CN107043861A - 一种天然气三重整还原红土镍矿球团的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天然气三重整还原红土镍矿球团的系统和方法。所述系统中，竖炉具有红土镍矿球团入口、还原气入口、海绵铁出口、炉顶气出口；降温除尘器具有炉顶气入口、第一气体出口、第二气体出口，炉顶气入口与竖炉的炉顶气出口连接；预热器具有混合气入口、预热混合气出口，混合气入口与降温除尘器的第一气体出口连接；加热器具有预热混合气入口、升温混合气出口，预热混合气入口与预热器的预热混合气出口连接；燃烧器具有氧气入口、升温混合气入口、还原气出口，升温混合气入口与加热器的升温混合气出口连接，还原气出口与竖炉的还原气入口连接。本发明可选择性还原红土镍矿球团，制备高品位的镍铁合金，并可实现能量的循环回收利用。

Description

一种天然气三重整还原红土镍矿球团的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种天然气三重整还原红土镍矿球团的系统和方法。
背景技术
红土镍矿是由含铁镁硅酸盐矿物的超镁铁质岩经长期风化变质形成的，上层是褐铁矿类型，主要由铁的氧化物组成；中间为过渡层；下层是硅镁镍矿层。红土镍矿资源丰富，采矿成本低，选冶工艺趋于成熟，可生产氧化镍、镍铁等多种中间产品，是未来镍资源的主要来源。目前，处理红土镍矿的工艺包括：火法工艺、湿法工艺、火湿结合工艺。
火法工艺用于处理高镁低铁红土镍矿，主要产品是镍铁合金，能够直接应用于不锈钢生产。火法工艺处理红土镍矿生产镍铁合金具有流程短、效率高等优点，但能耗较高。湿法工艺主要用于处理中低品位的红土镍矿，其成本比火法工艺低。但是，湿法工艺比较复杂、流程长、工艺条件对设备要求高。
发明内容
本发明旨在提供一种天然气三重整处理红土镍矿球团的系统和方法，能够选择性还原红土镍矿球团，使镍全部还原，铁部分还原。
本发明提出了一种天然气三重整后还原红土镍矿球团的系统，包括竖炉、降温除尘器、预热器、加热器、燃烧器。
所述竖炉具有红土镍矿球团入口、还原气入口、海绵铁出口、炉顶气出口。
所述降温除尘器具有炉顶气入口、第一气体出口、第二气体出口。所述炉顶气入口与所述竖炉的炉顶气出口连接。
所述预热器具有混合气入口、预热混合气出口。所述混合气入口与所述降温除尘器的第一气体出口连接。
所述加热器具有预热混合气入口、升温混合气出口。所述预热混合气入口与所述预热器的预热混合气出口连接。
所述燃烧器具有氧气入口、升温混合气入口、还原气出口。所述升温混合气入口与所述加热器的升温混合气出口连接。所述还原气出口与所述竖炉的还原气入口连接。
进一步的，所述加热器设置有第二气体入口、烟气出口。所述第二气体入口与所述降温除尘器的第二气体出口连接。
所述预热器设置有烟气入口。所述烟气入口与所述加热器的烟气出口连接。
上述的系统中，还包括第一压缩器、第二压缩器。
所述第一压缩器用于压缩第一气体，具有第一气体入口、第一压缩气体出口。所述第一气体入口与所述降温除尘器的第一气体出口连接，所述第一压缩气体出口与所述预热器的混合气入口连接。
所述第二压缩器用于压缩天然气，具有天然气入口、压缩天然气出口。所述压缩天然气出口与所述预热器的混合气入口连接。
本发明还提出了一种利用上述系统由天然气三重整还原红土镍矿球团的方法，包括步骤：
所述竖炉排出的炉顶气经所述降温除尘器处理后，分为第一气体和第二气体。
所述第一气体与所述天然气混合，得到混合气。
将所述混合气送入所述预热器中预热，得到预热混合气。
将所述预热混合气送入所述加热器中加热，得到升温混合气。
将所述升温混合气送入所述燃烧器中，并向所述燃烧器中通入氧气，所述燃烧器中发生部分氧化反应，得到还原气。
将所述还原气送入所述竖炉中，所述还原气与所述竖炉中的红土镍矿球团发生双重整、还原、渗碳反应，得到海绵铁。
进一步的，将所述第二气体通入所述加热器中作为燃料气。
进一步的，将所述加热器中的燃料气燃烧产生的烟气送入所述预热器中作为预热气。
上述由天然气三重整后还原红土镍矿球团的方法中，所述第一气体的体积占所述炉顶气总体积的60～70％。所述第二气体的体积占所述炉顶气总体积的30～40％。
进一步的，所述还原气的温度为950～1050℃。
进一步的，所述还原气中CO和H2的体积占所述还原气总体积的30～40％。
进一步的，所述红土镍矿球团中，镍的质量含量为0.8～1.5％。
本发明可避免甲烷重整炉和镍基催化剂的消耗费用。并且，本发明采用竖炉还原红土镍矿，可以充分利用炉顶气中的二氧化碳和水蒸汽，作为甲烷重整反应的重整剂。通过过量的二氧化碳和水蒸汽，可控制还原气的还原能力，选择性的还原红土镍矿球团，使其中的镍全部还原，铁部分还原，得到高品位的镍铁合金。采用竖炉工艺，可避免回转窑预还原过程易结圈，以及还原度难以控制的技术问题。并且，竖炉工艺选用气基还原，可有效降低镍铁合金中的硫、磷等杂质元素。
本发明中，将炉顶气作为加热器的燃料气，并将燃烧产生的高温烟气作为预热混合气的预热气，实现了能量的回收利用，降低能耗。
本发明中，使用少量氧气对加热后的甲烷进行部分氧化反应，可有效降低混合气中甲烷的含量，增加其中CO和H2的占比，有利于竖炉中还原反应的进行。
附图说明
图1为本发明中天然气三重整后还原红土镍矿球团的系统示意图。
图2为本发明利用图1所示的系统由天然气三重整后还原红土镍矿球团的方法流程示意图。
附图中的附图标记如下：
1、竖炉；2、降温除尘器；3、第一压缩器；4、第二压缩器；5、预热器；6、加热器；7、燃烧器。
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。
本发明首先公开了一种天然气三重整后还原红土镍矿球团的系统，如图1所示。
本发明的系统中包括竖炉1、降温除尘器2、预热器5、加热器6、燃烧器7。
竖炉1具有红土镍矿球团入口、还原气入口、海绵铁出口、炉顶气出口。
降温除尘器2具有炉顶气入口、第一气体出口、第二气体出口。其中，炉顶气入口与竖炉1的炉顶气出口连接。
预热器5具有混合气入口、烟气入口、预热混合气出口。其中，混合气入口与降温除尘器2的第一气体出口连接。
加热器6具有预热混合气入口、第二气体入口、天然气入口、升温混合气出口、烟气出口。其中，预热混合气入口与预热器5的预热混合气出口连接。第二气体入口与降温除尘器2的第二气体出口连接。烟气出口与预热器5的烟气入口连接。
燃烧器7具有氧气入口、升温混合气入口、还原气出口。其中，升温混合气入口与加热器6的升温混合气出口连接。还原气出口与竖炉1的还原气入口连接。
在本发明的不同实施例中，还包括第一压缩器3、第二压缩器4。
第一压缩器3用于压缩第一气体。其具有第一气体入口、第一压缩气体出口。其中，第一气体入口与降温除尘器2的第一气体出口连接。第一压缩气体出口与预热器5的混合气入口连接。
第二压缩器4用于压缩天然气。其具有天然气入口、压缩天然气出口。其中，压缩天然气出口与预热器5的混合气入口连接。
利用图1所示的系统，本发明还提出了一种由天然气三重整后还原红土镍矿球团的方法。所述方法的流程示意图如图2所示，包括如下步骤：
(1)竖炉1顶部排出的炉顶气送入降温除尘器2中。炉顶气经降温除尘后，分为两部分：第一气体和第二气体。第一气体的体积占炉顶气总体积的60～70％。第二气体的体积占炉顶气总体积的30～40％。炉顶气中，CO和H2的体积占炉顶气总体积的百分数≤25％。
(2)将第一气体与天然气混合，得到混合气。其中，天然气的主要成分为甲烷。混合气送入预热器5中预热，得到预热混合气。预热混合气的温度为200～300℃。
预热混合气送入加热器6中加热，得到升温混合气。升温混合气的温度为700～800℃。
升温混合气送入燃烧器7中，并向燃烧器7中通入氧气。燃烧器7中发生部分氧化反应，得到还原气。还原气的温度为950～1050℃。并且，还原气中CO和H2的体积占还原气总体积的30～40％。
混合气中的甲烷与氧气在燃烧器7中发生部分氧化反应，生成CO和H2，即为一重整反应，可得到还原气。
将还原气送入竖炉1中，并经由红土镍矿球团入口向竖炉1中加入红土镍矿球团。本发明中，红土镍矿球团中镍的质量含量为0.8～1.5％。由于竖炉1排出的炉顶气含有一定量CO2和水蒸汽，经部分氧化(一重整)后的还原气中含有一定量CO2、水蒸汽、甲烷。进入竖炉后，在被还原红土镍矿铁、镍的催化作用下，发生甲烷-CO2、甲烷-水蒸汽的双重整反应，进一步生成CO和H2，进而还原竖炉上部的红土镍矿球团，同时发生渗碳反应。反应过程中，控制竖炉1的操作压力为0.1～0.2MPa。
本发明中，通过炉顶气中过量的二氧化碳和水蒸汽可控制还原气的还原能力，选择性的还原红土镍矿球团，使得其中的镍全部还原为金属镍，而其中的铁部分还原为金属铁，可得到高品位的镍铁合金。
(3)将第二气体通入加热器6中作为燃料气。同时，向其中补充通入天然气作为燃料气。加热器6中的燃料气燃烧后，产生的烟气送入预热器5中作为预热气。
实施例1
天然气与第一气体混合，得到的混合气中CO和H2的体积占比为18％，CH4的体积占比为23％。将混合气送入预热器中，温度由40℃升至210℃，然后送入加热器中升温至780℃。得到的升温混合气送入燃烧器中，与氧气发生部分氧化反应，得到还原气，温度为960℃，其中CO和H2的体积占比为33％，CH4的体积占比为16％，将还原气送入竖炉中。红土镍矿球团还原产生的海绵铁中含有金属铁和金属镍。金属铁和金属镍可作为还原气中的甲烷二氧化碳、甲烷水蒸汽重整反应的催化剂，生成CO和H2。CO和H2在向上运动的过程中，与从上自下运动的红土镍矿球团充分接触，进一步还原红土镍矿球团，得到海绵铁和炉顶气。炉顶气中，CO和H2的体积占比为21％，CH4的体积占比为4％。竖炉中双重整反应的甲烷转化率为74％。炉顶气经降温除尘后，分为两部分：60％体积比的炉顶气经压缩后与天然气混合进行循环利用，40％体积比的炉顶气作为加热器的燃料气，并向加热器中补充天然气作为燃料气，燃料气燃烧后的烟气作为预热器的预热气，然后排空。
本实施例选用的红土镍矿球团中，全铁质量含量为15.48％，镍质量含量为0.9％。还原产生的海绵铁中，全铁质量含量为17.24％，镍质量含量为1.1％。红土镍矿还原反应中，铁金属化率为39％，镍金属化率为98％。
实施例2
天然气与第一气体混合，得到的混合气中CO和H2的体积占比为16％，CH4的体积占比为22％。将混合气送入预热器中，温度由50℃升至300℃，然后送入加热器中升温至800℃。得到的升温混合气送入燃烧器中，与氧气发生部分氧化反应，得到还原气，温度为1050℃，其中CO和H2的体积占比为30％，CH4的体积占比为13％，将还原气送入竖炉中。红土镍矿球团还原产生的海绵铁中含有金属铁和金属镍。金属铁和金属镍可作为还原气中的甲烷二氧化碳、甲烷水蒸汽重整反应的催化剂，生成CO和H2。CO和H2在向上运动的过程中，与从上自下运动的红土镍矿球团充分接触，进一步还原红土镍矿球团，得到海绵铁和炉顶气。炉顶气中，CO和H2的体积占比为19％，CH4的体积占比为2％。竖炉中三重整反应的甲烷转化率为80％。炉顶气经降温除尘后，分为两部分：65％体积比的炉顶气经压缩后与天然气混合进行循环利用，35％体积比的炉顶气作为加热器的燃料气，并向加热器中补充天然气作为燃料气，燃料气燃烧后的烟气作为预热器的预热气，然后排空。
本实施例选用的红土镍矿球团中，全铁质量含量为25.31％，镍质量含量为1.1％。还原产生的海绵铁中，全铁质量含量为28.64％，镍质量含量为1.3％。红土镍矿还原反应中，铁金属化率为42％，镍金属化率为98％。
实施例3
天然气与第一气体混合，得到的混合气中CO和H2的体积占比为17％，CH4的体积占比为21％。将混合气送入预热器中，温度由40℃升至200℃，然后送入加热器中升温至700℃。得到的升温混合气送入燃烧器中，与氧气发生部分氧化反应，得到还原气，温度为950℃，其中CO和H2的体积占比为40％，CH4的体积占比为15％，将还原气送入竖炉中。红土镍矿球团还原产生的海绵铁中含有金属铁和金属镍。金属铁和金属镍可作为还原气中的甲烷二氧化碳、甲烷水蒸汽重整反应的催化剂，生成CO和H2。CO和H2在向上运动的过程中，与从上自下运动的红土镍矿球团充分接触，进一步还原红土镍矿球团，得到海绵铁和炉顶气。炉顶气中，CO和H2的体积占比为21％，CH4的体积占比为5％。竖炉中三重整反应的甲烷转化率为74％。炉顶气经降温除尘后，分为两部分：70％体积比的炉顶气经压缩后与天然气混合进行循环利用，30％体积比的炉顶气作为加热器的燃料气，并向加热器中补充天然气作为燃料气，燃料气燃烧后的烟气作为预热器的预热气，然后排空。
本实施例选用的红土镍矿球团中，全铁质量含量为22.03％，镍质量含量为1.5％。还原产生的海绵铁中，全铁质量含量为24.85％，镍质量含量为1.7％。红土镍矿还原反应中，铁金属化率为40％，镍金属化率为98％。
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)

1.一种天然气三重整还原红土镍矿球团的系统，其特征在于，所述系统包括竖炉、降温除尘器、预热器、加热器、燃烧器；
所述竖炉具有红土镍矿球团入口、还原气入口、海绵铁出口、炉顶气出口；
所述降温除尘器具有炉顶气入口、第一气体出口、第二气体出口；所述炉顶气入口与所述竖炉的炉顶气出口连接；
所述预热器具有混合气入口、预热混合气出口；所述混合气入口与所述降温除尘器的第一气体出口连接；
所述加热器具有预热混合气入口、升温混合气出口；所述预热混合气入口与所述预热器的预热混合气出口连接；
所述燃烧器具有氧气入口、升温混合气入口、还原气出口；所述升温混合气入口与所述加热器的升温混合气出口连接；所述还原气出口与所述竖炉的还原气入口连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述加热器设置有第二气体入口、烟气出口；所述第二气体入口与所述降温除尘器的第二气体出口连接；
所述预热器设置有烟气入口；所述烟气入口与所述加热器的烟气出口连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括第一压缩器、第二压缩器；
所述第一压缩器用于压缩第一气体，具有第一气体入口、第一压缩气体出口，所述第一气体入口与所述降温除尘器的第一气体出口连接，所述第一压缩气体出口与所述预热器的混合气入口连接；
所述第二压缩器用于压缩天然气，具有天然气入口、压缩天然气出口；所述压缩天然气出口与所述预热器的混合气入口连接。
4.一种利用权利要求1-3之一所述的系统，由天然气三重整还原红土镍矿球团的方法，其特征在于，包括步骤：
所述竖炉排出的炉顶气经所述降温除尘器处理后，分为第一气体和第二气体；
所述第一气体与所述天然气混合，得到混合气；
将所述混合气送入所述预热器中预热，得到预热混合气；
将所述预热混合气送入所述加热器中加热，得到升温混合气；
将所述升温混合气送入所述燃烧器中，并向所述燃烧器中通入氧气，所述燃烧器中发生部分氧化反应，得到还原气；
将所述还原气送入所述竖炉中，所述还原气与所述竖炉中的红土镍矿球团发生双重整、还原、渗碳反应，得到海绵铁。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述第二气体通入所述加热器中作为燃料气。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述加热器中的燃料气燃烧产生的烟气送入所述预热器中作为预热气。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
所述第一气体的体积占所述炉顶气总体积的60～70％；
所述第二气体的体积占所述炉顶气总体积的30～40％。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述还原气的温度为950～1050℃。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述还原气中CO和H2的体积占所述还原气总体积的30～40％。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述红土镍矿球团中，镍的质量含量为0.8～1.5％。
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