CN103596664A - 利用熔渣的二氧化碳减少装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用高温熔渣和含二氧化碳的废气的二氧化碳减少装置。根据本发明的二氧化碳减少装置，包括：熔渣喷射器，喷射熔渣以形成熔渣粉体；碳化反应器，用于使所述熔渣粉体和二氧化碳进行碳化反应；以及废气供给装置，用于向所述碳化反应器内供给含二氧化碳的废气。本发明将铁水生产工艺过程中产生的副产物即高温熔渣和含高浓度二氧化碳的废气进行反应以析出碳酸盐，由此能够减少在铁水生产工艺过程中产生的废气中的二氧化碳。另外，由于能够回收利用熔渣和废气进行碳化反应时所产生的反应热，因此能够提高铁水生产工艺的能源效率。

Description

利用熔渣的二氧化碳减少装置
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳减少装置，尤其涉及一种利用铁水生产工艺过程中排出的高温熔渣和含二氧化碳的废气的二氧化碳减少装置。
背景技术
在我国（韩国）的二氧化碳总产生量中，钢铁工业的排出量占20%以上，使用双重高炉和多级流化床式还原炉以及熔融气化炉的铁水生产工艺的排出量占90%以上。
如果将在使用高炉操作或者多级流化床式还原炉以及熔融气化炉的铁水生产工艺过程中产生的废气（offgas）直接向大气中排出，不仅破坏环境，而且还白白浪费可再利用的成分，这在资源及能效方面而言也是不可取的。
另外，在铁水生产工艺过程中产生的废气所包含的二氧化碳被认为是气候变化的原因，因此有必要进行回收二氧化碳以减少二氧化碳的产生。
为了消除铁水生产工艺过程中产生的废气中的二氧化碳，需增设附加设备，这在经济型铁水生产中可能会成为障碍。
在以往技术中，使熔渣中的碱性氧化物和二氧化碳进行反应来固定（隔离）二氧化碳。固定反应不仅能够捕捉二氧化碳，还能回收反应时所产生的反应热，以此提高固定的能源效率，但是，熔渣中的碱性氧化物相比生石灰和白云石所含的碱性氧化物，与二氧化碳的反应性不是很好，因此存在二氧化碳的固定及反应热回收的效率不甚理想的缺点。
因此，使用熔渣的二氧化碳的固定方法之外，还需要一种利用熔渣的高温的二氧化碳减少技术。
铁水生产工艺过程中排出的熔渣的温度约为1500℃。通常，这种高温熔渣冷却到常温进行固态化后，用作水泥原料。如果假设每吨铁水产生300kg熔渣，则冷却到常温的过程中浪费的热量为444MJ。
铁水生产工艺过程中排出大量熔渣，因此，如果将国内及全世界中浪费的熔渣的显热好好利用于二氧化碳的再生利用及减少中，则有助于确保铁水生产工艺的竞争力。
发明内容
本发明鉴于上述问题而作，其目的在于提供一种二氧化碳减少装置及其方法，该二氧化碳减少装置及其方法利用铁水生产工艺过程中产生的高温熔渣的热（显热及潜热），将铁水生产工艺过程中排出的二氧化碳与粉煤进行反应，以减少二氧化碳。
为了达到上述目的，根据本发明的优选实施例的二氧化碳减少装置，其特征在于包括：熔渣喷射器，喷射熔渣以形成熔渣粉体；反应腔室，与所述熔渣喷射器连接，被吹入含二氧化碳和粉煤的混合气体，并通过形成所述熔渣粉体时所产生的热使二氧化碳和粉煤进行反应；以及碳化反应炉，通过粉体输送导管与所述反应腔室连接，被吹入在铁水生产工艺过程中产生的废气及粉煤，并使由所述反应腔室通过所述粉体输送导管供给的熔渣粉体和在所述铁水生产工艺过程中排出的废气所包含的二氧化碳进行反应，吹入到所述反应腔室内的混合气体，由所述碳化反应炉通过混合气体供给导管供给。
优选地，所述二氧化碳减少装置还可包括：废气供给导管，用于向所述碳化反应炉内供给在所述铁水生产工艺过程中排出的废气；以及粉煤供给装置，从所述废气供给导管分支，并向所述废气供给导管供给粉煤。
优选地，所述二氧化碳减少装置还可包括：加热装置，与所述废气供给导管连接，用于燃烧在所述铁水生产工艺过程中排出的废气中的焦油或者碳氢化合物。
优选地，所述碳化反应炉可以是流化床式碳化反应炉。
根据本发明的另一优选实施例的减少二氧化碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：提供熔渣；将所述熔渣投入到熔渣喷射器内以形成熔渣粉体；将含粉煤和二氧化碳的混合气体吹入到反应腔室内，利用形成所述熔渣粉体时所产生的热使所述粉煤和二氧化碳进行反应；以及将从所述反应腔室中排出的熔渣粉体投入到碳化反应炉内后，吹入在铁水生产工艺过程中排出的废气和粉煤，使所述熔渣粉体和在铁水生产工艺过程中排出的废气进行反应，吹入到所述反应腔室内的混合气体，由所述碳化反应炉供给。
优选地，所述减少二氧化碳的方法还可包括以下步骤：加热在铁水生产工艺过程中排出的废气，以消除废气所包含的焦油或者碳氢化合物。
根据本发明的二氧化碳减少装置，能够利用在铁水生产工艺过程中产生的副产物即高温熔渣的热，使含二氧化碳的废气和粉煤进行反应而生成一氧化碳。所生成的一氧化碳可在铁水生产工艺过程中再利用于铁矿石的还原。
另外，使通过所述反应的反应热被冷却的熔渣与二氧化碳进行反应，由此能够进一步隔离二氧化碳。
附图说明
图1是表示根据本发明的二氧化碳减少装置的结构示意图。
图2是表示根据本发明的减少二氧化碳的方法的工艺图。
具体实施方式
本发明的优点、特征及达到该优点及特征的方法，通过参照附图及后面详细说明的实施例可以详细地了解本发明。但是，本发明不局限于下述实施例，可以以各种形式实现，本实施例只用于说明本发明，为了使本发明所属技术领域的普通技术人员理解本发明的范围而提供的，而本发明的权利要求范围由权利要求书中的权项所定义。通篇说明书中相同附图标记表示相同结构。
下面，参照附图详细说明根据本发明的优选实施例的二氧化碳减少装置。在说明本发明时，认为对相关的已知功能或者结构的具体说明会混淆本发明主旨时，省略其详细说明。
图1是表示根据本发明的二氧化碳减少装置的结构示意图。
如图1所示，根据本发明的二氧化碳减少装置，其特征在于包括：熔渣喷射器10，喷射熔渣以形成熔渣粉体；反应腔室20，与所述熔渣喷射器10连接，吹入含二氧化碳和粉煤的混合气体，通过形成所述熔渣粉体时所产生的热使所述二氧化碳和粉煤进行反应；以及碳化反应炉40，通过粉体输送导管30与所述反应腔室20连接，被吹入在铁水生产工艺过程中排出的废气及粉煤，使由所述反应腔室20通过所述粉体输送导管30供给的熔渣粉体和在所述铁水生产工艺过程中排出的废气中所包含的二氧化碳进行反应。并且，吹入到所述反应腔室20内的混合气体，从所述碳化反应炉40通过混合气体供给导管50而供给。
所述熔渣是以铁水生产工艺的副产物而排出来的，并且包括氧化钙（CaO）及氧化镁（MgO）等，温度约为1500℃以上。
所述熔渣的温度很高，因此冷却到常温的过程中放出熔渣所持有的显热及潜热。例如，假设每吨铁水产生300kg熔渣，则熔渣冷却过程中每吨铁水所产生的热量约为444MJ。
所述铁水生产工艺包括投入烧结矿和焦碳以进行铁水生产的高炉操作工艺，另外还包括使用多级流化床式还原炉和熔融气化炉进行铁水生产的FINEX工艺
Figure BDA0000422369190000041
和使用填充床式还原炉和熔融气化炉进行铁水生产的COREX工艺。
将所述熔渣投入到熔渣喷射器10（slag atomizer）中，则熔渣在重力作用下降落并通过微小的狭缝喷射到与所述熔渣喷射器10连接的反应腔室20内，形成微小熔渣粉体。
熔渣喷射器10具有沿下端方向其外径逐渐变小的漏斗形状，投入熔渣后在重力作用下通过形成在下端部的大小为～1mm的狭缝（slit）喷射（sprayed）而形成熔渣粉体。所述高温熔渣喷射而形成的熔渣粉体的温度约为1000℃左右。
另外，在所述熔渣喷射器10中可设置气体喷射装置（未图示），以便形成所述熔渣粉体，并可加快熔渣的喷射速度。
所述熔渣的比重约为2.6，熔渣的表面张力约为0.40N/m2。
当熔渣通过喷射器的微小狭缝被喷射时，形成1mm以下的微小液滴（droplet）。这种微小液滴的比表面积为2.3m2/kg，非常大，因此其散热面积非常大。
具体的，当通过狭缝熔渣被喷射时，由于熔渣的表面张力为～0.4N/m2，非常大，根据周知的流体的不稳定性（Instability）现象之一的普拉托-瑞利不稳定性（Plateau-Rayleigh Instability）可形成粒度范围广的10μm～1mm的熔渣粉末。
熔渣的温度约为1500℃，但喷射而形成熔渣粉体时很快被冷却到1000℃，此时，通过下式可知每吨铁水所产生的发热量为151MJ。
1.004kJ/kg℃×（1500℃-1000℃）×300kg/吨铁水=151MJ/吨铁水····（3）
如上产生的发热量，有利于在反应腔室20中由碳化反应炉40供给的含粉煤和二氧化碳的混合气体所进行的粉煤和二氧化碳的碳素溶解损失反应（Boudouard reaction）。
碳素溶解损失反应的反应式如下。
CO2+C=2CO（反应热:160kJ/mol）····（4）
通过上述式（3）产生的热量，经二氧化碳和碳进行反应而生成一氧化碳的碳素溶解损失反应减少二氧化碳938mol/吨铁水（41kgCO2/吨铁水），并生成一氧化碳1876mol/吨铁水。所生成的一氧化碳通过反应腔室的废气导管25排出，并可再次在铁水生产工艺的铁矿石还原中使用。
将上述一氧化碳的量换算成碳量为22kg/吨铁水，在铁水生产工艺过程中，例如在高炉工艺过程中，假设碳使用量约为400kg/吨铁水时，通过利用熔渣来回收使用二氧化碳，则可以在铁水生产工艺过程中节约5%左右的碳使用量。
降落到所述反应腔室20内的熔渣粉体冷却后，通过粉体输送导管30并在重力作用下被投入到碳化反应炉40内。铁水生产工艺过程中产生的含二氧化碳的废气和粉煤则吹入到所述碳化反应炉40内。
所述粉煤和含二氧化碳的废气在所述碳化反应炉40中形成流化床，所述熔渣粉体和二氧化碳进行反应而碳化熔渣中的碱盐以此消除二氧化碳。
所述熔渣粉体中的碱盐和二氧化碳的碳化反应可用下式表示。
CaO+CO2→CaCO3（反应热:179kJ/mol）····（1）
MgO+CO2→MgCO3（反应热:117kJ/mol）····（2）
通过所述反应热以及在后述的加热装置80中含二氧化碳的废气里的焦油或者碳氢化合物的燃烧热，所述碳化反应炉40可保持700～800℃的温度。
碱盐的碳化反应为消除气体的反应，通过反应可减少气体的体积。因此，如果要提高反应效率，则需要进行高炉操作，如果能够将所述碳化反应炉40的压力保持在5～10bar，则有利于提高反应速度。
在所述碳化反应炉40中与二氧化碳进行反应的熔渣粉体以碳酸盐析出，并通过碳酸盐排出管45排出到外部。
与含二氧化碳的废气一起吹入到所述碳化反应炉40内的粉煤，通过碳化反应炉40的内部热得到初步加热。
熔渣粉体中的碱盐和二氧化碳的反应是固体状态下的反应，因此其反应速度不快，而未参与反应的二氧化碳与得到初步加热的粉煤一起从所述碳化反应炉40中排出，然后通过混合气体导管吹入到所述反应腔室20内。
即，吹入到反应腔室20内的含二氧化碳和粉煤的混合气体的供给源是，在所述碳化反应炉40中未能参与碳化反应而被排出的未反应的含二氧化碳的废气及粉煤。
另外，铁水生产工艺过程中排出的废气，在吹入到所述碳化反应炉40之前，先吹入到加热装置80内并吹入空气或氧气而燃烧废气中的焦油或者碳氢化合物。经燃烧焦油和碳氢化合物，浓缩废气中的二氧化碳。
在所述加热装置80中发生的焦油等的燃烧反应，用下式（3）表示。
C+O2→CO2（反应热:396kJ/mol）----（3）
通过所述反应热可进一步提高含二氧化碳的废气的温度。
所述铁水生产工艺过程中排出的废气，由于只分离废气中的二氧化碳，从而可以利用含高浓度二氧化碳的废气之二氧化碳尾气（CO2tail-gas）。
所述二氧化碳被浓缩的铁水生产工艺过程中排出的废气，通过废气供给导管60吹入到所述碳化反应炉40内，通过从所述废气供给导管60分支的导管，从粉煤供给装置70起粉煤与废气供给导管60内的废气混合而吹入到所述碳化反应炉40内。
吹入到碳化反应炉40内的粉煤和含二氧化碳的废气，被加热的同时在碳化反应炉40中的流化床内与熔渣粉体进行反应而进行熔渣粉体的碳化。
图2是表示根据本发明的减少二氧化碳的方法的工艺图。
根据本发明的减少二氧化碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：提供熔渣（S10）；将所述熔渣投入到熔渣喷射器10中以形成熔渣粉体（S20）；将含粉煤和二氧化碳的混合气体吹入到反应腔室20内，利用形成所述熔渣粉体时所产生的热使所述粉煤和二氧化碳进行反应（S30）；以及将由所述反应腔室20排出的熔渣粉体投入到碳化反应炉40内后，吹入从铁水生产工艺过程中排出的废气和粉煤，使所述熔渣粉体和从铁水生产工艺过程中排出的废气进行反应（S40），吹入到所述反应腔室20内的混合气体，由所述碳化反应炉40供给。
另外，所述减少二氧化碳的方法，还包括以下步骤；加热从铁水生产工艺过程中排出的废气，以消除废气所包含的焦油或者碳氢化合物。
在本发明中，使得在铁水生产工艺过程中排出的二氧化碳已被浓缩的废气在碳化反应炉中进行反应，以此消除部分二氧化碳，将在碳化反应炉中未能参与反应的剩余含二氧化碳的废气及粉煤吹入到气体腔室内，并利用熔渣的热使其反应，由此能够减少大量的二氧化碳。
上面，参照附图说明了本发明的实施例，但应当认为，所属领域的普通技术人员，在不变更本发明技术思想及必要特征的情况下，可用其他具体形式实施本发明。
因此，应认为上述说明的实施例，在所有方面而言只是说明性的，而不是局限性的。本发明的保护范围是由权利要求书所定义，从权利要求书的含义、范围以及等同概念导出的所有变更或者变更的形式，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种二氧化碳减少装置，其特征在于，包括：
熔渣喷射器，喷射熔渣以形成熔渣粉体；
反应腔室，与所述熔渣喷射器连接，被吹入含二氧化碳和粉煤的混合气体，并通过在形成所述熔渣粉体时所产生的热使所述二氧化碳和粉煤进行反应；以及
碳化反应炉，通过粉体输送导管与所述反应腔室连接，被吹入在铁水生产工艺过程中排出的废气及粉煤，并使由所述反应腔室通过所述粉体输送导管供给的熔渣粉体和在所述铁水生产工艺过程中排出的废气所包含的二氧化碳进行反应，
其中，吹入到所述反应腔室内的混合气体，由所述碳化反应炉通过混合气体供给导管供给。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳减少装置，其特征在于，还包括：
废气供给导管，用于向所述碳化反应炉内供给在所述铁水生产工艺过程中排出的废气；以及
粉煤供给装置，从所述废气供给导管分支，并向所述废气供给导管供给粉煤。
3.根据权利要求2所述的二氧化碳减少装置，其特征在于，还包括：
加热装置，与所述废气供给导管连接，用于燃烧在所述铁水生产工艺过程中排出的废气中的焦油或者碳氢化合物。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳减少装置，其特征在于：
所述碳化反应炉是流化床式碳化反应炉。
5.一种减少二氧化碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供熔渣；
将所述熔渣投入到熔渣喷射器内以形成熔渣粉体；
将含粉煤和二氧化碳的混合气体吹入到反应腔室内，并利用形成所述熔渣粉体时所产生的热使所述粉煤和二氧化碳进行反应；以及
将从所述反应腔室中排出的熔渣粉体投入到碳化反应炉内后，吹入在铁水生产工艺过程中排出的废气和粉煤，使所述熔渣粉体和在铁水生产工艺过程中排出的废气进行反应，
吹入到所述反应腔室内的混合气体，由所述碳化反应炉供给。
6.根据权利要求5所述的减少二氧化碳的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
加热在所述铁水生产工艺过程中排出的废气，以消除废气内所包含的焦油或者碳氢化合物。
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