本發(fā)明涉及紅土鎳礦冶煉領(lǐng)域，具體涉及一種利用氫氣豎爐干法自重整直接還原紅土鎳礦的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

目前，全球礦山鎳產(chǎn)量的60％來源于硫化鎳礦，40％來源于紅土鎳礦。在全球鎳礦2.2億噸的儲(chǔ)量中，紅土鎳礦約占70％。隨著硫化鎳礦資源的不斷減少和紅土鎳礦冶煉技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用紅土鎳礦生產(chǎn)鎳的比重不斷增加。

針對不同的紅土鎳礦具有火法工藝、濕法工藝、火濕法結(jié)合工藝及其他工藝。其中，火法工藝流程短、效率高、處理規(guī)模大，是處理紅土鎳礦的主導(dǎo)工藝。其中，高爐冶煉和電爐冶煉是傳統(tǒng)工藝流程。高爐冶煉產(chǎn)能大，但是投資高、生產(chǎn)成本高、流程長、污染重。電爐冶煉能耗的80％以上需要電能提供，能耗高。

基于上述火法冶煉存在的缺點(diǎn)，冶金工作者開發(fā)了非傳統(tǒng)流程工藝，包括回轉(zhuǎn)窯法和轉(zhuǎn)底爐法。回轉(zhuǎn)窯法投資小、工藝簡單，但是產(chǎn)能小，占地面積大，自動(dòng)化程度不高。而轉(zhuǎn)底爐法投資大，產(chǎn)能小，工藝復(fù)雜。并且，該兩種工藝均采用煤基還原，為強(qiáng)還原性氣氛，無法控制礦石中鐵和鎳的金屬化率，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量低，原料適應(yīng)性小。

氫氣豎爐工藝還原氣氛可控，單臺(tái)設(shè)備產(chǎn)能大，自動(dòng)化程度高，適于大規(guī)模處理紅土鎳礦，生產(chǎn)高品質(zhì)鎳鐵合金。但是，紅土鎳礦的礦相結(jié)構(gòu)與鐵精礦差別很大，普通的氫氣豎爐直接還原技術(shù)不能直接應(yīng)用于紅土鎳礦冶煉。因此，開發(fā)適合紅土鎳礦冶煉的氫氣豎爐直接還原技術(shù)，成為實(shí)現(xiàn)紅土鎳礦高效利用的關(guān)鍵。

現(xiàn)有技術(shù)一公開了利用天然氣催化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氣基直接還原鐵的方法和系統(tǒng)。該技術(shù)將天然氣和凈化尾氣混合后在催化轉(zhuǎn)化爐內(nèi)加熱到1100℃～1800℃，并在催化劑的作用下制取(H₂+CO)≥90％的合成還原氣，并控制氣體出口溫度為850℃～1050℃，然后通入豎爐生產(chǎn)直接還原鐵。但是，還原氣體加熱和催化轉(zhuǎn)化在同一反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，且催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，需要很高的溫度，而進(jìn)入豎爐的合成還原氣的溫度要求沒有那么高，需要調(diào)節(jié)溫度措施進(jìn)行調(diào)控合成還原氣的溫度，導(dǎo)致整條工藝路線能耗高。且催化劑價(jià)格昂貴，在長期反復(fù)使用過程中，存在析碳反應(yīng)導(dǎo)致催化劑容易失活，這些因素都導(dǎo)致該工藝生產(chǎn)成本高。

現(xiàn)有技術(shù)二公開了用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)直接還原鐵短流程工藝。該技術(shù)將焦?fàn)t煤氣加熱到930℃，向其中噴吹純氧，將焦?fàn)t煤氣的溫度提高到1050℃，然后進(jìn)入豎爐。在豎爐內(nèi)，高溫的焦?fàn)t煤氣在鐵觸媒的催化作用下，發(fā)生自重整反應(yīng)，產(chǎn)生H₂和CO，進(jìn)而還原氧化球團(tuán)，生產(chǎn)直接還原鐵。但是，在豎爐內(nèi)進(jìn)行自重整時(shí)，利用的的催化劑為鐵基催化劑，催化效果差，甲烷裂解率低，導(dǎo)致還原氣體中(H₂+CO)≤90％，因此直接還原鐵的生產(chǎn)效率低，質(zhì)量不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在結(jié)合紅土鎳礦性質(zhì)的特點(diǎn)，開發(fā)出一種適于紅土鎳礦的氫氣豎爐直接還原冶煉技術(shù)，該技術(shù)成本更低，效率更高。

本發(fā)明公開了一種氫氣豎爐干重整直接還原冶煉紅土鎳礦的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括脫硫裝置、加熱爐、氫氣豎爐。

所述脫硫裝置具有還原氣入口、脫硫還原氣出口。

所述加熱爐具有脫硫還原氣入口、熱還原氣出口。其中，所述脫硫還原氣入口與所述脫硫裝置的脫硫還原氣出口連接。

所述氫氣豎爐具有紅土鎳礦入口、熱還原氣入口、還原金屬球團(tuán)出口、出氣口。其中，所述熱還原氣入口與所述加熱爐的熱還原氣出口連接。

上述的系統(tǒng)中，還包括洗滌冷卻裝置，其具有進(jìn)氣口、冷卻氣出口。所述進(jìn)氣口與所述氫氣豎爐的出氣口連接，所述冷卻氣出口與所述加熱爐的冷卻氣入口連接。

上述的系統(tǒng)中，還包括壓縮機(jī)，其具有冷卻氣入口，壓縮冷卻氣出口。所述冷卻氣入口與所述洗滌冷卻裝置的冷卻氣出口連接，壓縮冷卻氣出口與所述脫硫裝置的壓縮冷卻氣入口連接。

優(yōu)選的，所述紅土鎳礦入口設(shè)置在所述氫氣豎爐的頂部；所述熱還原氣入口設(shè)置在所述氫氣豎爐的中部；所述出氣口設(shè)置在所述氫氣豎爐的頂部；所述還原金屬球團(tuán)出口設(shè)置在所述氫氣豎爐的底部。

本發(fā)明還公開了一種利用上述系統(tǒng)直接還原冶煉紅土鎳礦的的方法，包括如下步驟：

所述還原氣經(jīng)由所述脫硫裝置脫硫，然后送入所述加熱爐中加熱，得到熱還原氣。

將所述熱還原氣送入所述氫氣豎爐中，并向所述氫氣豎爐中加入鐵和鎳作為催化劑，所述熱還原氣在所述鐵和鎳的催化作用下發(fā)生自重整反應(yīng)，得到合成還原氣。

向所述氫氣豎爐中加入紅土鎳礦，所述紅土鎳礦與所述合成還原氣接觸發(fā)生還原反應(yīng)，得到還原金屬球團(tuán)，所述還原金屬球團(tuán)中含有的鐵和鎳作為所述自重整反應(yīng)的催化劑。

上述直接還原冶煉紅土鎳礦的的方法中，還包括步驟：所述合成還原氣發(fā)生還原反應(yīng)后經(jīng)由所述氫氣豎爐頂部的所述出氣口排出，并送入所述洗滌冷卻裝置中進(jìn)行洗滌冷卻后，得到冷卻氣。將所述冷卻氣送入所述加熱爐中，和，將所述冷卻氣送入所述脫硫裝置中。

上述直接還原冶煉紅土鎳礦的的方法中，所述熱還原氣的溫度為850～1050℃。

上述直接還原冶煉紅土鎳礦的的方法中，所述紅土鎳礦中鎳的質(zhì)量含量為0.5～3％，鐵的質(zhì)量含量為10～50％。

上述直接還原冶煉紅土鎳礦的的方法中，所述合成還原氣中H₂和CO的體積比≥90％；且H₂與CO的比例為1.0～2.0。

上述直接還原冶煉紅土鎳礦的的方法中，所述還原反應(yīng)的時(shí)間為2～4h。

本發(fā)明采用還原氣干重整技術(shù)，利用紅土鎳礦自身還原產(chǎn)生的金屬鐵和金屬鎳為催化劑，不僅省去單獨(dú)使用催化劑的高成本，而且避免了催化劑長期循環(huán)使用時(shí)由于析碳原因造成的催化劑失活現(xiàn)象。本發(fā)明的自重整效率大大提高，合成還原氣中的H₂和CO含量增加，提高了紅土鎳礦的冶煉效率。并且，本發(fā)明采用的還原氣干重整技術(shù)，可充分利用系統(tǒng)產(chǎn)生的CO₂，減少CO₂排放，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明利用氫氣豎爐干法自重整直接還原紅土鎳礦的系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中利用圖1所示的系統(tǒng)干法自重整直接還原紅土鎳礦的方法流程示意圖。

附圖中的附圖標(biāo)記圖如下：

1、脫硫裝置；2、加熱爐；3、氫氣豎爐；4、洗滌冷卻裝置；5、壓縮機(jī)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行更加詳細(xì)的說明，以便能夠更好地理解本發(fā)明的方案以及其各個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。然而，以下描述的具體實(shí)施方式和實(shí)施例僅是說明的目的，而不是對本發(fā)明的限制。

如圖1所示，為本發(fā)明利用氫氣豎爐干法自重整直接還原紅土鎳礦的系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)包括脫硫裝置1、加熱爐2、氫氣豎爐3、洗滌冷卻裝置4、壓縮機(jī)5。其中，各裝置的連接關(guān)系如下：

脫硫裝置1用于對還原氣進(jìn)行脫硫處理，其具有還原氣入口、壓縮冷卻氣入口、脫硫還原氣出口。

加熱爐2用于對上述脫硫還原氣進(jìn)行加熱，其具有脫硫還原氣入口、冷卻氣入口、熱還原氣出口。其中，該脫硫還原氣入口與脫硫裝置1的脫硫還原氣出口連接。

氫氣豎爐3用于紅土鎳礦的直接還原冶煉，頂部設(shè)置有受料斗，用于接收紅土鎳礦原料，底部設(shè)置有排料斗，用于排出固體產(chǎn)物。氫氣豎爐3具有紅土鎳礦入口、熱還原氣入口、還原金屬球團(tuán)出口、出氣口。其中，熱還原氣入口設(shè)置在氫氣豎爐3的中部，與加熱爐2的熱還原氣出口連接。并且，紅土鎳礦入口位于氫氣豎爐3的頂部，與受料斗相通。還原金屬球團(tuán)出口設(shè)置在氫氣豎爐3的底部，與排料斗相通。出氣口設(shè)置在氫氣豎爐3的頂部。

洗滌冷卻裝置4用于接收由氫氣豎爐3排出的發(fā)生還原反應(yīng)后的合成還原氣，對其進(jìn)行洗滌冷卻處理，其具有進(jìn)氣口、冷卻氣出口。其中，進(jìn)氣口與氫氣豎爐3的出氣口連接，冷卻氣出口與加熱爐2的冷卻氣入口連接。

壓縮機(jī)5用于接收由洗滌冷卻裝置4排出的冷卻氣，其具有冷卻氣入口、壓縮冷卻氣出口。其中，冷卻氣入口與洗滌冷卻裝置4的冷卻氣出口連接，壓縮冷卻氣出口與脫硫裝置1的壓縮冷卻氣入口連接。

如圖2所示，為本發(fā)明利用圖1所示的系統(tǒng)干法自重整直接還原紅土鎳礦的方法流程示意圖。包括如下步驟：

(1)還原氣自重整

將還原氣輸送至脫硫裝置1中進(jìn)行脫硫處理后，得到脫硫還原氣。本發(fā)明中，還原氣為天然氣、焦?fàn)t煤氣、煤炭中低溫干餾煤氣等，其中含有一定量的CH₄。然后將脫硫還原氣送入加熱爐2中加熱至850～1050℃，得到的熱還原氣經(jīng)由氫氣豎爐3中部的熱還原氣入口進(jìn)入氫氣豎爐3中。紅土鎳礦氧化球團(tuán)經(jīng)由氫氣豎爐3頂部的受料斗通過紅土鎳礦入口連續(xù)送入氫氣豎爐3中。本發(fā)明選用的紅土鎳礦氧化球團(tuán)中，鎳的質(zhì)量含量為0.5～3％，鐵的質(zhì)量含量為10～50％。在鐵和鎳為催化劑的條件下，熱還原氣在氫氣豎爐3中發(fā)生裂解和自重整反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：CH₄+CO₂＝2CO+2H₂。同時(shí)，熱還原氣中還含有少量的水蒸氣，會(huì)發(fā)生副反應(yīng)：CH₄+H₂O＝CO+3H₂。

通過上述裂解和自重整反應(yīng)，可得到合成還原氣。其中，H₂和CO的體積占合成還原氣總體積的90％以上(包括90％)。本發(fā)明實(shí)施例中，通過選用不同的還原氣并控制加熱爐2的加熱溫度，使得制備的合成還原氣中H₂與CO的比例為1.0～2.0。

(2)直接還原冶煉紅土鎳礦

上述步驟得到的合成還原氣在氫氣豎爐3中向上運(yùn)動(dòng)。在氫氣豎爐3上部，合成還原氣對紅土鎳礦氧化球團(tuán)進(jìn)行加熱。紅土鎳礦氧化球團(tuán)在氫氣豎爐3中自上而下運(yùn)動(dòng)，在氫氣豎爐3上部與向上運(yùn)行的合成還原氣接觸，被合成還原氣直接還原。本發(fā)明中，控制還原冶煉的時(shí)間為2～4h。

本發(fā)明中，合成還原氣中CO的含量較高。并且，CO的還原反應(yīng)為放熱反應(yīng)，從而可為熱還原氣入口處發(fā)生的自重整反應(yīng)提供熱量。并且，紅土鎳礦氧化球團(tuán)發(fā)生直接還原反應(yīng)，得到還原金屬球團(tuán)，其中含有金屬鐵和金屬鎳，可作為熱還原氣自重整反應(yīng)的催化劑。

在氫氣豎爐3下部，還原金屬球團(tuán)發(fā)生滲碳反應(yīng)，并進(jìn)行冷卻后，通過氫氣豎爐3底部的排料斗經(jīng)由還原金屬球團(tuán)出口排出。

(3)合成還原氣還原后的利用

上述步驟中，合成還原氣在氫氣豎爐3中完成還原反應(yīng)后，經(jīng)由氫氣豎爐3頂部的出氣口排出。然后，將其送入洗滌冷卻裝置4中，經(jīng)洗滌冷卻并除塵后，得到的冷卻氣可分成兩部分。一部分冷卻氣送入壓縮機(jī)5中經(jīng)壓縮后得到壓縮冷卻氣，然后送入脫硫裝置1中與還原氣混合，進(jìn)行循環(huán)利用。另一部分冷卻氣送入加熱爐2中，作為燃料燃燒使用。

本發(fā)明中，采用加熱爐2代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝中的重整爐。傳統(tǒng)工藝中，是將催化劑加入到重整爐中。其中，催化劑是單獨(dú)購買的，價(jià)格比較昂貴。并且，在重整爐中由于還原氣的存在，易使催化劑發(fā)生析碳反應(yīng)，最終失去催化活性。本發(fā)明采用加熱爐2，僅僅起到加熱的作用，催化劑是由紅土鎳礦原料在氫氣豎爐3中發(fā)生還原反應(yīng)生成鐵和鎳得到的。在反應(yīng)過程中，即使催化劑發(fā)生析碳反應(yīng)，也會(huì)作為最終的產(chǎn)物運(yùn)行到氫氣豎爐3的底部，并排出爐外。并且，本發(fā)明中，紅土鎳礦氧化球團(tuán)是以連續(xù)的形式加入到氫氣豎爐3中的。即，反應(yīng)過程中的催化劑是連續(xù)產(chǎn)生的新催化劑，不會(huì)存在已經(jīng)使用過的催化劑。反應(yīng)最終得到的還原金屬球團(tuán)，既可作為催化劑還可作為本發(fā)明的產(chǎn)物。

實(shí)施例1

選用天然氣作為還原氣。天然氣經(jīng)脫硫后送入加熱爐中，加熱至1050℃。然后通過氫氣豎爐中部的熱還原氣入口進(jìn)入氫氣豎爐中。紅土鎳礦氧化球團(tuán)經(jīng)氫氣豎爐頂部的受料斗送入。其中，紅土鎳礦氧化球團(tuán)中，鎳的質(zhì)量含量為0.8％，鐵的質(zhì)量含量為35％。熱還原其進(jìn)入氫氣豎爐中后，在鐵和鎳為催化劑的條件下，通過裂解和自重整反應(yīng)，制取合成還原氣，其中H₂和CO的體積分?jǐn)?shù)為93％。且H₂/CO為1.6。合成還原氣向上運(yùn)動(dòng)，在氫氣豎爐上部加熱、還原自上而下運(yùn)動(dòng)的紅土鎳礦氧化球團(tuán)，還原時(shí)間為4h。在氫氣豎爐下部，還原金屬球團(tuán)發(fā)生滲碳反應(yīng)，并經(jīng)冷卻后，通過底部的排料斗排出。合成還原氣完成還原反應(yīng)后從氫氣豎爐頂部的出氣口排出，經(jīng)洗滌冷卻、除塵處理。然后將冷卻氣分成兩部分：一部分經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后與還原氣混合，進(jìn)行循環(huán)利用；另一部分送至加熱爐中作為燃料。

實(shí)施例2

選用天然氣作為還原氣。天然氣經(jīng)脫硫后進(jìn)入加熱爐中，加熱至1050℃。然后通過氫氣豎爐中部的熱還原氣入口進(jìn)入氫氣豎爐中。紅土鎳礦氧化球團(tuán)經(jīng)氫氣豎爐頂部的受料斗送入。其中，紅土鎳礦氧化球團(tuán)中，鎳的質(zhì)量含量為1.7％，鐵的質(zhì)量含量為20％。熱還原氣進(jìn)入氫氣豎爐中后，在鐵和鎳為催化劑的條件下，通過裂解和自重整反應(yīng)，制取合成還原氣，其中H₂和CO的體積分?jǐn)?shù)為95％。且H₂/CO為1.6。合成還原氣向上運(yùn)動(dòng)，在氫氣豎爐上部加熱、還原自上而下運(yùn)動(dòng)的紅土鎳礦氧化球團(tuán)，還原時(shí)間為2h。在氫氣豎爐下部，還原金屬球團(tuán)發(fā)生滲碳反應(yīng)，并經(jīng)冷卻后，通過底部的排料斗排出。合成還原氣完成還原反應(yīng)后從氫氣豎爐頂部的出氣口排出，經(jīng)洗滌冷卻、除塵處理。然后將冷卻氣分成兩部分：一部分經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后與還原氣混合，進(jìn)行循環(huán)利用；另一部分送至加熱爐中作為燃料。

實(shí)施例3

選用焦?fàn)t煤氣作為還原氣。焦?fàn)t煤氣經(jīng)脫硫后進(jìn)入加熱爐中，加熱至950℃。然后通過氫氣豎爐中部的熱還原氣入口進(jìn)入氫氣豎爐中。紅土鎳礦氧化球團(tuán)經(jīng)氫氣豎爐頂部的受料斗送入。其中，紅土鎳礦氧化球團(tuán)中，鎳的質(zhì)量含量為1.7％，鐵的質(zhì)量含量為20％。熱還原氣進(jìn)入氫氣豎爐中后，在鐵和鎳為催化劑的條件下，通過裂解和自重整反應(yīng)，制取合成還原氣，其中H₂和CO的體積分?jǐn)?shù)為93％。且H₂/CO為1.8。合成還原氣向上運(yùn)動(dòng)，在氫氣豎爐上部加熱、還原自上而下運(yùn)動(dòng)的紅土鎳礦氧化球團(tuán)，還原時(shí)間為3h。在豎爐下部，還原金屬球團(tuán)發(fā)生滲碳反應(yīng)，并經(jīng)冷卻后，通過豎爐底部的排料斗排出。合成還原氣完成還原反應(yīng)后從氫氣豎爐頂部的出氣口排出，經(jīng)洗滌冷卻、除塵處理。然后將冷卻氣分成兩部分：一部分經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后與還原氣混合，進(jìn)行循環(huán)利用；另一部分送至加熱爐中作為燃料。

實(shí)施例4

選用焦?fàn)t煤氣作為還原氣。焦?fàn)t煤氣經(jīng)脫硫后進(jìn)入加熱爐中，加熱至1000℃。然后通過氫氣豎爐中部的熱還原氣入口進(jìn)入氫氣豎爐中。紅土鎳礦氧化球團(tuán)經(jīng)氫氣豎爐頂部的受料斗送入。其中，紅土鎳礦氧化球團(tuán)中，鎳的質(zhì)量含量為3.0％，鐵的質(zhì)量含量為10％。熱還原氣進(jìn)入氫氣豎爐中后，在鐵和鎳為催化劑的條件下，通過裂解和自重整反應(yīng)，制取合成還原氣，其中H₂和CO的體積分?jǐn)?shù)為95％。且H₂/CO為1.0。合成還原氣向上運(yùn)動(dòng)，在氫氣豎爐上部加熱、還原自上而下運(yùn)動(dòng)的紅土鎳礦氧化球團(tuán)，還原時(shí)間為2h。在豎爐下部，還原金屬球團(tuán)發(fā)生滲碳反應(yīng)，并經(jīng)冷卻后，通過豎爐底部的排料斗排出。合成還原氣完成還原反應(yīng)后從氫氣豎爐頂部的出氣口排出，經(jīng)洗滌冷卻、除塵處理。然后將冷卻氣分成兩部分：一部分經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后與還原氣混合，進(jìn)行循環(huán)利用；另一部分送至加熱爐中作為燃料。

實(shí)施例5

選用煤炭中低溫干餾煤氣作為還原氣。中低溫干餾煤氣經(jīng)脫硫后進(jìn)入加熱爐中，加熱至850℃。然后通過氫氣豎爐中部的熱還原氣入口進(jìn)入氫氣豎爐中。紅土鎳礦氧化球團(tuán)經(jīng)氫氣豎爐頂部的受料斗送入。其中，紅土鎳礦氧化球團(tuán)中，鎳的質(zhì)量含量為0.5％，鐵的質(zhì)量含量為50％。還原氣進(jìn)入氫氣豎爐中后，在鐵和鎳為催化劑的條件下，通過裂解和自重整反應(yīng)，制取合成還原氣，其中H₂和CO的體積分?jǐn)?shù)為91％。且H₂/CO為2.0。合成還原氣向上運(yùn)動(dòng)，在氫氣豎爐上部加熱、還原自上而下運(yùn)動(dòng)的紅土鎳礦氧化球團(tuán)，還原時(shí)間為4h。在豎爐下部，還原金屬球團(tuán)發(fā)生滲碳反應(yīng)，并經(jīng)冷卻后，通過豎爐底部的排料斗排出。合成還原氣完成還原反應(yīng)后從氫氣豎爐頂部的出氣口排出，經(jīng)洗滌冷卻、除塵處理。然后將冷卻氣分成兩部分：一部分經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后與還原氣混合，進(jìn)行循環(huán)利用；另一部分送至加熱爐中作為燃料。

最后應(yīng)說明的是：顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。