[发明专利]用液态冶金渣供热实现循环利用二氧化碳与甲烷重整制备绿氢的装置及方法

说明书

本发明涉及用液态冶金渣供热实现循环利用二氧化碳与甲烷重整制备绿氢的装置及方法，包括冶金渣保温炉、气力粒化装置、提升管反应器、旋风分离器、旋风预热器、催化反应器、换热器、变换反应器、脱碳装置和冶金渣储仓，冶金渣保温炉的炉底水口与气力粒化装置连通，气力粒化装置连接提升管反应器，提升管反应器与旋风分离器连通，旋风分离器与催化反应器的顶部入口连通，催化反应器的底部出口与换热器相连通，换热器与变换反应器、脱碳装置连通，旋风预热器的底部物料出口连接至冶金渣储仓。本发明利用液态冶金渣蕴含的高品质热量进行二氧化碳与甲烷重整，利用冶金渣的热量，节省了甲烷等燃料、整个制氢过程碳排放几乎为零，环保、经济效益显著。

技术领域

本发明涉及化工、钢铁固废技术领域，具体是指用液态冶金渣供热实现循环利用二氧化碳与甲烷重整制备绿氢的装置及方法。

背景技术

氢气具有高热值、高清洁性、可再生性等特性,因而被认为是二十一世纪的清洁绿色能源，开发氢能是解决全球性能源危机和大气污染问题的重要途径。

氢气制备主要技术工艺有热化学制氢和水电解制氢，其中热化学制氢技术主要有化石能源制氢及化工原料制氢。化石燃料制氢方式中，有煤制氢、石油制氢、天然气制氢，天然气制氢占比最大达45%，其次是工业副产氢占比 41 %，煤炭制氢占比13.6%。

天然气的主要成分是甲烷,通过甲烷制氢的方法有多种,包括甲烷水蒸气重整制氢、甲烷部分氧化制氢、甲烷自热重整制氢、甲烷绝热催化裂解制氢。甲烷的多种制氢方法都是用液态冶金渣供热实现循环利用二氧化碳与甲烷重整制备绿氢的装置及方法能源密集型的吸热过程，需要高温热输入。在传统的 SMR 法中，甲烷既作为制氢的反应物，又燃烧作为反应的热源，这样需要大量的天然气，因此排放大量的CO₂。

世界能源理事会将氢气划分为灰氢、蓝氢和绿氢，分别指化石燃料制氢、工业副产氢和可再生能源电解制氢，只有绿氢才是真正零排放制氢方式。

我国的氢源结构亟需由“灰氢”向“蓝氢”、“绿氢”转变，提高“绿氢”比重或将成为氢能产业发展的未来趋势。

二氧化碳与甲烷重整反应制备氢气，以其潜在的环保价值和经济价值成为国内外研究的重点和热点。与甲烷水蒸气重整和甲烷部分氧化这两种工艺相比，二氧化碳与甲烷重整反应具有的优势是将温室气体CH₄和C0₂转化成绿色能源氢气，能够减少温室气体的排放。

甲烷二氧化碳重整反应式CH₄+CO₂＝2CO+2H₂，是一个强吸热反应，转化率随着反应温度的升高而升高，并伴随着逆水煤气转换反应，这个过程需要大量的化石燃料提供能源,且二氧化碳和甲烷都是很稳定的化合物，需要使用催化剂并且在高温下才能使之活化而发生反应，而温度的提高必然导致甲烷深度裂解脱氢，使催化剂积炭失活。当前，二氧化碳重整甲烷反应工业化的研究方向是开发能有效抑制积碳的新型催化剂。

铁合金、有色金属冶炼和钢铁生产要产生大量的副产品—液态冶金渣，处在1400℃～1650℃高温下的液态冶金渣，每吨含有的热量为1256～1882MJ,属于高品质的余热资源。

目前国内外钢铁行业基本上都是采用水冲渣工艺，水渣处理工艺存在的主要问题，大量的新水消耗、熔渣余热没有回收、系统维护工作量大、冲渣产生的气态硫化物带来空气污染；粉磨时水渣必须烘干，仍要消耗能源。

因此，亟需寻找用液态冶金渣供热实现循环利用二氧化碳与甲烷重整制备绿氢的装置及方法既利用液态高炉渣高品质余热为二氧化碳与甲烷重整反应提供能源，也能不使催化剂积碳失去活性，且能循环利用二氧化碳，不燃烧化石燃料的超低排放的新制氢方式，也是二氧化碳重整甲烷反应工业化的关键因素之一。

发明内容