專利名稱：一種以太陽能為能源以鐵礦石或鐵精粉為原料的制鋼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋼鐵冶金領(lǐng)域，特別涉及一種以太陽能為能源、以鐵礦石或鐵精粉為原 料的制鋼方法。
技術(shù)背景我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展取得了良好的成績，能耗和排放等仍是急待解決的問題。傳統(tǒng)鋼 鐵工業(yè)的生產(chǎn)模式，與環(huán)境協(xié)調(diào)性差，有限的自然資源難于維持傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)長期穩(wěn)定 的發(fā)展；鋼鐵生產(chǎn)伴隨著沉重的環(huán)境負荷，現(xiàn)行的鋼鐵生產(chǎn)消耗大量的自然資源和能源， 伴隨著沉重環(huán)境負荷，控制鋼鐵工業(yè)中碳消耗量，減少C02的排放量是鋼鐵工業(yè)可持續(xù) 發(fā)展的必由之路，解決途徑可從開源與節(jié)流兩方面著手，積極發(fā)展新能源的利用是開源 的一個重要研究方向?，F(xiàn)行的鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)是一種涉碳技術(shù)，就能源介質(zhì)而言，煉鋼生產(chǎn)的"涉碳"的歷 史，甚至可以追溯到三千年以前的冶鐵技術(shù)的萌芽時期。煉鋼生產(chǎn)將若干萬年前光合作 用固化的碳素以C02的形式重新釋放于大氣中。這是一種快速釋碳的過程，對億萬年形 成的碳循環(huán)造成沖擊。在鋼鐵工業(yè)中，碳是主要的還原介質(zhì)和能源載體，用于氧化物的還原和提供熱能兩 個方面前者主要是化學(xué)消耗，后者主要是物理熱的轉(zhuǎn)化，而所消耗的碳元素，最終大 部分都以C02的形式排放出來。按現(xiàn)行的火法工藝，過程的物理能耗理論上的極限值是 1600。C鋼的熱焓值，約取為1.3GJ/t或45kgce/t。考慮鐵的氧化物還原，若全部為FeO 的直接還原反應(yīng)，每還原l噸鐵元素，還原需消耗214kg碳素；考慮到反應(yīng)吸熱，過剩 系數(shù)和能量的回收，每冶煉一噸粗鋼消耗碳素約600 700kg，生成C02約為1800 2000kg。太陽能是當前地球上最豐富的能源。一年內(nèi)到達地球表面的太陽能總量折合標準煤 共約1.892><1013千億噸，是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍。我國屬于太陽能資源 豐富的國家之一。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是當前最清潔的能源技術(shù)。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是利用光電材 料的光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)，將太陽光線的輻射能量直接轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。這個轉(zhuǎn)換過程是以 電子為介質(zhì)的物理過程不涉及化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)換過程涉及的時空尺度非常小。利用光伏效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，用以滿足生產(chǎn)所需要的能量需求，這對碳 循環(huán)造成的影響微乎其微。太陽能光伏煉鋼概念的技術(shù)難點在于太陽能光伏發(fā)電與制鋼的能量的合理匹配，即 清潔能源利用與制鋼兩個技術(shù)的融合。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于實現(xiàn)光伏煉鋼概念，在鋼鐵生產(chǎn)過程中直接使用清潔能源，即以鐵 礦石或鐵精粉為原料，通過太陽能光伏發(fā)電，利用電能加熱并轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，將鐵的鹽 類熔融并作為電解質(zhì)進行電解，以提取和提純鐵，然后加熱熔化得到粗鋼的冶金過程。此外，太陽能光伏煉鋼概念與傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)過程部分使用清潔能源有著本質(zhì)的區(qū) 別，熔鹽電解過程中所需要的能量全部來自于由太陽輻射能經(jīng)光電轉(zhuǎn)換技術(shù)所直接轉(zhuǎn)化 的電能，過程中不涉及化學(xué)反應(yīng)和排放；而且電能的產(chǎn)生，輸送不與現(xiàn)有的電力電網(wǎng)相 連接，其目的是使制鋼過程不涉及化石能源和碳的消耗，追求C02的排放最低。本發(fā)明是一種以太陽能為能源以鐵礦石或鐵精粉為原料的制鋼方法，包括光伏發(fā)電 系統(tǒng)和熔鹽電解裝置，光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、太陽能控制器、蓄能器組成，熔鹽 電解裝置由計算機、直流穩(wěn)壓器、控溫儀、導(dǎo)管、保護氣體瓶、熔鹽電解槽、尾氣處理 裝置構(gòu)成。整個制鋼系統(tǒng)由光伏電池板l，導(dǎo)線2、 4、 6、 8、 9、 10、 11、 14，控制器3，計算 機5，直流穩(wěn)壓器7，控溫儀13，蓄能器15，導(dǎo)管12、 13，保護氣體瓶17，熔鹽電解 槽18，尾氣處理19構(gòu)成。導(dǎo)線2連接光伏電池板1和控制器3、導(dǎo)線4連接控制器3和計算機5，導(dǎo)線6連 接計算機5與直流穩(wěn)壓器7，導(dǎo)線8連接控制器3和直流穩(wěn)壓器7，導(dǎo)線9連接直流穩(wěn) 壓器7和熔鹽電解槽18陽極，導(dǎo)線10連接直流穩(wěn)壓器7和熔鹽電解槽18陰極，導(dǎo)線 11連接控溫儀13和熔鹽電解槽18,導(dǎo)線14連接控制器3和蓄能器15，導(dǎo)管12連接保 護氣體瓶17和熔鹽電解槽18,導(dǎo)管16連接熔鹽電解槽18和尾氣處理19。光伏發(fā)電系統(tǒng)與熔鹽電解的說明如下
1、 光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、太陽能控制器、蓄能器組成。各部分的作用為(1) 光伏電池板光伏電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄能器中存儲起來，或推動負載工作。光伏電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本；(2) 太陽能控制器太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄能 器起到過充電保護、過放電保護的作用。當光伏發(fā)電系統(tǒng)工作環(huán)境溫差較大時，可以進 行溫度補償。(3) 蓄能器作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。
2、 烙鹽電解裝置電解裝置用直流穩(wěn)壓電源控制電解電壓，用計算機記錄電解過程中電流的變化，用
輸送電解電能的陰極和陽極和熔鹽電解槽來進行電解。原料為Fe203粉末，在添加一定比例的粘結(jié)劑后，在一定壓力下壓制成片(直徑約 15mm，厚2 3mm)。 Fe203片懸掛在電極引線上作為陰極，石墨棒為陽極,在高純Ar氣體 的保護，合適的槽電壓和溫度下在熔鹽電解槽中進行電解。尾氣用濃硫酸吸收。電解后， 將陰極片冷卻至室溫后取出，用蒸餾水沖洗，低溫烘干。3、電解機理(1) Fe203壓片的晶粒間存在一定的間距，在熔鹽中進行電解時，熔鹽滲入晶粒間 的空隙，增加了陰極片的導(dǎo)電性。(2) 陰極上進行的反應(yīng)為Fe203+2e—Fe+O2—(3) 陽極上進行的反應(yīng)為O2—-2e—1/202T(4) 總反應(yīng)Fe203 (固態(tài)，陰極)—Fe (陰極)+l/202 (陽極)(5) Fe203的電還原反應(yīng)自壓片外向內(nèi)進行直至全部變?yōu)榻饘貴e。(6) 熔體是一種鐵化合物的鹽。(7) 為了防止在陰極上發(fā)生置換反應(yīng)，要求電解質(zhì)必須純凈。 電極電勢較Fe為正的雜質(zhì)將不溶解，而電極電勢較Fe為負的雜質(zhì)，雖溶解于熔鹽內(nèi)，但不能在陰極析出，從而起到提純的作用。電解的過程中，陽極產(chǎn)生氧氣，無其他 有毒有害氣體產(chǎn)生。整個制鋼系統(tǒng)，通過調(diào)整太陽能光伏電池容量大小滿足不同容量熔鹽電解槽所需要 的能量。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通過控制器直接與熔鹽電解槽相聯(lián)。 本發(fā)明的主要要點如下(1) 以太陽能為能源，以鐵礦石或鐵精粉為原料的制鋼方法。(2) 整個制鋼過程需要的能量全部來自于由太陽輻射能經(jīng)光電轉(zhuǎn)換技術(shù)所直接轉(zhuǎn) 化的電能。(3) 技術(shù)難點在于清潔能源利用與制鋼兩個技術(shù)的融合。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)流程圖具體實施方式
制鋼系統(tǒng)由由光伏電池板l，導(dǎo)線2、 4、 6、 8、 9、 10、 11、 14，控制器3，計算機 5，直流穩(wěn)壓器7，控溫儀13，蓄能器15,導(dǎo)管12、 13，保護氣體瓶17，熔鹽電解槽(18)， 尾氣處理19構(gòu)成。導(dǎo)線2連接光伏電池板1和控制器3、導(dǎo)線4連接控制器3和計算機5，導(dǎo)線6連 接計算機5與直流穩(wěn)壓器7，導(dǎo)線8連接控制器3和直流穩(wěn)壓器7，導(dǎo)線9連接直流穩(wěn) 壓器7和熔鹽電解槽18陽極，導(dǎo)線10連接直流穩(wěn)壓器7和熔鹽電解槽18陰極，導(dǎo)線 11連接控溫儀13和熔鹽電解槽18，導(dǎo)線14連接控制器3和蓄能器15，導(dǎo)管12連接保
護氣體瓶17和熔鹽電解槽18，導(dǎo)管16連接熔鹽電解槽18和尾氣處理19。電解裝置用直流穩(wěn)壓電源控制電解電壓，用計算機記錄電解過程中電流的變化，用輸送電解電能的陰極和陽極和熔鹽電解槽來進行電解。原料為Fe203粉末，在添加一定比例的粘結(jié)劑后，在一定壓力下壓制成片(直徑約15mm，厚2 3mm)。 Fe203片懸掛在電極引線上作為陰極，石墨棒為陽極，在高純Ar氣體的保護，合適的槽電壓和溫度下在熔鹽電解槽中進行電解。電解后，將陰極片冷卻至室溫后取出，用蒸餾水沖洗，低溫烘干。 尾氣用濃硫酸吸收。
權(quán)利要求
1、一種以太陽能為能源以鐵礦石或鐵精粉為原料的制鋼方法，包括光伏發(fā)電系統(tǒng)和熔鹽電解裝置，其特征在于光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、太陽能控制器、蓄能器組成，熔鹽電解裝置由計算機、直流穩(wěn)壓器、控溫儀、導(dǎo)管、保護氣體瓶、熔鹽電解槽、尾氣處理裝置構(gòu)成；整個制鋼系統(tǒng)由光伏電池板(1)，導(dǎo)線(2)、(4)、(6)、(8)、(9)、(10)、(11)、(14)，控制器(3)，計算機(5)，直流穩(wěn)壓器(7)，控溫儀(13)，蓄能器(15)，導(dǎo)管(12)、(13)，保護氣體瓶(17)，熔鹽電解槽(18)，尾氣處理(19)構(gòu)成；導(dǎo)線(2)連接光伏電池板(1)和控制器(3)、導(dǎo)線(4)連接控制器(3)和計算機(5)，導(dǎo)線(6)連接計算機(5)與直流穩(wěn)壓器(7)，導(dǎo)線(8)連接控制器(3)和直流穩(wěn)壓器(7)，導(dǎo)線(9)連接直流穩(wěn)壓器(7)和熔鹽電解槽(18)陽極，導(dǎo)線(10)連接直流穩(wěn)壓器(7)和熔鹽電解槽(18)陰極，導(dǎo)線(11)連接控溫儀(13)和熔鹽電解槽(18)，導(dǎo)線(14)連接控制器(3)和蓄能器(15)，導(dǎo)管(12)連接保護氣體瓶(17)和熔鹽電解槽(18)，導(dǎo)管(16)連接熔鹽電解槽(18)和尾氣處理(19)；電解裝置用直流穩(wěn)壓電源控制電解電壓，用計算機記錄電解過程中電流的變化，用輸送電解電能的陰極和陽極和熔鹽電解槽來進行電解；原料為Fe2O3粉末，在添加粘結(jié)劑后，壓制成Fe2O3片，F(xiàn)e2O3片懸掛在電極引線上作為陰極，石墨棒為陽極，在高純Ar氣體的保護下，在熔鹽電解槽中進行電解，尾氣用濃硫酸吸收，電解后，將陰極片冷卻至室溫后取出，用蒸餾水沖洗，低溫烘干；整個過程是利用電能加熱并轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，將鐵的鹽類熔融并作為電解質(zhì)進行電解，以提取和提純鐵，然后加熱熔化得到粗鋼的冶金過程。
全文摘要
一種以太陽能為能源，以鐵礦石或鐵精粉為原料的制鋼方法，屬于鋼鐵冶金領(lǐng)域，特別涉及一種利用太陽能發(fā)電，通過蓄能滿足電爐煉鋼的裝置。其基本方案是由光伏電池板(1)，導(dǎo)線(2)、(4)、(6)、(8)、(9)、(10)、(11)、(14)，控制器(3)，計算機(5)，直流穩(wěn)壓器(7)，控溫儀(13)，蓄能器(15)，導(dǎo)管(12)、(13)，保護氣體瓶(17)，熔鹽電解槽(18)，尾氣處理(19)構(gòu)成。由光伏電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，然后通過控制器和直流穩(wěn)壓器將電能供給給電解槽，不同容量的光伏電池板可滿足不同容量熔鹽電解槽的能量需求。采用最充足最清潔的能源介質(zhì)進行制鋼，減少了全球?qū)ΦV物資源開采進行發(fā)電，減少了CO₂排放。
文檔編號C25C3/34GK101165218SQ20071012026
公開日2008年4月23日 申請日期2007年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月14日
發(fā)明者劉潤藻, 吳華峰, 宋建新, 榮 朱, 李士琦, 王玉剛, 衛(wèi) 胡 申請人:北京科技大學(xué)