CN101165218A - 一种以太阳能为能源以铁矿石或铁精粉为原料的制钢方法 - Google Patents
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Abstract
一种以太阳能为能源，以铁矿石或铁精粉为原料的制钢方法，属于钢铁冶金领域，特别涉及一种利用太阳能发电，通过蓄能满足电炉炼钢的装置。其基本方案是由光伏电池板(1)，导线(2)、(4)、(6)、(8)、(9)、(10)、(11)、(14)，控制器(3)，计算机(5)，直流稳压器(7)，控温仪(13)，蓄能器(15)，导管(12)、(13)，保护气体瓶(17)，熔盐电解槽(18)，尾气处理(19)构成。由光伏电池板将太阳能转换为电能，然后通过控制器和直流稳压器将电能供给给电解槽，不同容量的光伏电池板可满足不同容量熔盐电解槽的能量需求。采用最充足最清洁的能源介质进行制钢，减少了全球对矿物资源开采进行发电，减少了CO2排放。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，特别涉及一种以太阳能为能源、以铁矿石或铁精粉为原料的制钢方法。
背景技术
我国钢铁工业发展取得了良好的成绩，能耗和排放等仍是急待解决的问题。传统钢铁工业的生产模式，与环境协调性差，有限的自然资源难于维持传统钢铁工业长期稳定的发展；钢铁生产伴随着沉重的环境负荷，现行的钢铁生产消耗大量的自然资源和能源，伴随着沉重环境负荷，控制钢铁工业中碳消耗量，减少CO2的排放量是钢铁工业可持续发展的必由之路，解决途径可从开源与节流两方面着手，积极发展新能源的利用是开源的一个重要研究方向。
现行的钢铁生产技术是一种涉碳技术，就能源介质而言，炼钢生产的“涉碳”的历史，甚至可以追溯到三千年以前的冶铁技术的萌芽时期。炼钢生产将若干万年前光合作用固化的碳素以CO2的形式重新释放于大气中。这是一种快速释碳的过程，对亿万年形成的碳循环造成冲击。
在钢铁工业中，碳是主要的还原介质和能源载体，用于氧化物的还原和提供热能两个方面：前者主要是化学消耗，后者主要是物理热的转化，而所消耗的碳元素，最终大部分都以CO2的形式排放出来。按现行的火法工艺，过程的物理能耗理论上的极限值是1600℃钢的热焓值，约取为1.3GJ/t或45kgce/t。考虑铁的氧化物还原，若全部为FeO的直接还原反应，每还原1吨铁元素，还原需消耗214kg碳素；考虑到反应吸热，过剩系数和能量的回收，每冶炼一吨粗钢消耗碳素约600～700kg，生成CO2约为1800～2000kg。
太阳能是当前地球上最丰富的能源。一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1013千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。我国属于太阳能资源丰富的国家之一。
太阳能光伏发电技术是当前最清洁的能源技术。太阳能光伏发电技术是利用光电材料的光电转换效应，将太阳光线的辐射能量直接转换为电能的技术。这个转换过程是以电子为介质的物理过程不涉及化学反应，转换过程涉及的时空尺度非常小。
利用光伏效应将太阳能直接转换为电能，用以满足生产所需要的能量需求，这对碳循环造成的影响微乎其微。
太阳能光伏炼钢概念的技术难点在于太阳能光伏发电与制钢的能量的合理匹配，即清洁能源利用与制钢两个技术的融合。
发明内容
本发明目的在于实现光伏炼钢概念，在钢铁生产过程中直接使用清洁能源，即以铁矿石或铁精粉为原料，通过太阳能光伏发电，利用电能加热并转换为化学能，将铁的盐类熔融并作为电解质进行电解，以提取和提纯铁，然后加热熔化得到粗钢的冶金过程。
此外，太阳能光伏炼钢概念与传统钢铁生产过程部分使用清洁能源有着本质的区别，熔盐电解过程中所需要的能量全部来自于由太阳辐射能经光电转换技术所直接转化的电能，过程中不涉及化学反应和排放；而且电能的产生，输送不与现有的电力电网相连接，其目的是使制钢过程不涉及化石能源和碳的消耗，追求CO2的排放最低。
本发明是一种以太阳能为能源以铁矿石或铁精粉为原料的制钢方法，包括光伏发电系统和熔盐电解装置，光伏发电系统由光伏电池板、太阳能控制器、蓄能器组成，熔盐电解装置由计算机、直流稳压器、控温仪、导管、保护气体瓶、熔盐电解槽、尾气处理装置构成。
整个制钢系统由光伏电池板1，导线2、4、6、8、9、10、11、14，控制器3，计算机5，直流稳压器7，控温仪13，蓄能器15，导管12、13，保护气体瓶17，熔盐电解槽18，尾气处理19构成。
导线2连接光伏电池板1和控制器3、导线4连接控制器3和计算机5，导线6连接计算机5与直流稳压器7，导线8连接控制器3和直流稳压器7，导线9连接直流稳压器7和熔盐电解槽18阳极，导线10连接直流稳压器7和熔盐电解槽18阴极，导线11连接控温仪13和熔盐电解槽18，导线14连接控制器3和蓄能器15，导管12连接保护气体瓶17和熔盐电解槽18，导管16连接熔盐电解槽18和尾气处理19。
光伏发电系统与熔盐电解的说明如下：
1、光伏发电系统
太阳能光伏发电系统由光伏电池板、太阳能控制器、蓄能器组成。各部分的作用为：
(1)光伏电池板：光伏电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄能器中存储起来，或推动负载工作。光伏电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本；
(2)太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄能器起到过充电保护、过放电保护的作用。当光伏发电系统工作环境温差较大时，可以进行温度补偿。
(3)蓄能器：作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
2、熔盐电解装置
电解装置用直流稳压电源控制电解电压，用计算机记录电解过程中电流的变化，用输送电解电能的阴极和阳极和熔盐电解槽来进行电解。
原料为Fe2O3粉末，在添加一定比例的粘结剂后，在一定压力下压制成片(直径约15mm，厚2～3mm)。Fe2O3片悬挂在电极引线上作为阴极，石墨棒为阳极，在高纯Ar气体的保护，合适的槽电压和温度下在熔盐电解槽中进行电解。尾气用浓硫酸吸收。电解后，将阴极片冷却至室温后取出，用蒸馏水冲洗，低温烘干。
3、电解机理：
(1)Fe2O3压片的晶粒间存在一定的间距，在熔盐中进行电解时，熔盐渗入晶粒间的空隙，增加了阴极片的导电性。
(2)阴极上进行的反应为：Fe2O3+2e→Fe+O2-
(3)阳极上进行的反应为：O2-_2e→1/2O2↑
(4)总反应：Fe2O3(固态，阴极)→Fe(阴极)+1/2O2(阳极)
(5)Fe2O3的电还原反应自压片外向内进行直至全部变为金属Fe。
(6)熔体是一种铁化合物的盐。
(7)为了防止在阴极上发生置换反应，要求电解质必须纯净。
电极电势较Fe为正的杂质将不溶解，而电极电势较Fe为负的杂质，虽溶解于熔盐内，但不能在阴极析出，从而起到提纯的作用。电解的过程中，阳极产生氧气，无其他有毒有害气体产生。
整个制钢系统，通过调整太阳能光伏电池容量大小满足不同容量熔盐电解槽所需要的能量。
太阳能光伏发电系统通过控制器直接与熔盐电解槽相联。
本发明的主要要点如下：
(1)以太阳能为能源，以铁矿石或铁精粉为原料的制钢方法。
(2)整个制钢过程需要的能量全部来自于由太阳辐射能经光电转换技术所直接转化的电能。
(3)技术难点在于清洁能源利用与制钢两个技术的融合。
附图说明
图1为本发明系统流程图
具体实施方式
制钢系统由由光伏电池板1，导线2、4、6、8、9、10、11、14，控制器3，计算机5，直流稳压器7，控温仪13，蓄能器15，导管12、13，保护气体瓶17，熔盐电解槽(18)，尾气处理19构成。
导线2连接光伏电池板1和控制器3、导线4连接控制器3和计算机5，导线6连接计算机5与直流稳压器7，导线8连接控制器3和直流稳压器7，导线9连接直流稳压器7和熔盐电解槽18阳极，导线10连接直流稳压器7和熔盐电解槽18阴极，导线11连接控温仪13和熔盐电解槽18，导线14连接控制器3和蓄能器15，导管12连接保护气体瓶17和熔盐电解槽18，导管16连接熔盐电解槽18和尾气处理19。
电解装置用直流稳压电源控制电解电压，用计算机记录电解过程中电流的变化，用输送电解电能的阴极和阳极和熔盐电解槽来进行电解。
原料为Fe2O3粉末，在添加一定比例的粘结剂后，在一定压力下压制成片(直径约15mm，厚2～3mm)。Fe2O3片悬挂在电极引线上作为阴极，石墨棒为阳极，在高纯Ar气体的保护，合适的槽电压和温度下在熔盐电解槽中进行电解。电解后，将阴极片冷却至室温后取出，用蒸馏水冲洗，低温烘干。
尾气用浓硫酸吸收。
Claims (1)
1.一种以太阳能为能源以铁矿石或铁精粉为原料的制钢方法，包括光伏发电系统和熔盐电解装置，其特征在于光伏发电系统由光伏电池板、太阳能控制器、蓄能器组成，熔盐电解装置由计算机、直流稳压器、控温仪、导管、保护气体瓶、熔盐电解槽、尾气处理装置构成；整个制钢系统由光伏电池板(1)，导线(2)、(4)、(6)、(8)、(9)、(10)、(11)、(14)，控制器(3)，计算机(5)，直流稳压器(7)，控温仪(13)，蓄能器(15)，导管(12)、(13)，保护气体瓶(17)，熔盐电解槽(18)，尾气处理(19)构成；导线(2)连接光伏电池板(1)和控制器(3)、导线(4)连接控制器(3)和计算机(5)，导线(6)连接计算机(5)与直流稳压器(7)，导线(8)连接控制器(3)和直流稳压器(7)，导线(9)连接直流稳压器(7)和熔盐电解槽(18)阳极，导线(10)连接直流稳压器(7)和熔盐电解槽(18)阴极，导线(11)连接控温仪(13)和熔盐电解槽(18)，导线(14)连接控制器(3)和蓄能器(15)，导管(12)连接保护气体瓶(17)和熔盐电解槽(18)，导管(16)连接熔盐电解槽(18)和尾气处理(19)；电解装置用直流稳压电源控制电解电压，用计算机记录电解过程中电流的变化，用输送电解电能的阴极和阳极和熔盐电解槽来进行电解；原料为Fe2O3粉末，在添加粘结剂后，压制成Fe2O3片，Fe2O3片悬挂在电极引线上作为阴极，石墨棒为阳极，在高纯Ar气体的保护下，在熔盐电解槽中进行电解，尾气用浓硫酸吸收，电解后，将阴极片冷却至室温后取出，用蒸馏水冲洗，低温烘干；整个过程是利用电能加热并转换为化学能，将铁的盐类熔融并作为电解质进行电解，以提取和提纯铁，然后加热熔化得到粗钢的冶金过程。
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| CN101906646A (zh) * | 2010-07-21 | 2010-12-08 | 东北大学 | 一种熔盐电解铁矿石制取金属铁的方法 |
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| CN108505071A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-09-07 | 武汉大学 | 抗热烧结团聚及氧化的纳米铁及其制备方法 |
| CN115572975A (zh) * | 2022-10-13 | 2023-01-06 | 深圳市中冠环保科技有限公司 | 盐酸氯化铜蚀刻废液回收再利用方法及装置 |
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2007
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