本發(fā)明涉及一種耦合固體氧化物電解與高爐余熱利用的煉鐵系統(tǒng)及方法，屬于氫能利用與高爐煉鐵，具體涉及將電解產生的氫氣和氧氣用于高爐煉鐵的過程，并通過利用高爐余熱提高整體煉鐵效率的技術方案。

背景技術：

1、傳統(tǒng)高爐煉鐵的流程是以焦炭作為還原劑和燃料，將鐵礦石還原成鐵，因此高爐煉鐵伴隨著大量二氧化碳等溫室氣體的產生。隨著全球氣候變暖和溫室效應的加劇，亟需開發(fā)鋼鐵冶煉新技術以推動鋼鐵工業(yè)的綠色轉型，降低煉鐵過程的能量消耗和碳排放。近年來，氫氣作為清潔的還原劑和燃料，因其還原能力強且清潔低碳特性，被用于替代高爐煉鐵過程的焦炭，對高爐煉鐵等難脫碳領域的節(jié)能減碳具有重要意義。

2、高爐富氫冶煉技術是主要的氫冶金工藝之一，其技術原理是在高爐冶煉過程中噴吹純氫或富氫氣體，對爐內鐵礦石進行還原，減少焦炭/煤的噴吹量，從源頭上減少co2的產生。

3、然而目前的高爐富氫冶煉技術存在以下問題：

4、向高爐中噴吹大量氫氣時，氫還原為強吸熱反應，爐內溫度降低，如何解決高爐的熱量補償問題尤為關鍵；高爐煉鐵過程中會產生高爐煤氣、高爐煤渣等副產品，其中含有大量余熱未被充分利用，因此高爐煉鐵的余熱利用率較低，應重點關注余熱的回收利用技術；目前以電解水制氫為氫氣來源的高爐系統(tǒng)中，電解水制氫與高爐依然是相對獨立的兩個系統(tǒng)，尚未從全流程角度優(yōu)化氫冶金過程，繼續(xù)探索電解水制氫與高爐煉鐵深度耦合的新型氫冶金系統(tǒng)。

5、2022年11月15日公布的發(fā)明專利cn115341057a中，涉及一種高爐富氫冶煉系統(tǒng)及方法，包括發(fā)電系統(tǒng)、電解水系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、預熱系統(tǒng)、熱風系統(tǒng)，使用可再生能源發(fā)電驅動電解水，產生的氫氣經預熱系統(tǒng)預熱后進入高爐本體使用。一方面使用氫氣可以實現(xiàn)鋼鐵冶煉的減排效果，另一方面使用可再生能源進行發(fā)電，可以解決可再生能源的能源浪費問題。但該系統(tǒng)沒有考慮高爐煉鐵過程中余熱資源的有效利用，只是電解水制氫與高爐簡單耦合的高爐富氫冶煉系統(tǒng)。

6、2023年9月12日公布的發(fā)明專利cn116732259a中，涉及一種高爐噴吹富氫氣體的冶煉方法及其系統(tǒng)，主要包括將綠氨加熱裂解得到氫氣和氮氣，并與剩余綠氨混合得到富氫氣體再進入高爐進行冶煉。利用綠氨作為氫氣輸送的載體，解決了氫氣安全性差和輸運困難的問題，同時高爐噴吹富氫氣體間接實現(xiàn)了高爐綠色純氫穩(wěn)定噴吹，提高了高爐間接還原度，降低煉鐵過程碳排放。但該系統(tǒng)采用電加熱對富氫氣體進行預熱，為高爐富氫冶煉提供部分熱量，氫氣預熱過程導致系統(tǒng)電耗較高。

7、2022年12月27日公布的發(fā)明專利cn115522003a中，涉及一種基于能質轉換的富氫高爐煉鐵系統(tǒng)及其生產控制方法，包括電解水系統(tǒng)，氫氣噴吹閥組，氧氣噴吹閥組，氫氣預熱系統(tǒng)，電解水產生的氫氣經壓縮機增壓后送入氫氣預熱系統(tǒng)預熱，預熱后的氫氣噴吹入高爐內，電解水產生的氧氣經氧氣噴吹閥組調整壓力、流量后噴吹入高爐內。但該系統(tǒng)中采用電加熱的方式預熱氫氣，預熱過程電耗高，電解制氫與高爐只是簡單集成，并且高爐煉鐵過程的余熱沒有被有效回收，余熱利用效率低。

技術實現(xiàn)思路

1、為克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種耦合固體氧化物電解與高爐余熱利用的煉鐵系統(tǒng)及方法，具體采用如下技術方案：

2、一種耦合固體氧化物電解與高爐余熱利用的煉鐵系統(tǒng)，包括固體氧化物電解系統(tǒng)、熱風系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)和高爐本體；

3、所述高爐本體，用于還原礦石，冶煉生鐵；

4、所述固體氧化物電解系統(tǒng)，在外部電源和高爐本體余熱的耦合驅動下，通過電解水產生氫氣和氧氣；所述固體氧化物電解系統(tǒng)的陽極出口與熱風系統(tǒng)相連，空氣進入熱風系統(tǒng)，陰極出口與高爐本體相連，氫氣經換熱器加熱噴吹進入高爐本體內；

5、所述高爐本體頂部出風口與熱風系統(tǒng)相連，高爐煤氣由此進入熱風系統(tǒng)；所述熱風系統(tǒng)，以高爐煤氣為燃料，向高爐本體連續(xù)輸送高溫熱風；

6、所述高爐本體底部出渣口與換熱器相連，爐渣顯熱熱量被換熱器回收；

7、所述換熱系統(tǒng)連接各個換熱器，將高爐本體產生的余熱用于加熱固體氧化物電解池入口物料及高爐入口氫氣；所述換熱系統(tǒng)集成整個系統(tǒng)各部件的熱量負荷，實現(xiàn)電解制氫過程與高爐煉鐵過程熱量的梯級回收與利用。

8、其中，所述的固體氧化物電解系統(tǒng)包括電解槽；

9、所述的電解槽的陰極入口為水入口，依次連接有水泵、低溫換熱器和高溫換熱器；水蒸氣經過低溫換熱器和高溫換熱器加熱到800℃進入電解槽；

10、陰極出口依次連接電堆出口蒸汽換熱器和汽水分離器，汽水分離器的氫氣出口連接高爐本體的高爐入口氫氣換熱器；氫氣經高爐入口氫氣換熱器加熱到800℃～1200℃噴吹進入高爐本體內；

11、所述的電解槽的陽極入口為空氣入口，依次連接有空氣壓縮機和空氣換熱器；空氣經過空氣換熱器加熱到800℃進入電解槽；

12、陽極出口通過三通分別連接電堆出口空氣換熱器和熱風系統(tǒng)。

13、其中，所述熱風系統(tǒng)包括熱風爐；

14、所述的熱風爐通過除塵器和脫硫器與高爐本體頂部出風口連接，熱風爐以高爐煤氣為燃料，燃燒供熱將冷風加熱到1200℃進入高爐本體；熱風爐的煙氣出口設有熱風爐出口煙氣換熱器。

15、進一步的，所述的高爐本體底部出渣口設有爐渣換熱器和爐渣處理裝置，爐渣顯熱熱量被爐渣換熱器回收。

16、本發(fā)明提供的一種耦合固體氧化物電解與高爐余熱利用的煉鐵方法，采用所述的一種耦合固體氧化物電解與高爐余熱利用的煉鐵系統(tǒng)實現(xiàn)，包括如下步驟：

17、水和空氣經過加壓后，通入換熱器加熱到800℃，分別通入固體氧化物電解系統(tǒng)的陰極和陽極，外部電源向固體氧化物電解系統(tǒng)通電，水蒸氣被電解為氫氣和氧氣；

18、固體氧化物電解系統(tǒng)陽極出口的空氣進入熱風系統(tǒng)，與高爐煤氣發(fā)生燃燒反應放出熱量，將冷風加熱到1200℃送入高爐本體；

19、固體氧化物電解系統(tǒng)陰極出口的氫氣經換熱器加熱到800℃后進入高爐本體內，鐵礦石與氫氣、煤粉發(fā)生還原反應產生鐵水，高爐煤氣和爐渣，高爐煤氣由高爐本體頂部出風口進入熱風系統(tǒng)，爐渣從高爐本體底部出渣口進入換熱器冷卻。

20、本發(fā)明的技術方案獲得了下列有益效果：

21、(1)本發(fā)明提出的耦合固體氧化物電解與高爐余熱利用的煉鐵系統(tǒng)通過換熱網(wǎng)絡集成整個煉鐵系統(tǒng)各部件的熱量負荷，實現(xiàn)固體氧化物電解制氫和高爐煉鐵過程中余熱的梯級回收與利用，提高電解制氫與高爐煉鐵的綜合能源利用效率。

22、(2)本發(fā)明提出的耦合固體氧化物電解與高爐余熱利用的煉鐵系統(tǒng)通過換熱網(wǎng)絡實現(xiàn)系統(tǒng)內部熱量的梯級利用，將高爐煉鐵過程產生的熱量用于電解池入口水的預熱，為固體氧化物電解制氫過程提供熱量補償，降低制氫過程的電耗，降低制氫電耗率。

23、(3)本發(fā)明提出的耦合固體氧化物電解與高爐余熱利用的煉鐵系統(tǒng)通過換熱網(wǎng)絡將高爐煉鐵過程產生的熱量用于加熱高爐入口氫氣，解決了高爐富氫冶煉的熱量補償問題，保證了高爐的冶煉溫度。

24、(4)本發(fā)明提出耦合固體氧化物電解與高爐余熱利用的煉鐵系統(tǒng)，用電解水產生的氫氣替代部分焦炭作為還原劑和發(fā)熱劑，減少煉鐵過程對焦炭的依賴，顯著降低二氧化碳排放量，對煉鐵過程的節(jié)能減碳具有重要意義。