D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.s1.037 第31卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.31 Suppl.1 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 太阳能光伏非碳冶金实验研究 吴华峰李士琦朱荣王玉刚 刘润藻 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 摘要通过现有铁源利用及碳治金流程分析，提出了太阳能光伏非碳治金概念·太阳能光伏非碳治金研究包括高温冶炼、 非碳还原介质的选择及还原溶融三个方面·自主设计制造了1kg容量的太阳能非碳治金系统，进行了三类非碳冶金实验， 实验结果表明太阳能光伏非碳治金在技术上可行，自主设计制造的太阳能光伏非碳治金系统均能满足治炼要求·高温冶炼实 验光伏电池转换率9.8%，钢水热焓占总能量消耗5%：非碳还原制铁实验电解法电流效率平均为85.1%，最高可达97.6%： 氢还原F2O3还原度影响因素由强到弱依次为：气氛、温度，时间、粒度.根据实验结果，研究还需深化，以寻求太阳能光伏非 碳治金系统更好的经济性、稳定性及可操作性。 关键词太阳能光伏：非碳治金；水溶液电解：氢还原：C02排放 Experimental research on non-carbon metallurgy by solar photovoltaic technology WU Huafeng,LI Shi-qi,ZHU Rong,WANG Yu-gang,LIU Run-zao Metallurgical and Ecological Engineering School.University and Science Technology Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACI A new concept named "non-carbon metallurgy by solar energy photovoltaic technology"was put forward through the analysis of the iron source usage and the carbon metallurgy process.The main study included smelting at high temperature,no-carbon reduction,and melting"reduction.The experimental system with 1-kg capacity was designed and manufactured.Three kinds of ex- periments were carried out.It shows that the concept of "non-carbon metallurgy by solar energy photovoltaic technology"is feasible and the system can meet the needs of smelting.The conversion rate of the photovoltaic cell is 9.8%and the steel enthalpy accounts for 5%of the total energy consumption in the high temperature smelting experiment.The current efficiency is85.1%with the high- est being 97.6%during the electrolysis process.The decrease order of influence on the reduction degree of Fe203 is atmosphere tem- perature,time,and particle size in the hydrogen reduction process.According to the results.further study is needed to get better economy.stability,and operability of this system. KEY WORDS solar photovoltaic:non-carbon metallurgy:aqueous solution electrolysis:hydrogen reduction:CO2 emission 铁是地球上分布最广的金属之一，居元素分布 经还原剂热力学可能性，资源条件和分布，制备 序列中的第四位，仅次于氧、硅和铝。作为人类物质 的难易程度，经济性等各方面因素综合考虑，钢铁工 文明中最重要的基本结构材料，其年用量占到金属 业以碳为主要还原介质和能源载体，将其用于氧化 总年用量的90%左右， 物的还原和提供热能两个方面：前者主要是化学消 热力学研究表明，铁氧化物在常温下的分解压 耗，后者主要是物理热的转化，而所消耗的碳元素， 远小于大气中氧的分压，在自然界稳定的存在的铁， 最终大部分都以CO2的形式排放出来 应是氧化物的形式，金属铁的获得需利用与氧有较 大亲和力的物质去夺取铁氧化物中的氧，这是铁氧 1碳冶金 化物中正价态的铁失去电子成为单质铁的还原 在当今社会条件下，有两种铁源，一是自然界存 过程， 在的铁矿石，二是社会生产积累的废钢.对应于此， 收稿日期：2006-08-01 作者简介：吴华蜂(1980-），男，博士研究生，Emai:magic444@tom-com
太阳能光伏非碳冶金实验研究 吴华峰 李士琦 朱 荣 王玉刚 刘润藻 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 摘 要 通过现有铁源利用及碳冶金流程分析提出了太阳能光伏非碳冶金概念．太阳能光伏非碳冶金研究包括高温冶炼、 非碳还原介质的选择及还原－熔融三个方面．自主设计制造了1kg 容量的太阳能非碳冶金系统进行了三类非碳冶金实验． 实验结果表明太阳能光伏非碳冶金在技术上可行自主设计制造的太阳能光伏非碳冶金系统均能满足冶炼要求．高温冶炼实 验光伏电池转换率9∙8％钢水热焓占总能量消耗5％；非碳还原制铁实验电解法电流效率平均为85∙1％最高可达97∙6％； 氢还原 Fe2O3 还原度影响因素由强到弱依次为：气氛、温度、时间、粒度．根据实验结果研究还需深化以寻求太阳能光伏非 碳冶金系统更好的经济性、稳定性及可操作性． 关键词 太阳能光伏；非碳冶金；水溶液电解；氢还原；CO2 排放 Experimental research on non-carbon metallurgy by solar photovoltaic technology W U Hua-fengLI Sh-i qiZHU RongW A NG Y u-gangLIU Run-z ao Metallurgical and Ecological Engineering SchoolUniversity and Science Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT A new concept named “non-carbon metallurgy by solar energy photovoltaic technology” was put forward through the analysis of the iron source usage and the carbon metallurgy process．T he main study included smelting at high temperatureno-carbon reductionand melting-reduction．T he experimental system with1-kg capacity was designed and manufactured．T hree kinds of experiments were carried out．It shows that the concept of “non-carbon metallurgy by solar energy photovoltaic technology” is feasible and the system can meet the needs of smelting．T he conversion rate of the photovoltaic cell is9∙8％ and the steel enthalpy accounts for 5％ of the total energy consumption in the high temperature smelting experiment．T he current efficiency is85∙1％ with the highest being97∙6％ during the electrolysis process．T he decrease order of influence on the reduction degree of Fe2O3is atmosphere temperaturetimeand particle size in the hydrogen reduction process．According to the resultsfurther study is needed to get better economystabilityand operability of this system． KEY WORDS solar photovoltaic；non-carbon metallurgy；aqueous solution electrolysis；hydrogen reduction；CO2emission 收稿日期：2006-08-01 作者简介：吴华峰（1980－）男博士研究生E-mail：magic444＠tom．com 铁是地球上分布最广的金属之一居元素分布 序列中的第四位仅次于氧、硅和铝．作为人类物质 文明中最重要的基本结构材料其年用量占到金属 总年用量的90％左右． 热力学研究表明铁氧化物在常温下的分解压 远小于大气中氧的分压在自然界稳定的存在的铁 应是氧化物的形式．金属铁的获得需利用与氧有较 大亲和力的物质去夺取铁氧化物中的氧这是铁氧 化物中正价态的铁失去电子成为单质铁的还原 过程． 经还原剂热力学可能性资源条件和分布制备 的难易程度经济性等各方面因素综合考虑钢铁工 业以碳为主要还原介质和能源载体将其用于氧化 物的还原和提供热能两个方面：前者主要是化学消 耗后者主要是物理热的转化而所消耗的碳元素 最终大部分都以 CO2 的形式排放出来． 1 碳冶金 在当今社会条件下有两种铁源一是自然界存 在的铁矿石二是社会生产积累的废钢．对应于此 第31卷 增刊1 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31Suppl．1 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．s1．037
Vol.31 Suppl.I 吴华峰等：太阳能光伏非碳冶金实验研究 .23. 主要有两类炼钢生产流程，一是以铁矿石为原料的 高炉炼铁/转炉炼钢流程，这是关于铁元素分离、提 阳光 取的工艺：二是以废钢铁为原料的电炉炼钢流程，这 Co. 光伏效应 是关于铁元素的回收再利用流程，生产过程中，上 述两种原料和工艺尚有约近10%的交叉：转炉炼钢 藻类、绿色植物 传统钢铁生产 补加冷废钢，而电炉炼钢配加热铁水.可以看出，现 非 其他生物体（消费者） 治金 代钢铁工业的生产结构和技术结构都是建立在碳介 非碳过程 煤、石袖。天然气等 碳循环 质的基础之上，上述两类流程属于“碳治金”的范畴 碳元素在钢的制造中有三方面的作用：一是合 图1非碳冶金与传统钢铁生产的碳循环 金元素，每吨钢用碳量约为10kg:二是还原剂，每吨 钢用碳量约为250kg;三是燃料，每吨钢用碳量约为 2.2太阳能光伏非碳冶金实验研究 300kg·按现行的火法工艺，过程的物理能耗理论上 实验研究包括三方面的内容： 的极限值是1600℃钢的热焓值，约取为1.3GJ· (1)太阳能光伏高温冶金研究包括：①直流电 t-1.考虑铁的氧化物还原，若全部为Fe0的直接还 弧炉熔炼研究：②直流电渣炉熔炼研究： 原反应，每生产1t生铁，还原需消耗214kg碳素；考 (2)太阳能光伏非碳还原研究包括：①水溶液 虑到反应吸热，过剩系数和能量的回收，每冶炼1t 电解还原金属研究：②电解制氢还原铁矿石研究； 粗钢消耗碳素约600~700kg,生成C02约1800~ (③)太阳能光伏非碳还原熔融研究 2000kg 无论采用非碳还原何种方案所得到的铁元素， 从更广泛的意义而言，现行的钢铁治金生产工 都可使用太阳能光伏非碳高温熔炼技术进一步在熔 艺中使用碳素还原剂和燃料，实际上是使用数千万 融状态下进行分离、精炼· 年前光合作用“固化”的太阳能的载体，其根本也是 3太阳能光伏非碳治金系统集成 在使用“太阳能”，只不过其中以碳素为载体。冶金 过程中将这些积累的能量快速释放，这种快速释碳 3.1北京地区太阳能辐射能源 过程必然会对整个碳循环的平衡造成剧烈冲击，从 太阳能光伏非碳冶金实验在北京科技大学进 而带来环境污染、全球变暖等一系列平衡失调的问 行，能量的源头来自阳光光照，北京市位于北纬39 题]. 度56分，东经116度20分地区.北京年散射辐射 量的历年平均值为2413M山m2,年直射辐射量的 2太阳能光伏非碳冶金 历年平均值为2944M山m~2.北京太阳能日辐射量 2.1太阳能光伏非碳冶金的概念 为15261kJm-2,转换成标准光强下的平均日辐射 非碳冶金的含义是在治金过程中不使用含碳介 时数，北京平均标准日照时间为4.24h[6] 质为还原剂和燃料，但不排除其他少量的，如合金 3.2系统构成 化、电极、耐材等碳素的消耗，因而不是完全的“无 太阳能光伏非碳冶金实验系统为炼钢工艺过 碳”过程，而是非碳冶金过程， 程，电热转换技术，反应器，蓄能方式四个方面的集 太阳能光伏非碳冶金借助于材料的光伏效应由 成，由四个单元技术构成：光电转换单元、蓄能单元、 阳光获得电能继而用于冶金，一方面由电能得到炼 配电控电单元和电热转换单元，蓄能系统主要包括 钢所必须的1600℃高温；另一方面，任何一种氧化 1.2kW容量太阳能电池板的光一电转换和2V, 还原过程其实质是电子的得失，由光伏效应获得的 1000Ah的蓄电池组的电能一化学能转换两个过 电子可以以多种形式参与铁氧化物的还原反应，非 程；释能系统包括蓄电装置的化学能一电能转换和 碳治金与传统钢铁生产的碳循环对照见图1，以碳 1kg公称容量反应器的电一热转换两个过程；控制器 为介质的治金过程，具有数以千万公里计、数以千万 控制两个系统协调工作-].太阳能非碳治金实验 年计的极长极大的时空尺度；以电子为介质的“非碳 系统拓扑结构如图2所示 治金”过程，具有很小、极快速的时空尺度，其治金学 4实验及结果分析 特征是钢的生产过程不涉及化石能源，以求碳的消 耗和CO2的排放最低；其技术特征在于太阳能光伏 4.1高温熔炼实验 发电与炼钢过程的能量的集成匹配[可]. 太阳光辐射能资源的不连续性与炼钢高温过程
主要有两类炼钢生产流程．一是以铁矿石为原料的 高炉炼铁／转炉炼钢流程这是关于铁元素分离、提 取的工艺；二是以废钢铁为原料的电炉炼钢流程这 是关于铁元素的回收再利用流程．生产过程中上 述两种原料和工艺尚有约近10％的交叉：转炉炼钢 补加冷废钢而电炉炼钢配加热铁水．可以看出现 代钢铁工业的生产结构和技术结构都是建立在碳介 质的基础之上上述两类流程属于“碳冶金”的范畴． 碳元素在钢的制造中有三方面的作用：一是合 金元素每吨钢用碳量约为10kg；二是还原剂每吨 钢用碳量约为250kg；三是燃料每吨钢用碳量约为 300kg．按现行的火法工艺过程的物理能耗理论上 的极限值是1600℃钢的热焓值约取为1∙3GJ· t －1．考虑铁的氧化物还原若全部为 FeO 的直接还 原反应每生产1t 生铁还原需消耗214kg 碳素；考 虑到反应吸热过剩系数和能量的回收每冶炼1t 粗钢消耗碳素约600～700kg生成 CO2 约1800～ 2000kg． 从更广泛的意义而言现行的钢铁冶金生产工 艺中使用碳素还原剂和燃料实际上是使用数千万 年前光合作用“固化”的太阳能的载体其根本也是 在使用“太阳能”只不过其中以碳素为载体．冶金 过程中将这些积累的能量快速释放这种快速释碳 过程必然会对整个碳循环的平衡造成剧烈冲击从 而带来环境污染、全球变暖等一系列平衡失调的问 题［1－3］． 2 太阳能光伏非碳冶金 2∙1 太阳能光伏非碳冶金的概念 非碳冶金的含义是在冶金过程中不使用含碳介 质为还原剂和燃料但不排除其他少量的如合金 化、电极、耐材等碳素的消耗因而不是完全的“无 碳”过程而是非碳冶金过程． 太阳能光伏非碳冶金借助于材料的光伏效应由 阳光获得电能继而用于冶金一方面由电能得到炼 钢所必须的1600℃高温；另一方面任何一种氧化 还原过程其实质是电子的得失由光伏效应获得的 电子可以以多种形式参与铁氧化物的还原反应．非 碳冶金与传统钢铁生产的碳循环对照见图1．以碳 为介质的冶金过程具有数以千万公里计、数以千万 年计的极长极大的时空尺度；以电子为介质的“非碳 冶金”过程具有很小、极快速的时空尺度其冶金学 特征是钢的生产过程不涉及化石能源以求碳的消 耗和 CO2 的排放最低；其技术特征在于太阳能光伏 发电与炼钢过程的能量的集成匹配［4－5］． 图1 非碳冶金与传统钢铁生产的碳循环 2∙2 太阳能光伏非碳冶金实验研究 实验研究包括三方面的内容： （1） 太阳能光伏高温冶金研究包括：①直流电 弧炉熔炼研究；②直流电渣炉熔炼研究； （2） 太阳能光伏非碳还原研究包括：①水溶液 电解还原金属研究；②电解制氢还原铁矿石研究； （3） 太阳能光伏非碳还原－熔融研究． 无论采用非碳还原何种方案所得到的铁元素 都可使用太阳能光伏非碳高温熔炼技术进一步在熔 融状态下进行分离、精炼． 3 太阳能光伏非碳冶金系统集成 3∙1 北京地区太阳能辐射能源 太阳能光伏非碳冶金实验在北京科技大学进 行能量的源头来自阳光光照．北京市位于北纬39 度56分东经116度20分地区．北京年散射辐射 量的历年平均值为2413MJ·m －2年直射辐射量的 历年平均值为2944MJ·m －2．北京太阳能日辐射量 为15261kJ·m －2转换成标准光强下的平均日辐射 时数北京平均标准日照时间为4∙24h ［6］． 3∙2 系统构成 太阳能光伏非碳冶金实验系统为炼钢工艺过 程电热转换技术反应器蓄能方式四个方面的集 成由四个单元技术构成：光电转换单元、蓄能单元、 配电控电单元和电热转换单元．蓄能系统主要包括 1∙2kW 容量太阳能电池板的光－电转换和2V 1000A·h的蓄电池组的电能－化学能转换两个过 程；释能系统包括蓄电装置的化学能－电能转换和 1kg公称容量反应器的电－热转换两个过程；控制器 控制两个系统协调工作［7－8］．太阳能非碳冶金实验 系统拓扑结构如图2所示． 4 实验及结果分析 4∙1 高温熔炼实验 太阳光辐射能资源的不连续性与炼钢高温过程 Vol．31Suppl．1 吴华峰等： 太阳能光伏非碳冶金实验研究 ·23·
24 北京科技大学学报 2009年增刊1 SD时间继电器 DLI ZJDI 直流电流表① 直流 KZ SDI 继电器 22 DZISO SI+ L0+ 电 DC24 V 挖制器 SJD (1 200 Wp (CX40) DL2 SD2 KI 10- 直流电流表 FL +- SD3 BL1■ RD2 微型分流器 太阳能电池板 空 2+ B2- 避雷器 ZJDI ]断器○Dz2 ⊙ 23 4。 DYI FL2 直流电压表 DC24V反应器 分流器 城游羊 RDI 口熔新器 控制相 B1+ B1 K2 新路开关 DZ18 B0+ BO 24V1000Ah 蓄电池组 图2太阳能非碳冶金实验系统拓扑结构 的持续能量集中供给之间的匹配与协调是冶炼过程 流的电渣治金，稍加改变可进行交直流的电弧治 成功实现的核心难点，初步探索实验以此为基础， 金[812] 借鉴成熟的直流电弧炉生产经验，充分考虑经济性 太阳能非碳冶金炼钢实验最长冶炼持续时间为 和可行性，经能量匹配，电压、电流、功率整合，自主 103min,得到钢锭935g,冶炼周期为40~60min. 设计了1kg容量的直流电弧炉，并以其为反应器进 电弧炉实验中由于电流不稳定导致继电器断开三 行了炼钢实验，实验结果表明太阳能光伏高温冶炼 次，主要原因是由于在冶炼过程中，电弧裸露在空 在技术上可行，系统可满足持续高温冶炼需求.后 气当中，而且随着不断的加料，电弧处于相当不稳定 续研究以反应器及其机械结构优化为基础，设计制 的状态，引起熄弧和断电·电渣炉实验经反应器及机 造了1kg容量的有衬电渣炉，并匹配3kW的逆变 械结构优化，冶炼相对顺行，获得的钢样也具有更好的 器.有衬电渣炉作为实验用反应器不仅可进行交直 形貌.两类冶炼过程工艺参数如表1和表2所示. 表1太阳能非碳治金实验电弧炉工艺参数 渣池参数 电参数 几何参数 渣系组成 渣量/% 工作电压/V 工作电流/A 石墨电极尺寸 治炼坩埚尺寸 工作时间/min ①25mm×300mm ①45mm×100mm Cao:MgoiCaF2= 必 24 100-300 ②$25mm×200mm ②55mm×100mm 40-100 42%:28%:30% ③30mmX300mm ③55mmX110mm 表2太阳能非碳治金实验电渣炉工艺参数 渣池参数 电参数 几何参数 渣系组成 渣量/% 工作电压/W 工作电流/A 自耗电极尺寸 炉膛尺寸 深径比 工作时间/min Ca0:Al203CaF2= 25 22 180 16mm×400mm 48mm×65mm 1.35 40~-60 42%:28%:30% 对自主设计制造的有衬电渣炉，以典型的治炼 应器所用的能量为2.73kWh,钢水热焓只占到实 实验为例，进行了能量分配分析，如表3所示·直观 际能量消耗的5%. 的能量分配情况见图3，系统实际使用中转化的电 4.2水溶液电解制铁实验 能为0.64kWh,太阳能电池的转换效率只有9.8%， 水溶液电解制铁实验，根据原料的不同分为提 控制器、系统中的电线等附件共消耗了0.7kWh,反 取和再生两个流程1314)
图2 太阳能非碳冶金实验系统拓扑结构 的持续能量集中供给之间的匹配与协调是冶炼过程 成功实现的核心难点．初步探索实验以此为基础 借鉴成熟的直流电弧炉生产经验充分考虑经济性 和可行性经能量匹配电压、电流、功率整合自主 设计了1kg 容量的直流电弧炉并以其为反应器进 行了炼钢实验．实验结果表明太阳能光伏高温冶炼 在技术上可行系统可满足持续高温冶炼需求．后 续研究以反应器及其机械结构优化为基础设计制 造了1kg 容量的有衬电渣炉并匹配3kW 的逆变 器．有衬电渣炉作为实验用反应器不仅可进行交直 流的电渣冶金稍加改变可进行交直流的电弧冶 金［8－12］． 太阳能非碳冶金炼钢实验最长冶炼持续时间为 103min得到钢锭935g冶炼周期为40～60min． 电弧炉实验中由于电流不稳定导致继电器断开三 次．主要原因是由于在冶炼过程中电弧裸露在空 气当中而且随着不断的加料电弧处于相当不稳定 的状态引起熄弧和断电．电渣炉实验经反应器及机 械结构优化冶炼相对顺行获得的钢样也具有更好的 形貌．两类冶炼过程工艺参数如表1和表2所示． 表1 太阳能非碳冶金实验电弧炉工艺参数 渣池参数 电参数 几何参数 渣系组成 渣量／％ 工作电压／V 工作电流／A 石墨电极尺寸 冶炼坩埚尺寸 工作时间／min CaO∶MgO∶CaF2＝ ①●25mm×300mm ①●45mm×100mm 42％∶28％∶30％ 35 24 100～300 ②●25mm×200mm ②●55mm×100mm 40～100 ③●30mm×300mm ③●55mm×110mm 表2 太阳能非碳冶金实验电渣炉工艺参数 渣池参数 电参数 几何参数 渣系组成 渣量／％ 工作电压／V 工作电流／A 自耗电极尺寸 炉膛尺寸 深径比 工作时间／min CaO∶Al2O3∶CaF2＝ 42％∶28％∶30％ 25 22 180 ●16mm×400mm ●48mm×65mm 1∙35 40～60 对自主设计制造的有衬电渣炉以典型的冶炼 实验为例进行了能量分配分析如表3所示．直观 的能量分配情况见图3系统实际使用中转化的电 能为0∙64kWh太阳能电池的转换效率只有9∙8％ 控制器、系统中的电线等附件共消耗了0∙7kWh反 应器所用的能量为2∙73kWh．钢水热焓只占到实 际能量消耗的5％． 4∙2 水溶液电解制铁实验 水溶液电解制铁实验根据原料的不同分为提 取和再生两个流程［13－14］． ·24· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.I 吴华峰等：太阳能光伏非碳冶金实验研究 25 表3典型太阳能非碳冶金实验能量状况 入射光能量/ 太阳能电池板理论 太阳能电池板实际 蓄电池耗能/ 控制器耗能/ 线路等损失/ 反应器耗能/ kWh 发电量人Wh 发电量/kWh kWh kWh kWh kWh 6.5 0.804 3.1 0.33 0.33 0.37 2.73 注：太阳能电池板转换效率：9.8%；太阳能电池板工作效率，80%；蓄电池放电深度：13%. 散逸能量 线路等损失 熔池渣面向 电阻热向冷区 炉体向外空间 5.86 kWh 0.37 kWh 炉壁辐射 辐射传热 辐射能 太阳能电池板接收 的太阳辐射能 充能N 蓄电池组额定能量 释能 6.5kWh 0.64kh 24 kWh 反应器消耗能量 钢水物理热 3.1 kWh 转换效率9.8% (9.8%) 放电深度13% 2.73 kWh 0.】42kWh 工作效率80% 2 炉气和烟尘从 控制器耗能 炉气和烟尘离开 炉气、烟尘 反应区到出炉体 0.33 kWh 炉体时热熔 热焓 出口运行过程中 向护壁辐射 图3 典型太阳能非碳治金实验能量分配 ()水溶液再生制铁实验 NaCl浓度、温度、pH值、电流密度、极距为影响因子 首先进行了水溶液电解预实验，实验累计时间 进行了6因素、2水平的正交实验.正交实验每组重 为39.8h,共计得到电解铁61.3g在探索基本电解 复一次，共计16次实验.实验结果如表4所示，对 条件的基础上进行了扩大实验，扩大实验以电流效 实验结果进行方差分析，结果如表5所示 率和电解铁的形貌为指标，以FeC2·4Hz0浓度、 表4水溶液电解再生制铁实验方案及结果 E 电流效率/% 实验号 FeCl24H0浓度/ NaCI浓度/ 温度/ 极距/ 电流密度/ 空列 (gL) (gL) ℃ pH值 mm (Adm2) 1组 2组 250 50 23 1.2 30 10 57.34 65.04 2 250 50 23 1.6 70 15 2 89.90 95.08 250 80 63 1.2 30 15 2 57.99 67.03 4 250 80 63 1.6 70 10 97.60 95.30 5 350 50 63 1.2 70 10 2 95.54 84.88 350 50 63 1.6 30 15 1 93.50 93.2 350 80 23 1.2 70 15 1 95.90 95.23 8 350 80 23 1.6 30 勿 2 86.37 92.0 k1 625.28 674.48 676.86 618.95 612.47 674.07 693.11 平均：85.12% k2 736.62 687.42 685.04 742.95 749.43 687.83 668.79 注：1为各因素在1水平下电流效率总和，k2为各因素在2水平下电流效率总和 表5水溶液电解再生制铁实验方差分析 经显著性检验表明因子E,D,A对电流效率有 影响因素商差平方和 自由度 均方和 F值显著性 较显著的影响，且都是2水平优先；而因子F,B,C A 774.79 774.79 31.55 的影响不显著，低温电解，不易得到完整电解铁层， B 10.46 10.46 0.42 分析应是在较低温度情况下铁片中含氢较多，致使 C 4.18 1 4.18 0.17 电解铁层质脆而又粗糙.提高电解槽温度可以有效 961.00 1 961.00 39.13 E 1172.38 个 1172.3847.74 地增加溶液中氢离子的过电势，减少浓差极化及电 F 11.83 1 11.83 0.48 化学极化的不利影响.结合操作方便和经济等方面 注：空列误差，36.97：重复实验误差，159.50：总误差，196.47. 考虑，最终确定合理工艺为：A2B2C2D2E2F1·
表3 典型太阳能非碳冶金实验能量状况 入射光能量／ kWh 太阳能电池板理论 发电量／kWh 太阳能电池板实际 发电量／kWh 蓄电池耗能／ kWh 控制器耗能／ kWh 线路等损失／ kWh 反应器耗能／ kWh 6∙5 0∙804 3∙1 0∙33 0∙33 0∙37 2∙73 注：太阳能电池板转换效率：9∙8％；太阳能电池板工作效率：80％；蓄电池放电深度：13％． 图3 典型太阳能非碳冶金实验能量分配 （1） 水溶液再生制铁实验． 首先进行了水溶液电解预实验实验累计时间 为39∙8h共计得到电解铁61∙3g．在探索基本电解 条件的基础上进行了扩大实验．扩大实验以电流效 率和电解铁的形貌为指标以 FeCl2·4H2O 浓度、 NaCl 浓度、温度、pH 值、电流密度、极距为影响因子 进行了6因素、2水平的正交实验．正交实验每组重 复一次共计16次实验．实验结果如表4所示对 实验结果进行方差分析结果如表5所示． 表4 水溶液电解再生制铁实验方案及结果 实验号 A FeCl2·4H2O 浓度／ （g·L －1） B NaCl 浓度／ （g·L －1） C 温度／ ℃ D pH 值 E 极距／ mm F 电流密度／ （A·dm －2） 空列 电流效率／％ 1组 2组 1 250 50 23 1∙2 30 10 1 57∙34 65∙04 2 250 50 23 1∙6 70 15 2 89∙90 95∙08 3 250 80 63 1∙2 30 15 2 57∙99 67∙03 4 250 80 63 1∙6 70 10 1 97∙60 95∙30 5 350 50 63 1∙2 70 10 2 95∙54 84∙88 6 350 50 63 1∙6 30 15 1 93∙50 93∙2 7 350 80 23 1∙2 70 15 1 95∙90 95∙23 8 350 80 23 1∙6 30 10 2 86∙37 92∙0 k1 625∙28 674∙48 676∙86 618∙95 612∙47 674∙07 693∙11 平均：85∙12％ k2 736∙62 687∙42 685∙04 742∙95 749∙43 687∙83 668∙79 注：k1 为各因素在1水平下电流效率总和k2 为各因素在2水平下电流效率总和． 表5 水溶液电解再生制铁实验方差分析 影响因素 离差平方和 自由度 均方和 F 值 显著性 A 774∙79 1 774∙79 31∙55 ∗ B 10∙46 1 10∙46 0∙42 C 4∙18 1 4∙18 0∙17 D 961∙00 1 961∙00 39∙13 ∗ E 1172∙38 1 1172∙38 47∙74 ∗∗ F 11∙83 1 11∙83 0∙48 注：空列误差36∙97；重复实验误差159∙50；总误差196∙47． 经显著性检验表明因子 EDA 对电流效率有 较显著的影响且都是2水平优先；而因子 FBC 的影响不显著．低温电解不易得到完整电解铁层 分析应是在较低温度情况下铁片中含氢较多致使 电解铁层质脆而又粗糙．提高电解槽温度可以有效 地增加溶液中氢离子的过电势减少浓差极化及电 化学极化的不利影响．结合操作方便和经济等方面 考虑最终确定合理工艺为：A2B2C2D2E2F1． Vol．31Suppl．1 吴华峰等： 太阳能光伏非碳冶金实验研究 ·25·
26 北京科技大学学报 2009年增刊1 (2)水溶液提取制铁实验 电流密度容易造成浓差极化，导致电流效率降低和 提取实验原料是铁屑，电解液中的铁离子由于 电耗增高，且伴随有副反应的发生，低的电流密度 不断被电解损耗，浓度下降，需要添加FC2补充， 实验效果好，但是制取速度较慢.，应选用合理的电 诸因素中除温度和电流密度外其余因素均固定， 流密度，本实验选取8Adm一2.水溶液提取制铁实 初步实验结果如表6所示，由实验可以看出高 验还需要深化，探讨各因素对电流效率的影响， 表6水溶液电解提取制铁实验方案及结果 C E 电流效率/% 电流效率 实验号 FcC24H20浓度/ NaCl质量浓度/ 温度/ 极距/ 电流密度/ pH值 总计/% (gL) (g-L) ℃ mm (A-dm2 300 80 30 2.0 40 8.0 19.2 17.3 36.5 300 80 30 2.0 40 12 15.0 13.1 28.1 3 300 80 75 2.0 40 8.0 23.7 26.5 50.2 300 80 75 2.0 40 12 21.6 17.8 39.4 4.3氢还原制铁实验 规律.正交实验设计了16次还原实验，其中温度为 氢还原制铁实验使用的氢气来自于工业瓶氢， 4水平，其他每个因素二水平，还原温度与还原时间 在条件成熟的情况下，后续实验将由太阳能制氢装 两个因素有交互作用，粉矿颗粒有两个水平，粗矿 置提供实验用氢气， 粉和细矿粉的成分相同：T℉e%=42.8%,Fe0%= 氢气还原铁矿石初步以球团矿为原料进行探索 1.78%;粗矿粉结晶水和游离水之和为1.73g细矿 实验，经实验，考虑后续实验以粉矿为原料].实 粉结晶水和游离水之和为1.62g· 验分为预实验与正交实验，预实验求证矿粉颗粒粗 预实验结果热重分析如图4所示，结果表明微 细对还原度的影响，正交实验探讨温度、粒度、气氛 米级的超细赤铁矿粉比毫米级的赤铁矿粉还原温度 和时间对赤铁矿粉还原的综合影响及赤铁矿还原的 低100℃左右 12 1000 800 (a) (b) 900 Mo750 8 700 8002 650 复 6 700 复 600期 失重 失重 温度 温度 550 600 500 100 200300400 500 500 100200300400 500600450 时间/min 时间/min 图4氢气还原不同粒度的热重实验分析图.(a)粒度为0.2mm;(b)粒度为2m 对正交实验结果进行极差分析、方差分析和回 极差分析结果表明对还原度的影响，由强到弱 归分析，正交实验各影响因素方差分析结果如表7 依次为：气氛、温度、时间、粒度；方差分析结果表明 所示，回归分析结果如表8所示 温度、时间、气氛、粒度四个因素对于还原度均是显 表7氢还原制铁正交实验极差与方差分析 著的；回归分析确定了还原度的回归公式为： 影响因素极差离差平方和自由度 F值 显著性 R=-22.61-16.53Ar+0.37Tm- 温度 18.19 669.7163 3 32.84916* 155.03d+6.364T 时间 11.30 510.5637 1 75.12849 式中，T为温度，T2为温度平方，tm为时间，Tm为 T×t 3.03 52.54463 3 2.577281 交叉项，d为粒度，R为还原度，Ar为气氛 气氛 16.53 1093.414 1 160.8939 粒度 30.70 3769.23 1 554.6351 5结论 e 54.36699 8 总 6149.836 15 (1)全球变暖，自然资源使用殆尽等严峻问题 挑战工业增长的极限，单一的技术实现节能减排是
（2） 水溶液提取制铁实验． 提取实验原料是铁屑电解液中的铁离子由于 不断被电解损耗浓度下降需要添加 FeCl2 补充． 诸因素中除温度和电流密度外其余因素均固定． 初步实验结果如表6所示．由实验可以看出高 电流密度容易造成浓差极化导致电流效率降低和 电耗增高且伴随有副反应的发生．低的电流密度 实验效果好但是制取速度较慢．应选用合理的电 流密度本实验选取8A·dm －2．水溶液提取制铁实 验还需要深化探讨各因素对电流效率的影响． 表6 水溶液电解提取制铁实验方案及结果 实验号 A FeCl2·4H2O 浓度／ （g·L －1） B NaCl 质量浓度／ （g·L －1） C 温度／ ℃ D pH 值 E 极距／ mm F 电流密度／ （A·dm －2） 电流效率／％ 1 2 电流效率 总计／％ 1 300 80 30 2∙0 40 8∙0 19∙2 17∙3 36∙5 2 300 80 30 2∙0 40 12 15∙0 13∙1 28∙1 3 300 80 75 2∙0 40 8∙0 23∙7 26∙5 50∙2 4 300 80 75 2∙0 40 12 21∙6 17∙8 39∙4 4∙3 氢还原制铁实验 氢还原制铁实验使用的氢气来自于工业瓶氢 在条件成熟的情况下后续实验将由太阳能制氢装 置提供实验用氢气． 氢气还原铁矿石初步以球团矿为原料进行探索 实验．经实验考虑后续实验以粉矿为原料［15］．实 验分为预实验与正交实验．预实验求证矿粉颗粒粗 细对还原度的影响．正交实验探讨温度、粒度、气氛 和时间对赤铁矿粉还原的综合影响及赤铁矿还原的 规律．正交实验设计了16次还原实验其中温度为 4水平其他每个因素二水平还原温度与还原时间 两个因素有交互作用．粉矿颗粒有两个水平粗矿 粉和细矿粉的成分相同：TFe％＝42∙8％FeO％＝ 1∙78％；粗矿粉结晶水和游离水之和为1∙73g；细矿 粉结晶水和游离水之和为1∙62g． 预实验结果热重分析如图4所示结果表明微 米级的超细赤铁矿粉比毫米级的赤铁矿粉还原温度 低100℃左右． 图4 氢气还原不同粒度的热重实验分析图．（a） 粒度为0∙2mm；（b） 粒度为2μm 对正交实验结果进行极差分析、方差分析和回 归分析．正交实验各影响因素方差分析结果如表7 所示回归分析结果如表8所示． 表7 氢还原制铁正交实验极差与方差分析 影响因素 极差 离差平方和 自由度 F 值 显著性 温度 18∙19 669∙7163 3 32∙84916 ∗∗ 时间 11∙30 510∙5637 1 75∙12849 ∗∗ T× t 3∙03 52∙54463 3 2∙577281 － 气氛 16∙53 1093∙414 1 160∙8939 ∗∗ 粒度 30∙70 3769∙23 1 554∙6351 ∗∗ e － 54∙36699 8 － － 总 － 6149∙836 15 － － 极差分析结果表明对还原度的影响由强到弱 依次为：气氛、温度、时间、粒度；方差分析结果表明 温度、时间、气氛、粒度四个因素对于还原度均是显 著的；回归分析确定了还原度的回归公式为： R＝－22∙61－16∙53Ar＋0∙37T m－ 155∙03d＋6∙364T 式中T 为温度T 2 为温度平方tm 为时间T m 为 交叉项d 为粒度R 为还原度Ar 为气氛． 5 结论 （1） 全球变暖自然资源使用殆尽等严峻问题 挑战工业增长的极限单一的技术实现节能减排是 ·26· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1
Vol.31 Suppl.1 吴华峰等：太阳能光伏非碳冶金实验研究 .27. 表8氢还原正交实验回归结果 [3]Li H Z.Discussion on basic theories for process engineering. 非标准系数 标准 Chin J Process Eng.2008.8:635 模型 t B 标准差 系数，B (李洪钟.浅谈过程工程的科学基础。过程工程学报，2008,8： 635) 1(常数) 54.099 4.658 11.615 0 [4]Song ]X.Research on Xinjiang Bazhou Solar Energy Resources 粒度 -155.03232.932 -0.783-4.708 0 and Exploration of Its Metallurgy Application [Dissertation]. 2(常数) 62.3664.399 14.375 0 Beijing:University of Science and Technology Beijing.2007 粒度 -155.03225.131-0.783-6.169 0 (宋建新.新疆巴州太阳能资源及其冶金应用探素研究[学位 0.006 论文]北京：北京科技大学，2007) 气氛 -16.5344.976-0.422-3.323 [5]LI S Q.Hu W,Wu H F.Exploratory experiments and consider- 3(常数) 37.3956.281 一 5.954 0 ations on photovoltaic steel making-Chin Metall.2008.18(1):5 粒度 -155.03216.105 -0.783-9.626 0 (李士琦，胡卫，吴华峰，太阳能光伏炼钢探索性实验及思考 气氛 -16.5343.189-0.422-5.185 0 中国治金，2008,18(1)：5) 温度与时间的乘积0.4490.101 0.3614.433 0.001 [6]Zhou J.Yan G.Wu YZ.Analysis of solar radiation for Beijing 4(常数)-22.610 13.029 -1.735 0.111 China.Acta Energ Sol Sin.2005,26(5):712 (周晋，晏刚，吴业正·北京地区的太阳辐射分析，太阳能学 粒度 -155.032 9.554-0.783-16.227 0 报，2005,26(5)：712) 气氛 -16.534 1.892 -0.422-8.740 0 [7]Yang Sh M.Shi Sh D.Design methods of stand-alone photovolta- 温度与时间的乘积0.372 0.062 0.298 5.977 0 ic system.Power Supply Technol Appl.2001.11:561 温度 6.3641.324 0.2404.806 0.001 (杨树明，史胜达。独立光伏电源系统设计方法，电源技术应 用，2001,11.561) 注：因变量为还原度 [8]Lu D.Zhou T,Hicham F.et al.Design of a power management 非常困难的，以系统工程的方法，将各个领域的成熟 system for an active PV station including various storage technolo- 技术有机结合，形成接口技术可有效达到节能减排 gies//13th International Power Electronics and Motion Control Conference.EPE-PEMC,2008,2142 的效果，钢铁工业可持续发展一面追求碳的消耗和 [9]Zhu Y B.Song D L.Zeng ZHS.DC Arc Furnace Steelmaking C02的排放最低，一面摸索可行的循环经济模式， Technology.Beijing:Metallurgical Industry Press.1997 太阳能光伏非碳治金以不同铁源经高温熔炼及非碳 (朱应波，宋东亮，曾昭生，直流电弧炉炼钢技术.北京：冶金 还原实验对此进行了实践探索， 工业出版社，1997) [10]Rajamani V,Anand R.Reddy G S,et al.Heat transfer enhance- (2)实验结果表明太阳能光伏非碳冶金在技术 ment using weakly ionized.atmospheric pressure plasma in met- 上可行，自主设计制造的太阳能光伏非碳治金系统 allurgical applications.Metall Mater Trans B.2006.37:565 均能满足冶炼要求，具有很好的稳定性和可操作性， [11]Chen X C.Feng D.Fu J.Zhou D G.Recent development of (③)对于高温熔炼实验，在冶炼顺行的条件下， electroslag metallurgy.J Iron Steel Res.2003.15(2):62 还需进行全过程能量平衡分析，确定整个过程能量 (陈希春，冯涤，傅杰，周德光，电渣冶金的最新进展.钢铁研 利用效率.对于非碳还原制铁实验，还需进一步完 究学报，2003,15(2)：62) [12]Jiang X W.Electroslag Steelmaking-Electroslag Crucible Melt- 善实验条件，实现太阳能制氢与氢还原的有机结合， ing.Beijing:National Defense Industry Press.1978 为后续研究奠定基础， (姜兴泪。电渣炼钢一有衬电渣炉及其熔炼，北京：国防工业 (4)现阶段，太阳能光伏非碳冶金处于探索研 出版社，1978) 究阶段，过程中出现的问题及解决都将对冶金工业 [13]Zhao QS.Zhang K.Electrolysis and Electroplating of Irony. 产生深远的影响，其大规模利用将基于化石能源发 Beijing:China Communications Press,1986:89 (赵秦生，张皑铁的电解和电镀.北京：人民交通出版社， 电与太阳能光伏发电在成本上出现交叉， 1986.89) [14]Tan Y F,Sun G X.Iron Plating Technology.Beijing:China 参考文献 Communications Press,1990,82 (谭玉芳，孙桂香.镀铁技术.北京：人民交通出版社，1990： [1]Li Sh Q.Song J X.Zhu R.Prospect of clean energy steelmak- 82) ing.J Iron Steel Res,2008,20(7):8 [15]Wang T Y.Wang SHL.Gao CH L.Exploratory discussion on (李士琦，宋建新，朱荣.清洁能源炼钢前景的分析及探索.钢 hydrogen metallurgical engineering.Angang Technol.2005,1 铁研究学报，2008,20(7)：8) (331):4 [2]Fruehan R J.Research on sustainable steelmaking.Iron Steel (王太炎，王少立，高成亮：试论氢冶金工程学.鞍钢技术， Technol,2005,2,108 2005,1(331):4)
表8 氢还原正交实验回归结果 模型 非标准系数 B 标准差 标准 系数β t σ 1（常数） 54∙099 4∙658 － 11∙615 0 粒度 －155∙032 32∙932 －0∙783 －4∙708 0 2（常数） 62∙366 4∙399 － 14∙375 0 粒度 －155∙032 25∙131 －0∙783 －6∙169 0 气氛 －16∙534 4∙976 －0∙422 －3∙323 0∙006 3（常数） 37∙395 6∙281 － 5∙954 0 粒度 －155∙032 16∙105 －0∙783 －9∙626 0 气氛 －16∙534 3∙189 －0∙422 －5∙185 0 温度与时间的乘积 0∙449 0∙101 0∙361 4∙433 0∙001 4（常数） －22∙610 13∙029 － －1∙735 0∙111 粒度 －155∙032 9∙554 －0∙783－16∙227 0 气氛 －16∙534 1∙892 －0∙422 －8∙740 0 温度与时间的乘积 0∙372 0∙062 0∙298 5∙977 0 温度 6∙364 1∙324 0∙240 4∙806 0∙001 注：因变量为还原度 非常困难的以系统工程的方法将各个领域的成熟 技术有机结合形成接口技术可有效达到节能减排 的效果．钢铁工业可持续发展一面追求碳的消耗和 CO2的排放最低一面摸索可行的循环经济模式． 太阳能光伏非碳冶金以不同铁源经高温熔炼及非碳 还原实验对此进行了实践探索． （2） 实验结果表明太阳能光伏非碳冶金在技术 上可行自主设计制造的太阳能光伏非碳冶金系统 均能满足冶炼要求具有很好的稳定性和可操作性． （3） 对于高温熔炼实验在冶炼顺行的条件下 还需进行全过程能量平衡分析确定整个过程能量 利用效率．对于非碳还原制铁实验还需进一步完 善实验条件实现太阳能制氢与氢还原的有机结合 为后续研究奠定基础． （4） 现阶段太阳能光伏非碳冶金处于探索研 究阶段过程中出现的问题及解决都将对冶金工业 产生深远的影响其大规模利用将基于化石能源发 电与太阳能光伏发电在成本上出现交叉． 参 考 文 献 ［1］ Li Sh QSong J XZhu R．Prospect of clean energy steelmaking．J Iron Steel Res200820（7）：8 （李士琦宋建新朱荣．清洁能源炼钢前景的分析及探索．钢 铁研究学报200820（7）：8） ［2］ Fruehan R J．Research on sustainable steelmaking． Iron Steel Technol20052：108 ［3］ Li H Z．Discussion on basic theories for process engineering． Chin J Process Eng20088：635 （李洪钟．浅谈过程工程的科学基础．过程工程学报20088： 635） ［4］ Song J X．Research on Xinjiang Baz hou Solar Energy Resources and Exploration of Its Metallurgy Application ［Dissertation ］． Beijing：University of Science and Technology Beijing2007 （宋建新．新疆巴州太阳能资源及其冶金应用探索研究 ［学位 论文］．北京：北京科技大学2007） ［5］ LI S QHu WWu H F．Exploratory experiments and considerations on photovoltaic stee-l making．Chin Metall200818（1）：5 （李士琦胡卫吴华峰．太阳能光伏炼钢探索性实验及思考． 中国冶金200818（1）：5） ［6］ Zhou JYan GWu Y Z．Analysis of solar radiation for Beijing China．Acta Energ Sol Sin200526（5）：712 （周晋晏刚吴业正．北京地区的太阳辐射分析．太阳能学 报200526（5）：712） ［7］ Yang Sh MShi Sh D．Design methods of stand-alone photovoltaic system．Power Supply Technol Appl200111：561 （杨树明史胜达．独立光伏电源系统设计方法．电源技术应 用200111：561） ［8］ Lu DZhou THicham Fet al．Design of a power management system for an active PV station including various storage technologies∥13th International Power Electronics and Motion Control Conference．EPE-PEMC2008：2142 ［9］ Zhu Y BSong D LZeng ZH S．DC A rc Furnace Steelmaking Technology．Beijing：Metallurgical Industry Press1997 （朱应波宋东亮曾昭生．直流电弧炉炼钢技术．北京：冶金 工业出版社1997） ［10］ Rajamani VAnand RReddy G Set al．Heat-transfer enhancement using weakly ionizedatmospheric pressure plasma in metallurgical applications．Metall Mater T rans B200637：565 ［11］ Chen X CFeng DFu JZhou D G．Recent development of electroslag metallurgy．J Iron Steel Res200315（2）：62 （陈希春冯涤傅杰周德光．电渣冶金的最新进展．钢铁研 究学报200315（2）：62） ［12］ Jiang X W．Electroslag Steelmaking-Electroslag Crucible Melting．Beijing：National Defense Industry Press1978 （姜兴渭．电渣炼钢－有衬电渣炉及其熔炼．北京：国防工业 出版社1978） ［13］ Zhao Q SZhang K．Electrolysis and Electroplating of Irony． Beijing：China Communications Press1986：89 （赵秦生张皑．铁的电解和电镀．北京：人民交通出版社 1986：89） ［14］ Tan Y FSun G X．Iron Plating Technology．Beijing：China Communications Press1990：82 （谭玉芳孙桂香．镀铁技术．北京：人民交通出版社1990： 82） ［15］ Wang T YWang SH LGao CH L．Exploratory discussion on hydrogen metallurgical engineering．A ngang Technol20051 （331）：4 （王太炎王少立高成亮．试论氢冶金工程学．鞍钢技术 20051（331）：4） Vol．31Suppl．1 吴华峰等： 太阳能光伏非碳冶金实验研究 ·27·