CN106544695A - 一种无碳制铁方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无碳制铁方法及装置，方法包括：1)将含铁物料装入反应器中，将密闭的反应装置抽真空；2)通过菲涅尔透镜将太阳光聚集成光束后，经过激光器发生激光并照射到含铁物料上；3)在激光照射作用下，含铁物料分解出离子态铁蒸气和氧蒸汽，铁离子流被吸附到与光伏电池板负极相连的槽型电极上，最终形成金属铁粉；氧离子流被吸附到与光伏电池板正极相连的管状电极上形成氧气；4)氧气经净化后进入氧气收集器，剩余渣料经排渣管进入渣仓。本发明无需电能或煤、天然气等加热方式，可获得高纯度金属铁，且生产中不产生污染环境的有害物质，并可避免CO2等温室气体的排放，节省不可再生能源，实现真正意义上绿色无碳制铁。
Description
技术领域
本发明涉及能源利用和炼铁技术领域，尤其涉及一种利用太阳光聚集并激发转化为激光照射铁氧化物超高温分解金属铁和氧气的无碳制铁方法及装置。
背景技术
目前炼铁主要方法是用还原剂将铁氧化物中的氧元素还原出来，主要还原剂为碳和氢气，其中绝大多数是用焦和煤作为一次能源和还原剂，还有一部分使用天然气和煤气作为还原剂，其主要方法有高炉法、CORER法，DIOS法，HISELT、Midex法、HLY法等。
近几年来美国开发出了两项新低碳炼铁方法：氢气闪速熔炼法和熔融氧化铁电解法；氢气闪速熔炼法是使铁精矿粉在悬浮状态下，被热还原气体还原成金属化率较高还原铁的工艺。热还原气体可以是H2，也可以是由煤、重油等经过不完全燃烧产生的还原气体CO，或者是H2和CO的混合气体。熔融氧化物电解法是将铁矿石溶解在1600℃高温的二氧化硅和氧化钙溶液中，让电流通过该溶液，带负电的氧离了移至阳极，放电析出变成阳极气体，带正电的铁离了移至阴极，放电析出变成元素铁沉淀在电解槽底部，然后用虹吸原理把这些铁液抽取出来。
《云南冶金》杂志第29卷第4期刊登了何方等人发表的题为“应用高温太阳能减少炼铁过程中二氧化碳的排放”的论文。该论文介绍了利用太阳能加热和甲烷为还原剂的高炉炼铁过程，该过程利用太阳能提供炼铁过程的热量，碳只用作还原剂，CO2的排放量为反应的化学计量CO2的排放量，比传统炼铁的CO2排放量减少了60～70％，同时还避免了因焦碳燃烧而排出的SOx、NxOy等污染物。但是该技术还原反应仍以焦炭或甲烷为还原剂，还原过程还要产生CO2，不能完全消除温室气体排放。
申请号为201110395483.6(申请日为2011年12月有3日)的中国专利公开了“一种太阳能还原炼铁的方法和装置”，其太阳能还原炼铁的过程以电解水制备的氢气为还原剂，利用光热原理预热氢气为氧化铁还原提供热量，将预热后的氢气通入太阳能还原炉进行还原反应生成铁并融化为铁水，剩余的氢气经净化处理后通过循环风机送入系统循环利用。
上述炼铁方法存在一些缺陷，主要表现：1)用焦煤作为还原剂和热源的炼铁法都会产生大量的二氧化碳并排放到空气中，造成温室效应，每年钢铁工业的二氧化碳排量占全世界二氧化碳总排量的5.4％，煤和焦碳中含有一定量的S等杂质，煤或焦炭燃烧会产生大量的SOx、NxOy等污染物，排放到大气污染环境；2)用氢气作为还原剂的炼铁法虽然炼铁过程中气体产物是水蒸气，但是铁的氧化物还原反应是吸热反应，炼铁的过程是一个大量消耗能源的过程，需要用煤炭或电力为还原过程提供热量，同样可能产生二氧化碳而且使用电力生产较高；3)熔融氧化物电解法产品为液态铁水和氧气，但其需要大量电力而且对铁原料品位要求较高；4)“应用高温太阳能减少炼铁过程中二氧化碳的排放”的论文，虽然提出用太阳能加热和甲烷为还原剂的高炉炼铁过程，但是该技术还原反应仍以焦炭或甲烷为还原剂，还原过程还要产生CO2，不能完全消除温室气体排放；“一种太阳能还原炼铁的方法和装置”的中国专利虽然不产生二氧化碳而且利用太阳能为其提供热源，但其氢气的来源需要使用高成本的电能。
发明内容
本发明提供了一种无碳制铁方法，将太阳光能量集聚后，通过激光晶体吸收—激发激光光谱，将诱发出的激光束照射铁氧化物使之达到气化-电离分解温度，再由太阳能光伏电池板提供电能通过电离法分离—收集铁离子和氧离子，最终获得高纯度金属铁，且生产中不产生污染环境的有害物质，并可避免CO2等温室气体的排放，节省不可再生能源，实现真正意义上绿色无碳制铁；本发明同时提供了用于实现该方法的装置。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种无碳制铁方法，包括如下步骤：
1)将含铁物料由料仓装入反应器中，关闭反应器上所有连通管道上的控制阀门,通过真空泵将密闭的反应装置抽真空；
2)通过菲涅尔透镜将太阳光聚集成高能量的光束后，经过激光器发生激光并照射到反应器内的含铁物料上；
3)光伏电池板通过太阳光照射产生电压，并在反应器朝向激光器开口处形成电场，在激光照射作用下，照射区域的含铁物料分解出离子态铁蒸气和氧蒸汽，铁离子流穿过挡渣板在电场作用下被吸附到与光伏电池板负极相连的槽型电极上，得电子后最终形成金属铁粉；氧离子流则在电场作用下被吸附到与光伏电池板正极相连的管状电极上，失电子后形成氧气；
4)打开连接反应器的导气控制阀门和排渣控制阀门，氧气通过导气控制阀门进入氧气净化器，净化后的氧气通过导气管进入氧气收集器；物料分解后的剩余渣料通过排渣控制阀门经排渣管进入渣仓。
抽真空过程控制反应器内真空度为10～2000Pa。
通过菲涅尔透镜聚集的太阳光束经激光器发生激光的光斑直径为2～20mm，功率为300W～4000W，光束可以为一束或多束。
用于实现一种无碳制铁方法的装置，包括反应装置、装料装置、排渣装置、氧气收集装置、太阳光-激光转化器和太阳能发电—金属铁收集装置，所述装料装置通过导料管与反应装置内的反应器连接，排渣装置通过排渣管与反应器底部相连，反应器开口一侧分别通过管状电极和槽型电极连接氧气收集装置和光阳光-激光转化器，且太阳光-激光转化器中的光伏电池板的正、负极分别连接槽型电极和管状电极；太阳能发电-金属铁收集装置正对反应器开口一侧，与反应器通过光路连接。
所述反应装置由密闭外壳、反应器、压力表、真空泵、挡渣板、玻璃透镜和支撑架组成，反应器通过支撑架架设在密闭外壳内，朝向太阳能发电-金属铁收集装置一侧开口，密闭外壳通过压力表连接外部真空泵；挡渣板设置在距反应器开口边缘5～10mm处，玻璃透镜镶嵌在密闭外壳上，位于反应器开口一侧，其高度与太阳能发电-金属铁收集装置中激光器发出光束的高度相适应。
所述装料装置位于反应装置上部，远离反应器开口一侧，由相连的料仓和导料管组成，导料管穿过密闭外壳与反应器连接，导料管上设装料控制阀门；所述排渣装置位于反应装置下部，靠近反应器开口一侧，由相连的排渣管和渣仓组成，排渣管穿过密闭外壳与反应器连接，排渣管上设排渣控制阀门。
所述氧气收集装置由依次连接的管状电极、导气管和氧气收集器组成，管状电极位于反应器开口外侧上方，导气管上设导气控制阀门和氧气净化器；光阳光-激光转化器由槽型电极和光伏电池板组成，槽型电极位于反应器开口外侧下方，光伏电池板的正极连接槽型电极，负极连接管状电极，且回路中并联有电流表和电压表。
所述光阳能发电-金属铁收集装置由激光器和菲涅尔透镜组成，激光器位于菲涅尔透镜和反应装置的玻璃透镜之间，三者通过光路连接；菲涅尔透镜具有追踪太阳光功能，通过安装在底座中的液压或电动驱动装置带动随太阳转动；激光器设有水冷装置。
所述反应器开口一侧向下倾斜设置，与水平方向的夹角为1～10°。
所述档渣板上均布有多个通孔，通孔直径为0.1～5mm，挡渣板高度为反应器高度的0.5～1倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明所述方法是将太阳光能量集聚后，通过激光晶体吸收—激发激光光谱，将诱发出的激光束照射铁氧化物使之达到气化-电离分解温度，再由太阳能光伏电池板提供电能通过电离法分离—收集铁离子和氧离子，最终获得高纯度金属铁；是一种全新的工艺；
2)无需电能或煤、天然气等加热方式，节省不可再生能源；
3)通过太阳光转化激光照射使铁化合物在超高温条件下实现高效率分解，通过施加电场收集得到金属铁和氧气，生产过程中不产生污染环境的有害物质，并可避免CO2等温室气体的排放，实现真正意义上绿色无碳制铁；
4)装置结构简单，布局合理，所用设备投资小，安装使用方便。
附图说明
图1是本发明所述装置的结构示意图。
图中：1.反应装置 101.密闭外壳 102.反应器 103.压力表 104.真空泵 105.挡渣板 106.玻璃透镜 107.支撑架 2.装料装置 201.料仓 202.导料控制阀门 203.导料管 3.排渣装置 301.排渣控制阀门 302.排渣管 303.渣仓 4.氧气收集装置401.管状电极 402.导气控制阀门 403.氧气净化器 404.导气管 405.氧气收集器 5.太阳光-激光转化器 501.光伏电池板 502.电压表 503.电流表 504.槽型电极 6.太阳能发电-金属铁收集装置 601.激光器 602.菲涅尔透镜 603.水冷装置 604.驱动装置
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
见图1，是本发明所述装置的结构示意图，本发明一种无碳制铁方法，包括如下步骤：
1)将含铁物料由料仓201装入反应器102中，关闭反应器102上所有连通管道上的控制阀门202、301、402,通过真空泵104将密闭的反应装置1抽真空；
2)通过菲涅尔透镜602将太阳光聚集成高能量的光束后，经过激光器601发生激光并照射到反应器102内的含铁物料上；
3)光伏电池板501通过太阳光照射产生电压，并在反应器102朝向激光器601开口处形成电场，在激光照射作用下，照射区域的含铁物料分解出离子态铁蒸气和氧蒸汽，铁离子流穿过挡渣板105在电场作用下被吸附到与光伏电池板501负极相连的槽型电极504上，得电子后最终形成金属铁粉；氧离子流则在电场作用下被吸附到与光伏电池板501正极相连的管状电极401上，失电子后形成氧气；
4)打开连接反应器102的导气控制阀门402和排渣控制阀门301，氧气通过导气控制阀门402进入氧气净化器403，净化后的氧气通过导气管404进入氧气收集器405；物料分解后的剩余渣料通过排渣控制阀门301经排渣管302进入渣仓303。
抽真空过程控制反应器102内真空度为10～2000Pa。
通过菲涅尔透镜602聚集的太阳光束经激光器发生激光的光斑直径为2～20mm，功率为300W～4000W，光束可以为一束或多束。
用于实现一种无碳制铁方法的装置，包括反应装置1、装料装置2、排渣装置3、氧气收集装置4、太阳光-激光转化器5和太阳能发电—金属铁收集装置6，所述装料装置2通过导料管203与反应装置1内的反应器102连接，排渣装置3通过排渣管302与反应器102底部相连，反应器102开口一侧分别通过管状电极401和槽型电极504连接氧气收集装置4和光阳光-激光转化器5，且太阳光-激光转化器5中的光伏电池板501的正、负极分别连接槽型电极504和管状电极401；太阳能发电-金属铁收集装置6正对反应器102开口一侧，与反应器102通过光路连接。
所述反应装置1由密闭外壳101、反应器102、压力表103、真空泵104、挡渣板105、玻璃透镜106和支撑架107组成，反应器102通过支撑架107架设在密闭外壳101内，朝向太阳能发电-金属铁收集装置6一侧开口，密闭外壳101通过压力表103连接外部真空泵104；压力表103用于测量密闭壳体101内的压力值。挡渣板105设置在距反应器102开口边缘5～10mm处，玻璃透镜106镶嵌在密闭外壳101上，位于反应器102开口一侧，其高度与太阳能发电-金属铁收集装置6中激光器601发出光束的高度相适应。
所述装料装置2位于反应装置1上部，远离反应器102开口一侧，由相连的料仓201和导料管203组成，导料管203穿过密闭外壳101与反应器102连接，导料管203上设装料控制阀门202；所述排渣装置3位于反应装置1下部，靠近反应器102开口一侧，由相连的排渣管302和渣仓303组成，排渣管302穿过密闭外壳101与反应器102连接，排渣管302上设排渣控制阀门301。
所述氧气收集装置4由依次连接的管状电极401、导气管404和氧气收集器405组成，管状电极401位于反应器102开口外侧上方，便于收集上升的氧气流；导气管404上设导气控制阀门402和氧气净化器403；光阳光-激光转化器5由槽型电极504和光伏电池板501组成，槽型电极504位于反应器102开口外侧下方，便于收集在重力作用下流出的金属铁粉；光伏电池板501的正极连接槽型电极504，负极连接管状电极401，且回路中并联有电流表503和电压表502。
所述光阳能发电-金属铁收集装置6由激光器601和菲涅尔透镜602组成，激光器601位于菲涅尔透镜602和反应装置1的玻璃透镜106之间，三者通过光路连接；菲涅尔透镜602具有追踪太阳光功能，通过安装在底座中的液压或电动驱动装置604带动随太阳转动；激光器601设有水冷装置603，可延长激光材料的使用寿命，确保其性能稳定。
所述反应器102开口一侧向下倾斜设置，与水平方向的夹角为1～10°，便于物料由反应器102后部(远离开口侧)向前部(开口侧)流动运行。
所述档渣板302上均布有多个通孔，通孔直径为0.1～5mm，其作用是便于氧离子流和铁离子流通过；挡渣板302高度为反应器102高度的0.5～1倍。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例】采用本发明所述方法和装置进行无碳制铁试验，具体试验结果见表1：
表1
Claims (10)
1.一种无碳制铁方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将含铁物料由料仓装入反应器中，关闭反应器上所有连通管道上的控制阀门,通过真空泵将密闭的反应装置抽真空；
2)通过菲涅尔透镜将太阳光聚集成高能量的光束后，经过激光器发生激光并照射到反应器内的含铁物料上；
3)光伏电池板板通过太阳光照射产生电压，并在反应器朝向激光器开口处形成电场，在激光照射作用下，照射区域的含铁物料分解出离子态铁蒸气和氧蒸汽，铁离子穿过挡渣板在电场作用下被吸附到与光伏电池板负极相连的槽型电极上，得电子后最终形成金属铁粉；氧离子流则在电场作用下被吸附到与光伏电池板正极相连的管状电极上，失电子后形成氧气；
4)打开连接反应器的导气控制阀门和排渣控制阀门，氧气通过导气控制阀门进入氧气净化器，净化后的氧气通过导气管进入氧气收集器；物料分解后的剩余渣料通过排渣控制阀门经排渣管进入渣仓。
2.根据权利要求1所述的一种无碳制铁方法，其特征在于，抽真空过程控制反应器内真空度为10～2000Pa。
3.根据权利要求1所述的一种无碳制铁方法，其特征在于，通过菲涅尔透镜聚集的太阳光束经激光器发生激光的光斑直径为2～20mm，功率为300W～4000W，光束可以为一束或多束。
4.用于实现权利要求1所述的一种无碳制铁方法的装置，其特征在于，包括反应装置、装料装置、排渣装置、氧气收集装置、太阳光-激光转化器和太阳能发电—金属铁收集装置，所述装料装置通过导料管与反应装置内的反应器连接，排渣装置通过排渣管与反应器底部相连，反应器开口一侧分别通过管状电极和槽型电极连接氧气收集装置和光阳光-激光转化器，且太阳光-激光转化器中的光伏电池板的正、负极分别连接槽型电极和管状电极；太阳能发电-金属铁收集装置正对反应器开口一侧，与反应器通过光路连接。
5.根据权利要求4所述的一种无碳制铁装置，其特征在于，所述反应装置由密闭外壳、反应器、压力表、真空泵、挡渣板、玻璃透镜和支撑架组成，反应器通过支撑架架设在密闭外壳内，朝向太阳能发电-金属铁收集装置一侧开口，密闭外壳通过压力表连接外部真空泵；挡渣板设置在距反应器开口边缘5～10mm处，玻璃透镜镶嵌在密闭外壳上，位于反应器开口一侧，其高度与太阳能发电-金属铁收集装置中激光器发出光束的高度相适应。
6.根据权利要求4所述的一种无碳制铁装置，其特征在于，所述装料装置位于反应装置上部，远离反应器开口一侧，由相连的料仓和导料管组成，导料管穿过密闭外壳与反应器连接，导料管上设装料控制阀门；所述排渣装置位于反应装置下部，靠近反应器开口一侧，由相连的排渣管和渣仓组成，排渣管穿过密闭外壳与反应器连接，排渣管上设排渣控制阀门。
7.根据权利要求4所述的一种无碳制铁装置，其特征在于，所述氧气收集装置由依次连接的管状电极、导气管和氧气收集器组成，管状电极位于反应器开口外侧上方，导气管上设导气控制阀门和氧气净化器；光阳光-激光转化器由槽型电极和光伏电池板组成，槽型电极位于反应器开口外侧下方，光伏电池板的正极连接槽型电极，负极连接管状电极，且回路中并联有电流表和电压表。
8.根据权利要求4所述的一种无碳制铁装置，其特征在于，所述光阳能发电-金属铁收集装置由激光器和菲涅尔透镜组成，激光器位于菲涅尔透镜和反应装置的玻璃透镜之间，三者通过光路连接；菲涅尔透镜具有追踪太阳光功能，通过安装在底座中的液压或电动驱动装置带动随太阳转动；激光器设有水冷装置。
9.根据权利要求4所述的一种无碳制铁装置，其特征在于，所述反应器开口一侧向下倾斜设置，与水平方向的夹角为1～10°。
10.根据权利要求4所述的一种无碳制铁装置，其特征在于，所述档渣板上均布有多个通孔，通孔直径为0.1～5mm，挡渣板高度为反应器高度的0.5～1倍。
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