本發(fā)明屬于冶金領域，尤其涉及一種氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置及方法。

背景技術：

1、在“雙碳”目標的推動下，我國可再生能源產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展，截至2023年6月可再生能源裝機已突破13億千瓦，為解決可再生能源進一步增長帶來的消納瓶頸以及高耗能行業(yè)低碳發(fā)展問題，提升高耗能行業(yè)的可再生能源使用比例成為必然趨勢。我國粗鋼產(chǎn)量連續(xù)超過10億噸，鋼鐵冶金行業(yè)碳排放量占全國碳排放總量的15％左右，其低碳綠色化轉型是當前最為緊迫的任務。隨著可再生能源制氫技術的不斷成熟和成本進一步降低，“以氫代碳”成為實現(xiàn)鋼鐵冶金工業(yè)低碳轉型的重要途徑。氫冶金作為支撐可再生能源與鋼鐵行業(yè)協(xié)同發(fā)展的重要技術，選擇適合的氫冶金工藝路線，匹配我國的資源和能源供應條件，是目前業(yè)界關注的重要問題。

2、然而，由于地域的特點，發(fā)展的不平衡，能源結構、消費結構的錯位，綠能過剩的區(qū)域普遍采用電池充放的形式、壓縮空氣、抽水蓄能等方式來進行儲能替換使用，偏遠的地區(qū)大多采用制氫的方式，或轉化為氨來進行能量傳遞使用。但綠能來源于風光綠電，光伏風能存在很大不確定性，若采用制氫、固態(tài)電池儲電，均需要很大的投資。另外氫氣的分子量僅有2，是自然界最輕的氣體，標準密度(0℃，101.325kpa)是0.0899kg/m3，相對密度(空氣，0℃，101.325kp)0.07。因此極易泄漏，泄漏后的氫氣會聚集在空間頂部。給儲、運等環(huán)節(jié)均帶來很多不確定性，和較大的投資。因此，開發(fā)一種新型、穩(wěn)定、安全的儲能方式具有重要意義。

3、公開于該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域一般技術人員所公知的現(xiàn)有技術。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術中可再生能源消納不及時、儲能困難的技術問題，提供一種一種氫基豎爐直接還原鐵儲能方法和裝置。

2、本發(fā)明第一方面提供一種氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置，包括供氫裝置，所述供氫裝置出口與電弧等離子體加熱器入口連通，所述等離子體加熱器出口與豎爐底部進氣口連通，所述豎爐頂部爐頂氣出口經(jīng)過爐頂氣處理裝置后循環(huán)至所述電弧等離子體加熱器入口；

3、氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置不包括脫碳裝置。

4、在一些實施方式中，所述爐頂氣處理裝置包括依次布置的換熱裝置和脫水除塵裝置。

5、在一些實施方式中，所述供氫裝置包括制氫裝置，所述制氫裝置氫氣出口通向儲氫艙室，所述儲氫艙室出口與所述等離子體加熱器入口連通。

6、在一些實施方式中，所述儲氫艙室出口設有壓力計和流量計。

7、在一些實施方式中，所述制氫裝置的電源為綠電。

8、在一些實施方式中，所述等離子體加熱器的電源為綠電。

9、本發(fā)明第二方面提供一種氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置的儲能方法，包括：

10、電解制氫制得的氫氣通過電弧等離子體加熱器加熱至850～1050℃作為還原氣，鼓入豎爐，經(jīng)還原反應將鐵氧化物還原為金屬鐵；

11、爐頂氣經(jīng)過換熱、脫水梳理后再次經(jīng)過電弧等離子體加熱器加熱至850℃～1050℃，參與后續(xù)還原反應。

12、在一些實施方式中，所述還原反應的時間≥4h。

13、在一些實施方式中，所述還原氣鼓入豎爐的流量為每噸氧化球團消耗為600m3，優(yōu)選的，鼓入氣量考慮循環(huán)量在每噸氧化球團消耗為800m3，壓力為主要預計工藝設計要求，一般在1-10mpa。

14、在一些實施方式中，爐頂氣無需進行凈化、脫碳處理即可循環(huán)利用。

15、相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明達到的技術效果如下：

16、(1)本申請中制氫、電弧等離子體加熱均使用綠電來實現(xiàn)，將綠能源的消納與高耗能行業(yè)低碳發(fā)展問題有機的結合在一起，綠色能源氫基豎爐直接還原工藝與傳統(tǒng)采用天然氣或焦爐煤氣的工藝相比具有很多不同。首先綠色能源電解制氫后，氫氣作為還原劑替代原來的合成氣，其加熱方式不是采用管式加熱爐或燃燒天然氣的重整加熱爐，而是采用效能更高、提溫快的電弧等離子體加熱器來加熱；第二爐頂氣凈化處理方式簡化，傳統(tǒng)直接還原需要將爐頂氣內的co2脫除，而純氫直接還原產(chǎn)物是水，因而不需要脫碳，直接采用熱交換方式將高溫450～490℃的爐頂氣內的富余熱能替換出來，冷凝除水、除塵，留下沒有反應掉的氫氣(進氣量的1/3)又重新回到原工藝氣管網(wǎng)進行循環(huán)使用，兩個重要工序過程能源能力均采用綠色能源，能源能力也配置綠能，因此整個過程沒有碳排放，冷凝產(chǎn)出的水可以進一步純化利用。豎爐底部熱態(tài)的dri直接還原鐵成品的出料錐段冷卻也是將工藝氣—氫氣鼓入，進行預熱，從而進一步減少能量消耗。

17、(2)由于豎爐直接還原工藝允許在設計產(chǎn)能的20～120％之間運行，綠電的波能被工藝所承載，彌補綠電不穩(wěn)定的缺陷，每噸直接還原鐵的綜合電能消耗4500度電，一個年產(chǎn)能10萬噸規(guī)生產(chǎn)線，年可以消納綠電4.5億度電，并且產(chǎn)品直接還原鐵的體密是金屬鐵的1/3，能量密度大，相對于輸送氫氣、或氨來說密度大，體積小，便于運輸，若做成hbi(熱壓塊)，其體密可以達到4.5～5.2g/cm3，具有更高的密度，也就意味著有更高的能量密度。

18、(3)氫冶金整改還原工程是吸熱的，氫氣既是工作的還原介質，被加熱后的氫氣也是熱能輸送的載體。相對于傳統(tǒng)的氣基直接還原鐵冶金工藝，氫還原的速率更快，由于反應產(chǎn)物有水，在保證一次還原效率的同時，還能夠實現(xiàn)爐頂氣的循環(huán)處理及余熱的回收利用。

19、(4)本發(fā)明采用電弧等離子體加熱器體積小(不及傳統(tǒng)加熱爐的1/10)，占地小，爐體更換、安裝調試便捷。

20、(5)本申請不僅消納了區(qū)域綠能，且實現(xiàn)鋼鐵二氧化碳co2減排，節(jié)約大量儲能投資，為源荷聯(lián)動，綠能聯(lián)儲具有很現(xiàn)實的意義。

技術特征：

1.一種氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置，其特征在于，包括供氫裝置，所述供氫裝置出口與電弧等離子體加熱器入口連通，所述電弧等離子體加熱器出口與豎爐底部進氣口連通，所述豎爐頂部爐頂氣出口經(jīng)過爐頂氣處理裝置后循環(huán)至所述電弧等離子體加熱器入口；

2.根據(jù)權利要求1所述的氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置，其特征在于，所述爐頂氣處理裝置包括依次布置的換熱裝置和脫水除塵裝置。

3.根據(jù)權利要求1所述的氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置，其特征在于，所述供氫裝置包括制氫裝置，所述制氫裝置氫氣出口通向儲氫艙室，所述儲氫艙室出口與所述等離子體加熱器入口連通。

4.根據(jù)權利要求3所述的氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置，其特征在于，所述儲氫艙室出口設有壓力計和流量計。

5.根據(jù)權利要求1所述的氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置，其特征在于，所述制氫裝置的電源為綠電。

6.根據(jù)權利要求1所述的氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置，其特征在于，所述等離子體加熱器的電源為綠電。

7.一種基于權利要求1-6任一項所述氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置的儲能方法，其特征在于，包括：

8.根據(jù)權利要求7所述的儲能方法，其特征在于，所述還原反應的時間≥4h。

9.根據(jù)權利要求7所述的儲能方法，其特征在于，所述還原氣鼓入豎爐的流量為每噸氧化球團消耗為600m3，壓力為1-10mpa；

10.根據(jù)權利要求7所述的儲能方法，其特征在于，爐頂氣無需進行凈化、脫碳處理即可循環(huán)利用。

技術總結
本發(fā)明提供一種氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置及方法，屬于冶金領域。氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置包括供氫裝置，所述供氫裝置出口與電弧等離子體加熱器入口連通，所述電弧等離子體加熱器出口與豎爐底部進氣口連通，所述豎爐頂部爐頂氣出口經(jīng)過爐頂氣處理裝置后循環(huán)至所述電弧等離子體加熱器入口；氫基豎爐直接還原鐵儲能裝置不包括脫碳裝置。本申請采用綠色能源電解制氫后，氫氣作為還原劑替代原來的合成氣，其加熱方式不是采用管式加熱爐或燃燒天然氣的重整加熱爐，而是采用電弧等離子體加熱器來加熱，效能更高、提溫更快快；且爐頂氣凈化處理方式簡化，傳統(tǒng)直接還原需要將爐頂氣內的CO<subgt;2</subgt;脫除，而純氫直接還原產(chǎn)物是水，無需脫碳，結構簡單。

技術研發(fā)人員：金鋒,程立,翟勇,王振林,付艷鵬
受保護的技術使用者：中鋼設備有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/28