利用氫氣豎爐溼法自重整直接還原紅土鎳礦的系統和方法與流程

2023-06-03 09:08:56 1

本發明涉及紅土鎳礦冶煉領域，具體涉及一種利用氫氣豎爐溼法自重整直接還原紅土鎳礦的系統和方法。

背景技術：

目前，全球礦山鎳產量的60％來源於硫化鎳礦，40％來源於紅土鎳礦。在全球鎳礦2.2億噸的儲量中，紅土鎳礦約佔70％。隨著硫化鎳礦資源的不斷減少和紅土鎳礦冶煉技術的不斷進步，利用紅土鎳礦生產鎳的比重不斷增加。

針對不同的紅土鎳礦具有火法工藝、溼法工藝、火溼法結合工藝及其他工藝。其中，火法工藝流程短、效率高、處理規模大，是處理紅土鎳礦的主導工藝。其中，高爐冶煉和電爐冶煉是傳統工藝流程。高爐冶煉產能大，但是投資高、生產成本高、流程長、汙染重。電爐冶煉能耗的80％以上需要電能提供，能耗高。

基於上述火法冶煉存在的缺點，冶金工作者開發了非傳統流程工藝，包括迴轉窯法和轉底爐法。迴轉窯法投資小、工藝簡單，但是產能小，佔地面積大，自動化程度不高。而轉底爐法投資大，產能小，工藝複雜。並且，該兩種工藝均採用煤基還原，為強還原性氣氛，無法控制礦石中鐵和鎳的金屬化率，導致產品質量低，原料適應性小。

氫氣豎爐工藝還原氣氛可控，單臺設備產能大，自動化程度高，適於大規模處理紅土鎳礦，生產高品質鎳鐵合金。但是，紅土鎳礦的礦相結構與鐵精礦差別很大，普通的氫氣豎爐直接還原技術不能直接應用於紅土鎳礦冶煉。因此，開發適合紅土鎳礦冶煉的氫氣豎爐直接還原技術，成為實現紅土鎳礦高效利用的關鍵。

現有技術一公開了利用天然氣催化轉化生產氣基直接還原鐵的方法和系統。該技術將天然氣和淨化尾氣混合後在催化轉化爐內加熱到1100℃～1800℃，並在催化劑的作用下製取(H2+CO)≥90％的合成還原氣，並控制氣體出口溫度為850℃～1050℃，然後通入豎爐生產直接還原鐵。但是，還原氣體加熱和催化轉化在同一反應器內進行，切催化轉化反應為強吸熱反應，需要很高的溫度，而進入豎爐的合成還原氣的溫度要求沒有那麼高，需要調節溫度措施進行調控合成還原氣的溫度，導致整條工藝路線能耗高。且催化劑價格昂貴，在長期反覆使用過程中，存在析碳反應導致催化劑容易失活，這些因素都導致該工藝生產成本高。

現有技術二公開了用焦爐煤氣生產直接還原鐵短流程工藝。該技術將焦爐煤氣加熱到930℃，向其中噴吹純氧，將焦爐煤氣的溫度提高到1050℃，然後進入豎爐。在豎爐內，高溫的焦爐煤氣在鐵觸媒的催化作用下，發生自重整反應，產生H2和CO，進而還原氧化球團，生產直接還原鐵。但是，在豎爐內進行自重整時，利用的的催化劑為鐵基催化劑，催化效果差，甲烷裂解率低，導致還原氣體中(H2+CO)≤90％，因此直接還原鐵的生產效率低，質量不高。

技術實現要素：

本發明旨在結合紅土鎳礦的礦相特點，開發出一種適於紅土鎳礦的氫氣豎爐直接還原冶煉技術，該技術成本更低，效率更高。

本發明公開了一種氫氣豎爐溼法自重整直接還原冶煉紅土鎳礦的系統，所述系統包括脫硫脫碳裝置、加溼器、加熱爐、氫氣豎爐。

所述脫硫脫碳裝置具有還原氣入口、脫硫脫碳還原氣出口。

所述加溼器具有脫硫脫碳還原氣入口、加溼還原氣出口。其中，所述脫硫脫碳還原氣入口與所述脫硫脫碳裝置的脫硫脫碳還原氣出口連接。

所述加熱爐具有加溼還原氣入口、熱還原氣出口。其中，所述加溼還原氣入口與所述加溼器的加溼還原氣出口連接。

所述氫氣豎爐具有紅土鎳礦入口、熱還原氣入口、還原金屬球團出口、出氣口。其中，所述熱還原氣入口與所述加熱爐的熱還原氣出口連接。

上述的系統中，還包括洗滌冷卻裝置，其具有進氣口、冷卻氣出口。所述進氣口與所述氫氣豎爐的出氣口連接，所述冷卻氣出口與所述加熱爐的冷卻氣入口連接。

上述的系統中，還包括壓縮機，其具有冷卻氣入口，壓縮冷卻氣出口。所述冷卻氣入口與所述洗滌冷卻裝置的冷卻氣出口連接，壓縮冷卻氣出口與所述脫硫脫碳裝置的壓縮冷卻氣入口連接。

優選的，所述紅土鎳礦入口設置在所述氫氣豎爐的頂部；所述熱還原氣入口設置在所述氫氣豎爐的中部；所述出氣口設置在所述氫氣豎爐的頂部；所述還原金屬球團出口設置在所述氫氣豎爐的底部。

本發明還公開了一種利用上述系統直接還原冶煉紅土鎳礦的的方法，包括步驟：

所述還原氣經由所述脫硫脫碳裝置進行脫硫脫碳處理後，送入所述加溼器中，向其中加入水蒸氣，得到的加溼還原氣送入所述加熱爐中加熱，得到熱還原氣。

將所述熱還原氣送入所述氫氣豎爐中，並向所述氫氣豎爐中加入鐵和鎳作為催化劑，所述熱還原氣在所述鐵和鎳的催化作用下發生自重整反應，得到合成還原氣。

向所述氫氣豎爐中加入紅土鎳礦，所述紅土鎳礦與所述合成還原氣接觸發生還原反應，得到還原金屬球團，所述還原金屬球團中含有的鐵和鎳作為所述自重整反應的催化劑。

上述直接還原冶煉紅土鎳礦的的方法中，還包括步驟：所述合成還原氣發生還原反應後經由所述氫氣豎爐頂部的所述出氣口排出，並送入所述洗滌冷卻裝置中進行洗滌冷卻後，得到冷卻氣。將所述冷卻氣送入所述加熱爐中，和，將所述冷卻氣送入所述脫硫脫碳裝置中。

上述直接還原冶煉紅土鎳礦的的方法中，所述熱還原氣的溫度為850～1050℃。

上述直接還原冶煉紅土鎳礦的的方法中，所述紅土鎳礦中鎳的質量含量為0.5～3％，鐵的質量含量為10～50％。

上述直接還原冶煉紅土鎳礦的的方法中，所述合成還原氣中H2和CO的體積比≥90％；且H2與CO的比例為2.0～4.0。

上述直接還原冶煉紅土鎳礦的的方法中，所述還原反應的時間為2～4h。

本發明結合紅土鎳礦的特點，採用還原氣溼重整技術，利用紅土鎳礦自身還原產生的金屬鐵和金屬鎳為催化劑，與單獨使用金屬鐵為催化劑相比，節約了成本，自重整效率大大提高。而且避免了催化劑長期循環使用時由於析碳原因造成的催化劑失活現象。同時，合成還原氣中有效成分H2和CO的含量增加，提高了紅土鎳礦的冶煉效率。

附圖說明

圖1為本發明利用氫氣豎爐溼法自重整直接還原紅土鎳礦的系統示意圖。

圖2為本發明實施例中利用圖1所示的系統溼法自重整直接還原紅土鎳礦的方法流程示意圖。

附圖中的附圖標記圖如下：

1、脫硫脫碳裝置；2、加溼器；3、加熱爐；4、氫氣豎爐；5、洗滌冷卻裝置；6、壓縮機。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案以及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。

如圖1所示，為本發明利用氫氣豎爐溼法自重整直接還原紅土鎳礦的系統示意圖。該系統包括脫硫脫碳裝置1、加溼器2、加熱爐3、氫氣豎爐4、洗滌冷卻裝置5、壓縮機6。其中，各裝置的連接關係如下：

脫硫脫碳裝置1用於對還原氣進行脫硫脫碳處理，其具有還原氣入口、壓縮冷卻氣入口、脫硫脫碳還原氣出口。

加溼器2用於向經脫硫脫碳後的還原氣中加入水蒸氣，其具有脫硫脫碳還原氣入口、加溼還原氣出口。其中，脫硫脫碳還原氣入口與脫硫脫碳裝置1的脫硫脫碳還原氣出口連接。

加熱爐3用於對加溼後的還原氣進行加熱，其具有加溼還原氣入口、冷卻氣入口、熱還原氣出口。其中，該加溼還原氣入口與加溼器2的加溼還原氣出口連接。

氫氣豎爐4用於紅土鎳礦的直接還原冶煉，頂部設置有受料鬥，用於接收紅土鎳礦原料，底部設置有排料鬥，用於排出固體產物。氫氣豎爐4具有紅土鎳礦入口、熱還原氣入口、還原金屬球團出口、出氣口。其中，熱還原氣入口設置在氫氣豎爐4的中部，與加熱爐3的熱還原氣出口連接。並且，紅土鎳礦入口位於氫氣豎爐4的頂部，與受料鬥相通。還原金屬球團出口設置在氫氣豎爐4的底部，與排料鬥相通。出氣口設置在氫氣豎爐4的頂部。

洗滌冷卻裝置5用於接收由氫氣豎爐4排出的發生還原反應後的合成還原氣，對其進行洗滌冷卻處理，其具有進氣口、冷卻氣出口。其中，進氣口與氫氣豎爐4的出氣口連接，冷卻氣出口與加熱爐3的冷卻氣入口連接。

壓縮機6用於接收由洗滌冷卻裝置5排出的冷卻氣，其具有冷卻氣入口、壓縮冷卻氣出口。其中，冷卻氣入口與洗滌冷卻裝置5的冷卻氣出口連接，壓縮冷卻氣出口與脫硫脫碳裝置1的壓縮冷卻氣入口連接。

如圖2所示，為本發明利用圖1所示的系統溼法自重整直接還原紅土鎳礦的方法流程示意圖。包括如下步驟：

(1)還原氣自重整

將還原氣輸送至脫硫脫碳裝置1中，脫除其中的硫和二氧化碳，得到脫硫脫碳還原氣。本發明中，還原氣為天然氣、焦爐煤氣、煤炭中低溫乾餾煤氣等，其中含有一定量的CH4。

然後，將脫硫脫碳還原氣送入加溼器2中。在加溼器2中，向經脫硫脫碳後的還原氣中加入水蒸氣，得到加溼還原氣。並且，控制水蒸氣與脫硫脫碳還原氣中CH4的體積比為0.5～1.0。其中，加溼器2中所用水蒸氣可以為鍋爐產生的水蒸氣，或是利用氫氣豎爐4頂部的出氣口排出氣體的餘熱產生的水蒸氣，以及其它來源的水蒸氣。

然後，將加溼還原氣送入加熱爐3中，並加熱至850～1050℃，得到的熱還原氣經由氫氣豎爐4中部的熱還原氣入口進入氫氣豎爐4中。紅土鎳礦氧化球團經由氫氣豎爐4頂部的受料鬥通過紅土鎳礦入口連續送入氫氣豎爐4中。本發明選用的紅土鎳礦氧化球團中，鎳的質量含量為0.5～3％，鐵的質量含量為10～50％。

在鐵和鎳為催化劑的條件下，熱還原氣在氫氣豎爐4中發生裂解和自重整反應。由於熱還原氣中含有一定量的水分，該過程發生的自重整反應的主要反應方程式為：CH4+H2O＝CO+3H2。同時，由於還原氣已經由脫硫脫碳裝置1進行脫除二氧化碳的處理，固還原氣中僅含有少量的二氧化碳，因此會發生副反應：CH4+CO2＝2CO+2H2。

通過上述裂解和自重整反應，可得到合成還原氣。其中，H2和CO的體積佔合成還原氣總體積的90％以上(包括90％)。並且，通過控制加溼器2中水蒸氣的加入量和脫硫脫碳過程剩餘CO2的量，使得本發明製備的合成還原氣中，H2與CO的比例為2.0～4.0。

(2)直接還原冶煉紅土鎳礦

上述步驟得到的合成還原氣在氫氣豎爐4中向上運動。在氫氣豎爐4上部，合成還原氣對紅土鎳礦氧化球團進行加熱。紅土鎳礦氧化球團在氫氣豎爐4中自上而下運動，在氫氣豎爐4上部與向上運行的合成還原氣接觸，被合成還原氣直接還原。紅土鎳礦氧化球團發生直接還原反應，得到還原金屬球團，其中含有金屬鐵和金屬鎳，可作為熱還原氣自重整反應的催化劑。本發明中，控制還原冶煉的時間為2～4h。

在氫氣豎爐4下部，還原金屬球團發生滲碳反應，並進行冷卻後，通過氫氣豎爐4底部的排料鬥經由還原金屬球團出口排出。

(3)合成還原氣還原後的利用

上述步驟中，合成還原氣在氫氣豎爐4中完成還原反應後，經由氫氣豎爐4頂部的出氣口排出。然後，將其送入洗滌冷卻裝置5中，經洗滌冷卻並除塵後，得到的冷卻氣可分成兩部分。一部分冷卻氣送入壓縮機6中經壓縮後得到壓縮冷卻氣，然後送入脫硫脫碳裝置1中與還原氣混合，進行循環利用。另一部分冷卻氣送入加熱爐3中，作為燃料燃燒使用。

本發明中，採用加熱爐3代替傳統工藝中的重整爐。傳統工藝中，是將催化劑加入到重整爐中。其中，催化劑是單獨購買的，價格比較昂貴。並且，在重整爐中由於還原氣的存在，易使催化劑發生析碳反應，最終失去催化活性。本發明採用加熱爐3，僅僅起到加熱的作用，催化劑是由紅土鎳礦原料在氫氣豎爐4中發生還原反應生成鐵和鎳得到的。在反應過程中，即使催化劑發生析碳反應，也會作為最終的產物運行到氫氣豎爐4的底部，並排出爐外。並且，本發明中，紅土鎳礦氧化球團是以連續的形式加入到氫氣豎爐4中的。即，反應過程中的催化劑是連續產生的新催化劑，不會存在已經使用過的催化劑。反應最終得到的還原金屬球團，既可作為催化劑還可作為本發明的產物。

實施例1

選用天然氣作為還原氣。天然氣經脫硫、脫二氧化碳後送入加溼器，在加溼器中向脫硫脫碳還原氣中加入水蒸氣。其中水蒸氣與脫硫脫碳還原氣中CH4的體積比為0.7。然後，將加溼還原氣送入加熱爐中，加熱至1050℃。然後通過氫氣豎爐中部的熱還原氣入口送入氫氣豎爐中。紅土鎳礦氧化球團經氫氣豎爐頂部的受料鬥送入。其中，紅土鎳礦氧化球團中，鎳的質量含量為0.8％，鐵的質量含量為35％。熱還原氣進入氫氣豎爐中後，在鐵和鎳為催化劑的條件下，通過裂解和自重整反應，製取合成還原氣，其中H2和CO的體積分數為93％。且H2/CO為2.7。合成還原氣向上運動，在氫氣豎爐上部加熱、還原自上而下運動的紅土鎳礦氧化球團，還原時間為3h。在氫氣豎爐下部，還原金屬球團發生滲碳反應，並經冷卻後，通過底部的排料鬥排出。合成還原氣完成還原反應後從氫氣豎爐頂部的出氣口排出，經洗滌冷卻、除塵處理。然後將冷卻氣分成兩部分：一部分經壓縮機壓縮後與還原氣混合，進行循環利用；另一部分送至加熱爐中作為燃料。

實施例2

選用天然氣作為還原氣。天然氣經脫硫、脫二氧化碳後送入加溼器，在加溼器中向脫硫脫碳還原氣中加入水蒸氣。其中水蒸氣與脫硫脫碳還原氣中CH4的體積比為0.7。然後，將加溼還原氣送入加熱爐中，加熱至1050℃。然後通過氫氣豎爐中部的熱還原氣入口進入氫氣豎爐中。紅土鎳礦氧化球團經氫氣豎爐頂部的受料鬥送入。其中，紅土鎳礦氧化球團中，鎳的質量含量為1.7％，鐵的質量含量為20％。熱還原氣進入氫氣豎爐中後，在鐵和鎳為催化劑的條件下，通過裂解和自重整反應，製取合成還原氣，其中H2和CO的體積分數為95％。且H2/CO為2.7。合成還原氣向上運動，在氫氣豎爐上部加熱、還原自上而下運動的紅土鎳礦氧化球團，還原時間為3h。在氫氣豎爐下部，還原金屬球團發生滲碳反應，並經冷卻後，通過底部的排料鬥排出。合成還原氣完成還原反應後從氫氣豎爐頂部的出氣口排出，經洗滌冷卻、除塵處理。然後將冷卻氣分成兩部分：一部分經壓縮機壓縮後與還原氣混合，進行循環利用；另一部分送至加熱爐中作為燃料。

實施例3

選用焦爐煤氣作為還原氣。焦爐煤氣經脫硫、脫二氧化碳後送入加溼器，在加溼器中向脫硫脫碳還原氣中加入水蒸氣。其中水蒸氣與脫硫脫碳還原氣中CH4的體積比為0.7。然後，將加溼還原氣送入加熱爐中，加熱至950℃。然後通過氫氣豎爐中部的熱還原氣入口進入氫氣豎爐中。紅土鎳礦氧化球團經氫氣豎爐頂部的受料鬥送入。其中，紅土鎳礦氧化球團中，鎳的質量含量為1.7％，鐵的質量含量為20％。熱還原氣進入氫氣豎爐中後，在鐵和鎳為催化劑的條件下，通過裂解和自重整反應，製取合成還原氣，其中H2和CO的體積分數為93％。且H2/CO為3.0。合成還原氣向上運動，在氫氣豎爐上部加熱、還原自上而下運動的紅土鎳礦氧化球團，還原時間為2h。在豎爐下部，還原金屬球團發生滲碳反應，並經冷卻後，通過豎爐底部的排料鬥排出。合成還原氣完成還原反應後從氫氣豎爐頂部的出氣口排出，經洗滌冷卻、除塵處理。然後將冷卻氣分成兩部分：一部分經壓縮機壓縮後與還原氣混合，進行循環利用；另一部分送至加熱爐中作為燃料。

實施例4

選用焦爐煤氣作為還原氣。焦爐煤氣經脫硫、脫二氧化碳後送入加溼器，在加溼器中向脫硫脫碳還原氣中加入水蒸氣。其中水蒸氣與脫硫脫碳還原氣中CH4的體積比為0.5。然後，將加溼還原氣送入加熱爐中，加熱至1000℃。然後通過氫氣豎爐中部的熱還原氣入口進入氫氣豎爐中。紅土鎳礦氧化球團經氫氣豎爐頂部的受料鬥送入。其中，紅土鎳礦氧化球團中，鎳的質量含量為3.0％，鐵的質量含量為10％。熱還原氣進入氫氣豎爐中後，在鐵和鎳為催化劑的條件下，通過裂解和自重整反應，製取合成還原氣，其中H2和CO的體積分數為94％。且H2/CO為2.0。合成還原氣向上運動，在氫氣豎爐上部加熱、還原自上而下運動的紅土鎳礦氧化球團，還原時間為2h。在豎爐下部，還原金屬球團發生滲碳反應，並經冷卻後，通過豎爐底部的排料鬥排出。合成還原氣完成還原反應後從氫氣豎爐頂部的出氣口排出，經洗滌冷卻、除塵處理。然後將冷卻氣分成兩部分：一部分經壓縮機壓縮後與還原氣混合，進行循環利用；另一部分送至加熱爐中作為燃料。

實施例5

選用煤炭中低溫乾餾煤氣作為還原氣。中低溫乾餾煤氣經脫硫、脫二氧化碳後送入加溼器，在加溼器中向脫硫脫碳還原氣中加入水蒸氣。其中水蒸氣與脫硫脫碳還原氣中CH4的體積比為1.0。然後，將加溼還原氣送入加熱爐中，中低溫乾餾煤氣經脫硫後進入加熱爐中，加熱至850℃。然後通過氫氣豎爐中部的熱還原氣入口進入氫氣豎爐中。紅土鎳礦氧化球團經氫氣豎爐頂部的受料鬥送入。其中，紅土鎳礦氧化球團中，鎳的質量含量為0.5％，鐵的質量含量為50％。熱還原氣進入氫氣豎爐中後，在鐵和鎳為催化劑的條件下，通過裂解和自重整反應，製取合成還原氣，其中H2和CO的體積分數為92％。且H2/CO為4.0。合成還原氣向上運動，在氫氣豎爐上部加熱、還原自上而下運動的紅土鎳礦氧化球團，還原時間為4h。在豎爐下部，還原金屬球團發生滲碳反應，並經冷卻後，通過豎爐底部的排料鬥口排出。合成還原氣完成還原反應後從氫氣豎爐頂部的出氣口排出，經洗滌冷卻、除塵處理。然後將冷卻氣分成兩部分：一部分經壓縮機壓縮後與還原氣混合，進行循環利用；另一部分送至加熱爐中作為燃料。

最後應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之中。