一种生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置及方法

本发明属于可再生能源高效清洁利用及氢冶金，具体涉及一种生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置及方法。

背景技术：

1、钢铁行业二氧化碳排放占全球人为二氧化碳排放量的5％-7％，在钢铁行业二氧化碳排放量能达到全国排放总量的17％左右。因此，以氢冶金为代表的新一代低碳冶金工艺被认为是冶金行业摆脱化石能源依赖、实现“零”碳排放的变革性工艺。现有的氢冶金工艺以氢气直接还原炼铁工艺为代表，主要利用天然气、焦炉煤气等通过重整产生的重整氢气作为氢气竖炉的还原气，但受热力学限制，还原气的氢气含量只有80％左右，co和co2的含量在10％以上，依然存在着碳排放的问题。

2、此外，采用天然气或焦炉煤气通过重整产生的混合气作为氢气竖炉的还原气虽然可以有效降低冶金过程的碳排放，但该冶金工艺还原炼铁后产生的氢气竖炉尾气中依然含有40％左右的h2。现有的做法是将尾气的一部分经过co2捕集后用于天然气或焦炉煤气的重整，另一部分直接燃烧用于预热氢气竖炉入口气。因此，氢气竖炉直接炼铁工艺依然存在着部分碳排放的问题。而且，氢气竖炉尾气中含有大量的水蒸气、co2和高品位的热量，在现有的氢气竖炉直接炼铁工艺中并未得到充分利用，这间接增加了氢气竖炉直接炼铁的能耗。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供及一种生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置及方法，用于解决现有技术中存在的上述问题。

2、一种生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置，所述装置包括：氢气竖炉、生物质气化反应器、高温除尘净化器和气体处理部件；

3、其中，所述氢气竖炉包括第一入口，第二入口，第三入口和出口，所述第一入口用于装入反应原料；

4、所述出口用于将所述氢气竖炉中产生的反应后的尾气排入与其连接的所述生物质气化反应器中；

5、所述生物质气化反应器对所述尾气进行气化后排入与其连接的所述高温除尘净化器中；

6、所述高温除尘净化器对接收的气化后的富氢合成气中的杂质进行去除，得到无杂质的富氢合成气；

7、所述气体处理部件对所述无杂质的富氢合成气进行处理，得到二氧化碳气体和通入所述第二入口的高纯度生物质绿氢。

8、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，所述反应原料为铁矿石。

9、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，所述生物质气化反应器设置有铁基催化剂。

10、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，所述尾气包括高温水蒸气、h2、少量co和co2。

11、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，所述气化后的富氢合成气包括含纯度60％左右氢气、co、co2、h2o、烃类、粉尘颗粒和少量焦油。

12、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，所述气体处理部件包括换热器、二氧化碳捕捉器、化学链燃烧反应器和冷凝器，其中，所述换热器和化学链燃烧反应器均连接所述高温除尘净化器，所述换热器还同时连接所述二氧化碳捕捉器和化学链燃烧反应器，所述化学链燃烧反应器还同时连接所述冷凝器和所述反应炉的第二入口。

13、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，所述化学链燃烧反应器包括两个反应室，其中一个反应室设置有氧化态铁基载氧体，与净化后的富氢合成气发生反应生成还原态铁基载氧体；另一个反应室设置有还原态铁基载氧体，与空气发生反应生成氧化态载氧体，并放出热量，两个反应室交替发生铁基载氧体的还原与氧化反应，用于加热碳捕集后的高纯度生物质绿氢。

14、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，所述装置至少还包括两个鼓风机，其中一个鼓风机与另一个反应室连接，用于向所述氧化反应室吹入空气，另一个鼓风机与所述氢气竖炉相连接，氧气从所述氢气竖炉中部第三入口进入，消耗部分氢气预热铁矿石，并为氧化铁还原反应提供热量。

15、本发明还提供了一种生物质绿氢还原铁负碳冶炼的反应方法，所述反应方法采用所述的装置来实现，包括如下步骤：

16、s1.氢气竖炉由第二入口进入的高温生物质绿氢还原从第一入口投入的铁矿石，高温生物质绿氢与铁矿石进行反应，产生尾气；

17、s2.所述尾气由第一出口排出进入生物质气化反应器中，生物质气化反应器将所述尾气气化获得富氢合成气，所述富氢合成气随后进入高温除尘净化器中进行除杂处理，之后得到无杂质的富氢合成气；

18、s3.一路无杂质的富氢合成气经过换热器将热量传递给从气体处理部件的二氧化碳捕集器中出来的高纯度生物质绿氢，由此实现富氢合成气的降温，降温后的富氢合成气进入二氧化碳捕集器将富氢合成气中的二氧化碳捕集并获得高纯度生物质绿氢，随后获得的高纯度生物质绿氢进入换热器中被富氢合成气加热；

19、s4.另一路无杂质的富氢合成气则进入化学链燃烧反应器的一个反应室中，将该反应室内的氧化态铁基载氧体转变成还原态铁基载氧体；

20、s5.在化学链燃烧反应器的另一个反应室中通过鼓风机鼓入的空气与还原态铁基载氧体反应放出热量并生成氧化态铁基载氧体，该部分热量将从换热器出来的高纯度生物质绿氢加热，被加热后的高纯度生物质绿氢进入氢气竖炉中继续还原铁矿石，而从反应室排出的co2和h2o则通过冷凝器将其中的h2o冷凝后，再将剩余的co2捕集。

21、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，s1具体包括：高温生物质绿氢先与氢气竖炉中的氧化亚铁反应生成海绵铁，此过程约消耗40％的氢气，剩余约60％的氢气沿反应炉往上流动，并与铁矿石中的氧化铁和四氧化三铁反应生成氧化亚铁，此过程消耗约20％的氢气，剩余约40％的氢气与由鼓风机鼓入的氧气反应产生热量。

22、本发明的有益效果

23、与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

24、本发明通过生物质气化合成气，经高温净化与co2捕集得到纯氢，再经化学链燃烧预热后用于氢气竖炉直接还原铁。通过氧调节提高氢气竖炉内氢气利用率，降低炉顶气中氢气浓度，富含水蒸汽的高温炉顶气直接用作生物质的气化介质。本发明由于采取以上工艺方案，其具有以下优点：通过生物质气化制氢用于氢气竖炉直接炼铁，结合利用二氧化碳吸附捕集与化学链燃烧工艺，不仅可以实现整个氢气竖炉直接炼铁工艺负碳排放，而且生物质气化可以直接利用氢气竖炉的尾气，极大地降低氢气竖炉直接炼铁工艺的能耗；相较于传统燃烧方法，通过化学链燃烧后的燃烧反应器尾气经过冷凝后即可实现二氧化碳的捕集；氢气竖炉产生的尾气可直接用于生物质气化，可最大限度利用氢气竖炉尾气中的h2o、二氧化碳与余热；该工艺流程理论上可实现二氧化碳的完全捕集；生物质作为一种零碳的可再生能源，可实现整个炼铁工艺流程的负碳排放，并且最大限度地提高了氢气竖炉直接炼铁过程中的氢气利用率，降低了氢气竖炉直接还原炼铁过程的能耗。

技术特征：

1.一种生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置，其特征在于，所述装置包括：氢气竖炉、生物质气化反应器、高温除尘净化器和气体处理部件；

2.根据权利要求1所述的生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置，其特征在于，所述反应原料为铁矿石。

3.根据权利要求2所述的生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置，其特征在于，所述生物质气化反应器设置有铁基催化剂。

4.根据权利要求1或2所述的生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置，其特征在于，所述尾气包括高温水蒸气、h2、少量co和co2。

5.根据权利要求1所述的生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置，其特征在于，所述气化后的富氢合成气包括含纯度60％左右氢气、co、co2、h2o、烃类、粉尘颗粒和少量焦油。

6.根据权利要求5所述的生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置，其特征在于，所述气体处理部件包括换热器、二氧化碳捕捉器、化学链燃烧反应器和冷凝器，其中，所述换热器和化学链燃烧反应器均连接所述高温除尘净化器，所述换热器还同时连接所述二氧化碳捕捉器和化学链燃烧反应器，所述化学链燃烧反应器还同时连接所述冷凝器和所述反应炉的第二入口。

7.根据权利要求6所述的生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置，其特征在于，所述化学链燃烧反应器包括两个反应室，其中一个反应室设置有氧化态铁基载氧体，与净化后的富氢合成气发生反应生成还原态铁基载氧体；另一个反应室设置有还原态铁基载氧体，与空气发生反应生成氧化态载氧体，并放出热量，两个反应室交替发生铁基载氧体的还原与氧化反应，用于加热碳捕集后的高纯度生物质绿氢。

8.根据权利要求7所述的生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置，其特征在于，所述装置至少还包括两个鼓风机，其中一个鼓风机与另一个反应室连接，用于向所述氧化反应室吹入空气，另一个鼓风机与所述氢气竖炉相连接，氧气从所述氢气竖炉中部第三入口进入，消耗部分氢气预热铁矿石，并为氧化铁还原反应提供热量。

9.一种生物质绿氢还原铁负碳冶炼的反应方法，其特征在于，所述反应方法采用权利要求1-8任一项所述的装置来实现，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的生物质绿氢还原铁负碳冶炼的反应方法，其特征在于，s1具体包括：高温生物质绿氢先与氢气竖炉中的氧化亚铁反应生成海绵铁，此过程约消耗40％的氢气，剩余约60％的氢气沿反应炉往上流动，并与铁矿石中的氧化铁和四氧化三铁反应生成氧化亚铁，此过程消耗约20％的氢气，剩余约40％的氢气与由鼓风机鼓入的氧气反应产生热量。

技术总结本发明涉及一种生物质绿氢还原铁负碳冶炼的装置及方法，装置包括：氢气竖炉、生物质气化反应器、高温除尘净化器和气体处理部件。本发明由于采取以上工艺方案，其具有以下优点：通过生物质气化制氢用于氢气竖炉直接炼铁，结合利用二氧化碳吸附捕集与化学链燃烧工艺，不仅可以实现整个氢气竖炉直接炼铁工艺负碳排放，而且生物质气化可以直接利用氢气竖炉的尾气，极大地降低氢气竖炉直接炼铁工艺的能耗；相较于传统燃烧方法，通过化学链燃烧后的燃烧反应器尾气经过冷凝后即可实现二氧化碳的捕集；氢气竖炉产生的尾气可直接用于生物质气化，可最大限度利用氢气竖炉尾气中的H<subgt;2</subgt;O蒸汽与余热；该工艺流程理论上可实现二氧化碳的完全捕集。技术研发人员：罗春欢,郎林,童莉葛,袁洪友,杨畅畅,陈文威,朱虹宇,阴秀丽,周春廷受保护的技术使用者：北京科技大学顺德创新学院技术研发日：技术公布日：2024/6/5