CN113023672A - 一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统和方法，该系统和方法通过将高温高压水蒸汽注入装有铸余渣的真空密闭渣罐中，通过水蒸汽与铸余渣中的铁及其氧化物反应产生氢气，然后产生的含氢气体被引入换热装置回收气体余热及排除气体中的水分，冷却后的气体进一步经分子筛提纯，将除氢气以外的气体分离排除后，高纯度的氢气经风机加压后送入氢气储罐中保存，能够有效回收利用铸余渣的余热，同时能够安全、高效、稳定的产生大量高纯度的氢气。

Description

一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统和方法
技术领域
本发明属于氢气制备领域，本发明涉及一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统和方法。
背景技术
铸余渣是炼钢转炉在连铸更换钢包时，钢包内留下的余钢余渣。由于冶炼高品质钢种对进入中间包的钢水纯净度要求非常高，铸余渣中的含钢量极高，约占总重量的40-50％，且均为熔融状态，温度约1600℃。随着钢材高纯净度要求，这种铸余渣量不断增加，如国内某钢厂钢水产能为900万吨/年，年铸余渣产生量约20万吨。目前，国内外钢厂对于铸余渣的处理都是集中在余钢的回收上，研究出众多的有效回收铸余渣中废钢的方法。而对于铸余渣的余热回收都忽略掉了，造成了能源的较大浪费。
氢气作为一种典型的清洁能源，是实现全球碳减排、碳中和可以倚重的一种重要能源介质。而目前较为主流的钢厂余热制氢流程为利用钢渣余热制氢。由于钢渣中Fe含量极低，钢渣制氢只要依靠钢渣的FeO与水反应制氢，且FeO含量也较低(一般仅10％左右)，导致其产生的氢气量少、同时由于钢渣中其他杂质多、极易产生爆炸。因此，目前该工艺主要停留在实验室阶段，尚无工业化应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统和方法，以解决铸余渣余热资源的有效利用问题，同时克服铸余渣余热制氢气过程中系统的安全问题。
本发明的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统，包括：铸余渣罐、铸余渣罐密封盖、蒸汽管道、蒸汽控制阀、蒸汽喷枪、抽气口、抽气控制阀、换热器、分子筛、风机、储气罐控制阀、氢气储气罐；
其中，铸余渣罐密封盖位于铸余渣罐上方，蒸汽喷枪和抽气口位于铸余渣罐密封盖下方，蒸汽管道穿过铸余渣罐密封盖的第一开口与蒸汽喷枪连通，抽气管道穿过铸余渣罐密封盖的第二开口与抽气口连通，蒸汽管道上设置蒸汽控制阀，抽气口上游的抽气管道依次通过抽气控制阀、换热器、分子筛、风机、储气罐控制阀与氢气储气罐连通。
优选的，蒸汽喷枪表面设置有搅拌叶片，在喷吹蒸汽过程中蒸汽喷枪通过自身转动带动搅拌叶片旋转。
优选的，抽气口入口设置有丝网过滤器。用于去除气体中的固体杂质。
优选的，所述蒸汽管道中的蒸汽为中压等级以上的蒸汽，同时蒸汽过热度大于10℃。
优选的，所述换热器材质的为防腐蚀材质，能够有效防止气体换热过程中氢气对材质的侵蚀。
优选的，所述换热器入口设置有气体温度检测装置，能够实时检测气体温度。
优选的，所述抽气口入口设置氧气浓度检测仪器。
优选的，所述置氧气浓度检测仪器检测到氧气浓度小于2％后，储气罐控制阀打开。
优选的，所述换热器入口设置的气体温度检测装置，当检测到气体温度小于180℃后，蒸汽喷吹结束，储气罐控制阀关闭。
本发明的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的方法，包括以下步骤：
S1、钢包将铸余渣倒入铸余渣罐后，铸余渣罐密封盖迅速将渣罐口密封；
S2、渣罐口密封后，抽气控制阀打开，抽气口将渣罐中剩余空气迅速抽出，同时蒸汽控制阀打开，蒸汽喷枪在渣液上方喷出蒸汽对渣罐内部空间进行吹扫，排除空气，气体经分子筛杂质气体排气出口排除，当抽气口氧气浓度检测到氧气浓度小于2％后，吹扫结束；
S3、渣罐内空气排出后，蒸汽喷枪迅速插入渣钢中进行蒸汽喷吹，同时储气罐控制阀打开，蒸汽喷枪通过蒸汽喷枪表面的蒸汽喷口向渣钢液体中喷出高温高压蒸汽与铸余渣反应产生高浓度的含氢气体，同时蒸汽喷枪外表面设置有搅拌叶片，蒸汽喷枪在喷吹蒸汽的同时不断旋转带动搅拌叶片旋转，铸余渣在蒸汽喷枪5搅拌叶片的带动下不断流动，强化与蒸汽的反应，提高蒸汽与渣钢的反应速率，提高氢气产生的效率；
S4、高浓度含氢气体经抽气口抽出后，首先经过设置在抽气的高密度过滤丝网将气体中的固体杂质去除，然后经过换热器，在回收气体余热产生蒸汽后，进一步冷凝气体中的水蒸气并将其排除；
S5、经冷凝后高浓度含氢气体分子筛进一步提纯后，在分子筛将杂质气体排出，高纯度的氢气气体经风机加压后，送入氢气储气罐；
S6、当检测到换热器入口气体温度低于180℃后，蒸汽喷枪从铸余渣中提出，蒸汽控制阀、抽气控制阀、储气罐控制阀同时关闭，铸余渣罐密封盖抬起。
本发明的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统和方法，该系统和方法通过将高温高压水蒸汽注入装有铸余渣的真空密闭渣罐中，通过水蒸汽与铸余渣中的铁及其氧化物反应产生氢气，然后产生的含氢气体被引入换热装置回收气体余热及排除气体中的水分，冷却后的气体进一步经分子筛提纯，将除氢气以外的气体分离排除后，高纯度的氢气经风机加压后送入氢气储罐中保存，能够有效回收利用铸余渣的余热，同时能够安全、高效、稳定的产生大量高纯度的氢气。
附图说明
图1是本发明的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统示意图。
其中，1铸余渣罐、2铸余渣罐密封盖、3蒸汽管道、4蒸汽控制阀、5蒸汽喷枪、6抽气口、7抽气控制阀、8换热器、9分子筛、10风机、11储气罐控制阀、12氢气储气罐、13蒸汽、14冷凝水、15杂质气体
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
铸余渣是炼钢转炉在连铸更换钢包时，钢包内留下的余钢余渣。典型的铸余渣的成分如下表所示：
表1典型铸余渣成分
成分 质量百分比％ 成分 质量百分比％
Fe 35-50 Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0.1-22
CaO 18-26 MgO 3-7
SiO<sub>2</sub> 5-13 MnO 0.3-4
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 1-4 CaF<sub>2</sub> 1-8
FeO 4-13 P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 0.1-3
氢气作为一种典型的清洁能源，是实现全球碳减排、碳中和可以倚重的一种重要能源介质。从氢气的来源看，只有绿色能源产生的氢气以及余热余能回收利用产生的氢气才能真正的算的上清洁能源。目前，全球主流的氢气来源还是通过化石能源(煤、天然气)的分解产生的。利用风能、太阳能、余热余能回收利用产生的氢气尚未成为主流，这与风能、太阳能、各种余热余能制氢的资源不足有较大关系，因此扩展绿色氢能的有效供给，是实现未来全球低碳绿色发展的一个重要举措。
从基本的氢气来源分析，铁及铁的氧化物在高温环境下与水反应生成氢气是已知的较为熟知的化学反应。由铸余渣中主要成分分析，其中涉及氢气生成的化学反应主要有：
3Fe+4H2O＝Fe3O4+4H2反应温度>570℃
Fe+H2O＝FeO+H2反应温度<570℃
2FeO+H2O＝Fe2O3+H2反应温度>180℃
而目前较为主流的钢厂余热制氢流程为利用钢渣余热制氢。由于钢渣中Fe含量极低，钢渣制氢只要依靠钢渣的FeO与水反应制氢，且FeO含量也较低(一般仅10％左右)，导致其产生的氢气量少、同时由于钢渣中其他杂质多、极易产生爆炸。因此，目前该工艺主要停留在实验室阶段，尚无工业化应用前景。
而从铸余渣的成分、温度以及化学反应条件看，由于其接近50％的FeO和Fe的含量，其产生的氢气量大，纯度高。因此，回收利用铸余渣的余热生产氢气是具有较好的应用前景。
如图1所示，本发明的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统，包括：铸余渣罐1、铸余渣罐密封盖2、蒸汽管道3、蒸汽控制阀4、蒸汽喷枪5、抽气口6、抽气控制阀7、换热器8、分子筛9、风机10、储气罐控制阀11、氢气储气罐12；
其中，铸余渣罐密封盖2位于铸余渣罐1上方，蒸汽喷枪5和抽气口6位于铸余渣罐密封盖2下方，蒸汽管道3穿过铸余渣罐密封盖2的第一开口与蒸汽喷枪5连通，抽气管道穿过铸余渣罐密封盖2的第二开口与抽气口6连通，蒸汽管道3上设置蒸汽控制阀4，抽气口6上游的抽气管道3依次通过抽气控制阀7、换热器8、分子筛9、风机10、储气罐控制阀11与氢气储气罐12连通。
其中，蒸汽喷枪表面设置有搅拌叶片，在喷吹蒸汽过程中蒸汽喷枪通过自身转动带动搅拌叶片旋转。
其中，抽气口入口设置有丝网过滤器。用于去除气体中的固体杂质。
其中，所述蒸汽管道中的蒸汽为中压等级以上的蒸汽，同时蒸汽过热度大于10℃。
其中，所述换热器材质的为防腐蚀材质，能够有效防止气体换热过程中氢气对材质的侵蚀。
其中，所述换热器入口设置有气体温度检测装置，能够实时检测气体温度。
其中，所述抽气口入口设置氧气浓度检测仪器。
其中，所述置氧气浓度检测仪器检测到氧气浓度小于2％后，储气罐控制阀打开。
其中，所述换热器入口设置的气体温度检测装置，当检测到气体温度小于180℃后，蒸汽喷吹结束，储气罐控制阀关闭。
本发明的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的方法，包括以下步骤：
S1、钢包将铸余渣倒入铸余渣罐1后，铸余渣罐密封盖2迅速将渣罐口密封；
S2、渣罐口密封后，抽气控制阀7打开，抽气口将渣罐中剩余空气迅速抽出，同时蒸汽控制阀4打开，蒸汽喷枪5在渣液上方喷出蒸汽对渣罐内部空间进行吹扫，排除空气，气体经分子筛杂质气体排气出口排除，当抽气口氧气浓度检测到氧气浓度小于2％后，吹扫结束；
S3、渣罐内空气排出后，蒸汽喷枪5迅速插入渣钢中进行蒸汽喷吹，同时储气罐控制阀12打开，蒸汽喷枪5通过蒸汽喷枪5表面的蒸汽喷口向渣钢液体中喷出高温高压蒸汽与铸余渣反应产生高浓度的含氢气体，同时蒸汽喷枪5外表面设置有搅拌叶片，蒸汽喷枪5在喷吹蒸汽的同时不断旋转带动搅拌叶片旋转，铸余渣在蒸汽喷枪5搅拌叶片的带动下不断流动，强化与蒸汽的反应，提高蒸汽与渣钢的反应速率，提高氢气产生的效率；
S4、高浓度含氢气体经抽气口抽出后，首先经过设置在抽气的高密度过滤丝网将气体中的固体杂质去除，然后经过换热器，在回收气体余热产生蒸汽后，进一步冷凝气体中的水蒸气并将其排除；
S5、经冷凝后高浓度含氢气体分子筛进一步提纯后，在分子筛将杂质气体排出，高纯度的氢气气体经风机加压后，送入氢气储气罐；
S6、当检测到换热器入口气体温度低于180℃后，蒸汽喷枪5从铸余渣中提出，蒸汽控制阀、抽气控制阀、储气罐控制阀同时关闭，铸余渣罐密封盖抬起。
本发明的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统和方法，该系统和方法通过将高温高压水蒸汽注入装有铸余渣的真空密闭渣罐中，通过水蒸汽与铸余渣中的铁及其氧化物反应产生氢气，然后产生的含氢气体被引入换热装置回收气体余热及排除气体中的水分，冷却后的气体进一步经分子筛提纯，将除氢气以外的气体分离排除后，高纯度的氢气经风机加压后送入氢气储罐中保存，能够有效回收利用铸余渣的余热，同时能够安全、高效、稳定的产生大量高纯度的氢气。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，而非对本发明的限制。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示、不脱离本发明范畴所做出的改进和修改，都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统，其特征在于，包括：铸余渣罐(1)、铸余渣罐密封盖(2)、蒸汽管道(3)、蒸汽控制阀(4)、蒸汽喷枪(5)、抽气口(6)、抽气控制阀(7)、换热器(8)、分子筛(9)、风机(10)、储气罐控制阀(11)、氢气储气罐(12)；
其中，铸余渣罐密封盖(2)位于铸余渣罐(1)上方，蒸汽喷枪(5)和抽气口(6)位于铸余渣罐密封盖(2)下方，蒸汽管道(3)穿过铸余渣罐密封盖(2)的第一开口与蒸汽喷枪(5)连通，抽气管道穿过铸余渣罐密封盖(2)的第二开口与抽气口(6)连通，蒸汽管道(3)上设置蒸汽控制阀(4)，抽气口(6)上游的抽气管道(3)依次通过抽气控制阀(7)、换热器(8)、分子筛(9)、风机(10)、储气罐控制阀(11)与氢气储气罐(12)连通。
2.如权利要求1所述的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统，其特征在于，蒸汽喷枪(5)表面设置有搅拌叶片，在喷吹蒸汽过程中蒸汽喷枪(5)通过自身转动带动搅拌叶片旋转。
3.如权利要求1所述的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统，其特征在于，抽气口(6)入口设置有丝网过滤器。
4.如权利要求1所述的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统，其特征在于，所述蒸汽管道中的蒸汽为中压等级以上的蒸汽，同时蒸汽过热度大于10℃。
5.如权利要求1所述的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统，其特征在于，所述换热器材质的为防腐蚀材质。
6.如权利要求1所述的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统，其特征在于，所述换热器入口设置有气体温度检测装置，能够实时检测气体温度。
7.如权利要求1所述的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统，其特征在于，所述抽气口入口设置氧气浓度检测仪器。
8.如权利要求1所述的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统，其特征在于，所述置氧气浓度检测仪器检测到氧气浓度小于2％后，储气罐控制阀打开。
9.如权利要求1所述的一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的系统，其特征在于，所述换热器入口设置的气体温度检测装置，当检测到气体温度小于180℃后，蒸汽喷吹结束，储气罐控制阀关闭。
10.一种炼钢转炉铸余渣余热制氢的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、钢包将铸余渣倒入铸余渣罐(1)后，铸余渣罐密封盖(2)迅速将渣罐口密封；
S2、渣罐口密封后，抽气控制阀(7)打开，抽气口将渣罐中剩余空气迅速抽出，同时蒸汽控制阀(4)打开，蒸汽喷枪(5)在渣液上方喷出蒸汽对渣罐内部空间进行吹扫，排除空气，气体经分子筛杂质气体排气出口排除，当抽气口氧气浓度检测到氧气浓度小于2％后，吹扫结束；
S3、渣罐内空气排出后，蒸汽喷枪(5)迅速插入渣钢中进行蒸汽喷吹，同时储气罐控制阀(12)打开，蒸汽喷枪(5)通过蒸汽喷枪(5)表面的蒸汽喷口向渣钢液体中喷出高温高压蒸汽与铸余渣反应产生高浓度的含氢气体，同时蒸汽喷枪(5)外表面设置有搅拌叶片，蒸汽喷枪(5)在喷吹蒸汽的同时不断旋转带动搅拌叶片旋转，铸余渣在蒸汽喷枪(5)搅拌叶片的带动下不断流动，强化与蒸汽的反应，提高蒸汽与渣钢的反应速率，提高氢气产生的效率；
S4、高浓度含氢气体经抽气口抽出后，首先经过设置在抽气的高密度过滤丝网将气体中的固体杂质去除，然后经过换热器，在回收气体余热产生蒸汽后，进一步冷凝气体中的水蒸气并将其排除；
S5、经冷凝后高浓度含氢气体分子筛进一步提纯后，在分子筛将杂质气体排出，高纯度的氢气气体经风机加压后，送入氢气储气罐；
S6、当检测到换热器入口气体温度低于180℃后，蒸汽喷枪(5)从铸余渣中提出，蒸汽控制阀、抽气控制阀、储气罐控制阀同时关闭，铸余渣罐密封盖抬起。
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