CN105836706A - 一种热态铝渣联合水蒸气反应制备氢气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热态铝渣联合水蒸气反应制备氢气的方法，在金属铝再生冶炼过程中，将扒出的铝渣快速置入反应炉中，持续通入水蒸气与金属铝反应，将经过高温反应后得到的富氧化铝的铝渣进行回收，将产生的高温气体经过换热器后得到液态水和纯净的氢气。本发明利用热态铝渣作为铝再生资源来代替原生铝制备氢气，可以有效降低能源消耗和环境负担；制氢工艺成本较低，无需额外的活化工艺环节，能够进一步回收反应固态产物中的氧化铝；该制氢工艺，不仅可以获得氢气燃料，而且能够有效利用反应热量来获得高温水蒸气，使体系能量利用效率得到了进一步的提高。

Description

一种热态铝渣联合水蒸气反应制备氢气的方法
技术领域
本发明涉及铝渣的回收利用方法，具体涉及一种热态铝渣联合水蒸气反应制备氢气的方法。
背景技术
铝的再生熔炼旨在将生产加工过程中产生的铝废、超出使用周期的铝制品，以及在电解铝过程中产生的白渣等富含金属铝的废料进行铝的回收再生。在熔炼过程中，会定期产生大量的铝渣，一般含有20-60wt％金属铝，30-50wt％的盐熔剂，部分金属元素(Al、Si、Cu、Fe、Zn等)的氧化物等。铝渣作为一种具有极高经济价值的可再生资源，长期以来没有引起足够的重视，在实际处理中仍以简单填埋、随意堆放方式为主。由于铝渣中含有大量的可溶性氯盐，容易污染水源和土壤，同时其中的氮化铝、碳化铝、金属铝会在潮湿环境下发生水解，产生大量易燃有害的气体，如NH3、CH4、H2等。因此，寻求一种铝渣资源高效利用的新途径，对于实现铝再生工业固废的资源化和无害化，解决我国所面临的资源和环境问题，实现铝工业的可持续发展具有重要的意义。
氢能作为一种清洁无污染的可再生新能源日益受到人们的关注。铝是地壳中含量最高的金属元素，具有原料来源广泛、比能量高、性质活泼等特性，是一种非常有应用前景的储能和能量转换材料。利用金属铝与水反应制取氢气具有广阔的应用前景，而铝渣或铝废等金属铝再生资源来代替原生铝制备氢气可以获得更低的能源消耗和环境负担。提高铝/水反应速率的关键在于破坏反应过程中金属铝表面生成的致密产物层，使水能够持续与金属铝新鲜表面接触发生快速反应。基于这个原理，研究者使用纳米金属铝粉体，或对金属铝进行活化，包括添加氯化物、氧化物进行研磨，金属铝/碳材料复合，合金化等手段实现快速制取氢气。然而以上这些方法需要对金属铝先进行预处理，或研磨，或与其他材料进行复合或者合金化，对直接利用铝渣来制备氢气造成一定的困难。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热态铝渣联合水蒸气高温反应制备氢气的方法，利用铝再生熔炼的热态铝渣，无需对其中的金属铝颗粒进行预处理，通过渣中固有的盐熔剂加快金属铝与水蒸气的反应速率，进行氢气的高效制取。
具体的，本发明提供如下技术方案：
本发明的热态铝渣联合水蒸气反应制备氢气的方法，包括下述步骤：
(1)在金属铝再生冶炼过程中，将扒出的铝渣快速置入反应炉中，并持续通入氩气；
将铝渣快速置入反应炉中旨在获得作为反应原料的热态铝渣，通入氩气旨在赶走反应炉中的氧气以防止其中的金属铝液被氧化。
优选的，所述的铝渣中含有20-60wt％金属铝，30-50wt％的盐熔剂。
进一步的，所述的盐熔剂组成为等摩尔比例的氯化钠和氯化钾以及5-10mol％的氟化物。
上述技术方案中的氟化物优选为CaF2或NaF。
(2)向反应炉中通入水蒸气与热态铝渣反应，生成高温气体；
以步骤(1)中的热态铝渣为原料，通入一定流量的水蒸气与金属铝反应，利用铝渣中固有的盐熔剂来加快反应速率。
优选的，反应炉可以采用回转反应炉来进一步提高反应速率。
(3)将经过高温反应后得到的富氧化铝的铝渣进行回收；
(4)将产生的高温气体经过换热器后得到液态水和纯净的氢气。
产气部分包括高温的氢气和水蒸气，高温气体经过换热器后水蒸气成为液态水，热量得到循环利用，并得到纯净的氢气。
与现有技术相比，本发明的热态铝渣联合水蒸气反应制备氢气的方法具有下述优点：
(1)利用金属铝制取氢气具有广阔的应用前景，本发明利用热态铝渣再生资源来代替原生铝制备氢气，可以有效降低能源消耗和环境负担。
(2)本发明提供了一种有效促进金属铝/水蒸气高温反应的新方法，首次提出利用热态铝渣中固有的盐熔剂作为助剂提高金属铝/水蒸气的反应速率。
(3)本发明制氢工艺具有成本较低，无需额外的活化工艺环节等技术优势，且反应固态产物为富氧化铝的铝渣，可以进一步进行回收。
(4)本发明提出的热态铝渣/水蒸气制氢工艺，不但可以获得氢气燃料，而且能够有效利用反应热量来获得高温水蒸气，使体系能量利用效率得到了进一步的提高。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明热态铝渣联合水蒸气反应制备氢气方法的工艺流程图，其中300℃的水蒸气仅为举例，并非特别限定，g代表气态，lq代表液态；
图2是本发明实施例的热态铝渣与水蒸气高温反应曲线图；
图3是本发明实施例的纯金属铝颗粒与水蒸气高温反应曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。
如图1所示，本发明以金属铝再生熔炼过程中产生的固废热态铝渣为原料，充分利用铝渣中富含的金属铝和余热资源，与水蒸气进行反应进行氢气制备，将热态铝渣中的盐熔剂作为助剂，能够大大加速金属铝与水蒸气的反应，同时还能够利用反应过程中产生的巨额热量来生成高温水蒸气。
本发明的制氢体系由固态原料和气态原料两部分组成，固态原料为从铝再生熔炼中刚扒出的浮渣，气态原料为水蒸气。
热态铝渣样品的采集：
铝渣原料的准备：热态铝渣将在铝再生熔炼现场进行采样，将刚扒出的热渣置于氩气气氛中进行冷却，以确保整个实验过程中样品的代表性和可靠性。铝渣的成分如表1所示，铝渣中含有30wt％的金属铝，30wt％的氯盐，以及其他一些氧化物。
表1扒出的铝渣的成分分析结果
实验过程：将50毫克原始热渣粉状样品置于反应腔的坩埚中，随后通入净化后的高纯氩气。鼓入炉腔12小时，以便鼓走残余在管内的空气。此时鼓入60ml/min流量的水蒸气，由氩气一并带入反应腔中，随后以5℃/min的速率进行升温，生成气体经由出口经过冷凝干燥后通过气相色谱仪进行记录氢气的浓度变化。
参比实验将采用纯金属铝颗粒(75-150微米，纯度>99.0wt％)进行氢气制取，具体实验步骤如上。
从图2和图3对比可以发现，铝渣中由于盐熔剂的存在可以在650-850℃温度区间大大加快氢气生成速度，在温度为700℃左右时，最高氢气生成速率可达到60cm3min-1g-1。当温度升至800℃，铝渣中金属铝的反应率已高达50％，而纯铝颗粒的反应率才5％。此外可以看到盐熔剂能够大幅降低金属铝与水蒸气快速反应的温度区间，由高温900-1000℃下降到650-850℃左右，而后者温度区间和热渣从铝再生熔炼池刚扒出时的温度几乎一致，从而为合理利用热态铝渣中的余热资源创造了重要的前提条件。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种热态铝渣联合水蒸气反应制备氢气的方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）在金属铝再生冶炼过程中，将扒出的铝渣快速置入反应炉中，并持续通入氩气；
（2）向反应炉中通入水蒸气与金属铝反应，生成高温气体；
（3）将经过高温反应后得到的富氧化铝的铝渣进行回收；
（4）将产生的高温气体经过换热器后得到液态水和纯净的氢气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述的铝渣中含有20-60wt%金属铝，30-50wt%的盐熔剂。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的盐熔剂组成为等摩尔比例的氯化钠和氯化钾以及5-10mol%的氟化物。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的氟化物为CaF2或NaF。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，反应炉可以采用回转反应炉来进一步提高反应速率。
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