CN106521157A - 利用氢气竖炉湿法自重整直接还原红土镍矿的系统和方法 - Google Patents

利用氢气竖炉湿法自重整直接还原红土镍矿的系统和方法 Download PDF

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CN106521157A CN201611168909.3A CN201611168909A CN106521157A CN 106521157 A CN106521157 A CN 106521157A CN 201611168909 A CN201611168909 A CN 201611168909A CN 106521157 A CN106521157 A CN 106521157A
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范志辉
刘亮
员晓
曹志成
吴道洪
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Abstract

本发明涉及一种氢气竖炉湿法自重整直接还原冶炼红土镍矿的系统和方法。所述系统中，脱硫脱碳装置具有还原气入口、脱硫脱碳还原气出口，加湿器具有脱硫脱碳还原气入口、加湿还原气出口，脱硫脱碳还原气入口与脱硫脱碳装置的脱硫脱碳还原气出口连接，加热炉具有加湿还原气入口、热还原气出口，加湿还原气入口与加湿器的加湿还原气出口连接，氢气竖炉具有红土镍矿入口、热还原气入口、还原金属球团出口、出气口，热还原气入口与加热炉的热还原气出口连接。本发明采用还原气湿重整技术，利用红土镍矿还原产生的铁和镍为催化剂，成本低，自重整效率大大提高，避免了催化剂长期循环使用时由于析碳原因造成的催化剂失活现象，提高了红土镍矿的冶炼效率。

Description

利用氢气竖炉湿法自重整直接还原红土镍矿的系统和方法
技术领域
本发明涉及红土镍矿冶炼领域，具体涉及一种利用氢气竖炉湿法自重整直接还原红土镍矿的系统和方法。
背景技术
目前，全球矿山镍产量的60％来源于硫化镍矿，40％来源于红土镍矿。在全球镍矿2.2亿吨的储量中，红土镍矿约占70％。随着硫化镍矿资源的不断减少和红土镍矿冶炼技术的不断进步，利用红土镍矿生产镍的比重不断增加。
针对不同的红土镍矿具有火法工艺、湿法工艺、火湿法结合工艺及其他工艺。其中，火法工艺流程短、效率高、处理规模大，是处理红土镍矿的主导工艺。其中，高炉冶炼和电炉冶炼是传统工艺流程。高炉冶炼产能大，但是投资高、生产成本高、流程长、污染重。电炉冶炼能耗的80％以上需要电能提供，能耗高。
基于上述火法冶炼存在的缺点，冶金工作者开发了非传统流程工艺，包括回转窑法和转底炉法。回转窑法投资小、工艺简单，但是产能小，占地面积大，自动化程度不高。而转底炉法投资大，产能小，工艺复杂。并且，该两种工艺均采用煤基还原，为强还原性气氛，无法控制矿石中铁和镍的金属化率，导致产品质量低，原料适应性小。
氢气竖炉工艺还原气氛可控，单台设备产能大，自动化程度高，适于大规模处理红土镍矿，生产高品质镍铁合金。但是，红土镍矿的矿相结构与铁精矿差别很大，普通的氢气竖炉直接还原技术不能直接应用于红土镍矿冶炼。因此，开发适合红土镍矿冶炼的氢气竖炉直接还原技术，成为实现红土镍矿高效利用的关键。
现有技术一公开了利用天然气催化转化生产气基直接还原铁的方法和系统。该技术将天然气和净化尾气混合后在催化转化炉内加热到1100℃～1800℃，并在催化剂的作用下制取(H2+CO)≥90％的合成还原气，并控制气体出口温度为850℃～1050℃，然后通入竖炉生产直接还原铁。但是，还原气体加热和催化转化在同一反应器内进行，切催化转化反应为强吸热反应，需要很高的温度，而进入竖炉的合成还原气的温度要求没有那么高，需要调节温度措施进行调控合成还原气的温度，导致整条工艺路线能耗高。且催化剂价格昂贵，在长期反复使用过程中，存在析碳反应导致催化剂容易失活，这些因素都导致该工艺生产成本高。
现有技术二公开了用焦炉煤气生产直接还原铁短流程工艺。该技术将焦炉煤气加热到930℃，向其中喷吹纯氧，将焦炉煤气的温度提高到1050℃，然后进入竖炉。在竖炉内，高温的焦炉煤气在铁触媒的催化作用下，发生自重整反应，产生H2和CO，进而还原氧化球团，生产直接还原铁。但是，在竖炉内进行自重整时，利用的的催化剂为铁基催化剂，催化效果差，甲烷裂解率低，导致还原气体中(H2+CO)≤90％，因此直接还原铁的生产效率低，质量不高。
发明内容
本发明旨在结合红土镍矿的矿相特点，开发出一种适于红土镍矿的氢气竖炉直接还原冶炼技术，该技术成本更低，效率更高。
本发明公开了一种氢气竖炉湿法自重整直接还原冶炼红土镍矿的系统，所述系统包括脱硫脱碳装置、加湿器、加热炉、氢气竖炉。
所述脱硫脱碳装置具有还原气入口、脱硫脱碳还原气出口。
所述加湿器具有脱硫脱碳还原气入口、加湿还原气出口。其中，所述脱硫脱碳还原气入口与所述脱硫脱碳装置的脱硫脱碳还原气出口连接。
所述加热炉具有加湿还原气入口、热还原气出口。其中，所述加湿还原气入口与所述加湿器的加湿还原气出口连接。
所述氢气竖炉具有红土镍矿入口、热还原气入口、还原金属球团出口、出气口。其中，所述热还原气入口与所述加热炉的热还原气出口连接。
上述的系统中，还包括洗涤冷却装置，其具有进气口、冷却气出口。所述进气口与所述氢气竖炉的出气口连接，所述冷却气出口与所述加热炉的冷却气入口连接。
上述的系统中，还包括压缩机，其具有冷却气入口，压缩冷却气出口。所述冷却气入口与所述洗涤冷却装置的冷却气出口连接，压缩冷却气出口与所述脱硫脱碳装置的压缩冷却气入口连接。
优选的，所述红土镍矿入口设置在所述氢气竖炉的顶部；所述热还原气入口设置在所述氢气竖炉的中部；所述出气口设置在所述氢气竖炉的顶部；所述还原金属球团出口设置在所述氢气竖炉的底部。
本发明还公开了一种利用上述系统直接还原冶炼红土镍矿的的方法，包括步骤：
所述还原气经由所述脱硫脱碳装置进行脱硫脱碳处理后，送入所述加湿器中，向其中加入水蒸气，得到的加湿还原气送入所述加热炉中加热，得到热还原气。
将所述热还原气送入所述氢气竖炉中，并向所述氢气竖炉中加入铁和镍作为催化剂，所述热还原气在所述铁和镍的催化作用下发生自重整反应，得到合成还原气。
向所述氢气竖炉中加入红土镍矿，所述红土镍矿与所述合成还原气接触发生还原反应，得到还原金属球团，所述还原金属球团中含有的铁和镍作为所述自重整反应的催化剂。
上述直接还原冶炼红土镍矿的的方法中，还包括步骤：所述合成还原气发生还原反应后经由所述氢气竖炉顶部的所述出气口排出，并送入所述洗涤冷却装置中进行洗涤冷却后，得到冷却气。将所述冷却气送入所述加热炉中，和，将所述冷却气送入所述脱硫脱碳装置中。
上述直接还原冶炼红土镍矿的的方法中，所述热还原气的温度为850～1050℃。
上述直接还原冶炼红土镍矿的的方法中，所述红土镍矿中镍的质量含量为0.5～3％，铁的质量含量为10～50％。
上述直接还原冶炼红土镍矿的的方法中，所述合成还原气中H2和CO的体积比≥90％；且H2与CO的比例为2.0～4.0。
上述直接还原冶炼红土镍矿的的方法中，所述还原反应的时间为2～4h。
本发明结合红土镍矿的特点，采用还原气湿重整技术，利用红土镍矿自身还原产生的金属铁和金属镍为催化剂，与单独使用金属铁为催化剂相比，节约了成本，自重整效率大大提高。而且避免了催化剂长期循环使用时由于析碳原因造成的催化剂失活现象。同时，合成还原气中有效成分H2和CO的含量增加，提高了红土镍矿的冶炼效率。
附图说明
图1为本发明利用氢气竖炉湿法自重整直接还原红土镍矿的系统示意图。
图2为本发明实施例中利用图1所示的系统湿法自重整直接还原红土镍矿的方法流程示意图。
附图中的附图标记图如下：
1、脱硫脱碳装置；2、加湿器；3、加热炉；4、氢气竖炉；5、洗涤冷却装置；6、压缩机。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
如图1所示，为本发明利用氢气竖炉湿法自重整直接还原红土镍矿的系统示意图。该系统包括脱硫脱碳装置1、加湿器2、加热炉3、氢气竖炉4、洗涤冷却装置5、压缩机6。其中，各装置的连接关系如下：
脱硫脱碳装置1用于对还原气进行脱硫脱碳处理，其具有还原气入口、压缩冷却气入口、脱硫脱碳还原气出口。
加湿器2用于向经脱硫脱碳后的还原气中加入水蒸气，其具有脱硫脱碳还原气入口、加湿还原气出口。其中，脱硫脱碳还原气入口与脱硫脱碳装置1的脱硫脱碳还原气出口连接。
加热炉3用于对加湿后的还原气进行加热，其具有加湿还原气入口、冷却气入口、热还原气出口。其中，该加湿还原气入口与加湿器2的加湿还原气出口连接。
氢气竖炉4用于红土镍矿的直接还原冶炼，顶部设置有受料斗，用于接收红土镍矿原料，底部设置有排料斗，用于排出固体产物。氢气竖炉4具有红土镍矿入口、热还原气入口、还原金属球团出口、出气口。其中，热还原气入口设置在氢气竖炉4的中部，与加热炉3的热还原气出口连接。并且，红土镍矿入口位于氢气竖炉4的顶部，与受料斗相通。还原金属球团出口设置在氢气竖炉4的底部，与排料斗相通。出气口设置在氢气竖炉4的顶部。
洗涤冷却装置5用于接收由氢气竖炉4排出的发生还原反应后的合成还原气，对其进行洗涤冷却处理，其具有进气口、冷却气出口。其中，进气口与氢气竖炉4的出气口连接，冷却气出口与加热炉3的冷却气入口连接。
压缩机6用于接收由洗涤冷却装置5排出的冷却气，其具有冷却气入口、压缩冷却气出口。其中，冷却气入口与洗涤冷却装置5的冷却气出口连接，压缩冷却气出口与脱硫脱碳装置1的压缩冷却气入口连接。
如图2所示，为本发明利用图1所示的系统湿法自重整直接还原红土镍矿的方法流程示意图。包括如下步骤：
(1)还原气自重整
将还原气输送至脱硫脱碳装置1中，脱除其中的硫和二氧化碳，得到脱硫脱碳还原气。本发明中，还原气为天然气、焦炉煤气、煤炭中低温干馏煤气等，其中含有一定量的CH4。
然后，将脱硫脱碳还原气送入加湿器2中。在加湿器2中，向经脱硫脱碳后的还原气中加入水蒸气，得到加湿还原气。并且，控制水蒸气与脱硫脱碳还原气中CH4的体积比为0.5～1.0。其中，加湿器2中所用水蒸气可以为锅炉产生的水蒸气，或是利用氢气竖炉4顶部的出气口排出气体的余热产生的水蒸气，以及其它来源的水蒸气。
然后，将加湿还原气送入加热炉3中，并加热至850～1050℃，得到的热还原气经由氢气竖炉4中部的热还原气入口进入氢气竖炉4中。红土镍矿氧化球团经由氢气竖炉4顶部的受料斗通过红土镍矿入口连续送入氢气竖炉4中。本发明选用的红土镍矿氧化球团中，镍的质量含量为0.5～3％，铁的质量含量为10～50％。
在铁和镍为催化剂的条件下，热还原气在氢气竖炉4中发生裂解和自重整反应。由于热还原气中含有一定量的水分，该过程发生的自重整反应的主要反应方程式为：CH4+H2O＝CO+3H2。同时，由于还原气已经由脱硫脱碳装置1进行脱除二氧化碳的处理，固还原气中仅含有少量的二氧化碳，因此会发生副反应：CH4+CO2＝2CO+2H2。
通过上述裂解和自重整反应，可得到合成还原气。其中，H2和CO的体积占合成还原气总体积的90％以上(包括90％)。并且，通过控制加湿器2中水蒸气的加入量和脱硫脱碳过程剩余CO2的量，使得本发明制备的合成还原气中，H2与CO的比例为2.0～4.0。
(2)直接还原冶炼红土镍矿
上述步骤得到的合成还原气在氢气竖炉4中向上运动。在氢气竖炉4上部，合成还原气对红土镍矿氧化球团进行加热。红土镍矿氧化球团在氢气竖炉4中自上而下运动，在氢气竖炉4上部与向上运行的合成还原气接触，被合成还原气直接还原。红土镍矿氧化球团发生直接还原反应，得到还原金属球团，其中含有金属铁和金属镍，可作为热还原气自重整反应的催化剂。本发明中，控制还原冶炼的时间为2～4h。
在氢气竖炉4下部，还原金属球团发生渗碳反应，并进行冷却后，通过氢气竖炉4底部的排料斗经由还原金属球团出口排出。
(3)合成还原气还原后的利用
上述步骤中，合成还原气在氢气竖炉4中完成还原反应后，经由氢气竖炉4顶部的出气口排出。然后，将其送入洗涤冷却装置5中，经洗涤冷却并除尘后，得到的冷却气可分成两部分。一部分冷却气送入压缩机6中经压缩后得到压缩冷却气，然后送入脱硫脱碳装置1中与还原气混合，进行循环利用。另一部分冷却气送入加热炉3中，作为燃料燃烧使用。
本发明中，采用加热炉3代替传统工艺中的重整炉。传统工艺中，是将催化剂加入到重整炉中。其中，催化剂是单独购买的，价格比较昂贵。并且，在重整炉中由于还原气的存在，易使催化剂发生析碳反应，最终失去催化活性。本发明采用加热炉3，仅仅起到加热的作用，催化剂是由红土镍矿原料在氢气竖炉4中发生还原反应生成铁和镍得到的。在反应过程中，即使催化剂发生析碳反应，也会作为最终的产物运行到氢气竖炉4的底部，并排出炉外。并且，本发明中，红土镍矿氧化球团是以连续的形式加入到氢气竖炉4中的。即，反应过程中的催化剂是连续产生的新催化剂，不会存在已经使用过的催化剂。反应最终得到的还原金属球团，既可作为催化剂还可作为本发明的产物。
实施例1
选用天然气作为还原气。天然气经脱硫、脱二氧化碳后送入加湿器，在加湿器中向脱硫脱碳还原气中加入水蒸气。其中水蒸气与脱硫脱碳还原气中CH4的体积比为0.7。然后，将加湿还原气送入加热炉中，加热至1050℃。然后通过氢气竖炉中部的热还原气入口送入氢气竖炉中。红土镍矿氧化球团经氢气竖炉顶部的受料斗送入。其中，红土镍矿氧化球团中，镍的质量含量为0.8％，铁的质量含量为35％。热还原气进入氢气竖炉中后，在铁和镍为催化剂的条件下，通过裂解和自重整反应，制取合成还原气，其中H2和CO的体积分数为93％。且H2/CO为2.7。合成还原气向上运动，在氢气竖炉上部加热、还原自上而下运动的红土镍矿氧化球团，还原时间为3h。在氢气竖炉下部，还原金属球团发生渗碳反应，并经冷却后，通过底部的排料斗排出。合成还原气完成还原反应后从氢气竖炉顶部的出气口排出，经洗涤冷却、除尘处理。然后将冷却气分成两部分：一部分经压缩机压缩后与还原气混合，进行循环利用；另一部分送至加热炉中作为燃料。
实施例2
选用天然气作为还原气。天然气经脱硫、脱二氧化碳后送入加湿器，在加湿器中向脱硫脱碳还原气中加入水蒸气。其中水蒸气与脱硫脱碳还原气中CH4的体积比为0.7。然后，将加湿还原气送入加热炉中，加热至1050℃。然后通过氢气竖炉中部的热还原气入口进入氢气竖炉中。红土镍矿氧化球团经氢气竖炉顶部的受料斗送入。其中，红土镍矿氧化球团中，镍的质量含量为1.7％，铁的质量含量为20％。热还原气进入氢气竖炉中后，在铁和镍为催化剂的条件下，通过裂解和自重整反应，制取合成还原气，其中H2和CO的体积分数为95％。且H2/CO为2.7。合成还原气向上运动，在氢气竖炉上部加热、还原自上而下运动的红土镍矿氧化球团，还原时间为3h。在氢气竖炉下部，还原金属球团发生渗碳反应，并经冷却后，通过底部的排料斗排出。合成还原气完成还原反应后从氢气竖炉顶部的出气口排出，经洗涤冷却、除尘处理。然后将冷却气分成两部分：一部分经压缩机压缩后与还原气混合，进行循环利用；另一部分送至加热炉中作为燃料。
实施例3
选用焦炉煤气作为还原气。焦炉煤气经脱硫、脱二氧化碳后送入加湿器，在加湿器中向脱硫脱碳还原气中加入水蒸气。其中水蒸气与脱硫脱碳还原气中CH4的体积比为0.7。然后，将加湿还原气送入加热炉中，加热至950℃。然后通过氢气竖炉中部的热还原气入口进入氢气竖炉中。红土镍矿氧化球团经氢气竖炉顶部的受料斗送入。其中，红土镍矿氧化球团中，镍的质量含量为1.7％，铁的质量含量为20％。热还原气进入氢气竖炉中后，在铁和镍为催化剂的条件下，通过裂解和自重整反应，制取合成还原气，其中H2和CO的体积分数为93％。且H2/CO为3.0。合成还原气向上运动，在氢气竖炉上部加热、还原自上而下运动的红土镍矿氧化球团，还原时间为2h。在竖炉下部，还原金属球团发生渗碳反应，并经冷却后，通过竖炉底部的排料斗排出。合成还原气完成还原反应后从氢气竖炉顶部的出气口排出，经洗涤冷却、除尘处理。然后将冷却气分成两部分：一部分经压缩机压缩后与还原气混合，进行循环利用；另一部分送至加热炉中作为燃料。
实施例4
选用焦炉煤气作为还原气。焦炉煤气经脱硫、脱二氧化碳后送入加湿器，在加湿器中向脱硫脱碳还原气中加入水蒸气。其中水蒸气与脱硫脱碳还原气中CH4的体积比为0.5。然后，将加湿还原气送入加热炉中，加热至1000℃。然后通过氢气竖炉中部的热还原气入口进入氢气竖炉中。红土镍矿氧化球团经氢气竖炉顶部的受料斗送入。其中，红土镍矿氧化球团中，镍的质量含量为3.0％，铁的质量含量为10％。热还原气进入氢气竖炉中后，在铁和镍为催化剂的条件下，通过裂解和自重整反应，制取合成还原气，其中H2和CO的体积分数为94％。且H2/CO为2.0。合成还原气向上运动，在氢气竖炉上部加热、还原自上而下运动的红土镍矿氧化球团，还原时间为2h。在竖炉下部，还原金属球团发生渗碳反应，并经冷却后，通过竖炉底部的排料斗排出。合成还原气完成还原反应后从氢气竖炉顶部的出气口排出，经洗涤冷却、除尘处理。然后将冷却气分成两部分：一部分经压缩机压缩后与还原气混合，进行循环利用；另一部分送至加热炉中作为燃料。
实施例5
选用煤炭中低温干馏煤气作为还原气。中低温干馏煤气经脱硫、脱二氧化碳后送入加湿器，在加湿器中向脱硫脱碳还原气中加入水蒸气。其中水蒸气与脱硫脱碳还原气中CH4的体积比为1.0。然后，将加湿还原气送入加热炉中，中低温干馏煤气经脱硫后进入加热炉中，加热至850℃。然后通过氢气竖炉中部的热还原气入口进入氢气竖炉中。红土镍矿氧化球团经氢气竖炉顶部的受料斗送入。其中，红土镍矿氧化球团中，镍的质量含量为0.5％，铁的质量含量为50％。热还原气进入氢气竖炉中后，在铁和镍为催化剂的条件下，通过裂解和自重整反应，制取合成还原气，其中H2和CO的体积分数为92％。且H2/CO为4.0。合成还原气向上运动，在氢气竖炉上部加热、还原自上而下运动的红土镍矿氧化球团，还原时间为4h。在竖炉下部，还原金属球团发生渗碳反应，并经冷却后，通过竖炉底部的排料斗口排出。合成还原气完成还原反应后从氢气竖炉顶部的出气口排出，经洗涤冷却、除尘处理。然后将冷却气分成两部分：一部分经压缩机压缩后与还原气混合，进行循环利用；另一部分送至加热炉中作为燃料。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种氢气竖炉湿法自重整直接还原冶炼红土镍矿的系统，其特征在于，所述系统包括脱硫脱碳装置、加湿器、加热炉、氢气竖炉；
所述脱硫脱碳装置具有还原气入口、脱硫脱碳还原气出口；
所述加湿器具有脱硫脱碳还原气入口、加湿还原气出口；其中，所述脱硫脱碳还原气入口与所述脱硫脱碳装置的脱硫脱碳还原气出口连接；
所述加热炉具有加湿还原气入口、热还原气出口；其中，所述加湿还原气入口与所述加湿器的加湿还原气出口连接；
所述氢气竖炉具有红土镍矿入口、热还原气入口、还原金属球团出口、出气口；其中，所述热还原气入口与所述加热炉的热还原气出口连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括洗涤冷却装置，其具有进气口、冷却气出口；所述进气口与所述氢气竖炉的出气口连接，所述冷却气出口与所述加热炉的冷却气入口连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括压缩机，其具有冷却气入口，压缩冷却气出口；所述冷却气入口与所述洗涤冷却装置的冷却气出口连接，压缩冷却气出口与所述脱硫脱碳装置的压缩冷却气入口连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述红土镍矿入口设置在所述氢气竖炉的顶部；所述热还原气入口设置在所述氢气竖炉的中部；所述出气口设置在所述氢气竖炉的顶部；所述还原金属球团出口设置在所述氢气竖炉的底部。
5.一种利用权利要求1-4之一所述的系统直接还原冶炼红土镍矿的的方法，其特征在于，包括步骤：
所述还原气经由所述脱硫脱碳装置进行脱硫脱碳处理后，送入所述加湿器中，向其中加入水蒸气，得到的加湿还原气送入所述加热炉中加热，得到热还原气；
将所述热还原气送入所述氢气竖炉中，并向所述氢气竖炉中加入铁和镍作为催化剂，所述热还原气在所述铁和镍的催化作用下发生自重整反应，得到合成还原气；
向所述氢气竖炉中加入红土镍矿，所述红土镍矿与所述合成还原气接触发生还原反应，得到还原金属球团，所述还原金属球团中含有的铁和镍作为所述自重整反应的催化剂。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括步骤：
所述合成还原气发生还原反应后经由所述氢气竖炉顶部的所述出气口排出，并送入所述洗涤冷却装置中进行洗涤冷却后，得到冷却气；
将所述冷却气送入所述加热炉中，和，将所述冷却气送入所述脱硫脱碳装置中。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述热还原气的温度为850～1050℃。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述红土镍矿中镍的质量含量为0.5～3％，铁的质量含量为10～50％。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述合成还原气中H2和CO的体积比≥90％；且H2与CO的比例为2.0～4.0。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述还原反应的时间为2～4h。
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