CN218089652U - 一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，该装置包括高频点火器系统、微波等离子体炬系统、第一级进料系统、第二级进料系统、氨气进料系统、样品支撑系统和尾气处理系统。高频点火器系统包括高频点火电源、高频点火等离子体装置，其设置有第一级进料系统，用于产生滑动弧等离子体；微波等离子体炬系统设置有第二级进料系统，用于产生微波等离子体；氨气进料系统将氨气送入微波等离子体反应器；样品支撑系统放置铁矿球团；尾气处理系统避免冶炼过程中产生的污染性气体对环境的污染。本实用新型利用低温等离子体引燃技术、微波产生及传输技术，实现高效耦合、稳定的微波等离子体装置，结构清晰、布局合理，操作方便，具有较好的稳定性，可实时观察矿石冶炼情况。
Description
技术领域
本实用新型涉及工业冶金、等离子体及氨应用领域，具体涉及一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置。
背景技术
冶金工业作为国民经济建设的基础，为机械、能源、化工、交通、建筑、航空航天、国防工业等各行各业提供所需要的材料产品。目前，高炉炼铁技术已非常成熟，是当前炼铁的主要生产方法。除了少数铁是通过以H2+CO或天然气为热能和还原剂的直接还原法生产的之外，绝大多数铁是通过以煤为燃料和还原剂的高炉生产的。钢铁工业中最大的污染是大量CO2排放。
用碳作还原剂进行高炉冶炼的方法已经非常成熟，若要在保证生产的条件下达到低碳生产的目的，应用氢冶金技术是不二之选，基于氢冶金的基竖炉直接还原—电炉短流程工艺是目前钢铁行业最受关注的领域，具有碳排放低、还原产物清洁、还原反应高效等优点，已在国外得到了广泛推广和应用，其中以Midrex和HYL为代表的技术已在世界各地建厂并实现大型化。
直接还原工艺，是一种将铁氧化物在低于熔化温度的条件下还原而得到金属铁的工艺，其产品为直接还原铁。直接还原铁应用于电炉炼钢具有质地纯净、化学成分稳定、有害杂质含量低以及易于控制钢的成分等优点，是一种替代废钢、冶炼优质钢和特殊钢的理想原料。气基直接还原技术具有产品纯净、成本低廉、节能减排、流程简化等优势，发展气基直接还原技术具有良好的前景。
相较于传统高炉炼铁法使用一氧化碳气体作为还原剂除去铁矿石中的氧，氢还原技术使用氢气作为还原剂，氢气分子远小于一氧化碳分子，很容易渗透到铁矿石内部，其渗透速度约为一氧化碳分子的5倍，氢气的还原潜能大大高于一氧化碳，理论上可以实现快速还原。直接还原炼铁基于氢冶金反应原理的反应式如下：Fe2O3+3H2＝2Fe+3H2O。此外，使用氢气还原氧化铁时，其主要产物是金属铁和水蒸气，尾气对环境没有任何不利的影响，可以明显减轻对环境的负荷。因此，氢是最清洁的。
当前氢气基还原使用的气源主要有天然气和焦炉煤气，然而天然气和焦炉煤气均不满足还原气的成分要求，为了使不具还原能力的天然气转化为具有还原能力的气体，一般是将天然气进行重整，无法达到减碳效果。由于天然气资源的匮乏、电解制气成本高昂，氢气直接还原技术发展缓慢。从长远来看，大规模廉价氢气的提供将会有力推动气基直接还原的快速发展。
实用新型内容
本实用新型针对含碳还原气作为气源的碳排放问题，以及等离子体冶金技术存在设备寿命短、工艺参数难控制等问题，提供了一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其选择氨气作为还原气的气源，利用等离子体将氨直接裂解制成氢或氢氨混合物的氢基还原气，同时利用等离子体辅助氨燃烧为直接还原冶炼提供热量，改变传统金属铁的冶炼对化石燃料的依赖，避免冶炼过程中产生CO2及污染性气体对周围环境的污染。
为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：
一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，所述装置包括高频点火器系统、微波等离子体炬系统、第一级进料系统、第二级进料系统、氨气进料系统、样品支撑系统和尾气处理系统；所述高频点火器系统、微波等离子体炬系统、氨气进料系统和尾气处理系统从上到下依次连接；
所述高频点火器系统包括高频点火器外壳体、高压电极、地电极、喷嘴、高频点火电源；
所述微波等离子体炬系统包括微波等离子体反应器、第一石英管和第二石英管、微波电源、环形器、水负载、矩形波导管、三销钉、梯形波导管；
所述高频点火器外壳体与所述梯形波导管上侧连接，所述梯形波导管下侧与所述微波等离子体反应器连接；
所述第一级进料系统包括第一级进料口、第一流量计、空压机；
所述第二级进料系统包括第二级进料口、旋气环、第二流量计、所述空压机；
来自所述第一级进料系统的物料通过所述高频点火器系统馈入，来自所述第二级进料系统的物料通过所述微波等离子体炬系统馈入；
所述氨气进料系统与所述微波等离子体反应器连接并将氨气送入所述微波等离子体反应器；所述氨气进料系统包括氨气进料法兰、进气口、出气口、液氨储罐、液氨泵、气化室、质量流量控制器；
所述样品支撑系统包括坩埚、支撑架、升降台；所述尾气处理系统包括集气罐、波纹管、尾气处理装置；所述升降台位于所述集气罐内底部。
进一步的，所述高频点火器外壳体材质为不锈钢或碳钢，所述高频点火器外壳体通过石墨垫圈与所述梯形波导管密封连接。
进一步的，所述高压电极、地电极和喷嘴的材质为不锈钢或碳钢；所述高压电极为一端为球形的棒状结构，所述地电极为渐缩管状结构，所述喷嘴为圆柱状结构。
进一步的，所述高压电极、地电极和喷嘴采用同轴方式固定，所述地电极与喷嘴通过焊接方式固定在一起。
进一步的，所述高压电极通过高压线缆与所述高频点火电源连接，所述高频点火电源工作模式为连续波模式或脉冲模式，所述脉冲模式下脉冲频率为1Hz-100kHz，占空比为1％-99％。
进一步的，所述第一级进料口设置在高频点火器外壳体顶部，且通过不锈钢管与第一流量计连接。
进一步的，所述第一级进料系统在所述高频点火器系统内壁形成保护气旋气，保护所述高频点火等离子体装置。
进一步的，所述微波电源为低功率微波电源，其频率为2.45GHz或915MHz。
进一步的，所述微波等离子体反应器通过石墨垫圈与所述梯形波导管密封连接，所述第一石英管插入在微波等离子体反应器与梯形波导管内部。
进一步的，所述第二级进料口设置在高频点火器外壳体侧壁，且通过不锈钢管与第二流量计连接，所述旋气环材质为不锈钢或碳钢，所述旋气环边缘设有6个倾斜的缺口；旋气环与喷嘴以螺纹方式连接，气流经旋气环在微波等离子体反应器内壁形成保护气旋气，防止所述微波等离子体炬系统温度过高受到损坏。
进一步的，所述第一级进料系统和第二级进料系统的进料为空气。
进一步的，所述氨气进料法兰材质为不锈钢或碳钢，所述氨气进料法兰通过石墨垫圈与所述微波等离子体反应器连接。
进一步的，所述氨气进料法兰侧壁设有所述进气口。
进一步的，所述氨气进料法兰内部设有凹槽供氨气流动，且氨气进料法兰内壁上等间距设有6个出气口。这种进料方式可以尽可能地保证氨气能够均匀地进入空气等离子体中。
进一步的，所述液氨储罐、液氨泵、气化室、质量流量控制器之间通过不锈钢或碳钢金属管连接，液氨经所述液氨泵从所述液氨储罐内泵出，所述液氨经过所述液氨泵泵出后经由液相减压阀减压输出并经所述金属管进入气化室，后经质量流量控制器与所述进气口连接，从而进入氨气进料法兰。
进一步的，所述第二石英管上端和下端分别通过耐高温O型圈与氨气进料法兰、集气罐连接。
进一步的，矿石样品放置在坩埚内，所述坩埚材质为耐高温陶瓷材料，所述坩埚由所述支撑架支撑，所述矿石样品、坩埚与支撑架保持同轴并伸入第二石英管内，所述支撑架为金属支撑架。
进一步的，所述支撑架放置在所述升降台上，通过调节升降台高度可调节矿石样品与等离子体的距离。
进一步的，所述尾气处理装置通过波纹管与集气罐连接，处理冶炼过程中产生的尾气。
进一步的，所述环形器的第一端口连接所述微波电源，所述环形器的第二端口连接所述水负载以使反射微波被充分吸收而不会损坏所述微波电源，所述环形器的第三端口连接所述三销钉，以调节微波在所述微波等离子体反应器中的反射效率。
本实用新型的工作原理为：首先通过高频点火装置产生空气滑动弧等离子体，随后利用微波等离子体炬系统，滑动弧等离子体产生的种子电子和离子可进一步地吸收微波，碰撞、激发、电离产生更多的自由电子和离子，进而产生微波等离子体，在等离子体下游通入氨气，利用等离子体对氨进行快速重整，等离子体放电产生的高能电子能够打破氨分子的化学键，使其分解为原子态的氢原子和氮原子，两个氢原子结合产生氢气，微波等离子体可以将富氢还原气加热至1000～1500℃，以氢气作为还原剂对铁矿石进行还原，得到直接还原铁。
本实用新型的工作过程如下：将所述高频点火器系统与所述微波等离子体系统的梯形波导管以石墨垫片密封连接，以所述第一级进料系统为进气口，从所述高频点火器中心旋转通入第一阶段等离子体工作气体介质；所述高频点火电源激励从所述第一级进料系统通入的所述第一阶段等离子体工作气体介质从而形成初级等离子体；将微波等离子体反应器与所述微波等离子体系统的梯形波导管以石墨垫片密封连接；将所述第二级进料系统安放在所述微波等离子体反应器的顶端，工作气体以所述第二级进料系统为进气口，用于冷却高频点火器，工作气体经所述旋气环在所述微波等离子体反应器内壁形成旋气，同时为微波等离子体炬系统提供工作介质；使所述微波电源提供的微波顺序经由所述环形器、矩形波导管、梯形波导管进入所述微波等离子体反应器；将所述环形器的第一端口连接所述微波电源，将所述环形器第二端口连接所述水负载以使反射微波被充分吸收而不会损坏所述微波电源；使得所述环形器的第三端口连接所述三销钉，以调节微波在所述微波等离子体反应器中的反射效率；将所述氨气进料法兰与所述微波等离子体反应器以石墨垫片密封连接，液氨经所述液氨泵从所述液氨储罐内泵出，所述液氨经过所述液氨泵泵出后经由所述液相减压阀减压输出，经耐腐蚀金属管进入气化室，后经质量流量控制器与所述进气口连接，进入氨气进料法兰；氨气进料法兰内部设有凹槽供氨气流动，法兰内壁上等间距设有6个出气口，这种进料方式可以尽可能地保证氨气能够均匀地进入空气等离子体中；氨气经等离子体进行快速重整，等离子体放电产生的高能电子能够打破氨分子的化学键，使其分解为原子态的氢原子和氮原子，两个氢原子结合产生氢气；将所述第二石英管通过耐高温O型圈与氨气进料法兰、集气罐连接；将矿石样品放置在坩埚内，所述坩埚由金属支撑架支撑，支撑架放置在升降台上，升降台放置在集气罐内，所述坩埚与支撑架保持同轴并伸入第二石英管内；等离子体可以将富氢还原气加热至1000～1500℃，可以对矿石样品进行直接还原，最终得到直接还原铁；冶炼过程中的尾气经波纹管通入尾气处理装置进行处理。
本实用新型的优点是：
本实用新型利用低温等离子体引燃技术、微波产生及传输技术，实现高效耦合、稳定的微波等离子体装置，选择氨气作为还原气的气源，利用等离子体将氨直接裂解制成氢或氢氨混合物的氢基还原气，同时利用等离子体辅助氨燃烧为直接还原炼铁提供热量，改变传统金属铁的冶炼对化石燃料的依赖，避免冶炼过程中产生CO2及污染性气体对周围环境的污染。
附图说明
图1为本实用新型提供的等离子体辅助氨直接还原冶炼装置示意图。
图中，1-高频点火器外壳体，2-高压电极，3-地电极，4-喷嘴，5-旋气环，6-高频点火电源，7-第一级进料口，8-第二级进料口，9-空压机，10-第一流量计，11-第二流量计，12-微波电源，13-环形器，14-水负载，15-矩形波导管，16-三销钉，17-梯形波导管，18-微波等离子体反应器，19-第一石英管，20-氨进料法兰，21-进气口，22-出气口，23-液氨储罐，24-液氨泵，25-气化室，26-质量流量控制器，27-第二石英管，28-集气罐，29-矿石样品，30-坩埚，31-支撑架，32-升降台，33-波纹管，34-尾气处理装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅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它实施例，均属于本项实用新型的保护范围。
如图1所示，本实用新型提供的等离子体辅助氨直接还原冶炼装置包括高频点火器外壳体1、高压电极2、地电极3、喷嘴4、旋气环5、高频点火电源6、第一级进料口7、第二级进料口8、空压机9、第一流量计10、第二流量计11、微波电源12、环形器13、水负载14、矩形波导管15、三销钉16、梯形波导管17、微波等离子体反应器18、第一石英管19、氨进料法兰20、进气口21、出气口22、液氨储罐23、液氨泵24、气化室25、质量流量控制器26、第二石英管27、集气罐28、矿石样品29、坩埚30、支撑架31、升降台32、波纹管33、尾气处理装置34。
所述高频点火器外壳体1与所述微波等离子体系统的梯形波导管17以石墨垫片密封连接，以所述第一级进料口7为进气口，从所述高频点火器中心旋转通入第一阶段等离子体工作气体介质——空气，空气由空压机9提供，气体流量由第一流量计10进行调控；所述高频点火电源6激励从所述第一级进料口7通入的所述第一阶段等离子体工作气体介质从而形成初级等离子体。
所述微波等离子体反应器18与所述微波等离子体系统的梯形波导管17以石墨垫片密封连接；将所述第二级进料系统安放在所述微波等离子体反应器18的顶端，工作气体以所述第二级进料口8为进气口，用于冷却高频点火器，工作气体介质为空气，空气由空压机9提供，气体流量由第二流量计11进行调控，工作气体经所述旋气环5在所述微波等离子体反应器18内壁形成旋气保护微波等离子体反应器18，同时为微波等离子体炬系统提供工作介质；使所述微波电源12提供的微波顺序经由所述环形器13、矩形波导管15、梯形波导管17进入所述微波等离子体反应器；将所述环形器的第一端口连接所述微波电源12，将所述环形器13第二端口连接所述水负载14以使反射微波被充分吸收而不会损坏所述微波电源12；使得所述环形器13的第三端口连接所述三销钉16，以调节微波在所述微波等离子体反应器中的反射效率；最终在微波等离子体反应器18中产生微波等离子体。
所述氨气进料法兰20与所述微波等离子体反应器18以石墨垫片密封连接，液氨经所述液氨泵24从所述液氨储罐23内泵出，所述液氨经过所述液氨泵24泵出后经由所述液相减压阀减压输出，经耐腐蚀金属管进入气化室25，后经质量流量控制器26与所述进气口22连接，进入氨气进料法兰20；氨气进料法兰20内部设有凹槽供氨气流动，法兰内壁上等间距设有6个出气口22，这种进料方式可以尽可能地保证氨气能够均匀地进入空气等离子体中；氨气经等离子体进行快速重整，等离子体放电产生的高能电子能够打破氨分子的化学键，使其分解为原子态的氢原子和氮原子，两个氢原子结合产生氢气。
所述第二石英管27通过耐高温O型圈与氨气进料法兰20、集气罐28连接；将氧化球团放置在坩埚30内，所述坩埚30由金属材质的支撑架31支撑，支撑架31放置在升降台32上，升降台放置在集气罐28内，所述坩埚30与支撑架31保持同轴并伸入第二石英管27内。
微波等离子体可以将富氢还原气加热至1000～1500℃，可以对氧化球团进行直接还原，最终得到直接还原铁，其化学反应方程式如：6NH3+3O2+Fe2O3→2Fe+3N2+9H2O；冶炼结束后，关闭流量计10和11，停止空气馈入，以氨气作为保护气，使得氧化球团在氨气氛围中降温冷却，避免还原铁被再次氧化；冶炼过程中的尾气经波纹管33通入尾气处理装置34进行处理，避免污染环境。
Claims (20)
1.一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：
所述装置包括高频点火器系统、微波等离子体炬系统、第一级进料系统、第二级进料系统、氨气进料系统、样品支撑系统和尾气处理系统；所述高频点火器系统、微波等离子体炬系统、氨气进料系统和尾气处理系统从上到下依次连接；
所述高频点火器系统包括高频点火器外壳体、高压电极、地电极、喷嘴、高频点火电源；
所述微波等离子体炬系统包括微波等离子体反应器、第一石英管和第二石英管、微波电源、环形器、水负载、矩形波导管、三销钉、梯形波导管；
所述高频点火器外壳体与所述梯形波导管上侧连接，所述梯形波导管下侧与所述微波等离子体反应器连接；
所述第一级进料系统包括第一级进料口、第一流量计、空压机；
所述第二级进料系统包括第二级进料口、旋气环、第二流量计、所述空压机；
来自所述第一级进料系统的物料通过所述高频点火器系统馈入，来自所述第二级进料系统的物料通过所述微波等离子体炬系统馈入；
所述氨气进料系统与所述微波等离子体反应器连接并将氨气送入所述微波等离子体反应器；所述氨气进料系统包括氨气进料法兰、进气口、出气口、液氨储罐、液氨泵、气化室、质量流量控制器；
所述样品支撑系统包括坩埚、支撑架、升降台；所述尾气处理系统包括集气罐、波纹管、尾气处理装置；所述升降台位于所述集气罐内底部。
2.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述高频点火器外壳体材质为不锈钢或碳钢，所述高频点火器外壳体通过石墨垫圈与所述梯形波导管密封连接。
3.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述高压电极、地电极和喷嘴的材质为不锈钢或碳钢；所述高压电极为一端为球形的棒状结构，所述地电极为渐缩管状结构，所述喷嘴为圆柱状结构。
4.根据权利要求3所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述高压电极、地电极和喷嘴采用同轴方式固定，所述地电极与喷嘴通过焊接方式固定在一起。
5.根据权利要求3所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述高压电极通过高压线缆与所述高频点火电源连接，所述高频点火电源工作模式为连续波模式或脉冲模式，所述脉冲模式下脉冲频率为1Hz-100kHz，占空比为1％-99％。
6.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述第一级进料口设置在高频点火器外壳体顶部，且通过不锈钢管与第一流量计连接。
7.根据权利要求6所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述第一级进料系统在所述高频点火器系统内壁形成保护气旋气，保护所述高频点火等离子体装置。
8.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述微波电源为低功率微波电源，其频率为2.45GHz或915MHz。
9.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述微波等离子体反应器通过石墨垫圈与所述梯形波导管密封连接，所述第一石英管插入在微波等离子体反应器与梯形波导管内部。
10.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述第二级进料口设置在高频点火器外壳体侧壁，且通过不锈钢管与第二流量计连接，所述旋气环材质为不锈钢或碳钢，所述旋气环边缘设有6个倾斜的缺口，旋气环与喷嘴以螺纹方式连接，气流经旋气环在微波等离子体反应器内壁形成保护气旋气，防止所述微波等离子体炬系统温度过高受到损坏。
11.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述第一级进料系统和第二级进料系统的进料为空气。
12.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述氨气进料法兰材质为不锈钢或碳钢，所述氨气进料法兰通过石墨垫圈与所述微波等离子体反应器连接。
13.根据权利要求12所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述氨气进料法兰侧壁设有所述进气口。
14.根据权利要求12所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述氨气进料法兰内部设有凹槽供氨气流动，且氨气进料法兰内壁上等间距设有6个出气口。
15.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述液氨储罐、液氨泵、气化室、质量流量控制器之间通过不锈钢或碳钢金属管连接，液氨经所述液氨泵从所述液氨储罐内泵出，所述液氨经过所述液氨泵泵出后经由液相减压阀减压输出并经所述金属管进入气化室，后经质量流量控制器与所述进气口连接，从而进入氨气进料法兰。
16.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述第二石英管上端和下端分别通过耐高温O型圈与氨气进料法兰、集气罐连接。
17.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：矿石样品放置在坩埚内，所述坩埚材质为耐高温陶瓷材料，所述坩埚由所述支撑架支撑，所述矿石样品、坩埚与支撑架保持同轴并伸入第二石英管内，所述支撑架为金属支撑架。
18.根据权利要求17所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述支撑架放置在所述升降台上，通过调节升降台高度可调节矿石样品与等离子体的距离。
19.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述尾气处理装置通过波纹管与集气罐连接，处理冶炼过程中产生的尾气。
20.根据权利要求1所述的一种等离子体辅助氨直接还原冶炼装置，其特征在于：所述环形器的第一端口连接所述微波电源，所述环形器的第二端口连接所述水负载，所述环形器的第三端口连接所述三销钉。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115875136A (zh) * | 2023-01-16 | 2023-03-31 | 北京航科星云科技有限公司 | 一种滑动弧检测调节方法及系统 |
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2022
- 2022-07-15 CN CN202221825239.9U patent/CN218089652U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115875136A (zh) * | 2023-01-16 | 2023-03-31 | 北京航科星云科技有限公司 | 一种滑动弧检测调节方法及系统 |
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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