【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于能源、冶金领域，特别涉及一种铁精矿电沉积低碳制铁的系统及方法。
技术介绍
1、2021年我国粗钢产量约10亿吨，排放co2约18亿吨，约占我国总排放的16％。我国钢铁行业主要以高炉-转炉等长流程方式为主(占比高达90％)，其中高炉炼铁是排放co2的主要工段，约占整个流程的70％。高炉炼铁以焦炭为还原剂，脱除铁矿石中的氧，得到铁水，排放大量的co2。钢铁工业亟需开发变革性的低碳炼铁技术。
2、目前开发的超低碳炼铁技术，主要是取代焦炭的技术路线。包括氢还原替代碳还原和电还原替代碳还原。
3、“氢还原”路线，即电解水制氢-氢气还原铁。专利cn112159880b公开了一种氢气炼铁的方法及装置，含铁矿石原料在氢气或富氢气体气氛下，采用微波照射实现含铁矿石的富氢或纯氢冶炼，可得到直接还原铁。解决了现有氢气炼铁中使用富氢气体还原铁氧化物依然造成大量二氧化碳排放的问题。专利申请cn102586527a公开了一种氢碳熔融还原炼铁新工艺，整个工艺所需要的热量由氧煤燃烧及还原性气体的二次燃烧来提供，该工艺与现有工艺相比co2排放量减少10％左右。专利申请 cn105886688a公开了一种绿色循环生产系统，在金属冶炼过程中，氢代替碳还原铁矿石成单质铁，过程中不产生co2，冶炼产生的水蒸气发电，电解水产生的h2循环利用。然而目前的工业化电解水制氢，主要是碱性水溶液体系，能量效率约在60％左右，而且生产氢气的效率较低。氢气还原铁的过程中，由于热力学平衡受限，单次转化率较低，需要多次循环，增加能量消耗。同时氢气还原铁
4、铁矿石在电化学的作用下，可以分解为金属铁，并释放氧气。为了实现这一过程，一般在三个典型的体系内完成，即高温熔盐/熔融氧化铁体系、碱性体系和酸性体系。高温熔盐/熔融氧化铁体系。专利申请cn114232033a公开了一种高温熔盐电还原制备高纯铁的方法，采用cacl2-fe2o3-cao熔盐体系，在一定电流密度以及850℃氩气惰性气氛下，通过熔盐电还原可得到纯度为99.94％高纯铁产品。专利 cn101906646b公开了一种熔盐电解铁矿石制取金属铁的方法，采用 fe2o3-al2o3-sio2熔盐体系，在一定电流密度以及电解温度(1580-1620℃)下，通过熔盐电还原得到金属铁。专利cn109477232b公开了一种熔融氧化物利用电解沉积法还原铁的制备方法，采用na2o2-b2o3-fe2o3熔盐体系，在一定电压(1.5v/2.5v) 以及电解温度(1000℃)下，通过熔盐电还原得到纯度为97％的金属铁。目前高温熔盐/熔融氧化铁体系，主要的难题是经济性惰性阳极材料的开发，适合的电解质体系，以及原料的提纯问题等。
5、碱性溶液电还原制铁技术路线。allanore a等人(doi:10.1149/1.2790285)经过试验证实了在氢氧化钠溶液(质量浓度50％，温度为110℃)中通过电解悬浮氧化铁颗粒的溶液(铁离子浓度2.6×10-3m)生成铁的可能性，但同时也提到在该体系下赤铁矿的溶解度很低导致还原效率极低的问题。专利cn101696510b公开了一种电解脱氧制备高纯铁粉方法与装置，其中涉及到一种从固态氧化铁中获得高纯铁的电化学方法。固态氧化铁是具有单一或混合fe2o3、fe3o4、feo组成的烧结体或矿石，阴阳两极分别位于电解槽两端，电解槽内设有离子导体膜和高温氢氧化物溶液(氢氧化钠或氢氧化钾，温度为700-800℃)，两极间设置一个预设电压驱动氧离子从阴极筐内氧化铁向阳极上扩散，在阴极上可获得高纯铁。但该专利中阳极必须为抗碱性、耐熔蚀性强、导电性好的固态材料，固态氧离子导体膜也需具备抗碱性、耐熔蚀的特点，因此其成本都较高。另外，为防止固态氧化铁中杂质在高温碱性溶液中溶解而对电解质性能产生不利影响，需要对氧化铁进行除杂预处理，而这一流程将导致经济及环境成本的大幅上升。
6、酸性溶液电还原制铁技术路线。研究人员针对酸性含铁溶液电还原制铁进行了大量的工作，主要目的是制备高纯度的金属铁和纯铁粉末。而在这一过程中，最常见的电解质溶液是氯化亚铁和硫酸亚铁。酸性fecl2溶液，专利申请cn107955952a 公开了一种利用铁渣生产高纯铁粉的方法，通过浸出(浸出液成分：氢氧化钠15-19 份、甲基丙烯磺酸钠5-9份、水260-300份)去除铁渣中的二氧化硅等一些无机成分，提升滤渣中铁粒的含量，加入体积分数为15％盐酸6-9份、硫酸镁10-14份、水 900-1000份的电解液进行电解，最后利用质量分数为18-22％的乙二胺四乙酸溶液进行铁粉表面的清洗得到高纯铁粉。该专利浸出和电解过程中消耗大量的氢氧化钠和盐酸，并且因杂质和浓度等因素的影响，这些浸出液和电解液无法循环使用，后续的处理较为困难。专利cn101517129b公开了一种从富铁金属氯化物溶液回收铁金属和氯气的电化学方法，阴极电解液ph为0.9-1.1，电还原温度为80-85℃，阴极电流密度为200-500a/m2，电流效率为96.4％-97.9％，电还原制备铁的纯度为99.99％。该专利对溶液中的杂质含量及ph的控制有较高的要求，需要将氯化铁溶液调节在相当低的ph值下，以防止在阴极表面ph值升高到大于其余杂质的沉淀ph值，造成共沉淀，然而也不能过低，防止副产物氢气的放出。
7、酸性feso4电解质溶液。专利申请cn113481540a公开了一种制备高纯铁的方法，采用可溶性阳极，电解液主要含feso4和少量的稳定剂，所用阴极电流密度为 100-230a/m2，电解液ph为1.00-4.00，电解液温度为20-100℃，电解制备铁的纯度为99.90％～99.99％，沉积厚度为20μm～3cm。该专利采用硫酸体系，可溶性阳极为工业纯铁、低碳钢等，因此电解质溶液纯度较高。而如电解质纯度降低则将导致较多副反应的发生、电流效率降低、杂质的污染等系列问题。专利cn102084034b公开了一种从富铁金属硫酸盐废料(钛铁矿硫酸盐法副产物)中回收金属铁或富铁合金、氧气和硫酸的电化学方法，电解液为富铁金属硫酸盐溶液，电解液ph为1.4-3.5，电解液温度为25-60℃，所用阴极电流密度为300-1000a/m2，电解制备铁的纯度可达 99.99％，电流效率为95％-98％。该专利中富铁金属硫酸盐溶液须进行预处理(如ph 调节)再进行电还原，同时该过程产生的酸性不溶性固体也不易处理。另外，e.mostad 等人(doi:10.1016/j.hydromet.2007.07.014)提到挪威的一家冶炼厂在1947至1957 年期间曾以黄铁矿(fes2)为原料，在中试车间对煅烧、硫酸浸出等流程产生的feso4溶液进行电还原半工业试验，最终得到了高纯度的金属铁。该工艺首次以铁矿石(黄铁矿)为原料，电还原生产金属铁，在1955-1957两年期间共生产1.5×105公斤高纯铁，电流效率达到85％，能量消耗为4.25kwh/kg铁。w.d.bad本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种铁精矿电沉积低碳制铁的系统，其特征在于，所述系统包括酸解净化工序(1)、电沉积制铁工序(2)和节能环保工序(3)；
2.一种基于权利要求1所述系统的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述铁精粉为赤铁矿或磁铁矿，其氧化铁品位不低于90％。
4.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述酸解过滤装置(1-1)中，采用加压酸解，反应温度100℃-200℃，压力0.1MPa-1.6MPa浓硫酸溶液的浓度不低于100g/L。
5.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述酸解过滤装置(1-1)中，酸解过程中产生的三价铁离子，在二氧化硫化学还原和所述价态控制装置(2-1)阴极还原的作用下，还原为二价铁离子，从而实现还原酸解，提高酸解效率，酸解率在98％以上。
6.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述酸解过滤装置(1-1)中，过滤采用板框压滤、带式过滤或离心过滤。
7.根
8.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述价态控制装置(2-1)中，隔膜材质为离子膜或多孔膜，其中多孔膜的渗流率为1％-30％，电流密度为50A/m2-1000A/m2，阳极为铅合金或钛基钌铱钽涂层电极，阴极为铁或钛材质，温度为20℃-100℃。
9.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述电沉积铁装置(2-2)中，隔膜材质为离子膜或多孔膜，其中多孔膜的渗流率为1％-30％，电流密度为100A/m2-2000A/m2，阳极为铅合金或钛基钌铱钽涂层电极，阴极为铁、铜、钛或不锈钢材质，反应温度为60℃-100℃，电流效率95％以上，阴极铁纯度99％以上，每吨铁的直流电耗低于3500kWh。
10.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述溶液贫化装置(2-3)中，隔膜材质为离子膜或多孔膜，其中多孔膜的渗流率为1％-30％，电流密度为10A/m2-500A/m2，阳极为铅合金或钛基钌铱钽涂层电极，阴极为铁、铜、钛或不锈钢材质，反应温度为60℃-100℃，电流效率85％以上，阴极铁纯度99％以上，每吨铁的直流电耗低于3550kWh；贫化后阴极液铁离子浓度低于1g/L。
11.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述太阳能炉(3-3)将太阳能转化为热能，加热介质，加热得到高温介质对高温脱硫提供热量；所述介质为硅元素、钠元素、氧元素、钙元素和铝元素中的一种元素或至少两种元素构成的熔盐；或介质为氮气、氩气或其混合气。
...【技术特征摘要】
1.一种铁精矿电沉积低碳制铁的系统，其特征在于，所述系统包括酸解净化工序(1)、电沉积制铁工序(2)和节能环保工序(3)；
2.一种基于权利要求1所述系统的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述铁精粉为赤铁矿或磁铁矿，其氧化铁品位不低于90％。
4.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述酸解过滤装置(1-1)中，采用加压酸解，反应温度100℃-200℃，压力0.1mpa-1.6mpa浓硫酸溶液的浓度不低于100g/l。
5.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述酸解过滤装置(1-1)中，酸解过程中产生的三价铁离子，在二氧化硫化学还原和所述价态控制装置(2-1)阴极还原的作用下，还原为二价铁离子，从而实现还原酸解，提高酸解效率，酸解率在98％以上。
6.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述酸解过滤装置(1-1)中，过滤采用板框压滤、带式过滤或离心过滤。
7.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述高温脱硫装置(3-1)中，采用流化床或回转窑反应器，反应温度1000℃-1500℃，脱硫率99％以上。
8.根据权利要求2所述的铁精矿电沉积低碳制铁的方法，其特征在于，所述价态控制装置(2-1)中...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨海涛，朱庆山，胡家城，
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：
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