CN116024438A - 一种利用红土镍矿生产镍产品的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种利用红土镍矿生产镍产品的方法，涉及矿石冶炼技术领域。该方法包括：S1、将包含干红土镍矿、粉煤和富氧空气的混合物料连续加入富氧侧吹炉内，使混合物料在富氧侧吹炉内进行燃烧、熔化和预还原反应；S2、使富氧侧吹炉内反应产生的熔渣进入还原贫化电炉内，同时往还原贫化电炉内鼓入还原剂、硫化剂和氧气搅拌混合或不加入硫化剂，使熔渣进行燃烧、反应；S3、使步骤S2反应后的熔体在电极作用下进行渣镍分离，得到电炉渣和低冰镍或镍铁。该方法通过“富氧侧吹炉熔炼+电炉还原硫化”处理红土镍矿生产镍产品，具有能耗低、生产成本低、煤和还原剂利用率高、镍回收率高等优点。

Description

一种利用红土镍矿生产镍产品的方法

技术领域

本申请涉及冶炼技术领域，具体而言，涉及一种利用红土镍矿生产镍产品的方法。

背景技术

镍具有较高的机械强度，良好的韧性、延展性和抗腐蚀性，被广泛应用于不锈钢、电镀、电池、化工等领域。近年来，随着新能源电池领域的迅速发展，镍的市场需求不断攀升，但是随着硫化镍矿资源的日趋减少，目前占镍资源总量70％左右的红土型氧化镍矿（红土镍矿）的开发利用引起了广泛关注。目前高硅镁型红土镍矿的冶炼大多采用火法工艺，如RKEF（RotaryKlinElectricFurnace，回转窑电炉）、鼓风炉熔炼、小高炉冶炼等技术路线，冶炼产品以镍铁为主，镍铁用途单一、市场竞争力弱，而目前市场对镍锍产品的需求极为迫切。因此，为了提高产品的竞争力和附加值，拓展其应用渠道，开发红土镍矿生产镍锍工艺是极为必要的。

低冰镍是生产高镍锍的中间产品，目前国内外利用红土镍矿生产低冰镍均依赖于传统工艺，主要有以下两种方式：第一种方式是先用传统火法工艺（RKEF、小高炉等）生产出镍铁，然后对镍铁进行硫化得到低冰镍。该方式的重点是生产镍铁，但传统RKEF工艺耗电量大，成本高；而小高炉工艺则需要焦炭，镍铁品位低，成本高，且增加了后续高镍锍生产的负担。同时，实现镍铁硫化的流槽硫化工艺存在现场环境恶劣、作业条件差等不足，而钢包硫化、转炉硫化等其他硫化工艺尚不成熟。第二种方式是在焙烧窑或者鼓风炉内加硫化剂进行硫化，存在硫化剂利用率低，成本高等问题。

另外，富氧侧吹熔池熔炼工艺以高浓度富氧和浸没燃烧为主要手段，以廉价煤为主要能源介质，具有床能率大、作业率高、烟气小、自动化程度高、环保效果好、能耗低等优势，尤其可以实现以煤代电（或者焦炭、高品质煤种），在提高生产效率和降低生产成本上具有明显的优势，因此受到行业的广泛关注。目前富氧侧吹熔池熔炼工艺主要应用于铜、镍的硫化矿冶炼，以及铜、铅、锌的废弃物还原，而红土镍矿冶炼以镍、铁的还原为主，有相当的特殊性。

目前已报道的红土镍矿熔池熔炼制备低冰镍的新技术有单炉侧吹熔化还原硫化、侧吹熔化+侧吹还原硫化、侧吹还原硫化+电热前床分离等，上述技术部分实现了以煤代电，从一定程度上节约了低冰镍生产成本，但依然存在诸多问题，比如还原剂利用率低、镍回收率低、炉底冻结、二次燃烧温度过高等不足。

发明内容

本申请的目的在于提供一种利用红土镍矿生产镍产品的方法，通过“富氧侧吹炉熔炼+电炉还原硫化”处理红土镍矿生产低冰镍和镍铁等镍产品，具有能耗低、生产成本低、煤和还原剂利用率高、镍回收率高等优点。

第一方面，本申请提供了一种利用红土镍矿生产镍产品的方法，其包括：

S1、将包含干红土镍矿、粉煤和富氧空气的混合物料连续加入富氧侧吹炉内，使混合物料在富氧侧吹炉内进行燃烧、熔化和预还原反应；

S2、使富氧侧吹炉内反应产生的熔渣进入还原贫化电炉内，同时往还原贫化电炉内鼓入还原剂、硫化剂和氧气搅拌混合，使熔渣、还原剂和硫化剂进行燃烧、还原和硫化反应；

S3、使步骤S2反应后的熔体在还原贫化电炉的电极作用下进行渣镍分离，得到电炉渣和低冰镍；

或者，

S2、使富氧侧吹炉内反应产生的熔渣进入还原贫化电炉内，同时往还原贫化电炉内鼓入还原剂和氧气搅拌混合，使熔渣和还原剂进行燃烧、还原反应；

S3、使步骤S2反应后的熔体在还原贫化电炉的电极作用下进行渣镍分离，得到电炉渣和镍铁。

在上述技术方案中，首次提出采用“富氧侧吹炉熔炼+电炉还原硫化”工艺处理红土镍矿生产镍产品，针对红土镍矿处理的特殊性，在侧吹炉利用富氧空气形成的弱还原性气氛熔炼，利用电炉内还原、静置两段反应，针对性解决了熔池熔炼处理红土镍矿时出现的煤耗高、还原剂利用率低、回收率低、死炉等难题，具有能耗低、作业率高、生产成本低、煤和还原剂利用率高、镍回收率高等优点。尤其是利用电炉内还原硫化、静置两段反应直接生产低冰镍的方式，还具有硫化剂利用率高的优点。

具体地，本申请直接使用干红土镍矿作为原料，省掉了焙烧工序，免去了热物料倒运工序，还实现以煤代电、节约生产成本的目的。本申请通过富氧侧吹炉和还原贫化电炉将步骤S1的化料和步骤S2的还原分开，化料采用弱还原性气氛，还原则采用强还原性气氛，提高了煤利用率，降低了生产成本；而且步骤S3通过电极补热，降低了还原剂的消耗，避免死炉问题的发生，还可以有足够的静置时间，最大限度渣镍分离，提高镍的回收率。尤其是本申请利用电炉进行还原、硫化和渣镍分离，还可以通过隔墙和动态电极切换技术，既充分利用了电炉在高温熔体升温和沉降分离上的优势，避免了加入还原剂和硫化剂产生的熔体扰动和喷溅，同时也解决了炉底冻结和隔墙粘接的难题。

在一种可能的实现方式中，在步骤S1中，干红土镍矿、粉煤和富氧空气通过粉料喷枪喷吹入富氧侧吹炉的熔池内进行燃烧、熔化；

可选地，通过气体喷枪将燃气和富氧空气鼓入富氧侧吹炉的熔池内进行燃烧。

在上述技术方案中，干红土镍矿（热物料）、粉煤和富氧空气通过粉料喷枪一起进入富氧侧吹炉熔炼的熔体，提高了化料效率，降低了烟尘率。

在一种可能的实现方式中，单喷枪的富氧空气量为500~2000Nm³/h，喷枪口气流速度为150~300m/s，喷枪呈0~10°角朝下，喷枪位于富氧侧吹炉的炉底上方300~1000mm，熔池面下方500~2000mm的位置。

在上述技术方案中，喷枪距离炉底太近会冲刷炉底、太远则炉底易结冻；熔池面距离喷枪太近，则煤的利用率低，喷溅严重，熔池面距离喷枪太远，喷枪静压过大，能耗高。

在一种可能的实现方式中，干红土镍矿的含水质量<1%，干红土镍矿为热红土镍矿或者高温焙砂，热红土镍矿的温度为150~300℃，高温焙砂的温度为500~700℃：当采用热红土镍矿时，喷吹入炉；当采用高温焙砂时，经筛分后的粉料喷吹入炉，块料从炉顶加入。

在一种可能的实现方式中，在步骤S1中，粉煤是通过电煤、碎焦、无烟煤或者烟煤经磨粉后制得，吨渣粉煤量为100~500kg；

富氧侧吹炉采用自熔渣，或者熔剂，熔剂为富含CaO的碱性物料或者富含SiO₂的酸性物料，控制熔渣碱度为0.2~0.6。

在一种可能的实现方式中，在步骤S1中，富氧侧吹炉采用富氧空气作为一次风，富氧空气中氧气体积浓度不低于70%，压力为0.15~0.35MPa，按照燃料燃烧过剩系数0.85~0.95所需氧量配入相应的富氧空气。

在上述技术方案中，过剩系数太低，气体中CO比例高，粉煤利用率低，二次燃烧温度太高；过剩系数太高，熔渣中以Fe₃O₄形式存在的Fe占比高，熔渣熔点高，且会增加后续还原负荷。

在一种可能的实现方式中，在富氧侧吹炉的炉膛空间内鼓入富氧空气进行二次燃烧，控制出炉烟气含O₂体积占比＞5%，烟气温度＜1600℃。

在一种可能的实现方式中，在步骤S1中，富氧侧吹炉内反应产生的烟气溢出熔体后，经二次燃烧后进入余热锅炉降温、布袋收尘后作为制备粉煤的热源，随后采用石灰-石膏法脱硫，脱硫产物石膏作为步骤S2的硫化剂；余热锅炉产生的过热蒸汽用于预热富氧侧吹炉的一次风和燃烧时的助燃风；余热锅炉和布袋收集的烟灰返回到富氧侧吹炉内。

在上述技术方案中，富氧侧吹炉产生过热蒸汽预热一次风和助燃风，烟气经处理得到的烟灰返回炉内，相比传统熔池熔炼产生饱和蒸汽去发电，热利用提高1倍以上，可实现能源的高质利用，最大程度降低工艺的能耗和成本。

在一种可能的实现方式中，在步骤S2中，还原剂和硫化剂通过喷枪喷吹入熔池，喷吹载气为压缩空气或者氮气，喷吹压力为0.3~0.4MPa，喷枪口气流速度＞300m/s，载气量约150~300Nm³/t，粉料粒度<8mm。

在上述技术方案中，还原贫化电炉的喷枪的合理布置，避免单体硫的外溢，最大程度利用硫化剂，且可适用于多种类硫化剂。

在一种可能的实现方式中，在步骤S2中，在还原贫化电炉内顶部喷射氧气至将反应产生并溢出的烟气部分燃烧，并使还原贫化电炉的熔池温度控制为1400~1500℃；可选地，另外在炉膛上方鼓入空气进行二次燃烧，控制出炉烟气含O₂体积占比＞5%，温度＜1600℃。

在上述技术方案中，喷射高速氧气将二次燃烧的热量反馈给熔池，大幅度提高还原热利用率。

在一种可能的实现方式中，在步骤S2中，还原剂采用电煤、无烟煤、碎焦炭或者兰碳，粒度为4~8mm或者3~5cm：当采用粒度4~8mm时，喷吹入炉；当采用粒度3~5cm时，从炉顶加入；还原剂碳含量＞70%，还原剂用量为低冰镍质量的20%~50%；

硫化剂采用石膏、黄铁矿或者镍硫矿，硫化剂用量按下式估算：硫化剂用量=镍产量×（0.3~1.2）÷（硫含量×硫利用率）。

在一种可能的实现方式中，还原贫化电炉内通过隔墙分隔为预反应区和静置区，预反应区的炉顶比静置区的炉顶高3~5m，预反应区的炉底比静置区的炉底高300~500mm，步骤S2在预反应区进行，步骤S3在静置区进行。

在上述技术方案中，在还原贫化电炉内，通过隔墙和动态电极切换的有效组合，实现了电炉还原硫化的连续作业，降低了设备规格和用电负荷，同时可有效避免隔墙的粘结。

在一种可能的实现方式中，步骤S2的处理时间＜30min，步骤S3的处理时间＞2h。

在上述技术方案中，在静置区进行步骤S3，具有足够的静置时间，最大限度渣镍分离，提高镍的回收率。

在一种可能的实现方式中，还原贫化电炉内依次设有至少两组电极，每组电极对应1台变压器，电极的二次电压为60~150V之间；所有电极中，靠近隔墙的1组电极共设n根电极，n为大于2的正整数，第1根电极位于预反应区，第2~n根电极位于静置区，第1根和第n根电极共用电源，正常生产时使用第2~n根电极，故障停料时使用第1~（n-1）根电极。

在上述技术方案中，通过电极补热，避免故障时预反应区冻死，以及隔墙粘结。

在一种可能的实现方式中，还原贫化电炉连续进料、连续排渣，排渣温度为1450~1550℃，低冰镍排放温度为1350~1400℃；低冰镍品位为10%~40%，S/Ni（质量比）=0.3~1.2。

在一种可能的实现方式中，步骤S3产生的煤气收集后作为步骤S1的燃料，通过喷枪鼓入富氧侧吹炉熔池中；

步骤S2和步骤S3产生的烟气经降温、除尘处理得到的烟灰返回步骤S1的富氧侧吹炉内；

步骤S2产生的烟气经降温、除尘后作为制备粉煤的热源，随后采用石灰-石膏法脱硫，脱硫产物石膏作为步骤S2的硫化剂。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请提供的一种利用红土镍矿生产低冰镍的方法的工艺流程图。

具体实施方式

发明人通过分析现有技术发现：富氧侧吹炉（即富氧侧吹熔池）熔炼工艺以高浓度富氧和浸没燃烧为主要手段，以廉价煤为主要能源介质，具有床能率大、作业率高、烟气小、自动化程度高、环保效果好、能耗低等优势，尤其可以实现以煤代电或者焦炭、高品质煤种，在提高生产效率和降低生产成本上具有明显的优势，因此受到行业的广泛关注。目前富氧侧吹熔池熔炼主要应用于铜、镍的硫化矿冶炼，以及铜、铅、锌的废弃物还原，而红土镍矿冶炼以镍、铁的还原为主，有相当的特殊性，表现如下：

（1）硫化矿冶炼以氧化为主，属于放热反应，大多可以实现自热。不仅不需要额外供热，而且需要侧吹炉的水冷带走过剩的热量。红土镍矿的熔化需要大量的热量，且其冶炼以还原为主，镍、铁的还原反应是吸热反应，需要持续补热，一旦系统故障，低冰镍局部降温后会析出熔点高的镍铁合金，镍铁沉底导致炉底冻结；而高MgO炉渣温度波动时也极易结渣粘结。因此，采用富氧侧吹熔池熔炼处理红土镍矿，首要解决的问题就是防止炉底冻结和炉渣粘结。

（2）铜、铅、锌等废弃物的冶炼虽然是还原反应，但仅需要较弱的还原性气氛就可以满足生产需求，且冶炼温度低（1250℃左右）。相比而言，镍、铁的还原对还原性气氛要求更高，属于深度还原。且因红土镍矿中MgO含量高，要求作业温度高（大于1500℃）。若在化料的时候同步还原，因C-O反应生成CO的放热量是生成CO₂的1/3左右，为了维持还原需要的气氛，必然会大幅度降低化料的煤利用率，而化料的能耗占整个红土镍矿生产低冰镍能耗的70%以上，化料煤利用率低，必然会大幅度升高生产成本，且增加二次燃烧的压力。因此，采用富氧侧吹熔池熔炼处理红土镍矿时，兼顾补热和还原，提高煤和还原剂的利用率以降低生产成本是必须要考虑的。

（3）红土镍矿中镍品位低（一般<2%），为了获得较高的镍回收率，一般要求渣含镍低于0.15%，甚至更低，除了需要深度还原，更需要降低渣中机械夹带的低冰镍，这就要求还原硫化后的熔渣有足够的澄清分离时间。

（4）生产低冰镍需要硫化剂，市场上能满足需求的硫化剂有黄铁矿、镍硫化矿、石膏和硫磺。其中黄铁矿和镍硫化矿在高温下部分S（占总硫量一半左右）分解产生硫蒸汽，若不加以利用，变成SO₂进入烟气；石膏需要预还原得到CaS或者在C：S>2的情况下方能发挥很好的硫化效果；硫磺硫化要求将金属镍、铁还原出来后才能进行。另外，硫化剂本身有一定的还原效果，若硫化剂加入的时机不当，部分硫化剂将充当还原剂的角色，生成SO₂气体，降低S的利用率，增加后续烟气处理的难度和成本。因此，采用富氧侧吹熔池熔炼处理红土镍矿时，必须妥善处理硫化剂的加入方式和加入位置。

综上所述，鉴于红土镍矿冶炼的特殊性，将富氧侧吹熔池熔炼技术用于冶炼红土镍矿生产低冰镍，需要采取必要的措施来防止炉底冻结、防止炉渣粘结、提高煤和还原剂的利用率、强化渣镍分离效果、提高硫化剂利用率，只有这样才能有效发挥富氧侧吹熔池熔炼技术的高床能率、高作业率、低能耗和低成本的优势，实现以煤代电的目标。

经过大量探索和实验，发明人发现采用“富氧侧吹炉熔炼+电炉还原硫化”配合处理红土镍矿生产低冰镍，能够解决富氧侧吹熔池熔炼技术存在的还原剂利用率低、镍回收率低、炉底冻结、二次燃烧温度过高等不足。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请的利用红土镍矿生产镍产品的方法进行具体说明。

首先，本申请提供一种利用红土镍矿生产低冰镍的方法，其利用富氧侧吹炉和还原硫化电炉（还原贫化电炉）组成的装置进行，还原贫化电炉为长方形电炉，通过隔墙在纵向上物理分隔为预反应区和静置区，两个区的长度比在0.15~0.2之间，预反应区的炉顶比静置区的炉顶高3~5m，防止喷溅以及提供足够的二次燃烧空间，预反应区的炉底比静置区的炉底高300~500mm，避免已经分离的低冰镍被搅动进熔渣；隔墙采用铜水套+捣打料+挂渣结构，隔墙吊挂在炉顶下方，熔渣通过底部虹吸流入静置区。

本申请的方法工艺流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

S1、将包含干红土镍矿、粉煤和富氧空气、熔剂、返尘等的混合物料通过多功能喷枪连续加入富氧侧吹炉内，粉煤与富氧空气在喷枪出口发生剧烈燃烧并放热供给熔体，使混合物料在富氧侧吹炉内快速进行燃烧、脱水、分解、熔化和预还原反应，反应产生的熔渣通过富氧侧吹炉的排渣口排出，富氧侧吹炉连续排渣，通过虹吸或者闸板控制排放速度，以维持熔池面稳定。

富氧侧吹炉内的工艺原理（主要反应）如下：

A：干燥、分解

H₂O→H₂O↑；

Fe(OH)₃→Fe₂O₃+H₂O↑；

Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈(蛇纹石)→SiO₂+MgO+H₂O↑；

CaCO₃→CaO+CO₂↑；

MgCO₃→MgO+CO₂↑；

Fe₂O₃→Fe₃O₄+O₂↑；

B：燃烧及交互反应

挥发份+O₂→CO₂↑+SO₂↑+H₂O↑+N₂↑+HCl↑；

C+O₂→CO₂↑；

C+CO₂→CO↑；

C：还原反应

Fe₂O₃+CO→Fe₃O₄+CO₂↑；

Fe₃O₄+CO→FeO+CO↑；

D：造渣反应

MgO+SiO₂→2MgO*SiO₂；

CaO+SiO₂→2CaO*SiO₂；

FeO+SiO₂→2FeO*SiO₂；

E:二次燃烧

CO+O₂→CO₂。

富氧侧吹炉采用干红土镍矿作为原料，干红土镍矿的含水量<1%（“水”是指自由水，wt%），具体可采用干燥后的热红土镍矿，或者高温焙砂，热红土镍矿的温度一般为150~300℃，高温焙砂的温度一般为500~700℃。当采用热红土镍矿时，可以直接喷吹入炉；当采用高温焙砂时，经筛分后的粉料（<3mm）喷吹入炉，块料则直接从炉顶加入。

富氧侧吹炉采用煤粉（<0.5mm）作为粉煤燃料，粉煤是通过电煤、碎焦、无烟煤或者烟煤经磨粉后制得，市场行情选择选择性价比最高的煤种。粉煤用量一般按照控制熔体温度1550℃左右的需求喷入，通常吨渣粉煤量（产生每吨熔渣所需的粉煤量）为在100~500kg之间（具体受粉煤热值、富氧浓度、入炉物料温度和助燃风温度影响）。

本申请中，干红土镍矿、煤粉和富氧空气、富氧侧吹炉内的返尘等可以通过粉料喷枪喷吹入富氧侧吹炉的熔池内进行燃烧、化料（原料熔化）。粉料喷枪为双通道喷枪，其中煤粉和载气（氮气）走中间通道，粉尘、干红土镍矿和富氧空气走外通道。还可以同时从炉顶加料时，此时粉料喷枪的外通道仅通富氧空气，富氧空气既助燃、同时也是原料的运输气体。

作为一种实施方式，富氧侧吹炉另外还可以配有若干气体喷枪，通过气体喷枪将燃气（气体燃料）和富氧空气喷吹鼓入富氧侧吹炉的熔池内进行燃烧，燃气可以为天然气、煤气等。气体燃料喷枪为双通道喷枪，内通道通气体燃料，外通道通富氧空气。

每个喷枪（单喷枪）的富氧空气量为500~2000Nm³/h，喷枪口气流速度为150~300m/s，喷枪呈0~10°角朝下，喷枪位于富氧侧吹炉的炉底上方300~1000mm，熔池面下方500~2000mm的位置。

本申请中，富氧侧吹炉可以采用自熔渣，或者配入少量熔剂，熔剂为石灰石等富含CaO的碱性物料或者石英石等富含SiO₂的酸性物料，控制熔渣碱度位于0.2~0.6之间（此区域范围渣熔点＜1500℃），熔剂粒度通常≤5mm。当熔剂粒度＜1mm时，通过粉料喷枪与粉尘、干红土镍矿等一起喷吹入熔体；当粒度1~5mm时，通过炉顶加料口加入。

富氧侧吹炉采用富氧空气作为一次风，富氧浓度不低于70%（富氧空气中氧气体积浓度不低于70%），压力为0.15~0.35MPa，按照燃料燃烧过剩系数0.85~0.95所需氧量配入相应的富氧空气。助燃风可预热（＜500℃），适当预热有利于降低煤耗，提高床能率，但预热温度过高喷枪口燃烧温度高，增加喷枪烧损，降低寿命。

作为一种实施方式，富氧侧吹炉的炉膛位置设置二次风口，另外还通过二次风口往炉膛空间内鼓入富氧空气进行二次燃烧以燃烧掉未完全反应的CO，控制出炉烟气含O₂＞5%（Vol%，下同），温度＜1600℃。

在步骤S1中，富氧侧吹炉内反应产生的烟气（混合气体）溢出熔体后，在炉膛内经二次燃烧后进入余热锅炉经锅炉降温、布袋收尘后作为制备煤粉的热源，随后采用石灰-石膏法脱硫，脱硫产物石膏作为后续步骤S2的硫化剂；余热锅炉产生的过热蒸汽用于预热富氧侧吹炉的一次风和燃烧时的助燃风；余热锅炉和布袋收集的烟灰返回到富氧侧吹炉内（返尘）。作为一种可选地实施方式，富氧侧吹炉设余热锅炉，锅炉出口烟气温度~200℃，余热锅炉产500℃的过热蒸汽，用于预热富氧侧吹炉的一次风，过剩部分用于预热干燥和焙烧的助燃风。锅炉和收尘器收下的烟灰经筛分后，大块烟灰通过炉顶加料口返回到富氧侧吹炉，＜5mm的细颗粒（返尘）与煤粉等混合后喷入到富氧侧吹炉。

S2、使富氧侧吹炉内反应产生的高温熔渣经流槽进入还原贫化电炉的预反应区内，还原贫化电炉连续进料，同时通过电炉端墙往还原贫化电炉的预反应区内鼓入还原剂和硫化剂，在气体鼓动和熔体冲击力的作用下加入的物料搅拌混合，使熔渣、还原剂和硫化剂快速进行燃烧、还原和硫化（水分蒸发、挥发份分解、高价硫化物分解、硫化物溶解等）反应，炉渣在预反应区停留时间＜30min。

还原贫化电炉预反应区的工艺原理（主要反应）如下：

A：干燥、分解

H₂O→H₂O↑；

FeS₂→FeS+S₂↑；

CaSO₄+C→CaS+CO↑；

挥发份→C+S₂↑+H₂↑+N₂↑+H₂O↑+Cl₂↑；

B：燃烧反应

C+O₂→CO↑；

C：还原反应

Fe₃O₄+C→FeO+CO↑；

2FeO*SiO₂+C→Fe+SiO₂+CO↑；

2FeO*SiO₂+H₂→Fe+SiO₂+H₂O↑；

2FeO*SiO₂+S₂→Fe+SiO₂+SO₂↑；

D:硫化反应

Fe+S₂→FeS；

NiO+S₂→Ni₃S₂+SO₂；

Ni+S₂→Ni₃S₂；

E:二次燃烧

CO+O₂→CO₂；

S₂+O₂→SO₂；

H₂+O₂→H₂O。

在本申请中，还原剂和硫化剂可以从炉顶加入或者通过电炉喷枪喷吹入熔池。当从炉顶加入时，还原剂粒度通常为3~5cm，硫化剂需要制成3~5cm的球团。电炉喷枪为单通道结构，喷吹载气为压缩空气或者氮气，喷吹压力0.3~0.4MPa，喷枪口气流速度＞300m/s，载气量约150~300Nm³/t（固体），粉料粒度<8mm。

还原剂采用电煤、无烟煤、碎焦炭或者兰碳，粒度为4~8mm或者3~5cm：当采用粒度4~8mm时，喷吹入炉；当采用粒度3~5cm时，从炉顶加入；还原剂固定碳含量＞70%。还原剂用量由低冰镍品位确定，一般低冰镍品位10%~30%，还原剂用量为低冰镍的200-500kg/t（还原剂用量为低冰镍质量的20%~50%）。

硫化剂采用石膏、黄铁矿或者镍硫矿，硫化剂用量可以根据低冰镍金属化程度确定，也可以按下式估算：

硫化剂用量=镍产量×（0.3~1.2）÷（硫含量×硫利用率），金属化程度高时系数靠近0.3，金属化程度低时系数靠近1.2。

作为一种实施方式，可以在还原贫化电炉的预反应区顶部通过高速氧枪喷射高速氧气，用于将在此区域内反应产生并溢出的烟气（CO、单体S和挥发份）部分燃烧，并通过高速气流为还原贫化电炉的熔池补热使温度控制为1400~1500℃；随后不完全燃烧的烟气、漏风和鼓入的二次风在炉膛上部混合并彻底燃烧后出炉，经余热锅炉降温、收尘后与熔炼炉烟气汇合后用于煤粉制备热源，余热锅炉产饱和蒸汽，锅炉出口温度~350℃，产生的饱和蒸汽用于预热富氧侧吹炉一次风。与富氧侧吹炉产生的烟气相同的处理方式，还原贫化电炉的烟气经降温、除尘后用于粉煤制备系统作为制备粉煤的热源，降温后采用石灰-石膏法脱硫，脱硫产物石膏返回还原贫化电炉作为硫化剂。

本申请的还原贫化电炉预反应区的熔池上方设置2~3个氧枪，通过拉乌尔管喷枪鼓入高速富氧空气（0.8MPa），利用高速气流的卷吸作用将挥发出来的CO、单体硫部分燃烧，并穿透熔池将热量传递至熔池，对熔池进行补热，维持预反应区温度在1400~1500℃。

作为一种实施方式，另外预反应区炉膛上方还可以设有二次风口，还通过二次风口鼓入空气进行二次燃烧以燃烧未完全反应的CO，控制出炉烟气含O₂＞5%，温度＜1600℃。

S3、使还原贫化电炉的预反应区内反应后的熔体经隔墙底部的虹吸口进入还原贫化电炉的静置区，在电极作用下熔体升温并进行渣镍分离，静置区停留时间＞2h，得到电炉渣和低冰镍。还原贫化电炉连续排渣，具体是在静置区端墙设有排渣口，设有底排口用于故障排渣，设有金属排放口排放低冰镍，金属排放口贴近炉底，排渣温度1450~1550℃，低冰镍温度1350~1400℃；低冰镍品位为10%~40%，S/Ni（质量比）=0.3~1.2。电炉渣通过排渣口排出后水碎，低冰镍通过金属排放口排出后水碎，作为高冰镍生产的原料。

还原贫化电炉静置区的工艺原理（主要反应）如下：

A：还原反应

2FeO*SiO₂+C→Fe+SiO₂+CO↑；

2FeO*SiO₂+CO→Fe+SiO₂+CO₂↑；

NiO+C→Ni+CO↑；

CoO+C→Co+CO↑；

SiO₂+C→Si+CO↑；

B：渗碳反应

C→C(in Fe)。

本申请的还原贫化电炉设有至少两组电极，每组电极对应1台变压器，电极的二次电压在60~150V之间。所有电极中，靠近隔墙的1组电极共设n根电极，n为大于2的正整数，通常为3~4（每组有电极3~4根），第1根电极位于预反应区，第2~n根电极位于静置区，第1根和第n根电极共用电源，正常生产时使用第2~n根电极，故障停料时使用第1~（n-1）根电极。作为一种实施方式，其中靠近隔墙的1组电极有4根（分别为1#~4#），1#电极位于预反应区，2#~4#电极位于静置区，1#和4#电极共用1相电源，正常生产时使用2#~4#电极，故障停料时使用1#~3#电极，通过电极补热，避免故障时预反应区冻死，以及隔墙粘结。

上述步骤S2在预反应区进行，步骤S3在静置区进行；步骤S2的处理时间＜30min，步骤S3的处理时间＞2h。在还原贫化电炉的静置区（步骤S3）产生的煤气可以经微负压收集冷却降温后，通过气体喷枪加压送往富氧侧吹炉内作为燃料燃烧。静置区的煤气收集后可作为富氧侧吹炉燃料，通过喷枪鼓入到富氧侧吹炉的熔池中。还原贫化电炉（步骤S2和步骤S3）产生的烟气经降温、除尘处理得到的烟灰返回步骤S1的富氧侧吹炉内。

需要说明的是，本申请采用上述带隔墙的还原贫化电炉仅是实现本申请的利用红土镍矿生产低冰镍的方法的一种形式，也可以采用不带隔墙的还原贫化电炉，通过周期性作业进行进料、静置和排渣实现步骤S2~S3。即将电炉作业分为进料、静置和排渣3个阶段，其中进料期间加入还原剂和硫化剂，解决还原硫化和渣铁分离互相干扰的难题，相应的电炉功率需要加大。

本申请的上述方法是利用富氧侧吹炉和还原贫化电炉直接生产得到低冰镍，根据市场需求，本申请还提供一种利用红土镍矿生产镍铁的方法，该方法与直接生产得到低冰镍的方法相比，在还原贫化电炉中不加硫化剂，从而直接生产镍铁。具体过程概述如下：

S2、使富氧侧吹炉内反应产生的熔渣进入还原贫化电炉内，同时往还原贫化电炉内鼓入还原剂和氧气搅拌混合，使熔渣和还原剂进行燃烧、还原反应；

S3、使步骤S2反应后的熔体在还原贫化电炉的电极作用下进行渣镍分离，得到电炉渣和镍铁。

上述直接生产得到镍铁的工艺与直接生产低冰镍的工艺控制基本相同，本申请不再赘述。

另外，本申请还可以对生产得到的镍铁进行硫化（比如流槽硫化、钢包硫化等硫化方式），从而得到低冰镍；还可以对生产得到的镍铁直接硫化吹炼得到高冰镍。

以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种低冰镍，其制备工艺流程如图1所示，具体过程如下：

①采用3m²的富氧侧吹炉和3000kWh的还原硫化电炉，红土镍矿成分见表1-1所示。

②侧吹炉熔化：干燥至350℃的红土镍矿5t/h，侧吹炉一次风富氧浓度70%、用量1928Nm³/h，煤粉1.25t/h（控制氧过剩系数0.9），二次风富氧浓度70%、用量233Nm³/h。熔炼采用自熔渣，产出熔渣4.35t/h（渣中Fe₃O₄约19.5%）、温度1550℃，烟气4040Nm³/h、1600℃，烟气进行回收、处理、再利用。熔渣成分见表1-2所示。

③电炉还原硫化：带隔墙连续作业，硫化剂为黄铁矿，还原剂为无烟煤。控制低冰镍品位15%，Ni/S比0.6。喷吹硫化剂219kg/h、无烟煤151kg/h、载气59Nm³/h，喷吹氧气67Nm³/h。产出低冰镍0.51t/h，电炉渣3.85t/h，预反应区烟气量601Nm³/h（烟气进行回收、处理、再利用），静置区煤气量120Nm³/h（CO含量74%），静置区变压器使用功率825kW。低冰镍成分见表1-3所示，电炉渣成分见表1-2所示。

④主要指标：侧吹煤耗251kg/t（干矿），镍直收率89.23%，还原剂单耗298kg/t（低冰镍），硫化剂单耗432kg/t（低冰镍），硫化剂利用率60.8%，吨渣电耗190kWh。

表1-1红土镍矿成分（干基）

表1-2炉渣成分

表1-3低冰镍成分

实施例2

本实施例提供一种低冰镍，其制备工艺流程如图1所示，具体过程如下：

①调整入炉干红土镍矿温度为400℃，一次风和二次风富氧浓度85%；还原硫化时S/Ni=0.8，低冰镍品位10%。其他条件同实施例1。

②侧吹炉熔化：一次风用量1470Nm³/h，煤粉1.17t/h，二次风162Nm³/h。产出熔渣4.34t/h（渣中Fe₃O₄约21.2%）、温度1550℃，烟气3451Nm³/h、1600℃。熔渣成分见表2-1所示。

③电炉还原硫化：喷吹硫化剂275kg/h、无烟煤221kg/h、载气79Nm³/h，喷吹氧气84Nm³/h。产出低冰镍0.76t/h，电炉渣3.6t/h，预反应区烟气量685Nm³/h，静置区煤气量199Nm³/h（CO含量76%），静置区变压器使用功率921kW。低冰镍成分见表2-2所示，电炉渣成分见表2-1所示。

④主要指标：侧吹煤耗233kg/t（干矿），镍直收率89.68%，还原剂单耗290kg/t（低冰镍），硫化剂单耗361kg/t（低冰镍），硫化剂利用率64.8%，吨渣电耗212kWh。提高入炉物料温度和富氧浓度有利于降低侧吹煤耗。

表2-1炉渣成分

表2-2低冰镍成分

实施例3

本实施例提供一种低冰镍，其制备工艺流程如图1所示，具体过程如下：

①一次风预热至300℃，氧气过剩系数=0.85；还原硫化时S/Ni=0.3，低冰镍品位20%。其他条件同实施例1。

②侧吹熔化：一次风用量1808Nm³/h，煤粉1.22t/h，二次风272Nm³/h。产出熔渣4.33t/h（渣中Fe₃O₄约15.8%），烟气3946Nm³/h。熔渣成分见表3-1所示。

③电炉还原硫化：喷吹硫化剂132kg/h、无烟煤119kg/h、载气40Nm³/h，喷吹氧气54Nm³/h。产出低冰镍0.38t/h，电炉渣3.92t/h，预反应区烟气量548Nm³/h，静置区煤气量72Nm³/h（CO含量72%），静置区变压器使用功率761kW。低冰镍成分见表3-2所示，电炉渣成分见表3-1所示。

④主要指标：侧吹煤耗244kg/t（干矿），镍直收率89.11%，还原剂单耗315kg/t（低冰镍），硫化剂单耗347kg/t（低冰镍），硫化剂利用率50.1%，吨渣电耗176kWh。提高入助燃风温度有利于降低侧吹煤耗。

表3-1炉渣成分

表3-2低冰镍成分

实施例4

本实施例提供一种镍铁，其制备工艺流程基本按照图1所示的进行，区别在于未加入硫化剂，具体过程如下：

①侧吹炉采用700℃的焙砂，从顶部加入；不加硫化剂，镍铁品位15%。其他条件同实施例1。

②侧吹熔化：一次风用量1164Nm³/h，煤粉0.76t/h，二次风63Nm³/h。产出熔渣4.82t/h（渣中Fe₃O₄约18.5%），烟气2100Nm³/h。熔渣成分见表4-1所示。

③电炉还原硫化：喷吹硫化剂0kg/h、无烟煤191kg/h、载气30.3Nm³/h，喷吹氧气52Nm³/h。产出镍铁0.56t/h，电炉渣4.02t/h，预反应区烟气量699Nm³/h，静置区煤气量165Nm³/h（CO含量81%），静置区变压器使用功率901kW。镍铁成分见表4-2所示，电炉渣成分见表4-1所示。

④主要指标：侧吹煤耗152kg/t（干矿），镍直收率89.56%，还原剂单耗343kg/t（镍铁），吨渣电耗187kWh。采用焙砂可显著降低侧吹炉煤耗。

表4-1炉渣成分

表4-2镍铁成分

实施例5

本实施例提供一种低冰镍，其制备过程如下：

①侧吹熔炼同实施例1，还原硫化电炉取消隔墙，还原剂采用5cm的块煤，电炉周期作业（还原硫化1h，静置2h），每炉进渣量20t。其他同实施例1。

②电炉还原硫化：单炉喷吹硫化剂1.1t、加入800kg。产出低冰镍2.3t，电炉渣18t，还原硫化阶段烟气量2000Nm³/h，静置期烟气量800Nm³/h（CO含量55%），还原硫化期间变压器功率2800kW，静置期变压器使用功率700kWh，吨渣耗电量210kWh。

对比例1

本对比例提供一种镍铁，其按照专利技术CN105420515B中实施例1的过程进行制备。但是采用该工艺生产镍铁时存在煤耗高、容易死炉、回收率低、作业率低、系统热利用率低、生产成本高、烟气处理难度大等不足。主要原因有：1、熔炼炉中采用块煤作为燃料，块煤在熔池内燃烧时，大量挥发份和CO进入炉膛，直接热利用率低，煤耗高。2、燃烧过剩系数1.05~1.10，炉渣中铁以Fe₃O₄为主，渣熔点高，流动性差，增加了后续还原的负荷，且以块煤为燃料的情况下，鼓入的富氧空气会对炉渣造成局部过氧化。3、因为还原为吸热反应，在还原炉内需要燃烧大量的块煤补热，氧过剩系数0.4~0.5左右时，燃烧产物基本上是CO，二次燃烧温度将达到1800℃以上，能耗高。4、还原过程中也是以块煤为燃料，鼓入的富氧空气造成局部氧化，渣溶解镍高，镍回收率低。5、还原炉无澄清功能，大量镍铁夹杂在炉渣中，进一步降低回收率。6、还原炉镍铁沉底，一旦系统故障停风，很容易冻死。

对比例2

本对比例提供一种低冰镍，其按照专利技术CN111705225A中实施例1的过程进行制备。该工艺试图在低温下较高氧过剩系数（0.75~0.95）条件预还原硫化，然后通过电热高温分离得到低冰镍，但存在以下问题：①较高氧过剩系数条件下镍的回收率很低，在后续电炉中通过简单的提温是无法实现深度还原的。分析其原因是因为：没有还原剂的情况下，单纯靠FeS无法将渣含镍控制在0.35%以下。而且因为低冰镍与熔渣分离速度很快，大部分渣根本接触不到低冰镍）。②在预还原炉中加入硫化剂，相当部分的硫化剂会与高阶氧化物反应，有效利用率极低。③喷雾干燥法的产品时亚硫酸钙，返回炉内会优先分解为SO₂气体，起不到硫化剂的作用。

综上所述，本申请的利用红土镍矿生产镍产品的方法通过“富氧侧吹炉熔炼+电炉还原硫化”处理红土镍矿生产低冰镍，具有能耗低、生产成本低、煤和还原剂利用率高、镍回收率高等优点。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，其包括：

S1、将包含干红土镍矿、粉煤和富氧空气的混合物料连续加入富氧侧吹炉内，使所述混合物料在所述富氧侧吹炉内进行燃烧、熔化和预还原反应；

S2、使所述富氧侧吹炉内反应产生的熔渣进入还原贫化电炉内，同时往所述还原贫化电炉内鼓入还原剂、硫化剂和氧气搅拌混合，使所述熔渣、所述还原剂和所述硫化剂进行燃烧、还原和硫化反应；

S3、使步骤S2反应后的熔体在所述还原贫化电炉的电极作用下进行渣镍分离，得到电炉渣和低冰镍；

或者，

S2、使所述富氧侧吹炉内反应产生的熔渣进入还原贫化电炉内，同时往所述还原贫化电炉内鼓入还原剂和氧气搅拌混合，使所述熔渣和所述还原剂进行燃烧、还原反应；

S3、使步骤S2反应后的熔体在所述还原贫化电炉的电极作用下进行渣镍分离，得到电炉渣和镍铁。

2.根据权利要求1所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述干红土镍矿、所述粉煤和所述富氧空气通过粉料喷枪喷吹入所述富氧侧吹炉的熔池内进行燃烧、熔化；

可选地，通过气体喷枪将燃气和富氧空气鼓入所述富氧侧吹炉的熔池内进行燃烧。

3.根据权利要求2所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，单喷枪的富氧空气量为500~2000Nm³/h，喷枪口气流速度为150~300m/s，喷枪呈0~10°角朝下，喷枪位于所述富氧侧吹炉的炉底上方300~1000mm，熔池面下方500~2000mm的位置。

4.根据权利要求2所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，所述干红土镍矿的含水质量<1%，所述干红土镍矿为热红土镍矿或者高温焙砂，所述热红土镍矿的温度为150~300℃，所述高温焙砂的温度为500~700℃：当采用热红土镍矿时，喷吹入炉；当采用高温焙砂时，经筛分后的粉料喷吹入炉，块料从炉顶加入。

5.根据权利要求1所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述粉煤是通过电煤、碎焦、无烟煤或者烟煤经磨粉后制得，吨渣粉煤量为100~500kg；

所述富氧侧吹炉采用自熔渣或者熔剂，所述熔剂为富含CaO的碱性物料或者富含SiO₂的酸性物料，控制熔渣碱度为0.2~0.6。

6.根据权利要求1所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述富氧侧吹炉采用富氧空气作为一次风，富氧空气中氧气体积浓度不低于70%，压力为0.15~0.35MPa，按照燃料燃烧过剩系数0.85~0.95所需氧量配入相应的富氧空气。

7.根据权利要求6所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，在所述富氧侧吹炉的炉膛空间内鼓入富氧空气进行二次燃烧，控制出炉烟气含O₂体积占比＞5%，烟气温度＜1600℃。

8.根据权利要求7所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述富氧侧吹炉内反应产生的烟气溢出熔体后，经所述二次燃烧后进入余热锅炉降温、布袋收尘后作为制备粉煤的热源，随后采用石灰-石膏法脱硫，脱硫产物石膏作为步骤S2的硫化剂；所述余热锅炉产生的过热蒸汽用于预热所述富氧侧吹炉的一次风和燃烧时的助燃风；所述余热锅炉和所述布袋收集的烟灰返回到所述富氧侧吹炉内。

9.根据权利要求1所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述还原剂和所述硫化剂通过喷枪喷吹入熔池，喷吹载气为压缩空气或者氮气，喷吹压力为0.3~0.4MPa，喷枪口气流速度＞300m/s，载气量约150~300Nm³/t，粉料粒度<8mm。

10.根据权利要求9所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，在步骤S2中，在所述还原贫化电炉内顶部喷射氧气将反应产生并溢出的烟气部分燃烧，并使还原贫化电炉的熔池温度控制为1400~1500℃；可选地，另外在炉膛上方鼓入空气进行二次燃烧，控制出炉烟气含O₂体积占比＞5%，温度＜1600℃。

11.根据权利要求9所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述还原剂采用电煤、无烟煤、碎焦炭或者兰碳，粒度为4~8mm或者3~5cm：当采用粒度4~8mm时，喷吹入炉；当采用粒度3~5cm时，从炉顶加入；所述还原剂碳含量＞70%，所述还原剂用量为低冰镍质量的20%~50%；

所述硫化剂采用石膏、黄铁矿或者镍硫矿，所述硫化剂用量按下式估算：硫化剂用量=镍产量×（0.3~1.2）÷（硫含量×硫利用率）。

12.根据权利要求1所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，所述还原贫化电炉内通过隔墙分隔为预反应区和静置区，所述预反应区的炉顶比所述静置区的炉顶高3~5m，所述预反应区的炉底比所述静置区的炉底高300~500mm，所述步骤S2在所述预反应区进行，步骤S3在所述静置区进行。

13.根据权利要求12所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，步骤S2的处理时间＜30min，步骤S3的处理时间＞2h。

14.根据权利要求12所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，所述还原贫化电炉内依次设有至少两组电极，每组电极对应1台变压器，所述电极的二次电压为60~150V；所有所述电极中，靠近所述隔墙的1组电极共设n根电极，n为大于2的正整数，第1根电极位于所述预反应区，第2~n根电极位于所述静置区，第1根和第n根电极共用电源，正常生产时使用第2~n根电极，故障停料时使用第1~（n-1）根电极。

15.根据权利要求1所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，所述还原贫化电炉连续进料、连续排渣，排渣温度为1450~1550℃，低冰镍排放温度为1350~1400℃；所述低冰镍品位为10%~40%，质量比S/Ni=0.3~1.2。

16.根据权利要求1所述的利用红土镍矿生产镍产品的方法，其特征在于，步骤S3产生的煤气收集后作为步骤S1的燃料，通过喷枪鼓入所述富氧侧吹炉熔池中；

步骤S2和步骤S3产生的烟气经降温、除尘处理得到的烟灰返回步骤S1的所述富氧侧吹炉内；

步骤S2产生的烟气经降温、除尘后作为制备粉煤的热源，随后采用石灰-石膏法脱硫，脱硫产物石膏作为步骤S2的硫化剂。

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