利用氢气竖炉干法自重整直接还原红土镍矿的系统的制作方法

本实用新型涉及红土镍矿冶炼领域，具体涉及一种利用氢气竖炉干法自重整直接还原红土镍矿的系统。

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，且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。

技术实现要素：

本实用新型旨在结合红土镍矿性质的特点，开发出一种适于红土镍矿的氢气竖炉直接还原冶炼的系统，利用该系统还原红土镍矿时，成本更低，效率更高。

本实用新型公开了一种氢气竖炉干重整直接还原冶炼红土镍矿的系统，所述系统包括脱硫装置、加热炉、氢气竖炉。

所述脱硫装置具有还原气入口、脱硫还原气出口。

所述加热炉具有脱硫还原气入口、热还原气出口。其中，所述脱硫还原气入口与所述脱硫装置的脱硫还原气出口连接。

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。

优选的，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。

利用本实用新型的系统，采用还原气干重整技术，利用红土镍矿自身还原产生的金属铁和金属镍为催化剂，不仅省去单独使用催化剂的高成本，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。本实用新型的自重整效率大大提高，合成还原气中的H₂和CO含量增加，提高了红土镍矿的冶炼效率。并且，本实用新型采用的还原气干重整技术，可充分利用系统产生的CO₂，减少CO₂排放，实现清洁生产。

附图说明

图1为本实用新型利用氢气竖炉干法自重整直接还原红土镍矿的系统示意图。

图2为本实用新型实施例中利用图1所示的系统干法自重整直接还原红土镍矿的流程示意图。

附图中的附图标记图如下：

1、脱硫装置；2、加热炉；3、氢气竖炉；4、洗涤冷却装置；5、压缩机。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型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实用新型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，而不是对本实用新型的限制。

如图1所示，为本实用新型利用氢气竖炉干法自重整直接还原红土镍矿的系统示意图。该系统包括脱硫装置1、加热炉2、氢气竖炉3、洗涤冷却装置4、压缩机5。其中，各装置的连接关系如下：

脱硫装置1用于对还原气进行脱硫处理，其具有还原气入口、压缩冷却气入口、脱硫还原气出口。

加热炉2用于对上述脱硫还原气进行加热，其具有脱硫还原气入口、冷却气入口、热还原气出口。其中，该脱硫还原气入口与脱硫装置1的脱硫还原气出口连接。

氢气竖炉3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3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3的中部，与加热炉2的热还原气出口连接。并且，红土镍矿入口位于氢气竖炉3的顶部，与受料斗相通。还原金属球团出口设置在氢气竖炉3的底部，与排料斗相通。出气口设置在氢气竖炉3的顶部。

洗涤冷却装置4用于接收由氢气竖炉3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3的出气口连接，冷却气出口与加热炉2的冷却气入口连接。

压缩机5用于接收由洗涤冷却装置4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4的冷却气出口连接，压缩冷却气出口与脱硫装置1的压缩冷却气入口连接。

如图2所示，为本实用新型利用图1所示的系统干法自重整直接还原红土镍矿的流程示意图。包括如下步骤：

(1)还原气自重整

将还原气输送至脱硫装置1中进行脱硫处理后，得到脱硫还原气。本实用新型中，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。然后将脱硫还原气送入加热炉2中加热至850～1050℃，得到的热还原气经由氢气竖炉3中部的热还原气入口进入氢气竖炉3中。红土镍矿氧化球团经由氢气竖炉3顶部的受料斗通过红土镍矿入口连续送入氢气竖炉3中。本实用新型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3中发生裂解和自重整反应，反应方程式为：CH₄+CO₂＝2CO+2H₂。同时，热还原气中还含有少量的水蒸气，会发生副反应：CH₄+H₂O＝CO+3H₂。

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％)。本实用新型实施例中，通过选用不同的还原气并控制加热炉2的加热温度，使得制备的合成还原气中H₂与CO的比例为1.0～2.0。

(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3中向上运动。在氢气竖炉3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3中自上而下运动，在氢气竖炉3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。本实用新型中，控制还原冶炼的时间为2～4h。

本实用新型中，合成还原气中CO的含量较高。并且，CO的还原反应为放热反应，从而可为热还原气入口处发生的自重整反应提供热量。并且，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。

在氢气竖炉3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3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3中完成还原反应后，经由氢气竖炉3顶部的出气口排出。然后，将其送入洗涤冷却装置4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5中经压缩后得到压缩冷却气，然后送入脱硫装置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2中，作为燃料燃烧使用。

本实用新型中，采用加热炉2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。本实用新型采用加热炉2，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3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3的底部，并排出炉外。并且，本实用新型中，红土镍矿氧化球团是以连续的形式加入到氢气竖炉3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实用新型的产物。

实施例1

选用天然气作为还原气。天然气经脱硫后送入加热炉中，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0.8％，铁的质量含量为35％。热还原其进入氢气竖炉中后，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1.6。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。天然气经脱硫后进入加热炉中，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1.6。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。焦炉煤气经脱硫后进入加热炉中，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1.8。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。焦炉煤气经脱硫后进入加热炉中，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95％。且H₂/CO为1.0。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％。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91％。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实用新型所作的举例，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实用新型的保护范围之中。