一种电解制氢还原氧化铁制铁粉的零碳发电与增值系统及方法与流程

本发明涉及零碳能源与氢冶金交叉，具体涉及一种以可再生电能电解水制氢为还原剂、将氧化铁还原为金属铁粉并以其为零碳燃料发电、同时将燃烧产物三氧化二铁回收增值并使铁元素闭路循环的系统及方法。

背景技术：

1、近年来风电、光伏装机快速增长，但其出力具有显著的昼夜与季节波动性，弃风弃光与尖峰缺电并存，亟需长时、大容量、可跨区域运输的储能与能量载体。

2、目前主流的储能与能量转换路线存在各自局限：锂离子电池适合2~4小时的短时调峰，受资源、安全与回收约束，难以支撑跨季节储能；抽水蓄能受地理条件限制；高压气态储氢、低温液氢与管道输氢则面临储运成本高、氢脆、泄漏与安全风险大等问题，且需要全新的基础设施。

3、金属燃料循环为上述问题提供了新思路。铁粉在常温常压下化学性质稳定、可长期堆存，其体积能量密度约为烟煤的1.5~2倍，可用普通货车、铁路货船运输；铁粉燃烧产物为固体氧化物颗粒，可采用旋风分离与过滤方式高效捕集，再以还原反应再生，从而构成“燃烧—还原—再燃烧”的闭环。国内外已开展示范：荷兰rift公司先后建成100kw与1mw级铁燃料锅炉用于啤酒厂供热与社区供暖；德国研究机构提出将退役燃煤电厂改造为铁粉锅炉、保留汽轮机与电网接入系统；卡尔斯鲁厄理工学院基于能源系统模型的模拟表明，铁燃料循环在长时储能场景中可与绿氢路线形成互补。

4、在还原环节，绿氢还原氧化铁的技术基础已经打通：万吨级绿电绿氢流化床氢冶金示范线，以绿电电解水制氢、再以氢气还原铁精矿，稳定产出金属化率95%以上的直接还原铁，颗粒完全还原时间缩短至10分钟以内；纯氢竖炉路线的金属化率亦达96%以上。上述进展为“绿电—绿氢—金属铁”的能量转化提供了工程依据。

5、然而，现有技术与文献仍存在以下不足：（1）研究多聚焦铁粉燃烧器或锅炉本体，缺少“制氢—还原—储运—燃烧—回收”全链条的一体化系统集成，各单元独立设计、能量流与物质流不匹配；（2）还原环节或依赖化石基还原剂，或未与绿电电解制氢动态耦合，难以实现全过程零碳；（3）超细铁粉比表面积大、化学活性高，储运过程中存在自燃与粉尘爆炸风险，现有方案缺少与前段还原、后段燃烧协同的惰化防爆与安全联锁设计；（4）燃烧产物氧化铁多被简单返炉或堆存，未进行分级提纯与高值化利用，系统经济性差；（5）缺乏面向绿电波动的协同控制策略，电解负荷、还原炉热工制度与锅炉负荷之间无法联动优化。

6、因此，亟需一种将间歇性绿电转化为可长期储存、可安全储运的固体零碳燃料，并实现能量转化与铁元素物质循环、产物增值耦合的系统及方法。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、本发明要解决的技术问题是：（1）如何将间歇性、波动性的可再生电能转化为可长期储存、体积能量密度高、可跨区域运输的零碳燃料；（2）如何在还原环节避免使用化石还原剂，使全过程无二氧化碳排放；（3）如何解决超细铁粉在储存与输送过程中的自燃与粉尘爆炸风险；（4）如何提升燃烧产物三氧化二铁的利用价值，改善系统经济性；（5）如何实现电解、还原、储运、燃烧与回收各单元在全工况下的协同控制.

3、技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供一种电解制氢还原氧化铁制铁粉的零碳发电与增值系统，包括绿电驱动的电解水制氢单元、氢气净化与缓存单元、氧化铁还原单元、铁粉钝化与超细化单元、密闭储仓与惰化防爆输送单元、铁粉锅炉发电单元、燃烧产物捕集与分级单元以及协同控制单元。

5、所述电解水制氢单元采用碱性电解槽或质子交换膜电解槽，电源来自风电场、光伏电站的弃电或电网低谷电，直流电耗为4.0~5.0kw·h/nm3，功率可在额定值的10%~110%范围内调节，负荷响应时间不大于10s，以适配绿电的间歇性；电解副产的氧气经气液分离与干燥后，一部分送入铁粉燃烧器作为助燃风富氧使用，其余作为工业或医用氧气外售。

6、所述氢气净化与缓存单元包括脱氧器、干燥器、氢气压缩机与氢气缓冲罐，使进入还原单元的氢气纯度不低于99.99%、露点不高于-40℃，从而为还原反应提供稳定的氢源。

7、所述氧化铁还原单元为流化床还原炉或竖式还原炉，氧化铁原料为三氧化二铁粉体，包括铁矿石粉、轧钢铁鳞、赤泥提铁产物或系统自身返回的燃烧产物。还原反应按fe2o3+3h2→2fe+3h2o进行，反应温度500~800℃，氢气与三氧化二铁的摩尔比为3.5~6，即相对化学计量比过量1.2~2.0倍；还原尾气经冷凝器除水、氢回收装置提纯后返回氢气入口循环使用，单程未反应氢的回收率不低于90%，产物金属化率不低于92%、优选不低于95%。

8、所述铁粉钝化与超细化单元包括钝化器与超细粉碎分级机。钝化器向高温金属铁粉中通入含微量氧的惰性气体，使其表面生成厚度为数纳米至数十纳米的致密氧化膜，从而在常温空气中不自燃；超细粉碎分级机将铁粉处理至d50为5~50μm，兼顾着火稳定性与气力输送流动性。

9、所述密闭储仓与惰化防爆输送单元中，密闭储仓顶部设置进料口、呼吸阀与泄爆装置，下部为锥形卸料段并设置氮气气垫破拱装置，仓内设置氧含量传感器、温度传感器、料位计与co浓度传感器。惰化置换回路采用“抽真空—充氮置换”方式：先将密闭储仓抽真空至绝对压力不高于10kpa，再充入氮气至微正压0.5~2kpa，重复不少于2次，使仓内氧体积分数降至不高于2%；循环净化支路设置除湿与除氧装置，使循环氮气露点不高于-20℃，仓内相对湿度不高于30%。失重式计量给料单元由称重料斗与变频螺旋给料机构成，给料精度不低于±1%，出口设置旋转卸料阀与防火隔爆阀；浓相气力输送管路以氮气为载气，固气质量比为20~80，表观气速为2~8m/s，弯头处设置耐磨内衬、静电跨接与管道阻火器，管路上设置喷射滞后时间不大于50ms的抑爆装置，泄爆装置动作压力为0.01~0.02mpa，全部设备与管路设置静电消除与接地装置。

10、所述铁粉锅炉发电单元包括铁粉燃烧器、锅炉本体与汽轮发电机组。铁粉以浓相气流喷入炉膛，燃烧火焰温度可达1800℃以上，铁粉燃尽率不低于98%，产生的热量用于生产高温高压或超临界蒸汽驱动汽轮发电机组发电，并可按需求提供工业蒸汽实现热电联产。该系统可在既有燃煤电厂基础上改造，保留厂房、汽轮机、发电机与送出线路，仅更换燃烧系统、粉体输送与产物捕集装置。

11、所述燃烧产物捕集与分级单元包括依次串联的旋风分离器、布袋除尘器或电除尘器以及气流分级机，三氧化二铁总捕集效率不低于99.5%。捕集所得三氧化二铁按协同控制单元设定的比例分为两路：第一路经返料管路返回氧化铁还原单元，实现铁元素闭路循环，循环率不低于80%；第二路进入产品仓，经分级提纯得到fe2o3质量分数不低于95%的产品，作为氧化铁红颜料、软磁或硬磁铁氧体原料、催化剂载体或炼钢冷却剂外售增值。

12、所述协同控制单元实现能量流与物质流的统一调度：在蓄能工况，按可再生电站功率预测与电网电价信号提升电解功率、增加还原负荷并提高储仓料位；在发电工况，按电网负荷指令调节给料量与固气质量比，使单台燃烧器给料量偏差不大于±5%；同时执行三级安全联锁，并在氧体积分数、温度或co浓度越限时按“补氮惰化—切断下料—启动抑爆”的优先级动作。

13、有益效果

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

15、（1）全过程零碳。以绿电电解水制得氢气作为唯一还原剂，还原反应的唯一副产物为水，铁粉燃烧不产生二氧化碳与硫氧化物，系统的碳排放来自外购电力部分，可实现近零排放.

16、（2）实现长时、跨季节储能与跨区域输能。铁粉在常温常压下可堆存数月乃至跨年而不自降解，体积能量密度约为烟煤的1.5~2倍，可利用铁路与船舶运输，把西北等新能源基地的富余电力以固体燃料形式输送至东部负荷中心，克服了氢气储运对高压容器、管道与地下储气库的依赖.

17、（3）物质闭环与产物增值并举。燃烧产物三氧化二铁被高效捕集后，一部分返回还原单元构成铁元素闭路循环，另一部分经分级提纯作为化工产品外售；同时副产氧气、回收余热与循环氢，形成多元收益，显著改善系统经济性.

18、（4）本质安全。通过“抽真空—充氮置换”惰化、密闭储存、氮气浓相输送、静电消除接地、泄爆与抑爆装置以及三级安全联锁，将超细铁粉的自燃与粉尘爆炸风险由被动防护转为主动抑制.

19、（5）便于存量机组改造。铁粉燃烧特性与煤粉相近，可在既有燃煤电厂基础上改造燃烧系统、粉体输送与产物捕集单元，保留汽轮机、发电机与送出线路，大幅降低零碳转型的沉没成本.

20、（6）全工况协同控制。协同控制单元把绿电功率预测、电解负荷、还原炉热工制度、储仓料位与锅炉负荷纳入统一调度，使系统在弃电蓄能与尖峰发电两种工况之间平顺切换，提高设备利用率与整体往返效率。