基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统及方法

本发明涉及氢冶金，具体涉及一种基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统及方法。

背景技术：

1、传统冶金工艺中高炉炼铁是生产生铁的主要工艺，其主要流程为矿石(主要物质为fe2o3、fe3o4)、燃料、熔剂从炉顶装入炉内，从鼓风机来的冷风经热风炉后，形成热风从高炉风口鼓入，随着焦炭燃烧，产生热煤气流由下而上运动，而炉料则由上而下运动，互相接触，进行热交换，逐步还原，最后到炉子下部，还原成生铁。

2、当前工艺中多使用焦炭、煤粉作为还原剂，因此生产过程中会产生大量的二氧化碳等污染物，造成污染。而氢冶金工艺则将高炉炼铁中的还原剂更替为清洁的氢气，因为还原过程中氢气与铁矿反应仅会产生水和生铁，大大减少了碳排放。

3、但由于氢冶金中还原反应为吸热反应，且反应温度约为600～800℃，因此需要持续为氢冶金反应炉持续供热以使催化反应成功进行。目前技术中常向反应炉内通入过量氢气，通过燃烧部分氢气产生热量并加热剩余氢气至反应所需温度。该方法需要生产大量过量氢气以供燃烧，效率较低、成本较高。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统及方法，能够有效利用氨合成工艺中反应余热，大大减少热能损耗，进而能够克服现有技术中氢冶金工艺效率低、成本高的技术问题。

2、本发明的第一方面提供一种基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，包括氨合成装置、自由活塞斯特林超高温热泵和氢冶金反应炉；其中，

3、所述自由活塞斯特林超高温热泵设置有低温换热器和高温换热器，且所述自由活塞斯特林超高温热泵适于由所述低温换热器吸收热量、并由所述高温换热器输出升高的热量；

4、所述氨合成装置设置有第一换热器，所述第一换热器与所述低温换热器通过第一换热介质管路连接，以使所述低温换热器吸收所述氨合成装置内氨合成反应放出的热量；

5、所述氢冶金反应炉设置有第二换热器，所述第二换热器与所述高温换热器通过第二换热介质管路连接，以使所述高温换热器输出热量至所述第二换热器，所述第二换热器用于向所述氢冶金反应炉内的氢冶金反应持续提供热量。

6、根据本发明提供的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，所述第一换热介质管路包括：

7、第一供流管，其两端分别连接于所述第一换热器的出口和所述低温换热器的入口；

8、第一回流管，其两端分别连接于所述第一换热器的入口和所述低温换热器的出口。

9、根据本发明提供的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，所述第一换热介质管路设置有第一泵送装置。

10、根据本发明提供的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，所述第二换热介质管路包括：

11、第二供流管，其两端分别连接于所述高温换热器的出口和所述第二换热器的入口；

12、第二回流管，其两端分别连接于所述高温换热器的入口和所述第二换热器的出口。

13、根据本发明提供的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，所述第二换热介质管路设置有第二泵送装置。

14、根据本发明提供的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，所述第一换热器、所述低温换热器、第一换热介质管路内、所述第二换热器、所述高温换热器以及第二换热介质管路内的换热介质为氢气。

15、根据本发明提供的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，所述氨合成装置设置有第一回热器，所述第一回热器用于吸收制得的氨气的余热，并利用所述余热预热通入所述氨合成装置的原料。

16、根据本发明提供的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，所述氢冶金反应炉设置有第二回热器，所述第二回热器用于吸收生成的生铁的余热，并利用所述余热预热通入所述氢冶金反应炉的铁矿原料或氢气。

17、根据本发明提供的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，所述氢冶金反应炉设置有第三回热器，所述第三回热器用于吸收生成的水蒸气的余热，并利用所述余热预热通入所述氢冶金反应炉的铁矿原料或氢气。

18、本发明的第二方面提供一种基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产方法，包括步骤：

19、利用氨合成装置将加热的换热介质传递至自由活塞斯特林超高温热泵的低温换热器；

20、驱动所述自由活塞斯特林超高温热泵的动力活塞往复运动，以将热量从所述低温换热器传递至所述高温换热器；

21、利用氢冶金反应炉的换热介质从所述高温换热器吸收热量，以进行生铁冶炼。

22、本发明实施例提供的一种基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，包括氨合成装置、自由活塞斯特林超高温热泵和氢冶金反应炉；其中，氨合成装置内部进行氨合成反应，该反应为放热反应。氢冶金反应炉内在冶炼铁矿过程中，通过向炉内通入铁矿和氢气发生还原反应冶炼生铁，该反应为吸热反应。自由活塞斯特林超高温热泵具有低温换热器和高温换热器，其中，低温换热器能够与外部换热，以吸收外部热量，且自由活塞斯特林超高温热泵吸收外部热量后，经过热泵系统升温后可由高温换热器输出热量。本方案中，通过在氨合成装置设置第一换热器，第一换热器与自由活塞斯特林超高温热泵的低温换热器通过第一换热介质管路连接，氨合成装置中放出的热量可换热至热泵的低温换热器中，被活塞斯特林超高温热泵吸收。氢冶金反应炉设置有第二换热器，并且第二换热器与高温换热器通过第二换热介质管路连接，经热泵升温后的热量可通过第二换热介质管路传输至第二换热器，第二换热器与氢冶金反应炉内的氢气进行换热，起到加热氢气的作用，为冶炼生铁提供了热量。

23、如此设置，本实施例提供的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，能够利用氨合成反应放出的热量，加热氢冶金所需的氢气，为冶金还原反应提供热量，进而克服了现有技术中氢冶金工艺效率低、成本高的技术问题。

技术特征：

1.一种基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，其特征在于，包括氨合成装置(2)、自由活塞斯特林超高温热泵(3)和氢冶金反应炉(4)；其中，

2.根据权利要求1所述的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，其特征在于，所述第一换热介质管路包括：

3.根据权利要求2所述的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，其特征在于，所述第一换热介质管路设置有第一泵送装置(5)。

4.根据权利要求1所述的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，其特征在于，所述第二换热介质管路包括：

5.根据权利要求4所述的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，其特征在于，所述第二换热介质管路设置有第二泵送装置(1)。

6.根据权利要求1所述的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，其特征在于，所述第一换热器(6)、所述低温换热器、第一换热介质管路内、所述第二换热器(7)、所述高温换热器以及第二换热介质管路内的换热介质为氢气。

7.根据权利要求1所述的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，其特征在于，所述氨合成装置(2)设置有第一回热器(8)，所述第一回热器(8)用于吸收制得的氨气的余热，并利用所述余热预热通入所述氨合成装置(2)的原料。

8.根据权利要求1所述的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，其特征在于，所述氢冶金反应炉(4)设置有第二回热器(9)，所述第二回热器(9)用于吸收生成的生铁的余热，并利用所述余热预热通入所述氢冶金反应炉(4)的铁矿原料或氢气。

9.根据权利要求1所述的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，其特征在于，所述氢冶金反应炉(4)设置有第三回热器(10)，所述第三回热器(10)用于吸收生成的水蒸气的余热，并利用所述余热预热通入所述氢冶金反应炉(4)的铁矿原料或氢气。

10.一种基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产方法，其特征在于，包括步骤：

技术总结本发明涉及氢冶金技术领域，具体涉及基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统及方法。本发明提供的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统，包括氨合成装置、自由活塞斯特林超高温热泵和氢冶金反应炉；自由活塞斯特林超高温热泵设置有低温换热器和高温换热器；氨合成装置设置有第一换热器，第一换热器与低温换热器通过第一换热介质管路连接；氢冶金反应炉设置有第二换热器，第二换热器与高温换热器通过第二换热介质管路连接。本发明的基于自由活塞斯特林超高温热泵的氨合成与氢冶金耦合联产系统及方法，能有效利用氨合成工艺中反应余热，减少热能损耗，能够克服现有技术中氢冶金工艺效率低、成本高的问题。技术研发人员：罗二仓,代龙冉,罗开琦,胡剑英,孙岩雷,吴张华,陈燕燕受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/11