一种利用CO2无碳脱氧制取CO气体的系统及方法

一种利用co2无碳脱氧制取co气体的系统及方法
技术领域
1.本发明涉及钢铁冶金过程co2气体资源化利用及co气体高效制备生产领域，尤其涉及一种利用co2无碳脱氧制取co气体的系统及方法。

背景技术：

2.目前国内外均尝试寻求利用人工光合作用生产碳氢化合物，以降低大气中co2浓度，即利用绿能源将co2与水或者氢气合成碳氢化合物；但co2键能高，直接采用co2加氢产物收得率低，因此现有技术路线首先是将co2脱除一个氧原子生成更具反应性的co，co再与水或者氢气结合转化为液态烃。目前工业催化过程中将1mol的co2转化为co必须施加至少1.33ev的能量，同时需要额外附加1.5ev能量以及贵金属催化剂，合成碳氢化合物所需的能量远超过其化学键中所能储存的能量，为提高其转化效率及反应速率通常还需要高温高压环境，目前co2转化率通常在40％-60％之间。能否利用钢铁冶炼工序熔池高效的传质传热反应环境，将co2转化为co供给化工行业，从而实现钢铁源头降碳、化工末端固碳的钢化联产深度耦合，是钢铁冶金工作者持续关注的重点课题。
3.中国发明专利“一种利用co2制备co气体的系统及方法”(申请号： 202111603595.6)基于co2气体在氧饱和的铁基熔体中反应的高分解率特性，提出了一种将高纯co2气体通过置于由炼钢感应炉改造得到的密闭造气炉底部的底吹元件通入熔池温度为1600℃-1800℃之间的氧饱和fe-o-c熔体中[co2+fe
→
co+feo]，气相生成物经气体分离装置后制备高纯度co气体，该方法虽可大规模高效消纳co2气体，但其脱氧产物feo是通过碳质材料还原再生为金属铁[feo+c
→
fe+co]，进而实现铁元素循环利用，该流程本质仍为外加碳源“以碳降碳”的方式通过co2脱碳反应制取 co气体[co2+c
→
2co]，间接增加了碳排放量。

技术实现要素：

[0004]
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过采用一种无额外碳输入的情况下，将大量存在于冶金系统的co2气体资源化利用及高效制备co 气体。
[0005]
本发明的基本原理如下：
[0006]
基于此，申请人提出将炼钢感应炉改造为密闭造气炉，co2或含有高浓度co2的工业尾气作为原料气体由底吹元件通入至1600℃-1800℃的氧饱和铁基熔体，制取高浓度co气体，co2脱氧产物feo迁移至渣相并通过外加电场方式实现氧的脱除及铁的还原再生，构建以氧饱和铁基熔体溶质铁元素为氧转移介质的co2无碳脱氧制取co 新方法，同时co2分解吸热及熔渣电化学还原耗热所需能量可通过光伏、风力、水力或核能发电装置产生，以绿电为能量载体实现无额外碳输入条件下co2与co的高效质能转化，打通钢铁-化工联产耦合的碳中性循环过程，具有良好的应用及发展前景。
[0007]
本发明首先提供了一种co2无碳脱氧制取co气体的系统及方法，包括密闭造气炉、电磁感应加热线圈、外加直流电源电解系统；密闭造气炉产生的气相生成物被设置为由第
一管道接入至气相生成物除尘装置，净化后的气相生成物通过第二管道进入换热器热流体入口，冷却后的气相生成物通过第三管道与气相成分检测装置连接，后经第四管道与第一增压机连接，增压后的气相生成物经第五管道与气动三通球阀连接，气动三通球阀第一出口通过第六管道与气体分离装置连接，气动三通球阀第二出口用于排空；气体分离装置制得的高纯co气体通过第七管道接入第二增压机入口，高纯 co气体增压后经过第八管道输送并储存于co气体储气柜；气体分离装置制得的高纯 co2气体经过第九管道与第一截止阀连接，后经第十管道接入第三增压机入口，高纯 co2气体增压后经过第十一管道输送并储存于co2气体储气柜；外来高纯co2气体由第十二管道与第二截止阀连接，后经第十三管道输送至co2气体储气柜，co2气体储气柜的高纯co2气体经过第十四管道接入至换热器冷流体入口，换热后经过第十五管道与第三截止阀连接，后经第十六管道接入至压力流量调节阀，压力流量调节后的高纯co2气体由第十七管道接入至co2气体流量计入口，流量计量后经第十八管道接入安装于密闭造气炉炉底的底吹元件；外加直流电源正极产生的气相生成物经正极密封装置通过第十九管道接入第四增压机及第四截止阀。
[0008]
进一步地，密闭造气炉吨位为5t至100t，电磁感应加热线圈安装于密闭造气炉的炉身外部，外加直流电源电解系统安装于密闭造气炉上部。
[0009]
进一步地，还包括安装于密闭造气炉上部的料仓。
[0010]
进一步地，换热器产生的水蒸气经第十九管道输送至气体分离装置的水蒸气入口，用于吸附气体的再生分离。
[0011]
进一步地，co2分解吸热及熔渣直流电解还原耗热所需能量通过光伏、风力、水力或核能发电装置产生。
[0012]
本发明还提供了一种利用co2无碳脱氧制取co气体的方法，包括步骤：
[0013]
(1)提供一种如权利要求1所述的co2无碳脱氧制取co气体的系统；
[0014]
(2)进入氧饱和铁基熔体制备阶段，将电解纯铁作为熔池金属相原料装入至密闭造气炉，并加入高纯氧化镁作为炉渣调节剂，通电熔化金属相原料，并将熔池温度提高至1600℃以上，将外来高纯co2气体储存于co2气体储气柜中，并经换热器、气动球阀、压力流量调节阀及co2气体流量计接入底吹元件入口；持续从位于密闭造气炉底部的底吹元件通入高纯co2气体，熔化过程中气相生成物经除尘、换热后使用在线气相成分检测装置检测气相中co气体及co2气体体积分数，当气相生成物中co气体体积分数达到85％以上时，即为完成氧饱和铁基熔体制备阶段；
[0015]
(3)进入co气体制备及氧化产物还原阶段，通过置于密闭造气炉底部的底吹元件持续向氧饱和铁基熔体中通入高纯co2气体，经过除尘、换热后，导入至气体分离装置，分别得到高纯co气体和高纯co2气体，co气体进入co气体储气柜，co2气体进入co2气体储气柜；与此同时，将外加直流电源正极插入至熔渣中，外加直流电源负极插入至铁基熔体中，外加直流电源通电将氧化产物熔渣中feo还原为液态铁和氧气，液态铁重新回到铁基熔体中，完成co2无碳脱氧制取co气体的过程。
[0016]
(4)进入炉料补充阶段，当系统运行一个周期后，将密闭造气炉的底吹气体切换为高纯氩气，并将气动三通球阀设置为排空模式，气相生成物排放至大气环境中，通过料仓向熔池中补充电解纯铁及高纯氧化镁，后待熔池中新加入铁基原料及渣料完全熔化后，将恢复为co气体制备及氧化产物还原阶段。
[0017]
进一步地，在步骤(2)中，设定密闭造气炉1加热元件功率为3000kw-50000kw，从底吹元件吹入的高纯co2气体表压为0.2-0.4mpa、流量为10-200nm3/h。
[0018]
进一步地，在步骤(3)中，设定外加直流电源的电流范围为1-300ka，电压为 10-1000v。
[0019]
进一步地，在步骤(3)中，设定密闭造气炉加热元件功率为1000-20000kw，从底吹元件吹入的高纯co2气体表压为0.3-0.6mpa、流量为20-500nm3/h高纯co2气体。
[0020]
进一步地，在步骤(4)中，从底吹元件吹入的高纯氩气表压为0.2-0.4mpa、流量为10-200nm3/h。
[0021]
进一步地，电磁感应加热线圈安装于密闭造气炉的炉身外部，料仓安装于密闭造气炉上部，外加直流电源电解系统安装于密闭造气炉上部。
[0022]
进一步地，换热器产生的水蒸气经第十九管道输送至气体分离装置的水蒸气入口，用于吸附气体的再生分离。
[0023]
本发明的有益效果包括：
[0024]
(1)可使用钢铁工业或化学工业生产过程中产生的尾气经co2提浓后得到的高浓度co2气体作为反应气体，与氧饱和铁基熔体反应生成高co浓度尾气(co气体体积分数大于85％)，实现了co2气体的消纳及重要化工原料co气体的高效制备；
[0025]
(2)本发明所述工艺利用1600-1800℃的高温熔池作为反应环境，可有效突破co2分解的能垒，同时反应速率较高且稳定，不需要传统化工领域co2还原工艺中大量且昂贵的催化剂，工艺简单成本低廉且制备效率高；
[0026]
(3)以氧饱和铁基熔体溶质铁元素为氧转移介质的co2无碳脱氧制取co新方法，基于co2在氧饱和铁基熔体的高效稳定分解特性耦合高氧化铁熔渣外加电场的脱氧方式，改变了钢铁冶炼工序传统“以碳降碳”的co2资源化利用方式；
[0027]
(4)本发明中所述装备所用电能通过光伏发电、风力发电、水利发电或核能发电装置产生，实现了绿电力与co气体的“电-能”转化；
[0028]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0029]
图1是本发明的一个较佳实施例中的一种利用co2无碳脱氧制取co气体的系统的工艺流程图；
[0030]
图2是本发明的一个较佳实施例中的密闭造气炉的示意图；
[0031]
图3是图2中a处的局部放大图。
具体实施方式
[0032]
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0033]
7、如图1所示，根据本发明的一种利用co2无碳脱氧制取co气体的系统包括密闭造气炉1，密闭造气炉1产生的气相生成物由管道p1接入至气相生成物除尘装置3，净化后的气
的传统模式，虽然需要消耗电能，但电能可以来自水电、风电、核电等清洁能源，实现无碳脱氧。
[0040]
如图2所示，本发明还进一步在正极17外设置有正极密封管18，正极密封管18 连接至真空泵64。当正极17下降至熔渣20中时，真空泵64同时启动，一方面将在正极产生的氧气排出，降低氧分压，加快反应速度，另一方面在正极密封管18内制造一定的真空度，使得部分液态渣相20被吸入正极密封管18中，增加于正极17的接触面积，提高电解效率。
[0041]
如图3所示，本发明的正极密封管18底部有一多孔段22，多孔段22外部的铁基熔体19和熔渣20可以通过多孔段22进入正极密封管18内，这样即便正极密封管18 在降下时其深度越过了铁渣两相分界线21，使得部分熔体19进入正极密封管18，也会因其密度大于渣相而下落，因此可以使得正极密封管18的下降深度的控制具有一定的容错性，降低了对正极密封管18的下降深度的精确控制的要求。
[0042]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：

1.一种利用co2无碳脱氧制取co气体的系统及方法，其特征在于，包括密闭造气炉、电磁感应加热线圈、外加直流电源电解系统；密闭造气炉产生的气相生成物被设置为由第一管道接入至气相生成物除尘装置，净化后的气相生成物通过第二管道进入换热器热流体入口，冷却后的气相生成物通过第三管道与气相成分检测装置连接，后经第四管道与第一增压机连接，增压后的气相生成物经第五管道与气动三通球阀连接，气动三通球阀第一出口通过第六管道与气体分离装置连接，气动三通球阀第二出口用于排空；气体分离装置制得的高纯co气体通过第七管道接入第二增压机入口，高纯co气体增压后经过第八管道输送并储存于co气体储气柜；气体分离装置制得的高纯co2气体经过第九管道与第一截止阀连接，后经第十管道接入第三增压机入口，高纯co2气体增压后经过第十一管道输送并储存于co2气体储气柜；外来高纯co2气体由第十二管道与第二截止阀连接，后经第十三管道输送至co2气体储气柜，co2气体储气柜的高纯co2气体经过第十四管道接入至换热器冷流体入口，换热后经过第十五管道与第三截止阀连接，后经第十六管道接入至压力流量调节阀，压力流量调节后的高纯co2气体由第十七管道接入至co2气体流量计入口，流量计量后经第十八管道接入安装于密闭造气炉炉底的底吹元件。2.如权利要求1所述的利用co2无碳脱氧制取co气体的系统，其中，密闭造气炉吨位为5t至100t，电磁感应加热线圈安装于密闭造气炉的炉身外部，外加直流电源电解系统安装于密闭造气炉上部。3.如权利要求1所述的利用co2无碳脱氧制取co气体的系统，其中，还包括安装于密闭造气炉上部的料仓。4.如权利要求1所述的利用co2无碳脱氧制取co气体的系统，其中，换热器产生的水蒸气经第十九管道输送至气体分离装置的水蒸气入口，用于吸附气体的再生分离。5.如权利要求1所述的利用co2无碳脱氧制取co气体的系统，其中，co2分解吸热及熔渣直流电解还原耗热所需能量通过光伏、风力、水力或核能发电装置产生。6.一种利用co2无碳脱氧制取co气体的方法，其特征在于，包括步骤：(1)提供一种如权利要求1所述的利用co2无碳脱氧制取co气体的系统；(2)进入氧饱和铁基熔体制备阶段，将电解纯铁作为熔池金属相原料装入至密闭造气炉，并加入高纯氧化镁作为炉渣调节剂，通电熔化金属相原料，并将熔池温度提高至1600℃以上，将外来高纯co2气体储存于co2气体储气柜中，并经换热器、气动球阀、压力流量调节阀及co2气体流量计接入底吹元件入口；持续从位于密闭造气炉底部的底吹元件通入高纯co2气体，熔化过程中气相生成物经除尘、换热后使用在线气相成分检测装置检测气相中co气体及co2气体体积分数，当气相生成物中co气体体积分数达到85％以上时，即为完成氧饱和铁基熔体制备阶段；(3)进入co气体制备及氧化产物还原阶段，通过置于密闭造气炉底部的底吹元件持续向氧饱和铁基熔体中通入高纯co2气体，经过除尘、换热后，导入至气体分离装置，分别得到高纯co气体和高纯co2气体，co气体进入co气体储气柜，co2气体进入co2气体储气柜；与此同时，将外加直流电源正极插入至熔渣中，外加直流电源负极插入至铁基熔体中，外加直流电源通电将氧化产物熔渣中feo还原为液态铁和氧气，液态铁重新回到铁基熔体中，完成co2无碳脱氧制取co气体的过程。(4)进入炉料补充阶段，当系统运行一个周期后，将密闭造气炉的底吹气体切换为高纯
氩气，并将气动三通球阀设置为排空模式，气相生成物排放至大气环境中，通过料仓向熔池中补充电解纯铁及高纯氧化镁，后待熔池中新加入铁基原料及渣料完全熔化后，将恢复为co气体制备及氧化产物还原阶段。7.如权利要求1所述的利用co2无碳脱氧制取co气体的方法，其中，在步骤(2)中，设定密闭造气炉1加热元件功率为3000kw-50000kw，从底吹元件吹入的高纯co2气体表压为0.2-0.4mpa、流量为10-200nm3/h；其中，在步骤(3)中，设定外加直流电源的电流范围为1-300ka，电压为10-1000v；其中，在步骤(3)中，设定密闭造气炉加热元件功率为1000-20000kw，从底吹元件吹入的高纯co2气体表压为0.3-0.6mpa、流量为20-500nm3/h高纯co2气体。8.如权利要求1所述的利用co2无碳脱氧制取co气体的方法，其中，在步骤(4)中，从底吹元件吹入的高纯氩气表压为0.2-0.4mpa、流量为10-200nm3/h。9.如权利要求1所述的利用co2无碳脱氧制取co气体的方法，其中，电磁感应加热线圈安装于密闭造气炉的炉身外部，料仓安装于密闭造气炉上部，外加直流电源电解系统安装于密闭造气炉上部。10.如权利要求1所述的利用co2无碳脱氧制取co气体的方法，其中，换热器产生的水蒸气经第十九管道输送至气体分离装置的水蒸气入口，用于吸附气体的再生分离。

技术总结

本发明公开了一种利用CO2无碳脱氧制取CO气体的系统及方法，将炼钢感应炉改造为密闭造气炉，CO2或含有高浓度CO2的工业尾气作为原料气体由底吹元件通入至1600℃-1800℃的氧饱和铁基熔体，制取高浓度CO气体，CO2脱氧产物FeO迁移至渣相并通过外加电场方式实现氧的脱除及铁的还原再生，构建以氧饱和铁基熔体溶质铁元素为氧转移介质的CO2无碳脱氧制取CO新方法，同时CO2分解吸热及熔渣电化学还原耗热所需能量可通过光伏、风力、水力或核能发电装置产生，以绿电为能量载体实现无额外碳输入条件下CO2与CO的高效质能转化，打通钢铁-化工联产耦合的碳中性循环过程，具有良好的应用及发展前景。前景。前景。