JP3683498B2 - Method and apparatus for using iron carbide - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化鉄(アイアンカーバイド、Fe3C)を利用した製鉄方法において、炭化鉄から水素等をエネルギーとして回収した上で製鉄に利用できる方法及び装置、並びに、炭化鉄を原料として効率的に、発電、製銑、水素製造を行うことができる方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
鉄鉱石を天然ガス(メタンガス)及び水素と550〜700℃の温度下で接触させると還元されて金属鉄になり、さらに反応を続けると炭化鉄(主に、Fe3C)が生成され、その割合は増えていく。
従来は、鉄鉱石を還元して得られた鉄や炭化鉄をスクラップ(屑鉄)とともに電気炉で製銑することにより銑鉄を得ていた。
【0003】
また、炭化鉄と水(蒸気)を原料として簡単に水素を製造する技術として、本出願人は既に特許を取得している(特許第2954585号)。この特許では、特許第2954585号公報に記載されているように、Fe3C+H2O→3Fe+CO+H2の反応により、比較的低温・低圧で水素と鉄を製造している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
鉄鉱石から得られた炭化鉄を製銑する場合、電気炉において、炭化鉄に含まれる炭素は二酸化炭素や一酸化炭素になるが、この時に発生する可燃性ガスを含めて、できれば、電気炉に供給する前に炭化鉄から可燃性ガスを回収してエネルギーとして利用できるシステムの開発が望まれている。
また、炭化鉄をさらに有効に利用する技術として、水素、鉄、電力を併せて製造することができる方法及び装置の開発が望まれている。
【0005】
本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、炭化鉄を電気炉で製銑する前に水蒸気と反応させて水素と一酸化炭素を発生させ、この可燃性ガスをエネルギーとして利用するとともに、可燃性ガスを取り出した炭化鉄から銑鉄を得ることにより、鉄とエネルギーを効率的に併せて生産することができる方法及び装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、炭化鉄を燃料として電池で発電を行うこと、放電後の炭化鉄を電気炉で製銑すること、及び放電後の炭化鉄を熱化学的に再生することにより、電力、鉄、水素を効率的に併せて製造することができる方法及び装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の炭化鉄の利用方法は、炭化鉄(アイアンカーバイド、Fe3C)を水蒸気又は水蒸気を含むガスと反応させ、可燃性ガスである水素及び一酸化炭素を含むガスを発生させるとともに、炭化鉄の少なくとも一部を鉄に転換し、可燃性ガスを取り出した後の鉄及び炭化鉄を電気炉で製銑して銑鉄を製造し、回収した可燃性ガスである水素及び一酸化炭素をエネルギーとして利用するように構成されている(図1参照)。
【0007】
また、本発明の方法は、炭化鉄を水蒸気又は水蒸気を含むガスと反応させ、可燃性ガスである水素及び一酸化炭素を含むガスを発生させるとともに、炭化鉄の少なくとも一部を鉄に転換し、可燃性ガスを取り出した後の鉄及び炭化鉄を電気炉で製銑して銑鉄を製造し、回収した可燃性ガスである水素及び一酸化炭素を燃焼させて発電及び/又は熱回収を行うことを特徴としている(図1参照)。
上記の本発明の方法において、回収した水素及び一酸化炭素を含むガスから水素を製造することができる(図1参照)。
また、これらの本発明の方法においては、電気炉に供給する鉄、炭化鉄及び屑鉄(スクラップ)の割合を任意に設定することができる。
【0008】
また、本発明の方法は、炭化鉄を負極活物質として電池の負極に装填し、正極活物質となる酸化剤を電池の正極に装填して、炭化鉄を燃料とする電池で発電を行い、使用済の負極活物質である少なくとも一部が水酸化した放電後の炭化鉄を電気炉で製銑して、銑鉄を得るとともに水素を製造することを特徴としている(図2参照)。
また、本発明の方法は、炭化鉄を負極活物質として電池の負極に装填し、正極活物質となる酸化剤を電池の正極に装填して、炭化鉄を燃料とする電池で発電を行い、使用済の負極活物質である少なくとも一部が水酸化した炭化鉄を還元することにより脱水酸化して炭化鉄の再生を行うとともに水素を製造し、使用済の正極活物質を酸化することにより再生し、再生した炭化鉄及び酸化剤を電池の活物質として再利用することを特徴としている(図2参照)。
【0009】
また、本発明の方法は、炭化鉄を負極活物質として電池の負極に装填し、正極活物質となる酸化剤を電池の正極に装填して、炭化鉄を燃料とする電池で発電を行い、使用済の負極活物質である少なくとも一部が水酸化した放電後の炭化鉄の一部を電気炉で製銑して、銑鉄を得るとともに水素を製造し、使用済の負極活物質である少なくとも一部が水酸化した炭化鉄の残部を還元することにより脱水酸化して炭化鉄の再生を行うとともに水素を製造し、使用済の正極活物質を酸化することにより再生し、再生した炭化鉄及び酸化剤を電池の活物質として再利用することを特徴としている(図2参照)。
これらの場合、正極に用いる酸化剤としては、一例として、MnO2、NiOOH、O2、空気等が挙げられる。
また、水酸化炭化鉄の脱水酸化反応に用いる還元剤としては、一例として、天然ガス(メタンガス)等が挙げられる。
【0010】
上記の本発明の方法においては、電池から抜き出した放電後の炭化鉄を任意の割合で、電気炉での製銑工程と脱水酸化による再生工程とに供給可能とすることにより、水素、鉄及び電力のうちの1つ又は2つの製造物について、要求される製造量で独立して製造することができる。
また、これらの本発明の方法においては、電池として、イオンが通過する部材を介して接続された2つの容器の一方の容器内の電解質溶液中に負極活物質の粉体を装填し、他方の容器内の電解質溶液中に正極活物質の粉体を装填し、2つの容器内に活物質の粉体と接触する導電体の集電装置を設けた三次元電池を用いることが好ましい(図4参照)。なお、三次元電池について、本出願人は多数の特許出願をしており、特許第3051401号として既に特許を取得したものや、特願2000−332281、特願2000−332503等の出願がある。
【0011】
本発明の炭化鉄の利用装置は、炭化鉄に水蒸気又は水蒸気を含むガスを接触させて、可燃性ガスである水素及び一酸化炭素を含むガスを発生させるとともに、炭化鉄の少なくとも一部を鉄に転換する反応装置と、反応装置で発生した可燃性ガスをエネルギーとして取り出した後の鉄及び炭化鉄を系外からの屑鉄(スクラップ)とともに導入し、製銑して銑鉄を製造する電気炉と、反応装置から回収した可燃性ガスである水素及び一酸化炭素を燃焼させて発電及び熱回収を行う燃焼機関及びボイラを備えた発電装置と、反応装置から回収した水素及び一酸化炭素を含むガスから水素を分離する水素製造装置(ガス分離装置)とを包含したことを特徴としている(図1参照)。
上記の本発明の装置においては、反応装置として流動層反応炉を用いることが好ましい(図1参照)。なお、移動層式反応装置等を用いることも勿論可能である。
また、上記の本発明の装置においては、発電装置における燃焼機関としてガスタービンを用いることが好ましい(図1参照)。なお、ガスエンジンや燃料電池等を用いることも勿論可能である。
【0012】
また、本発明の装置は、イオンが通過する部材を介して接続された2つの容器の一方の容器内の電解質溶液中に負極活物質である炭化鉄の粉体が装填され、他方の容器内の電解質溶液中に正極活物質となる酸化剤の粉体が装填され、2つの容器内に活物質の粉体と接触する導電体の集電装置が設けられた三次元電池と、三次元電池で発電に使用した放電後の負極活物質である少なくとも一部が水酸化した炭化鉄を系外からの屑鉄(スクラップ)とともに導入し、製銑して銑鉄及び水素を製造する電気炉と、三次元電池で発電に使用した放電後の負極活物質である少なくとも一部が水酸化した炭化鉄を還元することにより脱水酸化して炭化鉄の再生を行うとともに水素を製造する炭化装置と、三次元電池での発電で使用済となった正極活物質を酸化することにより再生する酸化装置とを包含し、炭化装置で再生された炭化鉄及び酸化装置で再生された酸化剤が活物質として三次元電池に供給されるようにしたことを特徴としている(図2、図4参照)。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。図1は、本発明の実施の第1形態による炭化鉄の利用方法を実施する装置の概略構成を示している。鉄鉱石(Fe3O4、Fe2O3等)を天然ガス(メタンガス)及び水素と550〜700℃の温度下で接触させると還元されて金属鉄になり、さらに反応を続けると炭化鉄(主に、Fe3C)が生成され、その割合は増えていく。図1に示すように、流動層反応炉10で鉄鉱石を天然ガス(水素は図示略)と接触させて炭化鉄(アイアンカーバイド)を生成させる。適当に炭化が進行して炭化鉄及び鉄が得られるが、この炭化鉄を電気炉で製銑する前に可燃性ガスをエネルギーとして回収するのが本実施の形態である。本実施形態が成立する根拠は、炭化鉄の流動層内粉化特性を測定していたときに、炭化鉄がスクラバーにより混入した飽和蒸気と反応し、一酸化炭素と水素が発生するのを確認したからである。すなわち、図1に示すように、流動層反応炉12で炭化鉄を水蒸気又は水蒸気を含むガスと反応させると、下記の反応により一酸化炭素と水素が得られ、炭化鉄は鉄となる。
Fe3C+H2O→3Fe+CO+H2
【0014】
上記の反応は、経済的な反応速度を得るために、温度が400〜800℃の範囲、望ましくは500〜680℃の範囲、さらに望ましくは590〜680℃の範囲で行わせることが好ましく、圧力が10kg/cm2・G以下、望ましくは大気圧以上で6kg/cm2・G以下の範囲で行わせることが好ましい。このように、上記の反応では600℃程度の比較的低い温度で水素が発生し、以後の処理や熱回収に有利である。
流動層反応炉12では炭化鉄の一部が鉄となり、水素と一酸化炭素を取り出して得られた鉄と炭化鉄を電気炉14に供給して製銑する。電気炉14には、水素等を発生させた後の鉄と炭化鉄の他、従来からの鉄鉱石の直接還元による鉄及び炭化鉄、及び廃棄されスクラップとなった屑鉄(スクラップ)が供給されるが、これらの供給量及び供給割合は要求に応じて自由に変えられる。なお、図1では、スクラップに至る工程において、一例として、転炉・高炉法で製鉄を行っているが、製鉄方法が限定されないことは言うまでもなく、本発明の方法であっても勿論差し支えない。
【0015】
流動層反応炉12で発生した可燃性ガス(水素、一酸化炭素)は、例えば、ガスタービン16による発電等に利用され、製銑するための炭化鉄からエネルギーを回収し有効利用することが可能となる。図1においては、一例として、得られた可燃性ガス(水素、一酸化炭素)を圧縮機18からの圧縮空気とともに燃焼器20に導入して燃焼させ、燃焼ガスによりタービン22を駆動させて発電機24で発電を行っている。また、タービン22からの排ガスをボイラ26に導入して蒸気を発生させている。図示していないが、この蒸気でスチームタービンを駆動させて発電を行うことができる。
また、流動層反応炉12で発生した水素及び一酸化炭素等を含むガスを水素製造装置(ガス分離装置)28に導入して水素を回収することができ、製銑するための炭化鉄から水素が製造できる。なお、水素製造装置(ガス分離装置)としては、一例として、膜分離装置、圧力スイング方式(PSA)分離装置等が用いられる。
【0016】
図2は、本発明の実施の第2形態による炭化鉄の利用方法を実施する装置の概略構成を示している。流動層反応炉10での反応等は実施の第1形態の場合と同様である。流動層反応炉10では、適当に炭化が進行して炭化鉄及び鉄が得られるが、この炭化鉄を電池に供給し発電を行うとともに、電力、鉄、水素の製造を効率的に併せて行うのが本実施の形態である。本実施の形態において、炭化鉄が電池の負極活物質となる根拠は、炭化鉄が銀・塩化銀基準−0.88ボルトの電位で299Ah/kgのクーロン量を放電することを確認したからである。このときの放電曲線を図3に示す。電位は正極に酸素極を使用すると、1.2ボルトの公称電圧を持った一次電池になる。また、放電は理論量放電することも確認している。そこで、炭化鉄を連続化学再生電池に供給し発電を行うと、例えば、炭化鉄1トン当り359kWhの発電を行うことができる。一例として、二酸化マンガンを正極とした場合の反応式を下記に示す。
負極反応 Fe3C+2H2O→Fe3C(OH)2+2H++2e-
正極反応 MnO2+2H++2e-→Mn(OH)2
全体反応 Fe3C+MnO2+2H2O→Fe3C(OH)2+Mn(OH)2
【0017】
すなわち、図2に示すように、流動層反応炉10で鉄鉱石を還元して得られた炭化鉄(及び鉄)を三次元電池30に供給することで、炭化鉄を負極活物質、二酸化マンガンを正極活物質とした三次元電池30となり、炭化鉄を燃料として直接発電を行うことができる。ここで、三次元電池の構成について説明する。一例として、図4に示すように、ケーシング32内にセパレータ34を介して、負極セル36、正極セル38が設けられ、負極セル36には負極活物質40及び電解液42(例えば、水酸化カリウム水溶液)が装填され、正極セル38には正極活物質44及び電解液42が装填されている。負極活物質40及び正極活物質44は粉体もしくは粒子又は粉体と粒子の混合物である。なお、セパレータ34は、イオンを通し電気を通さない膜であり、例えば、素焼、イオン交換樹脂膜、金属繊維等が用いられる。また、負極セル36、正極セル38の中には、それぞれ導電性の材料からなる負極集電体46、正極集電体48が設けられている。集電体の形状としては、一例として、板状、棒状、管状のものが用いられるが、他の形状のものを採用することも可能である。また、図示を省略しているが、負極集電体46、正極集電体48は、ケーシング32の外で負荷手段と接続されている。なお、活物質は固定層として装填されているが、活物質と集電体、及び活物質どうしの接触効率を上げるために、気体又は液体による流動化流体分散手段や機械的な撹拌手段等により各セル内の活物質を流動化(撹拌)する場合もある。
【0018】
本実施の形態において、図4に示すような三次元電池を用いる場合は、炭化鉄(及び鉄)が負極活物質40として負極に装填され、二酸化マンガン等の酸化剤が正極活物質44として正極に装填される。負極活物質40は粒子(粉体)どうし電気的につながっており、また、負極集電体46ともつながっているので、ケーシング32の外と電気的につながっている。同様に、正極活物質44も粒子(粉体)どうし電気的につながっており、また、正極集電体48ともつながっているので、ケーシング32の外と電気的につながっている。このような三次元電池により、上述した反応による発電が行われる。
なお、本実施の形態では、活物質を粉体や粒子とした三次元電池を使用しているが、電池の構造は限定されるものではなく、ベント型や円筒型などでも使用可能である。
【0019】
上記のように、三次元電池30での放電により炭化鉄の一部は水酸化するが、この水酸化した炭化鉄を熱化学的に再生するとともに、酸化剤(二酸化マンガン等)を化学的に再生することによって、この電池は、熱化学的に充電され、電気化学的に放電する化学再生電池となり、連続発電も可能となる。この詳細については後述する。
また、水酸化した炭化鉄を電気炉14で製銑して鉄と水素を製造することができる。すなわち、図2に示すように、三次元電池30で放電した炭化鉄を抜き出し、この水酸化した炭化鉄を、廃棄されスクラップとなった屑鉄(スクラップ)等とともに、電気炉14に供給して製銑する。スクラップに至る工程等や電気炉14に供給されるその他の原料等については、実施の第1形態の場合と同様である。
水酸化炭化鉄は電気を通し、電気炉14で溶融される。このとき下記の反応により、鉄(銑鉄)が得られるとともに、二酸化炭素と水素が発生する。この水素と、別に発生した一酸化炭素からコンバートした水素を生産物とすると、例えば、炭化鉄1トン当り12kgの水素を得ることができる。水素は高温であるため、このまま鉄鉱石やニッケル鉱の還元に使用できるが、水素燃料にするためには熱回収が必要である。なお、図2では、電気炉14で発生した水素及び二酸化炭素等を含むガスから水素を分離する工程を省略している。
Fe3C(OH)2→3Fe+CO2+H2
【0020】
また、水素及び電力の製造割合を増やすため、水酸化炭化鉄の脱水酸化反応を行う。すなわち、図2に示すように、三次元電池30で放電した炭化鉄を抜き出し、この水酸化した炭化鉄を炭化炉50に供給して熱化学的に再生する。天然ガスで還元した場合の反応式を下記に示す。なお、図2に示すように、天然ガスはガス圧縮機52等により昇圧して炭化炉50に供給され、この場合の圧力は10kg/cm2・G以下、望ましくは1〜10kg/cm2・Gの範囲である。また、反応温度は400〜800℃の範囲、望ましくは600〜700℃の範囲である。水酸化炭化鉄を熱化学的に炭化鉄に戻すことによって、上述した電気炉14での鉄の製造に対して、水素、電力の製造割合を増やすことができる。なお、図2では、炭化炉50で発生した水素及び二酸化炭素等を含むガスから水素を分離する工程を省略している。また、使用済の酸化剤(図2では、二酸化マンガン)は、例えば、流動層酸化装置54で酸化して再生される。再生された炭化鉄及び酸化剤は電池30で再利用され、これによって、電池30は、熱化学的に充電され、電気化学的に放電する化学再生電池となる。この場合、三次元電池30から抜き出した放電後の炭化鉄は、上述した電気炉14での製銑工程に供給するか、炭化炉50での脱水酸化による再生工程に供給するかを、任意の割合で自由に設定することが可能であり、水素、鉄及び電力のうちの2つの製造物について、要求される製造量で独立して製造することができる。
Fe3C(OH)2+CH4→Fe3C+CO2+3H2
例えば、電力を1億kW、8000時間、すなわち8000億kWh、鉄1億トン生産すると、水素は7600万トン併産される計算となる。
【0021】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
(1) 炭化鉄を利用した製鉄方法において、炭化鉄から水素等をエネルギーとして回収した上で製鉄に利用することができる。
(2) 炭化鉄を原料として効率的に、発電、製銑、水素製造を行うことができる。
(3) 炭化鉄を電池に供給して直接発電を行うことができ、放電した炭化鉄を電気炉で製銑することで鉄(銑鉄)と水素が製造でき、放電した炭化鉄を熱化学的に再生することで連続発電が可能となり水素も製造できる。しかも、水素、鉄及び電力の3つの生産物のうち2つの生産を要求される量で独立して生産することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の第1形態による炭化鉄の利用方法を実施する装置を示す系統的概略構成説明図である。
【図2】本発明の実施の第2形態による炭化鉄の利用方法を実施する装置を示す系統的概略構成説明図である。
【図3】炭化鉄半電池の放電特性を示すグラフである。
【図4】本発明の実施の第2形態で用いる三次元電池の一例を示す概略断面構成図である。
【符号の説明】
10、12 流動層反応炉
14 電気炉
16 ガスタービン
18 圧縮機
20 燃焼器
22 タービン
24 発電機
26 ボイラ
28 水素製造装置(ガス分離装置)
30 三次元電池
32 ケーシング
34 セパレータ
36 負極セル
38 正極セル
40 負極活物質
42 電解液
44 正極活物質
46 負極集電体
48 正極集電体
50 炭化炉
52 ガス圧縮機
54 流動層酸化装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention relates to a method and apparatus that can be used for iron making after recovering hydrogen or the like from iron carbide as energy in an iron making method that uses iron carbide (iron anchor, Fe 3 C), and efficient using iron carbide as a raw material. Further, the present invention relates to a method and an apparatus capable of performing power generation, iron making, and hydrogen production.
[0002]
[Prior art]
When iron ore is brought into contact with natural gas (methane gas) and hydrogen at a temperature of 550 to 700 ° C., the iron ore is reduced to metallic iron, and when the reaction continues, iron carbide (mainly Fe 3 C) is produced. The ratio will increase.
Conventionally, pig iron was obtained by iron-making iron or iron carbide obtained by reducing iron ore together with scrap (scrap iron) in an electric furnace.
[0003]
Further, the present applicant has already obtained a patent as a technique for easily producing hydrogen using iron carbide and water (steam) as raw materials (Japanese Patent No. 2945585). In this patent, as described in Japanese Patent No. 2954585, hydrogen and iron are produced at a relatively low temperature and low pressure by a reaction of Fe 3 C + H 2 O → 3Fe + CO + H 2 .
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When iron carbide obtained from iron ore is ironed, the carbon contained in the iron carbide in the electric furnace is carbon dioxide or carbon monoxide, and if possible, including the combustible gas generated at this time, the electric furnace It is desired to develop a system that can recover combustible gas from iron carbide and use it as energy before supplying it to the factory.
In addition, as a technique for more effectively using iron carbide, development of a method and apparatus capable of producing hydrogen, iron, and electric power together is desired.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described points. The object of the present invention is to generate hydrogen and carbon monoxide by reacting iron carbide with steam before making iron carbide in an electric furnace, and use this combustible gas as energy. And providing a method and apparatus capable of efficiently producing iron and energy by obtaining pig iron from iron carbide from which combustible gas is extracted.
In addition, the object of the present invention is to generate electricity in a battery using iron carbide as a fuel, to produce iron carbide after discharge in an electric furnace, and to thermochemically regenerate the iron carbide after discharge, An object of the present invention is to provide a method and apparatus capable of efficiently combining electric power, iron, and hydrogen.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the method of using iron carbide according to the present invention reacts iron carbide (iron anchor, Fe 3 C) with water vapor or a gas containing water vapor, and hydrogen and carbon monoxide, which are combustible gases. Combustible gas, and at least part of the iron carbide is converted to iron, and after the combustible gas is taken out, iron and iron carbide are produced in an electric furnace to produce pig iron, and the recovered combustible gas It is comprised so that hydrogen and carbon monoxide which are may be utilized as energy (refer FIG. 1).
[0007]
Further, the method of the present invention reacts iron carbide with water vapor or a gas containing water vapor to generate a gas containing hydrogen and carbon monoxide, which are combustible gases, and converts at least a part of the iron carbide into iron. Then, iron and iron carbide after the combustible gas is taken out are produced in an electric furnace to produce pig iron, and the recovered combustible gas hydrogen and carbon monoxide are burned to generate power and / or recover heat. (Refer to FIG. 1).
In the method of the present invention described above, hydrogen can be produced from a gas containing recovered hydrogen and carbon monoxide (see FIG. 1).
Moreover, in these methods of this invention, the ratio of the iron supplied to an electric furnace, iron carbide, and scrap iron (scrap) can be set arbitrarily.
[0008]
In the method of the present invention, iron carbide is loaded on the negative electrode of the battery as a negative electrode active material, an oxidant serving as a positive electrode active material is loaded on the positive electrode of the battery, and power is generated in a battery using iron carbide as a fuel. It is characterized in that at least a portion of the used negative electrode active material is hydroxylated and iron iron after discharge is produced in an electric furnace to obtain pig iron and hydrogen (see FIG. 2).
In the method of the present invention, iron carbide is loaded on the negative electrode of the battery as a negative electrode active material, an oxidant serving as a positive electrode active material is loaded on the positive electrode of the battery, and power is generated in a battery using iron carbide as a fuel. Reducing iron carbide, which is dehydrated and oxidized by reducing at least a portion of the used negative electrode active material, which is hydroxylated, regenerates the iron carbide and regenerates it by producing hydrogen and oxidizing the used positive electrode active material The regenerated iron carbide and oxidizing agent are reused as battery active materials (see FIG. 2).
[0009]
In the method of the present invention, iron carbide is loaded on the negative electrode of the battery as a negative electrode active material, an oxidant serving as a positive electrode active material is loaded on the positive electrode of the battery, and power is generated in a battery using iron carbide as a fuel. At least a part of the used negative electrode active material is hydroxylated, and a part of the iron carbide after discharge is made in an electric furnace to obtain pig iron and produce hydrogen, and at least a used negative electrode active material Reducing the remainder of the partially oxidized iron carbide to dehydrate and oxidize it to regenerate the iron carbide and produce hydrogen, regenerate by oxidizing the used positive electrode active material, It is characterized by reusing the oxidizing agent as the battery active material (see FIG. 2).
In these cases, examples of the oxidizing agent used for the positive electrode include MnO 2 , NiOOH, O 2 , and air.
Moreover, natural gas (methane gas) etc. are mentioned as an example as a reducing agent used for dehydration oxidation reaction of iron hydroxide carbide.
[0010]
In the method of the present invention described above, by allowing the iron carbide after discharge extracted from the battery to be supplied to the iron making process in the electric furnace and the regeneration process by dehydration oxidation at an arbitrary ratio, hydrogen, iron and One or two products of power can be produced independently with the required production quantity.
In these methods of the present invention, as the battery, the negative electrode active material powder is loaded into the electrolyte solution in one of the two containers connected via a member through which ions pass, and the other It is preferable to use a three-dimensional battery in which a positive electrode active material powder is loaded in an electrolyte solution in a container, and a conductor current collector is provided in two containers to be in contact with the active material powder (FIG. 4). reference). In addition, the present applicant has applied for many patents for the three-dimensional battery, and there are applications that have already obtained patents as Japanese Patent No. 3051401, and Japanese Patent Application Nos. 2000-332281 and 2000-332503.
[0011]
The apparatus for using iron carbide according to the present invention causes iron carbide to come into contact with water vapor or a gas containing water vapor to generate a gas containing hydrogen and carbon monoxide, which are combustible gases, and at least part of the iron carbide is made into iron. And an electric furnace that introduces iron and iron carbide after taking out combustible gas generated in the reactor as energy together with scrap iron (scrap) from outside the system, and produces pig iron by iron making , A power generation device including a combustion engine and a boiler for generating power and recovering heat by burning hydrogen and carbon monoxide, which are combustible gases recovered from the reactor, and a gas containing hydrogen and carbon monoxide recovered from the reactor And a hydrogen production apparatus (gas separation apparatus) that separates hydrogen from the catalyst (see FIG. 1).
In the apparatus of the present invention described above, it is preferable to use a fluidized bed reactor as the reaction apparatus (see FIG. 1). Of course, it is also possible to use a moving bed reactor or the like.
In the above-described apparatus of the present invention, it is preferable to use a gas turbine as a combustion engine in the power generation apparatus (see FIG. 1). Of course, it is possible to use a gas engine, a fuel cell, or the like.
[0012]
In the apparatus of the present invention, the powder of iron carbide as the negative electrode active material is loaded into the electrolyte solution in one of the two containers connected via a member through which ions pass, and the other container is filled with the powder. A three-dimensional battery in which an oxidant powder serving as a positive electrode active material is loaded in an electrolyte solution, and a current collector for a conductor that is in contact with the active material powder is provided in two containers, and a three-dimensional battery An electric furnace for producing pig iron and hydrogen by introducing iron carbide, which is at least partly hydroxylated after discharge, used for power generation, together with scrap iron (scrap) from outside the system, and producing iron and hydrogen A three-dimensional carbonization device that regenerates iron carbide by dehydrating and oxidizing iron carbide, which is at least partially hydroxylated, which is the negative electrode active material after discharge used for power generation in the original battery, and producing hydrogen. Positive electrode active material that has been used for battery power generation And the oxidizing device regenerated by the carbonizing device and the oxidizing agent regenerated by the oxidizing device are supplied to the three-dimensional battery as an active material. (See FIGS. 2 and 4).
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with appropriate modifications. FIG. 1 shows a schematic configuration of an apparatus for carrying out the iron carbide utilization method according to the first embodiment of the present invention. When iron ore (Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3, etc.) is brought into contact with natural gas (methane gas) and hydrogen at a temperature of 550 to 700 ° C., it is reduced to metallic iron, and when the reaction continues, iron carbide ( Mainly, Fe 3 C) is produced, and its proportion increases. As shown in FIG. 1, iron ore is brought into contact with natural gas (hydrogen is not shown) in a fluidized
Fe 3 C + H 2 O → 3Fe + CO + H 2
[0014]
In order to obtain an economical reaction rate, the above reaction is preferably carried out at a temperature in the range of 400 to 800 ° C., desirably in the range of 500 to 680 ° C., more desirably in the range of 590 to 680 ° C. Is preferably 10 kg / cm 2 · G or less, preferably in the range of atmospheric pressure to 6 kg / cm 2 · G. Thus, in the above reaction, hydrogen is generated at a relatively low temperature of about 600 ° C., which is advantageous for subsequent processing and heat recovery.
In the
[0015]
The combustible gas (hydrogen, carbon monoxide) generated in the
Further, a gas containing hydrogen and carbon monoxide generated in the
[0016]
FIG. 2 shows a schematic configuration of an apparatus for carrying out the iron carbide utilization method according to the second embodiment of the present invention. The reaction in the
Negative electrode reaction Fe 3 C + 2H 2 O → Fe 3 C (OH) 2 + 2H + + 2e −
Positive electrode reaction MnO 2 + 2H + + 2e − → Mn (OH) 2
Overall reaction Fe 3 C + MnO 2 + 2H 2 O → Fe 3 C (OH) 2 + Mn (OH) 2
[0017]
That is, as shown in FIG. 2, by supplying iron carbide (and iron) obtained by reducing iron ore in the
[0018]
In the present embodiment, when a three-dimensional battery as shown in FIG. 4 is used, iron carbide (and iron) is loaded into the negative electrode as the negative electrode
In this embodiment, a three-dimensional battery in which the active material is powder or particles is used. However, the structure of the battery is not limited, and a vent type or a cylindrical type can also be used.
[0019]
As described above, a part of the iron carbide is hydroxylated by the discharge in the three-
Further, iron and hydrogen can be produced by iron-hydrating hydrated iron carbide in the
The iron hydroxide carbide conducts electricity and is melted in the
Fe 3 C (OH) 2 → 3Fe + CO 2 + H 2
[0020]
Moreover, in order to increase the production ratio of hydrogen and electric power, dehydration oxidation reaction of iron hydroxide carbide is performed. That is, as shown in FIG. 2, the iron carbide discharged in the three-
Fe 3 C (OH) 2 + CH 4 → Fe 3 C + CO 2 + 3H 2
For example, if electricity is produced at 100 million kW, 8000 hours, that is, 800 billion kWh and iron is produced at 100 million tons, hydrogen is calculated to be produced at 76 million tons.
[0021]
【The invention's effect】
Since this invention is comprised as mentioned above, there exist the following effects.
(1) In the iron making method using iron carbide, hydrogen and the like can be recovered from the iron carbide as energy and then used for iron making.
(2) Power generation, ironmaking, and hydrogen production can be efficiently performed using iron carbide as a raw material.
(3) Electric power can be generated directly by supplying iron carbide to the battery, and iron (pig iron) and hydrogen can be produced by iron making the discharged iron carbide in an electric furnace. It is possible to continuously generate power and to produce hydrogen. Moreover, it is possible to independently produce two of the three products of hydrogen, iron and electric power in the required amount.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a systematic schematic configuration explanatory view showing an apparatus for carrying out a method of using iron carbide according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a systematic schematic configuration explanatory view showing an apparatus for carrying out a method of using iron carbide according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing discharge characteristics of an iron carbide half-cell.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional configuration diagram showing an example of a three-dimensional battery used in a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
30 three-
Claims (6)
三次元電池で発電に使用した放電後の負極活物質である少なくとも一部が水酸化した炭化鉄を系外からの屑鉄とともに導入し、製銑して銑鉄及び水素を製造する電気炉と、
三次元電池で発電に使用した放電後の負極活物質である少なくとも一部が水酸化した炭化鉄を還元することにより脱水酸化して炭化鉄の再生を行うとともに水素を製造する炭化装置と、
三次元電池での発電で使用済となった正極活物質を酸化することにより再生する酸化装置とを包含し、
炭化装置で再生された炭化鉄及び酸化装置で再生された酸化剤が活物質として三次元電池に供給されるようにしたことを特徴とする炭化鉄の利用装置。A powder of iron carbide, which is a negative electrode active material, is loaded in an electrolyte solution in one of two containers connected via a member through which ions pass, and a positive electrode active material in the electrolyte solution in the other container A three-dimensional battery provided with a current collector for a conductor that is loaded with an oxidant powder to be in contact with the active material powder in two containers;
An electric furnace for producing pig iron and hydrogen by introducing iron carbide, which is at least partially hydroxylated, which is a negative electrode active material after discharge used for power generation in a three-dimensional battery, together with scrap iron from outside the system,
A carbonization device for producing hydrogen by dehydrating and oxidizing iron carbide by reducing at least a portion of the hydroxide, which is a negative electrode active material after discharge used for power generation in a three-dimensional battery, to regenerate iron carbide;
Including an oxidizer that regenerates by oxidizing the positive electrode active material that has been used in power generation in a three-dimensional battery,
An iron carbide utilization apparatus characterized in that iron carbide regenerated by a carbonization apparatus and an oxidant regenerated by an oxidation apparatus are supplied as active materials to a three-dimensional battery.
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