氢冶金法制造技术

一种氢冶金法及相关设备，涉及氢冶金兼氢能源技术领域。用预还原炉对铁精矿粒料在富氢、高温、高压条件下快速预还原，生产还原度≥７５％的海绵铁，以保温密闭方式输送给裂解炉；裂解炉将＠类燃气经直流等离子电弧，在高温缺氧条件下裂解为高温氢和纳米＠＠，大部分高温氢输出至预还原炉，海绵铁经快速熔融还原治炼出铁水或半钢；同时利用预还原炉的尾气余热、生产高温蒸汽、再经水蒸气电解槽电解制得高温纯氢，高温纯氢经换热分离其中水份后，再回馈给预还原炉，其中部分作为氢能源直接输出。充分体现了氢冶金的高效、节能、最好的产品质量、最佳的减排效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及冶金和能源领域。特别涉及天然气、煤层气、地下煤制气、页岩气、可燃冰等烃类燃气、褐煤等高含氢煤及植物干粉的直流等离子弧高温缺氧直接裂解制氢；冶金余热高温水蒸气电解制氢；富氢还原生产海绵铁；海绵铁熔融终还原生产铁水或半钢；而其二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放均趋近于零，并高度节能；还可输出氢能源供应汽车氢能源化。
技术介绍
1、氢冶金
技术介绍
巨型高炉炼铁仍是当前主流冶金炼铁技术，这种技术已非常成熟、产量巨大、生产成本颇具竞争力。但流程复杂、投资额巨大、吨铁总能耗18GJ以上(700kg标准煤)，世界焦煤资源与铁优质块矿资源日趋匮乏，生产成本日增，与本专利技术氢冶金技术相比，能耗过高(本专利技术吨铁总能耗《12GJ，即《400kg标准煤)、加以巨型高炉炼铁吨铁2. 5吨以上的二氧化碳排放，是地球大气环境重大污染源，随着地球变暖威胁人类生存条件的问题日益突出，高炉炼铁势必成为众矢之的，变革已是必然。 COREX煤熔融还原，是当前新兴冶金炼铁技术的代表，不用焦碳也能炼出好铁，但实践证明其总能耗、碳排放、生产成本三大指标均超过巨型高炉炼铁。 Itmk3转底炉高温快速还原加电弧炉炼铁技术，不用焦炭、效率也很高、10分钟内就能生产出粒铁、一个小时之内就能炼出铁水，有世界第三代炼铁技术之称。但大规模产业化有一定困难，若要达到年产200万吨铁水的规模，须要建造直径60米的巨型转底炉10余座，还要维持其环形炉体不同区段1300°C以上高温，但实际却只能处理30 60毫米厚的矿料层、散热面积过大，热效率过低，维持正常运转有一定难度，且大量二氧化碳排放问题依然存在。 铁精矿超细粉体低温快速还原加电炉炼铁技术，是目前最新冶金技术，不用焦炭、效率也高、能耗、硫氧化物、氮氧化物排放也将是上述所有冶金技术中最低的。而且，随着全世界富铁矿的不断开发，贫铁矿产量比重愈来愈大，将不得不粉碎细磨精选成为富铁精矿粉，这就为为铁精矿超细粉体低温快速还原的发展提供了最大市场。但这种炼铁方法的大量二氧化碳排放仍是其根本问题；而且将细磨精选铁精矿粉及煤粉、催化剂、脱硫剂等进一步混合润磨成为粒度为0. 04mm占总粉体量的90%，并混合造球，制造难度较高，工人工作条件较差，还会显著增加产品成本。 2、氢能源
技术介绍
没有廉价氢能源，就不可能进行氢冶金，也不可能实现汽车、拖拉机、轮船、飞机、以及人类基本生活氢能源化。解决地球温室效应、扭转全球气候变暖趋势，就只能仅仅是一种理想、舆论、争论、推诿、和遥远的将来。 但当前世界冶金、石化、火力发电、以及汽车、飞机、船舶等交通运输、民用燃料等等，每年将数千亿吨石油、天然气、煤层气、煤炭、植物干体、沼气、电石气等等最终变成二氧化碳统统排放到大气中，日积月累，严重威胁人类基本生存条件，这是不争的事实，人类要解决这一问题，已经刻不容缓，但这只有通过氢能源才能真正根本解决问题，别无它途。 世界各国长期以来，致力于从氢能源汽车起步，来发展"氢能源"与"氢经济"、实现"二氧化碳减排"；各大汽车制造商家也投入了巨大的资金和技术力量，各国政府也非常重视，并作了大量资金支持；并将其提升成为各国政府首脑汇聚时的主要议题；甚至形成了具有一定约束力的《京都议定书》，然而在全世界普遍生产供应氢能源、建立遍布全球的加氢站，等方面的实际有效进展却非常有限、可以说是难以起步。因为汽车分布全世界要在全世界行驶，任何企业任何国家都还没有这个能力不顾经济效益而能将其"一蹴而就"。 有人提出，许多国家也正在花巨资研究实施"二氧化碳填埋"，由于天空海洋上的运输工具所产生的二氧化碳根本无法收集填埋，同时这是一项没有经济收益企业无法承受的巨额投入，更难以兑现。 单从制氢的角度来看，天然气水蒸气重整制氢，是国内外石化工业、合成氨肥料工业、甲醇工业、冶金海绵铁工业应用最多、成本最低、技术上最成熟的石化燃料制氢技术；但从减排的角度来看，其根本缺点是每转化1吨天然气，就要向大气中排放4吨二氧化碳。地球大气环境实在难以承受。 碱性电解槽电解水制氢是目前不排放二氧化碳的，技术上最成熟的制氢技术，应用面也较广，但由于每制1立方米氢需要消耗4. 5 5. 5kw. h电力，导致能耗及成本过高。且若用石化燃料发电提供电力，则二氧化碳排放实际上并未减少。 等离子裂解烃类燃气和煤制氢，制乙炔是当前世界各国发展氢能源、氢经济、氢能源汽车、天然气化、工煤化工等，正在研究开发的热点。02128420. 2号、200310104055. 9号、200410012523. 4号等专利申请就提出了利用等离子体裂解烃类和煤生产碳黑和氢气的方法和装置。而且经透射电镜检视分析证明当裂解烃类燃气可以得到99%纯氢和5 50纳米的纳米碳黑。但现有各种实用等离子装置中，其等离子发生器的核心技术都是等离子枪。但若要将其应用于炼铁和氢能源生产，则还存在如下不足之处(l)是功率太小，目前世界成功产业化应用离子装置最大功率为2. 8兆瓦，最大工作电流10kA，而作为取代高炉炼铁的等离子冶金炉应在100兆瓦、100kA以上；(2)是现有熔炼装置的等离子枪的阴极，都是采用水冷鸨、铌、钽、钼、铪、锆、等难熔金属中加入钍、铈、钇、镱等的氧化物制造，实践证明当工作电流超过4kA时，这种阴极烧蚀极为严重，而且其水冷等离子枪体直接深入巨大而充满高温高压氢的氢冶金等离子炉炉膛核心区内，实难以长期抵御等离子炉高温，容易发生无法挽回的重大安全事故，若采取频繁更换等离子枪或等离子枪阴极以确保安全，也是不实际的，根据巨型高炉的实践可知，巨大的充满高温高压易燃易爆还原气的停炉，已是一项非常复杂、危险、耗资、耗时，大大降低生产效率的工作。 为了解决氢冶金氢能源生产中的这些重大问题，本专利技术人，曾通过200610106689. 1号专利申请，在世界冶金技术中率先提出了一整套"天然气裂解氢冶金方法及设备"专利技术。经国务院通知有关钢铁冶金权威专家进行审查后，确认是一项行得通的具有保密性质的技术。 但我们的科学探索并未停止，本专利技术就代表了我们新的研究成果，但并未否定前一专利申请，而是其继续重大实用创新发展。 本专利技术人认定世界钢铁工业是世界能源集中消费的大户和二氧化碳集中排放的大户，其能源消费和二氧化碳实际排放量均占世界能源消费总量和二氧化碳排放总量的920%左右，而且其热能利用率不到40%，其大量高温高烚尾气(其热能足以与大型核能电站产生的热能相媲美)通常直接排空，只有少数先进冶金企业才将其用于余热发电，但其总热效率通常仍只有50%左右。若采用本专利技术中的天然气、煤层气、地下煤制气、褐煤等高含氢煤的等离子高温缺氧直接裂解制氢，和"高温水蒸气水能风能电力电解制氢"(可以比余热发电提高一倍的热能利用率)，相结合的联合制氢方法制氢；并将所制得的氢首先直接用于冶金，无须大规模长距离运输，也无需首先建立遍布全球的加氢站，任何国家、任何大型冶金企业都可以实施，都可以起步，而且实施起来都有利可图。特别是像中国、俄罗斯、巴西、美国、加拿大、印度、南非、印尼、埃及这样一些水能、风能潜力异常丰富，钢铁产能异常巨大的国家，更是大有可为。 一旦建立起来永世低成本享用，不污染环境、不影响现有输供电计划。抓住了冶金二氧化碳减排的这项大头，遏制地球大气变暖立竿见影本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢冶金法，其特征在于：　　（１）两步三快基本工艺循环：　　第一步，用氢冶金预还原炉对铁精矿粒料，包括５～１５ｍｍ铁精块矿粒料、或市场铁精粉矿制粒得到的粒径为５～２０ｍｍ的铁精粉矿粒料，进行富氢Ｈ２≥８０％，高温１２００～１４００℃，高压０．２～２ＭＰａ，快速预还原，生产还原度≥７０％的海绵铁；优选采用粒度＜０．１ｍｍ的市场细磨精选铁精粉矿制粒得到的粒径为５～２０ｍｍ的精选铁精矿粒料，进行富氢Ｈ２≥９０％，低温７００～１２００℃，高压０．２～２ＭＰａ，快速预还原，生产还原度≥８０％的海绵铁，均以保温密闭方式输送给氢冶金冶炼裂解炉；　　第二步，用氢冶金冶炼裂解炉，实现天然气或煤层气、页岩气、地下煤制气、沼气、可燃冰气化气；以及褐煤等高含氢煤干粉、植物干粉、藻类干粉等，配以氢或烃类燃气作载气；通过其空心电极形成射流穿过其３０００℃以上高温直流等离子弧弧心在高温缺氧条件下瞬间快速裂解为高温氢，和高温碳黑；高温氢以尾气形式输出直接供给氢冶金预还原炉为该炉高温富氢快速预还原生产海绵铁提供氢源；同时裂解产生的碳黑进入熔融高温铁液融池制造熔融高温饱和含碳铁液；对氢冶金预还原炉输入的海绵铁进行快速熔融终还原和渣铁分离，生产出铁水或半钢；从而完成氢冶金两步三快基本工艺循环连续生产；　　（２）冶金余热高温水蒸汽电解制氢：利用氢冶金预还原炉高温高焓尾气余热，生产６００～１０００℃高温水蒸气，再用质子导体固体电解质高温水蒸气电解槽堆，或氧离子导体固体电解质高温水蒸气电解槽堆，对所产生的高温水蒸气，实施低能耗高温水蒸电解制氢；其中质子导体固体电解质高温水蒸气电解槽堆所制得的高温纯氢，可直接回馈给氢冶金预还原炉，作为生产海绵铁的补充氢源，以便将每吨铁水的天然气等烃类燃气消耗量降低至１００ｍ３以下；而用氧离子导体固体电解质高温水蒸气电解槽堆所制得的氢，含有大量水蒸气，需经本冶金系统的尾气处理系统冷却分离提纯，并再次通过换热器吸热升温，然后回再馈给氢冶金预还原炉，其副产氧经干燥处理可回收利用；　　（３）尾气分离及ＣＯ变换制氢：对经过换热生产水蒸汽降温后的氢冶金预还原炉尾气，继续进行除尘、换热、袋滤、洗涤、脱硫、ＣＯ变换、气体分离，回收氢、二氧化碳、纳米碳黑、氩、和硫；将所回收的工业纯氢，部分馈入氢冶金裂解冶炼炉的氢冷却系统，对氢冶金裂解冶炼炉进行氢冷却和热回收，部分馈入尾气换热系统进行吸热升温，然后再将两部分热氢均回馈给氢冶金预还原炉，富余...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：樊显理，
申请(专利权)人：樊显理，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]