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
技術領域：
本發明屬于鋼鐵冶金領域，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。
技術背景我國鋼鐵工業發展取得了良好的成績，能耗和排放等仍是急待解決的問題。傳統鋼 鐵工業的生產模式，與環境協調性差，有限的自然資源難于維持傳統鋼鐵工業長期穩定 的發展；鋼鐵生產伴隨著沉重的環境負荷，現行的鋼鐵生產消耗大量的自然資源和能源， 伴隨著沉重環境負荷，控制鋼鐵工業中碳消耗量，減少C02的排放量是鋼鐵工業可持續 發展的必由之路，解決途徑可從開源與節流兩方面著手，積極發展新能源的利用是開源 的一個重要研究方向。現行的鋼鐵生產技術是一種涉碳技術，就能源介質而言，煉鋼生產的"涉碳"的歷 史，甚至可以追溯到三千年以前的冶鐵技術的萌芽時期。煉鋼生產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 成的碳循環造成沖擊。在鋼鐵工業中，碳是主要的還原介質和能源載體，用于氧化物的還原和提供熱能兩 個方面前者主要是化學消耗，后者主要是物理熱的轉化，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，每還原l噸鐵元素，還原需消耗214kg碳素；考慮到反應吸熱，過剩 系數和能量的回收，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。太陽能光伏發電技術是當前最清潔的能源技術。太陽能光伏發電技術是利用光電材 料的光電轉換效應，將太陽光線的輻射能量直接轉換為電能的技術。這個轉換過程是以 電子為介質的物理過程不涉及化學反應，轉換過程涉及的時空尺度非常小。利用光伏效應將太陽能直接轉換為電能，用以滿足生產所需要的能量需求，這對碳 循環造成的影響微乎其微。太陽能光伏煉鋼概念的技術難點在于太陽能光伏發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的融合。
發明內容本發明目的在于實現光伏煉鋼概念，在鋼鐵生產過程中直接使用清潔能源，即以鐵 礦石或鐵精粉為原料，通過太陽能光伏發電，利用電能加熱并轉換為化學能，將鐵的鹽 類熔融并作為電解質進行電解，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鋼鐵生產過程部分使用清潔能源有著本質的區 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光電轉換技術所直接轉化 的電能，過程中不涉及化學反應和排放；而且電能的產生，輸送不與現有的電力電網相 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，包括光伏發電 系統和熔鹽電解裝置，光伏發電系統由光伏電池板、太陽能控制器、蓄能器組成，熔鹽 電解裝置由計算機、直流穩壓器、控溫儀、導管、保護氣體瓶、熔鹽電解槽、尾氣處理 裝置構成。整個制鋼系統由光伏電池板l，導線2、 4、 6、 8、 9、 10、 11、 14，控制器3，計算 機5，直流穩壓器7，控溫儀13，蓄能器15，導管12、 13，保護氣體瓶17，熔鹽電解 槽18，尾氣處理19構成。導線2連接光伏電池板1和控制器3、導線4連接控制器3和計算機5，導線6連 接計算機5與直流穩壓器7，導線8連接控制器3和直流穩壓器7，導線9連接直流穩 壓器7和熔鹽電解槽18陽極，導線10連接直流穩壓器7和熔鹽電解槽18陰極，導線 11連接控溫儀13和熔鹽電解槽18,導線14連接控制器3和蓄能器15，導管12連接保 護氣體瓶17和熔鹽電解槽18,導管16連接熔鹽電解槽18和尾氣處理19。光伏發電系統與熔鹽電解的說明如下
1、 光伏發電系統太陽能光伏發電系統由光伏電池板、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電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄能器中存儲起來，或推動負載工作。光伏電池板的質量和成本將直接決定整個系統的質量和成本；(2) 太陽能控制器太陽能控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，并對蓄能 器起到過充電保護、過放電保護的作用。當光伏發電系統工作環境溫差較大時，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，增加了陰極片的導電性。(2) 陰極上進行的反應為Fe203+2e—Fe+O2—(3) 陽極上進行的反應為O2—-2e—1/202T(4) 總反應Fe203 (固態，陰極)—Fe (陰極)+l/202 (陽極)(5) Fe203的電還原反應自壓片外向內進行直至全部變為金屬Fe。(6) 熔體是一種鐵化合物的鹽。(7) 為了防止在陰極上發生置換反應，要求電解質必須純凈。 電極電勢較Fe為正的雜質將不溶解，而電極電勢較Fe為負的雜質，雖溶解于熔鹽內，但不能在陰極析出，從而起到提純的作用。電解的過程中，陽極產生氧氣，無其他 有毒有害氣體產生。整個制鋼系統，通過調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。太陽能光伏發電系統通過控制器直接與熔鹽電解槽相聯。 本發明的主要要點如下(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光電轉換技術所直接轉 化的電能。(3) 技術難點在于清潔能源利用與制鋼兩個技術的融合。


圖1為本發明系統流程圖具體實施方式
制鋼系統由由光伏電池板l，導線2、 4、 6、 8、 9、 10、 11、 14，控制器3，計算機 5，直流穩壓器7，控溫儀13，蓄能器15,導管12、 13，保護氣體瓶17，熔鹽電解槽(18)， 尾氣處理19構成。導線2連接光伏電池板1和控制器3、導線4連接控制器3和計算機5，導線6連 接計算機5與直流穩壓器7，導線8連接控制器3和直流穩壓器7，導線9連接直流穩 壓器7和熔鹽電解槽18陽極，導線10連接直流穩壓器7和熔鹽電解槽18陰極，導線 11連接控溫儀13和熔鹽電解槽18，導線14連接控制器3和蓄能器15，導管12連接保
護氣體瓶17和熔鹽電解槽18，導管16連接熔鹽電解槽18和尾氣處理19。電解裝置用直流穩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，包括光伏發電系統和熔鹽電解裝置，其特征在于光伏發電系統由光伏電池板、太陽能控制器、蓄能器組成，熔鹽電解裝置由計算機、直流穩壓器、控溫儀、導管、保護氣體瓶、熔鹽電解槽、尾氣處理裝置構成；整個制鋼系統由光伏電池板(1)，導線(2)、(4)、(6)、(8)、(9)、(10)、(11)、(14)，控制器(3)，計算機(5)，直流穩壓器(7)，控溫儀(13)，蓄能器(15)，導管(12)、(13)，保護氣體瓶(17)，熔鹽電解槽(18)，尾氣處理(19)構成；導線(2)連接光伏電池板(1)和控制器(3)、導線(4)連接控制器(3)和計算機(5)，導線(6)連接計算機(5)與直流穩壓器(7)，導線(8)連接控制器(3)和直流穩壓器(7)，導線(9)連接直流穩壓器(7)和熔鹽電解槽(18)陽極，導線(10)連接直流穩壓器(7)和熔鹽電解槽(18)陰極，導線(11)連接控溫儀(13)和熔鹽電解槽(18)，導線(14)連接控制器(3)和蓄能器(15)，導管(12)連接保護氣體瓶(17)和熔鹽電解槽(18)，導管(16)連接熔鹽電解槽(18)和尾氣處理(19)；電解裝置用直流穩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，在添加粘結劑后，壓制成Fe2O3片，Fe2O3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換為化學能，將鐵的鹽類熔融并作為電解質進行電解，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，屬于鋼鐵冶金領域，特別涉及一種利用太陽能發電，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)，導線(2)、(4)、(6)、(8)、(9)、(10)、(11)、(14)，控制器(3)，計算機(5)，直流穩壓器(7)，控溫儀(13)，蓄能器(15)，導管(12)、(13)，保護氣體瓶(17)，熔鹽電解槽(18)，尾氣處理(19)構成。由光伏電池板將太陽能轉換為電能，然后通過控制器和直流穩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進行制鋼，減少了全球對礦物資源開采進行發電，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 優先權日2007年8月14日
發明者劉潤藻, 吳華峰, 宋建新, 榮 朱, 李士琦, 王玉剛, 衛 胡 申請人:北京科技大學