專利名稱：氫冶金法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金和能源領(lǐng)域。特別涉及天然氣、煤層氣、地下煤制氣、頁巖氣、可燃冰等烴類燃?xì)?、褐煤等高含氫煤及植物干粉的直流等離子弧高溫缺氧直接裂解制氫；冶金余熱高溫水蒸氣電解制氫；富氫還原生產(chǎn)海綿鐵；海綿鐵熔融終還原生產(chǎn)鐵水或半鋼；而其二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放均趨近于零，并高度節(jié)能；還可輸出氫能源供應(yīng)汽車氫能源化。
背景技術(shù)：
1、氫冶金
背景技術(shù)：
巨型高爐煉鐵仍是當(dāng)前主流冶金煉鐵技術(shù)，這種技術(shù)已非常成熟、產(chǎn)量巨大、生產(chǎn)成本頗具競爭力。但流程復(fù)雜、投資額巨大、噸鐵總能耗18GJ以上(700kg標(biāo)準(zhǔn)煤)，世界焦煤資源與鐵優(yōu)質(zhì)塊礦資源日趨匱乏，生產(chǎn)成本日增，與本發(fā)明氫冶金技術(shù)相比，能耗過高(本發(fā)明噸鐵總能耗《12GJ，即《400kg標(biāo)準(zhǔn)煤)、加以巨型高爐煉鐵噸鐵2. 5噸以上的二氧化碳排放，是地球大氣環(huán)境重大污染源，隨著地球變暖威脅人類生存條件的問題日益突出，高爐煉鐵勢必成為眾矢之的，變革已是必然。 COREX煤熔融還原，是當(dāng)前新興冶金煉鐵技術(shù)的代表，不用焦碳也能煉出好鐵，但實踐證明其總能耗、碳排放、生產(chǎn)成本三大指標(biāo)均超過巨型高爐煉鐵。 Itmk3轉(zhuǎn)底爐高溫快速還原加電弧爐煉鐵技術(shù)，不用焦炭、效率也很高、10分鐘內(nèi)就能生產(chǎn)出粒鐵、一個小時之內(nèi)就能煉出鐵水，有世界第三代煉鐵技術(shù)之稱。但大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化有一定困難，若要達(dá)到年產(chǎn)200萬噸鐵水的規(guī)模，須要建造直徑60米的巨型轉(zhuǎn)底爐10余座，還要維持其環(huán)形爐體不同區(qū)段1300°C以上高溫，但實際卻只能處理30 60毫米厚的礦料層、散熱面積過大，熱效率過低，維持正常運轉(zhuǎn)有一定難度，且大量二氧化碳排放問題依然存在。 鐵精礦超細(xì)粉體低溫快速還原加電爐煉鐵技術(shù)，是目前最新冶金技術(shù)，不用焦炭、效率也高、能耗、硫氧化物、氮氧化物排放也將是上述所有冶金技術(shù)中最低的。而且，隨著全世界富鐵礦的不斷開發(fā)，貧鐵礦產(chǎn)量比重愈來愈大，將不得不粉碎細(xì)磨精選成為富鐵精礦粉，這就為為鐵精礦超細(xì)粉體低溫快速還原的發(fā)展提供了最大市場。但這種煉鐵方法的大量二氧化碳排放仍是其根本問題；而且將細(xì)磨精選鐵精礦粉及煤粉、催化劑、脫硫劑等進(jìn)一步混合潤磨成為粒度為0. 04mm占總粉體量的90%，并混合造球，制造難度較高，工人工作條件較差，還會顯著增加產(chǎn)品成本。 2、氫能源
背景技術(shù)：
沒有廉價氫能源，就不可能進(jìn)行氫冶金，也不可能實現(xiàn)汽車、拖拉機、輪船、飛機、以及人類基本生活氫能源化。解決地球溫室效應(yīng)、扭轉(zhuǎn)全球氣候變暖趨勢，就只能僅僅是一種理想、輿論、爭論、推諉、和遙遠(yuǎn)的將來。 但當(dāng)前世界冶金、石化、火力發(fā)電、以及汽車、飛機、船舶等交通運輸、民用燃料等等，每年將數(shù)千億噸石油、天然氣、煤層氣、煤炭、植物干體、沼氣、電石氣等等最終變成二氧化碳統(tǒng)統(tǒng)排放到大氣中，日積月累，嚴(yán)重威脅人類基本生存條件，這是不爭的事實，人類要解決這一問題，已經(jīng)刻不容緩，但這只有通過氫能源才能真正根本解決問題，別無它途。
世界各國長期以來，致力于從氫能源汽車起步，來發(fā)展"氫能源"與"氫經(jīng)濟"、實現(xiàn)"二氧化碳減排"；各大汽車制造商家也投入了巨大的資金和技術(shù)力量，各國政府也非常重視，并作了大量資金支持；并將其提升成為各國政府首腦匯聚時的主要議題；甚至形成了具有一定約束力的《京都議定書》，然而在全世界普遍生產(chǎn)供應(yīng)氫能源、建立遍布全球的加氫站，等方面的實際有效進(jìn)展卻非常有限、可以說是難以起步。因為汽車分布全世界要在全世界行駛，任何企業(yè)任何國家都還沒有這個能力不顧經(jīng)濟效益而能將其"一蹴而就"。
有人提出，許多國家也正在花巨資研究實施"二氧化碳填埋"，由于天空海洋上的運輸工具所產(chǎn)生的二氧化碳根本無法收集填埋，同時這是一項沒有經(jīng)濟收益企業(yè)無法承受的巨額投入，更難以兌現(xiàn)。 單從制氫的角度來看，天然氣水蒸氣重整制氫，是國內(nèi)外石化工業(yè)、合成氨肥料工業(yè)、甲醇工業(yè)、冶金海綿鐵工業(yè)應(yīng)用最多、成本最低、技術(shù)上最成熟的石化燃料制氫技術(shù)；但從減排的角度來看，其根本缺點是每轉(zhuǎn)化1噸天然氣，就要向大氣中排放4噸二氧化碳。地球大氣環(huán)境實在難以承受。 堿性電解槽電解水制氫是目前不排放二氧化碳的，技術(shù)上最成熟的制氫技術(shù)，應(yīng)用面也較廣，但由于每制1立方米氫需要消耗4. 5 5. 5kw. h電力，導(dǎo)致能耗及成本過高。且若用石化燃料發(fā)電提供電力，則二氧化碳排放實際上并未減少。 等離子裂解烴類燃?xì)夂兔褐茪?，制乙炔是?dāng)前世界各國發(fā)展氫能源、氫經(jīng)濟、氫能源汽車、天然氣化、工煤化工等，正在研究開發(fā)的熱點。02128420. 2號、200310104055. 9號、200410012523. 4號等專利申請就提出了利用等離子體裂解烴類和煤生產(chǎn)碳黑和氫氣的方法和裝置。而且經(jīng)透射電鏡檢視分析證明當(dāng)裂解烴類燃?xì)饪梢缘玫?9%純氫和5 50納米的納米碳黑。但現(xiàn)有各種實用等離子裝置中，其等離子發(fā)生器的核心技術(shù)都是等離子槍。但若要將其應(yīng)用于煉鐵和氫能源生產(chǎn)，則還存在如下不足之處(l)是功率太小，目前世界成功產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用離子裝置最大功率為2. 8兆瓦，最大工作電流10kA，而作為取代高爐煉鐵的等離子冶金爐應(yīng)在100兆瓦、100kA以上；(2)是現(xiàn)有熔煉裝置的等離子槍的陰極，都是采用水冷鴇、鈮、鉭、鉬、鉿、鋯、等難熔金屬中加入釷、鈰、釔、鐿等的氧化物制造，實踐證明當(dāng)工作電流超過4kA時，這種陰極燒蝕極為嚴(yán)重，而且其水冷等離子槍體直接深入巨大而充滿高溫高壓氫的氫冶金等離子爐爐膛核心區(qū)內(nèi)，實難以長期抵御等離子爐高溫，容易發(fā)生無法挽回的重大安全事故，若采取頻繁更換等離子槍或等離子槍陰極以確保安全，也是不實際的，根據(jù)巨型高爐的實踐可知，巨大的充滿高溫高壓易燃易爆還原氣的停爐，已是一項非常復(fù)雜、危險、耗資、耗時，大大降低生產(chǎn)效率的工作。 為了解決氫冶金氫能源生產(chǎn)中的這些重大問題，本發(fā)明人，曾通過200610106689. 1號專利申請，在世界冶金技術(shù)中率先提出了一整套"天然氣裂解氫冶金方法及設(shè)備"發(fā)明。經(jīng)國務(wù)院通知有關(guān)鋼鐵冶金權(quán)威專家進(jìn)行審查后，確認(rèn)是一項行得通的具有保密性質(zhì)的技術(shù)。 但我們的科學(xué)探索并未停止，本發(fā)明就代表了我們新的研究成果，但并未否定前一專利申請，而是其繼續(xù)重大實用創(chuàng)新發(fā)展。 本發(fā)明人認(rèn)定世界鋼鐵工業(yè)是世界能源集中消費的大戶和二氧化碳集中排放的大戶，其能源消費和二氧化碳實際排放量均占世界能源消費總量和二氧化碳排放總量的
920%左右，而且其熱能利用率不到40%，其大量高溫高烚尾氣(其熱能足以與大型核能電站產(chǎn)生的熱能相媲美)通常直接排空，只有少數(shù)先進(jìn)冶金企業(yè)才將其用于余熱發(fā)電，但其總熱效率通常仍只有50%左右。若采用本發(fā)明中的天然氣、煤層氣、地下煤制氣、褐煤等高含氫煤的等離子高溫缺氧直接裂解制氫，和"高溫水蒸氣水能風(fēng)能電力電解制氫"(可以比余熱發(fā)電提高一倍的熱能利用率)，相結(jié)合的聯(lián)合制氫方法制氫；并將所制得的氫首先直接用于冶金，無須大規(guī)模長距離運輸，也無需首先建立遍布全球的加氫站，任何國家、任何大型冶金企業(yè)都可以實施，都可以起步，而且實施起來都有利可圖。特別是像中國、俄羅斯、巴西、美國、加拿大、印度、南非、印尼、埃及這樣一些水能、風(fēng)能潛力異常豐富，鋼鐵產(chǎn)能異常巨大的國家，更是大有可為。 一旦建立起來永世低成本享用，不污染環(huán)境、不影響現(xiàn)有輸供電計劃。抓住了冶金二氧化碳減排的這項大頭，遏制地球大氣變暖立竿見影，氫能源、氫經(jīng)濟將日益成形，在此基礎(chǔ)上，逐步將其高效低能耗廉價富余氫輸出供應(yīng)當(dāng)?shù)仄嚉淠茉椿?，無論冶金企業(yè)或車輛用戶和人類社會都有利可圖。從而為世界的氫能源氫經(jīng)濟發(fā)展從冶金工業(yè)找到一個突破口。從此氫能源化、氫經(jīng)濟，將不再是紙上談兵，而是可以扎扎實實由點到面逐步得到發(fā)展。 發(fā)明人認(rèn)為"人類社會只有從集中度很高、規(guī)模特別巨大的鋼鐵冶金工業(yè)啟動氫能源進(jìn)程，作為突破口 ，事關(guān)人類生存與發(fā)展的氫能源、氫經(jīng)濟、全球二氧化碳減排、才有可能迅速取得實質(zhì)性突破性進(jìn)展，地球氣候變暖的趨勢才能迅速有效地受到遏制"。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的表面上看，是提供一種氫冶金法，但實際上是包含了超大規(guī)模(不能實現(xiàn)超大規(guī)模生產(chǎn)，就不可能取代巨型焦碳高爐煉鐵)的氫能源生產(chǎn)方法，和氫冶金生產(chǎn)方法兩項內(nèi)容；充分體現(xiàn)氫冶金的高效率、低能耗、最好的產(chǎn)品質(zhì)量，最佳的減排效果(二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、都要減排80%以上直至趨近于零)，最少的固定資產(chǎn)投資和開發(fā)投資。并將成為為世界汽車、飛機、輪船氫能源化，發(fā)展氫經(jīng)濟的突破口。
本發(fā)明的另一目的是提供氫冶金法的專用設(shè)備。是用物質(zhì)條件和工藝措施來保證超大規(guī)模的氫能源生產(chǎn)方法和氫冶金生產(chǎn)方法的實現(xiàn)，沒有能將理論變?yōu)閷嶋H的設(shè)備，一切都只能是空談。有了可以將全部氫能源生產(chǎn)方法和氫冶金生產(chǎn)方法的理論付諸實踐并加以調(diào)控的設(shè)備，則能源生產(chǎn)和氫冶金生產(chǎn)就將成為現(xiàn)實。其間已經(jīng)沒有克服不了的科技生產(chǎn)難題，已經(jīng)沒有萬里長城之隔。而且，本發(fā)明推出的氫能源生產(chǎn)設(shè)備和氫冶金生產(chǎn)設(shè)備，是將的氫能源生產(chǎn)和氫冶金生產(chǎn)緊密結(jié)合起來、互相依存、密不可分、甚至融合為一爐，流程短、效率高、能耗低、并盡力提高其可靠性，和長年累月連續(xù)運轉(zhuǎn)的能力及超大規(guī)模生產(chǎn)能力，是當(dāng)前世界唯一能取代高爐煉鐵的清潔節(jié)能高效高產(chǎn)品質(zhì)量的冶金設(shè)備和冶金技術(shù)；并且本發(fā)明這種設(shè)備能實現(xiàn)氫冶金超大規(guī)模生產(chǎn)，和長期可靠連續(xù)運轉(zhuǎn)，有和高爐煉鐵相競爭的高生產(chǎn)能力和低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 —，本發(fā)明之"氫冶金"，是建筑在如下6項顛撲不破的科學(xué)原理之上的
l、Fe203+3H2 — 2Fe+3H20，即用氫還原氧化鐵礦獲得金屬鐵，其排放物為水蒸氣，而二氧化碳排放趨近于零。這就是"氫冶金"。是解決鋼鐵冶金不排放二氧化碳的唯一辦法，別無他途。
2， CH4 — 2H2+C :即甲烷等離子高溫裂解制氫。裂解1摩爾甲烷，可以直接獲得2摩爾純氫，還可獲得1摩爾可以用于制造碳纖維和輪胎的納米碳黑，而二氧化碳排放趨近于零。實際上，通常在本發(fā)明中甲烷配量是精確計算確定的，裂解所產(chǎn)生的碳黑，將參與熔融還原進(jìn)入生鐵，而沒有碳黑附產(chǎn)；僅當(dāng)從經(jīng)濟效益考慮，認(rèn)識到很有必要、也有經(jīng)濟投資開發(fā)能力時，才有計劃地副產(chǎn)碳黑；或者僅當(dāng)由于受到實施地條件的制約，如清潔可再生廉價水電風(fēng)電核電資源匱乏、天然氣資源特別豐富，才不得不將天然氣的配比加大到每噸鐵水170 250!113而副產(chǎn)碳黑。副產(chǎn)碳黑，是氫冶金生產(chǎn)的一種正常延伸，與二氧化碳填埋等不得不增加的額外節(jié)能減排環(huán)保措施相比，既簡單易行、又經(jīng)濟合算，對天然氣、煤層氣、頁巖氣、地下煤制氣資源豐富的企業(yè)來說是再理想不過的節(jié)能減排環(huán)保措施了。
以上兩條，就奠定了本發(fā)明"氫冶金技術(shù)"必定成功的基礎(chǔ)。 但我們近20年的科研實踐經(jīng)驗，深知在可燃冰獲得工業(yè)化開發(fā)之前，天然氣也是一項緊俏而寶貴的能源。要大量用于煉鐵，大家都有些感到為難。因而本發(fā)明，再加上了以下5項同樣顛撲不破的制氫原理和氫能源與氫冶金緊密結(jié)合的聯(lián)合生產(chǎn)技術(shù)，以便，將天然氣等烴類燃?xì)庀臏p少到100立方米/噸鐵以下直至為零，而總能耗仍能《12GJ。并將"單純天然氣裂解氫冶金"有條件地引向"煤層氣或煤地下氣化氣、頁巖氣等多種烴類燃?xì)饬呀馀c冶金"、"冶金余熱低能耗高溫水蒸汽電解氫冶金"、"烴類燃?xì)饬呀庵茪渑c冶金余熱高溫水蒸汽電解聯(lián)合制氫冶金"、"褐煤等高含氫煤+氫或烴類燃?xì)庾鬏d氣裂解氫冶金"、"植物干粉+氫或烴類燃?xì)庾鬏d氣裂解氫冶金"、這就使得在任何地區(qū)、都可以根據(jù)自己的條件實施氫能源和氫冶金聯(lián)合生產(chǎn)；特別是引向"高峰低谷電力與冶金余熱低能耗高溫水蒸汽電解氫冶金"即"利用世界可再生水力風(fēng)力電站，雨季洪期、季風(fēng)期、晚間、節(jié)假日高峰低谷通常浪費了的廉價電力，與利用巨額冶金高溫高焓尾氣相結(jié)合，大規(guī)模氫能源生產(chǎn)與大規(guī)模氫冶金生產(chǎn)相結(jié)合的世界氫經(jīng)濟發(fā)展之路"。 3，CnHm —nC+(m/2)H2，即煤層氣、或煤地下氣化氣、頁巖氣、石油氣、沼氣、可燃冰氣
化氣等多種烴類燃?xì)獾牡入x子高溫缺氧裂解制氫。這些烴類燃?xì)馔ㄟ^本發(fā)明中推出的氫冶
煉裂解爐都可成功地裂解為氫和碳黑同時冶煉出鐵水； 4，"冶金余熱高溫水蒸氣電解制氫" 艮卩2H20 — 2H2+02，或2H20 — 4H++4e+02， 4H++4e — 2H2， 經(jīng)過大量實驗研究，我們發(fā)現(xiàn)在烴等離子體裂解制氫和氫高溫快速還原過程中，要產(chǎn)生大量110(TC以上高溫尾氣。由于冶金工業(yè)的巨大集中規(guī)模，這種高溫尾氣的能量足以與核反應(yīng)堆所能提供的熱能相匹敵。若按當(dāng)前冶金企業(yè)傳統(tǒng)方法，通過尾氣鍋爐產(chǎn)生蒸汽用于推動汽輪機再由汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，再將電力用于冶金，則其最終熱效率僅為25%左右。若用其產(chǎn)生的高溫蒸汽，實施電解高溫水蒸氣制氫，最終熱效率則可提高到50 80%以上。而且若按本發(fā)明，高溫水蒸氣電解制氫，每立方米耗電《2kw.h，比當(dāng)前堿性電解槽水電解制氫，每立方米氫耗電4. 5 5. 5kw. h，這里又可節(jié)能50%以上。這樣，把天然氣裂解氫冶金與其高溫尾氣轉(zhuǎn)換高溫水蒸氣電解制氫結(jié)合起來，就可將冶金煉鐵天然氣的用量由200立方米/噸鐵，降低到100立方米/噸鐵水以下，直至完全不用天然氣也能實現(xiàn)氫冶金。這就使得任何年產(chǎn)億噸以上的冶金大國都可實施氫冶金技術(shù)。而不會由此而受到天然氣供應(yīng)的太大壓力。若在水能風(fēng)能等可在生資源非常豐富的地方，這更具有非常重要的意義。因為它還有可能利用洪水高峰期和季風(fēng)旺盛期，夜晚、節(jié)假日的高峰低谷通常
11都浪費了的電力用于超大規(guī)模電解制氫，儲存起來，全年均衡利用。這有可能將全球水能風(fēng)能等可再生能源的利用率提高近1倍。這是一項了不起的節(jié)能技術(shù)，是一項極其重大的國家級戰(zhàn)略性清潔生產(chǎn)與節(jié)能減排措施。
5，"褐煤等高含氫煤及植物干粉的氫等離子裂解制氫"其原理為 褐煤等高含氫煤及植物干粉一揮發(fā)份+C+- 揮發(fā)份一H2+CH4+C2H2+C2H4+C0+... CH4 — C+2H2 C2H2 — 2C+H2 C2H4 — 2C+2H2 將含氫量>4%的精洗選干燥碾磨褐煤等高含氫煤干粉，或含氫量>6%的植物干粉包括林業(yè)，薪柴、竹類、草本植物，枝梢、落葉、木屑、刨花；農(nóng)業(yè)，秸稈、谷殼、果殼、玉米芯、蔗渣、蘆葦、特別是藻類快速養(yǎng)殖與捕撈，經(jīng)切碎00 30(TC干燥碾磨制得的〈0. lmm的干粉，經(jīng)干燥脫水碾磨直粒度〈0. lmm，并以氫或烴類燃?xì)庾鬏d氣，通過本發(fā)明中推出的氫冶煉裂解爐，都可成功地裂解為氫和碳黑同時冶煉出鐵水；這也為煤進(jìn)入氫冶金領(lǐng)域開辟了一條蹊徑。 二，本發(fā)明之"氫冶金"，主要是采用本發(fā)明推出的氫冶煉裂解爐、氫冶金回轉(zhuǎn)窯、
和冶金余熱高溫水蒸氣電解槽堆，等三項關(guān)鍵設(shè)備來保證氫冶金原理能夠從理論轉(zhuǎn)變?yōu)閷?br> 實在在的，可以進(jìn)行人工干預(yù)、調(diào)控的，能行之有效的，能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)、能長期高可靠運
行、在經(jīng)濟上合算和市場競爭中能夠取勝的，氫冶金和氫能源工業(yè)生產(chǎn)過程。 當(dāng)然，200710085169. 1號專利申請中提出的電補充加熱流化床、或其它各種各樣
行之有效的豎爐、回轉(zhuǎn)窯、流化床、轉(zhuǎn)底爐等，只需改進(jìn)其密封性能，使之能滿足氫還原的要
求也可用于本發(fā)明之氫冶金中的還原過程，也屬于本發(fā)明范圍，不過，除轉(zhuǎn)底爐和本發(fā)明中
推出的氫冶金回轉(zhuǎn)窯外，豎爐及流化床等均不能適應(yīng)1200 145(TC以上高溫快速還原的
要求，因而效率較低，能耗較高；而在效率方面唯一能與本發(fā)明媲美的就只有轉(zhuǎn)底爐，而轉(zhuǎn)
底爐又因散熱面積過大，熱效率不高，不能滿足冶金和能源工業(yè)必須超大規(guī)模生產(chǎn)的要求。
故推薦采用氫冶金回轉(zhuǎn)窯。 現(xiàn)將氫冶金法詳敘如下 l，一種氫冶金法，其技術(shù)內(nèi)容為 (1)兩步三快基本工藝循環(huán) 第一步，用氫冶金預(yù)還原爐對鐵精礦粒料，包括5 15mm鐵精塊礦粒料、或市場鐵精粉礦制粒得到的粒徑為5 20mm的鐵精粉礦粒料，進(jìn)行富氫H2 > 80%，高溫1200 140(TC，高壓0. 2 2MPa，快速預(yù)還原，生產(chǎn)還原度^ 70%的海綿鐵；優(yōu)選采用粒度〈0. lmm的市場細(xì)磨精選鐵精粉礦制粒得到的粒徑為5 20mm的精選鐵精礦粒料，進(jìn)行富氫H2 > 90% ，低溫700 1200°C ，高壓0. 2 2MPa，快速預(yù)還原，生產(chǎn)還原度> 80%的海綿鐵，均以保溫密閉方式輸送給氫冶金冶煉裂解爐； 第二步，用氫冶金冶煉裂解爐，實現(xiàn)天然氣或煤層氣、頁巖氣、地下煤制氣、沼氣、可燃冰氣化氣；以及精洗選干燥碾磨褐煤等高含氫煤干粉、植物干粉，包括藻類干粉等的等離子快速裂解制氫，為氫冶金預(yù)還原爐高溫富氫快速預(yù)還原生產(chǎn)海綿鐵提供氫源；同時利用裂解產(chǎn)生的碳黑制造熔融高溫飽和含碳鐵液；從而同時實現(xiàn)對氫冶金預(yù)還原爐輸入的海
12綿鐵的快速熔融終還原和渣鐵分離，生產(chǎn)出鐵水或半鋼；從而完成氫冶金兩步三快基本工藝循環(huán)連續(xù)生產(chǎn)；配以氫或烴類燃?xì)庾鬏d氣，通過其空心電極形成射流穿過其300(TC以上高溫直流等離子弧弧心在高溫缺氧條件下瞬間快速裂解為高溫氫，和高溫碳黑，高溫氫以尾氣形式輸出直接供給生產(chǎn)海綿鐵；進(jìn)入熔融高溫鐵液融池制造， (2)冶金余熱高溫水蒸汽電解制氫利用氫冶金預(yù)還原爐高溫高焓尾氣余熱，生產(chǎn)600 IOO(TC高溫水蒸氣，再用質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)高溫水蒸氣電解槽堆，或氧離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)高溫水蒸氣電解槽堆，對所產(chǎn)生的高溫水蒸氣，實施低能耗高溫水蒸電解制氫；其中質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)高溫水蒸氣電解槽堆所制得的高溫純氫，可直接回饋給氫冶金預(yù)還原爐，作為生產(chǎn)海綿鐵的補充氫源，以便將每噸鐵水的天然氣等烴類燃?xì)庀牧拷档椭?00m3以下；而用氧離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)高溫水蒸氣電解槽堆所制得的氫，含有大量水蒸氣，需經(jīng)本冶金系統(tǒng)的尾氣處理系統(tǒng)冷卻分離提純，并再次通過換熱器吸熱升溫，然后回再饋給氫冶金預(yù)還原爐，其副產(chǎn)氧經(jīng)干燥處理可回收利用； (3)尾氣分離及CO變換制氫對經(jīng)過換熱生產(chǎn)水蒸汽降溫后的氫冶金預(yù)還原爐尾氣，繼續(xù)進(jìn)行除塵、換熱、袋濾、洗滌、脫硫、CO變換、氣體分離，回收氫、二氧化碳、納米碳黑、氬、和硫；將所回收的工業(yè)純氫，部分饋入氫冶金裂解冶煉爐的氫冷卻系統(tǒng)，對氫冶金裂解冶煉爐進(jìn)行氫冷卻和熱回收，部分饋入尾氣換熱系統(tǒng)進(jìn)行吸熱升溫，然后再將兩部分熱氫均回饋給氫冶金預(yù)還原爐，富余部分冷工業(yè)純氫無需吸熱升溫可以直接輸出作為氫能源汽車的氫能源；所回收的氬，則用于系統(tǒng)設(shè)備啟、停、維修、氣壓密封、和氫冶金裂解冶煉爐前爐出鐵出渣時，驅(qū)除其中空氣，以及作為固體電解質(zhì)高溫水蒸汽電解槽的去極化氣等，可反復(fù)回收循環(huán)利用。 2、如上所述的一種天然氣、煤層氣等烴類燃?xì)饬呀鈿湟苯鸱ㄏ挡捎妹摿蛎撍烊粴?、煤層氣、地下煤制氣、頁巖氣、沼氣、可燃冰氣化氣等烴類燃?xì)庾鲋茪湓?；其用量? 200mVt(鐵水)天然氣或含氫量相當(dāng)?shù)母鞣N烴類燃?xì)猓ㄟ^氫冶金冶煉裂解爐帶單向閥高強度空心電極的中心孔道，以1 6m/s射流，穿過功率強大的溫度在3000°C以上的冶煉用直流等離子電弧弧心，在0. 5 2毫秒的瞬間就被加熱到1300°C以上，在高溫缺氧條件下，烴類燃?xì)鈱⑷勘豢焖倭呀鉃楦邷貧浜图{米碳黑，燃?xì)庵锌赡艽嬖诘奈⒘?A也將被高溫納米碳黑還原為CO，裂解反應(yīng)時間〈0. 5ms，平均反應(yīng)溫度1300 160(TC，反應(yīng)壓力0. 2 2Mpa，較低的壓力有利于裂解反應(yīng)，裂解能耗約3 4MJ/Nm3 ;氫冶金冶煉裂解爐主要采用敞開熔池制式或埋弧冶煉制式操作，裂解產(chǎn)生的碳黑在射流慣性力、電弧推力作用下，在高溫泡沫渣、爐渣、海綿鐵的籠罩覆蓋下，直接進(jìn)入空心電極下面的熔融高溫鐵液中，成為熔融高溫鐵液中的溶解碳，從而制造出海綿鐵快速熔融還原所必須的高溫熔融飽和含碳鐵液，從氫冶金預(yù)還原爐輸入的高溫海綿鐵通過氫冶金冶煉裂解爐爐蓋上的一個或多個加料管直接落入或分點分層逐步熔入這種熔融高溫飽和含碳鐵液，立即實現(xiàn)快速熔融還原渣鐵分離冶煉出鐵水或半鋼，實現(xiàn)海綿鐵的低能耗快速熔融還原冶金過程，燃?xì)饬呀鈿湟苯鹜ǔ２捎眠€原度>90%的海綿鐵，熔融還原噸鐵所產(chǎn)生的C0〈50kg ;裂解產(chǎn)生的氫的少部分參與海綿鐵中未還原氧化鐵的還原反應(yīng)，絕大部分以高溫尾氣形式和氫冶金冶煉裂解爐尾氣排出口與氫冶金預(yù)還原爐還原氣輸入口兩爐直接連通方式，直接輸送給氫冶金預(yù)還原爐，快速還原生產(chǎn)海綿鐵，從而實現(xiàn)氫冶金工藝循環(huán)連續(xù)生產(chǎn)； 當(dāng)將海綿鐵的還原度^ 80%，噸鐵天然氣加入量〈170m3時，需在本系統(tǒng)中實施冶金余熱高溫水蒸氣電解制氫，以補充裂解氫之不足部分；當(dāng)實施地水電、風(fēng)電、核電資源豐
富，特別是高峰低谷電力資源豐富價格低廉時，則可利用全部氫冶金余熱高溫水蒸氣進(jìn)行
電解制氫，在高峰低谷期還可將所制氫存儲起來隨后均衡利用，所制氫足以將天然氣等烴
類燃?xì)庥昧繙p少到100mVt(鐵水)以下，甚至為零，但為零時需加入30 70kg/t的純碳
粉代替天然氣中的碳以滿足海綿鐵滲碳、海綿鐵熔融還原、和鐵水滲碳所需的碳。 當(dāng)海綿鐵的還原度為70 80%，天然氣加入量> 170mVt時，已無須在本系統(tǒng)中
實施余熱高溫水蒸氣電解制氫，單純依靠天然氣等烴類燃?xì)饧纯蓪崿F(xiàn)氫冶金，這適合于天
然氣等烴類燃?xì)赓Y源豐富的地區(qū)或水電、風(fēng)電、核電資源較緊或其價格較高的地區(qū)實施本發(fā)明。 本發(fā)明的常規(guī)二氧化碳排放目標(biāo)是噸鐵0 300kg，當(dāng)進(jìn)一步降低排放標(biāo)準(zhǔn)時，上述選擇范圍調(diào)整幅度可以更大。 3，如上所述的一種褐煤等高含氫煤與植物干粉裂解氫冶金法采用褐煤等高含氫煤與植物干粉包括藻類干粉等作為裂解制氫的原料，當(dāng)采用褐煤等高含氫煤時，需采用含氫量> 4% 、灰份〈2% 、硫磷含量〈0. 2% ，水份〈1 % ，粒度〈0. lmm的精洗選干燥碾磨褐煤干粉等高含氫煤干粉，其配入量為50 150kg/t (鐵水)；當(dāng)采用植物干粉作制氫原料時，需將脫泥植物根莖葉自然干燥，切碎，經(jīng)200 30(TC高溫干燥脫水，碾磨成為粒度〈0. lmm的干粉，其配入量為；100 250kg/t(鐵水)；而兩種干粉每千克均需配1 3瓶3氫或烴類燃?xì)庾鬏d氣，通過氫冶金冶煉裂解爐帶單向閥高強度空心電極的中心孔道，以1 6m/s射流，穿過功率強大的溫度在300(TC以上的冶煉用直流等離子電弧弧心，在冶煉裂解爐高溫缺氧條件下，褐煤等高含氫煤干粉、植物干粉等，均將被快速裂解為氫、烴類氣體、碳黑、焦灰、C0、 C02、 N、水蒸汽、等非常復(fù)雜的成分，其中烴類氣體在130(TC以上高溫條件下極不穩(wěn)定，將繼續(xù)分解為氫和碳黑，(A也將被高溫碳黑還原為CO，碳黑、焦在射流慣性力、電弧推力作用下，在高溫泡沫渣、爐渣、海綿鐵的籠罩覆蓋下，直接進(jìn)入空心電極下面的熔融高溫鐵液中，成為熔融高溫鐵液中的溶解碳，從而制造出海綿鐵快速熔融還原所必須的高溫熔融飽和含碳鐵液，從氫冶金預(yù)還原爐輸入的高溫海綿鐵通過氫冶金冶煉裂解爐爐蓋上的一個或多個加料管直接落入或分點分層逐步熔入這種熔融高溫飽和含碳鐵液，立即實現(xiàn)快速熔融還原渣鐵分離冶煉出鐵水或半鋼，實現(xiàn)海綿鐵的低能耗快速熔融還原冶金過程；裂解產(chǎn)生的氫的少部分參與海綿鐵中未還原氧化鐵的還原反應(yīng)，絕大部分以高溫尾氣形式和氫冶金冶煉裂解爐尾氣排出口與氫冶金預(yù)還原爐還原氣輸入口兩爐直接連通方式，直接輸送給氫冶金預(yù)還原爐，快速還原生產(chǎn)海綿鐵，從而實現(xiàn)氫冶金工藝循環(huán)連續(xù)生產(chǎn)。這種方法適合于煤資源豐富、同時也有煤層氣資源或天然氣資源、但水、風(fēng)、核電資源并不富裕或價格偏高的地區(qū)實施。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點 (1)"氫冶金兩步三快法基本工藝循環(huán)"既建筑在現(xiàn)有冶金技術(shù)基礎(chǔ)上又有重大創(chuàng)新和發(fā)展，簡單實用；三種創(chuàng)新設(shè)備"氫冶金冶煉裂解爐"、"氫冶金預(yù)還原爐"、"SOEC高溫水蒸氣電解槽"全面解決了氫冶金過程中天然氣、煤層氣、地下煤制氣、頁巖氣、褐煤等高含氫煤等石化燃料和植物干粉快速裂解制氫、鐵精礦富氫高溫快速還原生產(chǎn)海綿鐵、海綿鐵快速熔融還原生產(chǎn)出鐵水或半鋼，三大工藝難題，且三者緊密配合余熱相互循環(huán)利用，特別是"氫冶金冶煉裂解爐"將燃?xì)饣蛎旱牡入x子裂解制氫與海綿鐵熔融還原生產(chǎn)鐵水或半鋼的工序和工藝裝備合二為一，設(shè)備少、功能強大、高效、節(jié)能、且適應(yīng)性很強，且能長年累月連續(xù)運轉(zhuǎn)，是當(dāng)前唯一內(nèi)取代高爐煉鐵的氫冶金工藝和裝備； (2)節(jié)能本發(fā)明噸鐵能耗《12GJ(即400kg標(biāo)準(zhǔn)煤，包括制氫、預(yù)還原、直至熔融還原生產(chǎn)出鐵水或半鋼，其中電力約占40 70% )，比當(dāng)前世界焦炭高爐煉鐵和C0REX熔融還原煉鐵，噸鐵能耗〉18GJ(即700kg標(biāo)準(zhǔn)煤，包括煉焦、燒結(jié)、高爐冶煉，其中電力約占40%)節(jié)能40%以上。最為明顯的是當(dāng)今世界各國用天然氣生產(chǎn)海綿鐵，每噸海綿鐵消耗350 450立方米天然氣，而本氫冶金法，則只需50 200立方米天然氣、并可用煤層氣、地下煤制氣、沼氣、可燃冰等烴類燃?xì)庖约昂置旱雀吆瑲涿?、以及植物干粉等完全或部分取代天然氣；冶金余熱高溫水蒸氣電解制氫，充分利用了冶金余熱，使每立方米氫的能耗? 5. 5kw. h下降到1. 3 2. Okw. h，是一種最節(jié)能的制氫方法，它不但可以作為石化燃料和植物干粉裂解氫冶金的補充氫源，在水能風(fēng)能及高峰低谷電力資源異常豐富價格低廉的地區(qū)，還可完全取代石化燃料制氫。 (3)減排本發(fā)明制氫，及氫冶金全過程二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，均可減排80%以上直至趨近于零；由于氫冶金必須實現(xiàn)全封閉自動循環(huán)，因此其工業(yè)粉塵排放也是現(xiàn)有冶金煉鐵方法中最低的，完全可以在大城市周圍設(shè)廠； (4)高效在采用氫冶金回轉(zhuǎn)窯的條件下，氫冶金從原料入爐1小時之內(nèi)就能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鐵水，而無須當(dāng)前高爐煉鐵COREX煉鐵那樣必須維持高溫8小時以上，為高效、節(jié)能、降耗、降低成本，打下了堅實基礎(chǔ)； (5)優(yōu)質(zhì)氫冶金不大量用煤，因而也無須采用高爐煉鐵那種特別的脫硫措施，就
可將鐵水硫磷砷含量減少到國際標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，并使后續(xù)煉鋼流程大大受益； (6)綜合效益、社會效益特別好本發(fā)明是一項氫冶金，兼氫能源生產(chǎn)的新技術(shù)，
有可能使冶金企業(yè)由單純能源消耗大戶，轉(zhuǎn)變成為氫能源供應(yīng)大戶；將冶金企業(yè)可能不得
不實施耗資巨大毫無收益的二氧化碳填埋，轉(zhuǎn)變成了高效益的納米碳黑和優(yōu)質(zhì)碳黑副產(chǎn)；
由于冶金工業(yè)非常巨大而又集中，本發(fā)明一旦實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，所有大型冶金企業(yè)，都可以自己
開展，都有利可圖，沒有當(dāng)前發(fā)展氫能源汽車需要在全球建立氫能源生產(chǎn)和普遍建立加氣
站難以起步的前提條件。為全球氫能源化、發(fā)展氫經(jīng)濟找到了一條突破口。冶金二氧化碳
排放占全球二氧化碳排放的20%左右，冶金首先實現(xiàn)二氧化碳排放趨近于零，其對人類社
會的貢獻(xiàn)，誰也不能低估。


圖l是圖2是圖3是圖4是圖5是圖6是圖7是圖8是圖9是
天然氣或煤層氣等烴類燃?xì)饬呀鈿湟苯鸱?工藝流程示意圖；褐煤等高含氫煤及植物干粉裂解氫冶金法"工藝流程示意圖；氫冶金冶煉裂解爐"結(jié)構(gòu)示意氫冶金冶煉裂解爐，帶單向閥的空心電極"結(jié)構(gòu)示意圖；氫冶金冶煉裂解爐，電極絕緣定位集電密封裝置"結(jié)構(gòu)示意圖；氫冶金冶煉裂解爐，氫冷環(huán)形油缸電極升降裝置"結(jié)構(gòu)示意圖；氫冶金煉裂解爐，高保溫液壓滑閥式水口 (渣口 )"結(jié)構(gòu)示意圖氫冶金煉裂解爐前爐"結(jié)構(gòu)示意圖；氫冶金回轉(zhuǎn)窯"結(jié)構(gòu)示意 圖10是"SOEC質(zhì)子導(dǎo)體高溫水蒸氣電解槽"結(jié)構(gòu)示意圖； 圖11是"S0EC管式電解單池"結(jié)構(gòu)示意圖； 圖12是圖10所示"S0EC高溫水蒸氣電解槽"橫切面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖13是"SOEC氧離子導(dǎo)體高溫水蒸氣電解槽"結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明 實施例一，"天然氣或煤層氣等烴類燃?xì)饬呀鈿湟苯鸱?實施例(附圖1，圖中的虛線，則是表示可以利用的制氫原料、力爭利用的水風(fēng)電站高峰低谷電力、可以增加或力爭應(yīng)用的工序、可以附產(chǎn)的產(chǎn)品) 煉鐵原料中國遼寧鞍山精選鐵精礦粉TFe66. 3 %， Mn00. 3%， Si021.2%，A12031. 03%， CaOl. 79%， Mg00. 79%， SO. 02%， P0. 017%。粒度200目占90% ;這是一種典型的市場精選鐵精礦粉，而不是經(jīng)特殊加工的鐵精礦超細(xì)粉體。當(dāng)采用200610106689. 1號專利申請中提出的"電補充加熱流化床"或其它流化床作為"氫冶金預(yù)還原爐"進(jìn)行預(yù)還原時，則可直接使用這種干燥粉礦；當(dāng)采用本發(fā)明中的"氫冶金回轉(zhuǎn)窯(附圖9)"或其它預(yù)還原爐，如豎爐等時，須將此礦粉加3 5%的粘結(jié)劑用制粒機制成10 20mm的粒料經(jīng)干燥后應(yīng)用。本實施例采用后者。 制氫原料本實施例采用中國山西煤層氣(其典型成分為CH496.52 %，C020 . 45 %， N23. 03 %， H2S〈20mg/m3)或中國四川天然氣(其典型成分為CH497. 78 %，C2H60. 64%， C3H80. 15%，C00. 03%，H20. 09%，N20. 12%，C020. 1 %， H2S〈10mg/m3);入爐配比，可根據(jù)企業(yè)的資源、政府限定的碳排放標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)最佳經(jīng)濟效益目標(biāo)、工藝技術(shù)要求等綜合權(quán)衡在80 200m3/t范圍內(nèi)調(diào)整。本實施例最終確定采用山西煤層氣，其入爐配比訂為lOOmVt (t是指1噸鐵水，下同)。 主要設(shè)備在本實施例中"氫冶煉裂解爐"是一種"帶前爐的氫冷直流等離子高壓空心電極電弧爐"(附圖3)，選擇這種電弧爐的原因，是因為它既能實現(xiàn)各種燃?xì)饬呀庵茪淙蝿?wù)，又能同時完成海綿鐵的熔融終還原生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鐵水和半鋼，而且象高爐一樣能長年累月連續(xù)運轉(zhuǎn)執(zhí)行大規(guī)模煉鐵任務(wù)、高效、節(jié)能；"氫冶金預(yù)還原爐"，則是采用本發(fā)明中推出的"氫冶金回轉(zhuǎn)窯"(附圖9)，其與冶金工業(yè)中常用的豎爐、流化床、相比，是唯一可以實施120(TC以上高溫快速預(yù)還原的設(shè)備，雖然轉(zhuǎn)底爐更能適應(yīng)這一操作條件，但與回轉(zhuǎn)窯相比散熱面積過大，容積利用系數(shù)太低，近幾年的實踐證明，轉(zhuǎn)底爐不能適用于年產(chǎn)數(shù)百萬噸級的大規(guī)模鋼鐵生產(chǎn)，而回轉(zhuǎn)窯在中國天津鋼管公司的實踐證明其具有這種能力。并且"氫冶金回轉(zhuǎn)窯"采取了多種防結(jié)圈措施和抗熔融渣鐵粘結(jié)侵蝕措施，如采用1Mpa的高壓操作，提高了氫的濃度、擴散系數(shù)、和還原反應(yīng)速度常數(shù)，非常有利于FeO的還原，降低了爐料的粘結(jié)傾向，加上爐料中沒有灰份熔點低的碳，實驗證明"氫冶金回轉(zhuǎn)窯"在1Mpa的高壓，1200 135(TC之間的高溫純氫鐵精礦粒料快速還原，結(jié)瘤、結(jié)圈的可能性很小，為了萬無一失，"氫冶金回轉(zhuǎn)窯"采用了抗熔融渣、鐵粘結(jié)、侵蝕的氮化硅結(jié)合碳化硅爐襯，加強了窯內(nèi)溫度和窯皮溫度的監(jiān)測，一旦失?？梢约皶r分段調(diào)溫處理使其恢復(fù)正常，其高溫段的電補充加熱裝置還可加熱至160(TC高溫，在無需停爐的工況下可將結(jié)圈熔化成鐵水排入"氫冶煉裂解爐";同時該爐又具有巨大的高溫氣體緩沖容積，是"氫冶煉裂解爐"執(zhí)行裂解制氫
16任務(wù)時防止尖峰高壓過負(fù)荷的理想緩沖爐，是豎爐等難以取代的；"S0EC高溫水蒸氣電解槽"采用"SOEC質(zhì)子導(dǎo)體高溫水蒸氣電解槽"(附圖IO)，也可以采用"SOEC氧離子導(dǎo)體高溫水蒸氣電解槽"(附圖13)。前者的優(yōu)點是可以直接輸出純氫，可將所產(chǎn)生的高溫高焓氫直接輸入氫冶金預(yù)還原爐，高度節(jié)能，也省去了水蒸氣冷卻分離工序，流程短、效率高。后者的優(yōu)點是新材料固體電解質(zhì)YSZ在燃料電池中應(yīng)用較多，制造成本較低。本實施例根據(jù)發(fā)展的觀點，節(jié)能、高效的觀點，確定采用"SOEC質(zhì)子導(dǎo)體高溫水蒸氣電解槽"；"尾氣處理系統(tǒng)"，是采用現(xiàn)行冶金系統(tǒng)中的常用尾氣處理設(shè)備如重力除塵器、袋濾器(分離碳黑)、文氏管、洗滌塔、脫水器、精脫硫器、CO轉(zhuǎn)換器、變壓吸附氣體分離裝置，及碳黑加工輸出設(shè)備等組成。本系統(tǒng)中各主要設(shè)備均設(shè)置消靜電裝置、氫漏監(jiān)測儀表，安全閥、廢氣排放口、阻火器和能控制流速的安全排放管等； 設(shè)備系統(tǒng)通過煤層氣等烴類燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)中的高壓截止閥、減壓閥、壓力表、流量控制閥、質(zhì)量流量計，換向閥，高壓軟管、高壓軟管接頭，與"冶煉裂解爐"空心電極(圖3中的6)上端頭的"帶單向閥的電極接頭"(圖3中的7)連接起來；將"氫冶金預(yù)還原爐"的進(jìn)料口與鐵精礦粒料供應(yīng)閉鎖料斗系統(tǒng)連接起來；并按附圖1連接好所有相關(guān)設(shè)備。本系統(tǒng)就可以運行了。 冶煉操作在系統(tǒng)通電運行前，首先必須用氬氣驅(qū)除整個冶金系統(tǒng)所有設(shè)備中的空氣以確保安全。"氫冶煉裂解爐"內(nèi)，應(yīng)根據(jù)爐的大小放入足夠的啟弧、及制造起始熔融還原鐵浴所必須的廢鋼、海綿鐵；啟動供電系統(tǒng)、下放其電極，將其熔化，制成熔融高溫鐵液熔池(鐵浴)；再將山西煤層氣，按設(shè)定比例，通過空心電極的中心孔道形成1 6m/s的射流，進(jìn)入功率強大的3000 °C以上直流等離子電弧弧心，數(shù)毫秒的瞬間即被加熱至1600 °C以上，在高溫缺氧條件下，山西煤層氣將全部被分解為高溫氫和納米碳黑，氫的少部分參與海綿鐵中未還原氧化鐵、等的還原反應(yīng)，大部分以高溫尾氣形式，保溫密閉狀態(tài)，輸出電弧爐；碳黑在射流慣性力、電弧推力和爐渣、泡沫渣的覆蓋作用下直接進(jìn)入空心電極下面的熔融高溫鐵液中成為熔融高溫鐵液的溶解碳，從而制造出海綿鐵快速熔融還原所必須的高溫熔融飽和含碳鐵液，參與海綿鐵熔融終還原，還可將爐氣中C02也還原成為CO。"氫冶煉裂解爐"在執(zhí)行冶煉功能方面，既可以采用采用敞開熔池制式或長弧泡沫渣式進(jìn)行操作；也可以執(zhí)行埋弧冶煉操作，而本實施例采用前者，以便實施快速熔融還原。這就是，從"氫冶煉裂解爐"爐蓋上的進(jìn)料管保溫密閉輸入來自"氫冶金預(yù)還原爐"的IOO(TC以上高溫，95%以上高還原度海綿鐵，將直接落入這種高溫熔融飽和含碳鐵液中，其中已還原鐵將被迅速地被熔化、并實現(xiàn)渣鐵分離而生產(chǎn)出鐵水；其中尚未還原的氧化鐵、氧化錳、部分二氧化硅等也將被飽和含碳鐵液中的溶解碳還原成為鐵水或鐵水中的合金成份，并排出一氧化碳與氫混合輸出。飽和含碳鐵液還原氧化鐵生產(chǎn)鐵水的速度比高爐固體碳還原氧化鐵要快十倍以上，這是熔融還原的特征，也是一項極高的生產(chǎn)效率。在本系統(tǒng)中，我們可以控制烴類燃?xì)饧尤氡壤秃＞d鐵還原度來控制一氧化碳和碳黑的輸出量及泡沫渣的規(guī)模。在本實施例中，由于天然氣輸入量偏向低端，輸入海綿鐵的還原度>95%，故碳黑輸出趨近于零。由于本發(fā)明不用煤，而商品煤層氣、天然氣、地下煤制氣中硫含量很低，通常無磷，按國際標(biāo)準(zhǔn)S〈20mg/m3，同時商品鐵精礦粉中硫磷砷含量也很低，因此氫冶金法不但可以完全無須采取高爐煉鐵那種額外的爐外脫硫脫磷措施，其鐵水中硫磷含量均遠(yuǎn)低于高爐鐵水；而且尾氣處理中的硫分離處理量亦很小。所產(chǎn)生的鐵液通過前爐輸出。"氫冶煉裂解爐"之所以需要前爐，這
17是因為氫空氣混比在4 75%范圍內(nèi)，都可能產(chǎn)生爆炸。"氫冶煉裂解爐"內(nèi)充滿了高溫高壓氫氣，因此絕對不能容許空氣摻入也不容許氫氣外泄，這也是氫冶金的最大難點。若"氫冶煉裂解爐"直接出鐵出渣時，很難避免氫氣外泄，當(dāng)然我們可以用惰性氣體驅(qū)除出其中氫氣后再出鐵出渣，但卻會造成不連續(xù)生產(chǎn)而降低冶煉效率，而大規(guī)模煉鐵必須連續(xù)運轉(zhuǎn)。故本發(fā)明不但設(shè)計了前爐，而且設(shè)計了前爐與主爐間的滑閥式水口和或渣口，通過切斷水口和或渣口，就可以對前爐獨立進(jìn)行操作，包括用氬驅(qū)出其中氫然后再打開前爐鐵口出鐵出渣，而此時主爐可以一直連續(xù)運轉(zhuǎn)。 在本實施例中，鐵精礦粒料從原料供應(yīng)裝置中的閉鎖料斗系統(tǒng)，進(jìn)入"氫冶金回轉(zhuǎn)窯"后，實施純氫H2 > 96%，高溫(1000 135(TC，在鐵精礦成分不結(jié)圈的條件下盡可能逼近高端，以力求提高還原速度，這里需要特別指出的是，由于本實施例中使用的是粒度〈0. lmm的精選鐵精礦粉粒料，的富氫還原，實驗證明，其通常在1000 120(TC之間，就已經(jīng)能夠在1小時之內(nèi)實現(xiàn)90%以上的還原度了，這對"氫冶金回轉(zhuǎn)窯"正常工作來說，正常工作肯定沒有任何困難，與氫冶金冶煉裂解爐的直接連接，甚至可以無需電補充加熱)，高壓(1.0士0.2Mpa，)快速還原。在這樣的反應(yīng)條件下，氫的滲透力還原能力很強，其還原氧化鐵的速度，比目前常規(guī)豎爐、回轉(zhuǎn)爐、流化床的CO還原速度要快5倍以上，用上述鐵精礦粒料，在1個小時之內(nèi)即可被氫還原到95%以上，大多數(shù)情況下將達(dá)到98%，已還原海綿鐵在保溫密閉狀態(tài)直接流送進(jìn)"氫冶煉裂解爐"。這又是一項極高生產(chǎn)效速，而通常的回轉(zhuǎn)窯還原、豎爐還原、都在10小時以上。 在本實施例中，當(dāng)冶煉裂解爐輸出鐵水時，將有溫度高達(dá)1200°C以上的高溫高焓尾氣直接輸送給預(yù)還原爐。當(dāng)預(yù)還原爐輸出海綿鐵時，將有110(TC，50k.mol/t以上的高溫尾氣輸出，在通過汽化冷卻煙道，便可以獲得90(TC，40k.mol/t以上高溫水蒸氣。將此高溫水蒸氣送入"S0EC質(zhì)子導(dǎo)體高溫水蒸氣電解槽"，進(jìn)行電解至少可以獲得20k. mo1/t(400NmVt)以上高溫工業(yè)純氫。這些高溫高焓工業(yè)純氫又可以直接輸入"氫冶金預(yù)還原爐"。 經(jīng)汽化冷卻煙道換熱降溫后的"氫冶金預(yù)還原爐"的尾氣，以及"SOEC高溫水蒸氣電解槽"尾氣，送入"尾氣處理系統(tǒng)"，繼續(xù)進(jìn)行重力除塵、換熱降溫、袋濾、洗滌、脫硫、CO變換、氣體分離，回收氫、二氧化碳、納米碳黑、氬、和硫；將所分離回收的冷工業(yè)純氫，部分(補足氫氧冶金回轉(zhuǎn)窯噸鐵所需50Kmol/t的112，其中50%以上為循環(huán)氫)輸入"氫冶金冶煉裂解爐"的氫冷卻系統(tǒng)，和尾氣換熱系統(tǒng)，由于氫的熱導(dǎo)率很高，因而，一方面能對"氫冶金冶煉裂解爐"進(jìn)行有效冷卻，有效冷卻的標(biāo)準(zhǔn)是其爐缸、渣線等里層耐火材料工作溫度控制在1000 IIO(TC之間，以保證其可靠和長壽運行；另一方面能有效回收利用"氫冶金冶煉裂解爐"散發(fā)的熱量，和"氫冶金預(yù)還原爐"、"SOEC高溫水蒸氣電解槽"，尾氣余熱，預(yù)熱后的熱氫也回饋給"氫冶金預(yù)還原爐"，從而具有比現(xiàn)有冶金爐水冷裝置(其冷卻水所吸收的熱能通常白白浪費了)更好節(jié)的能降耗和環(huán)保效果。所回收氫的富余部分可以供應(yīng)市場作為氫能源汽車的氫能源，這就是氫冶金的氫能源生產(chǎn)功能。所回收的二氧化碳數(shù)量有限，可以作為工業(yè)產(chǎn)品供應(yīng)市場，取得一定經(jīng)濟收益；所回收的氬則作為系統(tǒng)設(shè)備啟、閉和維修時，驅(qū)除其中空氣的惰性氣體，以及作為"SOEC質(zhì)子導(dǎo)體高溫水蒸氣電解槽"去極化氣等，可反復(fù)回收循環(huán)利用；據(jù)實驗證實，天然氣裂解制氫每mol氫的能耗僅為38KJ左右，遠(yuǎn)低于水蒸氣重整制氫的63. 3KJ，即本實施例裂解氫約10k. mol/t，總能耗為0. 38GJ/t ;"SOEC
18質(zhì)子導(dǎo)體高溫水蒸氣電解槽"電解水蒸氣制氫，每立方米能耗〈2kw.h，遠(yuǎn)低于現(xiàn)行堿性電解槽電解水制氫的4. 5 5. 5kw. h，即在本實施例中高溫水蒸氣電解制氫20k. mol/t，能耗不超過2. 0GJ/t ;煤層氣100NMVt，折合3. 6GJ/t ;氫冶金回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原生產(chǎn)海綿鐵，其熱源主要來自氫冶金冶煉裂解爐高溫尾氣的熱量和高溫電解水蒸氣所制得的高溫純氫之熱量，以及氫冷換熱回收制熱能，電補充加熱和機械傳動所消耗能源無論如何不會超過500kw. h/t，即1. 8GJ ;而高溫海綿鐵熔融終還原渣鐵分離生產(chǎn)出鐵水的能耗也不會超過500kw. h/t，即1. 8GJ/t，因此本實施例煉鐵全過程總能耗低于〈10GJ/t，比當(dāng)前巨型焦炭高爐煉鐵的總能耗>18GJ/t節(jié)能45%以上。其高度節(jié)能的竅門在于盡可能減少工序、減少原料、產(chǎn)品、和尾氣的反復(fù)冷卻與反復(fù)加熱，并用氫回收一切可以回收的余熱和冶煉裂解爐等散發(fā)的熱量，既節(jié)約了能源也保證了爐子的長壽；其最大效益是無須額外減排措施，其二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放均趨近于零。無形中節(jié)約了大量開支和成本，這是現(xiàn)有一切煉鐵技術(shù)尚無法實現(xiàn)的目標(biāo)。 當(dāng)實施地電價較高，而煤層氣、天然氣資源豐富，則可以將天然氣等烴類燃?xì)獾呐浔忍岣叩?80 200立方米/噸鐵，則可以不實施高溫水蒸氣電解制氫也能實現(xiàn)氫冶金，其二氧化碳排放《200kg/t，這時，本發(fā)明已成為一種單純的"燃?xì)饬呀鈿湟苯鸱?。這是本發(fā)明用于天然氣豐富而電力相對緊缺地區(qū)企業(yè)的情形。當(dāng)高溫水蒸汽電解制氫量超過300NmVt時，按本發(fā)明，已可不實施天然氣裂解制氫也能實現(xiàn)氫冶金，這時，本發(fā)明已成為一種單純的"余熱高溫水蒸汽電解氫冶金法"，但仍需根據(jù)鐵水含碳量和海綿鐵還原度以及排放標(biāo)準(zhǔn)的要求加入所必需的為數(shù)不多的純凈碳粉，這適合于水、風(fēng)、核能電力資源特別豐富價廉的地區(qū)。 實施例二，"褐煤等高含氫煤或植物干粉裂解氫冶金法"實施例，附圖2 : 煉鐵原料市場普通鐵精塊礦粒料TFe62. 5 % ， Si024. 5 % ， A12032. 9 % ，
SO. 02%， PO. 07%。粒度5 10mm。也可用國內(nèi)國際市場各種鐵精粉礦，包括粒度〈0. lmm
的精選鐵精礦粉，加少量粘結(jié)劑制造的10 20mm鐵精礦干燥脫水粒料。 制氫原料一種洗精干燥碾磨褐煤干粉，成分(wt) :C69. 1%， H5. 5 %，020. 8%，
N1.4%， SO. 1%，灰份2. 5%，煤粉粒度〈0. lmm;亦可采用含水量《1%，相同粒度的切碎干
燥碾磨植物干粉。入爐配比為精洗選褐煤干粉100kg/t或植物干粉150kg/t。 冶金設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成與實施例二基本相同，僅需將烴供應(yīng)裝置改為以烴為載氣將煤
粉通過"氫冶金冶煉裂解爐"電極中心孔輸入爐內(nèi)的裝置。并以烴為等離子工作氣體，產(chǎn)生
氧等尚子咼溫。 用"氫冶金預(yù)還原爐"，這里特指"氫冶金回轉(zhuǎn)窯"，對鐵精礦粒料包括粒度為2 10mm的鐵精塊礦粒料、和鐵精礦粉或鐵精礦微粉加粘結(jié)劑制粒得到的粒徑為5 20mm的粒料，進(jìn)行1200 1400°C，0. 2 2MPa，的富氫H2>80% ，高溫快速還原，生產(chǎn)出還原度〉70%海綿鐵，以保溫密閉兩爐直接連通方式直接輸送給"氫冶金冶煉裂解爐"
通過"氫冶金冶煉裂解爐"的空心電極中心孔道，以氫或天然氣等烴類燃?xì)庾鬏d氣和等離子工作氣體，或者以氫與氬的混合氣體作載氣和等離子工作氣體，按配比輸入煉鐵原料精洗選干燥褐煤粉，載氣配量為每千克煤1 2Nm 通過載氣增壓，在空心電極中心孔道中形成1 6m. S—1的射流，穿過其功率強大的3000°C以上的直流等離子弧弧心，在高溫缺氧條件下褐煤將被直接快速裂解為氫、C02、 CO、水蒸氣、焦、碳黑、灰份和H2S ;其中C02將被高溫裂解碳還原為C0，少部分氫、CO、將參與及海綿鐵中未還原氧化鐵的還原反應(yīng)，大部分氫、CO將以高溫尾氣形式保溫密閉狀態(tài)輸出電弧爐；焦和碳黑在其自身射流慣性力、電弧推力的作用下直接進(jìn)入空心電極下面的熔融高溫鐵液中成為熔融高溫鐵液的溶解碳，部分碳黑游離在尾氣中隨尾氣輸出，其輸出量由烴類燃?xì)鈱嶋H配比和海綿鐵還原度所控制；"氫冶金預(yù)還原爐"產(chǎn)生的高溫高還原度海綿鐵通過保溫密閉管道和"氫冶金冶煉裂解爐"爐蓋上的加料孔落入熔融高溫鐵液實現(xiàn)快速熔融終還原渣鐵分離生產(chǎn)出鐵水，或浮在軟融焦、渣液面再逐步還原融化渣鐵分離生產(chǎn)出鐵水。 特別地，在高含氫煤和煤層氣或地下煤制氣、天然氣均豐富的地區(qū)，則可以用煤層氣或地下煤制氣、天然氣等取代氫作載氣和等離子工作氣體。就可相應(yīng)減少高溫水蒸汽電解氫的用量，增加能源氫的輸出。 圖3示出，一種"氫冶金冶煉裂解爐"，該爐是一種"帶前爐的氫冷高壓直流等離子電弧爐"，具有氫冷爐體l，及氫冷爐蓋3，爐體與爐蓋之間及所有外連接口均設(shè)有用抗氫脆的奧氏體不銹鋼皮夾柔性石墨板構(gòu)成的密封墊2，氫冷電極絕緣定位集電密封裝置5通過密封墊直接安裝在爐蓋3的中心位置，用切短氮化硼陶瓷纖維或碳化硅陶瓷纖維補強反應(yīng)燒結(jié)氮化硅材料制作的多支陶瓷進(jìn)料管4通過密封墊布置并在氫冷電極絕緣定位集電密封裝置的周圍并伸入爐膛，氫冷環(huán)形油缸電極升降裝置6通過絕緣墊安裝在氫冷電極絕緣定位集電密封裝置5的上端面并同心，帶單向閥接頭的高強度空心電極7就安裝在氫冷環(huán)形油缸電極升降裝置之內(nèi)其下端伸入爐膛核心區(qū)，并可用氫冷環(huán)形油缸電極升降裝置6對空心電極進(jìn)行任意升降和懸停，高保溫陶瓷液壓滑閥式水口和或渣口 8安裝在爐缸渣線以下熔融鐵液帶內(nèi)，距爐底留有防止等離子弧燒傷爐底的死鐵層空間，在每次開爐前，應(yīng)用氬或氮氣驅(qū)除出氫冶金冶煉裂解爐及本冶金系統(tǒng)內(nèi)所有空氣，并在氫冶金冶煉裂解爐內(nèi)放置足夠的電弧爐起弧和熔化后能填滿該死鐵層空間的廢鋼廢鐵，再放下電極用直流電弧將其熔化制造出熔融高溫鐵液熔池(鐵浴)，高保溫陶瓷液壓滑閥式水口和或渣口 8穿過帶有氣體成分檢測置換裝置的前爐9，可以從前爐外部進(jìn)行操作，在冶煉裂解爐連續(xù)冶煉條件下可將死鐵層上部的鐵水和爐渣放進(jìn)前爐9 ;為加強冶煉裂解爐內(nèi)鐵水?dāng)_拌，特別是當(dāng)陶瓷進(jìn)料管4數(shù)量較少時比如只有一支，就最好是在爐殼外設(shè)置電磁擾拌線圈16，根據(jù)氫冶煉裂解爐的容量不同，可以設(shè)置渣鐵合用的鐵口，也可設(shè)置分開的鐵口和渣口以及相應(yīng)的鐵水前爐和爐渣前爐，若系專門的渣口則應(yīng)開在渣線附近。 其氫冷爐體1和氫冷爐蓋3均為雙層優(yōu)質(zhì)超低碳結(jié)構(gòu)鋼或低碳奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)，整體密閉耐壓強度〉5MPa ;爐體爐蓋外表為普通硅酸鋁纖維噴涂保溫層；雙層不銹鋼夾層內(nèi)分為爐底段、爐缸段、爐身段、和爐蓋段，段內(nèi)設(shè)螺旋形冷卻氫通道，通道的起端和終端分別焊接進(jìn)氣管10、與出氣管13，各進(jìn)氣管通過電磁流量調(diào)節(jié)閥接通冷卻氫進(jìn)氣總管12，各出氣管則直接接通冷卻氫出氣總管14，各段爐襯內(nèi)均埋設(shè)有熱電偶進(jìn)行檢測和自動控制，其冷卻強度為，將爐底、爐缸、渣線的最里層耐火材料的工作溫度控制在1000 IIO(TC之間，促使內(nèi)襯表面形成薄層渣鐵"凍結(jié)殼體"；爐體鋼殼內(nèi)表面設(shè)有保持耐火材料及加強爐壁的凸筋，緊貼鋼殼內(nèi)表面的爐襯為切短氧化鋁纖維或切短氮化硼纖維與氮化硅或氮化鋁粉等混合制成的澆注料、或搗打料、可塑料制作的高熱導(dǎo)率高絕緣爐襯，爐體段、爐缸段接觸鐵水與爐渣的內(nèi)襯為模壓超微孔氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷杯磚砌層，爐底段設(shè)有用帶法蘭盤的銅棒焊接引出的導(dǎo)電爐底銅板電極，導(dǎo)電爐底銅板電極之上有3 4層模壓超微孔碳磚，最上層為立砌模壓超微孔鎂碳磚，磚縫小于lmm，用優(yōu)質(zhì)碳質(zhì)膠泥砌筑。 圖4示出，一種氫冶煉裂解爐的帶單向閥接頭的高強度空心電極， 所述帶單向閥接頭的高強度空心電極(7)是用高強度等靜壓浸漬石墨或Ti3SiG
層狀陶瓷制造，并經(jīng)精密機械加工，直徑需根據(jù)氫冶煉裂解爐容量及電極工作電流大小計
算確定，單根電極長度為2 4m，整根電極根據(jù)電爐大小，由若干單支電極串連構(gòu)成，通過
帶單向閥的電極接頭41實現(xiàn)串連；該電極接頭的結(jié)構(gòu)為閥芯45活動地置于連接接頭體
44內(nèi)腔，依靠彈簧座47上的非磁性不銹鋼彈簧46抵靠在閥芯后部，使閥芯封堵在接頭體
前部的開口上；其接頭體、閥芯、彈簧座均用所述電極相同材料制造，接頭體44與短電極41
之間設(shè)置有柔性石墨0形密封圈42、43，進(jìn)行電極相互端面和電極與電極接頭相互端面的
密封，保證爐內(nèi)高壓氫不至外泄，并便于在電極消耗減短后立即加以接長，接長時，在充分
擰緊電極之前，應(yīng)用氬氣驅(qū)出該加長節(jié)電極內(nèi)孔中的空氣，再充分?jǐn)Q緊后進(jìn)入正常工作；為
增加接頭的強度，和在實施煤和植物干粉裂解時為擴大單向閥的口徑，所述單向閥亦可以
單獨制作并安裝在空心接頭之下。 圖5示出，一種氫冶金冶煉裂解爐電極絕緣定位集電密封裝置 氫冶金冶煉裂解爐的氫冷電極絕緣定位集電密封裝置5，具有切短氮化硼陶瓷纖
維或碳化硅陶瓷纖維補強反應(yīng)燒結(jié)氮化硅制作的絕緣定位環(huán)形體51，以及用純銅或純鎳或
鎳金屬陶瓷、制作的集電環(huán)形體53 二者之間裝配后，形成一個統(tǒng)一的氫冷電極絕緣定位集
電密封裝置環(huán)形體，其內(nèi)部構(gòu)成冷卻氫循環(huán)通道，并在二者的結(jié)合面上設(shè)置有防止冷卻氫
外泄的O形柔性石墨密封環(huán)54、510 ;絕緣定位環(huán)形體51內(nèi)環(huán)面與高強度空心電極之間，外
環(huán)面與爐蓋之間分別設(shè)有氮化硼陶瓷纖維密封環(huán)與柔性石墨密封環(huán)聯(lián)合組成的密封環(huán)串
52，55，集電環(huán)形體53與空心電極7的結(jié)合面處設(shè)置有柔性石墨集電密封環(huán)串56并用非磁
性不銹鋼螺套57壓緊，該密封環(huán)串除密封作用外，更重要的作用在于導(dǎo)電和導(dǎo)熱，因此應(yīng)
根據(jù)等離子弧的工作電流大小和熱平衡計算來確定柔性石墨集電密封環(huán)的數(shù)量，確保具有
足夠的導(dǎo)電截面積和導(dǎo)熱面積。集電環(huán)體53上還設(shè)置有冷卻氫進(jìn)入的接頭59以及冷卻氫
輸出的接頭58和直流電負(fù)極接電樁頭510 ; 圖6示出，一種氫冶煉裂解爐環(huán)形油缸升降裝置 氫冶金冶煉裂解爐的氫冷環(huán)形油缸電極升降裝置，是由結(jié)構(gòu)相同的上抱閘613和下抱閘614以及升降油缸611組成；上下抱閘613,614的結(jié)構(gòu)擺動油馬達(dá)62安裝在抱閘體61上、擺動油馬達(dá)62的軸上用滑鍵與螺桿63連接，螺桿端頭抵靠在用于抱緊空心電極7的閘瓦塊64上；升降油缸611的內(nèi)環(huán)65為3層氫冷結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有冷卻氫循環(huán)通道，與下抱閘的抱閘體61固聯(lián)，并與外環(huán)610等聯(lián)合組成環(huán)形油缸，油缸的環(huán)形話塞與環(huán)形活塞桿69及其密封件就裝在其中，活塞桿伸出缸體與上抱閘613的抱閘體固聯(lián)；升降油缸65的內(nèi)環(huán)缸體上設(shè)有與冷卻氫通道連通的冷卻氫進(jìn)氣、出氣接頭66、67，外環(huán)上設(shè)有液壓液進(jìn)出接頭68,612，油缸的所有鋼制環(huán)形零件，均用非磁性不銹鋼制造，油缸用抗燃液壓液驅(qū)動。
圖7示出， 一種氫冶金冶煉裂解爐高保溫液壓陶瓷滑閥式水口
氫冶金冶煉裂解爐的滑閥式水口 8，是由陶瓷滑閥主體76、隔熱裝置77、抗燃液壓液驅(qū)動的液壓油缸78三大部件串連構(gòu)成；陶瓷滑閥主體，又由閥芯71用氮化硼陶瓷纖維補強反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷制造，并用等離子噴涂氮化硼減摩層；內(nèi)滑閥套72也由氮化硼纖維補強反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷制造；閥芯與內(nèi)滑閥套之間為精密滑動配合，有柔性石墨密封圈
2173對爐氣進(jìn)行密封；中間保溫層74是用低熱導(dǎo)率的碳化硅粒狀耐火纖維或氮氣吹制氧化 鋁空心球與氮化硅結(jié)合碳化硅粉制成的陶瓷澆注料制造，外安裝套75由氧化鋁纖維增強 反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷材料制造，帶有安裝法蘭盤；閥套、保溫層、外安裝套組合后的中部開 通有鐵水流出的孔道，可以由閥芯進(jìn)行啟閉，芯桿體71伸入隔熱裝置77內(nèi)，與液壓油缸78 的活塞桿連接。 圖8示出，一種氫冶金冶煉裂解爐具有氣體成分檢測置換裝置和獨立出鐵出渣功 能的前爐 氫冶金冶煉裂解爐具有氣體成分檢測置換裝置和獨立出鐵出渣功能的前爐9，是 由爐體81、爐蓋83、及夾在這兩者的結(jié)合面間的不銹鋼薄板夾柔性石墨密封墊82等構(gòu)成； 爐體外可以設(shè)置保溫感應(yīng)線圈813，爐體下部設(shè)有普通鐵口和或渣口 812，通過法蘭811和 連接板810等與主爐固定連接，通過滑閥式水口 8從主爐輸入鐵液和或渣液，并根據(jù)需要隨 時可加以關(guān)閉或開啟，還可在前爐與主爐之間另設(shè)一橫向高保溫液壓陶瓷滑閥，以便更換 "高保溫液壓陶瓷滑閥式水口和/或渣口"的閥芯和閥套；爐蓋上設(shè)有氫氣含量檢測傳感器 84、壓力、溫度和遙控顯示控制儀表89，并設(shè)有氫氣輸出閥85，空氣放散閥86，阻火器87，放 散管88 ;爐體下部設(shè)有氬氣輸入管814、截止閥、及透氣塞； 前爐的作用在于保證氫冶金電弧爐出鐵出渣期間不停爐，而像高爐一樣能長時間 連續(xù)運轉(zhuǎn)。因為氫冶金電弧爐內(nèi)充滿了易燃易爆的高壓氫，如果沒有前爐，出鐵時必須停爐 用氬或氮氣驅(qū)出其中氫氣才能出鐵或出渣，經(jīng)常停爐效率就會大大降低。有了前爐，主爐 就可長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)，前爐出鐵出渣用氬驅(qū)出其中氫氣，就不但簡便，而且不會影響主爐運 行，但關(guān)鍵是要可靠關(guān)閉主爐的鐵口，氫冶金電弧爐壓力高，高出高爐10倍以上。不停爐減 壓，常規(guī)方法很難將鐵口渣口關(guān)閉，但又的確不可回避。因此本發(fā)明為前爐設(shè)計了上述高保 溫液壓陶瓷滑閥式水口 。該水口的直徑應(yīng)根據(jù)爐容設(shè)計得足夠大，保溫效果要足夠好，足以 保證鐵液渣液順利流出而不會凝固并啟閉自如。 圖9示出，一種氫冶金預(yù)還原爐，這是一種"氫冶金回轉(zhuǎn)窯""氫冶金回轉(zhuǎn)窯"是一種電補充加熱、高可靠密封密閉耐壓〉10Mpa、具有抗熔融氧 化鐵粘結(jié)的內(nèi)襯，的一種氫冶金回轉(zhuǎn)窯；該窯由窯頭919、窯身920、窯尾921和傳動系統(tǒng) 912四大部分組成；窯頭、窯身、窯尾的外殼91、99等均由抗氫脆的超低碳優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼或低 碳奧氏體不銹鋼制造，外殼內(nèi)表設(shè)有氮氣吹制的陶瓷空心球澆注料或可塑料制作的絕熱保 溫層92、910等；窯身920的絕熱保溫層92之內(nèi)，設(shè)有碳纖維做發(fā)熱體、并用反應(yīng)燒結(jié)氮化 硅整體全面包覆制成的電阻加熱筒形元件94，整個爐身筒形電加熱元件分三段構(gòu)成，相互 連接，而又可單獨加電，可分別進(jìn)行爐溫爐皮的溫度監(jiān)測和調(diào)控，最高加熱溫度1600°C ，使 爐內(nèi)一旦出現(xiàn)爐料結(jié)圈時可加以熔化排出；其伸出鋼殼的一段，其外徑與鋼殼相同，并加工 出柔性密封環(huán)的環(huán)槽，內(nèi)裝氮化硼陶瓷纖維或碳化硅陶瓷纖維密封環(huán)與柔性石墨密封環(huán)交 替組成的柔性密封環(huán)組913，并與窯頭防粘結(jié)內(nèi)襯911的環(huán)形部分形成精密轉(zhuǎn)動偶合副，從 而構(gòu)成高溫防氫漏密封裝置，碳纖維發(fā)熱體用耐高溫的經(jīng)絕緣處理的鎢、鉬作為導(dǎo)電體引 伸出筒體，與銅滑環(huán)95、96等相連接，銅滑環(huán)與鋼外殼絕緣，通過碳刷或用Ti3SiC2層狀陶 瓷制造的滑塊輸入電力；但當(dāng)采用粒度〈0. lmm的市場細(xì)磨精選鐵精粉礦制粒得到的粒徑 為5 20mm的精選鐵精礦粒料，進(jìn)行700 1200°C以下低溫富氫快速還原時，也可不設(shè)上 述電補充加熱裝置，但高溫防氫漏密封裝置仍須保持不變；窯頭、窯身、窯尾的最里層爐襯均用氮化硅結(jié)合碳化硅、或賽隆結(jié)合碳化硅耐火材料砌筑制成抗熔融氧化鐵粘結(jié)的防粘結(jié) 內(nèi)襯97、911等，其爐身中部和尾部設(shè)揚料筋98，窯身高溫部分形成縮口 ，收縮率15 25%; 窯頭與窯身、窯尾與窯身的鋼殼，經(jīng)徑向和軸向耐高溫陶瓷軸承915、916相互支承定位，且 相互間還以圓柱面形成精密轉(zhuǎn)動配合，并以碳化硅陶瓷纖維密封環(huán)、柔性石墨密封環(huán)、聚四 氟乙烯密封環(huán)交替組成低溫組合密封914，并在內(nèi)外低溫密封環(huán)組之間設(shè)置管道和截止閥 917，用于輸入高于爐內(nèi)壓力的氬氣進(jìn)行氣壓密封，并設(shè)置監(jiān)測儀表；窯頭919、窯尾921分 別設(shè)有用作在1.5 5。范圍調(diào)整回轉(zhuǎn)窯工作傾角的支承軸922、923。窯頭設(shè)有高溫氫輸 入口和海綿鐵排出口 ，窯尾設(shè)有尾氣輸出口以及原料進(jìn)口 ，并安裝有螺旋輸送器918 ;氫冶 金回轉(zhuǎn)窯采用8 12的較小的長徑比、轉(zhuǎn)速0. 5 5R/min無級可調(diào)。
圖10、圖11、圖12示出SOEC高溫水蒸氣電解槽 "S0EC高溫水蒸氣電解槽"是構(gòu)成"S0EC高溫水蒸氣電解槽堆"的基礎(chǔ)。首先用Y 或Yb摻雜的SrCe03或SrZr03的高溫質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)，或者，用Y203摻雜的Zr02高溫 氧離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)為核心制造超大功率的大串管式電解單池；再根據(jù)制氫規(guī)模用多個 電解單池組成實用電解槽；最后用多個電解槽疊加組成一個特大功率的電解池堆，以滿足 冶金和能源系統(tǒng)的規(guī)?；毁|(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解槽堆，能直接電解出無水純氫，可以簡 化氫冶金工藝系統(tǒng)構(gòu)成、節(jié)能、降低成本，推薦作為氫冶金優(yōu)選電解池堆；高溫氧離子導(dǎo)體 固體電解質(zhì)在燃料電池中應(yīng)用較多，材料成本較低，但電解產(chǎn)生的氫含有大量水蒸氣，必須 冷卻分離并重新加熱才能應(yīng)用于氫冶金預(yù)還原，推薦備選； 所述質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解單池(圖11)的結(jié)構(gòu)為用氧化鋯增韌氧化鋁多 孔陶瓷漿料，或切短氧化鋁陶瓷纖維或莫來石陶瓷纖維增韌氧化鋁多孔陶瓷漿料，用活性 炭粉做成孔劑，擠出成型，然后燒結(jié)制成氣孔率^ 50%、內(nèi)徑為小30 100士0.05mm、長度 為1500 3000mm、壁厚為2 5mm， 一端封閉的大型多孔陶瓷支撐管lll，支撐管外圍分段 從內(nèi)到外依次用熔射法、或電化學(xué)氣相沉積法等制造段長為30 100mm，段間間隔為2 5mm，厚度為1 2mm的Ca或Sr摻雜的LaMn03等多孔陶瓷陽極層117，厚度為0. 1 lmm 的Y或Yb摻雜的SrCe03或SrZr03等致密的質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)層113，厚度為1 2mm， Ni體積比35 60%的Ni-YSZ多孔金屬陶瓷陰極層114、并用Ca， Sr， Co摻雜的LaCr03或 YC03陶瓷作連接體115依次將每一段的陽極層117與前一段的陰極層114連接起來，但不 得與隨后一段的陰極層連通以防止短路，該電解質(zhì)層和連接體還必須用300瓦左右激光器 進(jìn)行均勻致密的掃描重熔燒結(jié)處理以提高其致密度，支撐管前開口端僅制作與陽極層連通 的連接體層112，封閉端僅制作與陰極層連通的連接體層116 ;陰極層和陽極層的氣孔率均
應(yīng)> 50% ; 所述高溫氧離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解單池的結(jié)構(gòu)基本相同，不同之點在于采用用 Y203、 Yb203、 Sc203、 Sm203等摻雜的Zr02氧離子導(dǎo)體作固體電解質(zhì)；或用Ca、 Sr、 Mg摻雜 的LaGa03作固體電解質(zhì)來制造其電解質(zhì)層； 所述質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解槽(圖IO)，是根據(jù)電解制氫的規(guī)模采用多支質(zhì)子 導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解單池以環(huán)形排列方式均勻裝配在電解單池并聯(lián)板兼陽極集電板102 上，相互間用陶瓷焊進(jìn)行焊接120a以保證密封和或?qū)щ?，該板邊緣設(shè)有陽極電源接入點 117，用切短氧化鋁陶瓷纖維或莫來石陶瓷纖維增韌氧化鋁陶瓷材料制造的蒸汽注汽管103 插入電解單池內(nèi)腔、并固定在蒸汽注汽管并聯(lián)板104上，相互間用陶瓷焊進(jìn)行焊接120a ;其
23外徑與電解單池內(nèi)徑形成0. 5 1mm的環(huán)狀間隙，蒸汽注汽管并聯(lián)板與陽極集電板之間構(gòu) 成陽極室120，該板邊緣設(shè)有尾氣輸出口 ；電解槽體107、陽極集電板102、蒸汽注汽管并聯(lián) 板104、以及電解槽底座105經(jīng)螺栓裝配在一起，相互之間設(shè)有低碳不銹鋼薄板夾柔性石墨 陶瓷纖維氈復(fù)合材料的密封件；電解槽底座105上開有高溫水蒸汽輸入口 ，與蒸汽注汽管 并聯(lián)板104形成蒸汽分配室，電解槽體107開有氫氣輸出口 、以及陰極去極化氣輸入口 ，去 極化氣為氬或氫，與電解單池并聯(lián)板兼陽極集電板102形成陰極室。電解槽底座與電解槽 體均為抗氫脆的超低碳優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼或低碳奧氏體不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)表涂有一層5 20mm厚的 切短氧化鋁纖維增韌氧化鋁陶瓷絕緣保溫層；由鎳金屬陶瓷制成的陰極集電板100邊緣設(shè) 有陰極接線點110a，其內(nèi)表面鋪有一層與其表面積大小相當(dāng)?shù)逆嚉?09，使陰極集電板通 過鎳氈與各電解單池陰極末端形成可靠柔性導(dǎo)電連接； 所述高溫氧離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解槽(圖13)，其結(jié)構(gòu)與上述質(zhì)子導(dǎo)體固體電
解質(zhì)電解槽基本相同，不同之點在于用高溫氧離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解單池取代所有質(zhì)
子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解單池；電解槽體上的陰極去極化氣輸入口改作高溫蒸汽輸入口，氫
輸出口變成氫、蒸氣混合輸出口，蒸汽注汽管并聯(lián)板上的尾氣輸出口變成濕氧輸出口，電解
槽底座上的高溫蒸氣輸入口改作陽極去極化氣輸入口 ，去極化氣為氬。 本發(fā)明所涉及的新材料均屬現(xiàn)有技術(shù)，均可用現(xiàn)有具有同樣性質(zhì)的新材料所取代。
權(quán)利要求
一種氫冶金法，其特征在于(1)兩步三快基本工藝循環(huán)第一步，用氫冶金預(yù)還原爐對鐵精礦粒料，包括5～15mm鐵精塊礦粒料、或市場鐵精粉礦制粒得到的粒徑為5～20mm的鐵精粉礦粒料，進(jìn)行富氫H2≥80％，高溫1200～1400℃，高壓0.2～2MPa，快速預(yù)還原，生產(chǎn)還原度≥70％的海綿鐵；優(yōu)選采用粒度<0.1mm的市場細(xì)磨精選鐵精粉礦制粒得到的粒徑為5～20mm的精選鐵精礦粒料，進(jìn)行富氫H2≥90％，低溫700～1200℃，高壓0.2～2MPa，快速預(yù)還原，生產(chǎn)還原度≥80％的海綿鐵，均以保溫密閉方式輸送給氫冶金冶煉裂解爐；第二步，用氫冶金冶煉裂解爐，實現(xiàn)天然氣或煤層氣、頁巖氣、地下煤制氣、沼氣、可燃冰氣化氣；以及褐煤等高含氫煤干粉、植物干粉、藻類干粉等，配以氫或烴類燃?xì)庾鬏d氣；通過其空心電極形成射流穿過其3000℃以上高溫直流等離子弧弧心在高溫缺氧條件下瞬間快速裂解為高溫氫，和高溫碳黑；高溫氫以尾氣形式輸出直接供給氫冶金預(yù)還原爐為該爐高溫富氫快速預(yù)還原生產(chǎn)海綿鐵提供氫源；同時裂解產(chǎn)生的碳黑進(jìn)入熔融高溫鐵液融池制造熔融高溫飽和含碳鐵液；對氫冶金預(yù)還原爐輸入的海綿鐵進(jìn)行快速熔融終還原和渣鐵分離，生產(chǎn)出鐵水或半鋼；從而完成氫冶金兩步三快基本工藝循環(huán)連續(xù)生產(chǎn)；(2)冶金余熱高溫水蒸汽電解制氫利用氫冶金預(yù)還原爐高溫高焓尾氣余熱，生產(chǎn)600～1000℃高溫水蒸氣，再用質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)高溫水蒸氣電解槽堆，或氧離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)高溫水蒸氣電解槽堆，對所產(chǎn)生的高溫水蒸氣，實施低能耗高溫水蒸電解制氫；其中質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)高溫水蒸氣電解槽堆所制得的高溫純氫，可直接回饋給氫冶金預(yù)還原爐，作為生產(chǎn)海綿鐵的補充氫源，以便將每噸鐵水的天然氣等烴類燃?xì)庀牧拷档椭?00m3以下；而用氧離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)高溫水蒸氣電解槽堆所制得的氫，含有大量水蒸氣，需經(jīng)本冶金系統(tǒng)的尾氣處理系統(tǒng)冷卻分離提純，并再次通過換熱器吸熱升溫，然后回再饋給氫冶金預(yù)還原爐，其副產(chǎn)氧經(jīng)干燥處理可回收利用；(3)尾氣分離及CO變換制氫對經(jīng)過換熱生產(chǎn)水蒸汽降溫后的氫冶金預(yù)還原爐尾氣，繼續(xù)進(jìn)行除塵、換熱、袋濾、洗滌、脫硫、CO變換、氣體分離，回收氫、二氧化碳、納米碳黑、氬、和硫；將所回收的工業(yè)純氫，部分饋入氫冶金裂解冶煉爐的氫冷卻系統(tǒng)，對氫冶金裂解冶煉爐進(jìn)行氫冷卻和熱回收，部分饋入尾氣換熱系統(tǒng)進(jìn)行吸熱升溫，然后再將兩部分熱氫均回饋給氫冶金預(yù)還原爐，富余部分冷工業(yè)純氫無需吸熱升溫可以直接輸出作為氫能源汽車的氫能源；所回收的氬，則用于系統(tǒng)設(shè)備啟、停、維修、氣壓密封、和氫冶金裂解冶煉爐前爐出鐵出渣時，驅(qū)除其中空氣，以及作為固體電解質(zhì)高溫水蒸汽電解槽的去極化氣等，可反復(fù)回收循環(huán)利用。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氫冶金法，其特征在于所述等離子快速裂解制氫步驟為；采 用脫硫脫水天然氣、煤層氣、地下煤制氣、頁巖氣、沼氣、可燃冰氣化氣等烴類燃?xì)膺M(jìn)行等離 子快速裂解制氫，按每噸鐵水0 200m3天然氣或含氫量相當(dāng)?shù)母鞣N烴類燃?xì)猓ㄟ^氫冶金 冶煉裂解爐帶單向閥高強度空心電極的中心孔道，以1 6m/s射流，穿過功率強大的溫度 在3000°C以上的冶煉用直流等離子電弧弧心，在0. 5 4毫秒的瞬間就被加熱到1300°C 以上，在高溫缺氧條件下，烴類燃?xì)鈱⑷勘豢焖倭呀鉃楦邷貧浜图{米碳黑，燃?xì)庵锌赡艽?在的微量C02也將被高溫納米碳黑還原為CO，裂解反應(yīng)時間〈0. 5ms，平均反應(yīng)溫度1300 1600°C，反應(yīng)壓力0. 2 2Mpa，較低的壓力有利于裂解反應(yīng)，裂解能耗約3 4MJ/Nm3 ;氫冶金冶煉裂解爐主要采用敞開熔池制式或埋弧冶煉制式操作，裂解產(chǎn)生的碳黑在射流慣性 力、電弧推力作用下，在高溫泡沫渣、爐渣、海綿鐵的籠罩覆蓋下，直接進(jìn)入空心電極下面的 熔融高溫鐵液中，成為熔融高溫鐵液中的溶解碳，從而制造出海綿鐵快速熔融還原所必須 的高溫熔融飽和含碳鐵液，從氫冶金預(yù)還原爐輸入的高溫海綿鐵通過氫冶金冶煉裂解爐爐 蓋上的一個或多個加料管直接落入或分點分層逐步熔入這種熔融高溫飽和含碳鐵液，立即 實現(xiàn)快速熔融還原渣鐵分離冶煉出鐵水或半鋼，實現(xiàn)海綿鐵的低能耗快速熔融還原冶金過 程，燃?xì)饬呀鈿湟苯鹜ǔ２捎眠€原度>90%的海綿鐵，熔融還原噸鐵所產(chǎn)生的C0〈50kg ;裂 解產(chǎn)生的氫的少部分參與海綿鐵中未還原氧化鐵的還原反應(yīng)，絕大部分以高溫尾氣形式和 氫冶金冶煉裂解爐尾氣排出口與氫冶金預(yù)還原爐還原氣輸入口兩爐直接連通方式，直接輸 送給氫冶金預(yù)還原爐，快速還原生產(chǎn)海綿鐵，從而實現(xiàn)氫冶金工藝循環(huán)連續(xù)生產(chǎn)；當(dāng)將海綿鐵的還原度^ 80%，噸鐵天然氣加入量〈170m3時，需在本系統(tǒng)中實施冶金余 熱高溫水蒸氣電解制氫，以補充裂燃?xì)饨鈿渲蛔悴糠郑划?dāng)實施地水電、風(fēng)電、核電資源豐 富，特別是高峰低谷電力資源豐富價格低廉時，則可利用全部氫冶金余熱高溫水蒸氣進(jìn)行 電解制氫，在高峰低谷期還可將所制氫存儲起來隨后均衡利用，所制氫足以將天然氣等烴 類燃?xì)庥昧繙p少到100mVt(鐵水)以下，甚至為零，但為零時仍需加入30 70kg/t的純 碳粉代替天然氣中的碳以滿足海綿鐵滲碳、海綿鐵熔融還原、和鐵水滲碳所需的碳。當(dāng)海綿鐵的還原度為70 80%，天然氣加入量> 170mVt時，已無須在本系統(tǒng)中實施 余熱高溫水蒸氣電解制氫，單純依靠天然氣等烴類燃?xì)饬呀饧纯蓪崿F(xiàn)氫冶金，這適合于天 然氣等烴類燃?xì)赓Y源豐富的地區(qū)或水電、風(fēng)電、核電資源較緊或其價格較高的地區(qū)實施本 發(fā)明。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫冶金法，其特征在于所述等離子快速裂解制氫步驟為； 采用褐煤等高含氫煤與植物干粉包括藻類干粉等作為裂解制氫的原料，當(dāng)采用褐煤等高含 氫煤時，需采用含氫量^ 4 % 、灰份〈2 % 、硫磷含量〈0. 2 % ，水份〈1 % ，粒度〈0. lmm的精 洗選干燥碾磨褐煤等高含氫煤干粉，其配入量為每噸鐵水50 150kg ;當(dāng)采用植物干粉等 作制氫原料時，需將脫泥植物根莖葉切碎，并經(jīng)200 30(TC高溫干燥脫水，碾磨成為粒度 〈0. lmm的干粉，其配入量為每噸鐵水100 250kg，且每千克干粉需配1 3Nm3氫或烴類 燃?xì)庾鬏d氣；通過氫冶金冶煉裂解爐帶單向閥高強度空心電極的中心孔道，以1 6m/s射 流，穿過功率強大的溫度在300(TC以上的冶煉用直流等離子電弧弧心，在冶煉裂解爐高溫 缺氧條件下，褐煤等高含氫煤干粉、植物干粉等，均將被快速裂解為氫、烴類氣體、碳黑、焦 灰、C0、 C02、 N、水蒸汽、等非常復(fù)雜的成分，其中烴類氣體在130(TC以上高溫條件下極不穩(wěn) 定，將繼續(xù)分解為氫和碳黑，C02也將被高溫碳黑還原為CO，碳黑、焦在射流慣性力、電弧推 力作用下，在高溫泡沫渣、爐渣、海綿鐵的籠罩覆蓋下，直接進(jìn)入空心電極下面的熔融高溫 鐵液中，成為熔融高溫鐵液中的溶解碳，從而制造出海綿鐵快速熔融還原所必須的高溫熔 融飽和含碳鐵液，從氫冶金預(yù)還原爐輸入的高溫海綿鐵通過氫冶金冶煉裂解爐爐蓋上的一 個或多個加料管直接落入或分點分層逐步熔入這種熔融高溫飽和含碳鐵液，立即實現(xiàn)快速 熔融還原渣鐵分離冶煉出鐵水或半鋼，實現(xiàn)海綿鐵的低能耗快速熔融還原冶金過程；裂解 產(chǎn)生的氫的少部分參與海綿鐵中未還原氧化鐵的還原反應(yīng)，絕大部分以高溫尾氣形式和氫 冶金冶煉裂解爐尾氣排出口與氫冶金預(yù)還原爐還原氣輸入口兩爐直接連通方式，直接輸送 給氫冶金預(yù)還原爐，快速還原生產(chǎn)海綿鐵，從而實現(xiàn)氫冶金工藝循環(huán)連續(xù)生產(chǎn)。
4. 一種用于氫冶金法的氫冶金冶煉裂解爐，其特征是具有氫冷爐體(l)，及氫冷爐蓋 (3)，爐體與爐蓋之間及所有外連接口均設(shè)有用抗氫脆的奧氏體不銹鋼皮夾柔性石墨板構(gòu) 成的密封墊(2)，氫冷電極絕緣定位集電密封裝置(5)就通過密封墊直接安裝在爐蓋(3)的 中心位置，用切短氮化硼陶瓷纖維或碳化硅陶瓷纖維補強反應(yīng)燒結(jié)氮化硅材料制作的多支 陶瓷進(jìn)料管(4)就通過密封墊布置并在氫冷電極絕緣定位集電密封裝置的周圍并伸入爐 膛，氫冷環(huán)形油缸電極升降裝置(6)就通過絕緣墊安裝在氫冷電極絕緣定位集電密封裝置 (5)的上端面并同心，帶單向閥接頭的高強度空心電極(7)就安裝在氫冷環(huán)形油缸電極升 降裝置之內(nèi)，其下端伸入爐膛核心區(qū)，并可用氫冷環(huán)形油缸電極升降裝置(6)對電極進(jìn)行 任意升降和懸停，高保溫陶瓷液壓滑閥式水口和或渣口 (8)安裝在爐缸渣線以下熔融鐵液 帶內(nèi)、距爐底留有防止等離子弧燒傷爐底的死鐵層空間，在每次開爐前，應(yīng)用氬或氮氣驅(qū)除 出氫冶金冶煉裂解爐及本冶金系統(tǒng)內(nèi)所有空氣，并在氫冶金冶煉裂解爐內(nèi)放置足夠的電弧 爐起弧和熔化后能填滿其死鐵層空間的廢鋼廢鐵，再放下電極用直流電弧將其熔化制造出 熔融高溫鐵液熔池，高保溫陶瓷液壓滑閥式水口和或渣口 (8)穿過帶有氣體成分檢測置換 裝置的前爐(9)，可以從前爐外部進(jìn)行操作，在冶煉裂解爐連續(xù)冶煉條件下可將死鐵層上部 的鐵水和爐渣放進(jìn)前爐(9);根據(jù)氫冶煉裂解爐的容量不同，可以設(shè)置多個鐵口和前爐，為 加強冶煉裂解爐內(nèi)鐵水?dāng)_拌，特別是當(dāng)陶瓷進(jìn)料管(4)數(shù)量較少時，還可在爐殼外設(shè)置電 磁擾拌線圈(16);所述氫冷爐體(1)和氫冷爐蓋(3)均為雙層優(yōu)質(zhì)超低碳結(jié)構(gòu)鋼或低碳奧 氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)，整體密閉耐壓強度〉5MPa ;爐體爐蓋外表為普通硅酸鋁纖維噴涂保溫層； 雙層不銹鋼夾層內(nèi)分為爐底段、爐缸段、爐身段，爐蓋段，分段內(nèi)設(shè)螺旋形冷卻氫通道，通道 的起端和終端分別焊接進(jìn)氣管(10)、與出氣管(13)，各進(jìn)氣管通過電磁流量調(diào)節(jié)閥接通冷 卻氫進(jìn)氣總管(12)，各出氣管接通冷卻氫出氣總管(14)，各段爐襯內(nèi)均埋設(shè)有熱電偶進(jìn)行 檢測和自動控制，其冷卻強度為，將爐底、爐缸、渣線的最里層耐火材料的工作溫度控制在 1000 IIO(TC之間，促使內(nèi)襯表面形成薄層渣鐵"凍結(jié)殼體"；爐體鋼殼內(nèi)表面設(shè)有保持耐 火材料及加強爐壁的凸筋，緊貼鋼殼內(nèi)表面的爐襯為切短氧化鋁纖維或切短氮化硼纖維與 氮化硅或氮化鋁粉等混合制成的陶瓷澆注料、搗打料、可塑料制作的高熱導(dǎo)率高絕緣爐襯， 爐體段、爐缸段接觸鐵水與爐渣的內(nèi)襯為模壓超微孔氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷杯磚砌層，爐 底段設(shè)有用帶法蘭盤的銅棒焊接引出的導(dǎo)電爐底銅板電極，導(dǎo)電爐底銅板電極之上有3 4層模壓超微孔碳磚，最上層為立砌模壓超微孔鎂碳磚，磚縫小于lmm，用優(yōu)質(zhì)碳質(zhì)膠泥砌筑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述氫冶金冶煉裂解爐，其特征是所述高強度空心電極(7)是用 高強度等靜壓浸漬石墨或Ti3SiC2層狀陶瓷制造，并經(jīng)精密機械加工，直徑需根據(jù)氫冶煉裂 解爐容量及電極工作電流大小計算確定，單根電極長度為2 4m，整根電極根據(jù)電爐大小， 由若干單支電極串連構(gòu)成，通過帶單向閥的電極接頭(41)實現(xiàn)串連；該電極接頭的結(jié)構(gòu) 為閥芯(45)活動地置于連接接頭體(44)內(nèi)腔，依靠彈簧座(47)上的非磁性不銹鋼彈簧 (46)抵靠在閥芯后部，使閥芯封堵在接頭體前部的開口上；彈簧座(47)與接頭體(44)之 間系螺紋連接，可以調(diào)整彈簧壓力，其接頭體、閥芯、彈簧座均用所述電極相同材料制造，接 頭體(44)與電極(41)之間以及電極端面之間，設(shè)置有柔性石墨O形密封圈(42、43)，使電 極連接起來后爐內(nèi)高壓氫不至外泄，并便于在電極消耗減短后立即加以接長，接長時，在充 分?jǐn)Q緊電極之前，應(yīng)用氬氣驅(qū)出該加長節(jié)電極內(nèi)孔中的空氣，再充分?jǐn)Q緊后進(jìn)入正常工作；為增加接頭的強度，和在實施煤和植物干粉裂解時為擴大單向閥的口徑，所述單向閥亦可 以單獨制作并安裝在空心接頭之下。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述氫冶金冶煉裂解爐，其特征是氫冶金冶煉裂解爐的氫冷電極 絕緣定位集電密封裝置(5)，具有切短氮化硼或碳化硅纖維補強反應(yīng)燒結(jié)氮化硅制作的絕 緣定位環(huán)形體(51)，以及用純銅或純鎳或鎳金屬陶瓷、制作的集電環(huán)形體(53) 二者之間裝 配后，形成一個統(tǒng)一的氫冷電極絕緣定位集電密封裝置環(huán)形體，其內(nèi)部構(gòu)成冷卻氫循環(huán)通 道，并在二者的結(jié)合面上設(shè)置有防止冷卻氫外泄的O形柔性石墨密封環(huán)(54、510);絕緣定 位環(huán)形體(51)內(nèi)環(huán)面與高強度空心電極之間，外環(huán)面與爐蓋之間分別設(shè)有氮化硼陶瓷纖 維密封環(huán)與柔性石墨密封環(huán)聯(lián)合組成的密封環(huán)串(52,55)，集電環(huán)形體(53)與空心電極 (7)的結(jié)合面處設(shè)置有柔性石墨集電密封環(huán)串(56)并用非磁性不銹鋼螺套(57)壓緊，該密 封環(huán)串除密封作用外，更重要的作用在于導(dǎo)電和導(dǎo)熱，因此應(yīng)根據(jù)等離子弧的工作電流大 小和熱平衡計算來確定柔性石墨集電密封環(huán)的數(shù)量，確保具有足夠的導(dǎo)電截面積和導(dǎo)熱面 積。集電環(huán)體(53)上還設(shè)置有冷卻氫進(jìn)入的接頭(59)以及冷卻氫輸出的接頭(58)和直 流電負(fù)極接電樁頭(510);
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述氫冶金冶煉裂解爐其特征是氫冶金冶煉裂解爐的氫冷環(huán)形油 缸電極升降裝置，是由結(jié)構(gòu)相同的上抱閘(613)和下抱閘(614)以及升降油缸(611)組成； 上下抱閘(613,614)的結(jié)構(gòu)擺動油馬達(dá)(62)安裝在抱閘體(61)上、擺動油馬達(dá)62的軸上 用滑鍵與螺桿63連接，螺桿端頭抵靠在用于抱緊空心電極7的閘瓦塊64上的軸上固聯(lián)有 一螺桿(63)，螺桿外端抵靠在用于抱緊空心電極(7)的閘瓦塊(64)上；升降油缸(611)的 內(nèi)環(huán)(65)為3層氫冷結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有冷卻氫循環(huán)通道，與下抱閘的抱閘體(61)固聯(lián)，并 與外環(huán)(610)等聯(lián)合組成環(huán)形油缸，油缸的環(huán)形話塞與環(huán)形活塞桿(69)及其密封件就裝在 其中，活塞桿伸出缸體與上抱閘(613)的抱閘體固聯(lián)；升降油缸(65)的內(nèi)環(huán)缸體上設(shè)有與 冷卻氫通道連通的冷卻氫進(jìn)氣、出氣接頭(66、67)，外環(huán)上設(shè)有液壓液進(jìn)出接頭(68,612)， 油缸的所有鋼制環(huán)形零件，均用非磁性不銹鋼制造，油缸用抗燃液壓液驅(qū)動。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述氫冶金冶煉裂解爐，其特征是所述氫冶金冶煉裂解爐的滑閥 式水口 (8)，是由陶瓷滑閥主體(76)、隔熱裝置(77)、抗燃液壓液驅(qū)動的液壓油缸(78)三 大部件串連構(gòu)成；陶瓷滑閥主體，又由閥芯(71)用氮化硼纖維纖維補強反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶 瓷制造，并用等離子噴涂氮化硼減摩層；內(nèi)滑閥套(72)也由氮化硼纖維補強反應(yīng)燒結(jié)氮化 硅陶瓷制造；閥芯與內(nèi)滑閥套之間為精密滑動配合，有柔性石墨密封圈(73)對爐氣進(jìn)行密 封；中間保溫層(74)是用低熱導(dǎo)率的碳化硅粒狀耐火纖維或氮氣吹制氧化鋁空心球與氮 化硅結(jié)合碳化硅粉制成的陶瓷澆注料制造，外安裝套(75)由氧化鋁纖維增強反應(yīng)燒結(jié)氮 化硅陶瓷材料制造，帶有安裝法蘭盤；閥套、保溫層、外安裝套組合后的中部開通有鐵水流 出的孔道，可以由閥芯進(jìn)行啟閉，芯桿體(71)伸入隔熱裝置(77)內(nèi)，與液壓油缸(78)的活 塞桿連接；所述具有氣體成分檢測置換裝置和獨立出鐵出渣功能的前爐(9)，該前爐是由爐體 (Sl)、爐蓋(83)、及夾在這兩者的結(jié)合面間的不銹鋼薄板夾柔性石墨密封墊(82)等構(gòu)成； 爐體外可以設(shè)置保溫感應(yīng)線圈(813)，爐體下部設(shè)有普通鐵口和或渣口 (812)，通過法蘭 (811)和連接板(810)等與主爐固定連接，通過滑閥式水口 (8)從主爐輸入鐵液和或渣液， 并根據(jù)需要隨時可加以關(guān)閉或開啟，還可在前爐與主爐之間另設(shè)一橫向高保溫液壓陶瓷滑閥，以便更換"高保溫液壓陶瓷滑閥式水口和/或渣口"的閥芯和閥套；爐蓋上設(shè)有氫氣含 量檢測傳感器(84)、壓力、溫度和遙控顯示控制儀表(89)，并設(shè)有氫氣輸出閥(85)，空氣放 散閥(86)，阻火器(87)，放散管(88);爐體下部設(shè)有氬氣輸入管(814)、截止閥、及透氣塞；
9. 一種用于上述氫冶金法的氫冶金預(yù)還原爐，其特征在于氫冶金預(yù)還原爐是一種電 補充加熱、高可靠密封密閉耐壓〉10Mpa、具有抗熔融氧化鐵粘結(jié)的內(nèi)襯，的一種氫冶金回 轉(zhuǎn)窯；該窯由窯頭(919)、窯身(920)、窯尾(921)和傳動系統(tǒng)(912)四大部分組成；窯頭、 窯身、窯尾的外殼(91、99)等均由抗氫脆的超低碳優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼或低碳奧氏體不銹鋼制造， 外殼內(nèi)表設(shè)有氮氣吹制的陶瓷空心球澆注料或可塑料制作的絕熱保溫層(92、910)等；窯 身(920)的絕熱保溫層(92)之內(nèi)，設(shè)有碳纖維做發(fā)熱體、并用反應(yīng)燒結(jié)氮化硅整體全面包 覆制成的電阻加熱筒形元件(94)，整個爐身筒形電加熱元件分三段構(gòu)成，相互連接，而又可 單獨加電，可分別進(jìn)行爐溫爐皮的溫度監(jiān)測和調(diào)控，最高加熱溫度1600°C ，使?fàn)t內(nèi)一旦出現(xiàn) 爐料結(jié)圈時可加以熔化排出；其伸出鋼殼的一段，其外徑與鋼殼相同，并加工出柔性密封環(huán) 的環(huán)槽，內(nèi)裝氮化硼陶瓷纖維或碳化硅陶瓷纖維密封環(huán)與柔性石墨密封環(huán)交替組成的柔性 密封環(huán)組(913)，并與窯頭防粘結(jié)內(nèi)襯(911)的環(huán)形部分形成精密轉(zhuǎn)動偶合副，從而構(gòu)成高 溫防氫漏密封裝置，碳纖維發(fā)熱體用耐高溫的經(jīng)絕緣處理的鎢、鉬作為導(dǎo)電體引伸出筒體， 與銅滑環(huán)(95、96)等相連接，銅滑環(huán)與鋼外殼絕緣，通過碳刷或用Ti3SiC2層狀陶瓷制造 的滑塊輸入電力；但當(dāng)采用粒度〈0. lmm的市場細(xì)磨精選鐵精粉礦制粒得到的粒徑為5 20mm的精選鐵精礦粒料，進(jìn)行700 120(TC低溫富氫快速還原時，也可不設(shè)上述電補充加 熱裝置，但高溫防氫漏密封裝置仍須保持不變；窯頭、窯身、窯尾的最里層爐襯均用氮化硅 結(jié)合碳化硅、或賽隆結(jié)合碳化硅耐火材料砌筑制成抗熔融氧化鐵粘結(jié)的防粘結(jié)內(nèi)襯(97、 911等)，其爐身中部和尾部設(shè)揚料筋(98)，窯身高溫部分形成縮口，收縮率0 25% ;窯 頭與窯身、窯尾與窯身的鋼殼，經(jīng)徑向和軸向耐高溫陶瓷軸承(915、916)相互支承定位，且 相互間還以圓柱面形成精密轉(zhuǎn)動配合，并以碳化硅陶瓷纖維密封環(huán)、柔性石墨密封環(huán)、聚四 氟乙烯密封環(huán)交替組成低溫組合密封(914)，并在內(nèi)外低溫密封環(huán)組之間設(shè)置管道和截止 閥(917)，用于輸入高于爐內(nèi)壓力的氬氣進(jìn)行氣壓密封，并設(shè)置監(jiān)測儀表；窯頭(919)、窯尾 (921)分別設(shè)有用作在1.5 5。范圍調(diào)整回轉(zhuǎn)窯工作傾角的支承軸(922、923)。窯頭設(shè)有 高溫氫輸入口和海綿鐵排出口 ，窯尾設(shè)有尾氣輸出口以及原料進(jìn)口 ，并安裝有螺旋輸送器 (918);氫冶金回轉(zhuǎn)窯采用8 12的較小的長徑比、轉(zhuǎn)速0. 5 5R/min無級可調(diào)。
10. —種用于氫冶金的高溫固體氧化物水蒸氣電解槽堆，其特征是首先用Y或Yb摻 雜的SrCe03或SrZr03的高溫質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)，或者，用Y203摻雜的Zr02高溫氧離子導(dǎo) 體固體電解質(zhì)為核心制造超大功率的大串管式電解單池；再根據(jù)制氫規(guī)模用多個電解單池 組成實用電解槽；最后用多個電解槽疊加組成一個特大功率的電解池堆，以滿足冶金和能 源系統(tǒng)的規(guī)?；?；質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解槽堆，能直接電解出無水純氫，可以簡化氫冶金 工藝系統(tǒng)構(gòu)成、節(jié)能、降低成本，推薦作為氫冶金優(yōu)選電解池堆；高溫氧離子導(dǎo)體固體電解 質(zhì)在燃料電池中應(yīng)用較多，材料成本較低，但電解產(chǎn)生的氫含有大量水蒸氣，必須冷卻分離 并重新加熱才能應(yīng)用于氫冶金預(yù)還原，推薦備選；所述質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解單池(圖11)的結(jié)構(gòu)為用氧化鋯增韌氧化鋁多孔陶瓷 漿料，或切短氧化鋁纖維或莫來石纖維增韌氧化鋁多孔陶瓷漿料，擠出成型，然后燒結(jié)制成 氣孔率^ 50%、內(nèi)徑為小30 IOO士O. 05mm、長度為1500 3000mm、壁厚為2 5mm， 一端封閉的大型多孔陶瓷支撐管(111)，支撐管外圍分段從內(nèi)到外依次用等熔射法、或電化學(xué)氣 相沉積法等制造段長為30 100mm，段間間隔為2 5mm，厚度為1 2mm的Ca或Sr摻雜 的LaMn03等多孔陶瓷陽極層(117)，厚度為0. 1 lmm的Y或Yb摻雜的SrCe03或SrZr03 等致密的質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)層(113)，厚度為1 2mm，Ni體積比35 60%的Ni-YSZ多 孔金屬陶瓷陰極層(114)、并用Ca， Sr， Co摻雜的LaCr03或YC03陶瓷作連接體(115)依次 將每一段的陽極層(117)與前一段的陰極層(114)連接起來，但不得與隨后一段的外陰極 層連通以防止短路，該電解質(zhì)層和連接體還必須用300瓦左右激光器進(jìn)行均勻致密的掃描 重熔燒結(jié)處理以提高其致密度，支撐管前開口端僅制作與陽極層連通的連接體層(112)，封 閉端僅制作與陰極層連通的連接體層(116);陰極層和陽極層的氣孔率均應(yīng)>50% ;所述高溫氧離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解單池的結(jié)構(gòu)基本相同，不同之點在于采用用 Y203、 Yb203、 Sc203、 Sm203等摻雜的Zr02氧離子導(dǎo)體作固體電解質(zhì)；或用Ca、 Sr、 Mg摻雜 的LaGa03作固體電解質(zhì)來制造其電解質(zhì)層；所述質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解槽(圖io)，是根據(jù)電解制氫的規(guī)模采用多支質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解單池以環(huán)形排列方式均勻裝配在電解單池并聯(lián)板兼陽極集電板(102)上， 相互間用陶瓷焊進(jìn)行焊接120a，該板邊緣設(shè)有陽極電源接入點(117)，用切短氧化鋁纖維 增韌氧化鋁陶瓷材料制造的蒸汽注汽管(103)插入電解單池內(nèi)腔、并固定在蒸汽注汽管并 聯(lián)板(104)上，相互間用陶瓷焊進(jìn)行焊接120a ;其外徑與電解單池內(nèi)徑形成0. 5 lmm的 環(huán)狀間隙，蒸汽注汽管并聯(lián)板與陽極集電板之間構(gòu)成陽極室(120)，該板邊緣設(shè)有尾氣輸出 口 ；電解槽體(107)、陽極集電板(102)、蒸汽注汽管并聯(lián)板(104)、以及電解槽底座(105) 經(jīng)螺栓裝配在一起，相互之間設(shè)有低碳不銹鋼薄板夾柔性石墨陶瓷纖維氈復(fù)合材料的密封 件；電解槽底座(105)上開有高溫水蒸汽輸入口，與蒸汽注汽管并聯(lián)板(104)形成蒸汽分 配室，電解槽體(107)開有氫氣輸出口、以及陰極去極化氣輸入口，去極化氣為氬或氫，與 電解單池并聯(lián)板兼陽極集電板(102)形成陰極室。電解槽底座與電解槽體均為抗氫脆的超 低碳優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼或低碳奧氏體不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)表涂有一層5 20mm厚的切短氧化鋁纖維 增韌氧化鋁陶瓷絕緣保溫層；由鎳金屬陶瓷制成的陰極集電板(100)邊緣設(shè)有陰極接線點 110a，其內(nèi)表面鋪有一層與其表面積大小相當(dāng)?shù)逆嚉?109)，使陰極集電板通過鎳氈與各電 解單池陰極末端形成可靠柔性導(dǎo)電連接；所述高溫氧離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解槽(圖13)，其結(jié)構(gòu)與上述質(zhì)子導(dǎo)體固體電解質(zhì) 電解槽基本相同，不同之點在于用高溫氧離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)電解單池取代所有質(zhì)子導(dǎo) 體固體電解質(zhì)電解單池；電解槽體上的陰極去極化氣輸入口改作高溫蒸汽輸入口 ，氫輸出 口變成氫、蒸氣混合輸出口 ，蒸汽注汽管并聯(lián)板上的尾氣輸出口變成濕氧輸出口 ，電解槽底 座上的高溫蒸氣輸入口改作陽極去極化氣輸入口 ，去極化氣為氬。
全文摘要
一種氫冶金法及相關(guān)設(shè)備，涉及氫冶金兼氫能源技術(shù)領(lǐng)域。用預(yù)還原爐對鐵精礦粒料在富氫、高溫、高壓條件下快速預(yù)還原，生產(chǎn)還原度≥75％的海綿鐵，以保溫密閉方式輸送給裂解爐；裂解爐將@類燃?xì)饨?jīng)直流等離子電弧，在高溫缺氧條件下裂解為高溫氫和納米@@，大部分高溫氫輸出至預(yù)還原爐，海綿鐵經(jīng)快速熔融還原治煉出鐵水或半鋼；同時利用預(yù)還原爐的尾氣余熱、生產(chǎn)高溫蒸汽、再經(jīng)水蒸氣電解槽電解制得高溫純氫，高溫純氫經(jīng)換熱分離其中水份后，再回饋給預(yù)還原爐，其中部分作為氫能源直接輸出。充分體現(xiàn)了氫冶金的高效、節(jié)能、最好的產(chǎn)品質(zhì)量、最佳的減排效果。
文檔編號C01B3/24GK101768651SQ200810046129
公開日2010年7月7日 申請日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月23日
發(fā)明者樊顯理 申請人:樊顯理