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利用太陽能熱發(fā)電技術辟冶金新徑

發(fā)布者：walt | 來源：本網綜合 | 0評論 | 5559查看 | 2014-03-07 11:45:00

　　在未來幾十年內，清潔能源的使用和CO2排放的控制是新化學過程和新材料生產中最重要的參數。在對節(jié)能減排呼聲日益高漲的當前，使用清潔能源、減少CO2排放是冶金行業(yè)一直研究的環(huán)保課題。

　　最近，一種備受關注的直接還原鐵生產方法是使用一種由西班牙國家冶金技術研究中心（CENIM）設計的，安裝在阿爾梅里亞太陽能平臺（PSA-CIEMAT）上的流化床爐。該爐采用流化床技術，待處理材料懸浮在含有5% H2的N2氛圍還原劑的液態(tài)氣體中，但流化床加熱所需的能量來自集中太陽能（CSE），既沒有化石燃料的消耗，也不會產生CO2。

　　該太陽能應用程序允許在不同的化學和冶金過程中獲得的高溫空氣或氣體的直接利用，而無電力生產的中間步驟。流程中這種加熱氣體的直接利用，避免了電力生產、高壓轉換、電力傳輸、低壓轉換和過程中的最終加熱應用，因此會在應用太陽能時出現收益的增額。相比于其他平均溫度要求低的工業(yè)過程，鋼鐵生產的工藝溫度較高，其節(jié)能更具潛力。

分類廢棄物各個擊破

　　在流化床加熱過程中，CSE應用的三個主要目標：①獨立的化石燃料供應；②利用自身的自然資源；③在高溫工業(yè)過程中，減少CO2的產生。

　　對于高爐礦渣，每噸生鐵約產生300公斤爐渣，可應用于土木（建筑）工程。但對于絕大多數冶金過程的剩余廢物，仍然沒有完全令人滿意的解決方案。

　　高爐熔渣后，第二種最重要的殘渣為轉爐轉換渣（氧氣頂吹轉爐）。在LD轉爐中每制造一噸鋼就會產生125公斤爐渣。這些類型的爐渣主要缺點是化學和物理性質不穩(wěn)定。在碳鋼的生產中，只要增加FeO的含量并減少15%的CaO，電爐渣的化學特性就類似于轉爐的爐渣。而直接來自于不銹鋼、高合金鋼生產的電爐熔渣是不同的，從數量上看，可發(fā)現約1%的氧化鉻、鎳、釩、鉬或鈦。

　　氧化皮或者軋屑是一種特定的“副產品”，在鋼的奧氏體化和熱塑性變形（熱軋）過程中生成，每噸鋼鐵伴隨生產出約5公斤的氧化皮。

　　在這些鋼鐵廢料產品中，有來自高爐的粉塵（干式凈化）和高爐淤渣（濕式洗滌器），有在轉爐煉鋼中產生的LD轉爐粉塵及電爐粉塵（電爐EAF）。而飛揚的LD碎屑的特點是具有高比例的FeO，由電爐氣體帶走的廢料具有較高的鋅含量。

　　此研究通過對氧化皮（軋屑）的轉化實驗，證明在太陽能爐中生產以獲得100%的磁鐵礦是可行的，它允許通過傳統方法獲得一種具有特殊磁性能的副產品。這種磁性副產品對密度十分敏感，通常用于以磁分離的方式作為原材料生產精礦。

　　太陽能將成為回收產品的一個步驟，其制備高含量的Fe3O4且無有害的污染物產生，Fe3O4可以被加入到煉鋼過程以制備高品質鋼。這一過程已經在西班牙的太陽能爐設備應用時用氧化皮測試過。

太陽能爐的運作機理

　　太陽能爐用于完成Fe2O3（赤鐵礦）向Fe3O4（磁鐵礦）的轉化，其包含一個用CSE加熱的流化床爐，CSE的運行基于安裝在阿爾梅里亞太陽能平臺（PSA-CIEMAT）的水平軸太陽能爐。

　　太陽能爐的基本構成為：一個配有120平方米反射面的定日鏡，用于追蹤太陽的軌跡，且將反射光束重新定向到多層面的拋物面聚光鏡；一個衰減器或快門，一個90.5平方米、擁有89個面的多層面拋物面聚光鏡；一個蜂巢狀的SiC衰減器、一張流化床和一個空氣過濾器。

　　每天早晨，當該裝置被連接，定日鏡便正對太陽并且跟隨太陽的運動，指導反射太陽光束，從位于建筑前壁的衰減器，到位于大樓后壁的多層面拋物面鏡子。衰減器或快門，可以旋轉每個水平部件來控制入射功率通量。

　　多層面拋物面反射鏡的集中光束到達衰減器并加熱蜂巢狀材料、碳化硅的表面，溫度可高達1100℃。蜂巢形狀的碳化硅吸收器由一系列孔洞構成。這些孔洞分布于由很薄的薄壁組成的方形底座上，方形底座位于流化床爐前方。這種設計增大了衰減器的加熱面，從而提高了流經孔洞的空氣流的熱轉移。一個位于該裝置尾部的真空泵迫使空氣通過衰減器，而被加熱到900℃~1000℃。

　　流化床爐是一種雙管裝置。其內管包含流化團塊，其通過熱空氣穿過墻壁被間接加熱，熱空氣來自于吸收器并流過兩管間的頂點。出口的空氣依然溫暖，用于預熱預熱器內螺旋管提供的流化空氣或氣體。這種控制成分的預熱流化空氣或氣體被引入到流化床的內管，在內管中顆粒流化，通過一個由球體關閉的圓錐形通道。這個設計被認為優(yōu)于其他集中太陽能加熱流化床，在該設計中加熱要么發(fā)生在床的上部，要么通過一個石英窗發(fā)生在裝置一側。

　　在位于環(huán)形區(qū)域的內流化床管外部的加熱空氣和通過它預熱的流化氣體，這兩種氣體的獨立性不僅允許我們利用不同成分的氣體工作，還具備流動速率的獨立控制。此外，恰好在氣體進入流態(tài)床之前，獨立的溫度控制可以由一個氣體流化管的次級電預熱完成。

　　用于這項工作的流化氣體是混有5%氫氣的氮氣。對流化氣體流量和溫度的操作控制，及衰減器開口的大小，被記錄在了流化床上。由于鼓泡流化床爐的特征，待處理顆粒的尺寸必須盡可能均勻一致，以避免被吸入從頂部冒出的氣體。因此，氧化皮是預先在一個直徑為1.5米的造球圓盤上經造塊處理過的。

　　隨后，造粒材料在爐內被處理（氧化）至穩(wěn)定，直到它被完全轉化為赤鐵礦（Fe2O3）。X射線衍射分析證實，最終獲得的產品是100%的赤鐵礦。

　　關閉遮板會導致輻照有所降低。該過程持續(xù)幾分鐘，但對流化床的溫度影響不大。溫度保持良好的原因在于：赤鐵礦具有高比熱，因此其可作為一種蓄熱體。流化床的這種高溫穩(wěn)定性揭示了其作為反應器的適用性。

　　在任何情況下，為了防止在最長的加熱期間由低日曬導致的溫度下降，可以在流化床上配備一個使用氣體或電力的并行加熱系統，以防止爐內發(fā)生任何可能的溫降。該流化床爐帶有并行加熱系統，能夠保證一個連續(xù)的年度運營時間，這使得太陽熱能的使用達到節(jié)約能源的目的。

利用太陽能轉化磁鐵礦

　　如果氧化皮在露天或非真空氣氛中被生產，沒有在900℃溫度下進行強制空氣再循環(huán)，則獲得的產品將是磁鐵礦，即Fe3O4（66%）和赤鐵礦，即Fe2O3（34%）的混合物。在操作開始時，最初出現在系統中的還原電位被氧化氣氛所抵消，這一點促進了處理結束時Fe2O3的形成。正是在處理之初的這種弱還原氣氛，導致FeO的不完全氧化，也保證了大量赤鐵礦的產生。此外，在太陽能流化床爐中5%H2的氣氛下，由赤鐵礦（Fe2O3）產生的磁鐵礦（Fe3O4），在熱力學上符合對Fe-H-O系統所作的預測。

　　以含高百分比磁鐵礦的鐵原材料所獲得的燒結物可顯著降低焦炭消耗量，因此太陽能爐可作為一種用來減少需要燒結的鐵原材料混合物焦比（焦炭消耗）的工具。在需要燒結處理的鐵中，30%的Fe3O4就降低了實現高性能產品所需的焦炭量，少于原本所需焦炭量的16%。

　　實驗采用了兩種不同生產方法獲得1噸直接還原鐵進行成本比較研究，其中第一種方法使用天然氣作為還原劑和能量來源；第二種方法中能量來源是天然氣，而還原成分則為煤。

　　結果表明：考慮到建立一個配備有太陽能爐的直接還原鐵工廠的成本，并顧及到在這樣一個工廠里通過降低能源消耗節(jié)省的成本積累來看，應用太陽能流化床爐將具有競爭力。顯然，當在太陽能爐中處理鐵碳廢料時，首先不僅存在一個源于使用更少能量和需要更少鐵礦石的成本節(jié)約，還與降低消耗密切相關（通過回收廢物，這將節(jié)省大量的碳），由此所帶來的利潤和成本節(jié)約較為可觀。

太陽能冶金辟新徑

　　CSE是一種在高溫下加熱流化床的適當方式。CSE加熱流化床是一個反應器，其適用于完成氧化皮的還原和能夠達到反應溫度的其他反應。工業(yè)上赤鐵礦還原為磁鐵礦，可通過CSE完成。如果想要每天工作24小時，則須引入并行加熱系統。

　　隨著雙重加熱實踐的進行，就全年來看，如果N2+5% H2混合氣體被用作還原劑，除減少CO2排放外，節(jié)約能源是顯而易見的。據估計，在一個陽光相當充足的位置，將減少20%~30%的CO2排放量。

　　太陽能爐的使用可以引入到所有類型的化學或冶金學過程中。即使在傳統流程中，考慮到采用這種集中器設備得到的溫度獨立性，CSE可以用于預熱助燃空氣。與市場上現存的DRI設備相比，雖然在安裝太陽能DRI還原設施上要增加投資，但從節(jié)省能源成本和原材料（含鐵材料和還原劑）方面看，該方法具有一定的優(yōu)勢。

　　研究表明，在太陽能爐中由鋼的副產品（如氧化皮和軋屑）實現赤鐵礦向磁鐵礦還原是可能的。可以考慮將這一成果應用到煉鋼過程中的其他領域，如用作燒結過程配料的鐵礦石的部分還原。

　　由處理氧化皮實驗所得數據分析，可以將以下應用納入到太陽能的使用范圍：①把用于燒結過程的鐵礦石粉末，主要是Fe2O3，轉變?yōu)榇盆F礦（Fe3O4）；②加熱供給熔爐的燒結礦（或顆粒）的可能性；③供給BF的燒結或球團鐵配料的部分還原；④降低具有高含量堿金屬、鹵素、硫的燒結粉末來形成磁鐵礦，并通過后續(xù)的磁選分離出非鋼污染物來釋放磁鐵礦。

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