CN203159652U - 页岩气发电制氢炼钢设备及其还原介质供应系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种页岩气发电制氢炼钢设备的还原介质供应系统，所述还原介质供应系统包括页岩气发电装置和利用所述页岩气发电装置提供的电能制备氢气的氢气制备装置。上述还原介质供应系统的氢气制备装置利用页岩气发电装置提供的电能将水电解、制备出还原性气体——氢气，氢气能够将页岩气发电制氢炼钢设备的铁矿粉还原系统的铁矿粉还原成铁粉，属于直接反应，避免了铁矿粉造块工序，所以不必使用焦炭作为支撑料柱的骨架，避免了焦炭的使用；同时，氢气作为还原介质，实现了清洁生产，减少了对环境和钢材本身的污染，进而实现了超纯净钢的生产。本实用新型还提供了一种页岩气发电制氢炼钢设备，包括本实用新型提供的还原介质供应系统。

Description

页岩气发电制氢炼钢设备及其还原介质供应系统

技术领域

本实用新型涉及炼钢技术领域，更具体地说，涉及一种页岩气发电制氢炼钢设备的还原介质供应系统，本实用新型还涉及一种具有上述还原介质供应系统的页岩气发电制氢炼钢设备。

背景技术

钢铁常采用的生产流程（长流程）是从铁矿石得到钢水，主要经过烧结（或造球）、炼焦、高炉炼铁、转炉炼钢四个工艺环节。现有的高炉炼铁工艺中，常使用焦炭或者喷煤等固体作为还原介质，焦炭在风口前燃烧产生高温和还原性气体一氧化碳以及二氧化碳，在炉内上升过程中加热缓慢下降的炉料，并还原铁矿石中的氧化物为金属铁。上述工艺中铁矿石的还原的70%以上是间接还原，属气固反应，要求高炉保持良好的透气性，因此贫矿选矿后获得的铁精矿粉和富矿块矿粉末都必须经过造块才能供高炉使用，即经过烧结（或造球）工艺过程。

焦炭在高炉内的用途，一方面是作为提供冶炼所需热量的燃料和铁氧化物还原剂，更重要的作用是在矿石软化熔融后作为支撑高达数十米的料柱的骨架，同时又是煤气通路。

作为支撑骨架的焦炭在高温下容易和空气发生反应生成一氧化碳、二氧化碳等有害气体，且焦炭与铁矿石的还原产物也会产生上述气体，进而对环境产生污染。由于烧结（或造球）的物料处理量约占钢铁联合企业的第二位（仅次于炼铁生产），能耗仅次于炼铁和轧钢而居第三位，所以焦炭的使用量较高，对环境污染严重。同时，传统流程中重复进行氧化还原反应的过程中碳会对钢水造成污染，而且重复加热增加了系统能耗。故，焦炭的使用带来了严重的污染问题，不仅对环境造成污染，还对钢材本身造成污染，限制了超纯净钢的生产。

其次，由于生成的钢液渗碳较多，得到成品钢液时还需要脱碳；铁液的碳还会使脉石中的Si被还原到钢液中，得到成品钢液时还需脱Si，增加了辅助工艺，导致炼钢生产工艺复杂化，生产周期较长。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种页岩气发电制氢炼钢设备的还原介质供应系统，减少对环境和钢材本身的污染，进而实现超纯净钢的生产。

本实用新型还提供了一种具有上述还原介质供应系统的页岩气发电制氢炼钢设备。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种页岩气发电制氢炼钢设备的还原介质供应系统，所述还原介质供应系统包括页岩气发电装置和利用所述页岩气发电装置提供的电能制备氢气的氢气制备装置。

优选的，上述还原介质供应系统还包括用于对所述氢气增压的气体增压装置。

优选的，上述还原介质供应系统还包括设置在所述氢气制备装置与所述气体增压装置之间的第一气体加热器。

优选的，上述还原介质供应系统中，所述页岩气发电装置为以页岩气为工质的燃气轮机和蒸汽轮机联合发电装置。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型提供的页岩气发电制氢炼钢设备的还原介质供应系统包括页岩气发电装置和氢气制备装置，上述氢气制备装置利用页岩气发电装置提供的电能将水电解、制备出还原性气体——氢气，故，上述还原介质供应系统实质上是氢气供应系统。

本实用新型提供的还原介质供应系统提供的氢气能够将页岩气发电制氢炼钢设备的铁矿粉还原系统的铁矿粉还原成铁粉，属于直接反应，避免了铁矿粉造块工序，所以不必使用焦炭作为支撑料柱的骨架，避免了焦炭的使用。由于氢原子半径小，还原反应速度快；还原产物是水，易分离处理，实现了清洁生产。同时，氢气还原避免了碳在还原过程中对铁水的污染，改变了传统流程中重复进行氧化还原反应造成的钢水污染问题，减少了重复加热，降低了系统能耗。因此，利用本实用新型的还原介质供应系统提供的氢气还原铁矿炼钢很大程度解决了污染问题，不仅减少了对环境的污染，还避免了对钢材本身的污染，进而实现了超纯净钢的生产。

其次，利用本实用新型提供的还原介质供应系统对铁矿粉还原生成的钢液渗碳少，得到成品钢液时无需脱碳；氢气不含硫，得到成品钢液时无需脱硫；由于铁液碳活度低而溶解氧活度高，脉石中的Si不会被还原到钢液中，得到成品钢液时无需脱Si，因此可以从铁矿石或含铁氧化物一步得到钢水；所以减少了辅助工艺，简化了炼钢的生产工艺，缩短了生产周期，提高了生产效率。

本实用新型还提供了一种页岩气发电制氢炼钢设备，包括铁矿粉供应系统，铁矿粉还原系统，用于给所述铁矿粉还原系统的铁矿粉提供还原性介质的还原介质供应系统和从所述铁矿粉还原系统接收铁粉并将所述铁粉炼成钢的电弧炉；所述还原介质供应系统为上述任一种还原介质供应系统。由于上述还原介质供应系统具有上述效果，具有上述还原介质供应系统的页岩气发电制氢炼钢设备具有同样的效果，故本文不再赘述。

优选的，上述页岩气发电制氢炼钢设备中，所述铁矿粉供应系统包括：

接收铁矿石并将所述铁矿石磨成铁矿粉的磨粉装置；

对所述铁矿粉进行预热的多级旋风预热器；

将所述铁矿粉输送至所述多级旋风预热器的铁矿粉提升装置。

优选的，上述页岩气发电制氢炼钢设备中，还包括设置在所述多级旋风预热器的气体出口处，接收所述多级旋风预热器排出的尾气并对所述尾气进行净化的气体净化装置和设置在所述气体净化装置的出口处，用于除去所述气体净化装置净化后的尾气中的水，并向所述还原介质供应系统输送干燥的尾气的气体脱水装置。

优选的，上述页岩气发电制氢炼钢设备中，所述铁矿粉还原系统包括至少两个级联的循环流化床；还包括连通于所述还原介质供应系统的氢气制备装置与至少一个所述循环流化床之间，将所述氢气制备装置制备氢气时副产的氧气的至少一部分提供至所述循环流化床的输送管道。

优选的，上述页岩气发电制氢炼钢设备中，所述铁矿粉还原系统包括利用所述还原介质供应系统提供的氢气将预还原铁粉还原成终还原铁粉的终还原循环流化床和使用所述终还原循环流化床的尾气将所述铁矿粉还原成所述预还原铁粉的预还原循环流化床。

优选的，上述页岩气发电制氢炼钢设备中，所述铁矿粉还原系统还包括设置在所述预还原循环流化床的尾气出口与所述多级旋风预热器的预热用气体入口之间的第二气体加热器以及设置在所述终还原循环流化床的尾气出口与所述预还原循环流化床的还原用气体入口之间的第三气体加热器。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的页岩气发电制氢炼钢设备的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型实施例提供了一种页岩气发电制氢炼钢设备的还原介质供应系统，减少了对环境和钢材本身的污染，进而实现了超纯净钢的生产。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参考附图1，本实用新型实施例提供的页岩气发电制氢炼钢设备的还原介质供应系统包括页岩气发电装置7和利用页岩气发电装置7提供的电能制备氢气的氢气制备装置8。

上述氢气制备装置8利用页岩气发电装置7提供的电能将水电解、制备出还原性气体——氢气，则上述还原介质供应系统实质上是氢气供应系统。

本实用新型实施例提供的还原介质供应系统提供的氢气能够将页岩气发电制氢炼钢设备的铁矿粉还原系统的铁矿粉还原成铁粉，属于直接反应，避免了铁矿粉造块工序，所以不必使用焦炭作为支撑料柱的骨架，避免了焦炭的使用。由于氢原子半径小，还原反应速度快；还原产物是水，易分离处理，实现了清洁生产。同时，氢气还原避免了碳在还原过程中对铁水的污染，改变了传统流程中重复进行氧化还原反应造成的钢水污染问题，减少了重复加热，降低了系统能耗。因此，利用本实施例的还原介质供应系统提供的氢气还原铁矿炼钢很大程度解决了污染问题，不仅减少了对环境的污染，还避免了对钢材本身的污染，进而实现了超纯净钢的生产。

其次，利用本实施例提供的还原介质供应系统对铁矿粉还原生成的钢液渗碳少，得到成品钢液时无需脱碳；氢气不含硫，得到成品钢液时无需脱硫；由于铁液碳活度低而溶解氧活度高，脉石中的Si不会被还原到钢液中，得到成品钢液时无需脱Si，因此可以从铁矿石或含铁氧化物一步得到钢水；所以减少了辅助工艺，简化了炼钢的生产工艺，缩短了生产周期，提高了生产效率。

优选的，上述实施例提供的还原介质供应系统还包括用于对氢气增压的气体增压装置10。利用页岩气发电装置7产生电能，再利用该电能将氢气制备装置8内的水电解、制备出氢气，接着气体增压装置10对氢气增压，并向页岩气发电制氢炼钢设备的铁矿粉还原系统提供增压的氢气，使氢气还原铁矿粉还原系统内的铁矿粉。增压后的氢气以一定的气压进入铁矿粉还原系统内，实现了与铁矿粉的充分接触，提高了还原效率。

进一步的，上述还原介质供应系统还包括设置在氢气制备装置8与气体增压装置10之间的第一气体加热器9。本实施例中，第一气体加热器9对氢气制备装置8提供的氢气进行加热，加热后的氢气具有一定的热量，便于还原反应的进行；接着气体增压装置10对加热后的氢气增压，并向铁矿粉还原系统提供增压的氢气。但是本实用新型的还原介质供应系统不限于此，只要还原介质供应系统能够使用页岩气来发电，将产生的电能用于制备氢气并将制备的氢气提供给铁矿粉还原系统即可。在一个实施例中，氢气供应系统包括页岩气发电装置、氢气制备装置和气体增压装置，而不包括气体加热器。

为了进一步优化上述技术方案，页岩气发电装置7优选为以页岩气为工质的燃气轮机和蒸汽轮机联合发电装置。燃气轮机以页岩气为燃料，空气从燃气轮机的进气口进入，被升压后进入燃烧室与页岩气混合，并点火燃烧，气体燃烧后推动叶片转动，进而通过发电机产生电能；同时利用从燃气轮机的出气口排出的热废气加热蒸汽轮机使其内产生蒸汽，蒸汽推动叶片转动，进而通过发电机产生电能。通过将燃气轮机和蒸汽轮机联合在一起，提高了电能的转换效率，同时大幅度节约了能源。本领域技术人员可以理解的是，该页岩气发电装置7也可为燃气轮机发电装置或者蒸汽轮机发电装置，以达到同样的产生电能的效果，在此不再一一介绍。

本实用新型实施例还提供了一种页岩气发电制氢炼钢设备，请参考附图1，该页岩气发电制氢炼钢设备包括铁矿粉供应系统，铁矿粉还原系统，还原介质供应系统和电弧炉6；其中，还原介质供应系统为本实用新型任意一项实施例提供的还原介质供应系统，用于给铁矿粉还原系统的铁矿粉提供还原性介质——氢气。铁矿粉还原系统接收铁矿粉供应系统供应的铁矿粉以及还原介质供应系统（即氢气供应系统）供应的氢气，使用氢气将铁矿粉还原成铁粉；电弧炉6从铁矿粉还原系统接收铁粉并将铁粉炼成钢。

上述的页岩气发电制氢炼钢设备采用本实施例提供的还原介质供应系统，减少了对环境和钢材本身的污染，进而实现了超纯净钢的生产，同时减少了辅助工艺，简化了炼钢的生产工艺，缩短了生产周期，提高了生产效率；其优点是由还原介质供应系统带来的，具体的请参考上述实施例中相关的部分，在此就不再赘述。

具体的，上述实施例的铁矿粉供应系统包括磨粉装置1、铁矿粉提升装置2和多级旋风预热器3。磨粉装置1接收铁矿石并将铁矿石磨成铁矿粉；铁矿粉提升装置2将铁矿粉提升至一定高度并将铁矿粉输送至多级旋风预热器3；多级旋风预热器3对铁矿粉进行预热。在一个实施例中，多级旋风预热器3使用铁矿粉还原系统排出的尾气对铁矿粉进行预热。

虽然图1中示出了铁矿粉供应系统包括磨粉装置1、铁矿粉提升装置2和多级旋风预热器3，但是本实用新型的生产钢的设备不限于此，只要铁矿粉供应系统能够向铁矿粉还原系统供应冷态或热态的铁矿粉即可。在一个实施例中，铁矿粉供应系统仅包括用于将铁矿石磨成粉的磨粉装置。在另一实施例中，铁矿粉供应系统仅包括输送冷态铁矿粉或热态铁矿粉中的至少一种的输送装置。

进一步的技术方案中，页岩气发电制氢炼钢设备还包括气体净化装置13和气体脱水装置14，气体净化装置13设置在多级旋风预热器3的气体出口处，气体脱水装置14设置在气体净化装置13的出口处。气体净化装置13接收多级旋风预热器3排出的尾气并对该尾气进行净化，在一个实施例中，气体净化装置13包括脱硫装置、脱硝装置、除尘装置中的至少一种。气体脱水装置14接收净化后的尾气，除去该尾气中的水，并向还原介质供应系统输送干燥的尾气。具体的，本实施例的气体脱水装置14向还原介质供应系统中的第一气体加热器9输送干燥的尾气；此时气体净化装置13和气体脱水装置14依次设置在多级旋风预热器3与氢气供应系统的第一气体加热器9（或气体增压装置10）之间；当然，气体净化装置13和气体脱水装置14还可以依次设置在多级旋风预热器3与氢气供应系统的气体增压装置10之间，本实施例对此不做具体限定。

上述实施例提供的页岩气发电制氢炼钢设备中，铁矿粉还原系统包括至少两个级联的循环流化床。下文描述了铁矿粉还原系统包括两个级联的循环流化床，但是本实用新型不限于此。铁矿粉还原系统可包括多于两个的级联的循环流化床。

优选的，铁矿粉还原系统包括预还原循环流化床4和终还原循环流化床5。

预还原循环流化床4接收铁矿粉供应系统（例如多级旋风预热器3）供应的铁矿粉和终还原循环流化床5排出的含氢尾气，并使用该含氢尾气还原铁矿粉，得到预还原铁粉。预还原循环流化床4排出的含氢尾气可被供应至多级旋风预热器3，以对铁矿粉进行预热。在这种情况下，铁矿粉还原系统还可包括设置在多级旋风预热器3的预热用气体入口与预还原循环流化床4的尾气出口之间的第二气体加热器12，以对预还原循环流化床4排出的含氢尾气进行加热。

终还原循环流化床5接收预还原循环流化床4供应的预还原铁粉和氢气供应系统（例如气体增压装置10）供应的氢气，并使用该氢气还原预还原铁粉，得到终还原铁粉。如上所述，终还原循环流化床5排出的含氢尾气可被供应至预还原循环流化床4，以用于还原铁矿粉。在这种情况下，铁矿粉还原系统还可包括设置在预还原循环流化床4的还原用气体入口与终还原循环流化床5的尾气出口之间的第三气体加热器11，以对终还原循环流化床5排出的含氢尾气进行加热。

为了进一步优化上述技术方案，页岩气发电制氢炼钢设备还包括连通于还原介质供应系统的氢气制备装置8与至少一个循环流化床之间，将氢气制备装置8制备氢气时副产的氧气的至少一部分提供至循环流化床的输送管道（图中未示出）。这样一来，通过上述输送管道，氢气制备装置8制备氢气时副产的氧气的至少一部分被提供至预还原循环流化床4和终还原循环流化床5中的至少一个使得其中的氢气燃烧来为铁矿粉或预还原铁粉的还原提供热量。

如图1所示，电弧炉6从铁矿粉还原系统（例如终还原循环流化床5）接收终还原铁粉并将终还原铁粉炼成钢。

另外，本实用新型的设备和基建投资得到大量节省。据保守的计算，可以节省50%以上的设备和基建投资。在根据本实用新型实施例提供的页岩气发电制氢炼钢设备的工艺流程中获知，物流得到充分简化。在传统的钢铁厂，各个工艺环节的物流非常繁忙，含铁物流历经数次的升温降温，损失大量的物理热。根据本实用新型的设备只有一座炉子，非常紧凑，物流简单有序，而且避免了铁水在运输过程中的温度损失，易于实现生产的直接化和自动控制。

下面结合具体实施例对本实用新型的页岩气发电制氢炼钢设备的生产钢的工艺流程做进一步详细的描述。

实施例1：如图1所示，粗线箭头为铁矿粉的工艺走向，细线箭头为气体的工艺走向。

首先，使用磨粉装置1将铁矿石磨成100目以下325目以上的铁矿粉。然后，铁矿粉提升装置2将该铁矿粉提升至多级旋风预热器3的进料口。多级旋风预热器3使用预还原循环流化床4的尾气对铁矿粉进行预热。

然后，使用10万KW的页岩气发电装置（组）7发电，氢气制备装置8接收页岩气发电装置（组）7提供的电能，并利用该电能以2万标方/小时的速度制备氢气。第一气体加热器9将氢气制备装置8提供的氢气加热至850℃以下。气体增压装置10对加热的氢气增压，并向铁矿粉还原系统提供增压的氢气。

接着，预还原循环流化床4接收多级旋风预热器3供应的铁矿粉和终还原循环流化床5排出的含氢尾气，并使用该含氢尾气还原铁矿粉，得到预还原铁粉。将预还原循环流化床4排出的含氢尾气供应至多级旋风预热器3，以对铁矿粉进行预热。终还原循环流化床5接收预还原循环流化床4供应的预还原铁粉和气体增压装置10供应的氢气，并使用该氢气还原预还原铁粉，得到金属化率达到90%以上的终还原铁粉。将终还原循环流化床5排出的含氢尾气供应至预还原循环流化床4，以用于还原铁矿粉。终还原铁粉的生产能力为33吨/小时。

最后，电弧炉6从终还原循环流化床5接收终还原铁粉并将终还原铁粉炼成粗钢，粗钢的生产能力达到24万吨/年。粗钢包含0.1～0.8%的C、不超过0.05%的Si和不超过0.05%的Mn，经过后续的炉外精炼和脱氧合金化工序即得到合格的钢水。

同时，使用气体净化装置13接收多级旋风预热器3排出的尾气，对该尾气进行净化，气体脱水装置14接收净化的尾气，除去该尾气中的水，并向还原介质供应系统的第一气体加热器9输送干燥的尾气。

实施例2：

除了使用100万KW的页岩气发电装置（组）7发电，以20万标方/小时的速度制备氢气，终还原铁粉的生产能力为330吨/小时，粗钢的生产能力为240万吨/年之外，按照与实施例1的方法相同的方法生产钢。

实施例3：

除了使用1000万KW的页岩气发电装置（组）7发电，以200万标方/小时的速度制备氢气，终还原铁粉的生产能力为3300吨/小时，粗钢的生产能力为2400万吨/年之外，按照与实施例1的方法相同的方法生产钢。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种页岩气发电制氢炼钢设备的还原介质供应系统，其特征在于，所述还原介质供应系统包括页岩气发电装置（7）和利用所述页岩气发电装置（7）提供的电能制备氢气的氢气制备装置（8）。

2.根据权利要求1所述的还原介质供应系统，其特征在于，所述还原介质供应系统还包括用于对所述氢气增压的气体增压装置（10）。

3.根据权利要求2所述的还原介质供应系统，其特征在于，所述还原介质供应系统还包括设置在所述氢气制备装置（8）与所述气体增压装置（10）之间的第一气体加热器（9）。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的还原介质供应系统，其特征在于，所述页岩气发电装置（7）为以页岩气为工质的燃气轮机和蒸汽轮机联合发电装置。

5.一种页岩气发电制氢炼钢设备，包括铁矿粉供应系统，铁矿粉还原系统，用于给所述铁矿粉还原系统的铁矿粉提供还原性介质的还原介质供应系统和从所述铁矿粉还原系统接收铁粉并将所述铁粉炼成钢的电弧炉（6）；其特征在于，所述还原介质供应系统为如权利要求1-4任意一项所述的还原介质供应系统。

6.根据权利要求5所述的页岩气发电制氢炼钢设备，其特征在于，所述铁矿粉供应系统包括：

接收铁矿石并将所述铁矿石磨成铁矿粉的磨粉装置（1）；

对所述铁矿粉进行预热的多级旋风预热器（3）；

将所述铁矿粉输送至所述多级旋风预热器（3）的铁矿粉提升装置（2）。

7.根据权利要求6所述的页岩气发电制氢炼钢设备，其特征在于，还包括设置在所述多级旋风预热器（3）的气体出口处，接收所述多级旋风预热器（3）排出的尾气并对所述尾气进行净化的气体净化装置（13）和设置在所述气体净化装置（13）的出口处，用于除去所述气体净化装置（13）净化后的尾气中的水，并向所述还原介质供应系统输送干燥的尾气的气体脱水装置（14）。

8.根据权利要求6所述的页岩气发电制氢炼钢设备，其特征在于，所述铁矿粉还原系统包括至少两个级联的循环流化床；还包括连通于所述还原介质供应系统的氢气制备装置（8）与至少一个所述循环流化床之间，将所述氢气制备装置（8）制备氢气时副产的氧气的至少一部分提供至所述循环流化床的输送管道。

9.根据权利要求8所述的页岩气发电制氢炼钢设备，其特征在于，所述铁矿粉还原系统包括利用所述还原介质供应系统提供的氢气将预还原铁粉还原成终还原铁粉的终还原循环流化床（5）和使用所述终还原循环流化床（5）的尾气将所述铁矿粉还原成所述预还原铁粉的预还原循环流化床（4）。

10.根据权利要求9所述的页岩气发电制氢炼钢设备，其特征在于，所述铁矿粉还原系统还包括设置在所述预还原循环流化床（4）的尾气出口与所述多级旋风预热器（3）的预热用气体入口之间的第二气体加热器（12）以及设置在所述终还原循环流化床（5）的尾气出口与所述预还原循环流化床（4）的还原用气体入口之间的第三气体加热器（11）。

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