矿石溶解和铁转化系统的制作方法

本技术总体上涉及电化学和湿法冶金领域，更具体地，涉及使用电化学和/或湿法冶金工艺从含铁原料中提取铁的系统和方法。

背景技术：

1、铁氧化物矿石可通过移除氧(即还原该氧化物)并以可在后续工艺中加工成有用产物的形式回收金属铁而转化成相对纯的金属铁。然后，根据要制造的钢的类型，通过加入少量的碳和其他元素，就可以把铁制成钢。几千年来，这两项任务(还原和碳添加)主要是在碳(通常由煤(或焦炭)燃烧产生)存在下通过将铁矿石加热到非常高的温度(例如，约1,700℃)来实现的。由煤或焦炭燃烧产生的一氧化碳与铁氧化物中的氧结合，从而将该氧化物还原成金属铁并释放出二氧化碳。事实上，现代钢铁生产的二氧化碳排放量约占全球的10％。

技术实现思路

1、本文提供了用于从含铁矿石和/或其他含铁原料生产基本上纯的金属铁的方法和相关系统。本文描述了用于使用化学和/或电化学转化技术将铁矿石从矿石或其他不纯状态转化为金属铁而无需燃烧化石燃料的多个实施方案方法和系统。具体而言，本文所述的多个实施方案提供了将铁矿石材料溶解到酸性溶液中，化学和/或电化学调节酸性溶液的性质，以及在电化学电池中从酸性溶液中电镀铁(和任选的其他金属)。

2、所述系统和方法的多个实施方案包括至少第一独立电化学过程和第二独立电化学过程，所述第一独立电化学过程用于调节酸性溶液的参数以促进或加速矿石溶解，所述第二独立电化学过程用于从酸性溶液中电镀铁。

3、任选地，本文公开的方法的实施方案可以提供从含铁矿石电镀铁的过程，使得稳态运行的特征在于总输入基本上由含铁矿石组成，并且总输出基本上由高纯度铁组成，其中水和酸作为该过程的一部分重新生成。任选地，本文公开的方法的实施方案可以提供从含铁矿石电镀铁的过程，该过程在稳态运行期间基本上不产生co2。任选地，本文公开的方法的实施方案可以提供从含铁矿石中电镀铁的过程，该过程在稳态运行期间基本上不产生cl2(g)。任选地，本文公开的方法的实施方案还包括使用根据本文实施方案生产的高纯度铁来炼钢的过程。

4、公开了一种加工和溶解含铁矿石的方法，所述方法包括：

5、在还原剂存在下，热还原含铁矿石中的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料以形成磁铁矿，从而形成热还原矿石；以及

6、使用酸溶解所述热还原矿石的至少一部分以形成酸性铁盐溶液；

7、其中所述酸性铁盐溶液包含在电化学电池中电化学生成的质子。

8、还公开了一种加工和溶解含铁矿石的方法，所述方法包括：

9、在溶解罐中，使所述含铁矿石与酸接触以溶解所述含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的fe3+离子的酸性铁盐溶液；

10、使所述酸性铁盐溶液的至少一部分在所述溶解罐和电化学电池的阴极室之间再循环，所述电化学电池包括在所述阴极室中在充当阴极电解质(catholyte)的所述酸性铁盐溶液的至少一部分存在下的阴极、在阳极电解质(anolyte)存在下的阳极、和将所述阴极电解质与所述阳极电解质分开的隔件(separator)；

11、在所述阴极处电化学还原来自所述阴极电解质的溶解的fe3+离子的至少一部分，以在所述阴极电解质中形成fe2+离子；以及

12、在所述电化学电池中电化学生成质子并将电化学生成的质子提供给所述阴极电解质；其中在所述含铁矿石存在下，所述溶解罐中的所述酸性铁盐溶液的特征在于游离质子的稳态浓度为至少0.2m。

13、还公开了一种加工和溶解含铁矿石的方法，所述方法包括：

14、在还原剂存在下，热还原所述含铁矿石中的一种或多种非磁铁矿铁氧化物材料以形成磁铁矿，从而形成热还原矿石；

15、其中所述还原剂包括h2气体；以及

16、其中所述h2气体的至少一部分是通过铁金属与酸的反应化学生成的，和/或所述h2气体的至少一部分是通过电镀铁过程的寄生析氢反应电化学生成的；以及

17、使用酸性溶液溶解至少所述热还原矿石以形成铁盐溶液；

18、其中溶解步骤包括将形成的磁铁矿溶解在所述酸性溶液中。

19、另外公开了一种用于加工和溶解含铁矿石的系统，所述系统包括：

20、第一溶解罐，用于使用第一酸溶解第一含铁矿石；其中：

21、所述第一矿石在所述第一酸中的溶解在所述第一溶解罐中形成包含溶解的fe3+离子的第一酸性铁盐溶液；

22、电化学电池，其流体连接到所述第一溶解罐；其中：

23、所述电化学电池包括在阴极存在下具有阴极电解质的阴极室、在阳极存在下具有阳极电解质的阳极室、和将所述阴极电解质与所述阳极电解质分开的隔件；以及

24、第一循环子系统，其将所述第一酸性铁盐溶液的至少一部分从所述第一溶解罐循环至所述阴极室，并将所述阴极电解质的至少一部分从所述电化学电池循环至所述第一溶解罐；

25、其中在所述阴极处将来自所述第一酸性铁盐溶液的fe3+离子的至少一部分电化学还原成所述阴极电解质中的fe2+离子，从而消耗来自所述第一酸性铁盐溶液的fe3+离子。

26、公开了一种用于生产铁的方法，所述方法包括：

27、向包括第一电化学电池的溶解子系统提供具有含铁矿石的原料；

28、其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及

29、其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的成分；

30、使用酸溶解所述含铁矿石的至少一部分以形成具有溶解的第一fe3+离子的酸性铁盐溶液；

31、向所述第一阴极室提供具有所述第一fe3+离子的至少一部分的所述酸性铁盐溶液的至少一部分；

32、第一电化学还原所述第一阴极电解质中的所述第一fe3+离子以形成fe2+离子；

33、将形成的fe2+离子从所述溶解子系统转移到具有第二电化学电池的镀铁子系统；

34、在所述第二电化学电池的第二阴极处，将转移的形成的fe2+离子的第一部分第二电化学还原成fe金属；以及

35、从所述第二电化学电池中移除所述fe金属，从而生产铁。

36、还公开了一种用于生产铁的方法，所述方法包括：

37、向包括第一电化学电池的溶解子系统提供具有含铁矿石的原料；

38、其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有h2气体的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极室与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及

39、使用酸溶解所述含铁矿石的至少一部分以形成具有溶解的第一fe3+离子的酸性铁盐溶液；

40、向所述第一阴极室提供具有所述第一fe3+离子的至少一部分的酸性铁盐溶液的至少一部分；

41、第一电化学还原所述第一阴极电解质中的所述第一fe3+离子以形成fe2+离子；

42、将形成的fe2+离子从所述溶解子系统转移到具有第二电化学电池的镀铁子系统；

43、在所述第二电化学电池的第二阴极处，将转移的形成的fe2+离子的第一部分第二电化学还原成fe金属；以及

44、从所述第二电化学电池中移除所述fe金属，从而生产铁。

45、还公开了一种用于生产铁的系统，所述系统包括：

46、溶解子系统，其具有溶解罐和第一电化学电池，所述第一电化学电池流体连接到所述溶解罐；

47、其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及

48、其中所述第一阳极电解质具有与所述第一阴极电解质不同的成分；以及

49、镀铁子系统，其流体连接到所述溶解子系统并具有第二电化学电池；以及

50、第一子系统间流体连接件，其位于所述溶解子系统和所述镀铁子系统之间；

51、其中：

52、所述溶解罐接收具有含铁矿石的原料；

53、所述溶解罐包括酸性铁盐溶液，所述酸性铁盐溶液用于溶解所述含铁矿石的至少一部分以生成溶解的第一fe3+离子；

54、所述第一fe3+离子在所述第一阴极处电化学还原以在所述第一阴极电解质中形成fe2+离子；

55、形成的fe2+离子通过所述第一子系统间流体连接件从所述溶解子系统转移到所述镀铁子系统；

56、所述第二电化学电池包括第二阴极，所述第二阴极用于将转移的形成的fe2+离子的至少第一部分还原成fe金属；以及

57、从所述第二电化学电池中移除所述fe金属。

58、另外公开了一种用于生产铁的系统，所述系统包括：

59、溶解子系统，其具有溶解罐和第一电化学电池，所述第一电化学电池流体连接到所述溶解罐；

60、其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有h2气体的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极室与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及

61、镀铁子系统，其流体连接到所述溶解子系统并具有第二电化学电池；以及

62、第一子系统间流体连接件，其位于所述溶解子系统和所述镀铁子系统之间；

63、其中：

64、所述溶解罐接收具有含铁矿石的原料；

65、所述溶解罐包括酸性铁盐溶液，所述酸性铁盐溶液用于溶解所述含铁矿石的至少一部分以生成溶解的第一fe3+离子；

66、所述第一fe3+离子在所述第一阴极处电化学还原以在所述第一阴极电解质中形成fe2+离子；

67、形成的fe2+离子通过所述第一子系统间流体连接件从所述溶解子系统转移到所述镀铁子系统；

68、所述第二电化学电池包括第二阴极，所述第二阴极用于将转移的形成的fe2+离子的至少第一部分还原成fe金属；以及

69、从所述第二电化学电池移除fe金属。

70、公开了一种用于生产铁的方法，所述方法包括：

71、向包括第一电化学电池的溶解子系统提供具有含铁矿石和一种或多种杂质的原料；

72、其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；

73、使用酸溶解所述含铁矿石的至少一部分以形成具有溶解的第一fe3+离子的酸性铁盐溶液；

74、向所述第一阴极室提供具有第一fe3+离子的至少一部分的酸性铁盐溶液的至少一部分；

75、第一电化学还原所述第一阴极电解质中的所述第一fe3+离子以形成fe2+离子；

76、在所述溶解子系统中产生富铁溶液，所述富铁溶液具有形成的fe2+离子的至少一部分和所述一种或多种杂质的至少一部分；

77、处理所述富铁溶液的至少第一部分，以从所述富铁溶液中移除所述一种或多种杂质的至少一部分，从而形成具有所述形成的fe2+离子的至少一部分的经处理的富铁溶液；

78、其中所述处理步骤包括将所述富铁溶液的ph从初始ph升高至经调节的ph，从而沉淀所述经处理的富铁溶液中的所述一种或多种杂质的至少一部分；

79、将所述经处理的富铁溶液的至少第一部分递送至具有第二电化学电池的镀铁子系统；

80、在所述第二电化学电池的第二阴极处，将转移的形成的fe2+离子的至少第一部分第二电化学还原成fe金属；以及

81、从所述第二电化学电池中移除fe金属，从而生产铁。

82、还公开了一种用于生产铁的系统，所述系统包括：

83、溶解子系统，其具有第一溶解罐和第一电化学电池，所述第一电化学电池流体连接到所述第一溶解罐；

84、其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阴极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第二阳极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；以及

85、镀铁子系统，其流体连接到所述溶解子系统并具有第二电化学电池；以及

86、第一杂质移除子系统；

87、其中：

88、所述第一溶解罐接收具有一种或多种含铁矿石和一种或多种杂质的原料；

89、所述第一溶解罐包括酸性铁盐溶液，所述酸性铁盐溶液用于溶解所述一种或多种含铁矿石的至少一部分，以在所述酸性铁盐溶液中生成溶解的第一fe3+离子；

90、向所述第一阴极室提供具有所述第一fe3+离子的至少一部分的所述酸性铁盐溶液的至少一部分；

91、所述第一fe3+离子在所述第一阴极处电化学还原以在所述第一阴极电解质中形成fe2+离子；

92、在所述溶解子系统中形成富铁溶液，所述富铁溶液具有形成的fe2+离子的至少一部分和所述一种或多种杂质的至少一部分；

93、向所述第一杂质移除子系统提供所述富铁溶液的至少一部分，以从所述富铁溶液中移除所述一种或多种杂质的至少一部分，从而形成具有所述形成的fe2+离子的至少一部分的经处理的富铁溶液；

94、其中在所述第一杂质移除子系统中，将所述富铁溶液的ph从初始ph升高至经调节的ph，以沉淀所述一种或多种杂质的移除部分；

95、将所述经处理的富铁溶液的至少第一部分从所述第一杂质移除子系统递送至所述镀铁子系统；

96、所述第二电化学电池包括第二阴极，所述第二阴极用于将转移的递送的fe2+离子的至少一部分还原成fe金属；以及

97、从所述第二电化学电池中移除fe金属。

98、还公开了一种用于生产铁的方法，所述方法包括：

99、在第一溶解罐中，使第一含铁矿石与酸接触以溶解所述第一含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的第一fe3+离子的酸性铁盐溶液；

100、使所述酸性铁盐溶液的至少一部分在所述第一溶解罐和第一电化学电池的第一阴极室之间循环，从而向所述第一阴极室的第一阴极电解质提供所述第一fe3+离子的至少一部分；

101、其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；

102、在所述第一阴极处第一电化学还原所述第一fe3+离子的至少一部分，以在所述第一阴极电解质中形成fe2+离子；

103、在所述第一电化学电池中电化学生成质子；

104、其中所述循环步骤包括向所述酸性铁盐溶液提供电化学生成的质子的至少一部分和来自所述第一阴极电解质的形成的fe2+离子的至少一部分；

105、在溶解子系统中产生具有所述形成的fe2+离子的第一富铁溶液，所述溶解子系统包括第一溶解罐和第一电化学电池；

106、将所述第一富铁溶液的至少一部分转移到镀铁子系统，所述镀铁子系统包括第二电化学电池；

107、在所述第二电化学电池的第二阴极处，将所述形成的fe2+离子的第一部分第二电化学还原成fe金属；

108、其中所述第二电化学电池包括在第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室、在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第二隔件；以及

109、从所述第二电化学电池中移除fe金属，从而生产铁。

110、另外公开了一种用于生产铁的系统，所述系统包括：

111、溶解子系统，其用于产生富铁溶液，其中所述溶解子系统包括第一溶解罐、第一电化学电池和第一循环子系统；其中：

112、在所述第一溶解罐中，使含铁矿石与酸接触以溶解所述含铁矿石的至少一部分，从而形成具有溶解的fe3+离子的酸性铁盐溶液；

113、所述第一循环子系统在所述第一溶解罐和所述第一电化学电池的第一阴极室之间循环所述酸性铁盐溶液的至少一部分，从而向所述第一阴极室的第一阴极电解质提供第一fe3+离子的至少一部分；

114、其中所述第一电化学电池包括在第一阳极存在下具有第一阳极电解质的第一阳极室、在第一阴极存在下具有第一阴极电解质的第一阴极室、和将所述第一阳极电解质与所述第一阴极电解质分开的第一隔件；

115、所述第一电化学电池在所述第一阴极处电化学还原所述第一fe3+

116、离子的至少一部分以在所述第一阴极电解质中形成fe2+离子；

117、所述第一电化学电池电化学生成质子并将电化学生成的质子提供给所述阴极电解质；其中所述第一循环系统将来自所述第一阴极电解质的所述电化学生成的质子提供给所述酸性铁盐溶液；以及

118、在所述第一子系统中产生的所述富铁溶液包含形成的fe2+离子；

119、过渡子系统，包括第一子系统间流体连接件，所述第一子系统间流体连接件用于将所述富铁溶液的至少一部分转移到镀铁子系统；

120、所述镀铁子系统包括第二电化学电池；

121、其中所述第二电化学电池包括在所述第二阴极存在下具有第二阴极电解质的第二阴极室、在第二阳极存在下具有第二阳极电解质的第二阳极室、和在第二阴极存在下将所述第一阳极电解质与具有第二阴极电解质的所述第一阴极电解质分开的第二隔件；

122、其中将转移的形成的fe2+离子的至少第一部分在所述第二阴极处电化学还原成fe金属；以及

123、铁移除子系统，用于从所述第二电化学电池中移除fe金属，从而生产铁。