钢厂的二氧化碳还原 |
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| 申请号 | CN201280030642.5 | 申请日 | 2012-06-12 | 公开(公告)号 | CN103608469A | 公开(公告)日 | 2014-02-26 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | M.巴尔多夫; G.施密德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及在炼 钢 中还原二 氧 化 碳 的方法，其中在炼钢过程中产生的二氧化碳与正电性金属在燃烧步骤中进行反应并且将由此产生的 一氧化碳 输送回炼钢过程中。该一氧化碳可作为还原气体用于 直接还原 过程，或将其输送至 高炉 过程。此外，可以通过将金属从其氧化物或盐中复原来回收反应的金属。特别地对于正典性金属的回收而言可以利用再生形式的 能量 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.在炼钢中还原二氧化碳的方法，其中在炼钢过程中产生的二氧化碳与正电性金属在燃烧步骤中进行反应，并且至少将所述燃烧步骤的第一燃烧产物输送回炼钢过程中。 |
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| 说明书全文 | 钢厂的二氧化碳还原技术领域[0001] 本发明涉及在炼钢中还原二氧化碳的方法以及适合的钢厂的装置(Anordnung)。 背景技术[0003] 已知的用来减少二氧化碳排放的方法为所谓的CCS-途径(二氧化碳捕获和储存)，其导致了高度浓缩的二氧化碳的隔离(Sequestrierung)。隔离期间将高度浓缩的二氧化碳储存在地下腔室中。为了将钢厂废气中高度浓缩的二氧化碳的纯度维持在约98％或更高，会将其通过烟气洗涤过程从中分离。 [0004] 此外，虽然避免或至少减轻了排放，但还会不断地将新的碳引入到高炉过程(Hochofenprozess)中并且持续产生额外的二氧化碳，又得将其排放或分离和储存。 发明内容[0005] 本发明的目的是，提供用于减少钢厂的二氧化碳排放以及可避免二氧化碳的隔离的方法及装置。 [0007] 通过本发明的方法，减少了炼钢时的二氧化碳排放。该方法中，在炼钢过程中产生的二氧化碳与正电性金属在燃烧步骤中进行反应。由此至少产生第一燃烧产物，并将其再次输送至炼钢过程。因此，相对于目前已知的用于避免二氧化碳排放的方法，例如隔离，这种方法的优势在于，对环境有害的二氧化碳再度经化学转换并由此生成了至少一种在同样的过程中可再次利用的产物。 [0008] 在本发明的有利的实施方式中，所述用于还原二氧化碳的方法包括利用正电性金属的燃烧步骤，其中与正电性金属发生的放热反应产生电厂技术可用的热能。因此，可将所述热能转换成电能或将其输送至炼钢过程中。这样做的优势在于，除了减少二氧化碳的排放还可产生额外的电能，以及可降低在炼钢过程中的电能的消耗。 [0010] 将所述方法与用于生产电能的方法相结合，其中将所述在燃烧步骤中产生的电厂技术可用的热能转换成电能，其进一步的优势在于，保证了副产物和废料产物的几乎完全的利用，例如发电。 [0011] 若应将特别是由燃烧步骤中的正电性金属的放热反应释放的热能输送给用于生产电能的步骤，则例如传输热量。已经可以利用产生于燃烧步骤中的能量的回收过程，该能量的形式为用于(例如通过蒸汽涡轮机)产生电能的高温热能。有利的是，该回收过程经热传输连接至用于产生电能的过程。 [0012] 在替代方案中，将热能输送至炼钢过程中，可用于例如在高炉过程中预热空气。这个过程称作风力加热。在高炉过程中，将所谓的风逆流传送至在高炉的冶金反应器中的炉料柱，这会对反应例如焦炭中碳的燃烧有利。 [0013] 这种实施方式的优势在于，除了二氧化碳的再利用之外还产生了进一步的能量，并且可将其用于同一炼钢过程。 [0014] 在该方法的有利的实施方式中，正电性金属为第一或第二主族的金属或标准电位大于0V的金属。特别地，正电性金属为锂。其他的正电性金属为钠、镁或锌。也可选择使用正电性金属如钾、钙、锶或钡。虽然现有锂的全球储量是有限的，但必须考虑到其仅约40年后的短缺。所描述的方法亦不会要求用于炼钢的世界能源的总需求完全通过碱金属锂来满足。然而，将所使用的正电性金属循环使用，即在燃烧步骤之后，将金属的燃烧产物转换回(zurückführen)金属。即有效地发生正电性金属的零消耗。当今，锂的年产量约为20000吨，不包括迄今为止的非化合的锂的再加工。全球锂储量估计为5800万吨，这相当于1100万吨锂。钠和镁的自然资源实际上几乎没有出现限制。 [0016] 在正电性金属与二氧化碳的燃烧步骤中，这些反应物发生放热反应。除了产生热能，该反应还生成不同的燃烧产物。特定地进行反应以最终生成一氧化碳作为燃烧产物。在正电性金属与二氧化碳的燃烧步骤中，产生正电性金属的氧化物和碳酸盐作为废料产物。通过正电性金属可将二氧化碳还原至碳。然而，在燃烧室中形成的碳可以在碳气化平衡(Boudouard Gleichgewichts)的范围内与另外的二氧化碳互成比例(komproportionieren)至一氧化碳，以使二氧化碳通过正电性金属在形式上最终还原成一氧化碳。在此燃烧步骤中生成一氧化碳的优势在于，一氧化碳在炼钢过程中起着重要的作用以及可将其再次给料。即，以这种方式可产生二氧化碳和一氧化碳的循环。如此，可将碳保留在系统中并且阻止二氧化碳的排放。 [0017] 在该方法的另一项有利的实施方式中，将所述特别具有一氧化碳的第一燃烧产物输送至炼钢过程中的高炉过程。在那里，一氧化碳取代了高炉过程中所使用的一部分燃料。特别是作为燃料的煤和/或焦炭。煤或焦炭在高炉过程中也有助于炉料柱机械上的稳定，以确保在固体铁矿石和还原性气体氛围之间有足够大的接触面积。因此，在此过程步骤中，高炉中的一部分煤或焦炭由循环的一氧化碳来取代。通过仅取代一部分的煤或焦炭使该过程的机械强度保持安全。同时可再次利用大部分转化成一氧化碳的二氧化碳。循环中的碳量通过不断发生二氧化碳转化成一氧化碳，限制了正电性金属的所需量。进行转化的碳量越低，所述正电性金属的所需量也就越低。 [0018] 在该方法可选择的有利的实施方式中，由一个直接还原过程来替代炼钢中的高炉过程。在此使用第一燃烧产物，特别是一氧化碳作为还原气体。特别地，使用纯的一氧化碳或与氢气混合的一氧化碳作为还原气体。即，在此直接还原过程中，可由循环的一氧化碳来取代煤或焦炭。在直接还原过程中，例如在流化床反应器中，用还原性气体逆向冲洗细磨过的铁矿石并由此发生反应。该方法具有的优势在于，例如，不使用额外的化石燃料，而是可以由碳循环中的一氧化碳完全取代。 [0019] 所述碳循环的优势在于，能够实现无CO2排放的钢厂。附加地，可通过电厂将回收二氧化碳的过程连接至生产电能的过程。 [0020] 如果所产生的一氧化碳不完全地保留在循环中，那么未经导回炼钢过程的一氧化碳部分可例如转化成可继续利用的最终产物，如甲醇。 [0021] 在本发明的另一项有利的实施方式中，于所述方法的燃烧步骤中生成第二燃烧产物，是电化学可复原(rückwandelbar)的并且可将其在复原过程中转化。对于所述复原过程和对此关键的电化学反应来说，能量是必须的。为此，可特别使用可再生能源。第二燃烧产物特别为正电性金属的氧化物和/或盐。如果正电性金属为锂，那么生成例如Li2O、Li2C2和Li2CO3作为燃烧产物。即，特别是如此可将CO2作为碳酸锂从废气中分离出来。在复原过程中，可将这些正电性金属的氧化物或盐再次转化成金属。因此，在该过程中金属本身不会被消耗，仅仅改变了氧化态。由此，也将金属作为储能物质加以考虑。因为复原，即电化学反应，在时间上与炼钢过程无关，所以可再生能源如光电能和风能可用于该复原过程。因此，该方法具有另外的优势，除二氧化碳减排之外，在钢厂的工艺流程中可连接用于可再生能源的存储器。使用正电性金属作为存储能量的物质还具有的优势在于，在长距离传输时，例如通过传输线传输之前的能量是有利的。 [0022] 原则上，用正电性金属所代替的二氧化碳也可通过氢气来还原。然而，只有当其在产生的地方直接反应时，使用氢气才有效。在25°C、1013mbar的标准条件下，1mol氢所占的体积为24.5L，而2mol锂占据的体积为0.025L。对于氧化锂和水来说，可比较其与质量有关的生成焓： [0023] Li2O：-20kJ/g [0024] H2O:-16kJ/g [0026] 从而，反应的正电性金属的这种再生形成了第二个循环，其经过燃烧反应与二氧化碳—一氧化碳的循环相连接。正电性金属的这种再生可例如为电化学还原。其中，特别是正电性金属的氧化物、氢氧化物或盐可再次反应成金属。一般而言，金属离子Mn+的电化学还原可将其返回为金属M。为此，电能反过来又是必须的，其例如可从可再生能源中获得。可特别地将正电性金属的这种再生或可复原过程看作是对从光伏发电(Fotovoltaik)中所获得的能量的储存。因此，对来自然储藏限制的正电性金属，例如锂，实施复原过程也是特别有利的。 [0027] 复原过程可以在空间和时间上与钢厂工艺流程分开进行。 [0028] 对于所述钢厂工艺流程来说，有利的是设置具有燃烧室的钢厂，该燃烧室包括正电性金属。其中该燃烧室用于正电性金属的燃烧。优选这样设计燃烧室，使得在该燃烧室中可引入正电性金属和二氧化碳，并且在其中可进行带有正电性金属的放热反应的燃烧步骤。 [0029] 特别地这样设计燃烧室，使得反应可进行至最终生成一氧化碳。原则上，正电性金属和二氧化碳的放热反应也可生成碳。然而，这可以通过碳气化平衡继续互成比例至一氧化碳。 [0030] 根据本发明的钢厂的装置包括燃烧室，其为在炼钢过程中所产生的二氧化碳与正电性金属在燃烧步骤中的反应而设计的。其中，这样设计燃烧室，使得在该燃烧室中可输入正电性金属，并且第一燃烧产物可从中可输出以及可输送回钢厂的设备中。这具有的优势在于，不仅处理了对环境有害的二氧化碳并且将其再次进行化学反应，而且从中直接生成了于炼钢过程必须的并且可再次利用的产物。 [0031] 在此装置的一项有利的实施方式中，钢厂的设备为高炉或流化床反应器。在所述方法中已经描述了在高炉或流化床反应器中进行的相应的过程。在高炉中，用热空气逆流冲洗所谓的炉料柱，并且仅将一部分回收的一氧化碳补充用于还原氧化铁的方法。在流化床反应器中发生直接还原过程，其中合成气体完全由从第一燃烧产物返回的一氧化碳组成。 [0032] 在本发明的另一项有利的实施方式中，钢厂的装置包括回收设备。该回收设备是为正电性金属的氧化物和/或盐的电化学复原而设计的。与该回收设备的组合具有的优势在于，可直接回收使用在燃烧步骤中反应过的正电性金属。与不能简单的通过电能再次分解成碳和氧气的二氧化碳相反，正电性金属的情况是，氧化物可通过电化学方法再次反应成氧气和正电性金属。正电性金属的盐也同样如此。例如，以下给出氧化锂的反应。 [0033] 2Li+O2→2Li2O+机械能、化学能、电能 [0034] 2Li2O+电能→2Li+O2 [0035] 因此，锂用作能量载体和储存物并且因而可在循环中使用而无消耗。关于这一方面在DE102008031437Al的文本中已知。 [0036] 特别地，回收设备可以从可再生能源中获取复原过程所需的电能。因此，其优势在于，通过储能物质，例如锂，可以在钢厂工艺流程中集成可再生能源。此外，锂在热力学能量标度中处于高位，使得它不仅会在空气中，而且会在纯的氮气中与氢气和二氧化碳发生强烈的放热反应，这使得二氧化碳的反应成为可能。 [0037] 此外，由放热反应产生的能量也是电厂技术上可用的。即，该余热温度高到足以可将其用于发电。 [0038] 或者，在炼钢过程中保留该热能。为此，所述装置特别地包括经过燃烧室与钢厂连接的热传输装置，以使在燃烧室中由燃烧步骤产生的电厂技术上可用的热能是可传输的并且可输送至炼钢过程。在炼钢过程中，该热能特别用于高炉过程中的鼓风预热(Winderhitzung)。附图说明 [0039] 图1为具有用于复原正电性金属M的回收设备20的钢厂30、40的装置的示意图。 具体实施方式[0040] 在下文中，将以举例的方式参照附图对本发明加以说明。 [0041] 图1为具有用于复原正电性金属M的回收设备20的钢厂30、40的装置的示意图，该回收设备具有用于从风和/或太阳中获取电能10的设备。在该图的左侧，象征性地绘制了用于产生可再生能源10的风力涡轮机和太阳。将电流11从所述可再生能源10中传送至回收设备20。在回收设备20中发生从氧化物或盐MOx中将正电性金属M还原出来的反应。该还原过程特别以电化学的方式进行。从可再生的电源10中获取为此所需的能量。从回收设备20中导出箭头，代表回收设备20的产物，即正电性金属M。代表引入参与反应的正电性金属M的盐或氧化物MOx的箭头指向回收设备。正电性金属M用作所谓的能量储存物21。由箭头通向其中的圆柱形槽21来象征性表示该能量储存物。从作为能量储存物的圆柱形槽21中导出有箭头22，其将通向钢厂30、40的运输线路可视化。虽然其功能作为能量储存物21的正电性金属M也可以在钢厂30、40旁的回收设备20中直接产生，但该金属M的运输22也是可以考虑的，因为，这比可作比较的能量储存物(如氢)的运输，或相对于通过传输线的电流运输实际上更能有效地和无损耗地实现。 [0042] 接下来还示出了钢厂40的燃烧室30和其他设备，在其中进行以下过程： [0043] 二氧化碳与正电性金属M的反应发生在燃烧室30中。由指向和指出燃烧室30的箭头表明，在燃烧室中引入二氧化碳CO2并且从中导出一氧化碳CO。此外，通往回收设备20中的代表正电性金属的氧化物或盐MOx的箭头从燃烧室30导出。 [0044] 除燃烧室30之外还示出了钢厂设备40，向其中再次输进一氧化碳CO并从其中分离出二氧化碳CO2。在此设备中，也会发生其中一氧化碳CO反应成二氧化碳CO2的过程。这发生在还原氧化铁的时候，例如出现在为炼钢而处理铁矿石的时候。设备40可用于钢厂的高炉，其中再次将一部分的一氧化碳CO和其他的矿物燃料一起使用。然而，该设备40也可用于流化床反应器，其中直接还原过程利用所有的一氧化碳CO作为还原气体。因此，没有新的碳进入到系统中，而是将碳完全地引入在燃烧室30的两个设备和流化床反应器40之间的循环中。该图显示了，除了碳循环之外，还有另一个循环，即与钢厂工艺流程相联接的正电性金属M的循环。 [0045] 在燃烧室30中进行的燃烧应当使得最终产物为一氧化碳： [0046] 2Li+CO2→Li2O+CO [0047] 在钢厂的高炉40中，可以将产生的一氧化碳CO直接用于氧化铁的还原，其中它又会反应成二氧化碳CO2。将此二氧化碳再次输送至燃烧室30，在其中它会与正电性金属M，特别是锂发生反应。其结果是，碳会在一个循环中运行。这些循环的碳不会再脱离钢厂30、40并且导致了CO2排放的减少。 [0048] 用正电性金属转化二氧化碳的另一个优势在于，在燃烧室30中的燃烧步骤的过程中能量以用于生产电能的高温热能的形式产生。因此，优选将燃烧室30与发电厂相联接。在这种情况下，可将在燃烧室30中的燃烧步骤的过程中以高温热能的形式产生的能量额外输送至发电厂，特别是发电厂中的蒸气发生器，并且用以生产电能。 [0049] 特别地，如果目前为生产可再生的电能作出的努力进一步成功，就可以在不久的将来从这些能源中提供足够的能量，就能经济地和有生态价值地实现所述循环。由于这些电能在同一时间产生，此外不能或不能完全地将其消耗，所以重要的是，可以将其临时地或季节性地暂存。所述正电性金属、特别是锂的循环符合这样一个完全可回收的能源载体的标准。 [0050] 钢厂40的高炉在年生产能力为400万吨钢的情况下每年排放约130万吨的二氧化碳。将这些二氧化碳CO2中的10%再度还原成一氧化碳CO需要每年42000吨的锂。然而，并不是在一个工序过程中消耗锂，而是将它保持在一个其中它又可再生的循环里。所以按循环时间根本只需要上述锂中的一小部分。举例来说，假如锂每年10次(10×/年)地通过循环，对于还原10%的二氧化碳排放量来说，在循环中只需要4200吨锂。 |
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