CN114934147A - 带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石方法和系统 - Google Patents

带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石方法和系统，所述系统包括：原料加料子系统，用于提供铁矿石粉末；制氢子系统，用于提供氢气；空分子系统，用于分离空气中的氧气和氮气；循环流化床，通过制氢子系统提供的氢气和空分子系统提供的氮气，对铁矿石粉末进行还原反应，生成铁、矿渣和高温还原气体；气体循环子系统，收集循环流化床的高温还原气体和原料加料子系统的铁矿石粉末，通过制氢子系统提供的氢气和空分子系统提供的氧气燃烧放热，同时还利用高温还原气体，对铁矿石粉末共同进行加热，加热后的铁矿石粉末进入循环流化床，本发明实现了高效还原铁矿粉和二氧化碳零排放。

Description

带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石方法和系统
【技术领域】
本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石方法和系统。
【背景技术】
钢铁行业是二氧化碳的主要排放源之一，在全球范围内，钢铁工业的碳排放占总排放的5％-6％，在中国15％的二氧化碳排放是钢铁工业产生的。目前冶炼1吨铁水，排放二氧化碳1.58吨。因此，为了实现钢铁行业的碳达峰和碳中和目标，采用氢气直接还原铁矿石的工艺，是彻底解决以高炉为代表的生铁冶炼工序的高二氧化碳排放问题的有效方法。
相关的现有技术包括高炉富氢冶炼技术，通过喷吹富氢还原气实现碳减排；全氢还原竖炉技术。现有气体直接还原铁技术的还原剂国外主要以天然气催化裂解产生的还原气为主，还原气为CO和H2，其中H2最高达到体积分数为55％；国内则以煤制气为主，如煤制气+还原竖炉工艺(宝钢的B-L法)，虽然以上技术均为气体直接还原铁，但是仍然处于“碳冶金”范畴，仍然存在大量二氧化碳的排放。此外，采用循环流化床氢气直接还原铁矿石，当加热铁矿石的热量来自于氢气燃烧放热，将会造成还原气氛中水蒸气的分压较高，进而使氢气与氧化铁的反应向反方向移动，影响铁矿石的还原率。
因此，有必要研究一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石方法和系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，针对现有气体直接还原铁技术仍然无法完全解决二氧化碳排放的问题，同时解决了循环流化床反应器氢气直接还原铁的还原率低的问题，本发明提出了一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石方法和系统，同时实现高效还原铁矿粉和二氧化碳零排放。
一方面，本发明提供一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石系统，所述系统包括：
原料加料子系统，用于提供铁矿石粉末；
制氢子系统，用于提供氢气；
空分子系统，用于分离空气中的氧气和氮气；
循环流化床，通过制氢子系统提供的氢气和空分子系统提供的氮气，对铁矿石粉末进行还原反应，生成铁、矿渣和高温还原气体；
气体循环子系统，收集循环流化床的高温还原气体和原料加料子系统的铁矿石粉末，通过制氢子系统提供的氢气和空分子系统提供的氧气燃烧放热，同时通过对高温还原气体进行多次循环利用，对铁矿石粉末共同进行加热，加热后的铁矿石粉末进入循环流化床。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述循环流化床包括还原反应区、气固分离装置和返料装置，所述气固分离装置底部连通还原反应区的上方，顶部连通气体循环子系统，所述返料装置一端连接气固分离装置底部，另一端连接还原反应区底部，所述还原反应区底部同时还连通制氢子系统和空分子系统。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气体循环子系统包括多级旋风预热器、气体预加热器、水加热器、冷凝器和除尘器，所述多级旋风预热器与气固分离装置顶部之间通过设置高温还原气体管道连通，所述高温气体还原管道还同时连通制氢子系统、空分子系统和原料加料子系统，所述多级旋风预热器同时连通循环流化床底部和气体预热器，所述水加热器一端连接气体预热器，另一端通过冷凝器连接除尘器，所述多级旋风预热器至少包括三级。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述气体预热器还与空分子系统连通，所述气体预热器将空分子系统制备的氮气预热后进入水加热器；
所述水加热器还与制氢子系统连通，所述水加热器将水加热到80-90℃后进入冷凝器，加热后的水为制氢原料；
所述冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水净化后进入水加热器；
所述除尘器连通大气，所述除尘器接收冷凝器出来的气体，经过除尘后排入大气。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述制氢子系统包括但不限于电解水制氢装置，所述空分子系统包括氮气分离通道和氧气分离通道，所述氮气分离通道通过气体预热器后连通循环流化床底部，所述氧气分离通道连通高温还原气体管道。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述多级旋风预热器包括一级旋风预热器、二级旋风预热器和三级旋风预热器，所述一级旋风预热器、二级旋风预热器和三级旋风预热器依次连接，所述一级旋风预热器和二级旋风预热器之间以及二级旋风预热器和三级旋风预热器之间均设有气体通道和固体通道，所述气体通道均同时连通氧气分离通道和制氢子系统，所述一级旋风预热器连通高温还原气体管道，所述三级旋风预热器连通气体预热器。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述系统还包括熔融池，所述熔融池连通循环流化床底部，用于收集铁和矿渣，通过渣铁分离形成铁坯。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：制氢子系统通过电解水制备氢气，空分子系统分离空气中的氧气和氮气，原料加料子系统将铁矿石粉末投入高温气体还原通道；
S2：铁矿石粉在多级旋风预热器中进行多级加热后进入循环流化床底部；
S3：加热后的铁矿石粉在还原反应区内与氢气发生还原反应，已反应的和未反应完全的铁矿石粉随气流进入气固分离装置，在气固分离装置中铁矿石粉分离后通过返料装置进入还原反应区；
S4：多级旋风预热器顶部出口排出的高温烟气进入气体预热器，将空分子系统制备的氮气预热，然后进入水加热器，将水加热后进入冷凝器，在冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水经净化系统后进入水加热器，加热后的水作为制氢原料，冷凝器出来的气体经除尘器排入大气；
S5：氮气分离通道中的氮气通过气体预热器预热后与氢气混合，形成预热后的流化风进入循环流化床，流化风与加热后的铁矿石粉接触后，重复S1。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3中加热后的铁矿石粉末粒径范围在0-8mm，氮气预热后温度为200-500℃，还原反应区的温度控制在800-950℃，循环流化床的表观流化速度控制在4-5m/s。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4中多级旋风加热器包括一级旋风预热器、二级旋风预热器和三级旋风预热器，其中，一级旋风预热器顶部出口气体温度控制在400-450℃，二级旋风预热器顶部出口气体温度控制在650-700℃，三级旋风预热器顶部出口气体温度控制在900-950℃，水加热器中水加热温度为80-90℃。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)：本发明将铁矿石粉加热与氢气还原两个过程解耦，解决了由于氢气燃烧加热铁矿石粉带来的还原气氛中水蒸气分压增大，导致铁矿石还原率降低的问题；
2)：循环流化床氢气直接还原铁矿石属于全氢冶金技术，以氢代碳，以气代焦是钢铁行业实现碳中和的重要技术方向,循环流化床具有铁矿石原料适应性好的优势，可直接采用精矿粉，无需烧结工艺，此外与传统竖炉相比，循环流化床具有高效的传热和传质优势，气固还原反应的速率快，铁矿石的还原率高；
3)：本发明通过气体再循环，同时实现了高效炼铁和系统二氧化碳零排放。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的方法的流程工艺图。
其中，图中：
还原反应区1′；气固分离装置2′；返料装置3′；熔融池4′；一级旋风预热器1；二级旋风预热器2；三级旋风预热器3。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提供一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石系统，所述系统包括：
原料加料子系统，用于提供铁矿石粉末；
制氢子系统，用于提供氢气；
空分子系统，用于分离空气中的氧气和氮气；
循环流化床，通过制氢子系统提供的氢气和空分子系统提供的氮气，对铁矿石粉末进行还原反应，生成铁、矿渣和高温还原气体；
气体循环子系统，收集循环流化床的高温还原气体和原料加料子系统的铁矿石粉末，通过制氢子系统提供的氢气和空分子系统提供的氧气燃烧放热，同时通过对高温还原气体进行多次循环利用，对铁矿石粉末共同进行加热，加热后的铁矿石粉末进入循环流化床。
所述循环流化床包括还原反应区、气固分离装置和返料装置，所述气固分离装置底部连通还原反应区的上方，顶部连通气体循环子系统，所述返料装置一端连接气固分离装置底部，另一端连接还原反应区底部，所述还原反应区底部同时还连通制氢子系统和空分子系统。
所述气体循环子系统包括多级旋风预热器、气体预加热器、水加热器、冷凝器和除尘器，所述多级旋风预热器与气固分离装置顶部之间通过设置高温还原气体管道连通，所述高温气体还原管道还同时连通制氢子系统、空分子系统和原料加料子系统，所述多级旋风预热器同时连通循环流化床底部和气体预热器，所述水加热器一端连接气体预热器，另一端通过冷凝器连接除尘器，所述多级旋风预热器至少包括三级。
所述气体预热器还与空分子系统连通，所述气体预热器将空分子系统制备的氮气预热后进入水加热器；
所述水加热器还与制氢子系统连通，所述水加热器将水加热到80-90℃后进入冷凝器，加热后的水为制氢原料；
所述冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水净化后进入水加热器；
所述除尘器连通大气，所述除尘器接收冷凝器出来的气体，经过除尘后排入大气。
所述制氢子系统包括但不限于电解水制氢装置，所述空分子系统包括氮气分离通道和氧气分离通道，所述氮气分离通道通过气体预热器后连通循环流化床底部，所述氧气分离通道连通高温还原气体管道。
所述多级旋风预热器包括一级旋风预热器、二级旋风预热器和三级旋风预热器，所述一级旋风预热器、二级旋风预热器和三级旋风预热器依次连接，所述一级旋风预热器和二级旋风预热器之间以及二级旋风预热器和三级旋风预热器之间均设有气体通道和固体通道，所述气体通道均同时连通氧气分离通道和制氢子系统，所述一级旋风预热器连通高温还原气体管道，所述三级旋风预热器连通气体预热器。
所述系统还包括熔融池，所述熔融池连通循环流化床底部，用于收集铁和矿渣，通过渣铁分离形成铁坯。
本发明还提供一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：制氢子系统通过电解水制备氢气，空分子系统分离空气中的氧气和氮气，原料加料子系统将铁矿石粉末投入高温气体还原通道；
S2：铁矿石粉在多级旋风预热器中进行多级加热后进入循环流化床底部；
S3：加热后的铁矿石粉在还原反应区内与氢气发生还原反应，已反应的和未反应完全的铁矿石粉随气流进入气固分离装置，在气固分离装置中铁矿石粉分离后通过返料装置进入还原反应区；
S4：多级旋风预热器顶部出口排出的高温烟气进入气体预热器，将空分子系统制备的氮气预热(可通过设置通道的方式，氮气不与气体预热器中气体接触，只通过高温烟气对管道预热，进而对管道内的氮气预热)，然后进入水加热器，将水加热后进入冷凝器，在冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水经净化系统后进入水加热器，加热后的水作为制氢原料，冷凝器出来的气体经除尘器排入大气；
S5：氮气分离通道中的氮气通过气体预热器预热后与氢气混合，形成预热后的流化风进入循环流化床，流化风与加热后的铁矿石粉接触后，重复S1。
所述S3中加热后的铁矿石粉末粒径范围在0-8mm，氮气预热后温度为200-500℃，还原反应区的温度控制在800-950℃，循环流化床的表观流化速度控制在4-5m/s。
所述S4中多级旋风加热器包括一级旋风预热器、二级旋风预热器和三级旋风预热器，其中，一级旋风预热器顶部出口气体温度控制在400-450℃，二级旋风预热器顶部出口气体温度控制在650-700℃，三级旋风预热器顶部出口气体温度控制在900-950℃，水加热器中水加热温度为80-90℃。
如图1所示，本发明提供通过太阳能或者风能等可再生能源制备的氢气送入循环流化床还原反应装置，循环流化床还原反应装置主要包括还原反应区1′、气固分离装置2′、返料装置3′组成。预热后的铁矿石粉末(粒径范围在0-8mm)送入还原反应区1′下部，循环流化床还原反应装置中为气固两相循环流动状态，预热后的流化风(氢气与氮气的混合气，氮气预热后温度约200-500℃)经布风板也送入到还原反应区1′，还原反应区1′的温度控制在800-950℃范围内，由于大量铁矿石粉的流化循环，整个循环流化床中的温度较均匀，各部分的温差控制在0-80℃范围内。循环流化床还原反应装置的表观流化速度控制在4-5m/s。
进入还原反应区1′的铁矿石粉可迅速与氢气发生还原反应，其中还原反应的总包反应方程式为：
Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O(1)
氢气与铁矿石粉末在还原反应区1′发生铁矿石还原反应，已反应的和未反应完全的铁矿石粉随气流进入气固分离装置2′，在气固分离装置2′中，铁矿石粉被分离下来进入返料装置3′，随后进入还原反应区1′，形成铁矿石粉的循环。
由于铁的比重大于铁矿石粉，还原反应生成的铁和矿渣将逐渐沉向还原反应区1′的底部，通过连续或者间歇的排铁方式将铁和渣排入熔融池4′，最终通过渣铁分离，形成铁坯。
从气固分离装置2′分离出的高温还原气体，主要包含未反应的氢气和氮气，送入一级旋风预热器1，在高温还原气体管道中加入铁矿石粉、氢气和氧气，氧气来自于空分子系统，氢气来自于太阳能或者风能等可再生能源发电后电解水所得，氢气和氧气在一级旋风预热器中发生燃烧放热反应，燃烧反应放出的热量加热铁矿石粉，一级旋风预热器顶部出口气体温度控制在400-450℃。预热后的铁矿石粉经一级旋风预热器下部管道进入二级旋风预热器，在进入二级旋风预热器的管道上接入从一级旋风分离器顶部出口排出的高温烟气，同时通入氢气和氧气。氢气和氧气在二级旋风预热器中发生燃烧放热反应，燃烧反应放出的热量加热铁矿石粉，二级旋风预热器顶部出口气体温度控制在650-700℃。预热后的铁矿石粉经二级旋风预热器下部管道进入三级旋风预热器，在进入三级旋风预热器的管道上接入从二级旋风分离器顶部出口排出的高温烟气，同时通入氢气和氧气。氢气和氧气在三级旋风预热器中发生燃烧放热反应，燃烧反应放出的热量加热铁矿石粉，三级旋风预热器顶部出口气体温度控制在900-950℃。预热到900-950℃的铁矿石粉从三级旋风预热器底部接入循环流化床还原反应装置的还原反应区1′的下部。旋风预热器的作用是通过氢气燃烧将铁矿石粉在还原之前预先加热到还原反应所需的温度，因此本发明不限于设置3级旋风预热器。
从三级旋风预热器顶部出口排出的高温烟气首先进入气体预热器，将空分子系统制备的氮气预热，然后进入水加热器，将水加热到80-90℃，随后进入冷凝器，在冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水经净化系统后进入水加热器，加热后的水作为电解水制氢的原料。从冷凝器出来的气体最后经除尘器排入大气。
本发明通过太阳能光伏发电和风能发电，获取电能，然后利用电解水制取氢气，制取的氢气送入循环流化床反应器直接还原铁矿石，最终获取纯铁或者铁水，循环流化床反应器出口中的还原性气体送入多级旋风分离器中，加热铁矿石粉，回收气体的热能，同时将铁矿粉的加热与还原两个过程分开，解决了由于水蒸气分压高造成循环流化床中铁矿石还原率低的问题。本发明无需传统高炉炼铁工序中的炼焦工艺和烧结工艺，彻底实现了“无碳冶金”，整个工艺流程中无二氧化碳排放。本发明可采用铁矿石粉，粒度范围在0-8mm，与传统高炉相比，省去了铁矿石烧结的工序。循环流化床具有高效的传热传质、长停留时间和高气固反应速率，因此氢气对铁矿粉的还原效率远高于竖炉。同时本发明采用了气体再循环，充分利用系统的热量，同时提高了循环流化床中铁矿石的还原率。
循环流化床是气固反应的最佳反应器，由于反应器内为气固两相流态化的状态，因此具有传热传质效率高、化学反应速率快、反应停留时间长等优势，广泛应用于化工过程、煤燃烧、煤气化等。在循环流化床中实现氢气与铁矿石的直接还原反应，属于氢冶金范畴，彻底实现了二氧化碳零排放，对于钢铁行业实现碳中和具有重要的意义。
以上对本申请实施例所提供的一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石方法和系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：
单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石系统，其特征在于，所述系统包括：
原料加料子系统，用于提供铁矿石粉末；
制氢子系统，用于提供氢气；
空分子系统，用于分离空气中的氧气和氮气；
循环流化床，通过制氢子系统提供的氢气和空分子系统提供的氮气，对铁矿石粉末进行还原反应，生成铁、矿渣和高温还原气体；
气体循环子系统，收集循环流化床的高温还原气体和原料加料子系统的铁矿石粉末，通过制氢子系统提供的氢气和空分子系统提供的氧气燃烧放热，同时通过对高温还原气体进行多次循环利用，对铁矿石粉末共同进行加热，加热后的铁矿石粉末进入循环流化床。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述循环流化床包括还原反应区、气固分离装置和返料装置，所述气固分离装置底部连通还原反应区的上方，顶部连通气体循环子系统，所述返料装置一端连接气固分离装置底部，另一端连接还原反应区底部，所述还原反应区底部同时还连通制氢子系统和空分子系统。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述气体循环子系统包括多级旋风预热器、气体预加热器、水加热器、冷凝器和除尘器，所述多级旋风预热器与气固分离装置顶部之间通过设置高温还原气体管道连通，所述高温气体还原管道还同时连通制氢子系统、空分子系统和原料加料子系统，所述多级旋风预热器同时连通循环流化床底部和气体预热器，所述水加热器一端连接气体预热器，另一端通过冷凝器连接除尘器，所述多级旋风预热器至少包括三级。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述气体预热器还与空分子系统连通，所述气体预热器将空分子系统制备的氮气预热后进入水加热器；
所述水加热器还与制氢子系统连通，所述水加热器将水加热到80-90℃后进入冷凝器，加热后的水为制氢原料；
所述冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水净化后进入水加热器；
所述除尘器连通大气，所述除尘器接收冷凝器出来的气体，经过除尘后排入大气。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述制氢子系统包括但不限于电解水制氢装置，所述空分子系统包括氮气分离通道和氧气分离通道，所述氮气分离通道通过气体预热器后连通循环流化床底部，所述氧气分离通道连通高温还原气体管道。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述多级旋风预热器包括一级旋风预热器、二级旋风预热器和三级旋风预热器，所述一级旋风预热器、二级旋风预热器和三级旋风预热器依次连接，所述一级旋风预热器和二级旋风预热器之间以及二级旋风预热器和三级旋风预热器之间均设有气体通道和固体通道，所述气体通道均同时连通氧气分离通道和制氢子系统，所述一级旋风预热器连通高温还原气体管道，所述三级旋风预热器连通气体预热器。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括熔融池，所述熔融池连通循环流化床底部，用于收集铁和矿渣，通过渣铁分离形成铁坯。
8.一种带气体循环的循环流化床氢气直接还原铁矿石的方法，包括上述权利要求1-7之一所述的系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：制氢子系统通过电解水制备氢气，空分子系统分离空气中的氧气和氮气，原料加料子系统将铁矿石粉末投入高温气体还原通道；
S2：铁矿石粉在多级旋风预热器中进行多级加热后进入循环流化床底部；
S3：加热后的铁矿石粉在还原反应区内与氢气发生还原反应，已反应的和未反应完全的铁矿石粉随气流进入气固分离装置，在气固分离装置中铁矿石粉分离后通过返料装置进入还原反应区；
S4：多级旋风预热器顶部出口排出的高温烟气进入气体预热器，将空分子系统制备的氮气预热，然后进入水加热器，将水加热后进入冷凝器，在冷凝器中将水进行冷凝和分离，分离出来的水经净化系统后进入水加热器，加热后的水作为制氢原料，冷凝器出来的气体经除尘器排入大气；
S5：氮气分离通道中的氮气通过气体预热器预热后与氢气混合，形成预热后的流化风进入循环流化床，流化风与加热后的铁矿石粉接触后，重复S1。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S3中加热后的铁矿石粉末粒径范围在0-8mm，氮气预热后温度为200-500℃，还原反应区的温度控制在800-950℃，循环流化床的表观流化速度控制在4-5m/s。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S4中多级旋风加热器包括一级旋风预热器、二级旋风预热器和三级旋风预热器，其中，一级旋风预热器顶部出口气体温度控制在400-450℃，二级旋风预热器顶部出口气体温度控制在650-700℃，三级旋风预热器顶部出口气体温度控制在900-950℃，水加热器中水加热温度为80-90℃。
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