CN103282520A - 使用核反应堆的还原铁制备装置及使用该装置的还原铁制备方法 - Google Patents

使用核反应堆的还原铁制备装置及使用该装置的还原铁制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通过利用在核反应堆中生成的氢气而高效且环保制备还原铁的装置、及制造方法。本发明的使用核反应堆的还原铁制备装置包括：一个以上的流化床还原炉，其将粉铁矿与还原气体反应而使粉铁矿还原为还原铁；粉铁矿装入单元，其与所述一个以上的流化床还原炉连接以使可装入粉铁矿；废气排出单元，其用于排出在所述一个以上的流化床还原炉中产生的废气；核反应堆，其用于形成作为所述还原气体使用的氢气；氢气供应单元，其可以将在所述核反应堆生成的氢气供应至第一流化床还原炉的底部；以及造块单元，其对所述第一流化床还原炉还原的还原铁进行造块。并提供使用该装置的还原铁制备方法。

Description

使用核反应堆的还原铁制备装置及使用该装置的还原铁制备方法
技术领域
本发明涉及一种通过流化床（流态化）还原炉制备还原铁的方法，更详细地，使用核反应堆的还原铁制备装置及使用该装置的还原铁制备方法。
背景技术
钢铁产业是向汽车、造船、家电、建筑等的全部产业提供基础材料的核心中间产业，是伴随人类发展的产业中历史最悠久的产业之一。在起到钢铁产业的中枢作用的钢铁厂，首先采用作为原料的铁矿石和煤炭制备熔融状态的生铁的铁水，之后由此制备钢而供应到各需要部门。
目前，作为制备铁水的方法主要采用高炉工艺（高炉法）。高炉工艺是将经过烧结的铁矿石和烟煤作为原料与制备的焦炭等一起放入到高炉，并吹入氧气，由此将铁矿石还原为铁，从而制备铁水的方法。这种高炉工艺必须同时具备焦炭制备设备和烧结设备等的原料预处理设备，因此需设置除高炉设备之外的其他附带设备，并且产生大量的环境污染物质而还需要设置防止污染环境的设备等，从而导致制造成本急剧增加。
为了解决高炉工艺中存在的这种问题，人们尽力研发无需烧结等的原料预处理设备，并且直接使用占全球矿产量的80%以上的粉矿而制备铁水的熔融还原炼铁工艺。
作为上述熔融还原炼铁工艺的一种而研发的Finex炼铁工艺包括：在流化床还原炉内还原粉铁矿的流化还原工艺、和将这样直接还原的粉铁矿在熔炼炉内熔融而制备铁水的熔融工艺。
图1是表示通常的熔融还原炼铁设备的工艺概略图。如图1所示，熔融还原炼铁设备包括：投入粉铁矿而进行还原的一个以上的流化床还原炉20、30、40；对还原的粉铁矿进行造块的造块单元80；以及熔炼炉10。
经过流化床还原炉20、30、40而还原的粉铁矿（以下，称为还原铁）通过造块单元80造块。以这种方式造块的还原铁称为HBI（HotBriquetted Iron）或HCI（Hot Compacted Iron）。将所述HBI或HCI装入熔炼炉10而制备铁水。
采用流化床还原炉20、30、40的流化还原工艺中，为了还原铁氧化物状态的粉铁矿，需要CO和H2等的还原气体。目前，在熔炼炉10中主要使用由煤炭的燃烧而产生的一氧化碳等。
但是，当将所述熔炼炉10的废气中的一氧化碳用作流化床还原炉20、30、40的还原气体时，由于其中还原气体含量不足，因此流化床还原炉的还原率低，并包含在所述熔炼炉10中产生的粉尘等大量杂质，从而存在降低还原铁质量的问题。
发明内容
发明要解决的课题
根据本发明的一个方面，提供一种可以提高流化床还原炉的还原率的还原铁制备装置及使用其的还原铁制备方法。
解决课题的方法
本发明提供一种使用核反应堆的还原铁制备装置，其包括：
一个以上的流化床还原炉，其将粉铁矿与还原气体反应而使粉铁矿还原为还原铁；
粉铁矿装入单元，其与所述一个以上的流化床还原炉连接以使可装入粉铁矿；
废气排出单元，其用于排出在所述一个以上的流化床还原炉中产生的废气；
核反应堆，其用于形成用作所述还原气体的氢气；
氢气供应单元，其可以将在所述核反应堆生成的氢气供应至第一流化床还原炉的底部；以及
造块单元，其对所述第一流化床还原炉还原的还原铁进行造块。
另外，本发明提供一种使用合成气的还原铁制备方法，其包括：
通过核反应堆制备氢气的步骤；
将所述氢气装入一个以上的流化床还原炉中的第一流化床还原炉而还原粉铁矿的步骤；
装入所述第一流化床还原炉的氢气依次通过流化床还原炉，同时还原各流化床还原炉内的粉铁矿的步骤；以及
对所述第一流化床还原炉还原的还原铁进行造块的步骤。
发明效果
根据本发明，使用流化床还原炉而制备还原铁，由此能够提高还原铁的生成率；通过使用氢气来减少二氧化碳的产量，从而能够提供环保型的还原铁制备工艺。
另外，由于使用在核反应堆附带产生的氢气，因此从资源回收利用的观点看能够得到经济效益。
附图说明
图1是表示使用现有技术通常的流化床还原炉的还原铁制备的概略图。
图2是表示本发明一实施例的使用核反应堆的还原铁制备的概略图。
图3是表示本发明另一实施例的使用核反应堆的还原铁制备的概略图。
具体实施方式
对核反应堆而言，是铀等的原料发生核分裂的地方，并且具有延缓中子的速度以使切实地发生核分裂连锁反应的功能。此时作为减速材料主要使用水（H2O），此时，根据使用的类型分为重水炉、轻水炉。
在上述核反应堆中，回收原子能的能量的同时通过H2O的分解来产生大量的氢气（H2）。目前，对这种氢气没有恰当的应用方法，导致浪费资源。
在上述核反应堆中，如铀等的核分裂性物质衰变而生成高放射性物质和热能，用高温高压的冷却水来冷却在核反应堆中生成的热能，高温高压的冷却水经过换热器而使二次冷却系统的冷却水形成高温高压的蒸汽，用该高温高压的蒸汽来驱动设置在容纳容器外部的蒸汽涡轮机，由此产生电能。对于这种原子能发电站而言，由氢气在空气中积累或冷却水缺失的事故而导致金属构件材料受到高温的热气而与水反应而被氧化，因此存在氢气与大气中存在的氧气结合而发生爆炸的问题。因这种问题，在现有技术中，在低温下将所述氢气氧化来消除、或降低氢气浓度。
本发明通过将在所述核反应堆产生的氢气应用于还原铁制备工艺，能够降低核反应堆爆炸的危险，而且能够提高流化床还原炉的还原率。
以下，参照附图说明本发明的实施方案。然而，本发明的实施方案可以以其他多种形式实施，本发明的范围并不限于以下说明的实施方案。本发明的实施方案是为了向本领域中的具有普通知识的技术人员提供更好的说明而提供的。
首先，参照图2详细说明本发明的制备装置。图2是用于理解本发明，因此本发明并不限于图2。
本发明的装置包括流化床还原炉20、30、40，其内部装有粉铁矿，并具备气体分散盘23、33、43。此时，设置至少一个以上的流化床还原炉，优选设置三个流化床还原炉。
所述流化床还原炉20、30、40均包括废气排出管21、31、41，其用从底部供应的还原气体来形成流动层，由此还原粉铁矿并供应至下一个工艺中，并且废气排出到上部。
包括对在第一流化床还原炉20还原的还原铁进行造块的造块单元80。块状的还原铁（HBI或HCI）通过所述造块单元80装入到熔炼炉10。
本发明包括生成氢气（H2）的核反应堆100。所述核反应堆中，通过与第一流化床还原炉20的底部连接的氢气供应单元101，将由水（H2O）的分解而生成的氢气（H2）供应至第一流化床还原炉20。
所述核反应堆100优选为超高温气体核反应堆，优选地，其包括用950℃以上的高热进行核聚变的超高温气冷堆（Very HighTemperature reactor），并包括冷却在核反应堆中产生的热的换热器。
优选设置加热单元110，其在所述核反应堆100生成的氢气供应至第一流化床20之前，能够提高氢气的温度。所述氢气加热至流化床还原炉的还原温度以上的温度。
如图3所示，优选进一步包括氢气储藏单元210，其在从所述核反应堆100向第一流化床还原炉20供应氢气之前，能够储藏在所述核反应堆100中生成的氢气。
如果使用所述氢气，则能够提高流化床还原炉20、30、40的还原率，并且与单独使用在熔炼炉10中生成的废气的情况相比，还原率可以更高。
另一方面，本发明还可以一起使用所述氢气和在熔炼炉中生成的废气。当一起使用所述废气时，优选包括粉尘去除单元，其用于在所述废气流入到流化床还原炉之前去除粉尘。
图2是表示采用三个流化床还原炉时的图。此时，在所述第一流化床还原炉20还原后排出的废气，重新通过与第二流化床还原炉30的底部以气体连通关系连接的第一流化床还原炉废气排出单元21来移送至第二流化床还原炉30，由此用于在第二流化床还原炉20中的还原。
另外，在第二流化床还原炉30还原后排出的废气，重新通过与第三流化床还原炉40的底部以气体连通关系连接的第二流化床还原炉废气排出单元31来移送至第三流化床还原炉30，由此用于在第三流化床还原炉40中的还原。
依次通过第一至第三流化床还原炉的合成气，其在第三流化床还原炉30以废气的状态通过第三废气排出单元41向废气清洗装置70排出。
另一方面，在图2中，12是指连接于熔炼炉10的还原铁移送单元，22、32、42是指向所述熔融还原炉20、30、40的粉铁矿装入单元，60是指熔炼炉的粉尘吹入装置。
以下，详细说明本发明的还原铁制备方法。
首先，在核反应堆制备氢气。所述氢气是通过水（H2O）被在核反应堆中铀的核分裂等产生的热而分解来生成的。
将所述氢气装入到第一流化床还原炉而还原粉铁矿。优选地，在所述氢气装入第一流化床还原炉之前，将所述氢气加热至第一流化床还原炉的反应温度以上的温度。这是为了使第一流化床还原炉中的还原反应最优化。作为一实施例，优选地，当第一流化床还原炉的还原温度为780℃时，所述氢气加热至820℃的温度。
对所述第一流化床还原炉而言，装入的氢气依次通过一个以上的流化床还原炉，由此还原各流化床还原炉内的粉铁矿。对这种依次连续的流化床还原炉的还原反应而言，在整个步骤的流化床还原炉通过包含氢气的废气来进行还原。例如，在第一流化床还原炉进行还原反应并排出的废气包含氢气，并且该废气重新装入至第二流化床还原炉，由此与第二流化床还原炉内的粉铁矿进行还原反应。
对在所述第一流化床还原炉中还原的还原铁进行造块。通过所述造块来形成为适合装入熔炼炉的大小。所述造块通过通常的工艺实行，本发明不做特别的限制。以这种方式造块的还原铁被称为HBI（HotBriquetted Iron）或者HCI（Hot Compacted Iron）。
如上所述，如果通过使用在核反应堆生成的氢气来在流化床还原炉还原粉铁矿，则与现有技术中的使用一氧化碳来进行还原的情况相比，能够减低二氧化碳（CO2）的生成量，因此能够实现防止污染环境的环保还原铁制备工艺。
附图标记说明
10 熔炼炉
11 熔炼炉废气排出单元
20、30、40 熔融还原炉
21、31、41 熔融还原炉废气排出单元
12、22、32、42 粉铁矿装入单元
23、33、43 气体分散盘
50 熔炼炉废气收集单元
51 熔炼炉废气排出单元
70 废气处理单元
80 造块单元
100 核反应堆
101 氢气供应单元
110 加热单元
210 氢气储藏单元

Claims (8)

1.一种使用核反应堆的还原铁制备装置，其包括：
一个以上的流化床还原炉，其将粉铁矿与还原气体反应而使粉铁矿还原为还原铁；
粉铁矿装入单元，其与所述一个以上的流化床还原炉连接以使可装入粉铁矿；
废气排出单元，其用于排出在所述一个以上的流化床还原炉中产生的废气；
核反应堆，其用于形成用作所述还原气体的氢气；
氢气供应单元，其可以将在所述核反应堆生成的氢气供应至第一流化床还原炉的底部；以及
造块单元，其对所述第一流化床还原炉还原的还原铁进行造块。
2.权利要求求1所述的使用核反应堆的还原铁制备装置，其中，
所述氢气供应单元包括一个以上的加热单元，使得合成气可以在供应至第一流化床还原炉之前被加热。
3.权利要求求1所述的使用核反应堆的还原铁制备装置，
所述核反应堆为超高温核反应堆，其包括以950℃以上的高热进行核聚变的超高温气冷堆，并且包括冷却核反应堆产生的热的换热器。
4.权利要求求1所述的使用核反应堆的还原铁制备装置，
其使用合成气，其中所述还原铁制备装置的流化床还原炉的数量为三个。
5.权利要求求4所述的使用核反应堆的还原铁制备装置，
其使用合成气，其中所述第一流化床还原炉中排出的废气与第二流化床还原炉的底部以气体连通关系连接，所述第二流化床还原炉中排出的废气与第三流化床还原炉的底部以气体连通关系连接。
6.权利要求1所述的使用核反应堆的还原铁制备装置，
其进一步包括可储藏核反应堆生成的氢气的储藏单元。
7.一种使用合成气的还原铁制备方法，其包括：
通过核反应堆制备氢气的步骤；
将所述氢气装入一个以上的流化床还原炉中的第一流化床还原炉而还原粉铁矿的步骤；
装入所述第一流化床还原炉的氢气依次通过流化床还原炉，同时还原各流化床还原炉内的粉铁矿的步骤；以及
对所述第一流化床还原炉还原的还原铁进行造块的步骤。
8.权利要求7所述的使用合成气的还原铁制备方法，
其进一步包括在装入所述第一流化床还原炉之前，将所述氢气加热至第一流化床还原炉的还原温度以上的温度的步骤。
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