一种钢铁冶炼系统

技术领域

本申请涉及冶金技术领域，尤其涉及一种钢铁冶炼系统。

背景技术

钢铁行业具有较大污染物和碳排放。从冶炼方式来看，目前钢铁冶炼以长流程占主导，能源以煤为主，高炉-转炉长流程工艺占比约90％。钢铁行业碳排放量占全国碳排放总量16％左右，其中冶炼系统二氧化碳排放占总排放量的80％以上。

当前高炉-转炉长流程技术已接近热力学极限，其减碳空间有限，若不调整长短流程比例，或没有氢冶金等颠覆性技术突破，将很难大幅降低流程碳排放。钢铁行业迫切需要通过流程优化创新和加强与相关行业协同创新，以逐步减少二氧化碳排放。

发明内容

本申请提供了一种钢铁冶炼系统，以减少二氧化碳的排放。

本申请提供了一种钢铁冶炼系统，系统包括：

冶炼本体，用以冶炼钢铁；

电解水制氢单元，电解水制氢单元连通冶炼本体，用以向冶炼本体供氧；

风力发电单元，风力发电单元分别连通冶炼本体和电解水制氢单元，用以向冶炼本体和电解水制氢单元提供电能。

作为一种可选的实施方式，系统还包括：

二氧化碳捕集单元，二氧化碳捕集单元连通冶炼本体，用以收集冶炼本体产生的二氧化碳。

作为一种可选的实施方式，系统还包括：

高炉煤气余压透平发电，高炉煤气余压透平发电设于冶炼本体和二氧化碳捕集单元之间，用以利用冶炼本体的高炉煤气余压发电、同时将发电后的低温低压高炉煤气提供给二氧化碳捕集单元。

作为一种可选的实施方式，系统还包括：

二氧化碳加氢制甲醇单元，用以利用二氧化碳制备甲醇，二氧化碳加氢制甲醇单元连通二氧化碳捕集单元，用以接收二氧化碳，二氧化碳加氢制甲醇单元连通电解水制氢单元，用以接收氢气。

作为一种可选的实施方式，系统还包括：

钢渣固碳单元，用以利用二氧化碳进行钢渣固碳，钢渣固碳单元连通二氧化碳捕集单元，用以接收二氧化碳。

作为一种可选的实施方式，系统还包括：

高炉煤气提质单元，高炉煤气提质单元分别连通冶炼本体和二氧化碳捕集单元，用以向冶炼本体喷吹提质气。

作为一种可选的实施方式，系统还包括：

二氧化碳重整单元，用以对二氧化碳进行重整形成重整气，二氧化碳重整单元分别连通二氧化碳捕集单元和LNG供给单元，用以接收二氧化碳和LNG；二氧化碳重整单元连通冶炼本体，用以向冶炼本体喷吹重整气。

作为一种可选的实施方式，风力发电单元包括海上风力发电设备。

作为一种可选的实施方式，冶炼本体包括高炉-转炉长流程冶炼设备。

作为一种可选的实施方式，电解水制氢单元的电解水制氢技术包括碱性电解水或质子交换膜电解水。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的该系统，通过利用绿色能源风电单元为冶炼本体和电解水制氢单元提供电能，并利用电解水制氢单元提供的氧气作为冶炼本体的氧源，替代了高碳化石燃料消耗，有效的减少冶炼过程二氧化碳的产生。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的系统的结构示意图。

附图标记：1-风力发电单元，2-电解水制氢单元，3-LNG供给单元，4-二氧化碳重整单元，5-冶炼本体，6-高炉煤气余压透平发电单元，7-二氧化碳捕集单元，8-高炉煤气提质单元，9-二氧化碳加氢制甲醇单元，10-钢渣固碳单元。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另有特别说明，本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

图1为本申请实施例提供的系统的结构示意图，如图1所示，本申请实施例提供了一种钢铁冶炼系统，系统包括：冶炼本体5、电解水制氢单元2和风力发电单元1。

关于冶炼本体5，其用以冶炼钢铁；具体可以为高炉-转炉长流程工艺设备。

关于电解水制氢单元2，电解水制氢单元2连通冶炼本体5，用以向冶炼本体5供氧；具体的，电解水制氢技术可选用碱性电解水(ALK)或质子交换膜电解水(PEM)。

关于风力发电单元1，风力发电单元1分别连通冶炼本体5和电解水制氢单元2，用以向冶炼本体5和电解水制氢单元2提供电能。具体的，风力发电单元1可以选自海上风力发电设备。

在一些实施例中，系统还包括：二氧化碳捕集单元7，二氧化碳捕集单元7连通冶炼本体5，用以收集冶炼本体5产生的二氧化碳。通过对二氧化碳进行捕集，进一步的减少整个系统的二氧化碳排放。具体的，二氧化碳的捕集可选用醇胺溶液化学吸收法或PSA变压吸附法。

在对二氧化碳进行捕集后，还可对二氧化碳进行消纳利用，在一些实施例中，系统还包括：二氧化碳加氢制甲醇单元9，用以利用二氧化碳制备甲醇，二氧化碳加氢制甲醇单元9连通二氧化碳捕集单元7，用以接收二氧化碳，二氧化碳加氢制甲醇单元9连通电解水制氢单元2，用以接收氢气。同时，系统还包括：钢渣固碳单元10，用以利用二氧化碳进行钢渣固碳，钢渣固碳单元10连通二氧化碳捕集单元7，用以接收二氧化碳。并且，系统还包括：高炉煤气提质单元8，高炉煤气提质单元8分别连通冶炼本体5和二氧化碳捕集单元7，用以向冶炼本体5喷吹提质气，即捕集二氧化碳后的高炉煤气提质气经加压加热用于高炉风口喷吹。另外，系统还包括：二氧化碳重整单元4，用以对二氧化碳进行重整形成重整气，二氧化碳重整单元4分别连通二氧化碳捕集单元7和LNG供给单元3，用以接收二氧化碳和LNG；二氧化碳重整单元4连通冶炼本体5，用以向冶炼本体5喷吹重整气，即重整合成气用作高炉炉身喷吹还原气，通常，重整温度为900～1000℃。具体的，LNG供给单元3可以选用船运进口LNG。通过把捕集的二氧化碳用于二氧化碳-甲烷重整制合成气、二氧化碳加氢制甲醇或钢渣固碳工段，进一步实现二氧化碳的消纳利用。

在一些实施例中，系统还包括：高炉煤气余压透平发电，高炉煤气余压透平发电设于冶炼本体5和二氧化碳捕集单元7之间，用以利用冶炼本体5的高炉煤气余压发电、同时将发电后的低温低压高炉煤气提供给二氧化碳捕集单元7。

整个系统的工作过程如下：风力发电单元1生产清洁电力；利用风力发电单元1生产的清洁电力进行电解水制氢单元2的电解水制绿氢绿氧和冶炼本体5的高炉富氧富氢冶炼电力消耗；电解水制氢单元2的电解产物绿氢用于与二氧化碳捕集单元7捕集的二氧化碳在二氧化碳加氢制甲醇单元9进行加氢制甲醇，绿氧用于冶炼本体5的高炉富氧富氢冶炼；二氧化碳捕集单元7捕集的二氧化碳还可用于与LNG供给单元3提供的LNG在二氧化碳重整单元4进行重整反应制合成气或在钢渣固碳单元10进行钢渣固碳；重整合成气用于高炉炉身喷吹；高炉煤气提质单元8产生的高炉煤气提质气用于高炉风口喷吹。

该系统尤其适用于沿海地区的钢铁冶炼，其能借助沿海地区的地理区位优势，发展清洁电力和船运进口LNG，并通过电解水和碳捕集利用等技术集成，实现了可再生能源和清洁能源部分替代煤炭等高碳化石燃料，减少了二氧化碳排放，同时实现了二氧化碳消纳利用，有利于高炉长流程低碳绿色高质量发展。

下面结合具体的实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。

对比例1

国内某沿海千万吨级高炉-转炉长流程钢铁生产基地，具有5000立级高炉2座，铁水年产量约900万吨，吨铁高炉煤气发生量1350m

实施例1

采用本申请提供的方案对对比例1的系统进行改造，利用沿海海上风力资源，配套建设16台商用10兆瓦风力发电机组构成风力发电单元。单台风机年发电量可达2500万千瓦时(以年平均利用小时数2500计)，全机组年发电量可达4.0亿kWh。全年高炉电力消耗约3.6亿kWh，富余0.4亿kWh用于电解水制氢。电解水制氢单元的电解水制氢技术选用碱性电解水(ALK)，系统电耗均值约5.0kWh/Nm

LNG供给单元：船运进口LNG(液化天然气)10万吨/年，通过二氧化碳重整单元进行950℃重整反应制合成气(CO+H

高炉煤气二氧化碳捕集后在高炉煤气提质单元形成的提质气50％用于高炉风口喷吹。高炉煤气提质气与固体燃料的置换比为0.23kg/Nm

此外，钢渣固碳工段10吨钢固碳能力50kg，全年120万吨钢渣可固碳6万吨。

综上，全年合计消纳利用二氧化碳424.5万吨。与此同时企业需要配套建设450万吨/年高炉煤气醇胺溶液化学吸收法二氧化碳捕集装置。二氧化碳捕集能耗以2.4GJ/tCO

对比例2

国内某沿海千万吨级高炉-转炉长流程钢铁生产基地，具有5000立级高炉2座，铁水年产量约900万吨，吨铁高炉煤气发生量1350m

实施例2

采用本申请提供的方案对对比例2的系统进行改造，利用沿海海上风力资源，配套建设8台商用10兆瓦风力发电机组构成风力发电单元。单台风机年发电量可达2500万千瓦时(以年平均利用小时数2500计)，全机组年发电量可达2.0亿kWh。假设全年发电量的50％用于高炉电力消耗，剩余50％用于电解水制氢。电解水制氢单元的电解水制氢技术选用质子交换膜电解水(PEM)，系统电耗均值约4.4kWh/Nm

LNG供给单元：船运进口LNG(液化天然气)5万吨/年，通过二氧化碳重整单元进行950℃重整反应制合成气(CO+H

高炉煤气二氧化碳捕集后在高炉煤气提质单元形成的提质气90％用于高炉风口喷吹。高炉煤气提质气与固体燃料的置换比为0.23kg/Nm

此外，钢渣固碳工段10吨钢固碳能力50kg，全年120万吨钢渣可固碳6万吨。

综上，全年合计消纳利用二氧化碳611.2万吨。与此同时企业需要配套建设650万吨/年高炉煤气PSA变压吸附法二氧化碳捕集装置。二氧化碳捕集能耗以1.65GJ/tCO

本申请的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本申请范围的硬性限制；因此，应当认为的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。

在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”具体为附图中的图面方向。另外，在本申请说明书的描述中，术语“包括”“包含”等是指“包括但不限于”。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。在本文中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。

以上仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。