CN110382405A - 氢生产设备及氢生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢生产设备，利用在氢生产工序中产生的热来生产蒸气(steam)并将其重新利用到氢生产工序中。由此，氢生成所需的蒸气可以由氢生产设备调拨，所以可以减少从外部制造并供应的蒸气的量，或不使用从外部制造并供应的蒸气。因此，与以往相比，可以降低用于氢生产的蒸气的生产成本，并因此有节省氢生产成本的效果。
Description
技术领域
本发明涉及氢生产设备及氢生产方法，更详细地是涉及重复利用在炼铁工序中副产的气体来生产氢的氢生产设备及氢生产方法。
背景技术
炼钢工序中产生的副产气体中含有大量二氧化碳，将二氧化碳直接释放到大气中的情况下会成为造成环境污染的根源。因此，正在尝试将炼钢工序中产生的副产气体中的二氧化碳转化为氢，并将其重新使用于需要氢的各种装置中，例如用于生产电力的发电厂或钢铁产品生产线及工序中。
另一方面，在炼钢工序中，将氧气吹入熔融气化炉中熔化还原铁而制造铁液的FINEX型铁液制造设备中产生的副产气体中包括热量丰富的CO及H2。因此，使用FINEX副产气体(FOG：Finex off gas)生产氢是有效果的。
然而，在使用FINEX副产气体生产氢时，为了冷却高温副产气体及制造氢而需要大量蒸气，并且上述蒸气是在氢生产设备外部中制造并调拨的。因此，存在需要大量的蒸气供应及由此带来的氢生产成本增加的问题。
(现有专利文献)
韩国授权专利10-1321930
发明内容
本发明提供一种能够降低氢制造成本的氢生产设备及氢生产方法。
本发明提供一种能够减少从外部供应的用于制造氢的蒸气量，并因此降低氢生产成本的氢生产设备及氢生产方法。
根据本发明的氢生产设备包括：热回收装置，接收在炼钢工序中产生的副产气体，而回收上述副产气体的热；氢增浓装置，接收在上述热回收装置中排出的副产气体，并增加上述副产气体中的氢浓度，而生产出高浓度含氢气体；氢气处理装置，与上述热回收装置及氢增浓装置中的至少一个连接，并且将在上述热回收装置中对副产气体进行热回收的过程中产生的蒸气、及使在上述氢增浓装置中产生的高浓度含氢气体进行热交换所产生的蒸气中的至少一个，向氢增浓装置供应；及氢分离装置，从通过上述氢气处理装置接收的高浓度含氢气体中将氢分离。
包括副产气体移动配管，该副产气体移动配管的一端与上述热回收装置连接，另一端与上述氢增浓装置连接，由此将从上述热回收装置排出的副产气体向上述氢增浓装置供应，并且将上述氢气处理装置的蒸气向上述氢增浓装置供应。
上述氢气处理装置包括热交换器，该热交换器通过使从上述氢增浓装置排出的上述高浓度含氢气体进行热交换而生成蒸气，并且降低上述高浓度氢气的温度；上述氢气处理装置包括蒸气供给部，该蒸气供给部将在上述热回收装置中对副产气体进行热回收的过程中产生的蒸气、及通过上述热交换器而产生的蒸气中的至少一个，向上述副产气体移动配管移动并与上述副产气体进行混合。
上述氢气处理装置包括：第一氢气移动配管，与上述氢增浓装置连接，从上述氢增浓装置排出高浓度含氢气体；第一热交换器，与上述第一氢气移动配管连接，使通过上述副产气体移动配管供应的副产气体和蒸气混合而成的混合气体、与高浓度含氢气体进行热交换；第二热交换器，与上述第一热交换器连接，使在上述第一热交换器中被回收了热的高浓度含氢气体进行热交换；及第二氢气移动配管，将上述第一热交换器和上述第二热交换器连接，而使在上述第一热交换器中被回收了热的高浓度含氢气体向第二热交换器移动。
上述蒸气供给部包括：第一蒸气移动配管，一端与上述热回收装置连接，而排出在上述热回收装置中副产的蒸气；及第二蒸气移动配管，一端与上述第二热交换器连接，而使在上述高浓度含氢气体的热交换中产生的蒸气移动；上述第一蒸气移动配管及第二蒸气移动配管各自的另一端与上述副产气体移动配管连接。
上述第一热交换器设置在上述副产气体延伸路径上，并且上述第一热交换器设置在从上述第一蒸气移动配管及第二蒸气移动配管分别供应的蒸气与上述副产气体进行混合的地点的后端。
包括热回收介质移动配管，该热回收介质移动配管与上述热回收装置及第二热交换器分别连接，供应用于热交换的热回收介质。
备有多个上述氢增浓装置。
包括硫磺清除装置，该硫磺清除装置清除从上述热回收装置排出的副产气体中所含有的硫磺并向上述氢增浓装置供应。
包括压缩机，该压缩机压缩从上述氢气处理装置供应的高浓度含氢气体来增加压力并向上述氢分离装置供应。
包括除氧器，该除氧器从上述氢分离装置所排出的氢气中清除氧气。
根据本发明的氢生产方法包括：热回收步骤，回收在炼钢工序中产生的副产气体的热；氢增浓步骤，增加经过了上述热回收步骤的副产气体中的氢浓度，而生产高浓度含氢气体；及氢分离步骤，从上述氢增浓步骤中生成的高浓度含氢气体中分离氢；
上述氢增浓步骤包括：将在上述热回收步骤中对副产气体进行热回收的过程中产生的蒸气、及通过由上述氢增浓步骤产生的高浓度含氢气体的热交换而产生的蒸气中的至少一个，与经过了上述热回收步骤的副产气体进行混合的步骤；及使上述副产气体和蒸气进行反应的步骤。
上述氢增浓步骤包括使混合上述蒸气和副产气体而成的气体、与由上述氢增浓步骤生成的高浓度含氢气体进行热交换的步骤。
生成通过由上述氢增浓步骤产生的高浓度含氢气体的热交换所产生的蒸气的步骤包括：首次热交换步骤，使通过上述氢增浓步骤产生的高浓度含氢气体、与混合上述蒸气及副产气体而成的气体进行热交换；及使经过了上述首次热交换步骤的高浓度含氢气体和热交换介质进行热交换而生成蒸气的步骤。
混合上述蒸气和副产气体而成的气体通过与上述高浓度含氢气体的热交换作用而升温至氢增浓反应所需的温度。
上述氢增浓步骤包括多个氢增浓步骤。
包括在上述热回收步骤和氢增浓步骤之间从上述副产气体中清除硫磺的步骤。
包括在上述氢增浓步骤和上述氢分离步骤之间压缩上述高浓度含氢气体的压缩步骤。
包括在上述氢分离步骤后从分离的氢气清除氧气的除氧气步骤。
根据本发明的实施例，利用在氢生产工序中产生的热来生产蒸气(steam)并将其重新利用到氢生产工序中。因此，氢生成所需的蒸气可以由氢生产设备调拨，所以可以减少从外部制造并供应的蒸气的量，或不使用从外部制造并供应的蒸气。因此，与以往相比，可以降低用于氢生产的蒸气的生产成本，并因此有节省氢生产成本的效果。
附图说明
图1是表示铁液制造设备及根据本发明的第一实施例的氢生产设备的图。
图2是表示根据本发明第二实施例的氢生产设备的图。
图3是表示根据本发明第三实施例的氢生产设备的图。
图4是表示根据本发明第四实施例的氢生产设备的图。
图5是表示根据本发明第五实施例的氢生产设备的图
图6是表示使用根据第一实施例的氢生成设备时向氢增浓装置供应的蒸气量/副产气体中CO量的比率(蒸气/CO)相对于基于工序热回收的向氢增浓装置内供给蒸气的形态的图表。
具体实施方式
在下文中，参照附图更加详细说明本发明的实施例。但是本发明并不是仅限于下文中公开的实施例而是以不同的形态体现出来，只是本实施例使得本发明公开完整，这是为了给拥有通常知识的人完整地告知发明的范畴而提供的。在附图上，相同的标号表示相同的要素。
本发明涉及重复利用在炼铁工序中副产的气体(下文中称为副产气体)来生产氢的氢生产设备和氢生产方法。更具体地，提供一种氢生产设备及氢生产方法，利用在FINEX炼铁工序的副产气体中包含的成分组成和热源来生产氢。另外，利用在氢生产工序中产生的热(下文中称为工序热)生产蒸气(steam)并将其重复利用到氢生产工序中。因此，氢生成所需的蒸气可以由氢生产设备调拨，所以可以减少从外部制造并供应的蒸气的量，或不使用从外部制造并供应的蒸气。因此，与以往相比，可以降低用于氢生产所需蒸气的生产成本，并因此有节省氢生产成本的效果。
以下，参照图1，对根据本发明第一实施例的氢生产设备进行说明。
图1是表示铁液制造设备及根据本发明的第一实施例的氢生产设备的图，图2是表示根据本发明第二实施例的氢生产设备的图，图3是表示根据本发明第三实施例的氢生产设备的图，图4是表示根据本发明第四实施例的氢生产设备的图，图5是表示根据本发明第五实施例的氢生产设备的图
首先对铁液制造设备进行简略说明。参照图1，铁液制造设备包括：还原炉2，使铁矿石还原而制造还原铁；以及熔融气化炉1，使在还原炉2中制造的还原铁熔融而制造铁液。
还原炉2从通过干燥或者加热等而进行预处理的铁矿石中清除氧气而制造还原铁。此时，在还原炉2中，利用熔融气化炉1中还原铁熔融期间产生的还原气体来使铁矿石还原。如果更具体地说明，则已实施预处理的铁矿石处于含有大量氧气的状态(Fe2O3，FeO4)，并且上述铁矿石与从熔融气化炉1供应的还原气体反应(反应式1，2)而清除氧气，由此转化成含氧量低的FeOx(x为0-1.3)或者Fe形态，从而成为还原铁。此时，还原炉内的高温气体如反应式3所示，可以产生在水蒸汽(H2O)-气体之间的转移反应(water-gas reaction)。
反应式1)1/3Fe2O3+CO/H2->2/3Fe+CO2/H2O
反应式2)1/4Fe3O4+CO/H2->3/4Fe+CO2/H2O
反应式3)CO+H2O->CO2+H2
向还原炉2供应的铁矿石可以是铁矿石粉，也可以是颗粒(Pellet)或压块(briquette)形态的团块化的铁矿石。例如，当向还原炉2投入铁矿石粉的情况下，可以具备多个还原炉2，铁矿石粉可以依次通过多个还原炉2而分阶段地还原。作为另一个例子，当向还原炉2投入团块化的铁矿石的情况下，可以具备一个或多个移动床(moving bed)。
熔融气化炉1使在还原炉2中制造的还原铁熔融。为此，从熔融气化炉1的上侧装入还原铁和作为热源的型煤及粉煤，从下侧吹入氧气(O2)，由氧气和型煤等的燃烧反应生成高温和还原气体，由此在还原铁中产生清除氧气的还原和熔融，而生成铁液(或熔融铁)。而且在熔融气化炉1中生成的还原气体向还原炉2供应，并重新利用于对铁矿石的还原中。
而且，如上所述，熔融气化炉1的还原气体向还原炉2供应而使铁矿石还原，此时在还原炉2中还原铁矿石。即，熔融气化炉1的还原气体向还原炉2供应而燃烧空气或氧气、煤及粉煤，通过此时产生的热和还原气体使铁矿石还原及熔融。此时，产生的还原气体是350℃至600℃的高温，主要包含CO、H2、CO2、H2O、N2和微量的CH4、O2等。此时，相对于从还原炉2产生的副产气体的总体积，CO可以包含10％至40％，H2可以包含10％至40％，H2O可以包含5％至35％。
根据本发明实施例的氢生产设备及氢生产方法，利用在上述的铁液制造设备的还原炉中产生的副产气体来制造氢。
参照图1，根据第一实施例的氢生产设备包括：热回收装置100，回收从还原炉2排出的副产气体的热，收集并清除少量铁矿石微粉(或微粒)；氢增浓装置200，在热回收装置100中清除微粉的副产气体中增加氢浓度，制造氢浓度高的副产气体(以下称为高浓度含氢气体)；蒸气供给装置3000，与热回收装置100及氢增浓装置200中的至少一个连接，并且具备氢气处理装置1000，在上述热回收装置100中对副产气体进行热回收的过程中产生的蒸气及在上述氢增浓装置200中产生的高浓度含氢气体进行热交换所产生的蒸气中至少一个向氢增浓装置200供应；以及氢分离装置，从通过氢气处理装置1000提供的高浓度含氢气体中分离氢。
热回收装置100从还原炉2产生的300℃至600℃的副产气体中生产蒸气。更具体地，热回收装置100利用通过高温的副产气体和比之温度低的热回收介质之间的热交换作用的反应来生产蒸气。为此，设置副产气体移动配管(下文中称为第一副产气体移动配管110)以连接还原炉2与热回收装置100。
根据本实施例的热回收装置100可以包括，例如：反应器，具有内部空间；以及热交换机构，设置在反应器中，并且具备副产气体及热回收介质分别流动的配管，此时通过由副产气体及热回收介质之间的温差产生的热交换作用来生成蒸气，这时副产气体在通过热回收装置100的过程中温度降低至230℃至350℃，更具体地例如降低至约250℃。
在实施例中使用水作为热回收介质，为此，热回收装置100与热回收介质能够通过并移动的热回收介质供给配管120连接。
另一方面，热回收介质不限于上述的水，可以使用能够通过热交换作用生成蒸气的各种材料。
在热回收装置100中生成的蒸气从上述热回收装置100排出，之后重新利用到氢增浓装置200中以增加氢浓度。为此，热回收装置100连接有蒸气能够通过并移动的蒸气移动配管(下文中称为第一蒸气移动配管2100)。
另外，热回收装置100不仅包括通过副产气体的热交换作用生产蒸气的功能，还包括从副产气体中收集、清除铁矿石微粉的功能。为此，热回收装置100的反应器内部包括能够分离气体和微粉或者微粒的过滤器。换句话说，热回收装置100可以是同时具备热交换机构和过滤器的装置。
将在热回收装置100中分离、清除微粉而净化的副产气体向氢增浓装置200供应。为此，设置副产气体移动配管(下文中称为第二副产气体移动配管140)以连接热回收装置100与氢增浓装置200。由此，净化的副产气体通过第二副产气体移动配管140向氢增浓装置200供应。
为了使净化的副产气体在氢增浓装置200中反应而增加氢浓度，需要将上述净化的副产气体的温度升温到易于反应的温度。另外，在氢增浓装置200中，净化的副产气体中的CO、H2O及CO2等的氢化反应为放热反应，通过该反应生成的高浓度含氢气体其温度高到约为450℃，并且为了在氢分离装置300中分离氢，降低其温度是有效的。
在本发明的实施例中，在氢增浓装置200中生成的高浓度含氢气体不直接向氢分离装置300转移，而是利用高浓度含氢气体的热将流入氢增浓装置200的净化的副产气体进行升温。即，使高浓度含氢气体和净化的副产气体进行热交换来升高上述净化的副产气体的温度并向氢增浓装置200供应。另外，此时与净化的副产气体进行热交换的高浓度含氢气体具有通过其热交换作用而降低温度的效果。
另外，在本发明的实施例中，在热回收装置100中副产的蒸气可以重新利用至氢增浓装置200中以增加氢浓度。
因此，在本发明中为了将利用在氢增浓装置200中生成的高浓度含氢气体的蒸气及热、和在热回收装置100中副产的蒸气重新利用到氢浓度的增加中，而具备蒸气供给装置3000。
蒸气供给装置3000包括：氢气处理装置1000，使从氢增浓装置200排出的高浓度含氢气体热交换来生成蒸气，并且降低上述高浓度氢气的温度；及蒸气供给部2000，使在热回收装置100中对副产气体进行热回收的过程中产生的蒸气及通过上述氢气处理装置1000产生的蒸气中的至少一个，向第二副产气体移动配管410移动而与副产气体进行混合。
氢气处理装置1000包括：第一氢气移动配管1100，与氢增浓装置200连接，并且从氢增浓装置200排出高浓度含氢气体；第一热交换器1300，与第一氢气移动配管1100连接，使通过第二副产气体移动配管410供应的副产气体与蒸气混合而成的混合气体和高浓度含氢气体进行热交换；第二热交换器1400，与第一热交换器1300连接，使在第一热交换器1300中被回收了热的高浓度含氢气体进行热交换；以及第二氢气移动配管1200，将第一热交换器1300和第二热交换器1400连接起来，使在上述第一热交换器1300中被回收了热的高浓度含氢气体向第二热交换器1400移动。
蒸气供给部2000包括：第一蒸气移动配管2100，一端与热回收装置100连接，并且排出在上述热回收装置100中副产的蒸气；第二蒸气移动配管2300，一端与第二热交换器1400连接，并且使在上述高浓度含氢气体的热交换中产生的蒸气移动；以及第三移动配管2300，一端与第一及第二移动配管2100、2200连接，另一端与上述第二副产气体移动配管连接。
以下，更详细说明根据本发明实施例的氢气处理装置1000和蒸气供应单元2000。
需要供应能够与净化的副产气体中的CO及H2O反应的蒸气，但是如本发明的实施例所述，利用在氢生产设备中的氢生产过程中产生的蒸气。即，利用在上述热回收装置100中副产的蒸气、和在回收高浓度含氢气体的热的第二热交换器1400中副产的蒸气。为此，设置用于排出并移动从第二热交换器1400产生的蒸气的蒸气移动配管(下文中称为第二蒸气移动配管2200)，并且为了将移动到第一及第二蒸气移动配管2100、2200的蒸气从第二副产气体移动配管140延伸路径上向第一热交换器1300前端供应，而连接第三移动配管2300。即，第三蒸气移动配管2300的一端与第一及第二蒸气移动配管2100、2200连接，其另一端与第二副产气体移动配管140连接。因此，在热回收装置100中产生的蒸气和在第二热交换器1400中产生的蒸气在第三蒸气移动配管2300中进行混合，并且混合的蒸气在第二副产气体移动配管140中和净化的副产气体进行混合。此后，当与蒸气混合的副产气体流入第一热交换器1300时，通过与向上述第一热交换器1300供应的高浓度含氢气体的热交换作用，将与蒸气混合的副产气体的温度升高到300℃至400℃，优选地是升高至350℃并向氢增浓装置供应。
氢增浓装置200是用于增加在热回收装置100中净化的副产气体中的氢浓度的装置。在根据实施例的氢增浓装置200中，通过使净化的副产气体中含有的CO及H2O转换为H2从而增加副产气体中的氢浓度。此时，氢增浓装置200利用副产气体中含有的CO及H2O和蒸气之间的反应(反应式4)、以及上述副产气体中CO及H2O和金属催化剂之间的反应(反应式5)来增加氢浓度。在此，与副产气体中所含的CO及H2O反应的蒸气，如上所述使用通过在热回收装置100中副产气体的热交换作用生成的蒸气、和在第二热交换器1400中通过用于降低高浓度含氢气体的温度的热交换作用生成的蒸气。即，不是在氢生产设备外部另行制造蒸气进行供应，而是重新利用氢生产工序中产生的蒸气。另外，在氢增浓装置中反应所需的热，能够通过从还原炉2提供的副产气体所具有的热和蒸气充分满足。
反应式4)CO+H2O->CO2+H2(水煤气反应)
反应式5)H2O+M(催化剂)->H2+MO(金属催化反应)
在氢增浓装置200中，通过上述反应增加副产气体中的氢浓度，此时的反应为放热反应，所生成的高浓度含有气体的温度高到约为450℃。因此，如上所述，不是使高浓度含氢气体直接向氢分离装置300移动，而是将其热重新利用到提升向氢增浓装置200供应的副产物气体的温度并生产蒸气的过程中。
为此，设置第一氢气移动配管1100，使得从氢增浓装置200排出的高浓度含氢气体向第一热交换器1300移动，并且设置第二氢气移动配管1200，使得通过了第一热交换器1300的高浓度含氢气体向第二热交换器1400移动。
第二热交换器1400使通过第一热交换器1300首次降低温度的高浓度含氢气体再次进行热交换，而使温度降低到常温或接近常温的温度。在根据实施例的第二热交换器1400中使用的热交换介质为水。为此，连接向第二热交换器1400供应热交换介质例如水的热回收介质供应配管120，这可以使用上文中提到的向热回收装置100供应水的同一热回收介质供应配管120。例如，热回收介质供应配管120的一端与热回收装置100连接，其另一端与第二热交换器1400连接，使水向两个方向移动而可以分别供应。
第二热交换器1400通过高浓度含氢气体和水之间的热交换作用将高浓度含氢气体的温度降低到常温或接近常温的温度，之后向氢分离装置供应高浓度含氢气体。而且，在第二热交换器1400中通过高浓度含氢气体和热交换介质之间的热交换作用而产生200℃至300℃的蒸气，该蒸气通过第二及第三蒸气移动配管2200、2300向第二热交换器供应而与净化的副产气体混合。为此，设置蒸气移动配管(下文中称为第二蒸气移动配管2200)，使得第二热交换器1400的蒸气可以向第二副产气体移动配管140移动。作为更具体的例，第二蒸气移动配管2200的一端与第二热交换器1400连接，另一端与第三蒸气移动配管2300连接。由此，分别从第一及第二蒸气移动配管2100、2200提供的蒸气流入第三蒸气移动配管2300。
当然，第一至第三蒸气移动配管2100、2200、2300不限于上述连接结构，可以变更为在热回收装置100中产生的蒸气及在第二热交换器1400中产生的蒸气各自向第二副产气体移动配管140供应的多种结构。
氢分离装置300清除高浓度含氢气体中含有的水成分并分离氢。氢分离装置作为例如具备氢气变压吸附器(H2Pressure Swing Absorber，H2PSA)的机构，可以是使用利用压力波动从高浓度含氢气体将气体成分即氢吸附并分离的方法的机构。作为另一个例，氢分离装置可以是通过变温吸附(TSA；temperature swing adsorption)方法分离氢的机构。
在上述的第一实施例中说明了具备热交换机构和用于清除微粉的过滤器设置为一体的热回收装置100。但是，不限于此，如图2所示的第二实施例，可以另行备有包括热交换机构的热回收装置100a和包括过滤器的微粉清除装置100b。由此，在热回收装置100a中，通过副产气体和热交换介质之间的热交换生成蒸气，该蒸气通过第一蒸气移动配管2100向第二副产气体移动配管140供应。而且，在热回收装置100a中经过了热交换的副产气体向微粉清除装置100b供应，并且在清除微粉后通过第二副产气体移动配管140向氢增浓装置200移动。
在上述第二实施例中，说明了微粉清除装置100b设置在热回收装置100a和氢增浓装置200之间，并且在回收副产气体的热之后清除微粉。但是，不限于此，可以将热回收装置100a设置在微粉清除装置100b和氢增浓装置200之间，并且在清除副产气体中的微粉后回收热。
另外，在上述的第一实施例中具备一个氢增浓装置200，但是不限于此，如图3所示，可以具备多个例如两个氢增浓装置200a、200b。例如，如第三实施例所示，具备第一及第二氢气增浓沉积装置200a、200b，第二副产气体移动配管140与第一氢增浓装置200a连接，并且第一热交换器1300设置在上述第二副产气体移动配管140的延伸路径上。而且，第一氢气移动配管1100的一端与第一氢增浓装置200a连接，另一端在第二副产气体移动配管140的延伸路径上与第一热交换器1300的前端连接。
因此，在第一氢增浓装置200a中生成的高浓度含氢气体通过第一氢气移动配管1100流入第一热交换器1300，并在上述第一热交换器1300中与净化的副产气体进行热交换。此时，在第一热交换器1300中高浓度含氢气体的温度降低，净化的副产气体的温度则升高，并且向第一氢增浓装置200a供应。而且，在第一热交换器1300中温度降低的高浓度含氢气体通过第二氢气移动配管1200向第二热交换器1400移动并进行热交换，之后通过将第二热交换器1400和第二氢增浓装置200b连接起来的第三氢气移动配管520向第二氢增浓装置200b移动。而且，此时产生的蒸气通过第二蒸气移动配管2200向第二副产气体移动配管150供应。
另外，通过第一氢增浓装置200a生成的高浓度含氢气体在第二氢增浓装置200b中再次反应，并且在氢浓度增加反应进行后被排出。此时，从第二氢增浓装置200b排出的高浓度含氢气体经过设置在第二氢增浓装置200b外部的第三热交换器1500回收热后向氢分离装置供应。而且，在第三热交换器1500中生成的蒸气通过第四蒸气移动配管2400流入第二热交换器1400后以250℃的温度向第二蒸气移动配管2200供应并与净化的副产气体进行混合。
这样在第三实施例中，通过使用多个氢增浓装置200a、200b，从而可以提高副产气体的氢转换率。
上述的第三实施例是在第一实施例中追加设置氢增浓装置的结构。但是，不限于此，根据第二实施例的氢生产设备可以如第三实施例一样适用氢增浓装置，也可以适用于后述的其他实施例中。
根据第四实施例的氢生产设备是在第一实施例中在热回收装置100和氢增浓装置200之间设置硫磺清除装置710，并且在氢增浓装置200和氢分离装置300之间还设置了压缩机720的构成。在此，硫磺清除装置710利用ZnO催化剂来作为分离、清除净化的副产气体中所含的硫磺(S)的机构。
另一方面，高浓度含氢气体含有微量水，为了容易地从高浓度含氢气体中分离氢，而使高浓度含氢气体的压力成为7bar至20bar是有效的。但是，因为经过了第二热交换器的高浓度含氢气体其压力低到不足7bar，所以将上述高浓度含氢气体在压缩机720中进行压缩而将压力增加到7bar至20bar后向氢分离装置300供应。
上述的第四实施例说明了在第一实施例中追加设置硫磺清除装置710及压缩机720的例子。但是，不限于此，根据第二及第三实施例的氢生产设备中可以如第四实施例中一样适用硫磺清除装置710及压缩机720，并且在后述的第五实施例中也可以适用。
第五实施例是在根据第四实施例的氢生产设备的氢分离装置300后端追加设置除氧器800的构成。在氢分离装置300中分离的氢可能会含有少量氧气。因此，为了生产更高纯度的氢，而设置用于清除微量氧气的除氧器。根据实施例的除氧器800使用Pd作为催化剂，清除并分离氢气中所含的氧气以提高氢气的纯度。
以下，一并说明利用根据实施例的氢生产设备的氢生产步骤，并且省略或简要说明与上述重复的内容。
根据本发明实施例的氢生产方法包括：热回收步骤，回收炼钢工序中产生的副产气体的热；氢增浓步骤，增加经过热回收步骤后的副产气体中的氢浓度来生产高浓度含氢气体；以及氢分离步骤，在上述氢增浓步骤中生成的高浓度含氢气体中分离氢。在此，氢增浓步骤包括：在热回收步骤中对副产气体进行热回收的过程中产生的蒸气、及通过氢增浓步骤产生的高浓度含氢气体的热交换所产生的蒸气中的至少一个，与经过了上述热回收步骤的副产气体进行混合的步骤；及使副产气体和蒸气进行反应的步骤。
以下，说明根据本发明实施例的氢生产方法，其中，以图1所示的第一实施例为例进行更具体的说明。
在铁液制造设备的还原炉2中副产的气体即副产气体通过第一副产气体移动配管110向热回收装置100供应。向热回收装置100供应的副产气体作为具有约为350℃至600℃的温度的气体，通过在热回收装置100中与热交换介质即水的热交换作用而温度降低至约230℃至350℃。而且，通过热回收装置100内具备的过滤器清除包含在副产气体中的铁矿石微粉，并向热回收装置外部排出。
在热回收装置100中被回收热及清除微粉的副产气体，通过第二副产气体移动配管140移动的过程中与从第三蒸气移动配管2300供应的蒸气进行混合。在此，蒸气是通过在热回收装置100中对副产气体进行热回收而产生的蒸气、和通过在前一工序中在氢增浓装置200中生成的高浓度含氢气体的热交换而生成的蒸气。这些蒸气在第二副产气体移动配管140中与副产气体混合后通过第二热交换器1400。此时，在氢增浓装置200中生成的高浓度含氢气体通过第一氢气移动配管1100流入第二热交换器1400，而在具有约450℃热的上述高浓度含氢气体与混合蒸气和副产气体而成的混合气体之间发生热交换作用。因此，混合气体以温度上升的状态向氢增浓装置200供应，并且高浓度含氢气体通过第二氢气移动配管1200向第三热交换器1500供应。向氢增浓装置200供应的蒸气和副产气体的混合气体在氢增浓装置200中反应，发生副产气体中的CO及H2O变为CO2及氢(H2)的放热反应，从而增加副产气体中的氢浓度，由此生成高浓度含氢气体。在氢增浓装置200中生成的高浓度含氢气体如上所述通过第一氢气移动配管1100向第一热交换器1300移动，并与净化的副产气体进行热交换后向第二热交换器1400移动而热交换至常温或接近常温的温度之后向氢分离装置移动。此时，在第二热交换器1400中通过高浓度含氢气体的热交换而生成的蒸气，通过第一及第二蒸气移动配管2100、2200流入第一热交换器1300，而作为使净化的副产气体进行热交换的热源重新利用。
另外，在氢生产工序中重复如上所述的一系列循环周期。
图6是表示使用根据第一实施例的氢生成设备时向氢增浓装置200供应的蒸气量/副产气体中CO量的比率(蒸气/CO)相对于基于工序热回收的向氢增浓装置200内供给蒸气的形态的图表。
以往向氢增浓装置200投入的蒸气与CO的比率(蒸气/CO)约为2.5，在此所有蒸气都在氢生产设备外部制造并调拨。此时，因为氢气增浓所需的热和用于反应的H2O都需要从蒸气中获得，所以需要大量的蒸气。
但是，根据本发明的实施例，重新利用在炼钢工序中更具体地在FINEX炼钢工序中产生的副产气体。即，产生氢所需的热和H2是从副产气体本身的热和上述副产气体中所含的蒸气(H2O)调拨的。另外，在氢增浓装置200中生成的高温的高浓度含氢气体不直接向氢分离装置传送，而是将上述高浓度含氢气体的热重新利用到热交换中，所以用于氢生产的热和H2O可以从生产的高浓度含氢气体中调拨。
因此，如图6所示，大约向氢增浓装置200供应的蒸气和CO的比率(蒸气/CO)可以降低到比以往(2至3)低的1.2这一比率。即，与以往相比可以降低为了氢生产所供应的蒸气量。
另外，在提供蒸气方面，可以在炼钢工序中产生的副产气体及氢生产设备内部调拨，从而可以减少或不使用从外部制造和供应的蒸气量。因此，与以往相比，可以减少用于生产氢的蒸气生产成本，并因此有节省氢生产成本的效果。另外，随着在外部的蒸气制造量的减少，与之相应的能量消耗减少，因此能够减少CO2的排放量。
根据本发明实施例所涉及的氢生产设备，利用在氢生产工序中产生的热来生产蒸气(steam)并将其重新利用到氢生产工序中。因此，氢生成所需的蒸气可以由氢生产设备调拨，所以可以减少从外部制造并供应的蒸气的量，或不使用从外部制造并供应的蒸气。因此，与以往相比，可以降低用于氢生产的蒸气的生产成本，并因此有节省氢生产成本的效果。
Claims (19)
1.一种氢生产设备，其中，包括：
热回收装置，接收在炼钢工序中产生的副产气体，而回收上述副产气体的热；
氢增浓装置，接收在上述热回收装置中排出的副产气体，并增加上述副产气体中的氢浓度，而生产出高浓度含氢气体；
氢气处理装置，与上述热回收装置及氢增浓装置中的至少一个连接，并且将在上述热回收装置中对副产气体进行热回收的过程中产生的蒸气、及使在上述氢增浓装置中产生的高浓度含氢气体进行热交换所产生的蒸气中的至少一个，向氢增浓装置供应；及
氢分离装置，从通过上述氢气处理装置接收的高浓度含氢气体中将氢分离。
2.根据权利要求1所述的氢生产设备，其中，
包括副产气体移动配管，该副产气体移动配管的一端与上述热回收装置连接，另一端与上述氢增浓装置连接，由此将从上述热回收装置排出的副产气体向上述氢增浓装置供应，并且将上述氢气处理装置的蒸气向上述氢增浓装置供应。
3.根据权利要求2所述的氢生产设备，其中，
上述氢气处理装置包括热交换器，该热交换器通过使从上述氢增浓装置排出的上述高浓度含氢气体进行热交换而生成蒸气，并且降低上述高浓度氢气的温度，
上述氢气处理装置包括蒸气供给部，该蒸气供给部将在上述热回收装置中对副产气体进行热回收的过程中产生的蒸气、及通过上述热交换器而产生的蒸气中的至少一个，向上述副产气体移动配管移动并与上述副产气体进行混合。
4.根据权利要求3所述的氢生产设备，其中，
上述氢气处理装置包括：
第一氢气移动配管，与上述氢增浓装置连接，从上述氢增浓装置排出高浓度含氢气体；
第一热交换器，与上述第一氢气移动配管连接，使通过上述副产气体移动配管供应的副产气体和蒸气混合而成的混合气体、与高浓度含氢气体进行热交换；
第二热交换器，与上述第一热交换器连接，使在上述第一热交换器中被回收了热的高浓度含氢气体进行热交换；及
第二氢气移动配管，将上述第一热交换器和上述第二热交换器连接，而使在上述第一热交换器中被回收了热的高浓度含氢气体向第二热交换器移动。
5.根据权利要求4所述的氢生产设备，其中，
上述蒸气供给部包括：
第一蒸气移动配管，一端与上述热回收装置连接，而排出在上述热回收装置中副产的蒸气；及
第二蒸气移动配管，一端与上述第二热交换器连接，而使在上述高浓度含氢气体的热交换中产生的蒸气移动；
上述第一蒸气移动配管及第二蒸气移动配管各自的另一端与上述副产气体移动配管连接。
6.根据权利要求5所述的氢生产设备，其中，
上述第一热交换器设置在上述副产气体延伸路径上，并且上述第一热交换器设置在从上述第一蒸气移动配管及第二蒸气移动配管分别供应的蒸气与上述副产气体进行混合的地点的后端。
7.根据权利要求5所述的氢生产设备，其中，
包括热回收介质移动配管，该热回收介质移动配管与上述热回收装置及第二热交换器分别连接，供应用于热交换的热回收介质。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的氢生产设备，其中，
备有多个上述氢增浓装置。
9.根据权利要求1至7中任意一项所述的氢生产设备，其中，
包括硫磺清除装置，该硫磺清除装置清除从上述热回收装置排出的副产气体中所含有的硫磺并向上述氢增浓装置供应。
10.根据权利要求1至7中任意一项所述的氢生产设备，其中，
包括压缩机，该压缩机压缩从上述氢气处理装置供应的高浓度含氢气体来增加压力并向上述氢分离装置供应。
11.根据权利要求1至7中任意一项所述的氢生产设备，其中，
包括除氧器，该除氧器从上述氢分离装置所排出的氢气中清除氧气。
12.一种氢生产方法，其中，
包括：
热回收步骤，回收在炼钢工序中产生的副产气体的热；
氢增浓步骤，增加经过了上述热回收步骤的副产气体中的氢浓度，而生产高浓度含氢气体；及
氢分离步骤，从上述氢增浓步骤中生成的高浓度含氢气体中分离氢；
上述氢增浓步骤包括：
将在上述热回收步骤中对副产气体进行热回收的过程中产生的蒸气、及通过由上述氢增浓步骤产生的高浓度含氢气体的热交换而产生的蒸气中的至少一个，与经过了上述热回收步骤的副产气体进行混合的步骤；及
使上述副产气体和蒸气进行反应的步骤。
13.根据权利要求12所述的氢生产方法，其中，
上述氢增浓步骤包括：
使混合上述蒸气和副产气体而成的气体、与由上述氢增浓步骤生成的高浓度含氢气体进行热交换的步骤。
14.根据权利要求13所述的氢生产方法，其中，
生成通过由上述氢增浓步骤产生的高浓度含氢气体的热交换所产生的蒸气的步骤包括：
首次热交换步骤，使通过上述氢增浓步骤产生的高浓度含氢气体、与混合上述蒸气及副产气体而成的气体进行热交换；及
使经过了上述首次热交换步骤的高浓度含氢气体和热交换介质进行热交换而生成蒸气的步骤。
15.根据权利要求14所述的氢生产方法，其中，
混合上述蒸气和副产气体而成的气体通过与上述高浓度含氢气体的热交换作用而升温至氢增浓反应所需的温度。
16.根据权利要求12至15中任意一项所述的氢生产方法，其中，
上述氢增浓步骤包括多个氢增浓步骤。
17.根据权利要求12至15中任意一项所述的氢生产方法，其中，
包括在上述热回收步骤和氢增浓步骤之间从上述副产气体中清除硫磺的步骤。
18.根据权利要求12至15中任意一项所述的氢生产方法，其中，
包括在上述氢增浓步骤和上述氢分离步骤之间压缩上述高浓度含氢气体的压缩步骤。
19.根据权利要求12至15中任意一项所述的氢生产方法，其中，
包括在上述氢分离步骤后从分离的氢气清除氧气的除氧气步骤。
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