[发明专利]一种利用太阳能光伏技术低碳制取纯铁的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于清洁能源利用领域，特别涉及一种以废钢铁为可溶性阳极，在金属基片阴极上，通过水溶液进行电解制取纯铁的方法。

背景技术

太阳能是当前地球上最丰富的能源。一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×10¹³千亿吨，是目前已探明的世界主要能源储量的一万倍。太阳能能量丰富，但其能流密度值很低，光伏发电及其配套技术是提高其值及能流密度的重要方法。2001-2006年全球太阳能电池产量从386MW增至2500.3MW，增长了6.5倍，年均增长45％左右，成为一个快速发展的新兴产业。

现行的高纯铁生产技术其能量来源为化石能源，是一种涉碳技术，过程中将若干万年前光合作用固化的碳素以CO₂的形式重新释放于大气中。这种快速释碳过程，对地球亿万年形成的碳循环造成冲击。

太阳能光伏发电技术是当前最清洁的能源技术，利用光伏效应将太阳辐射能直接转换为电能，用以满足生产所需要的能量需求，通过水溶液电解技术将电能转化为化学能，制取高纯铁，实现了不借助含碳介质为燃料和还原剂的高纯铁生产过称，对碳循环的影响微乎其微。

利用太阳能光伏发电技术得到电子，通过水溶液电解可溶性阳极制取高纯铁的过程相对传统的电解制铁方法，是直接利用直流电源电解，不需要交流变直流的整流过程及相应的转换装置，从而提高了能量的利用效率。利用太阳能光伏发电提纯铁的技术同样可以应用到提纯其他金属领域。如表1所示，用黑体字表示的元素均可用本方法从水溶液中电解提取，可见周期表上大部分金属可由电解方法制备出来。

表1为水溶液中析出的金属元素在元素周期表中的位置

发明内容

本发明的目的在于提供一种不借助碳介质制取纯铁的方法，减少传统涉碳技术制备高纯铁排放二氧化碳带来的大气污染。

一种利用太阳能光伏技术低碳制取纯铁的方法，其特征是以废钢铁为原料，利用光伏技术所获取的电能，采用电化学反应器，通过水溶液电解从可溶性阳极制取纯铁。工艺步骤为：将原料浸入所配制的电解液(主液为FeCl₂·4H₂O)中，由光伏电池与蓄电池组协调匹配，通过控制器提供直流电，驱动电解液中正、负离子分别向阴极和阳极迁移，在阴阳极电极上分别发生选择性还原和氧化作用，从而实现提纯和获取理想电解铁层的目的。

电解液成分及浓度如下：

主盐为FeCl₂·4H₂O，浓度为200～400g/L

辅盐可选用NaCl(也可选用HCl等)，其浓度为50～120g/L。

电化学反应器可选用间歇式电化学反应器、柱塞流电化学反应器或者连续搅拌槽式电化学反应器或者返混反应器其参数如下：

电压：根据要求选取2～4V范围之间。

电解液pH值：pH值在2.0～3.0之间。

电流密度：采用大表面积电极，并以低电流密度从溶液中电沉积，具有良好的经济效果。电流密度在1.0～30.0A/dm²之间。

电解过程所用的装置系统由储能单元和用能单元组成，储能单元包括光伏电池板、光伏控制器、蓄能器；用能单元由电化学反应器、电极、控温装置及测量仪表等组成。

储能单元和用能单元说明如下：

1、储能单元

储能单元由光伏电池板、光伏控制器、蓄能器组成。各部分的作用为：

(1)光伏电池板：光伏电池板是太阳能发电系统中的核心部分。其作用是将太阳光的辐射能转换为电能，或送往蓄能器中存储，或直接推动负载工作。光伏电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本；

(2)光伏控制器：光伏控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄能器起到过充电保护、过放电保护的作用。当光伏发电系统工作环境温差较大时，可以进行温度补偿。

(3)蓄能器：在有光照时将太阳能电池板所发出的电能通过蓄能器储存起来，到需要的时候再释放出来。太阳能电池板的电能转换是很不稳定的，太阳光线随着一天中时间的变化，在进行着弱-强-弱的大变化，太阳能电池板转换电能的大小，也随着这个大变化而变化。这就需要蓄能器的第二个作用——缓冲。同时蓄能器也能起到稳压的作用。所以通过蓄能器的储存、稳压、缓冲等供能可以有效解决储能系统和用能系统之间能流密度供给不统一的矛盾。

2、用能单元

用能单元主要由电化学反应器、电极、控温装置及测量仪表等组成。