一种氢气和金属制品相伴的生产方法及生产系统与流程

本发明属于冶金技术领域，尤其是涉及一种氢气和金属制品相伴的生产方法及生产系统。

背景技术：

目前，金属冶金行业在面对越来越严格的碳中和要求，金属冶炼企业普遍的做法是等待新的绿色的能源(生产过程中的碳排放为零)的开发，例如，钢铁行业在等待并试用绿色的电、绿色的氢来炼钢，但是由于绿色能源的价格比传统能源的价格高很多，致使企业在过渡期内很难有效管理绿色产品及传统产品投放市场的行为。因此急需寻找一种可利用制氢冗余环境来顺带地熔炼金属的方法或利用冶炼金属的冗余环境来顺带的生产氢气的方法，让氢气和金属生产的成本相互覆盖，使氢气和金属生产成本都低于各自在专业领域中的生产成本。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种氢气和金属制品相伴的生产方法及生产系统，通过制氢和熔炼金属相伴生产的方式，使氢气和金属生产的成本相互覆盖，实现了以低成本大规模的生产氢气，并为市场提供负担得起的绿色钢材。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种氢气和金属制品相伴的生产方法，包括如下步骤：

s1、从闪速冶金设备的熔炼空间的顶部将干燥金属氧化矿粉、氧气加入充满高温氢气的1300℃以上的熔炼空间，矿粉颗粒与氢气充分接触，快速发生还原反应，矿粉还原熔炼后的固液产物进入闪速冶金设备的熔池中，烟气进入熔池上部的通道，向上升烟道方向流动；

s2、向熔池内温度为1400℃-1800℃的熔体中喷入甲烷，甲烷裂解为固碳和氢气；同时向熔池内喷入氧气，氧气与裂解产生的过量h2燃烧，为熔池补充热量，多余的氢气上浮进入烟气中，向上升烟道方向流动，进入烟气净化系统；在熔池中同时加入熔剂，使矿粉中的脉石成分与熔剂造渣，在经过沉淀分层后，形成金属熔体层和渣层；甲烷裂解的固碳因密度原因上浮至渣层上部，固碳与熔渣一起通过排渣口排出，而金属熔体通过金属排放口排出。

甲烷在1400℃以上的裂解形成的固碳产物一般是炭黑，但在条件合适时，也可能会形成碳纳米管或热解石墨等形态。

进一步的，还包括步骤s3：烟气处理：从闪速冶金设备的上升烟道排出的高温烟气进入高温换热设备的热介质流道，高温烟气的主要成分为h2、h2o，及少量co、co2，在与高温换热设备的冷介质流道中的冷介质热交换后降温，进入烟气净化系统，经除尘净化、脱水及脱碳后，将得到的常温高浓度氢气送入高温换热设备上的冷介质流道中，在换热升温后，经氢气入口送入闪速冶金设备的熔炼空间内。

进一步的，所述s3中脱碳后得到的高浓度co2气体经加热升温后喷入s2中所述的金属熔体层中，与金属熔体层中的渗碳发生反应，生成co。

进一步的，所述高温换热设备的冷介质流道有两种，两种冷介质流道互不连通；其中一种冷介质流道中的冷介质为s3中所述的常温高浓度氢气，另一种冷介质流道中的冷介质为s3中所述的脱碳后得到的高浓度co2气体，脱碳后的高浓度co2气体通过高温换热设备进行加热升温。

进一步的，所述s2中的喷入的甲烷为天然气中的甲烷、焦煤煤气中的甲烷或市售高纯甲烷气体。

进一步的，所述s2中的固碳与熔渣排出闪速冶金设备后，固碳漂浮在熔渣上，通过固液分离的方法实现固碳与熔渣的分离，并在隔绝氧气的条件下使固碳冷却，实现固碳的回收利用。

进一步的，所述s2中的氧气喷入速度为100米/秒，喷入的的角度为与水平面的夹角为40～90°。

所述闪速冶金设备为采用闪速冶金原理构建的冶金装置，包括但不限于闪速熔炼炉、闪速吹炼炉、天闪炉、基夫赛特炉、铜合成炉。

一种应用氢气和金属制品相伴的生产方法的生产系统，包括闪速冶金设备及烟气净化系统；

所述闪速冶金设备为中闪炉，所述中闪炉包括熔炼空间、换热烟道及设于所述熔炼空间和所述换热烟道底部并将二者连通的熔池；所述熔炼空间的顶部或侧壁上设有物料入口、氧气入口及氢气入口；所述换热烟道的外壁或内部设有冷介质流道，所述冷介质流道的出口端与所述氢气入口连接；所述熔池的侧壁上设有多个喷管，所述熔池的侧壁位于换热烟道的一侧设有熔体排放口和排渣口，所述熔体排放口设于所述排渣口的下方；

所述烟气净化系统的入口端与所述换热烟道的出口端连接，所述烟气净化系统的氢气出口端与所述冷介质流道的入口端连接，所述烟气净化系统的作用是将烟气进行除尘净化，并分离提纯其中的氢气。

换热烟道的作用类似于传统闪速冶金设备的上升烟道与高温换热设备的热介质流道的组合，即换热烟道同时作为上升烟道和热介质流道使用，热媒为中闪炉内产生的高温烟气，与设于换热烟道的外壁或内部的冷介质流道构成具有高温换热设备相同换热作用的结构，冷介质流道中的冷媒是从烟气净化系统返回的高浓度的氢气，或高浓度氢气和高浓度co2，此结构将冶金产生的余热最大限度的返回给中闪炉，实现了余热高效率的利用。

熔炼空间是金属熔炼的场所，它的顶部或侧壁可以承接待冶炼的金属矿粉的加入、氧气的加入及氢气的加入。经换热烟道换热升温后的高温氢气，由冷介质流道进入氢气入口后，从熔炼空间的顶部或侧壁喷入，与同时喷入的矿粉和氧气混合，控制氧量可以控制空间的温度，以熔化矿粉。由于氢气是强还原剂，所以更适合于冶炼氧化矿。氢燃烧和还原后的产物都是水，熔炼空间产生的烟气中的主要成分是水蒸气和剩余的氢气。

进一步的，所述冷介质流道设置于所述换热烟道的内部，所述冷介质流道的出口端所在位置低于所述冷介质流道的入口端所在位置。

进一步的，所述喷管呈上下两层的方式布置，上层为氧气喷管，下层为甲烷喷管。

进一步的，所述氧气喷管的喷头端倾斜向下的安装于所述熔池的侧壁上，所述氧气喷管的喷头位于熔体液面以上。

进一步的，所述甲烷喷管的喷头位于熔体中的渣层下部，靠近铁水层的位置。

进一步的，所述氧气喷管的数量小于所述甲烷喷管数量的二分之一。

进一步的，所述烟气净化系统包括通过管道依次连通的除尘设备、风机、脱水脱碳设备及氢气柜，所述除尘设备的入口端与所述换热烟道的出口端连接，所述氢气柜的氢气出口端与所述冷介质流道的入口端连接。

相对于现有技术，本发明所述的氢气和金属制品相伴的生产方法及生产系统具有以下优势：

(1)通过制氢和熔炼金属相伴生产的方式，使氢气和金属生产的成本相互覆盖，氢气和金属生产成本都远低于各自专业领域中的大规模工业生产的生产成本，可以为市场提供负担得起的绿色钢材。

(2)可以以较低的成本大规模生产氢气，解决了制氢成本高这个抑制氢能大规模利用的痛点问题，使绿色氢能在电池、电动汽车领域具备了竞争优势。

(3)能把甲烷中的碳和氢元素以固碳及氢气的方式相分离，循环利用氢气热能和化学能并可回收固碳，使能源得到充分回收和利用。

(4)整个工艺流程实现了碳的净零排放，整个工艺系统无组织排放接近为零，环保水平高。

(5)采用在中闪炉换热烟道上设置冷介质流道的方式，将冶金产生的余热最大限度的返回给中闪炉，实现了余热高效率的利用。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1所述的氢气和金属制品相伴的生产系统的结构示意图；

图2为本发明实施例2所述的氢气和金属制品相伴的生产系统的结构示意图；

图3为本发明实施例3所述的氢气和金属制品相伴的生产系统的结构示意图。

附图标记说明：

1-中闪炉；11-熔炼空间；12-换热烟道；13-熔池；14-冷介质流道；15-喷管；16-料仓；17-冷介质流道一；18-冷介质流道二；

2-烟气净化系统；21-除尘设备；22-风机；23-脱水脱碳设备；24-氢气柜；25-co2气柜。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

一种氢气和金属制品相伴的生产方法，包括如下步骤：

s1、从闪速冶金设备的熔炼空间的顶部将干燥金属氧化矿粉、氧气加入充满高温氢气的1300℃以上的熔炼空间，矿粉颗粒与氢气充分接触，快速发生还原反应，矿粉还原熔炼后的固液产物进入闪速冶金设备的熔池中，烟气进入熔池上部的通道，向上升烟道方向流动；

s2、向熔池内温度为1450℃-1550℃的熔体中喷入甲烷，甲烷裂解为炭黑和氢气；同时向熔池内喷入氧气，氧气与裂解产生的过量h2燃烧，为熔池补充热量，多余的氢气上浮进入烟气中，向上升烟道方向流动；在熔池中同时加入熔剂，使矿粉中的脉石成分与熔剂造渣，在经过沉淀分层后，形成金属熔体层和渣层；甲烷裂解的炭黑因密度原因上浮至渣层上部，这些炭黑与熔渣一起通过排渣口排出，而金属熔体通过金属排放口排出；

s3：从闪速冶金设备的上升烟道排出的高温烟气流入高温换热设备的热介质流道，高温烟气的主要成分为h2、h2o，及少量co、co2，在与高温换热设备的冷介质流道中的冷介质热交换后降温，进入烟气净化系统，经除尘净化、脱水及脱碳后，将得到的常温高浓度氢气送入高温换热设备上的冷介质流道中，在换热升温后，经氢气入口送入闪速冶金设备的熔炼空间内。

如图1所示，为用于氢气和金属制品相伴的生产方法的生产系统，包括中闪炉1及烟气净化系统2；

其中，中闪炉1包括熔炼空间11、换热烟道12及设于熔炼空间11和换热烟道12底部并将二者连通的熔池13；熔炼空间11的顶部或侧壁设有用于向中闪炉1熔炼空间11内给料的料仓16、氧气入口及氢气入口；换热烟道12的外壁设有冷介质流道14，冷介质流道14的出口端与氢气入口连接；熔池13的侧壁上设有多个喷管15，喷管15呈上下两层的方式布置，上层为氧气喷管，下层为甲烷喷管，氧气喷管沿炉外向炉内的方向倾斜向下安装；位于换热烟道12的一侧的熔池13的侧壁上设有熔体排放口和排渣口，熔体排放口设于排渣口的下方；

烟气净化系统2的入口端与换热烟道12的出口端连接，烟气净化系统2的氢气出口端与冷介质流道14的入口端连接，烟气净化系统2的作用是将烟气净化并将氢气与其他杂质分离后送回中闪炉1内。

实施例2

如图2所示，在实施例1的基础上，本实施例中烟气净化系统2包括通过管道依次连通的除尘设备21、风机22、脱水脱碳设备23及氢气柜24，除尘设备21的入口端与换热烟道12的出口端连接，氢气柜24的氢气出口端与冷介质流道14的入口端连接。

本实施例所述的氢气和金属制品相伴的生产系统的工作过程如下：

s1、从中闪炉1的熔炼空间11的顶部将干燥铁矿粉、氧气加入充满高温氢气的1300℃-1650℃的熔炼空间11，矿粉颗粒与氢气充分接触，快速发生还原反应，矿粉还原熔炼后的固液产物进入中闪炉1的熔池13中，烟气进入熔池13上部的通道，向换热烟道12方向流动；

s2、向熔池13内温度为1450℃-1550℃的熔体中喷入甲烷，甲烷裂解为炭黑和氢气；同时向熔池13内喷入氧气，氧气与裂解产生的过量h2燃烧，为熔池13补充热量，多余的氢气上浮进入烟气中，向换热烟道方12向流动；向熔池13内加入熔剂，使矿粉中的脉石成分与熔剂造渣，在经过沉淀分层后，形成钢水层和渣层；甲烷裂解的炭黑因密度原因上浮至渣层上部，这些炭黑与熔渣一起通过排渣口排出，而钢水通过钢水排放口排出；

s3：冶炼产生的高温烟气主要成分为h2、h2o，及少量co、co2，高温烟气流入换热烟道12，与冷介质流道14中的冷介质(低温高浓度氢气)热交换后降温；将降温后的烟气引入除尘设备21，除去烟气中绝大部分烟尘，使粉尘含量低于100mg/m³；再将除尘后的煤气通过风机22送入脱水脱碳设备23，脱水脱碳设备23除去煤气中绝大部分co2、h2o及含硫化合物，使煤气中的s化合物含量低于80mg/m³，并使煤气中co2的体积含量低于5％；将脱碳脱水后的煤气(高浓度氢气)存储于氢气柜24；将存储于氢气柜24中的部分高浓度凉氢气调至需要的压强后送入冷介质流道14，与热烟气逆向而行，高浓度氢气经换热升温至1000℃以上，再返回中闪炉1的熔炼空间11。

氢气柜24留有与外部连接的阀门接口，用于向外界输出多余的氢气，以满足其他需要氢气的应用场合。

实施例3

如图3所示，在实施例1的基础上，与实施例1不同的是所述换热烟道12内设置有两种冷介质流道，分别为冷介质流道一17和冷介质流道二18，两种冷介质流道互不连通；其中冷介质流道一17中的冷介质为经烟气处理后返回的高浓度氢气，冷介质流道一17将高浓度氢气经换热升温后经管道送入熔炼空间11内；冷介质流道二18中的冷介质为脱碳后返回的高浓度co2气体，冷介质流道二将高浓度co2气体经加热升温后经管道送入金属熔体层中。

本实施例中烟气净化系统2包括通过管道依次连通的除尘设备21、风机22、脱水脱碳设备23及氢气柜24，还包括通过管路与脱水脱碳设备23的co2排出口连接的co2气柜25；除尘设备21的入口端与换热烟道12的出口端连接；氢气柜24的氢气出口端与冷介质流道一17的入口端连接；co2气柜25的co2出口端与冷介质流道二18的入口端连接；

本实施例的生产方法包括如下步骤：

s1、从中闪炉1的熔炼空间11的顶部将干燥金属氧化矿粉、氧气加入充满高温氢气的1300℃-1650℃的熔炼空间11，矿粉颗粒与氢气充分接触，快速发生还原反应，矿粉还原熔炼后的固液产物进入中闪炉1的熔池13中，烟气进入熔池13上部的通道，向换热烟道12方向流动；

s2、向熔池13内温度为1400℃-1550℃的熔体中喷入甲烷，甲烷裂解为炭黑和氢气；同时向熔池13内喷入氧气，氧气与裂解产生的过量h2燃烧，为熔池13补充热量，多余的氢气上浮进入烟气中，向换热烟道12方向流动；向熔池13内加入熔剂，使矿粉中的脉石成分与熔剂造渣，在经过沉淀分层后，形成金属熔体层和渣层；甲烷裂解的炭黑因密度原因上浮至渣层上部，这些炭黑与熔渣一起通过排渣口排出，而金属熔体通过金属排放口排出；

s3：冶炼产生的高温烟气主要成分为h2、h2o，及少量co、co2，高温烟气进入换热烟道12，在与二种冷介质流道中的冷介质热交换后降温；将降温后的烟气引入除尘设备21，除去烟气中绝大部分烟尘，使粉尘含量低于100mg/m³；再将除尘后的煤气通过风机22送入脱水脱碳设备23，脱水脱碳设备23除去煤气中绝大部分co2、h2o及含硫化合物，使煤气中的s化合物含量低于80mg/m³，并使煤气中co2的体积含量低于5％；将脱碳脱水后的高浓度氢气存储于氢气柜24，而分离出的高浓度的co2气体存储于co2气柜25；将存储于氢气柜24的部分高浓度凉氢气调至需要的压强后送入冷介质流道一17，与热烟气逆向而行，高浓度氢气经换热升温至1000℃以上，再返回中闪炉1的熔炼空间11；将存储于co2气柜25的高浓度凉co2气体，调至需要的压强后送入冷介质流道二18，与热烟气逆向而行，co2气体经换热升温至1000℃以上，再送至熔池13并侧吹进入熔体。

氢气柜24留有与外部连接的阀门接口，用于向外界输出多余的氢气，以满足其他需要氢气的场合；co2气柜25上设有与外界co2气体系统连接的阀门接口。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。