一種天然氣三重整還原紅土鎳礦球團的系統和方法與流程

2023-07-31 06:39:41

本發明涉及一種天然氣三重整還原紅土鎳礦球團的系統和方法。

背景技術：

紅土鎳礦是由含鐵鎂矽酸鹽礦物的超鎂鐵質巖經長期風化變質形成的，上層是褐鐵礦類型，主要由鐵的氧化物組成；中間為過渡層；下層是矽鎂鎳礦層。紅土鎳礦資源豐富，採礦成本低，選冶工藝趨於成熟，可生產氧化鎳、鎳鐵等多種中間產品，是未來鎳資源的主要來源。目前，處理紅土鎳礦的工藝包括：火法工藝、溼法工藝、火溼結合工藝。

火法工藝用於處理高鎂低鐵紅土鎳礦，主要產品是鎳鐵合金，能夠直接應用於不鏽鋼生產。火法工藝處理紅土鎳礦生產鎳鐵合金具有流程短、效率高等優點，但能耗較高。溼法工藝主要用於處理中低品位的紅土鎳礦，其成本比火法工藝低。但是，溼法工藝比較複雜、流程長、工藝條件對設備要求高。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種天然氣三重整處理紅土鎳礦球團的系統和方法，能夠選擇性還原紅土鎳礦球團，使鎳全部還原，鐵部分還原。

本發明提出了一種天然氣三重整後還原紅土鎳礦球團的系統，包括豎爐、降溫除塵器、預熱器、加熱器、燃燒器。

所述豎爐具有紅土鎳礦球團入口、還原氣入口、海綿鐵出口、爐頂氣出口。

所述降溫除塵器具有爐頂氣入口、第一氣體出口、第二氣體出口。所述爐頂氣入口與所述豎爐的爐頂氣出口連接。

所述預熱器具有混合氣入口、預熱混合氣出口。所述混合氣入口與所述降溫除塵器的第一氣體出口連接。

所述加熱器具有預熱混合氣入口、升溫混合氣出口。所述預熱混合氣入口與所述預熱器的預熱混合氣出口連接。

所述燃燒器具有氧氣入口、升溫混合氣入口、還原氣出口。所述升溫混合氣入口與所述加熱器的升溫混合氣出口連接。所述還原氣出口與所述豎爐的還原氣入口連接。

進一步的，所述加熱器設置有第二氣體入口、煙氣出口。所述第二氣體入口與所述降溫除塵器的第二氣體出口連接。

所述預熱器設置有煙氣入口。所述煙氣入口與所述加熱器的煙氣出口連接。

上述的系統中，還包括第一壓縮器、第二壓縮器。

所述第一壓縮器用於壓縮第一氣體，具有第一氣體入口、第一壓縮氣體出口。所述第一氣體入口與所述降溫除塵器的第一氣體出口連接，所述第一壓縮氣體出口與所述預熱器的混合氣入口連接。

所述第二壓縮器用於壓縮天然氣，具有天然氣入口、壓縮天然氣出口。所述壓縮天然氣出口與所述預熱器的混合氣入口連接。

本發明還提出了一種利用上述系統由天然氣三重整還原紅土鎳礦球團的方法，包括步驟：

所述豎爐排出的爐頂氣經所述降溫除塵器處理後，分為第一氣體和第二氣體。

所述第一氣體與所述天然氣混合，得到混合氣。

將所述混合氣送入所述預熱器中預熱，得到預熱混合氣。

將所述預熱混合氣送入所述加熱器中加熱，得到升溫混合氣。

將所述升溫混合氣送入所述燃燒器中，並向所述燃燒器中通入氧氣，所述燃燒器中發生部分氧化反應，得到還原氣。

將所述還原氣送入所述豎爐中，所述還原氣與所述豎爐中的紅土鎳礦球團發生雙重整、還原、滲碳反應，得到海綿鐵。

進一步的，將所述第二氣體通入所述加熱器中作為燃料氣。

進一步的，將所述加熱器中的燃料氣燃燒產生的煙氣送入所述預熱器中作為預熱氣。

上述由天然氣三重整後還原紅土鎳礦球團的方法中，所述第一氣體的體積佔所述爐頂氣總體積的60～70％。所述第二氣體的體積佔所述爐頂氣總體積的30～40％。

進一步的，所述還原氣的溫度為950～1050℃。

進一步的，所述還原氣中co和h2的體積佔所述還原氣總體積的30～40％。

進一步的，所述紅土鎳礦球團中，鎳的質量含量為0.8～1.5％。

本發明可避免甲烷重整爐和鎳基催化劑的消耗費用。並且，本發明採用豎爐還原紅土鎳礦，可以充分利用爐頂氣中的二氧化碳和水蒸汽，作為甲烷重整反應的重整劑。通過過量的二氧化碳和水蒸汽，可控制還原氣的還原能力，選擇性的還原紅土鎳礦球團，使其中的鎳全部還原，鐵部分還原，得到高品位的鎳鐵合金。採用豎爐工藝，可避免迴轉窯預還原過程易結圈，以及還原度難以控制的技術問題。並且，豎爐工藝選用氣基還原，可有效降低鎳鐵合金中的硫、磷等雜質元素。

本發明中，將爐頂氣作為加熱器的燃料氣，並將燃燒產生的高溫煙氣作為預熱混合氣的預熱氣，實現了能量的回收利用，降低能耗。

本發明中，使用少量氧氣對加熱後的甲烷進行部分氧化反應，可有效降低混合氣中甲烷的含量，增加其中co和h2的佔比，有利於豎爐中還原反應的進行。

附圖說明

圖1為本發明中天然氣三重整後還原紅土鎳礦球團的系統示意圖。

圖2為本發明利用圖1所示的系統由天然氣三重整後還原紅土鎳礦球團的方法流程示意圖。

附圖中的附圖標記如下：

1、豎爐；2、降溫除塵器；3、第一壓縮器；4、第二壓縮器；5、預熱器；6、加熱器；7、燃燒器。

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。

本發明首先公開了一種天然氣三重整後還原紅土鎳礦球團的系統，如圖1所示。

本發明的系統中包括豎爐1、降溫除塵器2、預熱器5、加熱器6、燃燒器7。

豎爐1具有紅土鎳礦球團入口、還原氣入口、海綿鐵出口、爐頂氣出口。

降溫除塵器2具有爐頂氣入口、第一氣體出口、第二氣體出口。其中，爐頂氣入口與豎爐1的爐頂氣出口連接。

預熱器5具有混合氣入口、煙氣入口、預熱混合氣出口。其中，混合氣入口與降溫除塵器2的第一氣體出口連接。

加熱器6具有預熱混合氣入口、第二氣體入口、天然氣入口、升溫混合氣出口、煙氣出口。其中，預熱混合氣入口與預熱器5的預熱混合氣出口連接。第二氣體入口與降溫除塵器2的第二氣體出口連接。煙氣出口與預熱器5的煙氣入口連接。

燃燒器7具有氧氣入口、升溫混合氣入口、還原氣出口。其中，升溫混合氣入口與加熱器6的升溫混合氣出口連接。還原氣出口與豎爐1的還原氣入口連接。

在本發明的不同實施例中，還包括第一壓縮器3、第二壓縮器4。

第一壓縮器3用於壓縮第一氣體。其具有第一氣體入口、第一壓縮氣體出口。其中，第一氣體入口與降溫除塵器2的第一氣體出口連接。第一壓縮氣體出口與預熱器5的混合氣入口連接。

第二壓縮器4用於壓縮天然氣。其具有天然氣入口、壓縮天然氣出口。其中，壓縮天然氣出口與預熱器5的混合氣入口連接。

利用圖1所示的系統，本發明還提出了一種由天然氣三重整後還原紅土鎳礦球團的方法。所述方法的流程示意圖如圖2所示，包括如下步驟：

(1)豎爐1頂部排出的爐頂氣送入降溫除塵器2中。爐頂氣經降溫除塵後，分為兩部分：第一氣體和第二氣體。第一氣體的體積佔爐頂氣總體積的60～70％。第二氣體的體積佔爐頂氣總體積的30～40％。爐頂氣中，co和h2的體積佔爐頂氣總體積的百分數≤25％。

(2)將第一氣體與天然氣混合，得到混合氣。其中，天然氣的主要成分為甲烷。混合氣送入預熱器5中預熱，得到預熱混合氣。預熱混合氣的溫度為200～300℃。

預熱混合氣送入加熱器6中加熱，得到升溫混合氣。升溫混合氣的溫度為700～800℃。

升溫混合氣送入燃燒器7中，並向燃燒器7中通入氧氣。燃燒器7中發生部分氧化反應，得到還原氣。還原氣的溫度為950～1050℃。並且，還原氣中co和h2的體積佔還原氣總體積的30～40％。

混合氣中的甲烷與氧氣在燃燒器7中發生部分氧化反應，生成co和h2，即為一重整反應，可得到還原氣。

將還原氣送入豎爐1中，並經由紅土鎳礦球團入口向豎爐1中加入紅土鎳礦球團。本發明中，紅土鎳礦球團中鎳的質量含量為0.8～1.5％。由於豎爐1排出的爐頂氣含有一定量co2和水蒸汽，經部分氧化(一重整)後的還原氣中含有一定量co2、水蒸汽、甲烷。進入豎爐後，在被還原紅土鎳礦鐵、鎳的催化作用下，發生甲烷-co2、甲烷-水蒸汽的雙重整反應，進一步生成co和h2，進而還原豎爐上部的紅土鎳礦球團，同時發生滲碳反應。反應過程中，控制豎爐1的操作壓力為0.1～0.2mpa。

本發明中，通過爐頂氣中過量的二氧化碳和水蒸汽可控制還原氣的還原能力，選擇性的還原紅土鎳礦球團，使得其中的鎳全部還原為金屬鎳，而其中的鐵部分還原為金屬鐵，可得到高品位的鎳鐵合金。

(3)將第二氣體通入加熱器6中作為燃料氣。同時，向其中補充通入天然氣作為燃料氣。加熱器6中的燃料氣燃燒後，產生的煙氣送入預熱器5中作為預熱氣。

實施例1

天然氣與第一氣體混合，得到的混合氣中co和h2的體積佔比為18％，ch4的體積佔比為23％。將混合氣送入預熱器中，溫度由40℃升至210℃，然後送入加熱器中升溫至780℃。得到的升溫混合氣送入燃燒器中，與氧氣發生部分氧化反應，得到還原氣，溫度為960℃，其中co和h2的體積佔比為33％，ch4的體積佔比為16％，將還原氣送入豎爐中。紅土鎳礦球團還原產生的海綿鐵中含有金屬鐵和金屬鎳。金屬鐵和金屬鎳可作為還原氣中的甲烷二氧化碳、甲烷水蒸汽重整反應的催化劑，生成co和h2。co和h2在向上運動的過程中，與從上自下運動的紅土鎳礦球團充分接觸，進一步還原紅土鎳礦球團，得到海綿鐵和爐頂氣。爐頂氣中，co和h2的體積佔比為21％，ch4的體積佔比為4％。豎爐中雙重整反應的甲烷轉化率為74％。爐頂氣經降溫除塵後，分為兩部分：60％體積比的爐頂氣經壓縮後與天然氣混合進行循環利用，40％體積比的爐頂氣作為加熱器的燃料氣，並向加熱器中補充天然氣作為燃料氣，燃料氣燃燒後的煙氣作為預熱器的預熱氣，然後排空。

本實施例選用的紅土鎳礦球團中，全鐵質量含量為15.48％，鎳質量含量為0.9％。還原產生的海綿鐵中，全鐵質量含量為17.24％，鎳質量含量為1.1％。紅土鎳礦還原反應中，鐵金屬化率為39％，鎳金屬化率為98％。

實施例2

天然氣與第一氣體混合，得到的混合氣中co和h2的體積佔比為16％，ch4的體積佔比為22％。將混合氣送入預熱器中，溫度由50℃升至300℃，然後送入加熱器中升溫至800℃。得到的升溫混合氣送入燃燒器中，與氧氣發生部分氧化反應，得到還原氣，溫度為1050℃，其中co和h2的體積佔比為30％，ch4的體積佔比為13％，將還原氣送入豎爐中。紅土鎳礦球團還原產生的海綿鐵中含有金屬鐵和金屬鎳。金屬鐵和金屬鎳可作為還原氣中的甲烷二氧化碳、甲烷水蒸汽重整反應的催化劑，生成co和h2。co和h2在向上運動的過程中，與從上自下運動的紅土鎳礦球團充分接觸，進一步還原紅土鎳礦球團，得到海綿鐵和爐頂氣。爐頂氣中，co和h2的體積佔比為19％，ch4的體積佔比為2％。豎爐中三重整反應的甲烷轉化率為80％。爐頂氣經降溫除塵後，分為兩部分：65％體積比的爐頂氣經壓縮後與天然氣混合進行循環利用，35％體積比的爐頂氣作為加熱器的燃料氣，並向加熱器中補充天然氣作為燃料氣，燃料氣燃燒後的煙氣作為預熱器的預熱氣，然後排空。

本實施例選用的紅土鎳礦球團中，全鐵質量含量為25.31％，鎳質量含量為1.1％。還原產生的海綿鐵中，全鐵質量含量為28.64％，鎳質量含量為1.3％。紅土鎳礦還原反應中，鐵金屬化率為42％，鎳金屬化率為98％。

實施例3

天然氣與第一氣體混合，得到的混合氣中co和h2的體積佔比為17％，ch4的體積佔比為21％。將混合氣送入預熱器中，溫度由40℃升至200℃，然後送入加熱器中升溫至700℃。得到的升溫混合氣送入燃燒器中，與氧氣發生部分氧化反應，得到還原氣，溫度為950℃，其中co和h2的體積佔比為40％，ch4的體積佔比為15％，將還原氣送入豎爐中。紅土鎳礦球團還原產生的海綿鐵中含有金屬鐵和金屬鎳。金屬鐵和金屬鎳可作為還原氣中的甲烷二氧化碳、甲烷水蒸汽重整反應的催化劑，生成co和h2。co和h2在向上運動的過程中，與從上自下運動的紅土鎳礦球團充分接觸，進一步還原紅土鎳礦球團，得到海綿鐵和爐頂氣。爐頂氣中，co和h2的體積佔比為21％，ch4的體積佔比為5％。豎爐中三重整反應的甲烷轉化率為74％。爐頂氣經降溫除塵後，分為兩部分：70％體積比的爐頂氣經壓縮後與天然氣混合進行循環利用，30％體積比的爐頂氣作為加熱器的燃料氣，並向加熱器中補充天然氣作為燃料氣，燃料氣燃燒後的煙氣作為預熱器的預熱氣，然後排空。

本實施例選用的紅土鎳礦球團中，全鐵質量含量為22.03％，鎳質量含量為1.5％。還原產生的海綿鐵中，全鐵質量含量為24.85％，鎳質量含量為1.7％。紅土鎳礦還原反應中，鐵金屬化率為40％，鎳金屬化率為98％。

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。