一种氢基还原铁粉制备燃料级超细铁粉的方法与流程

本发明涉及氢冶金与金属燃料制备，具体涉及一种以氢基还原铁粉为原料，经超细粉碎与可控表面钝化制备燃料级超细铁粉的方法。

背景技术：

1、氢基直接还原是钢铁工业实现深度脱碳的重要技术路径之一。以氢气为还原剂制得的还原铁粉不含碳、硫等杂质，金属化率高，除作为炼钢原料外，还可作为零碳燃料使用：铁粉燃烧后的产物为固态铁氧化物，可经绿氢还原再生为金属铁，从而形成不排放二氧化碳的金属燃料循环。将铁粉用于电站锅炉掺烧或全烧，是长时储能与工业热力脱碳的潜在方案之一。

2、为使铁粉在锅炉中稳定着火并充分燃尽，需将其粒径细化至数十微米量级，并保持较窄的粒径分布。而工业氢基还原铁粉的粒径通常为50~150μm，直接入炉存在点火困难、燃尽率低、火焰稳定性差的问题。还原铁粉经超细粉碎后，颗粒比表面积急剧增大，新鲜金属表面具有极高的反应活性，在空气中会迅速氧化放热，常温下即可发生自燃，给粉碎、输送、储存与包装环节带来严重的粉尘爆炸与火灾隐患；同时，超细铁粉颗粒间作用力显著，极易团聚结块，导致流动性变差、给料不均。

3、现有的超细铁粉稳定化手段主要包括磷化处理、铬酸盐钝化、有机物包覆与油浸处理等。上述手段虽可在一定程度上抑制自燃，但会在铁粉中引入磷、铬、碳等杂质，一方面降低产品的金属化率与燃烧热值，另一方面使燃烧产物带入新的污染物，与金属燃料零碳循环的初衷相悖；且有机物包覆层在长期储存中易老化失效。此外，现有粉碎分级工艺对粉碎工质中的氧、水含量控制不足，粉碎过程中新生表面被过度氧化，导致产品金属化率下降、批次一致性差。

4、因此，亟需一种在保持高金属化率的前提下，能够同时解决超细铁粉自燃与团聚问题，并适合规模化连续生产的燃料级超细铁粉制备方法.

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、本发明要解决的技术问题是：提供一种氢基还原铁粉制备燃料级超细铁粉的方法，在将还原铁粉细化至d50为5~30μm、并保持金属化率不低于90%的前提下，克服超细铁粉易自燃、易团聚、流动性差的问题，使产品满足铁粉锅炉掺烧或全烧燃料在安全性、流动性与燃烧性能方面的要求.

3、技术方案

4、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

5、一种氢基还原铁粉制备燃料级超细铁粉的方法，包括以下步骤：

6、s1 密闭给料：在氧体积分数不高于2%的惰性保护气氛下，将氢基还原所得的还原铁粉送入密闭给料单元，所述还原铁粉的粒径为50~150μm、金属化率不低于92%；

7、s2 气流粉碎：将还原铁粉送入气流粉碎机，以氮气为粉碎工质，在粉碎压力0.4~0.8mpa、分级轮转速2000~6000r/min的条件下进行超细粉碎，得到d50为5~30μm的粉体；

8、s3 涡轮分级：将粉碎后的粉体送入涡轮分级机进行分级，控制产品粒径分布跨度(d90-d10)/d50不大于2.0，分级出的粗颗粒返回步骤s2；

9、s4 表面钝化：将分级后的粉体送入钝化器，在40~80℃下通入氧体积分数为0.5%~2.0%的氮氧混合气，停留3~10min，使颗粒表面生成厚度为5~20nm、主要成分为fe3o4的钝化层；

10、s5 密闭输送与惰化包装：将钝化后的粉体在氧体积分数不高于2%、温度不高于60℃的条件下密闭输送并惰化包装。

11、优选地，步骤s2中所述气流粉碎机的粉碎工质氮气经除尘、除氧与除水处理后循环使用，循环氮气中氧体积分数不高于0.5%、露点不高于-20℃。

12、优选地，步骤s2与步骤s3构成闭路粉碎分级回路，控制器根据在线粒度仪测得的d50偏差调节分级轮转速与给料速率，使出料d50维持在8~20μm。

13、优选地，步骤s4中所述钝化器为流化床式钝化器，其表观气速为0.1~0.3m/s，钝化器夹套通入冷却水使床层温度维持在40~80℃；步骤s4之前还设有干燥工序，使进入钝化器的粉体含水率不高于0.1%，干燥热源为经换热后的低温氮气。

14、优选地，步骤s5中，输送及包装单元设置氧体积分数传感器与温度传感器，并与氮气补充管路联锁：当氧体积分数超过2%或温度超过60℃时，联锁切断输送并向单元内充入氮气；所述惰化包装采用抽真空充氮置换方式，包装袋内氧体积分数不高于1%。

15、优选地，全系统排放的含尘尾气经旋风分离器与滤筒除尘器两级回收，铁粉总回收率不低于99%。

16、优选地，制得的所述燃料级超细铁粉的bet比表面积为0.05~0.5m²/g，松装密度为0.8~1.8g/cm³，金属化率不低于90%，自燃温度不低于180℃。

17、有益效果

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、1. 全流程惰性保护：粉碎、分级、输送与包装均在氧体积分数不高于2%的氮气保护下进行，粉碎工质经除尘、除氧、除水后循环使用，循环氮气氧体积分数不高于0.5%、露点不高于-20℃，有效抑制粉碎过程中新生表面的氧化，产品金属化率不低于90%，与原料相比金属化率损失不超过2个百分点；

20、2. 粒度可控且分布窄：气流粉碎与涡轮分级构成闭路回路，通过在线粒度仪与控制器闭环调节分级轮转速和给料速率，出料d50稳定控制在8~20μm，粒径分布跨度不大于2.0，有利于提高燃烧速率与燃尽率、稳定火焰；

21、3. 钝化不引入异质元素：采用低温短时可控钝化，在颗粒表面原位生成5~20nm的fe3o4钝化层，不引入磷、铬、碳等杂质，钝化产物本身即为铁氧化物，不影响金属燃料循环的物料平衡与零碳属性；产品自燃温度不低于180℃，储存与运输安全性显著提高；

22、4. 抑制团聚、改善流动性：钝化层阻断颗粒间金属直接接触，配合低温氮气干燥（含水率不高于0.1%），产品松装密度为0.8~1.8g/cm³，流动性良好，便于气力输送与锅炉给料；

23、5. 过程安全可控：输送及包装单元设置氧体积分数与温度双参数联锁，超限即切断输送并自动充氮；惰化包装后袋内氧体积分数不高于1%，从工艺与装备两方面消除燃爆隐患；

24、6. 资源利用率高：含尘尾气经旋风分离器与滤筒除尘器两级回收，铁粉总回收率不低于99%，氮气循环使用，运行成本低，适合规模化连续生产。

1.一种氢基还原铁粉制备燃料级超细铁粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2中所述气流粉碎机的粉碎工质氮气经除尘、除氧与除水处理后循环使用，循环氮气中氧体积分数不高于0.5%、露点不高于-20℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2与步骤s3构成闭路粉碎分级回路，控制器根据在线粒度仪测得的d50偏差调节分级轮转速与给料速率，使出料d50维持在8~20μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4中所述钝化器为流化床式钝化器，其表观气速为0.1~0.3m/s，钝化器夹套通入冷却水使床层温度维持在40~80℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4之前还设有干燥工序，使进入钝化器的粉体含水率不高于0.1%，干燥热源为经换热后的低温氮气。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s5中，输送及包装单元设置氧体积分数传感器与温度传感器，并与氮气补充管路联锁：当氧体积分数超过2%或温度超过60℃时，联锁切断输送并向单元内充入氮气；所述惰化包装采用抽真空充氮置换方式，包装袋内氧体积分数不高于1%。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，全系统排放的含尘尾气经旋风分离器与滤筒除尘器两级回收，铁粉总回收率不低于99%。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，制得的所述燃料级超细铁粉的bet比表面积为0.05~0.5m²/g，松装密度为0.8~1.8g/cm³，金属化率不低于90%，自燃温度不低于180℃。

9.一种燃料级超细铁粉，其特征在于，由权利要求1至8中任一项所述的方法制得。