способ получения водорода и/или других газов из отходов сталеплавильного производства и отработанной теплоты

Формула изобретения

1. Способ получения в основном водорода и других газов, например монооксида углерода, из отходов сталелитейного производства и отработанной теплоты, включающий стадии:

подачи расплавленных отходов из сталелитейного предприятия, таких как расплавленный шлак, в реактор;

контактирования расплавленного шлака с водой и/или паром в присутствии восстанавливающего агента с образованием потока водорода и других газов, например монооксида углерода; и

извлечения водорода и других газов, например монооксида углерода, из названного потока, в котором названный расплавленный шлак представляет собой один из, или смесь таковых, шлака от десульфуризации при производстве стали, конвертерного шлака при производстве стали, шлака от феррохромного или ферромарганцевого производства в электродуговой печи под флюсом (SAF).

2. Способ по п.1, в котором названная стадия контактирования включает распыление воды в названный расплавленный шлак с использованием водопроводной трубы с распылительной форсункой.

3. Способ по п.2, в котором температура названного расплавленного шлака во время названной стадии распыления воды составляет больше, чем 1250°С.

4. Способ по п.1, в котором названная стадия контактирования включает введение пара в названный расплавленный шлак с использованием фурмы.

5. Способ по пп.1-4, в котором названная стадия контактирования включает введение названного восстанавливающего средства вместе с вводимой названной водой и/или паром в названный расплавленный шлак.

6. Способ получения потока водорода и/или монооксида углерода, и других газов, включающий стадии:

подачи расплавленных отходов из сталелитейного предприятия, таких как расплавленный шлак, в реактор;

контактирования расплавленного шлака с водой и/или паром в присутствии углеродсодержащего материала с образованием потока водорода и других газов; и

выведения названного потока газов из названного реактора, в котором названный расплавленный шлак представляет собой один из, или смесь таковых, шлака от десульфуризации при производстве стали, конвертерного шлака при производстве стали, шлака от феррохромного или ферромарганцевого производства в электродуговой печи под флюсом (SAF).

7. Способ по п.6, в котором названная стадия контактирования включает распыление воды в названный расплавленный шлак с использованием распылительной форсунки.

8. Способ по п.7, в котором температура названного расплавленного шлака во время названной стадии введения воды составляет больше, чем 1250°С.

9. Способ по п.6, в котором названная стадия контактирования включает введение пара в названный расплавленный шлак с использованием фурмы.

10. Способ по п.6, в котором названная стадия контактирования включает введение названного углеродсодержащего материала вместе с вводимой названной водой и/или паром в названный расплавленный шлак.

11. Способ по п.6, в котором названный углеродсодержащий материал включает материал, выбранный из группы, состоящей из угля, кокса, отходов сталелитейного производства, городских отходов и отходов шахтной угледобычи.

12. Способ по п.6, в котором отношение воды к углеродсодержащему материалу составляет от 1:0,1 до 1:1.

13. Способ по п.6, в котором флюс добавляется к названному расплавленному шлаку и названному углеродсодержащему материалу для способствования образованию водорода.

14. Способ по п.6, в котором объемное соотношение производимых водорода и монооксида углерода варьируют от 1:0,2 до 1:1.

15. Способ по п.6, в котором названный поток газа, выводимый из названного реактора, включает по меньшей мере 10 об.% водорода.

16. Способ по п.6, в котором названный поток газа, производимый в реакторе, включает не больше, чем 15 об.% диоксида углерода.

17. Способ по п.6, в котором названный поток газа включает водород /монооксид углерода в соотношении от 1:1 до около 8:1.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение касается способа получения водорода и/или других газов из отходов сталеплавильного производства и отработанной теплоты. Получаемый поток газа может также включать водород, монооксид углерода и прочие газы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

С ростом применения и истощением невозобновляемых ресурсов энергии, таких как нефть, природный газ и уголь, водород во все возрастающем масштабе рассматривается как имеющееся в изобилии альтернативное топливо. Существуют довольно много процессов выделения и накопления газообразного водорода. Среди них наиболее популярными являются электролиз и применение высоких температур в ядерных реакторах или предприятиях по переработке нефти для разложения воды (Н ₂О) на водород и кислород. Эти процессы являются дорогостоящими, так как они включают использование электрической энергии или других химических веществ, таких как серная кислота, иодистый водород, металлический цинк и оксид цинка, которые требуют регенерации в замкнутом цикле и транспортировки. Это делает производство водорода дорогостоящим процессом.

Возникающие в сталелитейном производстве отходы, такие как расплавленный шлак из кислородных конвертеров, называемый ЛД-шлак, с температурами от около 1600°С до 1700°С, выбрасываются в карьеры для удаления и последующей переработки. В настоящем изобретении теплота этого материала отходов может быть использована для производства газового потока, включающего газообразный водород или водород и монооксид углерода.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Поэтому главной задачей изобретения является применение теплоты отходов сталелитейного производства, таких как расплавленные шлаки, для производства водорода путем разложения воды и/или пара или смеси их обоих в присутствии восстанавливающего агента.

Еще одной задачей настоящего изобретения является применение теплоты отходов сталелитейного производства для получения водорода, монооксида углерода и/или других газов путем разложения воды или пара или смеси их обоих в присутствии углеродсодержащего материала.

Вода разлагается на водород и кислород при температуре 1800°К, то есть при 1527°С. В настоящем изобретении вода и/или пар могут быть разложены на водород и кислород с использованием теплоты, наличествующей в отходах сталелитейного производства, таких как расплавленные шлаки.

Материал отходов в виде расплавленного шлака может включать шлак от таких процессов производства стали, как обессеривание, конвертерный процесс, плавка в электродуговой печи (EAF), доменный шлак, шлаки феррохромного и ферромарганцевого производства в электродуговой печи под флюсом (SAF), или смеси этих шлаков.

Вода и/или пар контактирует с расплавленным шлаком в присутствии восстанавливающих средств в реакторе, например, таких как углеродсодержащий материал.

Присутствие оксида железа FeO и/или других восстанавливающих средств, таких как углерод в форме угля, кокса или огнеупорных блоков, стимулирует процесс генерирования водорода. При рабочей температуре (выше 1500°С) все еще остается возможность соединения водорода с кислородом и образования воды. Однако оксид железа FeO, присутствующий в шлаке, реагирует с кислородом с образованием оксидов более высокой валентности, таких как Fe₂O₃ и Fe₃O₄ .

Термодинамическая активность кислорода в непосредственной близости к шлаку понижена, тем самым уменьшая вероятность соединения водорода и кислорода.

Присутствие сильных раскислителей, таких как углерод (в форме угля, кокса или графитовых блоков) стимулирует кинетику удаления кислорода, еще более повышая эффективность процесса генерирования водорода. Материалы отходов в качестве восстанавливающих агентов, таких как углеродсодержащие материалы, в изобилии доступны на сталелитейных предприятиях для использования в этом процессе, чтобы способствовать генерированию водорода путем контактирования воды и/или пара с расплавленным шлаком в присутствии восстанавливающего агента в реакторе.

Таким образом, настоящее изобретение представляет способ получения водорода и/или других газов из отходов сталелитейного производства и отработанной теплоты, включающий стадии подачи расплавленных отходов из сталелитейного предприятия, таких как расплавленный шлак, в реактор; контактирования расплавленного шлака с водой и/или паром в присутствии восстанавливающего агента с образованием потока водорода и/или других газов; и выделения водорода и/или других газов из названного потока.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СОПРОВОДИТЕЛЬНОГО ЧЕРТЕЖА

Изобретение теперь может быть описано подробно с помощью чертежа, который показывает схематическую установку для получения потока газов с использованием отходов сталелитейного производства и их отработанной теплоты в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вода и/или пар набрызгивается на ЛД-шлак или другие отходы сталелитейноого производства с температурой выше 1600°С. Отходы находятся либо в неподвижном состоянии, например, в статическом реакторе или ковше или тигле 1 или на грунте, или в движении (например, в процессе выливания или в движении жидкости вниз по склону или на конвейере). Вода, распыляемая через водопроводную трубу 3, немедленно разлагается, когда приходит в контакт с горячим шлаком. Выделяющийся газ выводится через вытяжной колпак 2, размещенный над рабочей зоной, и собирается с использованием газоотводной трубы 4.

Предпочтительная температура расплавленного шлака в реакторе составляет больше, чем около 1250°С, когда вода распыляется в расплавленный шлак.

Кислород, образуемый при разложении воды, реагирует с присутствующим углеродом, образуя монооксид углерода. Газовый поток, включающий водород и монооксид углерода, затем может быть отобран из реактора.

В настоящем изобретении производство газового потока включает водород и монооксид углерода в объемном соотношении от 1:0,2 до 1:1.

Газовый поток, образуемый в реакторе, включает по меньшей мере 10 об.% газообразного водорода и не больше, чем около 15 об.% диоксида углерода.

В еще одном варианте осуществления выводимый газовый поток может включать водород и монооксид углерода в соотношении от 1:1 до около 8:1.

Присутствующая вода может быть извлечена из газового потока для повторного использования.

Вода контактирует с расплавленным шлаком в реакторе при набрызгивании воды с использованием распылительной форсунки. Пар также может быть введен в расплавленный шлак в реакторе с использованием фурмы.

Восстанавливающее средство или углеродсодержащий материал может быть введен в расплавленный шлак в реакторе вместе с водой и/или паром.

Углеродсодержащий материал, вводимый в расплавленный шлак, может включать материал, избираемый из группы, состоящей из угля, кокса, отходов сталелитейного производства, городских отходов и отходов шахтной угледобычи. Отношение воды к вводимому углеродсодержащему материалу может составлять от около 1:0,1 до 1:1.

Для содействия образованию водорода может быть добавлен флюс к расплавленному шлаку и углеродсодержащему материалу.

Из потока водорода и/или других газов, производимых способом согласно настоящему изобретению, могут быть выделены водород и монооксид углерода.

Использование отходов сталелитейного производства и их отработанной теплоты является экономически выгодным способом генерирования водорода или водорода и монооксида углерода. Производимые ежегодно 90 миллионов тонн ЛД-шлака могут быть главным источником для снабжения газообразным водородом по всему миру.