CN103667702B - 中低阶煤气化制备还原气冷送输送床冶炼工艺和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了矿粉还原方法及其系统。其中，矿粉还原方法包括：使煤、水蒸气和氧气在气化反应器中反应，以便得到含有一氧化碳和氢气的还原气；使还原气与矿粉在输送床还原反应器中反应，以便得到还原产物和还原乏气；以及将还原乏气引入到输送床还原反应器中；其中，将还原乏气引入到输送床还原反应器中进一步包括：预先将还原乏气与还原气混合后进行脱硫脱碳处理，以便得到经过净化的混合气体并引入到输送床还原反应器中。利用该方法可以有效地对矿粉进行还原，节省成本的同时能够显著提高了矿粉的还原效率。
Description
技术领域
本发明涉及冶金领域。具体而言，涉及中低阶煤气化制备还原气冷送输送床冶炼新工艺和系统。
背景技术
我国劣质矿产储量丰富，全国铁矿查明资源储量为613.35亿吨，其中基础储量为223.64亿吨，资源量389.71亿吨，我国铁矿石查明资源储量绝大部分为贫矿，富铁矿石查明资源储量有10.02亿吨，占全部铁矿查明资源储量的1.6％。另一方面，我国具有伴(共)生有益组分的铁矿石储量约占全国储量的1/3，伴(共)生有益组分有：钒、钛、钨、钼、钴、锑、金、镉、镓、铀、钍等30余种稀有珍贵金属。这是我国铁矿资源的主要特点。采用现有高炉技术对复合矿进行“强行”冶炼，造成大量的共生元素没有得到合理的利用而白白浪费，甚至环境污染，例如，我国大约40亿吨的高品位中高磷铁矿未被利用。因此劣质矿的综合利用是一个必须解决的问题。另外，随着世界上高品位铁矿资源在日益减少，进口矿中粉矿已达80%；国产铁矿石的平均品位只有33%，故国产矿几乎100%全是矿粉。要同时面对或适应进口矿价增长势不减、粒度越来越细、国内大量复合共生矿得不到合理开发等资源形势，矿粉直接还原技术是有效应对目前我国铁矿现状的一条重要途径。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有生产效率高、还原气制备成本低等优点的中低阶煤气化制备还原气冷送输送床冶炼新工艺和系统。
为此，在本发明的第一个方面，本发明提出了一种矿粉还原方法，该包括：使煤、水蒸气和氧气在气化反应器中反应，以便得到含有一氧化碳和氢气的还原气；使所述还原气与矿粉在输送床还原反应器中反应，以便得到还原产物和还原乏气；以及将所述还原乏气引入到所述输送床还原反应器中；其中，将所述还原乏气引入到所述输送床还原反应器中进一步包括：预先将所述还原乏气与所述还原气混合后进行脱硫脱碳处理，以便得到经过净化的混合气体；将所述混合气体引入到所述输送床还原反应器中。
利用上述方法制备还原气的原料煤可以采用中、低阶煤，显著降低了还原气的制备成本。另外，该方法中将用于还原矿粉后的还原乏气进行净化处理，将其中未参加还原反应的一氧化碳和氢气引回到输送床还原反应器中，继续用于还原矿粉，由此可以避免还原气体的浪费。因此，利用上述还矿粉的方法，降低还原气的制备成本，进一步提高矿粉的还原效率。
另外，根据本发明上述实施例的矿粉还原方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，所述矿粉是通过选自红土镍矿、鲕状赤铁矿、羚羊石矿、钒钛磁铁矿、赤铁矿、镜铁矿、褐铁矿、菱铁矿以及有色金属氧化物炉渣的至少一种制备得到的。由此可以进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的具体实施例，矿粉的平均粒度为1.0mm以下。由此可以进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的实施例，所述煤为选自褐煤、长焰煤以及次烟煤的至少一种。由此可以降低制备还原气的成本。
根据本发明的实施例，所述气化反应器内的气化温度为750～1100摄氏度，气化压力为0.3MPa以上。由此可以提高制备还原气的效率，以便进一步提高还原矿粉的效率。
根据本发明的实施例，所述还原气含有氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气，其中，各组分的体积百分比满足下列条件：H2/CO>0.5，(H2+CO)/(H2O+CO2)>10，3%<CH4<15%，N2<10%，1%≤CO2≤3%。由此利用该还原气体可以进一步提高矿粉的还原效率。发明人惊奇地发现，当采用该比例的还原气体组成时，可以有效地利用该还原气体对矿粉进行还原处理。当采用不满足该条件的还原气体时，对矿粉进行还原的效率会显著下降。
根据本发明的实施例，所述气化反应器为选自固定床、流化床和输送床的至少一种。由此可以提高制备还原气的效率，以便进一步提高矿粉的还原效率。发明人惊奇地发现，只有当采用固定床、流化床和输送床时，才可以利用中低阶煤，获得能够有效用于对矿粉进行还原处理的还原气体，即还原气体的组成满足下列要求：H2/CO>0.5，(H2+CO)/(H2O+CO2)>10，3%<CH4<15%，N2<10%，1%≤CO2≤3%。当采用其他的气化反应器时，由于气化反应器本身的限制，不适合利用中、低阶煤来获得满足上述条件的还原气体。从而利用其他气化反应器所产生的还原气体进行矿粉还原的性价比远低于采用固定床、流化床和输送床。
根据本发明的实施例，在将还原气进行脱硫脱碳处理之前，预先对所述还原气进行除尘处理、洗涤处理以及气液分离处理。由此可以提高还原气的纯度，以便进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的实施例，所述输送床还原反应器内的还原温度为750～1150摄氏度，还原压力为1.0MPa。由此可以进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的实施例，在对所述还原乏气进行脱硫脱碳之前，预先对所述还原乏气依次进行除尘处理、换热处理、洗涤处理以及气液分离处理，并对气液分离之后所得到的气体进行压缩之后进行所述脱硫脱碳处理。由此可以将未参加还原反应的还原气体进行净化后重复利用，以便进一步提高还原气的利用效率，进而提高矿粉的还原效率。
根据本发明的实施例，利用所述经过净化的混合气体的一部分对所述还原乏气进行换热处理。由此可以提高热利用率。
根据本发明的实施例，在将所述经过净化的混合气体引入所述输送床还原反应器之前，在加热炉中对所述经过净化的混合气体进行预热处理，其中，所述加热炉采用所述经过净化的混合气体的一部分作为燃料。由此可以提高还原气的利用效率，进而提高矿粉的还原效率。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种用于还原矿粉的系统，其特征在于，包括：气化反应器，所述气化反应器用于使煤、水蒸气和氧气在其中反应，以便得到含有一氧化碳和氢气的还原气；输送床还原反应器，所述输送床还原反应器与所述气化反应器相连，用于使所述还原气与矿粉在输送床还原反应器中反应，以便得到还原产物和还原乏气；脱硫脱碳装置，所述脱硫脱碳装置与所述气化反应器和所述输送床还原反应器相连，将所述还原气和还原乏气进行脱硫脱碳处理，以便得到经过净化的混合气体；以及混合气体输送管路，所述混合气体输送管路分别与所述脱硫脱碳装置和所述输送床还原反应器相连，用于将所述经过净化的混合气体引入到所述输送床还原反应器中。利用上述用于还原矿粉的系统可以有效地对矿粉进行还原，并且能够显著提高矿粉的还原效率。
另外，根据本发明上述实施例的用于还原矿粉的系统还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，所述气化反应器内的气化温度为750～1100摄氏度，气化压力为0.3MPa以上。由此可以提高气化反应器制备还原气的效率，以便进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的实施例，所述还原气含有氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气，其中，各组分的体积百分比满足下列条件：H2/CO>0.5，(H2+CO)/(H2O+CO2)>10，3%<CH4<15%，N2<10%，1%≤CO2≤3%。由此可以提高还原气的还原效率，以便进一步提高矿粉的还原效率。发明人惊奇地发现，当采用该比例的还原气体组成时，可以有效地利用该还原气体对矿粉进行还原处理。当采用不满足该条件的还原气体时，对矿粉进行还原的效率会显著下降。
根据本发明的实施例，所述气化反应器为选自固定床、流化床和输送床的至少一种。由此可以提高制备还原气的效率，以便进一步提高矿粉的还原效率。发明人惊奇地发现，只有当采用固定床、流化床和输送床时，才可以利用中低阶煤，获得能够有效用于对矿粉进行还原处理的还原气体，即还原气体的组成满足下列要求：H2/CO>0.5，(H2+CO)/(H2O+CO2)>10，3%<CH4<15%，N2<10%，1%≤CO2≤3%。当采用其他的气化反应器时，由于气化反应器本身的限制，不适合利用中低阶煤来获得满足上述条件的还原气体。从而利用其他气化反应器所产生的还原气体进行矿粉还原的性价比远低于采用固定床、流化床和输送床。
根据本发明的实施例，在所述气化反应器与所述脱硫脱碳装置之间，沿所述气化反应器向所述脱硫脱碳装置方向依次设置有第一除尘装置、第一洗涤装置以及第一气液分离装置，用于在将还原气与矿粉反应之前，预先对所述还原气进行除尘处理、洗涤处理以及气液分离处理。由此可以提高还原气的纯度，以便进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的实施例，所述输送床还原反应器内的还原温度为750～1150摄氏度，还原压力不大于1.0MPa。由此可以进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的实施例，在所述输送床还原反应器与所述脱硫脱碳装置之间，沿所述输送床还原反应器向所述脱硫脱碳装置的方向，依次设置有第二除尘装置、换热装置、第二洗涤装置、第二气液分离装置以及压缩装置，以便在对所述还原乏气进行脱硫脱碳之前，预先对所述还原乏气依次进行除尘处理、换热处理、洗涤处理以及气液分离处理，并对气液分离之后所得到的气体进行压缩之后进行所述脱硫脱碳处理。由此可以将未参加还原反应的还原气体进行净化后重复利用，以便进一步提高还原气的利用效率，进而提高矿粉的还原效率。
根据本发明的实施例，所述换热装置与所述脱硫脱碳装置相连，以便利用所述经过净化的混合气体的一部分对所述还原乏气进行换热处理。由此可以有效地降低还原乏气的温度，并对混合气体进行初步预热，避免热量流失，提高热利用率。
根据本发明的实施例，所述混合气体输送管路上设置有加热炉，以便在将所述经过净化的混合气体输送至所述输送床还原反应器之前，在加热炉中对所述经过净化的混合气体进行预热处理，其中，所述加热炉采用所述经过净化的混合气体的一部分作为燃料。由此可以提高混合气体的利用效率，进而提高矿粉的还原效率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的矿粉还原方法的流程示意图；
图2是根据本发明一个实施例的用于还原矿粉的系统的结构示意图；
图3是根据本发明另一个实施例的用于还原矿粉的系统的结构示意图；
图4是根据本发明再一个实施例的用于还原矿粉的系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的第一个方面，本发明提了一种矿粉还原方法，下面参考图1对本发明实施例的矿粉还原方法进行详细描述。
S100：制备还原气
根据本发明的一个实施例，矿粉还原方法首先包括将煤、水蒸气和氧气在气化反应器中反应，得到含有一氧化碳和氢气的还原气。由此可以制备得到还原气。
根据本发明的另一个实施例，用于制备还原气的煤的类型并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，煤可以为选自中、低阶煤，例如可以选自褐煤、长焰煤以及次烟煤的至少一种。由此可以降低制备还原气的成本。我国的能源分布特点是“缺油、少气、富煤”，因此传统的工艺方法已经不适合我国的国情，我国的煤储量居世界第三，产量居世界第一，低阶煤储量居煤炭资源总储量的40%以上，目前年产量占全国煤炭重量的30%左右，因此，拓展中、低阶煤的开发利用不仅能够合理应用我国的煤资源，同时，利用中、低阶煤制备还原气能够显著节省成本，提高资源利用率。
根据本发明的一个实施例，矿粉还原方法中的气化反应器内的气化温度并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，可以为750～1100摄氏度，气化压力可以为0.3MPa以上。由此可以提高制备还原气的效率，以便进一步提高还原矿粉的效率。根据本发明的具体实施例，气化反应器的类型并不受特别限制，根据本法的具体示例，气化反应器可以是选自固定床气化反应器、流化床气化反应器和输送床气化反应器的至少一种。由此可以提高制备还原气的效率，以便进一步提高矿粉的还原效率。根据本发明的具体实施例，可以将煤、水蒸气和氧气在上述条件下的气化反应器中进行反应，制备得到含有一氧化碳和氢气的还原气。
根据本发明的另一个实施例，还原气的成分并不受特别限制，根据本发明的具体示例，还原气中可以含有氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气，其中，各组分的体积百分比满足下列条件：H2/CO>0.5，(H2+CO)/(H2O+CO2)>10，3%<CH4<15%，N2<10%，1%≤CO2≤3%。由此利用该还原气体可以进一步提高矿粉的还原效率。发明人惊奇地发现，当采用该比例的还原气体组成时，可以有效地利用该还原气体对矿粉进行还原处理。当采用不满足该条件的还原气体时，对矿粉进行还原的效率会显著下降。
具体地，可以通过控制加入煤、水蒸气和氧气的比例，以及具体的还原反应器和其工艺参数来控制得到的上述还原气，以便提高还原气对矿粉的还原效率。由此，根据本发明实施例的矿粉还原方法，可以选择中、低阶煤作为原料，通过控制加入的水蒸气和氧气的比例和具体适宜的还原反应器工艺参数，同样可以制备得到高质量的还原气。由此可以节省成本的同时提高制备还原气的效率。
根据本发明的一个实施例，在将上述制备的还原气通入输送床还原反应器之前，预先将还原气进行脱硫脱碳处理，以便进一步提高还原气的纯度，提高还原气与矿粉的反应效率。根据本发明的具体实施例，在将还原气进行脱硫脱碳处理之前，还可以预先对还原气进行除尘处理、洗涤处理以及气液分离处理。由此可以进一步除去还原气中的飞灰等固体杂质，由此可进一步提高还原气的纯度，以便进一步提高矿粉的还原效率。根据本发明的具体示例，上述除尘处理、洗涤处理以及气液分离处理可以通过气化反应器旋风分离器、洗涤装置以及气液分离装置进行，由此可以有效地对还原气进行纯化。
根据本发明的具体实施例，对还原气进行除尘处理，可以利用至少两个串联的气化反应器旋风分离器对气化反应器中制备得到的还原气进行净化处理，其中每个气化反应器旋风分离器中分离得到固体杂质可以依次返回至气化反应器中，继续可以参加气化反应。由此可以提高还原气的碳转化率，以便进一步提高矿粉的还原效率。
S200：还原矿粉
根据本发明的一个实施例，还原矿粉的方法进一步包括，使上述制备的还原气与矿粉在输送床还原反应器中反应，以便得到还原产物和还原乏气；以及将还原乏气引入到输送床还原反应器中。
根据本发明的具体实施例，用于还原的矿粉可以是选自红土镍矿、鲕状赤铁矿、羚羊石矿、钒钛磁铁矿、赤铁矿、镜铁矿、褐铁矿、菱铁矿以及有色金属氧化物炉渣的至少一种。上述矿粉成分复杂难处理，利用本发明矿粉的还原方法，可以有效地对上述矿粉进行还原，进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的另一个实施例，将上述矿粉制备成矿粉后进行还原反应，矿粉的抗压强度并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，矿粉的平均粒径为不大于1.0mm，由此可以提高矿粉的比表面，以便扩大矿粉与还原气的接触面积，进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的再一个实施例，用于还原矿粉的输送床还原反应器的反应器内的还原温度并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，反应器内的还原温度可以为750～1150摄氏度，还原压力为不大于1.0MPa。由此可以在节省能源的同时延长设备的使用寿命，并且还可以进一步提高矿粉的还原效率。
S300：净化还原乏气
根据本发明的一个实施例，将所述还原乏气引入到输送床还原反应器之前，对还原乏气进行脱硫脱碳处理，由此可以对还原乏气进行纯化，以便提高对还原气的使用率，进而提高还原气对矿粉的效率。根据本发明的具体实施例，上述方法进一步包括：在对还原乏气进行脱硫脱碳之前，预先对还原乏气依次进行除尘处理、换热处理、洗涤处理以及气液分离处理。由此可以将未参加还原反应的还原气体进行净化后重复利用，以便进一步提高还原气的利用效率，进而提高矿粉的还原效率。
根据本发明的具体实施例，除尘处理可以通过还原乏气旋风分离器对还原乏气进行除尘，具体可以采用至少两个串联的还原乏气旋风分离器对还原乏气进行除尘，分别得到未反应的矿粉和还原产物，其中未反应的矿粉被返回至输送床还原反应器中继续被还原，还原产物被分离出来。由此利用上述方法可以达到净化炉顶气、分离得到还原产物、以及将未还原的矿粉返回继续参加反应的目的，进而提高了矿粉的还原效率以及产率。
根据本发明的具体实施例，经过除尘处理后的还原乏气进一步进行换热处理，换热处理可以采用换热器进行，具体地，可以采用经过脱硫脱碳处理的混合气体对经过除尘处理后的还原乏气进行换热处理。由此可以有效地降低还原乏气的温度，并对净化后的混合气体进行初步预热，避免热量流失，提高热利用率。根据本发明的具体实施例，进一步对经过换热处理后的还原乏气进行洗涤处理以及气液分离处理，由此可以进一步提高还原乏气的纯度，由此可以将净化后的还原乏气返回至输送床还原反应器中参加还原反应，由此可以提高还原气的利用率，避免资源浪费。
根据本发明的另一个具体实施例，气液分离处理可以通过气液分离器进行，由此可以将还原乏气中含有的水进行分离，以便利于下一步对还原乏气进行气液脱硫脱碳处理，进而可以进一步提高还原乏气的净化效率。
根据本发明的一个具体实施例，对气液分离之后所得到的气体进行压缩之后进行脱硫脱碳处理。由此可以将未参加还原反应的还原气体进行净化后重复利用，以便进一步提高还原气的利用效率，进而提高矿粉的还原效率。
根据本发明的另一个实施例，上述还原气和还原乏气可以一同进行脱硫脱碳处理，由此上述方法中可以采用同一个脱硫脱碳装置对还原气和还原乏气共同进行脱硫脱碳处理，由此可以进一步提高对还原气和还原乏气的脱硫脱碳效率。
S400：将还原乏气引入输送床还原反应器中
根据本发明的一个实施例，将还原气和还原乏气共同进行脱硫脱碳处理后得到净化后的混合气体。根据本发明的具体实施例，利用经过净化的混合气体的一部分对还原乏气进行换热处理。由此可以有效地降低还原乏气的温度，并对净化后的混合气体进行初步预热，避免热量流失，提高热利用率。
根据本发明的一个实施例，上述净化后的混合气体在通入输送床反应器中之前，需要在加热炉中对其进行预热处理，其中，加热炉可以采用混合气体的一部分作为燃料，即将混合气体的一部分通入至加热炉中，作为燃料使用，提供热量。由此可以避免净化后的低温混合气体进入输送床还原反应器后降低输送床还原反应器的内部的温度，导致还原效率降低，进而提高矿粉的还原效率。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种用于还原矿粉的系统1000，该系统包括：气化反应器100、输送床还原反应器200、脱硫脱碳装置300以及混合气体输送管路400。如图2所示。
其中，气化反应器100用于使煤、水蒸气和氧气在其中反应，以便得到含有一氧化碳和氢气的还原气；输送床还原反应器200与气化反应器100相连，用于使还原气与矿粉在输送床还原反应器200中反应，以便得到还原产物和还原乏气；脱硫脱碳装置300与气化反应器100和输送床还原反应器200相连，将还原气和还原乏气进行脱硫脱碳处理，以便得到经过净化的混合气体；混合气体输送管路400分别与脱硫脱碳装置300和输送床还原反应器200相连，用于将经过净化的混合气体引入到输送床还原反应器200中。利用上述用于还原矿粉的系统可以有效地对矿粉进行还原，并且能够显著提高矿粉的还原效率。
根据本发明的一个实施例，气化反应器100内的气化温度并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，可以为750～1100摄氏度，气化压力可以为0.3MPa以上。由此可以提高制备还原气的效率，以便进一步提高还原矿粉的效率。根据本发明的具体实施例，气化反应器100的类型并不受特别限制，根据本法的具体示例，气化反应器100可以是选自固定床、流化床和输送床的至少一种。发明人惊奇地发现，只有当采用固定床、流化床和输送床时，才可以利用中低阶煤，获得能够有效用于对矿粉进行还原处理的还原气体，即还原气体的组成满足下列要求：H2/CO>0.5，(H2+CO)/(H2O+CO2)>10，3%<CH4<15%，N2<10%，1%≤CO2≤3%。当采用其他的气化反应器时，由于气化反应器本身的限制，不适合利用中低阶煤来获得满足上述条件的还原气体。从而利用其他气化反应器所产生的还原气体进行矿粉还原的性价比远低于采用固定床、流化床和输送床。由此可以提高制备还原气的效率，以便进一步提高矿粉的还原效率。根据本发明的具体实施例，可以将煤、水蒸气和氧气在上述条件下的气化反应器100中进行反应，制备得到含有一氧化碳和氢气的还原气。
根据本发明的另一个实施例，还原气的成分并不受特别限制，根据本法的具体示例，还原气中可以含有氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气，其中，各组分的体积百分比满足下列条件：H2/CO>0.7，(H2+CO)/(H2O+CO2)>10，3%<CH4<15%，N2<10%，1≤CO2≤3%。由此利用该还原气体可以进一步提高矿粉的还原效率。发明人惊奇地发现，当采用该比例的还原气体组成时，可以有效地利用该还原气体对矿粉进行还原处理。当采用不满足该条件的还原气体时，对矿粉进行还原的效率会显著下降。
根据本发明的再一个实施例，如图3所示，上述用于还原矿粉的系统进一步包括：在所述气化反应器100与所述脱硫脱碳装置300之间，沿所述气化反应器100向所述脱硫脱碳装置300方向依次设置有第一除尘装置110、第一洗涤装置120以及第一气液分离装置130，用于在将还原气与矿粉反应之前，预先对所述还原气进行除尘处理、洗涤处理以及气液分离处理。输送床还原反应器由此可以提高还原气的纯度，以便进一步提高矿粉的还原效率。根据本发明的具体实施例，第一除尘装置110可以是至少两个串联的气化反应器旋风分离器，利用该气化反应器旋风分离器对气化反应器100中制备得到的还原气进行净化处理，其中每个气化反应器旋风分离器中分离得到固体杂质可以依次返回至气化反应器100中，继续可以参加气化反应。由此可以提高还原气的碳转化率，以便进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的实施例，在利用还原气对矿粉进行还原处理后，所产生的还原乏气中还残留了大量还原性气体，可以将这部分还原乏气在经过净化之后，再返回对矿粉进行还原。因而，利用脱硫脱碳装置300可以对还原乏气进行净化处理。
根据本发明的一个具体实施例，输送床还原反应器200的反应器内的还原温度并不受特别限制，根据本发明的具体示例，反应器内的还原温度可以为750～1150摄氏度，还原压力为不大于1.0MPa。由此可以进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的另一个具体实施例，如图3所示，在所述输送床还原反应器200与所述脱硫脱碳装置300之间，沿所述输送床还原反应器200向所述脱硫脱碳装置300的方向，依次设置有第二除尘装置210、换热装置220、第二洗涤装置230、第二气液分离装置240以及压缩装置250，以便在对所述还原乏气进行脱硫脱碳之前，预先对所述还原乏气依次进行除尘处理、换热处理、洗涤处理以及气液分离处理，并对气液分离之后所得到的气体进行压缩之后进行所述脱硫脱碳处理。
根据本发明的另一个具体实施例，第二除尘装置210可以是至少两个串联的还原乏气旋风分离器，根据本发明的具体实施例，具体可以采用至少两个串联的还原乏气旋风分离器对还原乏气进行除尘，分别得到未反应的矿粉和还原产物，其中未反应的矿粉被返回至输送床还原反应器200中继续被还原，还原产物被分离出来。由此利用上述方法可以达到净化炉顶气、分离得到还原产物、以及将未还原的矿粉返回继续参加反应的目的，进而提高了矿粉的还原效率以及产率。
根据本发明的具体实施例，换热装置220可以是换热器，具体地，将利用第二除尘装置210除尘后的还原乏气进一步通入换热装置220进行换热处理。由此利用换热装置220可以有效地对还原乏气进行冷却，以便将还原乏气中含有的水蒸气液化，以便利于下一步对还原乏气进行气液分离处理，进而可以进一步提高还原乏气的净化效率。
根据本发明的具体实施例，利用第二洗涤装置230可以对还原乏气进行净化处理，以便除去还原乏气中的细小飞灰颗粒，由此可以进一步提高还原乏气的净化效率，提高对还原乏气的再利用。
根据本发明的另一个具体实施例，利用第二气液分离装置240可以将还原乏气中含有的水进行分离，以便利于下一步对还原乏气进行气液脱硫脱碳处理，进而可以进一步提高还原乏气的净化效率。
根据本发明的一个具体实施例，利用压缩装置250可以对经过气液分离后的还原乏气进行压缩，以便利于还原乏气进行脱硫脱碳处理。由此可以将未参加还原反应的还原气体进行净化后重复利用，以便进一步提高还原气的利用效率，进而提高矿粉的还原效率。
根据本发明的另一个实施例，利用上述脱硫脱碳装置300可以对还原气和还原乏气一同进行脱硫脱碳处理，因此，将上述经过初步净化的还原气和还原乏气共同进行脱硫脱碳处理后得到净化后的混合气体。通过混合气体输送管路400将混合气体输送至输送床还原反应器中与矿粉发生还原反应。由此可以进一步提高对还原气和还原乏气的净化处理，以便进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的一个实施例，换热装置220与脱硫脱碳装置300相连，以便利用经过净化的混合气体的一部分对还原乏气进行换热处理。由此可以有效地降低还原乏气的温度，并对净化后的混合气体进行初步预热，避免热量流失，提高热利用率。
根据本发明的具体实施例，用于换热处理后的混合气体需要经过预热后返回至输送床还原反应器200。由此可以避免净化后的低温混合气体进入输送床还原反应器200后降低输送床还原反应器的温度，导致还原效率降低。进而提高矿粉的还原效率。
根据本发明的另一个实施例，混合气体输送管路400上设置有加热炉410，以便在将经过净化的混合气体引入输送床还原反应器200之前，在加热炉410中对经过净化的混合气体进行预热处理，其中，所述加热炉410采用经过净化的混合气体的一部分作为燃料。由此可以避免净化后的低温混合气体降低输送床还原反应器200内的温度，由此可以进一步提高矿粉的还原效率。
根据本发明的再一个实施例，脱硫脱碳装置300可直接与移送床还原反应器200相连，可以将一部分经过净化的低温混合气体通入到输送床还原反应器200底部，利用其对还原产物进行降温。由此，达到对还原乏气的充分利用，节省能源的同时进一步提高矿粉的还原效率。
本发明实施例的矿粉还原方法的优点：
1、采用气化反应器可以气化褐煤、长焰煤、次烟煤等低阶煤，适合我国富煤少油缺气的资源格局，降低还原气的制备成本；
2、还原气与还原乏气共用一套脱硫脱碳装置，设备投资少；
3、还原气中含有一定的甲烷气体，满足了后续工艺的渗碳要求；
4、能够实现红土镍矿、鲕状赤铁矿、羚羊石矿、钒钛磁铁矿、赤铁矿、镜铁矿、褐铁矿、菱铁矿等低品位复杂难处理矿以及有色金属氧化物炉渣等的直接还原；
5、直接使用粉矿，省去了烧结、球团等高污染、高耗能工序，节省了大量的基建投资和运行成本，同时反应效率大幅度提高。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
如图4所示，1、气化反应器，2、气化反应器一级旋风分离器，3、气化反应器二级旋风分离器，4、还原气洗涤器，5、还原气气液分离器，6、脱硫脱碳装置，7加热炉，8、输送床还原反应器，9、还原产物分料仓，10、还原乏气一级旋风分离器，11、还原乏气二级旋风分离器，12、换热器，13、还原乏气洗涤器，14、还原乏气气液分离器，15、压缩机。
以钒钛磁铁矿处理量100×104t/h的生产规模为例，褐煤煤粉进入流化床气化反应器1，在900℃和1.0MPa压力下与水蒸汽和氧气的气化介质发生气化反应，产生的高温还原气经过气化反应器一级旋风分离器2和气化反应器二级旋风分离器3除去飞灰，然后再进入还原气洗涤器4洗涤和还原气气液分离器5实现气液分离之后，洁净的还原气与来自压缩机15的气体混合后，一起进入脱硫脱碳装置6进行脱硫脱碳，脱硫脱碳装置6出来的气体分成二路：第一路气体先在换热器12与经还原乏气二级旋风分离器11除尘后的还原乏气换热，再进入加热炉7加热，之后进入输送床还原反应器8作为还原介质使用；第二路气体进入加热炉7作为燃料使用。
0.3mm粒径的钒钛磁铁矿细粉矿由输送床还原反应器8下部进入输送床还原反应器8与输送床还原反应器8底部进入的还原气在850℃和0.8MPa压力下发生还原反应，其中还原气应满足：H2/CO=1.2、(H2+CO)/(H2O+CO2)=13、CH4=5%、N2=7%、CO2含量2%，还原产物与还原乏气通过还原乏气一级旋风分离器10和还原乏气二级旋风分离器11分离后，还原产物进入还原产物分料仓9，还原产物分料仓9内的还原产物一部分返回到输送床还原反应器8内继续还原，而另一部分作为产品由还原产物分料仓9底部排出，金属回收率达到90%。
输送床还原反应器8的还原乏气经还原乏气一级旋风分离器10和还原乏气二级旋风分离器11除尘后，进入换热器12与来自脱硫脱碳系统6的一路气体进行换热，再经过还原乏气洗涤器13洗涤和还原乏气气液分离器14除液，之后经压缩机15增压后与来自还原气气液分离器5的还原气混合一起进入脱硫脱碳装置6进行脱硫脱碳。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种矿粉还原方法，其特征在于，包括：
使煤、水蒸气和氧气在气化反应器中反应，以便得到含有一氧化碳和氢气的还原气，其中，所述气化反应器内的气化温度为750～1100摄氏度，气化压力为0.3MPa以上，所述还原气含有氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气，其中，各组分的体积百分比满足下列条件：H2/CO>0.5，(H2+CO)/(H2O+CO2)>10，3％<CH4<15％，N2<10％，1％≤CO2≤3％，所述气化反应器为选自固定床、流化床和输送床的至少一种；
使所述还原气与矿粉在输送床还原反应器中反应，以便得到还原产物和还原乏气；
利用经过净化的混合气体的一部分对所述还原乏气进行换热处理；
在将所述经过净化的混合气体引入所述输送床还原反应器之前，在加热炉中对所述经过净化的混合气体进行预热处理，其中，所述加热炉采用所述经过净化的混合气体的一部分作为燃料；
将所述还原乏气引入到所述输送床还原反应器中，其中，将所述还原乏气引入到所述输送床还原反应器中进一步包括：预先将所述还原乏气与所述还原气混合后进行脱硫脱碳处理，以便得到经过净化的混合气体，其中，在对所述还原乏气进行脱硫脱碳之前，预先对所述还原乏气依次进行除尘处理、换热处理、洗涤处理以及气液分离处理，并对气液分离之后所得到的气体进行压缩之后进行所述脱硫脱碳处理；以及
将所述混合气体引入到所述输送床还原反应器中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矿粉是通过选自红土镍矿、鲕状赤铁矿、羚羊石矿、钒钛磁铁矿、赤铁矿、镜铁矿、褐铁矿、菱铁矿以及有色金属氧化物炉渣的至少一种制备得到的。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述矿粉的平均粒度为1.0mm以下。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煤为选自褐煤、长焰煤以及次烟煤的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将还原气进行脱硫脱碳处理之前，预先对所述还原气进行除尘处理、洗涤处理以及气液分离处理。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输送床还原反应器内的还原温度为750～1150摄氏度，还原压力为不大于1.0MPa。
7.一种用于还原矿粉的系统，其特征在于，包括：
气化反应器，所述气化反应器用于使煤、水蒸气和氧气在其中反应，以便得到含有一氧化碳和氢气的还原气；
输送床还原反应器，所述输送床还原反应器与所述气化反应器相连，用于使所述还原气与矿粉在输送床还原反应器中反应，以便得到还原产物和还原乏气；
脱硫脱碳装置，所述脱硫脱碳装置与所述气化反应器和所述输送床还原反应器相连，将所述还原气和还原乏气进行脱硫脱碳处理，以便得到经过净化的混合气体；以及
混合气体输送管路，所述混合气体输送管路分别与所述脱硫脱碳装置和所述输送床还原反应器相连，用于将所述经过净化的混合气体引入到所述输送床还原反应器中，
其中，
所述气化反应器内的气化温度为750～1100摄氏度，气化压力为0.3MPa以上，
所述还原气含有氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气，其中，各组分的体积百分比满足下列条件：H2/CO>0.5，(H2+CO)/(H2O+CO2)>10，3％<CH4<15％，N2<10％，1％≤CO2≤3％，
所述气化反应器为选自固定床、流化床和输送床的至少一种，
在所述输送床还原反应器与所述脱硫脱碳装置之间，沿所述输送床还原反应器向所述脱硫脱碳装置的方向，依次设置有第二除尘装置、换热装置、第二洗涤装置、第二气液分离装置以及压缩装置，以便在对所述还原乏气进行脱硫脱碳之前，预先对所述还原乏气依次进行除尘处理、换热处理、洗涤处理以及气液分离处理，并对气液分离之后所得到的气体进行压缩之后进行所述脱硫脱碳处理，
所述换热装置与所述脱硫脱碳装置相连，以便利用所述经过净化的混合气体的一部分对所述还原乏气进行换热处理，
所述混合气体输送管路上设置有加热炉，以便在将所述经过净化的混合气体输送至所述输送床还原反应器之前，在加热炉中对所述经过净化的混合气体进行预热处理，其中，所述加热炉采用所述经过净化的混合气体的一部分作为燃料。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在所述气化反应器与所述脱硫脱碳装置之间，沿所述气化反应器向所述脱硫脱碳装置方向依次设置有第一除尘装置、第一洗涤装置以及第一气液分离装置，用于在将还原气与矿粉反应之前，预先对所述还原气进行除尘处理、洗涤处理以及气液分离处理。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述输送床还原反应器内的还原温度为750～1150摄氏度，还原压力不大于1.0MPa。
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