一种铁矿粉零碳流态化还原的方法技术

本发明专利技术属于化工、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。益。益。

【技术实现步骤摘要】
一种铁矿粉零碳流态化还原的方法


[0001]本专利技术属于化工、冶金领域，特别涉及一种铁矿粉零碳流态化还原的方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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
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1.4MPa。四级流化床出口产品的金属化率达93％，含C约0.5
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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
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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。
[0004]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。
[0005]电解水制氢是一种成熟的工业制造氢气的技术，通过电能供给能量，使得电解槽内水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。水分解反应主要包括：阴极析氢(hydrogen evolution reaction，HER)和阳极析氧(oxygen evolution reaction，OER)两
个半反应。目前，根据电解质的不同，电解水制氢技术可分为三类，分别是碱性电解水制氢(alkaline water electrolysis，AWE)、质子交换膜电解水制氢(proton exchange membranes，PEM)、固体氧化物电解水制氢(solid oxide electrolytic cells，SOEC)。其中，碱性电解水技术最为成熟，广泛应用于储能、冶金、制药和食品等行业。碱性电解水制氢系统结构较为简单，无需使用贵金属催化剂，具有技术安全可靠、制造成本低、操作简单、运行寿命长等优点，然而碱性电解水技术存在电解效率低、能耗高等问题。此外，碱性电解水技术在室温下工作，与高温气基直接还原炼铁的工艺匹配性较差，室温碱性电解水
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高温还原炼铁系统热损耗较高，过程能效较低。质子交换膜技术具有反应无污染、装置结构紧凑、转化效率高等优点，但其质子交换膜和铂电极催化成本较高，导致其尚未实现大规模应用。固体氧化物技术固体氧化物电解技术具有高效、简单、灵活和环境友好等优势，因其工作温度高达600
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1000℃，高温操作降低了水的理论分解电压，即有效降低了反应过电势，降低了能耗，使其电解制氢效率接近100％，然而高温操作尤其是温度波动，对固体氧化物电解池材料(包括电解质、阴极和阳极)的热稳定性、化学稳定性和耐久性影响较大，制约了其发展应用。
[0006]综上所述，通过工艺和技术创新，在不使用化石燃料和不引入含碳物质的前提下，电解水高效制氢，以氢为还原剂和燃料进行流态化直接还原炼铁，增强制氢系统与还原系统的工艺匹配性，提升过程能效和稳定性，提高能量利用率，降低生产成本，是实现高能效零碳炼铁的重要途径。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种铁矿粉零碳流态化还原的方法。所述方法能够实现流态化直接还原炼铁过程的零碳排放，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。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种铁矿粉零碳流态化还原的方法，所述方法包括燃烧预热工序1、流态化还原工序2、净化除尘工序3、储热工序4、固体氧化物电解池电解工序5、氢气增压工序6、氧气增压工序7及冷却工序8，具体包括以下步骤：
[0010]1)在燃烧预热工序1中，来自净化除尘工序3的部分净化尾气与来自氢气增压工序6的部分热氢气、来自氧气增压工序7的热氧气及通入的补充空气燃烧，预热铁矿粉，得到热矿粉；
[0011]2)在流态化还原工序2中，热矿粉经来自氢气增压工序6的热氢气还原，得到热还原矿和含尘尾气；
[0012]3)在净化除尘工序3中，含尘尾气经净化除尘并补充水，得到净化尾气，部分净化尾气送燃烧预热工序1，其余净化尾气送储热工序4；
[0013]4)在固体氧化物电解池电解工序5中，来自储热工序4的温度稳定的氢气水蒸汽混合气在电能作用下经固体氧化物电解池电解，得到热氢气和热氧气，热氢气送氢气增压工序6，热氧气送氧气增压工序7；
[0014]5)在冷却工序8中，来自流态化还原工序2的热还原矿经冷却，得到直接还原铁。
[0015]所述铁矿粉为铁精矿，铁矿粉的粒径为0.1
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5mm。
[0016]所述流态化还原工序2中，还原温度为600
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900℃，还原时间为0.5
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁矿粉零碳流态化还原的方法，所述方法包括燃烧预热工序(1)、流态化还原工序(2)、净化除尘工序(3)、储热工序(4)、固体氧化物电解池电解工序(5)、氢气增压工序(6)、氧气增压工序(7)及冷却工序(8)，具体包括以下步骤：1)在燃烧预热工序(1)中，来自净化除尘工序(3)的部分净化尾气与来自氢气增压工序(6)的部分热氢气、来自氧气增压工序(7)的热氧气及通入的补充空气燃烧，预热0.1
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5mm的铁矿粉，得到热矿粉；2)在流态化还原工序(2)中，热矿粉经来自氢气增压工序(6)的热氢气在600
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900℃下还原，得到热还原矿和含尘尾气；3)在净化除尘工序(3)中，含尘尾气经净化除尘并补充水，得到净化尾气，部分净化尾气送燃烧预热工序(1)，其余净化尾气送储热工序(4)；4)在固体氧化物电解池电解工序(5)中，来自储热工序(4)的温度稳定的氢气水蒸汽混合气在电能作用下经固体氧化物电解池在600
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900℃下电解，得到热氢气和热氧气，热氢气送氢气增压工序(6)，热氧气送氧气增压工序(7)；5)在冷却工序(8)中，来自流态化还原工序(2)的热还原矿经冷却，得到直接还原铁。2.根据权利要求1所述的一种铁矿粉零碳流态化还原的方法，其特征在于，所述铁矿粉为铁精矿粉。3.根据权利要求1或2所述的一种铁矿粉零碳流态化还原的方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜占，朱庆山，范川林，潘锋，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：