[发明专利]一种利用铁氧化物两步法制备碳化铁的方法

说明书

本发明公开了一种利用铁氧化物两步法制备碳化铁的方法，包括以下步骤：(a)提供一种富氢气体，将所述富氢气体加热到900～950℃后通入反应器将铁氧化物还原20～40min，得到金属铁；(b)对步骤(a)中的富氢气体进行调质获得碳化气体，将所述碳化气体与步骤(a)中的金属铁在碳化温度为400～800℃下反应2～4h，最终制得碳化铁；(c)用惰性气体将步骤(b)中的碳化铁冷却至25～50℃，使得碳化铁表面钝化以减小碳化铁反应活性。本发明用富氢气体将含铁氧化物转化为铁，碳化铁生成率不小于92％。

技术领域

本发明涉及非高炉炼铁领域，尤其涉及一种利用铁氧化物两步法制备碳化铁的方法。

背景技术

钢铁生产中有两种流程模式：长流程(高炉炼铁－转炉炼钢)与短流程(废钢/直接还原铁－电炉炼钢)。以高炉－转炉为代表的长流程炼铁，由于焦炭资源的紧缺与环境污染问题，受到了发展的限制。为了解决这些问题，电炉炼钢可以省去了高炉与焦化炉，既节约了资源，又可减少对环境的污染。以电炉为代表的短流程炼铁将是未来钢铁发展的方向。近年来，电炉炼钢的快速增长导致世界范围内的废钢短缺，优质废钢的短缺已经成为制约电炉炼钢发展的瓶颈。20世纪70年代，美国学者Frank Stephens首次提出碳化铁的概念并成功应用于炼钢生产。碳化铁是一种洁净优质的炼钢原料，其成分稳定，有害杂质元素含量低，可以作为电炉炼钢的原料和转炉炼钢的冷却剂。

目前，制备碳化铁方法主要方法为费托合成(FTS)，将合成气催化转化为碳化铁。具体方案有：CO还原并碳化氧化铁、等离子气相化学沉积、分解Fe(CO)₅以及碳氢化合物与铁的反应等。生产用碳化气体为天然气、CH₄-H₂、CO-CO₂或CO-H₂的混合气体。

研究表明碳化温度和碳化气氛对生成的碳化铁与表面积碳程度有所影响。从热力学上说，温度越低、压力越大越有利于生成碳化铁。实际过程中，受动力学影响，随着温度的升高，呈抛物线式增长。气体中CO含量越高则越有利于生成碳化铁。

我国是焦碳生产大国，产量占全世界总产量的60％以上。在焦炭生产中作为副产品的焦炉煤气的成分包括质量分数为54～59％的H₂、24～28％的CH₄、5.5～7％的CO、1～3％的CO₂、3～5％的N₂、0.3～0.7％的O₂、0.2～0.5％的H₂S和2～3％的C_nH_m。经过回收化学产品和净化(脱煤焦油、脱硫、洗氨、脱苯、脱萘等)后的煤气称为焦炉净煤气。传统焦炉煤气的用途主要有：①钢铁厂用作燃料；②大量独立的炼焦厂因无法有效利用而放空(俗称点天灯)；③少数用于做甲醇等化工产品。如果将焦炉煤气中的甲烷进行变质重整，产生富氢多元还原气，将是一条解决中国碳化铁生产气源短缺的新路线。显然，焦炉煤气用于碳化铁生产比单纯用作燃料其附加值更高。焦炉煤气是不可能直接用来作为还原气的，煤气中的甲烷对氧化铁还原而言相对惰性，甲烷在高温和存在金属铁的条件下容易发生裂解结炭反应。这也就是以天然气为基的铁矿石直接还原过程都必须先要对天然气(甲烷含量高达90％以上)进行重整改质的理由。焦炉煤气改质方程如式(1)～(2)所示。焦炉煤气经过催化重整后可得到主要成分为H₂、CO、H₂O、CO₂、CH₄、N₂的混合气体，其中H₂与CO含量超过90％，可以用作铁精矿还原用气体。