一种利用二氧化碳制备碳化铁的方法

本发明属于冶金-炼铁，具体的说，是涉及一种制备碳化铁的方法。

背景技术：

1、近年来，温室气体排放日益严峻，节能减排已经成为当前各行业的研发重点。其中，钢铁行业碳排放量约占到人为排放总量的7％以上，可以看出钢铁生产仍然是二氧化碳(co2)和能源密集型活动，因此钢铁行业绿色低碳转型刻不容缓。目前钢铁生产主要包括“长流程”和“短流程”两种模式：长流程主要包括高炉炼铁和转炉炼钢两个阶段，而短流程则通过废钢或直接还原铁进行电炉炼钢。然而，高炉炼铁是co2排放量最大的工序，约占整个钢铁生产co2排放总量的70％～90％，此外焦炭资源稀缺、不可再生且环境污染，故以高炉-转炉为代表的长流程炼铁面临发展限制。因此，以电炉炼钢为代表的短流程被认为是未来钢铁行业发展的方向，它省去了高炉和焦化炉，不仅节约了资源，还降低了对环境的污染。然而，近年来全球优质废钢资源短缺，制约了电炉炼钢进一步发展。20世纪70年代，美国学者stephens首次成功把碳化铁(fe3c)应用于炼钢过程。碳化铁在炼钢生产中有以下优势：不易自燃，方便运输和储存；s、p等杂质元素含量低；生产温度较低，能耗小；环境污染小，成本低，是一种优质的炼钢原料。

2、目前，制备碳化铁的方法主要分为碳化铁工艺(ich)和二步法(先还原再碳化)两种。ich工艺属于一步法，即在同一个反应器内完成铁矿石的还原及还原产物的碳化，无法在反应的不同阶段采用最合适的反应气体和温度，反应时间长，生产效率低。因此，现在常用方法为二步法，第一步首先用还原气对铁矿石进行还原，得到金属铁；第二步用碳化气体与金属铁反应制备碳化铁，碳化气体的主要组分为氢气(h2)和一氧化碳(co)。其中，h2的作用为促进还原和阻碍析碳、渗碳，co可以促进碳化和积碳。研究表明，碳化气中co含量越高越有利于碳化铁的生成，但同时表面沉积碳也加剧。为了抑制析碳反应的发生，需要在碳化气中加入少量co2，但含量不宜过高，否则容易导致碳化铁的氧化。因此，在二步法工艺中需要使用大量co，转化率低，表面沉积碳严重，运行费用较高，与目前清洁绿色的发展路线不相符。

3、因此，当前急需一种绿色清洁低碳的碳化铁工艺，该工艺可以大大降低所用易产生积炭的co量，降低反应能耗，提高碳化铁生成率，同时实现对co2的有效利用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有碳化铁生产工艺存在的缺陷，提供一种利用co2制备碳化铁的方法，建立环境友好型、无有害副产品的碳化铁制备流程，实现对co2气体的有效利用，降低碳化铁生产成本；该方法还可与纯氢竖炉制备还原铁、电炉炼钢等工艺结合使用。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

3、本发明提供了一种利用二氧化碳制备碳化铁的方法，利用co2和h2与金属铁反应制备碳化铁，包括：

4、s1：将原料气体通入反应器，所述原料气体包括h2和co2，且h2与co2的摩尔比大于5:1；

5、s2：将金属铁加入所述反应器，所述原料气体与所述金属铁在500～700℃和0.1～5mpa下发生反应生成碳化铁。

6、进一步地，s1中，所述原料气体中的h2和co2按比例通入混合器充分混合后，再通入所述反应器。

7、进一步地，s1中，所述原料气体中的h2和co2按比例直接通入所述反应器。

8、进一步地，s1中，所述原料气体中还含有惰性气体。

9、进一步地，s1中，所述原料气体中的co2来源于烟气和/或含co2的工业过程尾气。

10、进一步地，所述原料气体中co与co2的摩尔比大于等于0且小于1。

11、进一步地，s1中，所述原料气体通入所述反应器之前进行预热。

12、进一步地，s2中，反应温度为500～600℃。

13、进一步地，生成碳化铁反应后的气体分离出h2o，剩余气体混入所述原料气体重新通入所述反应器发生反应。

14、发明的有益效果是：

15、本发明利用co2作为碳源制备碳化铁，在大大减少了co、ch4等化石能源排碳的同时利用消纳了co2，实现了co2的有效利用，是一种新颖环保的碳化铁制备工艺，且可以与多种现有工艺结合应用。本发明可以与氢基竖炉直接还原铁工艺中的冷却段结合应用，竖炉冷却段可作为反应器；本发明生产的碳化铁可作为电炉生产钢的原料，为钢铁低碳生产提供了新思路。此外，本发明的气体成分、温度与压力都可控以优化操作，提高反应速率，增加产物碳化铁含量。

技术特征：

1.一种利用二氧化碳制备碳化铁的方法，其特征在于，利用co2和h2与金属铁反应制备碳化铁，包括：

2.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳制备碳化铁的方法，其特征在于，s1中，所述原料气体中的h2和co2按比例通入混合器充分混合后，再通入所述反应器。

3.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳制备碳化铁的方法，其特征在于，s1中，所述原料气体中的h2和co2按比例直接通入所述反应器。

4.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳制备碳化铁的方法，其特征在于，s1中，所述原料气体中含有惰性气体。

5.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳制备碳化铁的方法，其特征在于，s1中，所述原料气体中的co2来源于烟气和/或含co2的工业过程尾气。

6.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳制备碳化铁的方法，其特征在于，所述原料气体中co与co2的摩尔比大于等于0且小于1。

7.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳制备碳化铁的方法，其特征在于，s1中，所述原料气体通入所述反应器之前进行预热。

8.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳制备碳化铁的方法，其特征在于，s2中，反应温度为500～600℃。

9.根据权利要求1所述的一种利用二氧化碳制备碳化铁的方法，其特征在于，生成碳化铁反应后的气体分离出h2o，剩余气体混入所述原料气体重新通入所述反应器发生反应。

技术总结本发明属于冶金‑炼铁技术领域，公开了一种利用二氧化碳制备碳化铁的方法，利用CO<subgt;2</subgt;和H<subgt;2</subgt;与金属铁反应制备碳化铁，包括：首先将原料气体通入反应器，原料气体包括H<subgt;2</subgt;和CO<subgt;2</subgt;，且H<subgt;2</subgt;与CO<subgt;2</subgt;的摩尔比大于5:1；而后将金属铁加入反应器，原料气体与金属铁在500～700℃和0.1～5MPa下发生反应生成碳化铁。本发明利用CO<subgt;2</subgt;作为碳源制备碳化铁，在大大减少了CO、CH<subgt;4</subgt;等化石能源排碳的同时利用消纳了CO<subgt;2</subgt;，实现了CO<subgt;2</subgt;的有效利用，是一种新颖环保的碳化铁制备工艺，且可以与纯氢竖炉制备还原铁、电炉炼钢等工艺结合使用。此外，本发明的气体成分、温度与压力都可控以优化操作，提高反应速率，增加产物碳化铁含量。技术研发人员：曾亮,程启帆,朱宁静,栾传宝,崔鹏俊受保护的技术使用者：天津大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5