СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И/ИЛИ ДРУГИХ ГАЗОВ ИЗ ОТХОДОВ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ОТРАБОТАННОЙ ТЕПЛОТЫ Российский патент 2010 года по МПК C01B3/02 C10J3/12 

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 (Н₂О) 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.

Изобретения относятся к области химии и металлургии и могут быть использованы при получении водорода и/или монооксида углерода. Расплавленные отходы из сталелитейного предприятия, такие как расплавленный шлак, подают в реактор, контактируют с водой и/или паром в присутствии восстанавливающего агента. Полученный водород и другие газы, например монооксид углерода, извлекают из потока. 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. Изобретения позволяют использовать теплоту отходов сталелитейного производства в процессе разложения воды и/или пара. 2 н и 15 з.п., 1 ил.

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.