一种红土镍矿含水球团的还原反应系统及方法与流程

本发明涉及化工冶金领域。具体地讲，本发明涉及一种利用红土镍矿还原反应的系统与方法。

背景技术：

镍具有抗氧化、抗腐蚀、耐高温、强度高等优点，在现代工业中有着广泛的用途，且主要用于不锈钢生产。世界的镍资源主要分为硫化镍矿和红土镍矿，目前，随着可利用硫化镍矿的日益枯竭，红土镍矿的开发日益受到重视。当前工业生产中，火法冶炼红土镍矿应用最为广泛的是RKEF法，该方法采用回转窑设备对红土镍矿进行预还原，得到的焙砂再送入矿热电炉进行冶炼，最终得到镍铁合金产品。该方法具有以下缺点：（1）熔炼工艺使用电能冶炼，对电的依赖性强。一方面，我国电力供应持续紧张，对高耗电行业管制很严，而且生产企业所在地区一旦用电紧张，首当其冲是断用电大户电炉的电，使生产不正常。另一方面，对于红土镍矿资源分布广泛而电力基础设施却相对薄弱的不发达国家或地区（如印尼），RKEF法受到电力资源的制约与限制。（2）能耗大，污染大。在我国，电冶炼绝大部分使用煤电，发电过程中产生大量CO₂与废气，煤燃烧经锅炉将水变成高温、高压蒸汽以气体能带动气轮机转动形成机械能，汽轮机的机械能再带动发电机转动形成电能。能量的形式每转换一次，效率就降低一次；加之电能远距离输送损耗也很大。因此，煤发电的转化效率仅仅约为1/3，能耗损失非常大。（3）回转窑设备易结圈，频繁停炉打圈，设备作业率低，影响正常生产。

基于以上RKEF缺陷，近年来，业内一些专家和学者提出 “用煤基转底炉处理红土镍矿”的新方法，还原过程在主体设备转底炉内完成，具体为：先将矿、煤、助熔剂等进行混料、制球、干燥等预处理后再布入转底炉，在转底炉还原过程中，炉顶、侧墙固定不动，球团从布料端布入转底炉，炉底带动球团在炉内旋转一周的后球团得以还原，并经由出料端排出炉体，还原后的球团再进行燃气熔炼或者物理分选。其中，转底炉炉内分为进、出料区和燃烧区，燃烧区内外侧壁配有不同数量的烧嘴，通过管道送入的燃气（可采用低热值煤气）配助燃空气燃烧产生的热量来控制不同区的温度。目前，现有转底炉入料多为干燥后的含碳球团而非粉料或湿球团，这是因为：（1）粉料入炉易导致烧嘴堵塞；（2）若湿球团直接入炉会在高温条件下（入炉温度即达1000℃以上）发生碎裂而在布料区及燃烧区的前段区域内产生粉尘，在炉内气体扰动作用下，也极易造成燃烧区前段区域的烧嘴堵塞，使生成不能顺行。可见，转底炉还原前的一系列预处理“混料-制球-干燥”是与现有的转底炉设备配套的必要预处理步骤，但这导致了预处理流程长、设备投资大的缺陷，有待进一步的改进。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种红土镍矿含水球团的还原反应系统及方法，该系统和方法通过改进分段转底炉装置的加热方式，在不影响产品指标的前提下去掉了分段转底炉装置炉前的球团烘干工艺，缩短了工艺流程，降低了设备投资，具有处理流程短、设备投资低、设备作业率高、能耗低、应用范围广泛等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种红土镍矿含水球团的还原反应系统，其特征在于，包括：混料装置、制球装置、分段转底炉装置和产品分离装置，其中：

所述混料装置包括：红土镍矿入口、还原剂入口、助熔剂入口和混合料出口，用于红土镍矿、还原剂和助熔剂进行混合，得到原料混合物；

所述制球装置包括：混合料入口、水入口和含水球团出口，所述混合料入口与所述混合料出口相连，用于将原料混合物进行制球，得到含水球团；

所述分段转底炉装置包括：依次相邻的进料区、干燥预热区、还原区和出料区，其中，所述进料区设有含水球团入口，所述含水球团入口与所述含水球团出口相连，所述干燥预热区设有多个干燥管，用于对所述干燥预热区进行干燥管方式加热，所述还原区炉壁设有多个烧嘴，用于对所述还原区进行烧嘴方式加热，所述出料区设有还原产品出口；所述分段转底炉装置采用分段加热方式，所述干燥预热区采用干燥管方式进行加热，所述还原区采用烧嘴方式进行加热；所述分段转底炉装置用于将含水球团进行干燥、还原，得到还原产品；

所述产品分离装置包括：还原产品入口、镍铁产品出口、尾渣尾矿出口，所述还原产品入口与所述还原产品出口相连，所述产品分离装置用于将还原产品进行高温熔炼或磨矿磁选处理，得到镍铁产品和尾矿或尾渣。

发明人发现，根据本发明实施例的系统结构简单，操作方便，采用含水球团直接入分段转底炉装置的流程处理红土镍矿，缩短了预处理流程，降低了生产成本与设备投资。与传统转底炉均采用炉墙侧壁烧嘴加热的方式相比，本发明的分段转底炉装置采用分段加热的方式，解决了烧嘴易堵塞的难题，设备作业率更高，实现了红土镍矿的低成本高效还原冶炼。

根据本发明的实施例，所述分段转底炉装置的水平截面为圆环形，所述干燥预热区的圆环夹角30º-150º。

根据本发明的实施例，所述分段转底炉装置的水平截面为圆环形，所述还原区的圆环夹角100º-280º。

根据本发明的实施例，所述分段转底炉装置的干燥管的热源可以来自于煤制备煤气装置、天然气供应装置、电力供应装置中的一种或几种。

在本发明的另一个方面，本发明提供了一种利用前面所述的系统进行红土镍矿的还原反应的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将红土镍矿、还原剂和助熔剂加入混料装置进行混料和配料处理，得到原料混合物；

（2）将原料混合物加入制球装置进行制球处理，得到含水球团；

（3）将含水球团加入分段转底炉装置进行干燥、还原处理，得到还原产品；

（4）将还原产品加入到产品分离装置进行高温熔炼处理或磨矿磁选处理，得到镍铁产品和尾矿或尾渣。

根据本发明的实施例，所述步骤（1）中的所述助熔剂是石灰石、生石灰、碳酸钠、硫酸盐中的一种或几种；所述步骤（1）中的还原剂为固态含碳物料；优选的，所述含碳物料可以是兰炭、煤、炭黑中的一种或几种。

根据本发明的实施例，所述步骤（1）中的红土镍矿、还原剂和助熔剂的重量配比为：助熔剂的添加重量为红土镍矿重量的0-20%；还原剂添加量为理论添加量的0.8-1.8倍。

根据本发明的实施例，所述步骤（3）中含水球团在分段转底炉装置的反应条件为：干燥预热区最低温度700-1000℃，还原区最高温度1200-1400℃，分段转底炉装置旋转一周时间为30min-90min。

根据本发明的实施例，所述步骤（4）中还原产品在产品分离装置的反应条件为：高温熔炼温度为1450℃-1700℃。

根据本发明的实施例，所述方法可用于处理红土镍矿、铬铁矿、高磷铁矿、锰铁矿、钢铁厂粉尘、含铁冶炼渣中的一种或多种物料。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明提供的红土镍矿含水球团的还原反应系统及方法，与传统转底炉均采用炉墙侧壁烧嘴加热的方式相比，本发明的分段转底炉装置采用分段加热的方式，解决了烧嘴易堵塞的难题。

（2）本发明提供的红土镍矿含水球团的还原反应系统及方法，与传统转底炉工艺相比，本发明分段转底炉装置烧嘴不易堵塞，设备作业率更高。

（3）本发明提供的红土镍矿含水球团的还原反应系统及方法，采用含水球团直接入分段转底炉装置的流程处理红土镍矿，缩短了预处理流程，降低了生产成本与设备投资。

附图说明

图1为本发明红土镍矿含水球团的还原反应系统的结构图。

图2为本发明红土镍矿含水球团的还原反应系统的简易图。

图3为本发明红土镍矿含水球团的还原反应系统的工作流程图。

其中，10、干燥管，20、烧嘴，100、混料装置，101、红土镍矿入口，102、还原剂入口，103、助熔剂入口，104、混合料出口，200、制球装置，201、混合料入口，202、水入口，203、含水球团出口，300，分段转底炉装置，301、含水球团入口，302、还原产品出口，400、产品分离装置，401、还原产品入口，402、镍铁产品出口，403、尾渣尾矿出口。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

图1为本发明红土镍矿含水球团的还原反应系统的结构图，如图1所示，本发明提供的一种红土镍矿含水球团的还原反应系统，包括：混料装置100、制球装置200、分段转底炉装置300和产品分离装置400。如图2所述，所述混料装置包括：红土镍矿入口101、还原剂入口102、助熔剂入口103和混合料出口104，用于红土镍矿、还原剂和助熔剂进行混合，得到原料混合物；所述制球装置包括：混合料入口201、水入口202和含水球团出口203，所述混合料入口与所述混合料出口相连，用于将原料混合物进行制球，得到含水球团；所述分段转底炉装置包括：依次相邻的进料区、干燥预热区、还原区和出料区，其中，所述分段转底炉装置采用分段加热方式，所述干燥预热区采用干燥管方式进行加热，所述还原区采用烧嘴方式进行加热；所述产品分离装置包括：还原产品入口401、镍铁产品出口402、尾渣尾矿出口403，所述还原产品入口与所述还原产品出口相连。

发明人发现，根据本发明实施例的系统结构简单，操作方便，采用湿球直接入分段转底炉装置的流程处理红土镍矿，缩短了预处理流程，降低了生产成本与设备投资。与传统转底炉均采用炉墙侧壁烧嘴加热的方式相比，本发明的分段转底炉装置采用分段加热的方式，解决了烧嘴易堵塞的难题，设备作业率更高，实现了红土镍矿的低成本高效还原冶炼。

根据本发明的具体实施例，所述分段转底炉装置，用于将含水球团进行干燥、还原，得到还原产品，所述分段转底炉装置包括：依次相邻的进料区、干燥预热区、还原区和出料区。在本发明的一些实施例中，所述进料区设有含水球团入口301，所述含水球团入口与所述含水球团出口相连，所述含水球团入口可以设置在进料区的上部或者侧壁，用于将含水球团加入所述分段转底炉装置炉内进行反应；所述出料区设有还原产品出口302，用于将还原产品排出。

根据本发明的具体实施例，所述分段转底炉装置的具体形状不受具体限制，只要能够实现对红土镍矿含水球团进行还原反应即可。在本发明的一些实施例中，所述分段转底炉装置的水平截面为圆环形，并且，每个区所占的圆环夹角不受具体限制。优选的，所述干燥预热区的圆环夹角30º-150º，所述还原区的圆环夹角100º-280º，保证良好的还原效果。在本发明的一些实施例中，所述分段转底炉装置旋转一周时间为30min-90min，该区间的选取既可保障球团的还原效果，又不会造成能源浪费。

根据本发明的具体实施例，所述分段转底炉装置的干燥预热区的加热方式不受具体的限制，只要能够完成物料表水脱除、红土镍矿结晶水的脱除以及物料的预热即可。在本发明的一些实施例中，所述干燥预热区采用干燥管10的方式进行加热，进一步的，所述干燥管可以安装在所述干燥预热区，可以设置多个干燥管10。在本发明的一些实施例中，所述干燥管的热源可以来自于煤制备煤气装置、天然气供应装置、电力供应装置中的一种或几种。煤制备煤气装置、天然气供应装置、电力供应装置均可向分段转底炉装置干燥预热区提供有效热源，满足本系统对热源的要求。与传统转底炉均采用炉墙侧壁烧嘴加热的方式相比，本发明的所述分段转底炉装置的干燥预热区采用干燥管加热的方式避免了入炉初期的烧嘴堵塞问题，可采用含水球团直接布入分段转底炉装置的工艺，保障生产顺行。同时，与传统干球入分段转底炉装置的工艺相比，本发明去掉了分段转底炉装置炉前的含水球团烘干这一流程，缩短了工艺流程，大大降低了设备投资。

根据本发明的具体实施例，所述分段转底炉装置的还原区的加热方式不受具体的限制，只要能够加热原料即可。在本发明的一些实施例中，所述还原区采用烧嘴20的方式进行加热，进一步的，所述烧嘴20可以安装在所述还原区，可以设置多个烧嘴20。在本发明的一些实施例中，采用烧嘴燃烧产生的热量通过辐射传热的方式来传递给球团。与传统转底炉工艺相比，本发明分段转底炉装置烧嘴不易堵塞，设备作业率更高。

根据本发明的具体实施例，该系统还包括所述产品分离装置，用于将还原产品进行高温熔炼或磨矿磁选，得到镍铁产品和尾矿或尾渣。在本发明的一些实施例中，所述产品分离装置包括：还原产品入口、镍铁产品出口、尾渣尾矿出口，所述还原产品入口与所述还原产品出口相连，所述产品分离装置用于将还原产品进行高温熔炼或磨矿磁选，得到镍铁产品和尾矿或尾渣。由此，该系统实现了对红土镍矿的有效回收，得到了镍铁产品。

根据本发明的实施例，所述系统中的红土镍矿、还原剂和助熔剂的重量配比不受具体的限制。在本发明的一些实施例中，所述系统中的红土镍矿、还原剂和助熔剂的重量配比为：助熔剂的添加重量为红土镍矿重量的0-20%；还原剂添加量为理论添加量的0.8-1.8倍。因为，若还原剂的添加量过低，会影响红土镍矿的还原熔炼效果；而若还原剂的添加量过高，并不能提高产品的技术指标，且会造成煤资源浪费，提高生产成本。助熔剂的添加有利于促进红土镍矿的还原，降低矿物的还原温度，进而降低能耗与成本，所以，助熔剂的使用旨在促进含铁、镍硅酸盐矿物分解，并有效降低矿物还原温度，进而降低能耗，减少成本。

根据本发明的实施例，所述系统中的红土镍矿、还原剂和助熔剂的种类不受具体的限制，只要能够用于进行反应即可。在本发明的一些实施例中，所述助熔剂是石灰石、生石灰、碳酸钠、硫酸盐中的一种或几种；还原剂为固态含碳物料。优选的，所述含碳物料可以是兰炭、煤、炭黑中的一种或几种。并且，所述系统不仅可以用来处理红土镍矿，还可以处理红土镍矿、铬铁矿、高磷铁矿、锰铁矿、钢铁厂粉尘、含铁冶炼渣中的一种或多种物料。另外，采用非焦煤做还原剂，用非焦煤代替了资源匮乏的焦炭，不仅节省了炼焦成本，而且实现了钢铁冶炼过程过程中对稀缺能源的替代，最大限度的合理利用自然资源。

在本发明的另一个方面，本发明提供了一种利用前面所述的系统进行红土镍矿的还原反应的方法，如图3所示，包括以下步骤：

（1）将红土镍矿、还原剂和助熔剂加入混料装置进行混料和配料处理，得到原料混合物。

根据本发明的实施例，所述系统包括混料装置，用于将红土镍矿、还原剂和助熔剂进行混料和配料处理，得到原料混合物。在本发明的一些实施例中，所述系统中的红土镍矿、还原剂和助熔剂的重量配比为：助熔剂的添加重量为红土镍矿重量的0-20%；还原剂添加量为理论添加量的0.8-1.8倍。所述助熔剂是石灰石、生石灰、碳酸钠、硫酸盐中的一种或几种；还原剂为固态含碳物料。优选的，所述含碳物料可以是兰炭、煤、炭黑中的一种或几种。并且，所述系统不仅可以用来处理红土镍矿，还可以处理红土镍矿、铬铁矿、高磷铁矿、锰铁矿、钢铁厂粉尘、含铁冶炼渣中的一种或多种物料。

（2）将原料混合物加入制球装置进行制球处理，得到含水球团。根据本发明的实施例，所述系统包括制球装置，用于将原料混合物进行制球处理，得到含水球团。与传统干球入分段转底炉装置的工艺相比，本发明去掉了分段转底炉装置炉前的含水球团烘干这一流程，缩短了工艺流程，大大降低了设备投资。

（3）将含水球团加入分段转底炉装置进行干燥、还原处理，得到还原产品。

根据本发明的实施例，所述系统包括分段转底炉装置，用于将含水球团进行干燥、还原，得到还原产品。在本发明的一些实施例中，所述分段转底炉装置包括：依次相邻的进料区、干燥预热区、还原区和出料区，其中，所述分段转底炉装置采用分段加热方式，所述干燥预热区采用干燥管方式进行加热，所述还原区采用烧嘴方式进行加热。与传统转底炉均采用炉墙侧壁烧嘴加热的方式相比，本发明的分段转底炉装置采用分段加热的方式，解决了烧嘴易堵塞的难题。所述含水球团经由所述分段转底炉装置的进料区进入，然后通过干燥预热区进行干燥处理后，进去还原区进行还原反应，最后，得到的还原产品经由出料区排出。所述含水球团在分段转底炉装置的反应条件为：干燥预热区最低温度700-1000℃，进行物料表水脱除、红土镍矿结晶水的脱除以及物料的预热；还原区最高温度1200-1400℃，对红土镍矿中镍、铁进行还原；分段转底炉装置旋转一周时间为30min-90min。与传统转底炉工艺相比，本发明分段转底炉装置烧嘴不易堵塞，设备作业率更高。

（4）将还原产品加入到产品分离装置进行高温熔炼处理或磨矿磁选处理，得到镍铁产品和尾矿或尾渣。该系统还包括所述产品分离装置，用于将还原产品进行高温熔炼或磨矿磁选，得到镍铁产品和尾矿或尾渣。在本发明的一些实施例中，还原产品在产品分离装置的反应条件为：高温熔炼温度为1450℃-1700℃，既能保障熔炼效果，又不会造成能源浪费。由此，该系统实现了对红土镍矿的有效回收，得到了镍铁产品。

实施例1

选用TFe21.8％、含Ni 1.58％的红土镍矿作为原料，先将红土镍矿破碎至3mm以下，按照还原剂添加量为理论添加量的1.0倍，不添加助熔剂的配比进行混合-压球，压制的含水球团水分为14%，将所压含水球团直接布入分段转底炉装置进行干燥、还原处理，分段转底炉装置的干燥区采用干燥管进行加热，干燥管热源来自天然气供应装置，还原区采用蓄热式烧嘴加热；干燥区的圆环夹角为30°，还原区的圆环夹角为270°；干燥区入炉最低温度为900℃，还原区最高温度为1350℃；分段转底炉装置旋转一周时间30min，分段转底炉装置出料得到的还原产品热态送入燃气熔炼炉在1550℃条件下进行熔炼，熔炼过程添加石灰石，添加量为还原产品重量的2%，得到镍品位15%的镍铁合金，镍回收率95%。

实施例2

选用TFe17.1％、含Ni 1.80％的红土镍矿作为原料，先将红土镍矿破碎至1mm以下，按照还原剂添加量为理论添加量的1.5倍，石灰石的添加量为红土镍矿重量的10%进行混合-制球，含水球团水分为18%，将所压含水球团直接布入分段转底炉装置进行干燥-还原处理，分段转底炉装置的干燥区采用干燥管进行加热，干燥管的加热方式是电加热，还原区采用烧嘴加热；干燥区的圆环夹角为90°，还原区的圆环夹角为210°；干燥区入炉最低温度为700℃，还原区最高温度为1300℃；分段转底炉装置旋转一周时间60min，分段转底炉装置出料得到的还原产品高温熔炼，得到镍品位19%的镍铁合金产品，镍回收率为96%。

实施例3

选用TFe41.0％、含Ni 1.30％的红土镍矿作为原料，先将红土镍矿破碎至2mm以下，按照还原剂添加量为理论添加量的0.8倍，生石灰的添加量为红土镍矿重量的5%进行混合-造球，含水球团水分为19%，将所压含水球团直接布入分段转底炉装置进行干燥-还原处理，分段转底炉装置的干燥区采用干燥管进行加热，干燥管热源来自煤气发生炉，还原区采用烧嘴加热；干燥区的圆环夹角为140°，还原区的圆环夹角为160°；干燥区入炉最低温度为900℃，还原区最高温度为1250℃；分段转底炉装置旋转一周时间90min，分段转底炉装置出料得到的还原产品热态送入高温炉进行熔炼，炉内温度1650℃左右，得到镍品位6%的镍铁合金，镍回收率94%。

实施例4

选用TFe18.5％、含Ni 1.5％的红土镍矿作为原料，先将红土镍矿破碎至3mm以下，按照还原剂添加量为理论添加量的1.1倍，石灰石添加量为红土镍矿重量的5%的配比进行混合-压球，压制的含水球团含水率是15%，将所压含水球团直接布入分段转底炉装置进行干燥-还原，分段转底炉装置的干燥预热区采用干燥管进行加热，干燥管位于炉膛上部，还原区采用蓄热式烧嘴加热；预热干燥区的圆环夹角为30°，还原区的圆环夹角为270°；干燥预热区入炉最低温度为900℃，还原区最高温度为1350℃；分段转底炉装置旋转一周时间40min，分段转底炉装置出料得到的还原产品进行磨矿磁选处理，得到的磁性镍铁粉产品中镍品位为5.5%的镍铁合金，镍回收率85%。

实施例5

选用TFe22.3％、含Ni 1.78％的红土镍矿作为原料，先将红土镍矿破碎至1mm以下，按照还原剂添加量为理论添加量的1.4倍，石灰石添加量为红土镍矿重量的10%，工业碱添加量为红土镍矿重量的3%的配比进行混合-制球，含水球团含水率是18%，将含水球团布入分段转底炉装置进行处理，分段转底炉装置的干燥预热区采用干燥管进行加热，还原区采用普通烧嘴加热；预热干燥区的圆环夹角为120°，还原区的圆环夹角为180°；干燥预热区入炉最低温度为800℃，还原区最高温度为1300℃；分段转底炉装置旋转一周时间70min，分段转底炉装置出料得到的还原产品进行磨矿磁选处理，得到的磁性镍铁粉产品中镍品位为6.7%的镍铁合金，镍回收率90%。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面” 可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个 或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。