[发明专利]一种铁矿粉零碳流态化还原的方法

说明书

本发明属于化工、冶金领域，公开了一种铁矿粉零碳流态化还原的方法。本方法通过将铁矿粉流态化还原与固体氧化物电解池制氢耦合，电解产生的高温氢气用作还原剂和燃料，同时还原产生的高温水蒸汽循环用于固体氧化物电解池制氢，增强电解系统与还原系统的工艺匹配性，提升过程能效；通过还原尾气与高温水蒸汽电解副产的热氧气燃烧预热铁矿粉，同时通入部分热氢气燃烧补热，提高气体利用率和系统能量利用率；通过高温储热技术稳定氢气水蒸汽混合气温度，提高固体氧化物电解池使用寿命。本方法工艺可行性强，环境友好，资源利用率、能量利用率和反应效率高，具有良好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于化工、冶金领域，特别涉及一种铁矿粉零碳流态化还原的方法。

背景技术

作为一种典型的气基还原反应器，与竖炉相比，流化床省去了球团矿制备环节，可以直接处理粉矿，具有气固相间传质传热速率快、还原效率高等优点，是一种很有发展前途的铁矿冶炼技术。现有比较典型的流态化直接还原炼铁工艺有FIOR/FINMET工艺、Circored工艺和Circofer工艺等。

在FIOR/FINMET工艺中(US5082251，US5833734)，粒度小于12.7mm的铁矿粉依次经过4个串联的流化床反应器，与流化还原气逆向流动。一级流化床反应器的温度约为550℃，向下逐渐升高，四级流化床反应器的温度约为800℃，压力为1.1-1.4MPa。四级流化床出口产品的金属化率达93％，含C约0.5-3％。还原铁粉送至热压机，热压成块，密度大于5g/cm³，较为致密，可减少产品氧化。所用流化还原气由天然气水蒸汽重整后得到的新鲜气和循环气组成，进入四级反应器前需加热至850℃。在Circored工艺中，还原系统由一级循环流化床(CFB)和二级鼓泡流化床(FB)组成(US5527379)。生产能力为50万吨/年的工厂所用CFB反应器外径为5.2m，高为29.6m，外循环旋风器外径为5.5m，FB反应器外径为7.0m，总长为17.5m，内部有四个料室。流化还原气为纯H₂。一级快速流化床的还原温度为630-650℃，二级鼓泡流化床的还原温度约为680℃，压力为0.4MPa。所得还原铁粉可以热压成块或者直接用于粉末冶金。Circofer工艺与Circored工艺相似，采用两级还原：一级快速流化床和二级鼓泡流化床。不同的是Circofer工艺以煤为主要能源，煤在快速流化床外的热发生器内部分氧化，不仅可以供给热量和流化还原气，还会产生碳粉，能够起到防止粘结的作用，从而使铁矿粉能够在较高的温度进行还原，实现高效生产(US5603748)。一级快速流化床的还原温度为950℃，出口产物的金属化率达80％，二级鼓泡床的还原温度为850℃，出口产物的金属化率达93％以上。

此外，许多中国专利也提出了流态化直接还原炼铁工艺，如CN103667571B、CN103725819B、CN106319126B、CN106467930B等。然而现有流态化炼铁工艺均直接或间接依赖于化石燃料，如煤或天然气燃烧提供热量、煤气化或天然气重整提供还原性气体(H₂、CO)等，化石燃料的参与必然会导致流态化炼铁排放大量CO₂，加剧温室效应。为此，冶金学者开始探索利用清洁能源炼铁。1999年北京第125次香山科学会议上，徐匡迪院士首次提出了铁矿氢还原工艺设想，2002年中国国家自然科学基金委在上海大学举办的冶金战略论坛上，徐匡迪院士再次提出了氢冶金的技术思想。氢能是世界上最干净的能源，具有燃烧热值高和来源丰富等优点，除化石燃料外，氢气可以由水电解大规模制备。氢气在炼铁工业中用作燃料的燃烧产物和还原剂的还原产物只有水，是未来炼铁工业可持续发展的重要方向。