一种等离子体辅助氨直接还原冶炼系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种等离子体辅助氨直接还原冶炼系统和方法，属于气基竖炉还原技术领域，该系统包括供气单元、裂解制氢单元、氢基竖炉冶炼单元、尾气处理与换热单元；供气单元出气口与裂解制氢单元等离子体炬连通，裂解管出气口与氢基竖炉单元还原气入口连通。优点：利用等离子体辅助燃烧技术使难以燃烧的氨气燃烧更加充分，无CO2排放，实现节能减排的目的；利用等离子体辅助氨燃烧为氨裂解提供热量，并将富氢还原气加热至850

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体辅助氨直接还原冶炼系统和方法


[0001]本专利技术涉及工业冶金、等离子体及氨应用领域，具体涉及一种等离子体辅助氨直接还原冶炼系统和方法。

技术介绍

[0002]冶金工业作为国民经济建设的基础，为机械、能源、化工、交通、建筑、航空航天、国防工业等各行各业提供所需要的材料产品。目前，高炉炼铁技术已非常成熟，是当前炼铁的主要生产方法。除了少数铁是通过以H2+CO或天然气为热能和还原剂的直接还原法生产的之外，绝大多数铁是通过以煤为燃料和还原剂的高炉生产的。钢铁工业中最大的污染是大量CO2排放。
[0003]2020年中国CO2排放量为9487.10Mt，占世界CO2排放量的31.25％，中国碳减排任务任重而道远。世界钢铁协会统计数据显示，全球平均每生产1t钢会排放1.8tCO2，钢铁行业CO2排放量约占全球CO2总排放量的6.7％，而我国作为钢铁大国，钢铁行业碳排放量约占全国碳排放总量的15％，占工业制造业的47％。推动钢铁行业的绿色低碳发展，对我国如期实现“碳达峰”和“碳中和”的目标至关重要。
[0004]用碳作还原剂进行高炉冶炼的方法已经非常成熟，随着钢铁行业碳减排压力的增大，传统的高炉冶炼已经不能满足当前提出的双碳目标，若要在保证生产的条件下达到低碳生产的目的，应用氢冶金技术是其不二之选，基于氢冶金的基竖炉直接还原—电炉短流程工艺是目前钢铁行业最受关注的领域，具有碳排放低、还原产物清洁、还原反应高效等优点，已在国外得到了广泛推广和应用，其中以Midrex和HYL为代表的技术已在世界各地建厂并实现大型化。
[0005]直接还原工艺，是一种将铁氧化物在低于熔化温度的条件下还原而得到金属铁的工艺，其产品为直接还原铁。直接还原铁应用于电炉炼钢具有质地纯净、化学成分稳定、有害杂质含量低以及易于控制钢的成分等优点，是一种替代废钢、冶炼优质钢和特殊钢的理想原料。中国电炉炼钢发展较为缓慢，远低于世界平均水平，而气基直接还原技术具有产品纯净、成本低廉、节能减排、流程简化等优势，发展气基直接还原技术具有良好的前景。
[0006]相较于传统高炉炼铁法使用一氧化碳气体作为还原剂除去铁矿石中的氧，氢还原技术使用氢气作为还原剂，氢气分子远小于一氧化碳分子，很容易渗透到铁矿石内部，其渗透速度约为一氧化碳分子的5倍，氢气的还原潜能远远高于一氧化碳，理论上可以实现快速还原。直接还原炼铁基于氢冶金反应原理的反应式如下：Fe2O3+3H2＝2Fe+3H2O。此外，使用氢气还原氧化铁时，其主要产物是金属铁和水蒸气，尾气对环境没有任何不利的影响，可以明显减轻对环境的负荷。因此，氢是最清洁的。
[0007]当前氢气基还原使用的气源主要有天然气和焦炉煤气，然而天然气和焦炉煤气均不满足还原气的成分要求，为了使不具还原能力的天然气转化为具有还原能力的气体，一般是将天然气进行重整，无法达到减碳效果。由于天然气资源的匮乏、电解制气成本高昂，氢气直接还原技术发展缓慢。从长远来看，大规模廉价氢气的提供将会有力推动气基直接
还原的快速发展。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的技术问题是：为了如期实现“碳达峰”和“碳中和”的目标，针对含碳还原气作为气源的碳排放问题，以及等离子体冶金技术存在设备寿命短、工艺参数难控制等问题，本专利技术提供了一种等离子体辅助氨直接还原冶炼系统和方法，选择氨气作为还原气的气源，利用等离子体将氨直接裂解制成氢或氢氨混合物的氢基还原气，同时利用等离子体辅助氨燃烧为直接还原冶炼提供热量，改变传统金属铁的冶炼对化石燃料的依赖，避免冶炼过程中产生CO2及污染性气体对周围环境的污染。
[0009]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：首先通过等离子体炬产生空气等离子体，对氨气进行辅助燃烧，利用其产生的热量加热裂解管，在催化剂的作用下将氨气裂解为氢和氮，并加热至850
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900℃，以氢气作为还原剂对铁矿石进行还原，得到直接还原铁；本专利技术所采用的第二套技术方案为：首先通过等离子体炬产生空气等离子体，在等离子体下游通入氨气，利用等离子体对氨进行快速重整，等离子体放电产生的高能电子能够打破氨分子的化学键，使其分解为原子态的氢原子和氮原子，两个氢原子结合产生氢气，微波等离子体可以将富氢还原气加热至1000～1500℃，以氢气作为还原剂对铁矿石进行还原，得到直接还原铁。
[0010]本专利技术采用的技术方案是：一种等离子体辅助氨直接还原冶炼系统，包括供气单元、裂解制氢单元、氢基竖炉冶炼单元、尾气处理与换热单元；
[0011]所述供气单元包括液氨储罐、液氨泵、气化室、混合室、主风机、洗涤器、加压机，用于将氨气与助燃空气送入裂解制氢单元的转化炉；
[0012]所述裂解制氢单元包括等离子体炬、裂解管和转化炉，所述等离子体炬与裂解管安装在转化炉上，部分氨气通过等离子体辅助燃烧为裂解送入裂解管内的氨气提供热量，同时加热氨气裂解生成的氢气和氮气至850
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900℃，裂解管与氢基竖炉冶炼单元还原段还原气入口连通；
[0013]所述氢基竖炉冶炼单元包括料斗、上气封、还原段、冷却段、下气封、还原铁出口、还原气入口、炉顶气出口、冷却气出口、冷却气入口、洗涤器和加压机，料斗设于还原段上方，氧化球团经料斗送入还原段，经还原气入口送入的富氢还原气进入还原段与氧化球团进行还原反应，设于还原段下方的冷却段外侧设有洗涤器和加压机，分别连通冷却气出口和冷却气入口；
[0014]所述尾气处理及换热单元包括换热器、洗涤器、加压机与烟囱，高温燃烧尾气经燃烧尾气出气口与换热器连通，回收余热对助燃空气和原料气氨气进行预热，换热器出口分别与烟囱、氢基竖炉冶炼单元的上气封与下气封连通。
[0015]进一步的，所述液氨储罐、液氨泵、气化室之间通过不锈钢、碳钢等耐腐蚀金属管密封连接，液氨经所述液氨泵从所述液氨储罐内泵出，所述液氨经过所述液氨泵泵出后经由所述液相减压阀减压输出，经耐腐蚀金属管进入气化室；
[0016]进一步的，气化后的氨气分成两路分别送入两个混合室，混合室入口设有气体流量控制阀，控制进入混合室的氨气流量，其中一路氨气经耐腐蚀金属管送入等离子体炬，另一路氨气送入裂解管进行裂解制氢；
[0017]进一步的，所述主风机提供助燃空气，助燃空气经加压机提供循环动力送入等离子体炬；
[0018]进一步的，所述助燃空气和氨气送入等离子体炬后，通过等离子体辅助燃烧技术进行燃烧，加热裂解管；
[0019]进一步的，所述等离子体炬可以为滑动弧等离子体、微波等离子体、直流电弧等离子体、射频等离子体，工作模式可以是连续波模式或是脉冲模式，脉冲模式下脉冲频率为1Hz
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100kHz，占空比为1％
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99％；
[0020]进一步的，燃烧尾气经燃烧尾气出气口送入所述换热器回收余热；
[0021]进一步的，所述燃烧尾气排出所述换热器后，一部分通过一个加压机送入烟囱，排入大气，其余部分经所述洗涤器和加压机后作为密封气送入炉顶的上气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等离子体辅助氨直接还原冶炼系统，其特征在于：所述系统包括供气单元、裂解制氢单元、氢基竖炉冶炼单元、以及尾气处理与换热单元；所述供气单元包括液氨储罐、液氨泵、气化室、第一混合室、第二混合室、主风机、第一加压机、第一洗涤器和第二加压机；所述液氨储罐、液氨泵与气化室通过金属管道依次连接，所述金属管耐压上限为75MPa；所述气化室通过金属三通管道分别与第一混合室、第二混合室连接；所述主风机与所述第一加压机通过金属管道连接；炉顶气经所述氢气竖炉的炉顶气出口通入所述第一洗涤器，第一洗涤器分别与所述第二混合室、第二加压机通过金属管道连接；所述第二加压机与第一混合室通过金属管道连接；所述第一加压机、第二混合室分别与所述等离子体炬通过金属管道连接，分别将助燃空气、氨气通入所述等离子体炬；所述第一混合室与裂解管通过金属管道连接，用于将氨气送入所述裂解管；所述裂解制氢单元包括等离子体炬、裂解管和转化炉；所述等离子体炬安装在转化炉上，所述裂解管安装在转化炉内，部分氨气通入所述等离子体炬通过等离子体辅助燃烧为送入所述裂解管内的氨气提供热量，同时加热氨气裂解生成的氢气和氮气至850
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900℃，所述裂解管与氢基竖炉冶炼单元还原段还原气入口连通；所述氢基竖炉冶炼单元包括氢气竖炉、料斗、上气封、还原段、冷却段、下气封、还原铁出口、还原气入口、炉顶气出口、冷却气出口、冷却气入口、第二洗涤器和第三加压机；所述料斗位于所述氢气竖炉最上方，所述料斗通过所述上气封与所述还原段连接；所述还原段侧壁下端设有还原气入口，上端设有炉顶气出口；所述冷却段位于所述还原段下方；所述冷却段侧壁上端设有冷却气出口、下端设有冷却器入口；所述冷却气出口、第二洗涤器、第三加压机和冷却气入口通过不锈钢管道依次连接；所述下气封位于冷却段下方，所述下气封底部设有还原铁出口；所述尾气处理及换热单元包括换热器、燃烧尾气出气口、第三洗涤器、第四加压机、第五加压机与烟囱；高温燃烧尾气经燃烧尾气出气口与换热器通过金属管道连接，回收余热对助燃空气和燃料氨气进行预热；所述换热器与第三洗涤器、第四加压机通过金属管道依次连接，所述第四加压机分别与氢基竖炉冶炼单元的上气封、下气封通过金属管道连接；所述换热器与第五加压机、烟囱通过金属管道依次连接，排出燃烧尾气。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述液氨储罐、液氨泵、气化室之间通过不锈钢或碳钢金属管密封连接，液氨经所述液氨泵从所述液氨储罐内泵出，所述液氨经过所述液氨泵泵出后经由所述液相减压阀减压输出，经金属管进入气化室；优选的，气化后的氨气分成两路分别送入第一混合室与第二混合室，混合室进气口设有气体流量控制阀，控制进入混合室的氨气流量，其中一路氨气通过第二混合室后经由金属管送入等离子体炬，另一路氨气通过第一混合室后经由金属管道送入裂解管进行裂解制氢；优选的，所述主风机提供助燃空气，助燃空气经第一加压机提供循环动力送入等离子体炬；优选的，所述助燃空气和氨气送入等离子体炬后，通过等离子体辅助燃烧技术进行燃烧，加热裂解管；优选的，所述等离子体炬为滑动弧等离子体、微波等离子体、直流电弧等离子体或射频
等离子体，工作模式是连续波模式或是脉冲模式，脉冲模式下脉冲频率为1Hz
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100kHz，占空比为1％
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99％；优选的，燃烧尾气经燃烧尾气出气口送入所述换热器回收余热；优选的，所述燃烧尾气排出所述换热器后，一部分通过第五加压机送入烟囱，排入大气，其余部分经所述第三洗涤器和第四加压机后作为密封气送入氢气竖炉炉顶的上气封和炉底的下气封；优选的，助燃空气与燃料氨气送入等离子体炬之前需要在所述换热器中预热；优选的，所述裂解管内焊接固定有换热翅片；催化剂床放置于所述裂解管内；所述等离子体炬通过燃烧氨气加热催化剂床和停留在裂解管内的氨气，所述氨气在所述裂解管和催化剂的共同作用下升高至850
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900℃发生裂解反应产生裂解混合气，部分氨在所述裂解管内被裂解成氢和氮；所述裂解混合气是富氢还原气；所述富氢还原气为氨、氢和氮的混合气，或氮和氢的混合气；优选的，所述催化剂床为10
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30％wt镍
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氧化铝、10
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30％wt钴
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氧化铝、10
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30％wt钌
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氧化铝、铁催化剂、锰催化剂、钯催化剂、镧催化剂、钼催化剂，或其任意组合；优选的，所述氢基竖炉冶炼单元氢气竖炉最上方设有所述料斗，用于承接炉料，并将炉料导入上气封；所述上气封是设于料斗下方的管道，将炉料导入还原段，部分燃烧尾气经所述第三洗涤器和第四加压机后作为密封气送入炉顶的上气封；优选的，所述还原段下端设有还原气入口，上端设有炉顶气出口，所述富氢还原气经还原气入口送入竖炉还原段，在还原段内形成自下而上的气流，炉料在所述还原气气流中完成预热过程，随着温度升高，炉料的还原反应逐渐加速，最终形成直接还原铁，还原段温度主要有还原气温度决定。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述还原气经过炉料后形成炉顶气，炉顶气经炉顶气出口排出所述还原段，炉顶气含有剩余H2，经所述第一洗涤器清洗冷却，冷凝出过剩水蒸气，使氧化度降低；优选的，一部分经过清洗的炉顶气送入所述第二混合室与氨气混合，通入等离子体炬进行燃烧，燃烧温度可达1000
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1500℃；其余经过清洗的炉顶气经第二加压机送入所述第一混合室与氨气混合，通入所述换热器进行预热，而后通入所述裂解管进行裂解制备氢气还原气；优选的，所述还原段下方为冷却段，所述冷却段上端设有冷却气出口，冷却段下端设有冷却气入口，所述第二洗涤器完成还原气的清洗和冷却过程制备冷却气，所述冷却气经第三加压机提供循环动力造成一股自下而上的冷却气流，所述直接还原铁进入冷却段后在冷却气流中冷却至环境温度；优选的，所述直接还原铁冷却至环境温度后，经所述下气封和还原铁出口排出。4.一种等离子体辅助氨直接还原冶炼系统，其特征在于：制备氢气还原气时无需裂解管与催化剂，将空气送入所述等离子体炬产生空气等离子体，在其下游通入氨气，利用等离子体对氨气进行裂解制备还原气氢气，裂解混合气是富氢还原气；所述富氢还原气是氨、氢和氮的混合气，或是氮和氢的混合气；所述系统包括供气单元、裂解制氢单元、氢基竖炉冶炼单元、以及尾气处理与换热单元；
所述供气单元包括液氨储罐、液氨泵、气化室、第一混合室、主风机、第一加压机、第一洗涤器和第二加压机；所述液氨储罐、液氨泵与气化室通过金属管道依次连接，所述耐腐金属管耐压上限为75MPa；所述气化室通过金属管道与第一混合室连接；所述主风机与所述第一加压机通过金属管道连接；炉顶气经所述氢气竖炉的炉顶气出口通入所述第一洗涤器，第一洗涤器与第二加压机、第一混合室通过金属管道依次连接；所述第一加压机与所述等离子体炬通过金属管道连接，将空气通入所述等离子体炬；所述第一混合室与设置于转化炉侧壁的氨气进气口通过金属管道连接，用于将氨气送入所述转化炉；所述裂解制氢单元包括等离子体炬、转化炉和氨气进气口；所述等离子体炬安装在转化炉上，所述氨气进气口设置于转化炉侧壁，用于将氨气送入所述转化炉，空气通入所述等离子体炬产生等离子体，将氨气裂解为氢气和氮气，同时将氢气和氮气至850
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900℃，所述转化炉与氢基竖炉冶炼单元还原段还原气入口连通；所述氢基竖炉冶炼单元包括氢气竖炉、料斗、上气封、还原段、冷却段、下气封、还原铁出口、还原气入口、炉顶气出口、冷却气出口、冷却气入口、第二洗涤器和第三加压机；所述料斗位于所述氢气竖炉最上方，所述料斗通过所述上气封与所述还原段连接；所述还原段侧壁下端设有还原气入口，上端设有炉顶气出口；所述冷却段位于所述还原段下方；所述冷却段侧壁上端设有冷却气出口、下端设有冷却器入口；所述冷却气出口、第二洗涤器、第三加压机和冷却气入口通过不锈钢管道依次连接；所述下气封位于冷却段下方，所述下气封底部设有还原铁出口；所述尾气处理及换热单元包括换热器、第三洗涤器与第四加压机；所述炉顶气出口通过不锈钢管道与换热器连接，回收余热对空气和氨气进行预热；所述换热器与第三洗涤器、第四加压机通过金属管道依次连接，所述第四加压机分别与氢基竖炉冶炼单元的上气封、下气封通过金属管道连接。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述液氨储罐、液氨泵、气化室之间通过不锈钢或碳钢金属管密封连接，液氨经所述液氨泵从所述液氨储罐内泵出，所述液氨经过所述液氨泵泵出后经由所述液相减压阀减压输出，经金属管进入气化室；优选的，气化后的氨气送入第一混合室，混合室进气口设有气体流量控制阀，控制进入混合室的氨气流量，氨气通过第一混合室后经由金属管道送入转化炉侧壁的氨气进气口；优选的，所述主风机提供空气，空气经第一加压机提供循环动力送入等离子体炬作为工作介质产生等离子体；优选的，所述氨气送入转化炉后，等离子体作用下升高至850
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900℃发生裂解反应产生裂解混合气，部分氨在所述裂解管内被裂解成氢和氮；所述裂解混合气是富氢还原气；所述富氢还原气为氨、氢和氮的混合气，或氮和氢的混合气；优选的，所述等离子体炬可以为滑动弧等离子体、微波等离子体、直流电弧等离子体、射频等离子体，工作模式可以是连续波模式或是脉冲模式，脉冲模式下脉冲频率为1Hz
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100kHz，占空比为1％
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99％；优选的，空气与氨气送入等离子体炬之前需...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志伟，陈龙威，林启富，刘成周，
申请(专利权)人：合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽省能源实验室，
类型：发明
国别省市：