[发明专利]一种铁矿石原矿煤基氢冶金工艺

说明书

本发明公开了一种铁矿石原矿煤基氢冶金工艺，将粒度15mm以下铁矿石分为细粒和粗粒两个粒级范围，粗粒铁矿石和细粒铁矿石制成的球团与1～15mm残炭从回转窑入料端加入，将8～15mm粒状高挥发份煤和3～8mm粒状高挥发份煤喷吹到回转窑氢冶金焙烧区前段和中段，在氢冶金区内由铁矿石、粒煤及呆滞炭混合构成的热态料层内，会发生以铁矿石中的氧元素、粒煤中的氢元素、呆滞炭中的碳元素联合主导的以煤热解过程、水气化碳过程、铁矿石还原过程在热态下高度集成的氢冶金过程。本发明以H₂做铁矿石氢冶金的主还原剂，降低了回转窑的焙烧温度、缩短了焙烧时间、降低了系统能耗。

技术领域

本发明属于金属冶炼技术领域，具体涉及一种铁矿石原矿煤基氢冶金工艺。

背景技术

传统的高炉炼铁是依靠冶金焦炭为还原剂及燃料的冶炼技术，其工艺过程是典型的碳冶金过程。全世界高炉炼铁的年产能非常大，还有进一步发展的趋势，需要提供大量高质量的冶金焦炭，高质量的冶金焦炭是靠昂贵的粘结性炼焦煤炼制而成的，全世界炼焦煤只占总煤炭储量的8～10%，高炉炼铁规模的逐渐扩大，将使炼焦煤越来越稀缺。

碳冶金过程中，冶金焦炭中的C元素在高温下被CO₂气化产生CO，CO做还原剂脱除铁矿石中铁氧化物的氧。这是一个以CO₂做气化剂的碳气化反应（CO₂+C→2CO -165.8KJ/mol）为核心、将C气化成CO还原铁氧化物的系列冶金反应过程，这是一个强吸热过程。同时，由于CO的分子半径大，在铁矿石内部的渗透速度较慢，因此，铁氧化物在还原过程中需要较高的温度条件，热量消耗较大。

氢冶金过程中，用H₂作还原剂，H₂的分子半径小，是一种最活泼的还原剂，其还原潜能是CO的11倍、渗透速度约是CO的5倍，能够很容易渗透到铁矿石内部。因此，与碳冶金比较，氢冶金可降低反应温度，提高反应速度，热量消耗大大降低，具有极大的产能优势和节能减排优势。

实现氢冶金过程的关键，是如何得到廉价的H₂。有人将含有大量H₂的焦炉煤气回用到高炉中，也有人将焦炉煤气中的H₂及其中的CH₄重整成H₂和CO一并用于气基还原竖炉，还有人提出核能制氢与氢能冶金的方案，但这些H₂还原铁矿石方法，都需事先制造出H₂，然后再将H₂用于铁矿石的还原，生产工艺过程复杂、能耗和成本较高，没有得到产业化应用。

事实上，通过煤的充分热解过程与铁氧化物还原过程的热态交集，就可以得到足够的H₂，从而实现氢冶金过程。

在传统的“铁烧焦”炼铁工艺中，焦炉产出的焦炭作为高炉的还原剂及燃料。由于焦炉的传热特点，在焦炉的炭化室里发生的煤热解是不充分的，产出了焦油、苯、萘、烷、烯、烃等煤化工产品，在焦炉煤气中H₂含量只有60%左右，这些H₂与高炉还原铁矿石的过程没有任何交集。

煤的热解是指将煤在隔绝空气或惰性气氛的条件下加热，发生一系列物理变化和化学反应的复杂过程。煤炭的主体结构是三维高分子化合物，由结构相类似的结构单元之间通过共价桥键和非化学键联结在一起所构成的，这些结构单元的核心是缩合的芳环结构。在煤的大分子结构内部还分布着一定比例的小分子化合物，这个特征在低阶煤中更为明显。煤的热解是由于煤中弱键结构的受热断裂，生成小分子自由基碎片。当煤受热温度高于煤中弱键结构断裂的温度时，煤的大分子结构中弱键就会断裂形成小分子自由基碎片，并形成挥发份。挥发份在离开煤粒后，受周围高温环境的影响，挥发份中各物质之间会进一步发生缩聚、裂解等二次及多次反应。在900～1000℃温度范围内，煤的热解会很充分，最终的气体产物将以H₂为主。