CN101701274A - 氢冶金 - Google Patents

Abstract

“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”进行烃、氢等离子体裂解天然气、或煤层气、可燃冰气化气、以及褐煤等高含氢煤制氢，兼海绵铁熔融终还原生产出铁水；“氢冶金回转窑”对铁精矿粒料实施氢高温或低温快速还原，生产海绵铁反馈氢冶金冶炼裂解炉，实现氢冶金工艺循环连续生产。氢冶金尾气高温水蒸气电解制氢，作为氢冶金补充氢源，和汽车氢能源化氢源；高效、低耗、节能、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放均趋近于零。

Description

氢冶金

技术领域

本发明涉及氢冶金和氢能源生产，特别涉及炼铁生产与节能、减排。

背景技术

巨型高炉炼铁仍是当前主流冶金技术，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、焦煤资源匮乏、能耗高、吨铁2吨以上的碳排放严重破坏大气环境，随着地球变暖问题日益突出，高炉炼铁势必成为众矢之的。

COREX煤熔融还原，是当前新兴冶金技术的代表，不用焦碳也能炼出好铁，但其总能耗、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炼铁，不用焦炭效率也很高、10分钟内就能生产出粒铁、有世界第三代炼铁技术之称。但大规模产业化有一定困难，年产500万吨铁水，须要建造直径60米的巨型转底炉10余座，每座都只能处理一二寸厚的矿料层、还要维持不同区段1300℃以上高温，散热面积过大，热效率过低，维持正常运转有一定难度，且碳排放问题依然存在。

铁精矿超细粉体低温快速还原，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冶金技术中最低的。但碳排放仍是问题。

为此本发明人，曾提出了200610106689.1号专利申请，该专利申请在世界冶金技术中率先明确提出了“一种天然气裂解氢冶金方法及设备”的氢冶金技术。指明了当代冶金工业的发展方向。是一项可以行得通的技术。但我们的科学探索并未停止，本发明就代表了我们新的研究成果，但并未否定前一专利，也未使之过时，而是重大方向上的实用创新发展。

本发明之中心目的仍在于力争解决全球钢铁工业的碳排放问题、节能问题、和能源解决方向问题。这三大问题将是未来10年之内，全球冶金工业必须解决，而且不得不去解决的，事关冶金企业生死存亡的关键问题。冶金工业，汽车运用，石化燃料发电，每年排入大气中的二氧化碳达数十亿吨之多，如果在50年内地球平均气温上升3～5℃，那将给人类带来有史以来的最大灾难。要解决这一问题只有氢能源、氢冶金、节能、减排这条出路，别无他途。

本发明综合吸收上述所有各项冶金技术原理的优点，将其融会于本发明“氢冶金”所述各项方法中，并力争有所发展来克服其缺点，解决其所无法解决的新问题，使之形成实实在在行之有效的成套新冶金方法来达到本发明之目的。

发明内容

本发明之“氢冶金”，其原理是建筑在如下4项客观科学原理之上：

1，CH₄→2H₂+C：即天然气、煤层气、煤地下气化气、可燃冰气化气，等烃类燃气的电弧等离子裂解制氢，同时可以获得高附加值的纳米碳黑，而二氧化碳排放趋近于零；

2，Fe₂O₃+3H₂→2Fe+3H₂O，即用氢还原铁的氧化物获得金属铁和水蒸气，而二氧化碳排放趋近于零。

以上两条，就从根本上，使得两步法氢冶金技术，能全过程实现二氧化碳排放均趋近于零；从而使得钢铁工业摆脱碳排放，这个困扰当今世界的世纪性难题，成为可能。

本发明人的200610106689.1号专利申请，也的确提出了一套能实现超大规模产业化的，具体而切实可行的技术方案和能保证该方案能够真正执行的设备结构设计。但是我们近20年的科研实践经验  深知这还是不够的。因为，在可燃冰获得工业化开发之前，天然气也是一项紧俏而宝贵的能源。要大量用于炼铁，大家都有些感到为难。因而本发明人，通过本发明，再加上了以下两条原理和方向，来加强解决其来源问题，这就是；

3，氢冶金高温电解水蒸气制氢：

即：2H₂O→2H₂+O₂，或2H₂O→4H++4e+O₂，4H++4e→2H₂，

经氢冶金的大量实验研究，发现在烃等离子体裂解制氢和氢高温快速还原过程中，要产生大量1200℃以上超高温尾气。由于冶金工业的巨大集中规模，这种超高温尾气的能量足以与核反应堆所能提供的热能相匹敌。若按当前冶金企业传统方法，通过尾气锅炉产生蒸汽用于推动汽轮机再由汽轮机带动发电机发电，再将电力用于冶金，则其最终热效率仅为25％左右。若用其产生的高温蒸汽，设施电解高温水蒸气制氢，最终热效率则可提高到50％以上。在氢冶金工程中，若将其所制得的氢，作为氢冶金的补充氢源，则可以把天然气的用量由200立方米/吨铁，减少到80立方米/吨铁；若在水能风能等可在生资源非常丰富的地方，这更具有非常重要的意义。因为它还有可能利用洪水高峰期和季风旺盛期，当前无法利用的国家计划外风能和水能发电能力，用于超大规模电解制氢储存起来，全年均衡利用。为发展氢冶金和氢能源汽车提供廉价氢源。从而  可以把全球的这两种(水能和风能)可再生资源挖潜，提高一倍。这是更一项了不起的潜力。高温水蒸气电解制氢，每立方米耗电仅2～3kw.h，也比当前碱性电解槽水电解制氢，每立方米氢耗电4.5～5.5kw.h，要节能50％以上。这项技术发明于70年代，至今未得到发展，是因为没有足够大量的低成本高温蒸气来源。大家还在等待受控热核时代的到来。今天氢冶金和中国世界首屈一指的高峰低谷洪期国家计划外水能资源，提供了这种能量和机遇。

4，煤的氢等离子裂解制氢：

煤→挥发份+C

挥发份→H₂+CH₄+C₂H₂+C₂H₄+CO+...

CH₄→C+2H₂

C₂H₂→2C+H₂

C₂H₄→2C+2H₂

...

这就是，用氢等离子体高温裂解褐煤等高含氢煤制氢的原理。这就为煤进入氢冶金领域开辟了一条蹊径。

其实，上述原理2，早已由世界各地的天然气重整制氢生产海绵铁，的百万吨级大工业生产和碳化铁的工业化试验所证实。但可惜这些方法，没有同时实施原理1，也没有利用原理3，和原理4，而实施了天然气水蒸气重整制氢CH₄+2H₂O→3H₂+CO₂，以致虽然实现了天然气冶金，甚至氢冶金，而且规模至今很大，且每吨海绵铁消耗天然气350～450立方米之多，比本发明每吨海绵铁消耗天然气60～200立方米，高出50％以上，但其大量二氧化碳排放，在今天更成了这些方法的致命缺点。

有鉴于此，本分明的具体内容则是：

1，一种氢高温快速还原冶金法，其特征在于：

1，一种氢高温快速还原冶金法，其特征在于：

(1)用烃、或氢作直流等离子体的工作气体，用“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”，作为等离子裂解炉兼熔融还原炉，既完成裂解天然气、或煤层气、地下煤制气、可燃冰气化气、以及褐煤等高含氢煤制氢的任务；又完成海绵铁熔融终还原生产铁水的任务；同时产生超高温富氢尾气，直接输送给“氢回转窑”作还原剂；

即用80～250m3/吨铁水的比例的天然气、或相应含氢量的煤层气、地下煤制气、可燃冰气化气、以及100～200Kg褐煤等干燥高含氢煤微粉(≤200目)，通过“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”空心电极的中心孔加入其直流等离子弧弧心，实现等离子弧高温裂解制氢，供给“氢回转窑”；同时通过闭锁料斗系统及“氢冶炼裂解炉”的加料孔将海绵铁加入其熔融饱和含碳铁液中，实现海绵铁熔融终还原，生产出铁水；反应压力控制为1～5Mpa；

在这里，氢冶金已不再单纯依靠天然气了。既推出了天然气及可燃冰裂解氢冶金技术，也推出了煤层气裂解氢冶金技术、地下煤制气裂解氢冶金技术，还推出了褐煤裂解氢冶金技术。应该说氢冶金的能源问题，已经得到较全面的解决。

(2)用“氢回转窑”作高温快速还原炉，对铁精矿粒料进行1200～1400℃的富氢高温高压快速还原生产海绵铁，作为“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”熔融还原生产铁水的原料；即用“氢回转窑”对粒径为2～10mm的铁精矿粒料，包括用粒径＜1mm的铁精矿粉制粒得到的2～10mm的铁精矿粒料，进行1200～1400℃，0.5～3Mpa的高温高压还原，在60分钟内生产出还原度≥70％海绵铁，反馈给“氢冶炼裂解炉”，形成氢冶金工艺循环连续生产；

在这里，按照本项发明，原料入炉，10～20分钟内，就能生产出高还原度的海绵铁。氢冶金的效率问题，也已经在技术上取得了突破。之所以能快，一是用氢还原，又于氢具有极高的扩散系数，即使在818℃以下，氢还原氧化铁的速度仍高于一氧化碳5倍左右，在818℃以上则又是更为明显，这是因为温度高于325℃时，Fe₂O₃，和Fe₃O₄，可以直接还原成Fe，而不必经过FeO阶段；二，是在本发明的氢还原炉中，由于密封性好，还原压力通常在1～3Mpa范围，其还原速度远比常压下高得多；三，是采用小于1mm以下的铁精矿粉，而大多数情况下是采用200目占90％的铁精矿微粉；四是采用1200℃以上高温；这4项条件就保证了本发明具有极高的超乎寻常的高还原速度。

(3)通过尾气处理系统，对“氢回转窑”尾气进行换热降温、重力除尘、袋滤、回收碳黑；再经洗涤、脱硫、CO转换、分离回收氢、氩和CO2；同时尽可能利用“氢还原炉”尾气换热降温时产生的高温蒸气，进行高温水蒸气电解制氢，作为氢还原海绵的补充氢源，以尽可能减少天然气、或煤层气、地下煤制气、可燃冰气化气、以及褐煤等高含氢煤的用量；若用褐煤等高含氢煤制氢实现氢冶金时，则必进行高温水蒸气电解制氢，或以煤层气、煤热解气(焦炉煤气类)等作为等离子工作气体；

这里，已把水能、风能制氢，作为氢冶金，的重要氢源。这样，除可以将还原系统，天然气等石化燃料消耗减少到80～100立方米/吨铁的超低水平外。还可产生大量富余氢，以能源氢的形式供应市场作为氢能汽车能源。使冶金企业由单纯能源消耗大户，转变成为氢能源供应大户。但须要明确的是，归根结底这种能源是来自水力和风力电站较为廉价的电力，通过本系统的功能转化成了能源氢。在实施中请一定要加以注意，及时调整工艺运行参数，比如适当增加海绵铁产量或增加氢的循环量以增加高温蒸汽电解量等，否则达不到此目的。同时，实施本发明，选址是极为重要的决策；

(4)将上述回收和电解制氢所得工业纯氢，馈入“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”的氢冷却系统，进行氢冷却和热回收，氢被预热后回馈“氢回转窑”。

这也是一项冶金工业上从未实施过的节能冶金技术。它可以在保证“空心电极直流等离子电弧炉”长时间高可靠安全运转的同时，使其大量散发出来的热能，得以回收利用。

2，一种纯氢低温快速还原冶金法，其特征在于：

(1)用烃、或氢作直流等离子体的工作气体，用“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”，作为等离子裂解炉兼熔融还原炉，既完成裂解天然气、或煤层气、地下煤制气、可燃冰气化气、以及褐煤等高含氢煤制氢的任务；又完成海绵铁熔融终还原生产铁水的任务；同时产生超高温富氢尾气，馈送尾气处理系统；

(2)用“氢回转窑”作低温快速还原炉，对粒度＜0.1mm的铁精矿微粉，或用该铁精矿微粉制造的粒径为2～10mm的铁精矿粒料，实施700～1200℃，的纯氢低温快速还原，在1小时内生产出还原度＞90％海绵铁，返馈氢“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”，形成氢冶金工艺循环连续生产；

(3)利用“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”和“氢回转窑”的高温尾气换热降温生产的高温蒸气，进行高温水蒸气电解制氢；再进一步对其尾气进行重力除尘、袋滤、洗涤、脱硫、CO转换、回收工业纯氢、氩、碳黑和二氧化碳；

(4)将上述电解制氢所得工业纯氢和回收，馈入“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”的氢冷却系统，进行氢冷却和热回收，氢被预热后回馈“氢回转窑”。

3，一种“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”，其特征在于：

(1)“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”，是一种用烃或氢作等离子工作气体，带有前炉及高保温液压陶瓷滑阀式水口、和或渣口的高压空心电极直流等离子电弧炉；

(2)“炉体、炉盖为双层氢冷却结构，用优质低碳结构钢或低碳奥氏体不锈钢制造，其氢冷强度以最里层耐火砖温度保持1100℃以下为准，以热电偶进行监控和闭环自动控制；炉体、炉盖间及所有外连接口，均用铜皮夹柔性石墨板密封，炉整体工作耐压10Mpa以上，不漏氢；

(3)“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”的空心电极，是用高密高强等静压石墨材料、或Ti3SiC2层状陶瓷材料制造、或以优质超高功率石墨电极加工制造，每截两端装有准进不准出的同向“单向阀”；

(4)以“氢冷电极绝缘定位集电密封装置”取代普通电弧炉的耐火砖电极孔、导电横臂、电极挟持器；以直接安装在炉盖上的“氢冷环形油缸升降装置”取代普通电弧炉炉体侧置升降油缸装置；

(5)设前炉；及高保温液压陶瓷滑阀式水口、和或渣口；

4，一种“氢回转窑”，其特征在于：

(1)“氢回转窑”是一种既可以实施铁精矿粒料1200～1500℃高温，0.5～3Mpa高压快速还原的“氢高温高压快速还原炉”；又是一种可以实施铁精矿微粉与铁精矿微粉粒料600～1200低温快速还原的的“氢低温高压快速还原炉”；

(2)“氢回转窑”由窑头、窑身、窑尾三大部件组成，相互间以圆柱面精密配合，其外壳均由抗氢脆的低碳奥氏体不锈钢制造；窑头与窑身钢壳，窑身与窑尾钢壳，除以径向和轴向耐高温轴承相互支承定位外，还以碳化硅陶瓷纤维密封环、柔性石墨密封环、聚四氟乙烯密封环进行低温组合密封，并在内外低温密封环组之间，以高于炉内压力的氩气进行气压密封，并用氢漏监测仪表进行监控和闭环自动控制和报警；窑身两端头，窑头与窑身、窑身与窑尾，相互间为氮化硅或氮化硼纤维增韧氮化硅圆柱精密偶合运动副，并以碳化硅陶瓷纤维密封环和柔性石墨密封环组合，进行高温密封；窑头、窑尾采用炼钢转炉转轴结构，使整个炉窑的倾角可以在5度范围内调整；

(3)“氢回转窑”是用碳纤维作发热体的电阻加热窑；筒身钢壳内保温层与最里耐火层之间，为一用用碳纤维作发热体，用氮化硅或氮化硼纤维增韧氮化硅陶瓷整体包覆碳纤维发热体烧结制成筒形电加热元件，用绝缘钼导体作引出线，引出筒体外表，与铜滑环相连接，铜滑环与钢外壳绝缘，接受外输入电源；整个炉身筒形电加热元件分三段构成，相互连接，而又可单独加电，可分别控制加热温度，最高加热温度1600℃。

(4)用氮化硅结合碳化硅耐火材料，或氮化硼纤维增强氮化硅复合材料制作窑头、窑身、窑尾最里层防粘结内衬，炉身中部和尾部设扬料筋；紧贴窑头、窑身、窑尾钢壳内表，设粒状陶瓷纤维浇注料，或氮气吹制的陶瓷空心球浇注料制作的隔热保温层。

5，根据权利要求3所述的一种“电极绝缘定位导向集电密封装置”，其特征在于：

(1)用氮化硅或氮化硼纤维增强氮化硅制作绝缘定位环体，用纯铜制作集电冷却环体、两者精密配合组成基本构架并用氢进行冷却；

(2)用陶瓷纤维密封环和柔性石墨密封环组成的组合密封环串，构成该装置与石墨电极，该装置与炉盖之间的内外密封；

(3)用高品质的柔性石墨密封环串，作为纯铜质集电环与石墨电极之间的导电、导热、密封介质。

6，如权利要求2所述的一种“环形油缸升降装置”其结构特征如下：

(1)上下抱闸：其结构与作用原理与现有矿热炉上下抱闸相同，特点是用抗燃液压液驱动动的摆动油马达进行抱闸和松闸；

(2)用抗燃液压液驱动动的环形液压油缸取代普通升降液压油缸。并用氢冷却油缸内环；

7，如权利要求2所述的一种“氢冶炼裂解炉”的“空心电极单向阀”，其特征是：

“电极单向阀”由阀体、阀芯、弹簧、弹簧座等4个零件构成，除弹簧用非磁性耐热不锈钢制造外，其余零件该用与石墨电极相同材料制造，其备选材料为镍白铜，“电极单向阀”与石墨电极之间用锥管螺纹进行连接和密封。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)整个冶金和能源生产过程，可以做到二氧化碳排放趋近于零。

(2)本发明是一项氢冶金兼氢能源生产新技术，还可以使冶金企业由单纯能源消耗大户，转变成为氢能源供应大户。

(3)效率高，原料入炉不出1小时就能冶炼出优质铁水，而现有的焦炭高炉和煤熔融还原炼铁，都在8小时以上，这就为高效节能打下了基础；

(4)节能，本发明炼铁吨铁能耗，在没有高温水蒸气电解制氢条件下，纯粹用天然气裂解制氢，则天然气消耗量为200立方米/吨铁，电力＜1200kw.h，总能耗低于12GJ，但总能耗仍比当前高炉和煤熔融还原吨铁总能耗18GJ，节能30％以上。当实施水蒸气电解制氢时，随着补氢量的增加，天然气用量相应可减少，直到到80立方米，此时电力总消耗可能高达1800kw.h，但总能耗仍在10GJ以内，比高炉炼铁节能40％以上，实际上比单纯用天然气和电力更节能。

(5)产品品质好，氢冶金是现有冶金技术中根本不用煤，或用煤最少，因此在用相同品质矿石的情况下，氢冶金不用采取特别的脱硫脱磷措施，其产品的硫磷砷铅含量，都是现有各种炼铁流程中最低的。这将大大提高后续炼钢流程的效率、减少材料消耗、提高终产品质量，降低终产品成本。

(6)由于氢冶金在解决事关人类命运的碳排放问题上处于世界领先位置，一旦实现产业化，必将迅速普及，由于其流程短、效率高、产品质量好、成本低，肯定在全世界具有良好的发展前景。

附图说明

图1氢高温快速还原冶金法工艺流程示意图

图2纯氢低温快速还原冶金法工艺流程示意图

图3“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”结构示意图

图4“氢回转窑”结构示意图。

图5“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”的“电极绝缘定位集电密封装置”结构示意图。

图6“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”的“电极环形油缸升降装置”结构示意图。

图7“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”的“空心电极单向阀”结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例作本发明具体实施方式的进一步的说明：

图1是氢高温快速原冶金法流程示意图，

(1)据图可以看出，“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”(为叙述方便，以下简称冶炼裂解炉)，既作为海绵铁快速熔融终还原生产铁水的设备，也是等离子裂解天然气等以制氢的设备，其产生的氢气以尾气形式直接输送给氢回转窑(为叙述方便，以下简称冶炼裂解炉)，对铁精矿粒料进行氢预还原；这是将氢冶炼裂解炉的尾气管与氢还原炉的进气管直接连通实现的；同理，可将氢冶金还原炉的排料管与氢冶炼裂解炉的进料管直接连通；将氢还原炉的尾气处理系统中的氢输出管与氢冶炼裂解炉的氢冷却系统进气管连通；而将氢冶炼裂解炉的氢冷却系统出气管与氢还原炉的进气管连通，构成工艺循环，实现氢冶金的连续生产；

(2)按每吨铁精矿粒料配50～130立方米天然气或含有等量氢的煤层气，煤地下气化气、可燃冰气化气等烃类燃气，或70～130kg褐煤等高含氢干煤粉的配比，将铁精矿粒料通过闭锁料斗系统加入氢还原炉，而天然气等则通过氢冶炼裂解炉的空心电极，以10～60分钟输完的平均速度输入氢冶金还原炉和氢冶炼裂解炉。而氢冶金还原炉的炉温控制在1200～1400℃范围，60分钟时间之内，即可从冶炼裂解炉的前炉，输出优质铁水；当输入高含氢煤粉时，必须以氢为等离子载气，其输入量为每公斤碳粉1～4立方米，其来源就是本系统尾气锅炉高温蒸汽低能耗电解制氢。

本发明是真正的氢冶金，应尽可能利用水力、风力资源丰富的地区高峰低谷富余廉价电力，挖掘本冶金系统潜力，大规模电解高温水蒸气制氢，作为氢冶金补充氢源，就可把天然气加入量，由150～200立方米/吨铁，减至80～100立方米/吨铁。过程的二氧化碳排放总量，也可以做到吨铁低于50kg的趋近于零的超低水平；或者加大循环氢的循环量，并保持其温度控制参数不变，则可大大增加水蒸气电解氢的产量，成为氢能源生产供应大户。用这种可再生资源，是达到本发明之目的，减少冶金工业碳排放的最佳手段。

此时裂解产生的碳黑，有可能全部进入熔融高温铁液，成为铁液中的溶解碳，制造饱和含碳铁液，为海绵铁的快速熔融终还原，生产铁水创造非常良好的反应条件，而不会成为碳黑。氢冶炼裂解炉有了饱和含碳铁液，氧化铁在这种饱和含碳铁液中的熔融还原速度要比在高炉中和竖炉中的气固还原快近百倍，这是本发明高效节能成本低的主要原因之一。

在没有条件实施高峰低谷廉价电力电解水制氢的地方  应用本发明，就只能将天然气加入量提高到150～200立方米/吨铁，此时必然有大量纳米碳黑产生，就必须在尾气处理系统中设置纳米碳黑回收装置，回收这些纳米碳黑。不过这种纳米碳黑在市场上用途广泛，当前贵若黄金，大有可为，不是包袱，而是效益。这又是本发明主产品生铁成本低的又一重要原因。

在没有天然气的地方应用本发明，就只能实施高含氢煤裂解制氢，即用含氢量大于5％的煤，主要是褐煤，洗精选挥发分在50％以上，且灰分硫分特别低的煤粉，并应充分干燥精磨至10～100微米级，加入冶炼裂解炉。但煤热裂解，产生的热解碳，绝大部分不是纳米碳黑，而是焦和普通碳黑。因此，加入量必须受到限制。本发明中把干煤粉的加入量限制为100～200kg/吨铁，而且要以氢或煤层气作等离子载气，当然也可增设干褐煤热解炉，将其尾气作为等离子载气，这些载气的氢含量加上裂解煤粉的含氢量，应足以保证入炉铁矿实现氢预还原。还要控制入炉海绵铁的还原度不能过高，才能以氧化铁矿在炉内铁水中的碳熔融终还原，是消化进入铁水中的焦和碳黑。根据褐煤的灰分，也有可能要加一些熔剂。当然这样一来，二氧化碳排放必然增加，但即使如此，煤裂解氢冶金的二氧化碳排放，也比现有一切炼铁技术低得多。

氢等离子体温度比烃等离子体温度高得多，煤粉在这种等离子体中热解生成的主要产物不是氢和碳黑，而是乙炔和少量碳黑加焦，由于乙炔在高温中不稳定，在容积很大温度很高的氢冶炼裂解炉内将进一步分解为碳黑和氢，但乙炔分解是体积再扩大的反应，氢冶金内体积有限，过高的压力又对裂解和分解不利，因此乙炔分解在炉内难以全部实现，必须转移到体积更大的氢还原炉中去完成，用氢等离子体，把离解碳转化为乙炔再转化为纳米碳黑和氢，这是本发明推出高温高压氢冶炼裂解炉和高温高压氢还原炉联合完成氢冶金流程的重要原因。因此在要实施煤裂解制氢时，氢冶炼裂解炉的尾气管必须与氢还原炉的进气管直接保温连接，并应有足够的流通截面和耐压程度。煤正常裂解产生的碳黑和焦中的一部分，将直接进入熔融高温铁液，成为铁液中的溶解碳，形成饱和含碳铁液，这对海绵铁的快速熔融终还原极为有利。

为了节能和提高效率，氢还原炉的排料口应和氢冶炼裂解炉的进料管直接保温连接。这样就可充分回收高温海绵铁中的焓，显著降低其电耗。

由加料闭锁系统流送到氢还原炉进料口，由推料螺旋再推入炉内的铁精矿粒料，受到高温炉气和氢还原炉电热系统的双重加热将很快达到并保持1200～1350℃的高温，与炉内高温高压氢接触，加以氢还原炉的转动，反应的热力学条件和动力学条件都很良好，加以在如此高的温度下氢还原氧化铁的速度，是煤还原速度的5倍以上，因此，通常10分钟左右铁矿粉的还原度就能达到95％以上。

回转窑类还原设备的通病是容易结圈而造成无法正常工作。本发明充分考虑了这一因素，首先采用氮化硼纤维增强氮化硅复合材料制作防粘结内衬，这两种耐材，对钢、铁、不锈钢、硅、碳等绝大多数金属与非金属熔体和高温体既不湿润又不发生反应，并具有很好的润滑性和很低的摩擦系数；其次本发明中，氢还原炉自身的电加热温度可达1600℃以上，即使发生了结圈，只需暂停供料，并快速升温，就能很快将其熔化排除。当然，还可采用粒度＜0.1mm的铁精矿粒料和800～1000℃的低温还原来防止结圈。

氢的热导率很高，本发明利用这一原理，以系统中回收的纯氢作为氢冶炼裂解炉的外壳和炉衬的冷却剂，并回收氢冶炼裂解炉散发的热量，升温后，以热氢形式进入氢还原炉参与铁精矿粒料还原过程。这一措施不但提高了整个冶金过程的热效率，而且保证了氢冶金冶炼裂解炉炉衬的良好冷却和长寿，也比用水冷却更安全(冷却水漏入炉内常常发生重大事故)、更环保(没有废水当然更环保)；同时作为热载体可以大量生产高温水蒸气，额外增加尾气系统中高温水蒸气电解制氢的产量。

在本发明中，尾气回收系统，包括常用的除尘、洗涤、脱硫、co转换、气体分离装置。不过在本系统中，如果水蒸气高温电解制氢没有实施，其它外部氢源也没有，则必须在重力除尘装置之后，设精细碳黑回收装置，常用设备是精细袋滤器。

本系统中的氩气，主要作为氢冶炼裂炉前炉出铁、出渣、维修时驱赶氢和空气，防止炉内氢和空气混合产生爆炸，是保证氢冶金冶炼裂解炉一年四季连续安全运行的必要条件。当然氢冶炼裂解炉及整个冶金系统维修也要用到氩，氢还原炉的密封系统也要用到。但主要属于循环利用，消耗量不大，回收费用也不高。当然用氩而不用氮，其着眼点仍是环保，是严格控制高温下产生氮的氧化物。这是等离子高温条件下必须注意的。

图1中的虚线则是表明为备选措施。比如增加冷却磁选设备和压块设备，就可以大量生产粒铁，或海绵铁块供应市场。

图2，纯氢高温快速还原冶金流程示意图

纯氢高温快速还原冶金流程特点是：

(1)氢冶金冶炼裂解炉和氢还原炉的高温尾气，首先在尾气锅炉中换热降温，生产高温水蒸气，然后再进入尾气处理系统分离出工业纯氢；

(2)将尾气锅炉中换热降温，生产的高温水蒸汽进行高温水蒸气电解制氢，作为补充氢源以尽可能减少天然气的用量；

(3)以10～100微米级的铁精矿微粉，或以这种微粉制造2～10mm，优选3～7mm的铁精矿微粉粒料，以便在较低的还原温度条件下，在氢还原炉中，进行铁精矿微粉或铁精矿微粉粒料的纯氢快速还原，其还原温度控制为800～1200℃；

实施例一，氢高温快速还原冶金法实施例：

原料：辽宁磁选铁精矿粉，成分：TFe 66％，SiO2 6. ％，S 0.02％，P 0.017％。粒度200目占90％；山西煤层气，成分：CH4 96.52％，CO2 0.45％，N2 3.03％。

将氢还原炉窑头出料管用内衬保温陶瓷的输料管与氢氢冶炼裂解炉炉盖上的加料孔直接连接在一起，按每吨铁矿粉配煤层气230立方米的比例，从氢冶金电弧炉的电极中心孔加入山西煤层气；将其1150℃以上高温的尾气直接导入氢还原炉；并开通氢还原炉电源进行补充加热，保持炉温1300±50℃，压力1Mpa±1Kpa，将辽宁磁选铁精矿粉加2％的皂土作粘结剂制成粒径为3～6mm的已干燥的铁精矿粒料，通过闭锁料斗系统，加入氢还原炉进行预还原，海绵铁的还原度控制在95％以上，直接流入氢冶炼裂解炉进行熔融还原生产铁水，一个小时之内，即可打开氢冶炼裂解炉与前炉之间的液压铁口滑阀放出铁水。无需特别脱硫脱磷措施，硫磷均在0.025％以下。将氢还原炉的尾气进行换热降温除尘洗涤脱硫处理，再进行CO变换，用变压吸附的方法分离H₂，Ar₂，及CO₂。H₂用于继续生产，Ar₂存储起来用于应急处理，每吨铁水的CO₂不超过150公斤，可作商品出售。

实施例二，纯氢低温快速还原冶金法实施例：

原料仍然采用辽宁磁选铁精矿粉和山西煤层气。

由于辽宁磁选铁精矿，在精选富集过程中，已经将铁矿磨细至200目占90％以上，已经是一种10～100微米占90％以上的超细铁精矿微粉，由于氢的渗透能力，远大于CO的渗透力。据实验，在1000℃的高温管式炉中，200目占90％的类似磁铁精矿粉，只需30分钟，还原度就能达到90％以上，故该矿粉，已经适于实施氢冶金低温快速还原。将辽宁铁精矿粉配加3％的膨润土制成3～6mm的粒料干燥后备用。

先将辽宁铁精矿粒料通过闭锁料斗系统，加入正在运行的氢还原炉进行纯氢预还原炉，从水蒸气电解纯氢储存设施中，按每吨铁精矿粒料补氢28kg的比例输入氢冶炼裂解炉氢冷却系统自动转输给氢预还原炉，按炉温1000℃±50℃，炉压1Mpa±0.1Mpa，进行控制，30分钟后，对正在运行的氢冶炼裂解炉，按吨铁配入100立方米煤层气的比例，按每分钟3.5立方米的速度从电极中心孔将煤层气输入电弧炉进行裂解，半小时之内从氢冶金电弧炉前炉放出铁水，经化验，一种含硅量较高的铁水已经冶炼出来，与原有含硅量较低的铁水有较大的区别，因为辽宁铁精矿含硅量较高。

实施例三，一个年产500万吨铁水的带前炉的氢冶炼裂解炉：(图3)。炉膛直径10m，炉膛高度9m，整流器功率200Mw，炉体11及炉盖12的外壳用优质超低碳钢焊接或铸造，保证整个炉体耐压强度＞10Mpa，双层结构，层间分段(炉底段、炉缸段、炉身段、炉盖)设螺旋形冷却氢通道，从每段螺旋的起端和终端分别焊出管道113、115等等，与防暴电磁阀114联用，分别与氢冷却进气总管111和出气总管112连通，并与各段埋设的热电偶相互配合，可以分段用氢冷对其炉衬进行冷却强度控制，特别是要保证炉底、炉缸里层耐火砖116，117工作温度要低于1100℃。钢制炉壳内墙设有保持耐火材料及加强炉壁的凸筋126。炉壳内壁与耐火砖炉衬之间用高热导率高绝缘氮化硅浇注料浇注118。炉盖内层126用碳化硅纤维增强氮化硅结合碳化硅浇注料整体浇注。炉缸、炉身接触铁水与炉渣的内衬117，用模压氮化硅结合碳化硅陶瓷杯砖砌筑。导电炉底铜板电极120之上为3～4层模压超微孔碳砖119，最上层为立砌模压超微孔镁碳砖116，砖缝应小于1mm。导电炉底铜板电极120之下也为氮化硅浇注料浇注。铜板电极用带法兰盘的铜棒15精细焊接引出，也浇注氮化硅浇注料绝缘导热，并随炉底壳一道用氢进行冷却。炉体11与炉盖12之间用不锈钢薄板夹柔性石墨板13进行密封。炉盖设进料孔19和尾气排出口20，其内衬与炉盖内衬用相同耐火材料浇注，并与进料管尾气排出管之间用陶瓷纤维环与柔性石墨环组合密封。炉盖中心设精密加工的电极孔，孔内安装“电极绝缘定位集电密封装置”17。122，123为该装置专用冷却氢通道。电极绝缘定位集电密封装置之上为“电极环形油缸升降装置”16。124，125为该装置专用冷却氢通道。14即是高强高密等静压石墨电极，其整个内外表面都进行过高精度机械加工。它是由多节3m左右的短电极组装而成，每一节的内孔两端均安装有一个同向“电极单向阀”18，保证电炉运行中进行接长时炉内高压氢不至外泄。安装或接长时，应利用单向阀的初始压力，用氩气驱出孔中空气。

前炉2，由“高保温液压陶瓷滑阀式水口”21，炉体22，保温感应线圈23，炉盖24，密封垫25，炉气成分检测仪表26，出气接口27，氩气接口28，铁口29等所组成。前炉的作用在于保证氢冶金电弧炉出铁出渣期间不停炉，而像高炉一样能长时间连续运转。因为氢冶金电弧炉内充满了易燃易爆的高压氢，如果没有前炉，出铁时必须停炉用氩或氮气驱出其中氢气才能出铁或出渣，经常停炉效率就会大大降低。有了前炉，主炉就可长时间连续运转，前炉出铁出渣用氩驱出其中氢气，就不但简便，而且不会影响主炉运行，但关键是要可靠关闭主炉的铁口，氢冶金电弧炉压力高，高出高炉10倍以上。不停炉减压，常规方法很难将铁口渣口关闭，但又的确不可回避。因此本发明设计了一种“高保温液压陶瓷滑阀式水口”21。它是由阀芯管211，保温套212，阀芯杆213，液压缸214，等4大部件所组成的强制性开闭水口兼渣口，当然也可分别设铁口和渣口，甚至设多个铁口和渣口。阀芯管211和阀芯杆213，用氮化硼纤维补强反应烧结氮化硅陶瓷制造，并精密磨削加工。厚厚的保温套212是用低热导率的碳化硅粒状耐火纤维或氮气吹制氧化铝空心球结合氮化硅结合碳化硅陶瓷浇注料制造，以保证阀芯管内铁水不会凝固。

实施例四，一座年产500万吨铁水的氢还原炉(图-4)。炉膛直径8m，炉身长50m。

筒身31，由钢制外壳311，碳化硅粒状耐火纤维氮化硅结合碳化硅陶瓷浇注料浇注的保温隔热层312，“筒形氮化硅电热元件”313，“筒形氮化硅电热元件”的碳纤维发热体314，正极导电滑环315，负极导电滑环316，耐火材料工作内衬317，筒身端头隔热衬318，高温密封环319，耐火材料工作内衬扬料筋320等构成。

窑头32，由钢制外壳321，保温隔热层322，耐火材料工作内衬323(材质与317相同)，进气口324，排料口325，前、后低温密封环326，双向推力陶瓷球轴承327，径向陶瓷滚动轴承组328，高压气密封氩气输入管及压力调整阀329，窑头端盖330等构成。窑头支承轴(类似于炼钢转炉转轴结构)，窑尾支承轴，两轴配合使氢冶金回转窑可以大范围调整工作倾角，

传动装置33，由自带减速器的多速电机331，主动齿轮332，大齿轮333等所组成。

窑尾34与窑头结构基本相同，但没有进气口而有尾气输出口341，没有排料口而有进料口342，以及进料螺旋输送器343。

实施例五，一种氢冶炼裂解炉“电极绝缘定位集电密封装置”(图5)：

氢冶炼裂解炉“电极绝缘定位集电密封装置”，由绝缘定位密封陶瓷环45，高温内密封环组46，端面密封环47，高温外密封环组48，密封垫49，纯铜集电环41，氢冷电缆接头42，冷却氢输出接头43，柔性石墨导电环44等所构成。纯铜集电环与柔性石墨导电环组合，又兼有用氢冷却石墨电极及进一步密封密封石墨电极之功能。

实施例六，一种氢冶炼裂解炉“环形油缸升降装置”(图6)：

氢冶炼裂解炉“环形油缸升降装置”，由下抱闸51，环形升降油缸52，上抱闸53等三大部件构成；其动作原理与普通矿热炉上下抱闸和升降油缸的动作原理相同。

其上下抱闸结构基本相同，由抱闸体511，控制抱闸抱紧和松闸的摆动油马达(用抗燃液压液驱动)512，传递油马达动力的螺杆513，闸瓦块514等构成；

环形升降油缸52，也用抗燃液压液驱动，并用氢对包围石墨电极的环形油缸内环进行冷却，以保证环形油缸的可靠工作。由油缸内壁521，冷却氢进气接头522，冷却氢出气接头523，油缸液压液下管接头524，活塞及活塞杆增件525，油缸外环526，油缸液压液上管接头527，等构成。

实施例七，一种氢冶炼裂解炉“电极单向阀”(图6)氢冶炼裂解炉“电极单向阀”的作用是防止氢冶炼裂解炉内的高压高温氢在停炉和接长电极时通过空心电极倒流、外泄，造成重大事故。由阀体61、阀芯62、弹簧63、弹簧座等64个零件构成，除弹簧用非磁性耐热不锈钢制造外，其余零件该用抗压强度大于90Mpa的高密等静压石墨制造。对装入冶炼裂解炉的每节电极两端均各旋入1只，从上端来看是准进不准出的电极单向阀，并用氩气从上端驱出电极孔内空气，并用氢检测仪检验。

Claims (30)

1，一种氢高温快速还原冶金法，其特征在于：

(1)用烃、或氢作直流等离子体的工作气体，用“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”，作为等离子裂解炉兼熔融还原炉，既完成裂解天然气、或煤层气、地下煤制气、可燃冰气化气、以及褐煤等高含氢煤制氢的任务；又完成海绵铁熔融终还原生产铁水的任务；同时产生超高温富氢尾气，直接输送给“氢回转窑”作还原剂；

(2)用“氢回转窑”作高温快速还原炉，对铁精矿粒料进行1200～1400℃的富氢高温高压快速还原生产海绵铁，作为“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”熔融还原生产铁水的原料；

(3)通过尾气处理系统，对“氢回转窑”尾气进行换热降温、重力除尘、袋滤、回收碳黑；再经洗涤、脱硫、CO转换、分离回收氢、氩和CO2；同时尽可能利用“氢还原炉”尾气换热降温时产生的高温蒸气，进行高温水蒸气电解制氢，作为氢还原海绵的补充氢源，以尽可能减少天然气、或煤层气、地下煤制气、可燃冰气化气、以及褐煤等高含氢煤的用量；

(4)将上述回收和电解制氢所得工业纯氢，馈入“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”的氢冷却系统，进行氢冷却和热回收，氢被预热后回馈“氢回转窑”。

2，一种纯氢低温快速还原冶金法，其特征在于：

(1)用烃、或氢作直流等离子体的工作气体，用“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”，作为等离子裂解炉兼熔融还原炉，既完成裂解天然气、或煤层气、地下煤制气、可燃冰气化气、以及褐煤等高含氢煤制氢的任务；又完成海绵铁熔融终还原生产铁水的任务；同时产生超高温富氢尾气，馈送尾气处理系统；

(2)用“氢回转窑”作低温快速还原炉，对粒度＜0.1mm的铁精矿微粉，或用该铁精矿微粉制造的粒径为2～10mm的铁精矿粒料，实施700～1200℃，的纯氢低温快速还原，在1小时内生产出还原度＞90％海绵铁，返馈氢“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”，形成氢冶金工艺循环连续生产；

(3)利用“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”和“氢回转窑”的高温尾气换热降温生产的高温蒸气，进行高温水蒸气电解制氢；再进一步对其尾气进行重力除尘、袋滤、洗涤、脱硫、CO转换、回收工业纯氢、氩、碳黑和二氧化碳；

(4)将上述电解制氢所得工业纯氢和回收，馈入“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”的氢冷却系统，进行氢冷却和热回收，氢被预热后回馈“氢回转窑”。

3，一种“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”，其特征在于：

(1)“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”，是一种用烃或氢作等离子工作气体，带有前炉及高保温液压陶瓷滑阀式水口、和或渣口的高压空心电极直流等离子电弧炉；

(2)“炉体、炉盖为双层氢冷却结构，用优质低碳结构钢或低碳奥氏体不锈钢制造，其氢冷强度以最里层耐火砖温度保持1100℃以下为准，以热电偶进行监控和闭环自动控制；炉体、炉盖间及所有外连接口，均用铜皮夹柔性石墨板密封，炉整体工作耐压10Mpa以上，不漏氢；

(3)“带前炉的氢冷高压直流空心电极电弧炉”的空心电极，是用高密高强等静压石墨材料、或Ti3SiC2层状陶瓷材料制造、或以优质超高功率石墨电极加工制造，每截两端装有准进不准出的同向“单向阀”；

(4)以“氢冷电极绝缘定位集电密封装置”取代普通电弧炉的耐火砖电极孔、导电横臂、电极挟持器；以直接安装在炉盖上的“氢冷环形油缸升降装置”取代普通电弧炉炉体侧置升降油缸装置；

(5)设前炉；及高保温液压陶瓷滑阀式水口、和或渣口。

4，一种“氢回转窑”，其特征在于：

(1)“氢回转窑”是一种既可以实施铁精矿粒料1200～1500℃高温，0.5～3Mpa高压快速还原的“氢高温高压快速还原炉”；又是一种可以实施铁精矿微粉与铁精矿微粉粒料600～1200低温快速还原的的“氢低温高压快速还原炉”；

(2)“氢回转窑”由窑头、窑身、窑尾三大部件组成，相互间以圆柱面精密配合，其外壳均由抗氢脆的低碳奥氏体不锈钢制造；窑头与窑身钢壳，窑身与窑尾钢壳，除以径向和轴向耐高温轴承相互支承定位外，还以碳化硅陶瓷纤维密封环、柔性石墨密封环、聚四氟乙烯密封环进行低温组合密封，并在内外低温密封环组之间，以高于炉内压力的氩气进行气压密封，并用氢漏监测仪表进行监控和闭环自动控制和报警；窑身两端头，窑头与窑身、窑身与窑尾，相互间为氮化硅或氮化硼纤维增韧氮化硅圆柱精密偶合运动副，并以碳化硅陶瓷纤维密封环和柔性石墨密封环组合，进行高温密封；窑头、窑尾采用炼钢转炉转轴结构，使整个炉窑的倾角可以在5度范围内调整；

(3)“氢回转窑”是用碳纤维作发热体的电阻加热窑；筒身钢壳内保温层与最里耐火层之间，为一用用碳纤维作发热体，用氮化硅或氮化硼纤维增韧氮化硅陶瓷整体包覆碳纤维发热体烧结制成筒形电加热元件，用绝缘钼导体作引出线，引出筒体外表，与铜滑环相连接，铜滑环与钢外壳绝缘，接受外输入电源；整个炉身筒形电加热元件分三段构成，相互连接，而又可单独加电，可分别控制加热温度，最高加热温度1600℃；

(4)用氮化硅结合碳化硅耐火材料，或氮化硼纤维增强氮化硅复合材料制作窑头、窑身、窑尾最里层防粘结内衬，炉身中部和尾部设扬料筋；紧贴窑头、窑身、窑尾钢壳内表，设粒状陶瓷纤维浇注料，或氮气吹制的陶瓷空心球浇注料制作的隔热保温层。

5，根据权利要求3所述的一种“电极绝缘定位导向集电密封装置”，其特征在于：

(1)用氮化硅或氮化硼纤维增强氮化硅制作绝缘定位环体，用纯铜制作集电冷却环体、两者精密配合组成基本构架并用氢进行冷却；

(2)用陶瓷纤维密封环和柔性石墨密封环组成的组合密封环串，构成该装置与石墨电极，该装置与炉盖之间的内外密封；

(3)用高品质的柔性石墨密封环串，作为纯铜质集电环与石墨电极之间的导电、导热、密封介质。

6，如权利要求2所述的一种“环形油缸升降装置”其结构特征如下：

(1)上下抱闸：其结构与作用原理与现有矿热炉上下抱闸相同，特点是用抗燃液压液驱动动的摆动油马达进行抱闸和松闸；

(2)用抗燃液压液驱动动的环形液压油缸取代普通升降液压油缸。并用氢冷却油缸内环；

7，如权利要求2所述的一种“氢冶炼裂解炉”的“空心电极单向阀”，其特征是：

“电极单向阀”由阀体、阀芯、弹簧、弹簧座等4个零件构成，除弹簧用非磁性耐热不锈钢制造外，其余零件该用与石墨电极相同材料制造，其备选材料为镍白铜，“电极单向阀”与石墨电极之间用锥管螺纹进行连接和密封。

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