CN115652107A - 一种高冰镍生产装置及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高冰镍生产装置及生产方法，包括炉体，炉体依次分为熔炼区、沉淀区、硫化区及排放区，熔炼区上端设有还原空间，熔炼区侧壁连通有第一喷管，第一喷管用于将燃料与氧气的混合物喷入熔炼区，硫化区侧壁连通有第二喷管，第二喷管用于将硫化剂喷入硫化区，排放区上端连通有排烟通道。本发明所述的高冰镍生产装置及生产方法不用焦炭，无需烧结，红土镍矿粉入炉后一步生产高冰镍，省去了吹炼过程，流程短、能耗低，冶炼效率高，对镍还原具有较高的选择性，回收率高。
Description
技术领域
本发明属于金属冶炼领域，尤其是涉及一种高冰镍生产装置及生产方法。
背景技术
随着新能源产业不断发展，以及三元电池高镍化趋势的形成，硫酸镍作为电池正极材料所需三元前驱体的原料，硫酸镍需求将保持快速增长的态势。
高冰镍(Nickle Matte)也称镍锍，镍含量约在70％-75％之间，高冰镍是目前制备硫酸镍最低成本的原材料，后期高冰镍或将成为硫酸镍原材料的主要来源。硫酸镍需求增长也带动产业链上游的高冰镍生产和需求的扩大。
全球镍矿分为硫化镍矿和红土镍矿，其中硫化镍矿占全球镍矿资源约30％-40％，主要分布于南非、加拿大、俄罗斯等高纬度地区，红土镍矿占全球镍矿资源约60％-70％，主要分布于印尼和菲律宾、美洲的古巴等低纬度地区。红土镍矿、硫化镍矿均可冶炼高冰镍，近年来硫化矿因过度开采而品质下降，储量和产量不断下滑，全球镍矿开发的重点逐渐从硫化矿转向红土镍矿。
硫化镍矿火法冶炼高冰镍的工艺主要有闪速熔炼及电炉熔炼：(1)硫化镍矿-闪速熔炼-低冰镍-转炉吹炼-高冰镍；(2)硫化镍矿-电炉熔炼-低冰镍-转炉吹炼-高冰镍。闪速熔炼能充分利用精矿本身的反应热，能耗低，烟气含SO2浓度高，是目前主流的硫化镍矿熔炼工艺。电炉熔炼耗电较大，适用于电价低廉的地区。
红土镍矿火法冶炼高冰镍的工艺主要以电炉熔炼、RKEF工艺和富氧侧吹工艺为代表：(1)红土镍矿-回转窑还原-电炉熔炼(硫化)-低冰镍-转炉吹炼-高冰镍；(2)红土镍矿-RKEF工艺-镍铁-转炉吹炼二次(硫化)-高冰镍；(3)红土镍矿-富氧侧吹(硫化)-低冰镍-转炉吹炼-高冰镍。
上述三种高冰镍冶炼工艺都需要进行转炉吹炼，造成工艺流程长、生成连续性差、污染大、能耗高，且钴的回收率极低。因而，亟待一种短流程的、节能降耗的红土镍矿冶炼高冰镍的工艺出现。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种高冰镍生产装置及生产方法，以缩短高冰镍生产工艺流程，降低能耗，提高生产效率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高冰镍生产装置，包括炉体，所述炉体依次分为熔炼区、沉淀区、硫化区及排放区，所述熔炼区上端连通有还原空间，熔炼区侧壁连通有第一喷管，第一喷管用于将燃料与含氧气体喷入熔炼区，所述硫化区侧壁连通有第二喷管，第二喷管用于将硫化剂喷入硫化区，所述排放区上端连通有排烟通道。进一步地，所述还原空间上设置有还原气导入装置及加料喷嘴。还原气导入装置用于向还原空间内导入高温还原气体，加热并还原红土镍矿矿粉。加料喷嘴用于向还原空间喷入红土镍矿的矿粉和熔剂。
进一步地，所述第一喷管为浸入式烧嘴。所述浸入式烧嘴的出口设于所述熔炼区内的熔体层中。所述浸入式烧嘴有若干个，用于将燃料与含氧气体喷入炉体内。燃料为H2、CO、天然气、煤粉、重油中的至少一种。喷入的含氧气体为空气、富氧、纯氧中的一种。所述浸入式烧嘴可采用单枪双通道结构。双通道中的一个通道为含氧气体进入通道，另一个通道为燃料进入通道。
进一步地，所述浸入式烧嘴为分别位于炉体下部两侧的燃料喷枪和氧气喷枪组合而成。燃料喷枪和氧气喷枪的喷入方向相向而行，成对组合，用于使燃料与氧气在炉体内充分接触并高效燃烧放热。
进一步地，所述排放区侧壁连通有排渣口及排锍口，所述排渣口设于排锍口上方。
进一步地，所述硫化剂为液体硫磺。
一种高冰镍生产方法，应用了如上所述的高冰镍生产装置，包括以下步骤：
a.将红土镍矿矿粉及熔剂从还原空间的顶部喷入，控制还原空间还原气体(有效成分为：CO/H2/CO+H2)的浓度及还原温度，实现对红土镍矿矿粉中Ni的选择性还原，而抑制Fe的还原；
b.还原产物落入熔炼区，将燃料与含氧气体通过第一喷管喷入熔炼区，还原产物在熔炼区彻底熔化，其中的脉石成分与熔剂发生造渣反应，得到熔炼产物；
c.熔炼产物在沉淀区分层为镍铁熔体层及熔渣层；
d.将硫化剂通过第二喷管喷入硫化区内的镍铁熔体层中进行硫化，得到高镍锍熔体；
e.熔渣与高镍锍熔体在排放区澄清后再分别通过排渣口与排锍口排放出炉体。
进一步地，所述红土镍矿粉中含水量在0.3％以下且粒度小于200目的占比80％以上。
进一步地，炉体内温度为1400-1550℃。
进一步地，从排锍口排放出的高镍锍熔体中硫含量小于25％。
相对于现有技术，本发明所述的高冰镍生产装置及生产方法具有以下优势：
(1)本发明所述的高冰镍生产装置及生产方法不用焦炭，无需烧结，红土镍矿粉入炉后一步生产高冰镍，省去了吹炼过程，流程短、能耗低、冶炼效率高，对镍还原具有较高的选择性，回收率高。
(2)本发明所述的高冰镍生产方法在硫化区对金属熔体层进行精准硫化，硫化剂耗用量低，烟气含硫量低，实现了清洁生产。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的高冰镍生产装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的炉体的结构示意图；
图3为一氧化碳还原气相平衡示意图。
附图标记说明：
1、炉体；2、熔炼区；3、沉淀区；4、硫化区；5、排放区；6、还原空间；7、第一喷管；8、第二喷管；9、排烟通道；10、排渣口；11、排锍口。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1及图2所示，本发明的高冰镍生产装置，包括炉体，炉体下部自左向右依次分为熔炼区、沉淀区、硫化区及排放区，熔炼区上端连通有竖直设置的还原空间，熔炼区侧壁连通有第一喷管，第一喷管用于将粉煤或还原气体与氧气的混合物喷入熔炼区，硫化区侧壁连通有第二喷管，第二喷管用于将硫化剂喷入硫化区，排放区上端连通有竖直设置的排烟通道，排放区侧壁连通有排渣口及排锍口，排渣口设于排锍口上方。
还原空间上部设置有还原气导入装置及加料喷嘴。还原气导入装置用于向还原空间内导入高温还原气体(含有一定浓度的CO和H2)，加热并还原红土镍矿矿粉。加料喷嘴用于向还原空间喷入红土镍矿矿粉及熔剂。
红土镍矿中主要含有NiO、CoO、Cr2O3、Fe2O3、Al2O3等金属氧化物，在红土镍矿的熔点范围内(1600～1700K)，氧化物稳定性排序为Al2O3>Cr2O3>CaO>MgO>Fe2O3>FeO>CoO>NiO，这其中，NiO和CoO较易被还原。
在还原空间内，以CO为还原剂还原红土镍矿为例，如图3所示，根据冶金热力学分析，只需在合适的温度维持较低的CO浓度(如1200℃-1400℃下30％-60％的浓度)，即可实现NiO和CoO的还原，而抑制FeO的还原。在实际生产中，还原空间的温度及还原气体的浓度可控可调，可实现对熔炼空间中的有价金属氧化物进行选择性还原。以H2作为还原剂进行选择性还原的原理与上述原理类似。
将粉煤与氧气的混合物或还原气体通过第一喷管喷入熔炼区，通过控制喷入的煤氧量及相互间的比例(使粉煤稍过量)，一方面为补充熔池热量，使落入熔池的还原产物全部熔化，并使熔池维持1400℃-1550℃的高温环境；另一方面使熔池形成可控的弱还原环境，使少量未还原的NiO彻底还原为Ni，同时通过缺碳操作控制FeO的还原程度，使合金产品中镍品位达到80％以上；另外，侧吹及反应生产的气体能够搅动熔炼产物，使熔炼产物翻滚，加快熔炼产物上下层热量及物质的交换，利于氧化物造渣及渣与镍铁熔体间的分离。
熔炼产物经熔炼区熔炼后，在向排放口流动的过程中，在沉淀区内逐渐沉淀分层，从下至上形成镍铁熔体层及熔渣层。
将硫化剂通过第二喷管喷入硫化区内的熔体层中进行硫化，镍铁与硫化剂在该区迅速反应并放出热量，为附近的熔体补充热量，通过控制喷入硫化剂的量，使出炉时镍琉中硫含量低于25％，从而使得到的最终产品为高冰镍。
熔体层在排放区进一步澄清后，熔渣从排渣口排出，高冰镍产品从排锍口排出，高温烟气从排烟通道排出炉体外。
实施例:
炉体还原空间直径约为3m，下部长约16m、宽约4m，高约3m，其中熔炼区的长度约为3.5m,沉淀区的长度约为8m，硫化区的长度约为3.5m，排放区的长度约为1m。
原料准备：将红土镍矿破碎至粒度小于200目占80％的矿粉，干燥至含水量低于0.3％。用于喷入熔炼区熔体内的煤破碎至粒度小于1mm占80％以上，并干燥至含水量低于2％。造渣熔剂为生石灰，含水小于1％、粒度小于60目的占90％。
将外部煤气化室生产的1600℃左右的还原气体(含CO体积浓度约为60％，CO2体积浓度约为28％)导入还原空间，同时通过加料喷嘴向还原空间内喷入红土镍矿矿粉及熔剂。高温还原气体与红土镍矿矿粉在还原空间充分地混合，红土镍矿粉以极大的比表面积状态弥撒于炽热、呈还原气分的空间，形成“爆炸式”的动力学条件，使传热、传质和气-固、气-液反应的速度极快，迅速完成镍矿粉的还原和熔化。
通过调节喷入的煤气中还原气浓度建立NiO还原的最佳空间环境，实现对Ni的选择性还原，即使矿粉中的NiO基本完成还原而同时抑制FeO的还原。
在对应熔池熔炼区两边侧壁上布置了两排喷枪，分别喷入氧气及粉煤。控制好喷入的煤氧量及相互间的比例，一方面为补充熔池热量，使熔池维持1530℃左右的高温环境；另一方面使熔池形成可控的弱还原环境，使少量未还原的NiO彻底还原为Ni，同时通过缺碳操作控制FeO的还原程度，使合金产品中镍品位达到70％以上。另外，侧吹及反应生产的气体搅动熔体，使熔体翻滚，加快熔体上下层热量及物质的交换，利于氧化物造渣及渣与镍铁熔体间的分离。
熔体经熔炼区熔炼后，在向排放口流动的过程中，在沉淀区内逐渐沉淀分层，从下至上形成镍铁熔体层及熔渣层。
在对应硫化区镍铁熔体层的熔池侧壁上布置有硫化喷枪，通过喷枪向镍铁熔体层内喷入液态硫磺等硫化剂，镍铁与S在该区迅速反应并放出热量，为附近的熔体补充热量。控制喷入硫化剂的量，使出炉时镍琉中S含量低于25％，从而使得到的最终产品为高冰镍。
熔体经排放区进一步澄清后，熔渣从排渣口排出，高冰镍(含Ni 70.5％，Fe 4％，Co 0.5％，S 23.9％)从高冰镍排放口定时排出。高温烟气从上升烟道排出炉外。
Claims (10)
1.一种高冰镍生产装置，其特征在于：包括炉体，所述炉体下部依次分为熔炼区、沉淀区、硫化区及排放区，所述熔炼区上端设有还原空间，熔炼区侧壁连通有第一喷管，第一喷管用于将燃料与含氧气体喷入熔炼区，所述硫化区侧壁连通有第二喷管，第二喷管用于将硫化剂喷入硫化区，所述排放区上端连通有排烟通道。
2.根据权利要求1所述的高冰镍生产装置，其特征在于：所述还原空间上设置有还原气导入装置及加料喷嘴。
3.根据权利要求1所述的高冰镍生产装置，其特征在于：所述第一喷管为浸入式烧嘴。
4.根据权利要求3所述的高冰镍生产装置，其特征在于：所述浸入式烧嘴包括分别位于炉体下端两侧的燃料喷枪及氧气喷枪。
5.根据权利要求1所述的高冰镍生产装置，其特征在于：所述排放区侧壁连通有排渣口及排锍口，所述排渣口设于排锍口上方。
6.根据权利要求1所述的高冰镍生产装置，其特征在于：所述硫化剂为液体硫磺。
7.一种高冰镍生产方法，应用了如权利要求1-6任一所述的高冰镍生产装置，其特征在于，包括以下步骤：
a.将红土镍矿矿粉及熔剂从还原空间的顶部喷入，控制还原空间还原气体的浓度及还原温度，实现对红土镍矿矿粉中Ni的选择性还原，而抑制Fe的还原，得到还原产物；
b.还原产物落入熔炼区，将燃料与含氧气体通过第一喷管喷入熔炼区，还原产物在熔炼区彻底熔化，其中的脉石成分与熔剂发生造渣反应，得到熔炼产物；
c.熔炼产物在沉淀区分层为镍铁熔体层及熔渣层；
d.将硫化剂通过第二喷管喷入硫化区内的镍铁熔体层中进行硫化，得到高镍锍熔体；
e.熔渣与高镍锍熔体在排放区澄清后再分别通过排渣口与排锍口排放出炉体。
8.根据权利要求7所述的高冰镍生产方法，其特征在于：所述红土镍矿粉中含水量在0.3％以下且粒度在小于200目的占比80％以上。
9.根据权利要求7所述的高冰镍生产方法，其特征在于：炉体内温度为1400-1550℃。
10.根据权利要求7所述的高冰镍生产方法，其特征在于：从排锍口排放出的高镍锍熔体中硫含量小于25％。
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