一种选择性还原处理红土镍矿的系统和方法与流程

本发明总地涉及冶金领域，具体涉及一种选择性还原处理红土镍矿的系统和方法。

背景技术：

镍作为主要合金元素，应用于制备不锈钢、耐热合金钢和多种镍合金，占镍消耗总量的70％以上。随着不锈钢产业的快速发展，对镍的需求量也大幅增加。目前，全球矿山镍产量60％来源于硫化镍矿，40％来源于红土镍矿。而在全球镍矿储量2.2亿吨中，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，从红土镍矿生产镍的比重将会不断增加。

针对不同类型的红土镍矿现有以下不同处理工艺：火法工艺、湿法工艺、火湿法结合工艺以及其他工艺。其中，火法工艺由于流程短、效率高，处理规模大等优点，是处理红土镍矿的主导工艺。在红土镍矿火法处理工艺中，传统的高炉冶炼工艺流程虽然产能大，但是投资高、生产成本高。而非传统流程的工艺包括回转窑法和转底炉法。回转窑法虽然投资小、工艺简单，但是产能低，占地面积大，自动化程度不高。而转底炉法投资大，产能低，工艺复杂。此外，这两种工艺最大的缺点是镍铁镍含量低、碳含量高，给不锈钢生产造成很大的困难。

固态碳和co2发生反应，吸收大量热量，生成co，进行碳的气化反应，产生的co参与镍矿石的间接还原，这是目前公认的固态碳还原氧化铁的二步还原机理。红土镍矿碳直接碳还原的热力学平衡曲线如图1所示，理论上，当还原温度控制在656-710℃之间，能达到矿石中的ni被还原成金属镍、铁以feo稳定态存在的情况，可以利用磁选的方式将镍富集分离出来，但实际操作操作过程中很难达到此种理想结果，这主要是因为红土镍矿中镍和铁在矿石中大都以类质同象的形式存在，即使用还原焙烧也不能改变其晶格状态，用物理分选的方式很难将镍和铁分离开。此外，在后续以镍为原料的冶炼过程中也并不需要添加纯的镍金属。

综上所述，针对红土镍矿的矿相特点和现有工艺的缺点，开发合理的红土镍矿处理工艺，成为镍铁生产迫在眉睫的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种选择性还原处理红土镍矿的方法和系统。以廉价的转炉煤气和高炉煤气做还原气，采用气基竖炉直接还原系统将红土镍矿中的镍氧化物还原为金属镍，将高价铁氧化物还原为氧化亚铁，结合电炉熔分装置，在熔分过程中进行配碳调控金属铁含量，到达精确调控镍铁合金中镍铁含量的目的。

本发明提供一种选择性还原处理红土镍矿的系统，其中，所述系统包括还原煤气制备子系统、竖炉和熔分-深还原装置。所述还原煤气制备子系统包括高炉、转炉和混合塔，所述高炉包括高炉煤气出口，所述转炉包括转炉煤气出口，所述混合塔包括高炉煤气入口、转炉煤气入口和还原煤气出口，所述高炉的高炉煤气出口连接所述混合塔的高炉煤气入口，所述转炉的转炉煤气出口连接所述混合塔的转炉煤气入口。所述竖炉包括红土镍矿入料口、还原物料出口和还原煤气入口，所述还原煤气入口连接所述混合塔的还原煤气出口。所述熔分-深还原装置包括还原物料入口和镍铁合金出口，所述还原物料入口连接所述竖炉的还原物料出口。其中，所述熔分-深还原装置能够为电炉或燃气熔分炉。

优选地，根据前述的选择性还原处理红土镍矿的系统，其中，所述还原煤气制备子系统还包括除尘装置，其设置在所述高炉的高炉煤气出口和所述混合塔的高炉煤气入口之间，用于对所述高炉煤气进行除尘处理。

优选地，根据前述的选择性还原处理红土镍矿的系统，其中，所述还原煤气制备子系统还包括煤气加压装置，其设置在所述竖炉的还原煤气入口和所述混合塔的还原煤气出口之间，用于加压所述混合塔产生的还原煤气。

优选地，根据前述的选择性还原处理红土镍矿的系统，其中，所述系统还包括球团制备子系统，其包括混料机、造球机和链篦机-回转窑装置，所述混料机包括矿石入口和混料出口，所述造球机包括混料入口和球团出口，所述链篦机-回转窑装置包括球团入口和氧化球团出口，所述混料机的混料出口连接所述造球机的混料入口，所述造球机的球团出口连接所述链篦机-回转窑装置的球团入口，所述链篦机-回转窑装置的氧化球团出口连接所述竖炉的红土镍矿入料口。

更优选地，根据前述的选择性还原处理红土镍矿的系统，其中，所述球团制备子系统还包括破碎机，所述破碎机包括矿石原料入口和矿石出口，所述破碎机的矿石出口连接所述混料机的矿石入口。

本发明还提供了一种利用上述系统选择性还原处理红土镍矿的方法，其中，所述方法包括如下步骤：

(1)还原煤气制备：使来自高炉的高炉煤气与来自转炉的转炉煤气按体积比1.0:(1.1-4.0)混合，得到还原煤气，所述还原煤气的温度为750-1000℃；其中体积比优选为1.0:(1.2-2.0)；

(2)矿料还原：使红土镍矿原料在竖炉中被步骤(1)所得的还原煤气还原，得到还原物料；

(3)熔分深还原：将步骤(2)中所得的还原物料热送至熔分-深还原装置中，进行熔分深还原，得到镍铁合金；其中，还原剂为炭质还原剂，所述深还原的温度为1500-1600℃。

进一步地，所述高炉煤气为高炉炼铁中产生的煤气，高炉煤气的主要成分为co24％-26％、h21.0％-2.0％、co214％-16％、n255％-57％。

进一步地，所述转炉煤气为转炉炼钢在吹炼期间产生的煤气，转炉煤气的主要成分为co62％-68％、co216％-24％、n28％-14％。

进一步地，所述高炉煤气在产生时的温度为100-200℃，转炉煤气在产生时的温度为1400-1600℃，优选为1450-1550℃。

优选地，根据前述的选择性还原处理红土镍矿的方法，其中，步骤(2)前还包括对所述高炉煤气进行除尘处理。其中，所述除尘处理能够为干法除尘。

优选地，根据前述的选择性还原处理红土镍矿的方法，其中，步骤(1)中，所述还原煤气中含有co、h2、co2和n2，其中co含量为30％-60％。优选为35％-50％。

优选地，根据前述的选择性还原处理红土镍矿的方法，其中，步骤(1)还包括对所述还原煤气进行加压处理，所述还原煤气加压后的压力为0.05-0.30mpa。优选为0.10-0.20mpa。

优选地，根据前述的选择性还原处理红土镍矿的方法，其中，步骤(2)中所述红土镍矿原料为红土镍矿的氧化球团，所述氧化球团的制备方法为：

(a)使红土镍矿矿石碎料与粘结剂混合、造球，得到直径为6-14mm的球团；

(b)干燥所述球团，之后氧化焙烧所述球团，得到所述氧化球团。

优选地，根据前述的选择性还原处理红土镍矿的方法，其中，所述炭质还原剂为兰炭或无烟煤。

优选地，根据前述的选择性还原处理红土镍矿的方法，其中，所述炭质还原剂中的c与红土镍矿中o的摩尔比为：c/o＝0.1-1.5。炭质还原剂的添加量优选为c/o＝0.2-1.1。

优选地，根据前述的选择性还原处理红土镍矿的方法，其特征在于，所述镍铁合金中镍含量为15％-70％。优选为20％-60％，更优选为30％-50％。

如图1所示，在本发明的步骤(3)中，氧化镍发生如下还原反应：nio+co＝ni+co2，还原煤气中的co参与nio的还原反应。当还原炉气氛中co的体积百分比φ(co)高于10％时，nio在高于478℃的整个温度区间内均能被还原。而feo的直接还原开始温度为727℃，当还原气中co的体积百分比φ(co)高于60％时，feo才开始还原。因此可以通过控制还原气中co的体积百分比φ(co)以抑制高温下feo还原，并同时满足nio还原气氛要求和温度条件，达到还原红土镍矿中的镍、抑制红土镍矿中铁还原的目的。氧化镍的还原反应完成后，铁氧化物以feo形式存在。再通过本发明的步骤(3)的熔分过程中进行配碳调控金属铁含量，能够精确调控镍铁合金中镍铁含量。

本发明提供的转炉煤气与高炉煤气混合的利用方法，采用转炉煤气与高炉煤气混合后用于气基竖炉选择性还原红土镍，将转炉炼钢、高炉炼铁生产设备与气基竖炉进行耦合，既可经济有效的利用转炉煤气、高炉煤气中co，又可降低竖炉还原气制气装置投资。

竖炉还原过程所需热量由转炉煤气显热提供，从而提高了转炉煤气热利用率。

本发明采用气基竖炉直接还原系统将红土镍矿中的镍氧化物还原为金属镍，将高价铁氧化物还原为氧化亚铁，结合电炉熔分装置，在熔分过程中进行配碳调控金属铁含量，能够精确调控镍铁合金中镍铁含量，获得镍含量15％-70％的高镍镍铁合金。

附图说明

图1为红土镍矿碳直接碳还原的热力学平衡曲线；

图2为本发明的选择性还原处理红土镍矿的方法的一种实施方案的流程图；以及

图3为本发明的选择性还原处理红土镍矿的系统的一种实施方案。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明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发明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，而不是对本发明的限制。

如图3所示，本发明还提供一种选择性还原处理红土镍矿的系统，其中，所述系统包括还原煤气制备子系统、竖炉6和熔分-深还原装置11。所述还原煤气制备子系统包括高炉1、转炉3和混合塔4，所述高炉1包括高炉煤气出口，所述转炉3包括转炉煤气出口，所述混合塔4包括高炉煤气入口、转炉煤气入口和还原煤气出口，所述高炉1的高炉煤气出口连接所述混合塔4的高炉煤气入口，所述转炉3的转炉煤气出口连接所述混合塔4的转炉煤气入口。所述竖炉6包括红土镍矿入料口、还原物料出口和还原煤气入口，所述还原煤气入口连接所述混合塔4的还原煤气出口。所述熔分-深还原装置11包括还原物料入口和镍铁合金出口，所述还原物料入口连接所述竖炉6的还原物料出口。其中，所述熔分-深还原装置11能够为电炉或燃气熔分炉。

在一种实施方案中，在高炉煤气出口与高炉煤气入口的连接管路上设有第一流量控制阀，在转炉煤气出口和转炉煤气入口的连接管路上设有第二流量控制阀。通过调节第一流量控制阀和第二流量控制阀，可以调节高炉煤气和转炉煤气的混合配比，使其符合竖炉还原气的使用。

本发明将转炉炼钢、高炉炼铁生产设备与气基竖炉进行耦合，既可经济有效的利用转炉煤气、高炉煤气中的co，又可降低竖炉还原气制气装置的投资成本。气基竖炉6直接还原系统将红土镍矿中的镍氧化物还原为金属镍，将高价铁氧化物还原为氧化亚铁，结合熔分-深还原装置11，在熔分过程中进行配碳调控金属铁含量，能够精确调控镍铁合金中镍铁含量。

在一种实施方案中，所述还原煤气制备子系统还包括除尘装置2，其设置在所述高炉1的高炉煤气出口和所述混合塔4的高炉煤气入口之间，用于对所述高炉煤气进行除尘处理。

在一种实施方案中，所述还原煤气制备子系统还包括煤气加压装置5，其设置在所述气基竖炉6的还原煤气入口和所述混合塔4的还原煤气出口之间，用于加压所述混合塔4产生的还原煤气。

在一种实施方案中，所述系统还包括球团制备子系统，其包括混料机8、造球机9和链篦机-回转窑装置10，所述混料机8包括矿石入口和混料出口，所述造球机9包括混料入口和球团出口，所述链篦机-回转窑装置10包括球团入口和氧化球团出口，所述混料机8的混料出口连接所述造球机9的混料入口，所述造球机9的球团出口连接所述链篦机-回转窑装置10的球团入口，所述链篦机-回转窑装置的氧化球团出口连接所述竖炉的红土镍矿入料口。

在一种实施方案中，所述球团制备子系统还包括破碎机7，所述破碎机7包括矿石原料入口和矿石出口，所述破碎机7的矿石出口连接所述混料机8的矿石入口。

如图2所示，本发明提供了一种选择性还原处理红土镍矿的方法，其中，所述方法包括如下步骤：

(1)还原煤气制备：使来自高炉的高炉煤气与来自转炉的转炉煤气按体积比1.0:(1.1-4.0)混合，得到还原煤气，所述还原煤气的温度为750-1000℃；其中体积比优选为1.0:(1.2-2.0)。

(2)矿料还原：使红土镍矿原料在竖炉中被步骤(1)所得的还原煤气还原，得到还原物料。

(3)熔分深还原：将步骤(2)中所得的还原物料热送至熔分-深还原装置中，进行熔分深还原，得到镍铁合金；其中，还原剂为炭质还原剂，所述深还原的温度为1500-1600℃。

进一步地，所述高炉煤气为高炉炼铁中产生的煤气，高炉煤气的主要成分为co24％-26％、h21.0％-2.0％、co214％-16％、n255％-57％。所述转炉煤气为转炉炼钢在吹炼期间产生的煤气，转炉煤气的主要成分为co62％-68％、co216％-24％、n28％-14％。所述高炉煤气在产生时的温度为100-200℃，转炉煤气在产生时的温度为1400-1600℃，优选为1450-1550℃。后续还原过程所需热量由转炉煤气显热提供，从而提高了转炉煤气热利用率。

在一种实施方案中，步骤(2)前还包括对所述高炉煤气进行除尘处理。其中，所述除尘处理能够为干法除尘。其可防止堵塞煤气管道。干法除尘后的高炉煤气温度为60-120℃。而所述转炉煤气不经过水洗除尘，直接与除尘后的高炉煤气混合，以减少显热损失。

在一种实施方案中，根据前述的选择性还原处理红土镍矿的方法，其中，步骤(1)中，所述还原煤气中含有co、h2、co2和n2，其中co含量为30％-60％。优选为35％-50％。上述co含量即可保证nio被还原金属镍，同时避免feo被还原成金属铁。

在一种实施方案中，步骤(1)还包括对所述还原煤气进行加压处理，压力为0.05-0.30mpa。优选为0.10-0.20mpa。

在一种实施方案中，步骤(2)中所述红土镍矿原料为红土镍矿的氧化球团，所述氧化球团的制备方法为：

(a)使红土镍矿矿石碎料与粘结剂混合、造球，得到直径为6-14mm的球团；

(b)干燥所述球团，之后氧化焙烧所述球团，得到所述氧化球团。其中，干燥所述球团至水分小于1％，红土镍矿矿石碎料为粒径小于0.074mm大于85％的破碎红土镍矿矿石原料。

在一种实施方案中，其中，所述炭质还原剂为兰炭或无烟煤。所述炭质还原剂中的c与红土镍矿中o的摩尔比为：c/o＝0.1-1.5，优选为c/o＝0.2-1.1。在熔分过程中进行配碳调控金属铁含量，能够精确调控镍铁合金中镍铁含量。

其中，镍铁合金中镍含量为15％-70％，优选为20％-60％，更优选为30％-60％。

实施例1

本实施例提供一种选择性还原处理红土镍矿的方法，包括如下步骤：

(11)将高炉煤气与转炉煤气按1.0:1.1体积比混合得到还原煤气，所述还原煤气中co含量为50％，所述还原煤气的温度为950℃。

(12)采用所述还原煤气还原氧化球团得到还原球团。

(13)采用兰炭深还原所述还原球团，得到镍铁合金，所述兰炭的添加量为c/o＝0.2，深还原温度为1500℃。

其中，步骤(12)中所述的氧化球团，具体制备步骤如下：

(a)破碎红土镍矿矿石原料至粒径小于0.074mm大于85％，得到红土镍矿矿石碎料。

(b)混合所述红土镍矿矿石碎料与粘结剂，得到混料。

(c)采用所述混料进行造球，得到球团，所述球团直径为6-14mm。

(d)干燥所述球团至水分小于1％后，氧化焙烧所述球团，得到所述氧化球团。

将步骤(13)制备的镍铁合金渣铁分离后所得镍铁合金中镍含量为59.63％。

实施例2

本实施例提供一种选择性还原处理红土镍矿的方法，包括如下步骤：

(21)将高炉煤气与转炉煤气按1.0:1.5体积比混合得到还原煤气，所述还原煤气中co含量为40％，所述还原煤气的温度为900℃。

(22)采用所述还原煤气还原氧化球团得到还原球团。

(23)采用兰炭深还原所述还原球团，得到镍铁合金，所述兰炭的添加量为c/o＝0.5，深还原温度为1500℃。

其中，步骤(22)中所述的氧化球团，具体制备步骤如下：

(a)破碎红土镍矿矿石原料至粒径小于0.074mm大于85％，得到红土镍矿矿石。

(b)混合所述红土镍矿矿石与粘结剂，得到混料。

(c)采用所述混料进行造球，得到球团，所述球团直径为6-14mm。

(d)干燥所述球团至水分小于1％后，氧化焙烧所述球团，得到所述氧化球团。

将步骤(23)制备的镍铁合金渣铁分离后所得镍铁合金中镍含量为35.71％。

实施例3

本实施例提供一种选择性还原处理红土镍矿的方法，包括如下步骤：

(31)将高炉煤气与转炉煤气按1.0:2.0体积比混合得到还原煤气，所述还原煤气中co含量为32％，所述还原煤气的温度为850℃。

(32)采用所述还原煤气还原氧化球团得到还原球团。

(33)采用兰炭深还原所述还原球团，得到镍铁合金，所述兰炭的添加量为c/o＝0.7，深还原温度为1500℃。

其中，步骤(32)中所述的氧化球团，具体制备步骤如下：

(a)破碎红土镍矿矿石原料至粒径小于0.074mm大于85％，得到红土镍矿矿石。

(b)混合所述红土镍矿矿石与粘结剂，得到混料。

(c)采用所述混料进行造球，得到球团，所述球团直径为6-14mm。

(d)干燥所述球团至水分小于1％后，氧化焙烧所述球团，得到所述氧化球团。

将步骤(33)制备的镍铁合金渣铁分离后所得镍铁合金中镍含量为15.03％。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，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发明的保护范围之中。