一种含铁赤泥煤基直接还原工艺及系统的制作方法
本发明属于冶金和矿物工程技术领域，涉及一种含铁赤泥煤基直接还原工艺及系统。
背景技术：
赤泥是以铝土矿为原料，在制取氧化铝或氢氧化铝后所产生的强碱性固体废物。中国赤泥利用率仅为4%，大多以堆场堆放或筑坝湿法堆存的方式保存，不仅占用大量土地，造成严重环境污染，而且赤泥中含有的大量有价元素没有得到回收利用。合理处理和高效利用赤泥，不仅符合环保要求，而且有助于人类社会的可持续发展。
赤泥中富含铁、铝、钛等有价金属，铁以fe2o3形式存在，颗粒很细，含水量较高。据测算，工业中每生产1t氧化铝，可附带产出1～2t赤泥。以拜耳法赤泥为例，其产生赤泥的化学组成为tfe：25～35%、fe2o3：40～50%、sio2：15～20%、al2o3：21～25%、cao：2～10%、tio2：2～5%。因此，赤泥具有很大的经济利用价值。
为实现赤泥的高效利用以及有价元素的提取，国内外进行了大量的研究工作，目前从赤泥中提取有价金属的主要方法有：（1）利用湿法工艺从赤泥中提取铝、铁、稀土、钪等有价元素。将赤泥与适量的浓硫酸混合、熟化后，与还原剂在一定温度下进行快速还原焙烧，焙烧产生的含so2烟气通过制酸工艺实现硫酸再生循环利用；焙烧的还原焙砂采用水浸法进行冶金富集、分离和提纯，可得到氧化钪产品和稀土富集物料；对水浸渣进行磁选，可得到铁精矿和磁选尾矿，磁选尾矿再经碱浸可制备氧化铝。（2）利用火法工艺从赤泥中选取铁。将赤泥、还原剂、添加剂均匀混合后制成10-30mm赤泥团块，配料组成中添加剂质量百分比为3-10%，通过合理配入赤泥与还原剂，使赤泥团块中碳与铁氧化物摩尔比为c/o=1.2-1.5；所述还原剂为煤粉、焦粉、焦化除尘灰中的一种；所述添加剂为铁酸钙粉；其工艺过程为：将赤泥团块提前加入到渣罐的空罐中，然后在出渣时将高温熔渣注入，反应10-30min后，采用熔渣处理工艺进行后处理，最后对冷却渣进行磁选处理，实现渣铁分离，可得到品位较高的铁粉。（3）对赤泥综合回收有用金属的方法。将赤泥与增碱剂和还原剂经配料、还原焙烧后浸出铝，渣相经磁选分离后回收铁，再采用酸溶液浸出钪，钪浸出液通过由苦杏仁酸和硼酸组成的复合沉钪剂进行沉淀钪，可得到含钪产品。（4）对赤泥采用磁化焙烧-磁选进行利用。将赤泥烘干、破碎、磨细至粒度0.25mm以下，赤泥与一定量的碱木质素还原剂均匀混合，将赤泥与碱木质素还原剂的混合物料加入到微波反应装置中，进行微波磁化焙烧，可得到焙砂。将得到的焙砂自然冷却后进行磨细，得到的磨矿浆液加入到磁选机进行磁选，可得到铁精矿。
从以上赤泥利用方法可以看出，现有赤泥处理工艺主要集中在焙烧和湿法浸出两种方法上。湿法浸出工艺存在着处理量小、所得铁精矿的铁品位低、产品质量低、生产成本高的问题；在焙烧工艺中，由于赤泥的铁品位较低，较细的铁氧化物颗粒之间夹杂着大量脉石颗粒，致使还原出来的细小金属颗粒很难结晶连片。当还原后的物料采用磨选工艺提铁时，需要将物料磨细到很小的粒度，才能实现铁与脉石矿物的分离，而较细的磨矿粒度又给磁选工艺带来较大困难。此外，在赤泥的煤基直接还原中，以碳为还原剂进行赤泥还原时，由于煤中碳气化温度点在850℃以上，造成赤泥的还原温度较高，并达到了铁橄榄石的软熔温度，使赤泥在还原过程中表面容易产生液相，从而使赤泥中铁氧化物的还原反应很难持续进行下去，造成还原物料的金属化率较低、磨选产品的铁品位低及金属回收率低。
碳冶金是钢铁工业传统发展方式的典型工艺，还原剂是碳，最终产物是二氧化碳。氢冶金还原剂为氢气，最终产物是水，二氧化碳是零排放。传统的直接还原工艺主要是利用co作还原剂，去除铁矿石中的氧。co的分子大，难以渗透到铁矿石内部。h2的分子量最小，分子直径最小，能够很容易渗透到铁矿石内部，在矿石中h2的渗透速度是co的5倍，h2的还原潜能是co的11倍，还原潜能是一氧化碳的11倍。因此，与co的还原潜能相比，氢冶金比碳冶金还原效率成倍增长。
所谓氢冶金就是在铁矿石冶炼过程中主要使用h2作还原剂。h2是最活泼的还原剂，在铁氧化物的气-固还原反应过程中用h2作还原剂时，其主要产物是金属铁和水蒸气，还原后的尾气对环境没有影响。因此，大力开发氢冶金，可以大大提高铁矿石还原效率，减少冶炼过程中碳还原剂的消耗。
能够规模经济地供给h2是氢冶金工艺发展的前提和基础。目前，大规模制氢的方法有4种：煤气化制氢，天然气裂解制氢，石油气化和裂化制氢，水电解制氢。另外，焦炉煤气也是廉价大量制取氢气的选择气体。可以看出，这些铁矿石氢冶金技术中，都需事先制造出h2，然后再将h2经储存和输送后，再通入到高温铁矿石中进行还原，其产品生产成本较高。由于产品生产成本的限制，以上的各种氢冶金工艺都只是停留在试验室试验和机理研究基础上，没有产业化方面的应用示例。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明目的是提供一种含铁赤泥煤基直接还原工艺及系统，解决赤泥直接还原过程中存在的还原温度高、还原时间长、还原物料金属化率低、磨选产品铁品位低及金属回收率低的问题，安全经济地制造出h2，并将h2用于赤泥的直接还原之中。
本发明充分利用煤热解过程产出的h2和水的碳气化反应产出的h2，将煤的热解过程与含铁赤泥的还原过程结合起来，通过在含铁赤泥中配入一定比例的高挥发份煤，可使煤在热解过程中产出h2，h2还原铁氧化物后产生h2o，h2o与高温碳发生碳气化反应又生成h2，形成一个耦合反应，从而实现h2对含铁赤泥的快速、高效还原。
本发明生产工艺包括以下步骤：
（1）原料烘干：赤泥、高挥发分煤经自然凉晒后进行烘干脱水，控制赤泥和高挥发分煤外在水份含量低于3%；
（2）干磨制粉：将高挥发分煤磨细至-200目占80%以上，赤泥磨细至-200目占90%以上；
（3）含碳球团制备：将赤泥、高挥发分煤、粘结剂、金属聚集剂按质量比为1：0.25~0.35：0.01~0.03：0.01~0.03进行配料、混匀后，加水造球，得到粒径20~25mm的含碳球团；
（4）氢冶金焙烧：含碳球团干燥后输送至转底炉直接还原焙烧，通过高挥发分煤充分热解产生的h2和以h2o做气化剂的碳气化反应产生的h2对赤泥进行还原，控制炉膛温度为1250~1280℃、焙烧时间为30~35min；
（5）冷却：将步骤（4）得到的900~1000℃的高温金属化球团经过无氧冷却装置降温后，可得到常温金属化球团；所述高温金属化球团金属化率93~96%，碳含量为0~1%，冷态强度1800n以上；
（6）干磨干选：将常温金属化球团经干磨干选，得到铁品位88%以上、金属化率90%以上、金属回收率92%以上的铁粉和al2o3含量为45~50%高铝尾矿。。
步骤（1）中，所述赤泥成分为：tfe：25~35%，fe2o3：40~50%，na2o：2~5%，al2o3：21~25%，sio2：15~20%，cao：2~10%、h2o：5~10%。
步骤（1）中，所述高挥发分煤为褐煤或泥煤。
步骤（1）中，所述高挥发分煤中挥发分含量为45~50%（其中氢含量4~5%）、固定碳含量为43~48%。
步骤（1）中，所述赤泥、高挥发分煤利用赤泥干燥机、煤干燥机烘干脱水，所述赤泥干燥机、煤干燥机热源来自蓄热式换热器出口烟气，干燥后排出的烟气经除尘系统净化后，由抽烟机加压排放。
步骤（3）中，所述粘结剂为膨润土；所述金属聚集剂为高品位铁精矿，所述高品位铁精矿的铁品位为62%以上、sio2含量6~8%，赤泥铁品位低、颗粒极细，还原后的金属化球团中金属颗粒难以长大，造成金属化球团磨选过程中金属的回收率低、铁品位低；为使含碳球团在还原后金属颗粒长大，在含碳球团内部添加金属聚焦剂。
步骤（5）中，所述含碳球团干燥是经链篦机干燥，具体采用从蓄热式换热器排出的温度为300~400℃的烟气作为热源进行干燥，物料干燥后排出的150~180℃烟气经除尘系统净化后，由抽烟机加压排放。
步骤（5）中，所述含碳球团经链篦机干燥后输送至转底炉，由布料器均匀将其铺设到转底炉的炉底上，铺设厚度控制为60~70mm。
步骤（5）中，所述转底炉排出900~1000℃的烟气进入到蓄热式换热器中，置换出850~900℃的高温热风，含碳球团还原过程中产生的高温可燃气体与从蓄热式换热器产出的高温热风进行混合后燃烧，产生的热量可供转底炉的热需求。
步骤（6）中，所述铁粉经铁粉冷压装置后可产出铁粉产品；所述高铝尾矿再经强碱浸出装置，可生产出氧化铝产品，同时抛除尾矿。
一种含铁赤泥煤基直接还原系统，包括依次连接的混料机、造球机、链篦机、氢冶金转底炉、无氧冷却装置、干式磨矿机和干式磁选机；所述混料机还连接有干式磨矿机和干式磨煤机，所述干式磨矿机和干式磨煤机分别与赤泥干燥机和煤干燥机连接；所述氢冶金转底炉还连接有为氢冶金转底炉提供高温热风的蓄热式换热器，所述蓄热式换热器连接有鼓风机，所述蓄热式换热器与链篦机、赤泥干燥机、煤干燥机连接，利用蓄热式换热器的出口烟气作为热源对物料进行干燥，所述链篦机、赤泥干燥机、煤干燥机连接除尘系统，所述除尘系统连接抽烟机，物料干燥后排出烟气经除尘系统净化后，由抽烟机加压排放；所述干式磁选机连接有铁粉冷压装置、强碱浸出装置，铁粉经过铁粉冷压装置得到铁粉产品，高铝尾矿经过强碱浸出装置后得到氧化铝产品。
本发明赤泥氢冶金工艺还原原理如下：
本发明通过在赤泥中配入比例较高的高挥发分煤、粘结剂和金属聚集剂，并将其制成粒径20~25mm的含碳球团，球团在氢冶金转底炉内加热升温过程中，通过煤充分热解产生的h2和以h2o做气化剂通过碳气化反应产生的h2对赤泥进行还原，实现了煤的充分热解过程与赤泥冶金还原过程在热态下的高度集成。
含碳球团在氢冶金转底炉内加热升温过程中，其表层优先被加热升温，球团表层温度升高到350~400℃时，表层还原煤中的焦油、苯、萘及烷、烯、烃、h2等挥发分开始析出，直接进入炉膛高温燃烧空间进行充分热解并作为燃料燃烬。当球团表层温度升高至900℃左右时，表层的铁氧化物达到还原温度，球团芯部的煤也由浅层到深层逐渐开始热解，热解产生的焦油、苯、萘及烷、烯、烃等在经过球团表层或浅层的高温料层时会发生充分热解，最终生成活性颗粒碳和h2，活性颗粒碳会沉积在球团表层及浅层，而h2会与达到还原温度的铁氧化物进行还原反应。
含碳球团在氢冶金转底炉内的煤热解氢还原过程：在褐煤等高挥发分煤中，氢元素含量一般为4~5%，通过煤的充分热解获得的h2中能有70%左右用于赤泥还原，这部分h2可将球团中铁氧化物的氧元素脱掉40%左右，这一过程称为“煤热解氢还原过程”。
含碳球团在氢冶金转底炉内的碳气化氢还原过程：煤热解产生的h2还原铁氧化物产生了h2o，h2o又与新生成的活性颗粒碳或呆滞碳进行碳气化反应（h2o+c→h2+co）生成h2和co，h2再作为还原剂还原铁氧化物，再生成的h2o又会气化碳生成新的h2和co......，产生剧烈的耦合效应。由于化学反应的选择性，这个过程所生成的co只有少部分参加还原铁氧化物的反应，大部分将排出料层进入炉膛作为燃料使用，通过这一过程可以将球团中铁氧化物的氧元素再脱掉50%左右，这一过程称为“碳气化氢还原过程”。
含碳球团在氢冶金转底炉内的碳还原过程：只有当球团中还原煤挥发分析出达到一定程度后，球团中的铁氧化物才会与煤热解产生的呆滞碳进行以co2为气化剂的碳气化反应（co2+c→2co）为核心的系列冶金还原反应，这一过程对球团中铁氧化物的还原率仅在10%左右，这一过程称为“碳还原过程”。
本发明赤泥还原建立在氢冶金基础上，氢冶金转底炉的工艺耗能量即用于还原铁氧化物及物料物理升温的有效热大幅降低，意味着在同样传热量的前提下，产能会大幅提升。更重要的是，氢冶金的反应温度点低，铁氧化物在更低的温度下被还原，有活性颗粒碳参加时温度会更低；由于传热量取决于炉膛温度与物料温度的差异，因此同样的炉膛温度下，会传入料层更多的热量，提高对热量的使用效率。
本发明实现了煤的充分热解过程与赤泥冶金还原过程在热态高度集成，整个制铁工艺过程仅采用褐煤等高挥发分煤，不再需要焦煤。铁氧化物的还原从传统的以冶金焦炭为主的碳冶金过程转变为以“h2+活性颗粒碳”为主的氢冶金过程，达到制铁工艺本质节能与本质减排的目的。
本发明的有益效果：
1、本发明对赤泥采用转底炉低温氢冶金技术，可使赤泥中fe2o3直接被h2还原的温度范围降低到900~1000℃，此温度下赤泥在还原中不会产生fe2sio4液相，可使赤泥中铁氧化物在固态下直接高效还原成金属铁。
2、该工艺的核心设备是转底炉，相比于回转窑工艺，当回转窑内温度过高时回转窑容易结圈，回转窑结圈后影响正常生产及产品指标，转底炉不存在炉内结圈问题，只要炉温控制在物料的软熔点温度以下，就可保证转底炉正常生产，本发明针对含铁赤泥的还原过程是一个强吸热的反应，为提高炉内火焰向物料的传热温差，从而提高转底炉的产能和高挥发分煤质量，选择了最佳的炉内温度1250~1280℃，既不存在炉内结圈问题，又提高了还原速度。
3、利用高挥发分煤作为还原物质，赤泥含碳球团中高挥发分煤充分热解后会产生大量h2，h2还原铁氧化物后生成气态h2o，h2o气化碳又产生新的h2和co，h2再还原铁氧化物；由于化学反应的选择性，在整个赤泥还原过程中以h2还原为主，h2容易获取且即产即用，实现了煤充分热解与铁氧化物还原过程的热态交集。
4、含铁赤泥在转底炉内的高温下还原速度快，在赤泥还原过程中，氢冶金的反应温度点低，同样的炉膛温度下，会传入料层更多的热量，从而使球团的还原速度加快，工艺耗能量较低；在同样传热量前提下，单炉产能会大幅提升，
5、本发明对赤泥采用转底炉氢冶金工艺，转底炉本身是封闭系统，炉内微负压操作，生产过程中基本上无污染排放，最终的固体产物和经过净化的烟气均符合环保要求，而且烟气余热得到充分利用。此外，还原剂使用高挥发分煤，其固定碳含量低，氢元素含量高，冶金还原过程以h2还原为主，排放的烟气中co2含量与传统“铁烧焦”工艺相比大幅降低，实现了本质减排。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对发明作进一步详细阐述。
如图1所示，含铁赤泥煤基直接还原系统包括依次连接的混料机、造球机、链篦机、氢冶金转底炉、无氧冷却装置、干式磨矿机和干式磁选机；所述混料机还连接有干式磨矿机和干式磨煤机，所述干式磨矿机和干式磨煤机分别与赤泥干燥机和煤干燥机连接；所述氢冶金转底炉还连接有为氢冶金转底炉提供高温热风的蓄热式换热器，所述蓄热式换热器连接有鼓风机，所述蓄热式换热器与链篦机、赤泥干燥机、煤干燥机连接，利用蓄热式换热器的出口烟气作为热源对物料进行干燥，所述链篦机、赤泥干燥机、煤干燥机连接除尘系统，所述除尘系统连接抽烟机，物料干燥后排出烟气经除尘系统净化后，由抽烟机加压排放；所述干式磁选机连接有铁粉冷压装置、强碱浸出装置，铁粉经过铁粉冷压装置得到铁粉产品，高铝尾矿经过强碱浸出装置后得到氧化铝产品。
利用上述系统对含铁赤泥煤基直接还原的具体工艺过程如下：
（1）原料选用：赤泥采用tfe为25~35%、fe2o3为40~50%、na2o为2~5%、al2o3为21~25%、sio2为15~20%、cao为2~10%、h2o为5~10%的物料；燃料及还原剂采用挥发分含量45~50%（其中氢含量4~5%）、固定碳含量43~48%的褐煤；
（2）原料烘干：赤泥、褐煤经过自然凉晒后进行通过赤泥干燥机和煤干燥机烘干脱水，控制赤泥和褐煤外在水份含量低于3%，赤泥干燥机、煤干燥机热源来自蓄热式换热器出口烟气，干燥后排出的烟气经除尘系统净化后，由抽烟机加压排放；
（3）干磨制粉：采用干式磨煤机、干式磨矿机分别将褐煤磨细至-200目（即200目以下）占80%以上、赤泥磨细至-200目占90%以上；
（4）含碳球团制备：将赤泥、褐煤、膨润土、高品位铁精矿（铁品位为62%以上、sio2含量6~8%）按比例1:0.3:0.02:0.02进行配料、混料机混匀后，采用圆盘造球机加水造球，得到粒度20~25mm的湿球；
（5）湿球干燥：将湿球铺设到链篦机料床上，采用从蓄热式换热器排出的温度为300~400℃的烟气作为热源进行干燥，物料干燥后排出的150~180℃烟气经除尘系统净化后，由抽烟机加压排放；
（6）转底炉布料：干燥后的球团输送至转底炉入料端，由布料器均匀将其铺设到转底炉的炉底上，铺设厚度控制为60~70mm；
（7）氢冶金焙烧：球团在转底炉内加热升温过程中，通过煤充分热解产生的h2和以h2o做气化剂的碳气化反应产生的h2对赤泥进行还原，实现煤的充分热解过程与赤泥冶金还原过程在热态下的高度集成，控制炉膛温度1250~1280℃、焙烧时间30~35min，可使赤泥得到充分还原；
（8）自热平衡：转底炉排出900~1000℃的烟气进入到蓄热式换热器中，置换出850~900℃的高温热风，含碳球团在转底炉内还原过程中，从球团料层内溢出的高温可燃气体进入到炉膛空间，与从蓄热式换热器产出的高温热风进行混合后燃烧，产生的热量可供转底炉的热需求；
（9）卸料：当球团到达转底炉出料区时，通过螺旋出料装置连续排出，获得900~1000℃高温金属化球团，其金属化率95%，碳含量为0.5%，冷态强度1800n；
（11）冷却：高温金属化球团经过无氧冷却装置降温后，可得到常温金属化球团；
（12）干磨干选：金属化球团在干式磨矿机和干式磁选机中进行干磨干选，可生产出铁品位90%、金属化率95%、金属回收率95%的铁粉和al2o3含量为50%的高铝尾矿，铁粉经铁粉冷压装置后可产出铁粉产品，高铝尾矿再经强碱浸出装置，可生产出氧化铝产品，同时抛除尾矿。