向流动方向传递，并形成压力梯度，在各平衡料柱中形成不同高度的赤泥料柱，不同高度的赤泥料柱推动赤泥向料柱低的方向前进；超浓相输送装置输送能力
为10
~
300t/h ；流速＜ 0.28m/s ；压力范围：2000
~
8000Pa；所述真空上料利用负压吸送，真
空度控制在5
~90kPa, 每小时运送量1
~
300吨，功率0.25
~
90kW；所述大气微等离子体放电装
置包括放电电源、多相位电极及接地电极；放电电源功率50W
~300000W, 频率10Hz
~
6GHz,
电压1.0 KV
~70KV；多相位电极承接高压并和接地电极保持一定距离其间空气发生电离；
多相位电极和接地电极之间距离为1.0mm
~300mm之间；所述赤泥处理腔承接上料装置送来
的赤泥并保证将处理后赤泥输送出去；赤泥处理腔内可设搅拌器或者履带式赤泥处理床或者搅拌器来保证赤泥颗粒与空气等离子体充分接触碰撞，反应快速均匀；同时在赤泥处理结束后将赤泥推送到出料口；或者设带式赤泥处理床，赤泥在进行等离子体反应处理时随
带移动，反应结束后进入出料装置；搅拌器旋转速度1
~1000 r/min，履带移动速度0.1
~
20m/
min，赤泥处理时间为5
~600min，出料时赤泥温度600
~
1300℃；所述气体回收装置利用文氏
管处理方法处理赤泥处理过程中产生的气体，经气水分离后，其中Na
2O、CO
2、
游离H
2
O形成溶
液；余下CO和H
2
回收成为燃气；所述出料装置用斗式出料器或者螺旋输送机出料，斗式出料器或螺旋输送机设有保护罩以及余热回收装置收集高温烟气并将高温烟气除尘后送到赤泥预处理装置烘干赤泥；所述余热回收装置利用高温风机将高温烟气输送到赤泥预热装置，输送管道采用保温措施防止热量损失，消音措施防止噪音，高温风机可采用轴流式热循环风机或者离心式热风循环风机，除尘可以采用电除尘；所述研磨筛分装置利用漩涡方式或直线方式或跳汰方式或回转方式或摇摆方式或对辊方式对所述赤泥进行研磨筛分，振动
研磨筛分时振动频率为6
~700次/分钟，振幅2
~
50mm；研磨筛分后赤泥放入处理后赤泥仓中。
一种赤泥综合利用方法及装置技术领域
[0001]本发明涉及冶金固废及再利用领域，具体涉及一种赤泥综合利用的方法及装置。背景技术
[0002]仅2019年世界氧化铝产量为16230万吨，我国产量占其中的44.6%，赤泥作为氧化铝工业生产中的排放物，赤泥平均粒度小于10µm， pH值达12～14，具有强烈的腐蚀性，排放量大约是氧化铝产量的1~1.5倍，巨大排放量的赤泥已然成为一大公害。。
[0003]当前氧化铝生产企业对赤泥的处理方式主要是赤泥库堆存，赤泥库在铝厂开建时就同步建设，30万吨赤泥库建造费用就高达4200万RMB ，建设赤泥库占用大量的土地，耗资巨大，日常维护费用以数千万计，氧化铝生产企业不堪重负。一旦赤泥库泄露就会污染周边农田，使土壤重金属严重超标，更有氧化铝生产企业因赤泥库环保问题导致企业停产事件。
[0004]世界各国对赤泥研究非常重视，赤泥无害化处理和再利用的方法不下几十种，大体主要集中在煅烧无害化处理、作建筑和结构材料，水泥、陶瓷材料等方面，但由于成本和处理量限制，很难大规模推广。
发明内容
[0005]本发明旨在通过等离子体放电原理产生常压大气等离子体，利用等离子中电子、活性粒子和自由基与赤泥颗粒碰撞、激发、裂解、复合，将赤泥中复合氧化物解离变成相对
简单的氧化物。反应后气体经回收为燃气，
钠以氧化物形式在高温下挥发并随气体排出。剩下的氧化物利用选矿生产高品位铁矿粉、钛矿粉以及耐火材料、水泥原料，变废为宝，低成本一次性实现赤泥的综合利用。
[0006]一种赤泥综合利用方法，包括以下步骤：
1、将赤泥进行预处理，蒸发去除水分后研磨。赤泥颗粒要求70~200目，水分≤5%；
2、将所述赤泥送入赤泥处理腔中；
3、启动大气微等离子体放电装置，将电磁能利用放电电源通过多相位电极输入赤
泥处理腔中，使赤泥处理腔内空气发生电离产生电子和高能带电粒子，电子和高能带电粒子与所述赤泥颗粒发生持续碰撞轰击，激发产生大量电子，高能粒子、自由基、亚稳态赤泥颗粒及带电赤泥颗粒并发生电离、复合及三体复合反应，使赤泥温度快速提高到600～1300℃，赤泥颗粒中复合氧化物快速裂解；
3‑1、优选地，赤泥处理腔包括腔体，腔体内设搅拌器，在等离子体反应发生的同时
对赤泥进行搅拌，保证等离子反应快速、均匀并方便赤泥出料；
3‑2、优选地，或者赤泥处理腔内设置带式赤泥处理床，赤泥在发生等离子体反应
同时随履带移动，反应结束后赤泥随履带进入出料装置；
4、反应结束后赤泥中赤铁矿及其他复杂钠铝硅钛等氧化物根据赤泥成分的不同，经裂解反应后，变成了磁铁矿、TiO 2系列、Al 2O 3·SiO 2系列、CaO ·TiO 2系列以及气体Na 2O、CO 2、CO、H 2、游离H 2O；
5、Na 2O、CO 2、CO、H 2、游离H 2O混合气用文氏管进行除尘收集, Na 2O、CO 2、游离H2O气
体溶于水中，CO和H 2混合气回收成为燃气或用于赤泥预处理做燃料；
6、处理完成后赤泥出料，出料时赤泥温度600 ~ 1300℃，赤泥余热经余热回收装
置回收后输送到赤泥预处理装置用于烘干赤泥；
7、当赤泥温度降到100~200℃时，赤泥进入研磨筛分装置，将赤泥筛分研磨成
0.074~4mm颗粒并送入处理后赤泥仓；
8、处理后赤泥从处理后赤泥仓进入选矿装置，先后通过重选、梯度磁选、浮选，酸
洗、电选等方法分别将赤泥中铁、钛选出成为高品位铁矿粉和高品位钛矿粉，剩下部分作为耐火材料原
料使用。
[0007]9、整个流程用PLC或AI人工智能进行控制，保证各个工序连续有序并保证配合适当。
[0008]在常温常压下，调整放电电源电压、频率和功率及相位差，使赤泥处理腔中产生均匀大气等离子体放电，电子和带电粒子与所述赤泥颗粒发生持续碰撞轰击进一步产生大量电子和高能粒子，这种等离子体电子密度非常高可达到1016cm ‑3，几乎可以达到弧光放电水平，大量运动的电子和高能粒子相互碰撞，激发，产生更多的高能电子、带电粒子、激发态粒子以及亚稳态粒子，如：
O 2→O 2＋+ e －
N 2→N 2＋+ e －
N 2 →N+N ＋+ e －
O 2→O+O ＋ + e －
N+ e －*→N *+ e －
O+ e － → O －
O ++ N * → O+ N +
以上高能电子、带电粒子、激发态粒子以及亚稳态粒子与赤泥颗粒碰撞，赤泥颗粒
内电子被激发出来变成带正电颗粒或者吸收电子能量变成亚稳态颗粒或者捕获电子成带负电颗粒，它们相互间持续碰撞轰击，赤泥中复合化合物中的C ‑H键、O ‑O键、O ‑H键、C ‑O键、Fe ‑O键及一些络合键吸收了大量电子能量以及高能粒子能量，发生了活化、电子捕收和离子化。根据键裂解能的不同, 键离解能较低的C ‑H键、O ‑H键、Fe ‑O、Na ‑O键离解，使复合氧化物离解成相对简单、容易分离的Fe 3O 4、Al 2O 3·SiO 2等、CaO ·TiO 2、TiO 2以及气体Na 2O、CO 2、CO、H 2。同时由于大量电子及各种离子的轰击及离解反应，赤泥温度提高到了600 ~ 1300℃，Na在高温下挥发过程中反应生成Na 2O随烟气排出，通过回收装置进行回收及处理。反应结束后，赤泥进行下一步选矿处理。
[0009]一种赤泥综合利用装置，包括：赤泥预处理装置、烘干赤泥仓、上料装置、大气微等离子体放电装置、赤泥处理腔、气体回收装置、出料装置、余热回收装置、研磨筛分装置、处理后赤泥仓、控制装置；
控制装置控制赤泥预处理装置、烘干赤泥仓、上料装置、大气微等离子体放电装
置、赤泥处理腔、气体回收装置、出料装置、余热回收装置、研磨筛分装置、处理后赤泥仓；
赤泥预处理装置连接烘干赤泥仓、烘干赤泥仓连接上料装置、上料装置连接赤泥
处理腔、大气微等离子体放电装置连接赤泥处理腔、赤泥处理腔连接出料装置和气体回收
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