CN101898087A - 二氧化碳转化吸收及钢铁熔渣余热综合利用方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用钢铁熔渣余热进行二氧化碳转化吸收的方法及其装置，该方法通过二氧化碳重整甲烷及二氧化碳转化为低碳烯烃等化学反应，将难以利用的高温余热转化成化学能，同时将二氧化碳转化成一氧化碳及低碳烯烃等物质；该方法可以通过混合气体流速和后续球磨等工艺条件控制钢铁渣粒化颗粒大小；由于钢铁渣中含有大量的氧化钙等碱性物质，故熔渣温度降低后，在球磨装置中，钢铁渣会对过量的二氧化碳气体吸收，对二氧化碳起到固定作用，固碳后的钢铁渣可以进一步作为建筑材料或填海材料。

Description

二氧化碳转化吸收及钢铁熔渣余热综合利用方法和装置
技术领域
本发明属于节能减排工艺领域，提供一种二氧化碳转化吸收及钢铁熔渣余热综合利用的方法和装置。
技术背景
CO2减排主要有三种途径：1.开发太阳能、水能、风能、核能和生物质能等新能源替换化石燃料，彻底避免CO2排放；2.淘汰落后工艺，开发节能新技术和新工艺，提高化石燃料利用效率，间接减少CO2排放，对已排放的CO2则进行地质或海洋封存，避免其进入大气；3.将CO2转化为高附加值的化工产品，虽然这些产品最终还可能以CO2形式放出，但是毕竟在其排放前贡献了最后一滴能量，间接减少了化石燃料的利用量。就这三种方式而言，前两个方向的发展任重而道远，而CO2的化学利用则成为目前最有效最容易实现的减排方法。
CO2的利用目前可分为两大类：一是合成一般化工产品或中间体(包括化肥、胺、羧酸、可降解塑料和其他高聚物)；二是合成能源类化学品(包括合成气、低碳烃、甲醇和二甲醚等)。因为一般化工产品的需求量和目前CO2的排放量有着数量级的差距，所以将CO2转化为能源产品是CO2大规模利用的主要途径。
CO2与甲烷的重整可以生产合成气，并进一步合成可作液体燃料的高碳烃类或烃的衍生物。二氧化碳重整的最大问题是高耗能(因其为强吸热反应)。计算表明，二氧化碳重整所需的能量大于其转化的化学品作为能源放出的能量。也就是说，如果其消耗的能量为化石燃料燃烧提供的话，非但不能减排还增加排放量。所以专家提出，该技术只有与太阳能或工业未利用的余能余热技术结合才有利用价值。
其实，几乎所有的CO2利用都存在能量上的“划算不划算”问题。二氧化碳合成低碳烃、甲醇和二甲醚等产品除存在消耗能量来源问题外，因其大都是加氢反应，还存在氢源的问题。有些人认为，在氢气资源如此宝贵如此昂贵的今天，加氢减排CO2得不偿失。如果氢的来源不是水，而是化石燃料那么这一技术的利用价值就更不值得一提了。利用氢直接取代化石燃料，对CO2减排似乎更为有利。这一观点诚然是有道理的，但是我们也应该从其他方面考虑这个问题。氢气除了生产成本问题以外，还有储存和利用问题，将氢气转化为液体燃料对于氢的推广应用是有利的。
钢铁生产炉主要包括高炉(BF)，转炉(LDC)，电炉(EAF)，生产过程会有大量高温熔渣作为废弃物排放，转炉渣和高炉渣的出炉温度高达1300～1600℃，目前主要采用传统的水淬法进行高温熔渣处理，即用大量的水使高温熔渣粒化和玻璃化。但是，这种方法主要存在以下问题：1.粒化高温熔渣需要消耗和污染大量的水；2.水淬过程中炉渣中的硫化物会释放到空气中污染大气；3.高温熔渣中蕴含的大量热能没有回收而浪费。
转炉和电炉渣引起氧化钙含量较高(即碱度较高)等特点，不能用作水泥等建筑材料，但是，碱度高可以固定吸收更多的二氧化碳等酸性气体。计算表明，生产吨钢产生的高炉渣可以吸收约为0.06t的二氧化碳气体，生产吨钢产生的钢渣可以吸收约0.045t二氧化碳气体，按照2009年全国钢铁产量5.6亿吨，二氧化碳吸收效率为50％计算，每年可以减排二氧化碳气体约为0.3亿吨。
钢铁生产过程中产生的大量高温熔融渣，温度高达1300～1600℃。渣的比热容约为1.2kJ/(kg·℃)，如果熔渣的平均温度以1400℃计，回收热量后渣的排出温度按400℃计，则每吨渣可加回收1.2GJ的显热，大约相当于41kg标准煤完全燃烧后所产生的热量。按照2009年全国钢铁产量5.6亿吨，一年产生的高沪渣、钢渣总量超过2.5亿吨，那么如果能将这部分熔渣的显热进行回收，节能总量将达到1亿吨标准煤，将使吨钢综合能耗下降16kg标准煤。对于国内钢铁企业来说，回收高炉渣、转炉渣显热的节能空间很大。
鉴于钢铁熔渣具有大量可回收余热，同时具有较大的固定二氧化碳其他的潜力，本专利针对目前的研究现状和存在问题，本专利提供了一种在回收约1600℃高温熔渣潜热和显热同时进行炉渣干粒化的方法，该方法具有节约水资源，不污染环境，熔渣潜热和显热回收效率高，二氧化碳和炉渣资源得到合理利用等优点。
发明内容
所要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是提供一种二氧化碳转化吸收及钢铁熔渣余热综合利用的方法和装置，以克服现有技术中熔渣余热较难回收，二氧化碳吸收转化困难等问题。
技术方案
本发明的技术方案是提供一种二氧化碳转化吸收及钢铁熔渣余热综合利用的方法，依次包括如下步骤：
a)将二氧化碳、甲烷、水蒸气混合气体按照一定的比例和压力通入可密封的移动床中，气体在移动床中被充分预热后，从移动床上方出口处放出，此时倾倒下来的钢铁熔渣遇一定流速的气体后被粒化，气体被进一步加热。
b)甲烷气体与二氧化碳气体在移动床出口处预置催化剂的作用下发生重整反应，生产一氧化碳和氢气；体系温度降低到700℃以后，混合气体中二氧化碳和氢气进入球磨系统并在催化剂作用下进一步转化为低碳烯烃。
c)反应后过量的二氧化碳气体在水蒸气作用下和低温钢铁渣在球磨系统中发生固碳反应，获得固碳后的钢渣可用作填海材料，以改善海洋生态环境。
其中钢铁渣的种类包括高炉渣、转炉渣、电炉渣等，移动床的上层有镍催化剂，反应压力为0.1MPa～1MPa。
反应中通入的混合气体二氧化碳过量，目的是减缓二氧化碳重整甲烷过程中催化剂表面积碳导致的催化剂失活。所用炉渣若为高炉渣，通过高炉渣组分计算，混合气体的体积分数分别为：二氧化碳50％～70％，甲烷10％～5％，水蒸汽40％～25％；所用炉渣若为转炉渣或电炉渣，混合气体的体积分数分别为：二氧化碳50％～75％，甲烷20％～5％，水蒸汽30％～20％。对甲烷重整反应二氧化碳过量，但产物中二氧化碳含量不会太高，因为随着炉渣温度的降低，二氧化碳被炉渣大量吸收。
通过对混合气体通入速度的控制可以获得具有理想粒径的炉渣，本专利选用的气体流速为4000～15000h-1。
二氧化碳转化吸收剂钢铁熔渣余热综合利用的装置主要包括如下部分：混合气体与高温渣进行热交换的可密封旋转移动床；预置催化剂并进行甲烷重整和熔渣粒化的旋转杯；预置催化剂并进行低碳烯烃化反应、二氧化碳气体充分吸收和炉渣细化的球磨装置。
附图说明
图为二氧化碳转化吸收及钢铁熔渣余热综合利用装置示意图。
附图标识：
1、高温熔渣入口
2、移动床
3、混合气体入口
4、移动床合成气出口
5、球磨系统合成气出口
6、球磨系统
7、旋转杯
具体实施方式
具体实施例1
将二氧化碳、甲烷、水蒸气混合气体按照体积分数为二氧化碳50％，甲烷10％，水蒸汽40％的比例，通入可密封的移动床中，床中压力为0.2MPa，气体在移动床中被充分预热后，从移动床上方出口处经放出，此时倾倒下来的高炉熔渣被混合气体粒化，同时气体被进一步加热。甲烷气体与二氧化碳气体在移动床出口处预置的镍催化剂的作用下发生重整反应，生产一氧化碳和氢气；体系温度降低到700℃以后，在球磨系统中，合成气中的氢气和水蒸汽及过量的二氧化碳气体在催化剂作用下进一步转化为低碳烯烃。反应后过量的二氧化碳气体在水蒸气作用下和低温高炉渣发生固碳反应，获得固碳后的高炉渣可用作水泥等建筑材料。
具体实施例2
将二氧化碳、甲烷、水蒸气混合气体按照体积分数为二氧化碳70％，甲烷10％，水蒸汽30％的比例，通入可密封的移动床中，床中压力为0.4MPa，气体在移动床中被充分预热后，从移动床上方出口处经放出，此时倾倒下来的转炉熔渣被混合气体粒化。甲烷气体与二氧化碳气体在移动床出口处预置的镍催化剂的作用下发生重整反应，生产一氧化碳和氢气；体系温度降低到700℃以后，在球磨系统中，合成气中的氢气和水蒸汽及过量的二氧化碳气体在催化剂作用下进一步转化为低碳烯烃。反应后过量的二氧化碳气体在水蒸气作用下和低温转炉渣发生固碳反应，获得固碳后的钢渣，磁选除铁，可用作填海材料，以改善海洋生态环境。
具体实施例3
将二氧化碳、甲烷、水蒸气混合气体按照体积分数为二氧化碳60％，甲烷15％，水蒸汽25％的比例，通入可密封的移动床中，床中压力为0.3MPa，气体在移动床中被充分预热后，从移动床上方出口处经放出，此时倾倒下来的电炉熔渣被混合气体粒化，同时气体被进一步加热。甲烷气体与二氧化碳气体在移动床出口处预置的镍催化剂的作用下发生重整反应，生产一氧化碳和氢气；体系温度降低到700℃以后，在球磨系统中，合成气中的氢气和水蒸汽及过量的二氧化碳气体在催化剂作用下进一步转化为低碳烯烃。反应后过量的二氧化碳气体在水蒸气作用下和低温电炉渣发生固碳反应，获得固碳后的钢渣磁选除铁后，可用作填海材料，以改善海洋生态环境。

Claims (7)

1.一种二氧化碳转化吸收及钢铁熔渣余热综合利用的方法，依次包括如下步骤：
a)将二氧化碳、甲烷、水蒸气混合气体按照一定的比例和压力通入可密封的移动床中，气体在移动床中被充分预热后，从移动床上方出口处放出，此时倾倒下来的钢铁熔渣遇一定流速的气体后被粒化，气体被进一步加热。
b)甲烷气体与二氧化碳气体在移动床出口处预置催化剂的作用下发生重整反应，生产一氧化碳和氢气；体系温度降低到700℃以后，在球磨装置中，合成气中的氢气、水蒸汽及过量的二氧化碳在催化剂作用下进一步转化为低碳烯烃。
c)反应后过量的二氧化碳气体在水蒸气作用下和低温钢铁渣在球磨系统中发生充分的固碳反应，吸收过量的二氧化碳气体并纯化合成气，获得固碳后的钢渣可用作填海材料，以改善海洋生态环境。
2.根据权利要求1所述，其特征在于步骤a)中钢铁渣的种类包括高炉渣、转炉渣、电炉渣等。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳转化吸收及钢铁熔渣余热综合利用的方法，其特征在于步骤a)中气体压力为0.1MPa～1MPa。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳转化吸收及钢铁熔渣余热综合利用的方法，其特征在于步骤a)中所用炉渣若为高炉渣，混合气体的体积分数分别为：二氧化碳50％～70％，甲烷10％～5％，水蒸汽40％～25％。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳转化吸收及钢铁熔渣余热综合利用的方法，其特征在于步骤a)中所用炉渣若为转炉渣和高炉渣，混合气体的体积分数分别为：二氧化碳50％～75％，甲烷20％～5％，水蒸汽30％～20％。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳转化吸收及钢铁熔渣余热综合利用的方法，其特征在于步骤a)中所述的气体速度为4000～15000h-1。
7.一种二氧化碳转化吸收剂钢铁熔渣余热综合利用的装置，该装置包括如下部分：混合气体与高温渣进行热交换的可密封旋转移动床；预置催化剂并进行甲烷重整和熔渣粒化的旋转杯；预置催化剂并进行低碳烯烃化反应、二氧化碳气体充分吸收和炉渣细化的球磨装置。
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