一种电炉粉尘作为循环介质的太阳能热化学能量转化系统

摘要

本发明公开了一种电炉粉尘作为循环介质的太阳能热化学能量转化系统，包括物料输送子系统、还原反应子系统、锌处理子系统和铁处理子系统，物料输送子系统用于输送还原反应子系统反应所需的物料；还原反应子系统包括用于接收物料输送子系统所输送物料且用于在其内部发生还原反应的还原反应器；锌处理子系统包括第一氧化反应器和气体储罐；铁处理子系统包括第二氧化反应器、储氢罐、第二研磨机和磁选机。本发明以电炉粉尘作为循环介质，实现了把太阳能储存到气体燃料中，利用还原反应器以及氧化反应器获得高品位的Fe3O4和CO、H2等可燃气体，同时完成实现电炉粉尘的资源化处理利用的结合，系统过程能耗低、环保清洁无环境污染。

说明书

技术领域

本发明涉及电炉粉尘的处理技术领域以及太阳能储能领域，具体涉及一种电炉粉尘作为循环介质的太阳能热化学能量转化系统。

背景技术

我国电炉炼钢粉尘产量大、回收价值高，目前我国电炉炼钢粉尘的产量已经超过100万吨，其中大部分都被堆积填埋，只有小部分被回收处理。电炉粉尘中含有大量的Fe和Zn，若能将其充分回收利用，可缓解我国目前资源日益紧张的状况。电炉粉尘的回收处理方法包括：固化和稳定技术、返回烧结、湿法提取、火法工艺，其中火法工艺相对其他工艺较为成熟，但需要用焦炭等提供热源。

太阳能是一种可再生能源，且储量大，尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173000TW，相当于500万吨煤，若能有效地利用太阳能，可适量减少我国目前的燃煤需求，缓解能源紧缺的现状。太阳能的光热利用是通过平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等太阳能收集装置吸收太阳能，再把热量传递到导热油或者热水进行利用。太阳能热化学转换系统则是把太阳能热能促使某物质发生化学反应，把太阳能转化化学能储存到燃料中。

公开号为CN210087413U的专利，公开了一种氨基太阳能热化学循环发电系统。该系统通过碟式抛物面聚光镜聚焦太阳能，使氨气与氢气进行反应合成NH

公开号为CN210374744U的专利，公开了一种基于金属氧化物热化学储能体系的太阳能光热发电系统。该系统利用太阳能作为能源，利用Co

以上系统采用的原料NH

以电炉粉尘作为太阳能热化学能量转化系统的循环介质，把太阳能储存到气体燃料中，实现电炉粉尘的资源化处理和可再生能源太阳能的利用结合，无疑有更好的应用前景。

发明内容

本发明提供一种电炉粉尘作为循环介质的太阳能热化学能量转化系统，实现电炉粉尘处理利用与太阳能储能相结合。

本发明提供的一种电炉粉尘作为循环介质的太阳能热化学能量转化系统，包括物料输送子系统、还原反应子系统、锌处理子系统和铁处理子系统，

物料输送子系统用于输送还原反应子系统反应所需的物料；

还原反应子系统包括用于接收物料输送子系统所输送物料且用于在其内部发生还原反应的还原反应器，且还原反应器中发生还原反应时由太阳能聚光器提供热量形成还原所需温度；

锌处理子系统包括第一氧化反应器和气体储罐，第一氧化反应器的混合气体入口与还原反应器相通，第一氧化反应器中的固体产物回输至物料输送子系统循环，第一氧化反应器的气体产物出口与气体储罐相通；

铁处理子系统包括第二氧化反应器、储氢罐、第二研磨机和磁选机，第二氧化反应器的固体物料入口与还原反应器的固体产物出口相通，第二氧化反应器的气体产物出口与储氢罐相通，第二研磨机的入口与第二氧化反应器的固体产物出口相通，磁选机的铁氧化物出口与物料输送子系统相通。

优选的，物料输送子系统包括第一风机、用于提供甲烷的甲烷储存罐、用于储存第一氧化反应器中产生的固体物料的第一固体物料储存罐、用于提供电炉粉尘的电炉粉尘储存罐和用于储存第二氧化反应器中产生的铁类固体物料的第二固体物料储存罐，第一固体物料储存罐甲烷储存罐、第一固体物料储存罐、电炉粉尘储存罐和第二固体物料储存罐均通过管道与还原反应子系统连通，且所储存的物料在第一风机的风力下输送至还原反应子系统。

优选的，还原反应器包括混合物料进口管道和与混合物料进口管道相通的分离腔体，混合物料进口管道上开设有用于让太阳能入射的入射窗，分离腔体上设置有与混合物料进口管道的出口相通的气体产物出口和固体产物出口，气体产物出口管道的入口处设置有滤网以防止固体物料被气体物料流带出分离腔体。

优选的，混合物料进口管道为盘旋管道，管道与水平线的夹角为30°-40°，两条管道之间连接的圆弧管道弧度为90°，入射窗位于太阳能聚光器的聚光中心线上，入射窗暴露可以吸收太阳能，为混合物料进口管道提供还原反应所需的高温条件。太阳能聚光器通过反射太阳光，能有效地聚光太阳能，聚光中心线位于还原反应器入射窗，可使还原反应器达到高温环境。

优选的，还原反应子系统还包括第一冷却器和第一锁气器，还原反应器上的固体产物出口依次经第一冷却器、第一锁气器与第二氧化反应器相通。

优选的，锌处理子系统还包括第二锁气器和第一研磨机，所述第二锁气器与第一氧化反应器的固体产物出口相通，所述第一研磨机与第二锁气器连接。

优选的，锌处理子系统还包括第二冷却器和第一气水分离器，所述第二冷却器与第一氧化反应器的气体产物出口相通，所述第二冷却器与第一气水分离器的分离入口连接，第一气水分离器的分离出口与所述气体储罐连接。

优选的，铁处理子系统还包括第三冷却器和与第三冷却器连接的第二气水分离器，第二氧化反应器气体产物出口与第三冷却器的入口相通，第二气水分离器的分离出口与储氢罐相通。

优选的，第一氧化反应器和第二氧化反应器均包括内筒、外筒、过滤板组和固体产物出口管道，内筒和外筒同轴设置，

内筒固定设置，外筒位于内筒的外侧且外筒由齿轮机构带动旋转，外筒旋转，内筒静止，内筒和外筒采用不同的支撑方式固定；

内筒的顶部设置有固体产物收集区，底部通过开口与外筒的内腔相通，且，内筒上设置有气体入口、水入口管道、固体产物出口管道和气体产物出口，其中，第一氧化反应器上的物料入口为混合气体入口，第二氧化反应器上的物料入口为固体物料入口；

过滤板组位于外筒和内筒之间，过滤板组包括多个过滤板，每个过滤板的一端与外筒的内壁固定连接，且每个过滤板均倾斜设置，靠近内筒的另一端不固定；

固体产物出口管道的入口端与内筒顶部的固体产物收集区相通。

优选的，每个过滤板与连接处外筒的内壁的切线的夹角为40°-50°。

其中，所述第一锁气器、第二锁气器在系统中的作用分别是防止外界空气进入第二氧化反应器和还原反应器中与高温的可燃气体混合，影响反应过程。

其中，所述第一气水分离器、第二气水分离器分别用于分离第一氧化反应器和第二氧化反应器中生成的气体氧化产物中的水和可燃气体，以便收集高品位的可燃气体CO和H

其中，所述第一冷却器、第二冷却器、第三冷却器在系统中的作用是通过逆流换热的方式回收利用反应过程中的余热加热物料和水，提高热量的利用率。

其中，所述磁选机可通过磁选收集第二氧化反应器中生成的Fe

其中，所述第一研磨机、第二研磨机分别用于研磨第一氧化反应器和第二氧化反应器中生成的固体氧化产物ZnO和Fe

外筒位于内筒的外侧且外筒可相对于内筒旋转；

内筒的顶部设置有固体产物收集区，底部有扇形开口与外筒的内腔相通，且，内筒上设置有物料入口、固体产物出口和气体产物出口，其中，第一氧化反应器上的物料入口为混合气体入口，第二氧化反应器上的物料入口为固体物料入口；

过滤板组位于外筒内壁和内筒之间，过滤板组的一端与外筒的内壁固定连接，另一端与内筒柔性接触但不固定；

固体产物出口管道的入口端与内筒上的固体产物收集区相通。Zn蒸汽与水反应生产固体ZnO后,被固定在旋转的外筒上的过滤板组带到高处，落下到内筒的倾斜的固体产物收集区处，再通过固体产物出口管道将氧化锌排出第一氧化反应器。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

利用太阳能集热加热还原反应器使反应器达到反应所需的高温条件，可实现降低能耗、清洁无污染；利用甲烷的高还原性能，与电炉粉尘进行混合预热，并在还原反应器中反应，且循环过程可回收甲烷和CO、H

本发明利用电炉粉尘代替例如氨基和金属氧化物作为循环介质，实现太阳能热化学储能生产气体燃料，具有电炉粉尘(Fe2O3和ZnO)资源化处理和可再生能源太阳能的利用结合，无疑有较好的应用前景。

附图说明

图1是本发明一种电炉粉尘作为循环介质的太阳能热化学能量转化系统示意图。

图2是本发明还原反应器的结构示意图。

图3是是本发明还原反应器的剖视图。

图4是本发明第一氧化反应器的剖视图。

图5是本发明第一氧化反应器中内筒和外筒的右视图。

图6是图4中A-A向的剖视图。

图7是图4中B-B向的剖视图。

图中：1、甲烷储存罐；2、第一风机；3、第一固体物料储存罐；4、电炉粉尘储存罐；5、第二固体物料储存罐；6、还原反应器；7、第一冷却器；8、第一锁气器；9、第二氧化反应器；10、第二研磨机；11、磁选机；12、废渣储存罐；13、第三冷却器；14、第二气水分离器；15、储氢罐；16、第一氧化反应器；17、第二锁气器；18、第一研磨机；19、第二冷却器；20、第一气水分离器；21、气体储罐；22、第二水泵；23、储水罐；24、第一水泵；25、太阳能聚光器，26、第三风机，27、第二风机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

一种电炉粉尘作为循环介质的太阳能热化学能量转化系统，包括包括物料输送子系统、还原反应子系统、锌处理子系统、铁处理子系统和冷却子系统。

物料输送子系统用于输送还原反应子系统反应所需的物料。

在本发明其中一个实施例中，物料输送子系统包括甲烷储存罐1、第一固体物料储存罐3、电炉粉尘储存罐4、第二固体物料储存罐5和第一风机2，甲烷储存罐1、第一固体物料储存罐3、电炉粉尘储存罐4和第二固体物料储存罐5均通过管道与还原反应子系统连通，且所储存的物料在第一风机2的风力下输送至还原反应子系统。甲烷储存罐1用于储存甲烷，第一风机2将甲烷吹入管道；第一固体物料储存罐3、电炉粉尘储存罐4和第二固体物料储存罐5中的物料落入管道中和第一风机2送入管道的甲烷混合后，经过第一冷却器7进行预热，通过管道送到还原反应器6进行还原反应，发生Fe2O3+3CH4＝2Fe+3CO+6H2、ZnFe2O4+4CH4＝Zn+2Fe+4CO+8H2、ZnO+CH4＝Zn+CO+2H2等多种反应；其中甲烷与其他物料总和的质量比为大约为1：7。

还原反应子系统包括太阳能聚光器25以及用于接收物料输送子系统所输送物料且用于在其内部发生还原反应的还原反应器6，其中，还原反应器6中发生还原反应时由太阳能聚光器25提供还原反应所需温度。还原反应子系统还包括第一冷却器7和第一锁气器8，还原反应器6上的固体产物出口依次经第一冷却器7、第一锁气器8与第二氧化反应器9相通。

在本发明其中一个实施例中，所述还原反应器6包括混合物料进口管道6-2和与混合物料进口管道6-2相通的分离腔体6-6，且混合物料进口管道6-2为还原反应发生场所。混合物料进口管道6-2上开设有用于让太阳能入射的入射窗6-1，入射窗6-1位于太阳能聚光器25的聚光中心线上，分离腔体6-6上设置有与混合物料进口管道6-2的出口相通的气体产物出口和固体产物出口。固体产物出口上固定设置有第一固体产物出口管道6-4，气体产物出口上固定设置有第一气体产物出口管道6-3，且第一气体产物出口管道6-3的入口处设置有滤网6-7以防止固体物料被气体物料流带出。太阳能聚光器25通过入射窗6-1为混合物料进口管道6-2提供还原反应所需的高温1100K以上环境，这个温度左右的反应产物比例较为合适，并且保证反应能够进行，而且要保证生产的锌为气态，混合物料在混合物料进口管道6-2中发生还原反应主反应；反应产物在还原反应器6的分离腔体6-6内分离成气体产物CH

在本发明其中一个实施例中，混合物料进口管道6-2的管壁、分离腔体6-6的腔壁、第一气体产物出口管道6-3的管壁、第一固体产物出口管道6-4的管壁上均设置保温层6-5，以起到保温作用，减少热量的损失。

在本发明其中一个实施例中，混合物料进口管道6-2为盘旋管道。相较于采用直管，采用盘旋管道可以减少管道的占用空间的基础上，保证物料有足够的加热时间。

在本发明其中一个实施例中，盘旋管道与水平线的夹角为30-40°，有一定倾角可以防止混合物料堵塞管道，盘旋管道中相邻两条管道之间连接的圆弧管道弧度为90°以防止物料堵塞在盘旋的交接处。其中盘旋管道的直径和长度由实际反应物中物质的量所决定，第一气体产物出口管道6-3和第一固体产物出口管道6-4的管径由反应产物物质的量所决定。

工作时，还原反应器6内的气体产物进入第一气体产物出口管道6-3，保持第一氧化反应器16的温度在450K以上，保持还原反应器6的气体产物的温度在1190K以上通入第一氧化反应器16，通过物料入口管道16-1冲刷第一氧化反应器16的液体表面进行氧化反应主反应；其中反应物液态水的摩尔量是需要氧化的物质的摩尔量的4倍；氧化反应生成气体产物CH

工作时，还原反应器6内的固体产物通过第一固体产物出口管道6-4进入第一冷却器7降温，产物降温至500K，通过第一锁气器8后，进入第二氧化反应器9，其中第二氧化反应器9的工作原理与第一氧化反应器16一致，保持第二氧化反应器9的反应器温度在400K以上，在第二氧化反应器9发生氧化反应主反应。其中液态水的摩尔量是需要氧化的物质的摩尔量的4倍；氧化反应生成气体产物H

在本发明其中一个实施例中，锌处理子系统包括第一氧化反应器16、第二冷却器19、第一气水分离器20、第二风机27、气体储罐21、第二锁气器17和第一研磨机18，第二锁气器17与第一氧化反应器16的固体产物出口相通，所述第一研磨机18的输入口与第二锁气器17连接，第一研磨机18的输出口与第一固体物料储存罐3连通；第二冷却器19与第一氧化反应器16的气体产物出口相通，所述第二冷却器19与第一气水分离器20的分离入口连接，第一气水分离器20的分离出口与所述气体储罐21连接。在第一气水分离器20的分离出口与气体储罐21的入口之间还设置有第二风机27。还原反应器6中生成的气体产物进入第一氧化反应器16内与水发生氧化反应，产生的燃料气体CO、H2与水蒸气通过第二气体产物出口管道16-3进入第二冷却器19进行冷却降温，降至室温后，进入第一水分离器20进行气水分离后，由第二风机27送到气体储罐21中储存；氧化反应生成的固体产物ZnO经第二锁气器17、第一研磨机18后送到第一固体物料储存罐3，再回输至物料输送子系统循环。通过设置第二风机27保证产生气体有压力能够流动。

在本发明其中一个实施例中，第一气水分离器20可采用挡板式水分离器，利用惯性进行气水分离。

还原反应器、第一氧化反应器中都存在高温状态下的可燃气体，因此在可能与外界环境发生气体交换的固体产物管道中布置锁气器(第一锁气器和第二锁气器)，确保固体排出的同时防止外界助燃气体泄漏引起爆炸，提升了系统的安全性。

在本发明其中一个实施例中，铁处理子系统包括第二氧化反应器9、储氢罐15、第二研磨机10、磁选机11和废渣储存罐12，第二氧化反应器9的固体物料入口与还原反应器6的固体产物出口相通，第二氧化反应器9的气体产物出口与储氢罐15相通；第二研磨机10的物料入口与第二氧化反应器9的固体产物出口相通，第二研磨机10用于研磨第二氧化反应器9中氧化反应的固体产物，磁选机11用于将研磨后的固体产物中铁氧化物分离出来，铁氧化物进入第二固体物料储存罐5，其他送入废渣储存罐12。

在本发明其中一个实施例中，铁处理子系统中在第二氧化反应器9的气体产物出口与储氢罐15之间还设置有第三冷却器13和第二气水分离器14，第二氧化反应器9气体产物出口与第三冷却器13的入口相通，第二气水分离器14和第三冷却器13连接，第二气水分离器14的分离出口通过第三风机26与储氢罐15相通。第二氧化反应器9的氧化气体产物通过第二氧化反应器9的气体产物出口进入第三冷却器13进行降温，降至室温通过第二水分离器10进行气水分离后，气体经第三风机26的抽取进入储氢罐15进行储存。通过设置第三风机26，可以保证产生气体有压力能够流动。

在本发明其中一个实施例中，第二气水分离器14可采用挡板式水分离器，利用惯性进行气水分离。

在本发明其中一个实施例中，第一氧化反应器16和第二氧化反应器9的结构基本相同，所不同的是，第一氧化反应器16上的物料入口为混合气体入口，第二氧化反应器9上的物料入口为固体物料入口。下面以第一氧化反应器16为例对结构进行说明。

第一氧化反应器16为外筒旋转而内筒固定的内外筒结构，包括内筒16-7、外筒16-5、过滤板组16-8和第二固体产物出口管道16-4，内筒16-7和外筒16-5同轴设置，外筒16-5位于内筒16-7的外侧且外筒16-5可相对于内筒16-7旋转；内筒16-7的顶部设置有固体产物收集区，底部开口，且，内筒16-7上开设有物料入口、固体产物出口和气体产物出口，其中，第一氧化反应器16上的物料入口为混合气体入口，第二氧化反应器9上的物料入口为固体物料入口；过滤板组16-8位于外筒16-5和内筒16-7之间，过滤板组16-8的一端与外筒16-5的内壁16-6固定连接；第二固体产物出口管道16-4的入口端与内筒16-7上的固体产物收集区相通。

其中，物料入口、固体产物出口和气体产物出口均分别位于内筒16-7的两侧。物料入口上设置有物料入口管道16-1，固体产物出口上设置有第二固体产物出口管道16-4，气体产物出口上设置有第二气体产物出口管道16-3。外筒16-5的两侧不封闭，以方便设置第二固体产物出口管道16-4、第二气体产物出口管道16-3、物料入口管道16-1，使得各管道不会干涉外筒16-5的旋转。

在本发明其中一个实施例中，外筒16-5的旋转由电动机16-13驱动齿轮组16-11实现。具体的，齿轮组16-11包括固定在电动机16-13的传动轴16-12上的齿轮以及周向固定设置在外筒16-5外壁上与用于与齿轮啮合连接的啮合齿，且啮合齿设置在外筒16-5的中间处。工作时，启动电动机16-13，电动机16-13通过传动轴16-12带动齿轮转动，从而通过啮合齿带动外筒16-5相对于内筒16-7发生旋转。

优选地，设置在外筒16-5外壁上的啮合齿的齿数与固定在传动轴16-12上齿轮的齿数比在设计时要确保外筒转速为0.2-0.4rpm，如此可以使物料得到充分反应。

在本发明其中一个实施例中，在外筒16-5的内壁16-6和外壁之间还设有保温层16-9。

在本发明其中一个实施例中，外筒16-5呈圆柱体形状，内部中空，两端封头开口，内筒16-7的截面呈扇形，过滤板呈矩形板，其一端焊接在外筒内壁16-6上，随着外筒16-5的旋转而相对于内筒16-7旋转。每个过滤板的另一端不固定，且与内筒16-7的外壁之间柔性接触。在本发明其中一个实施例中，过滤板组16-8包括多个过滤板，多个过滤板的一端周向固定在外筒16-5的内壁16-6上，且每个过滤板均倾斜设置。优选地，过滤板与连接处外筒内壁16-6的切线的夹角为40°-50°

在本发明其中一个实施例中，内筒16-7上还开设有水入口，水入口上相应设置有水入口管道16-2。通过水入口管道16-2可以方便添加反应时所需要的水。由水入口管道16-2注水在外筒下面一定高度，水的高度能封闭内筒的开口。

工作时，可通过水入口管道16-2往外筒16-5内注入反应所需的水，还原反应器6的气体产物经物料入口管道16-1通入第一氧化反应器16内，与第一氧化反应器16的水进行氧化反应主反应。第一氧化反应器16的氧化固体产物沉积在液面以下，沉到外筒内壁16-6上，电动机16-13带动传动轴16-12转动，进而带动齿轮组16-11转动，从而带动外筒16-5做旋转转动，与外筒的内壁16-6固定连接的过滤板也随之运动。运动到外筒16-5下端时，过滤板16-8将带起氧化反应后的固体产物并随着外筒16-5的旋转将固体产物带动到外筒16-5上端，在重力的作用下，氧化固体产物掉落到内筒16-7上的固体产物收集区16-10内，然后经与固体产物收集区相通的第二固体产物出口管道16-4排出第一氧化反应器16，固体产物通过第二锁气器17，再通过第一研磨机18的研磨作用后，通入第一固体物料储存罐3储存，然后再在第一风机2的作用下进行下一轮的循环。

冷却子系统用于给冷却器提供冷却水。冷却子系统包括储水罐23，在储水罐23和第二冷却器19之间设置有第一水泵24，在储水罐23和第三冷却器之间设置有第二水泵22。储水罐的一部分水进入第二冷却器19的预热，加热至反应温度(如373K)后通过水入口管道16-2通入第一氧化反应器16，进行氧化反应。储水罐23的另一部分水进入第三冷却器13进行预热，加热到反应温度(如373K)后通入第二氧化反应器9内，然后进行氧化反应。

本发明提供的电炉粉尘作为循环介质的太阳能热化学能量转化系统利用电炉粉尘(主要为Fe

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这个描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实施的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。