一種熱態(tài)鋁渣聯(lián)合水蒸氣反應制備氫氣的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種熱態(tài)鋁渣聯(lián)合水蒸氣反應制備氫氣的方法，在金屬鋁再生冶煉過程中，將扒出的鋁渣快速置入反應爐中，持續(xù)通入水蒸氣與金屬鋁反應，將經(jīng)過高溫反應后得到的富氧化鋁的鋁渣進行回收，將產(chǎn)生的高溫氣體經(jīng)過換熱器后得到液態(tài)水和純凈的氫氣。本發(fā)明利用熱態(tài)鋁渣作為鋁再生資源來代替原生鋁制備氫氣，可以有效降低能源消耗和環(huán)境負擔；制氫工藝成本較低，無需額外的活化工藝環(huán)節(jié)，能夠進一步回收反應固態(tài)產(chǎn)物中的氧化鋁；該制氫工藝，不僅可以獲得氫氣燃料，而且能夠有效利用反應熱量來獲得高溫水蒸氣，使體系能量利用效率得到了進一步的提高。
【專利說明】
_種熱態(tài)鍋渣聯(lián)合水黑氣)反應制備氫氣)的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及鋁渣的回收利用方法，具體涉及一種熱態(tài)鋁渣聯(lián)合水蒸氣反應制備氫 氣的方法。
【背景技術】
[0002] 鋁的再生熔煉旨在將生產(chǎn)加工過程中產(chǎn)生的鋁廢、超出使用周期的鋁制品，以及 在電解鋁過程中產(chǎn)生的白渣等富含金屬鋁的廢料進行鋁的回收再生。在熔煉過程中，會定 期產(chǎn)生大量的鋁渣，一般含有20-60wt %金屬鋁，30-50wt %的鹽熔劑，部分金屬元素(A1、 31、〇!、？6、211等）的氧化物等。鋁渣作為一種具有極高經(jīng)濟價值的可再生資源，長期以來沒 有引起足夠的重視，在實際處理中仍以簡單填埋、隨意堆放方式為主。由于鋁渣中含有大量 的可溶性氯鹽，容易污染水源和土壤，同時其中的氮化鋁、碳化鋁、金屬鋁會在潮濕環(huán)境下 發(fā)生水解，產(chǎn)生大量易燃有害的氣體，如NH3、014、出等。因此，尋求一種鋁渣資源高效利用的 新途徑，對于實現(xiàn)鋁再生工業(yè)固廢的資源化和無害化，解決我國所面臨的資源和環(huán)境問題， 實現(xiàn)鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
[0003] 氫能作為一種清潔無污染的可再生新能源日益受到人們的關注。鋁是地殼中含量 最高的金屬元素，具有原料來源廣泛、比能量高、性質(zhì)活潑等特性，是一種非常有應用前景 的儲能和能量轉換材料。利用金屬鋁與水反應制取氫氣具有廣闊的應用前景，而鋁渣或鋁 廢等金屬鋁再生資源來代替原生鋁制備氫氣可以獲得更低的能源消耗和環(huán)境負擔。提高 鋁/水反應速率的關鍵在于破壞反應過程中金屬鋁表面生成的致密產(chǎn)物層，使水能夠持續(xù) 與金屬鋁新鮮表面接觸發(fā)生快速反應。基于這個原理，研究者使用納米金屬鋁粉體，或?qū)?屬鋁進行活化，包括添加氯化物、氧化物進行研磨，金屬鋁/碳材料復合，合金化等手段實現(xiàn) 快速制取氫氣。然而以上這些方法需要對金屬鋁先進行預處理，或研磨，或與其他材料進行 復合或者合金化，對直接利用鋁渣來制備氫氣造成一定的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種熱態(tài)鋁渣聯(lián)合水蒸氣高溫反應制備氫氣的 方法，利用鋁再生熔煉的熱態(tài)鋁渣，無需對其中的金屬鋁顆粒進行預處理，通過渣中固有的 鹽熔劑加快金屬鋁與水蒸氣的反應速率，進行氫氣的高效制取。
[0005] 具體的，本發(fā)明提供如下技術方案：
[0006] 本發(fā)明的熱態(tài)鋁渣聯(lián)合水蒸氣反應制備氫氣的方法，包括下述步驟：
[0007] (1)在金屬鋁再生冶煉過程中，將扒出的鋁渣快速置入反應爐中，并持續(xù)通入氬 氣；
[0008] 將鋁渣快速置入反應爐中旨在獲得作為反應原料的熱態(tài)鋁渣，通入氬氣旨在趕走 反應爐中的氧氣以防止其中的金屬鋁液被氧化。
[0009] 優(yōu)選的，所述的鋁渣中含有20-60wt%金屬鋁，30-50wt%的鹽熔劑。
[0010] 進一步的，所述的鹽熔劑組成為等摩爾比例的氯化鈉和氯化鉀以及5-10m〇l %的 氟化物。
[0011] 上述技術方案中的氟化物優(yōu)選為CaF2或NaF。
[0012] (2)向反應爐中通入水蒸氣與熱態(tài)鋁渣反應，生成高溫氣體；
[0013] 以步驟(1)中的熱態(tài)鋁渣為原料，通入一定流量的水蒸氣與金屬鋁反應，利用鋁渣 中固有的鹽熔劑來加快反應速率。
[0014] 優(yōu)選的，反應爐可以采用回轉反應爐來進一步提高反應速率。
[0015] (3)將經(jīng)過高溫反應后得到的富氧化鋁的鋁渣進行回收；
[0016] (4)將產(chǎn)生的高溫氣體經(jīng)過換熱器后得到液態(tài)水和純凈的氫氣。
[0017] 產(chǎn)氣部分包括高溫的氫氣和水蒸氣，高溫氣體經(jīng)過換熱器后水蒸氣成為液態(tài)水， 熱量得到循環(huán)利用，并得到純凈的氫氣。
[0018] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的熱態(tài)鋁渣聯(lián)合水蒸氣反應制備氫氣的方法具有下述優(yōu) 占.
[0019] (1)利用金屬鋁制取氫氣具有廣闊的應用前景，本發(fā)明利用熱態(tài)鋁渣再生資源來 代替原生鋁制備氫氣，可以有效降低能源消耗和環(huán)境負擔。
[0020] (2)本發(fā)明提供了一種有效促進金屬鋁/水蒸氣高溫反應的新方法，首次提出利用 熱態(tài)鋁渣中固有的鹽熔劑作為助劑提高金屬鋁/水蒸氣的反應速率。
[0021] (3)本發(fā)明制氫工藝具有成本較低，無需額外的活化工藝環(huán)節(jié)等技術優(yōu)勢，且反應 固態(tài)產(chǎn)物為富氧化鋁的鋁渣，可以進一步進行回收。
[0022] (4)本發(fā)明提出的熱態(tài)鋁渣/水蒸氣制氫工藝，不但可以獲得氫氣燃料，而且能夠 有效利用反應熱量來獲得高溫水蒸氣，使體系能量利用效率得到了進一步的提高。
【附圖說明】
[0023] 為了更加清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要 使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關本發(fā)明的附圖僅僅是本發(fā)明的 一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這 些附圖獲得其他的附圖。
[0024] 圖1是本發(fā)明熱態(tài)鋁渣聯(lián)合水蒸氣反應制備氫氣方法的工藝流程圖，其中300Γ的 水蒸氣僅為舉例，并非特別限定，g代表氣態(tài)，lq代表液態(tài)；
[0025] 圖2是本發(fā)明實施例的熱態(tài)鋁渣與水蒸氣高溫反應曲線圖；
[0026] 圖3是本發(fā)明實施例的純金屬鋁顆粒與水蒸氣高溫反應曲線圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行詳細的描 述。
[0028] 如圖1所示，本發(fā)明以金屬鋁再生熔煉過程中產(chǎn)生的固廢熱態(tài)鋁渣為原料，充分利 用鋁渣中富含的金屬鋁和余熱資源，與水蒸氣進行反應進行氫氣制備，將熱態(tài)鋁渣中的鹽 熔劑作為助劑，能夠大大加速金屬鋁與水蒸氣的反應，同時還能夠利用反應過程中產(chǎn)生的 巨額熱量來生成高溫水蒸氣。
[0029] 本發(fā)明的制氫體系由固態(tài)原料和氣態(tài)原料兩部分組成，固態(tài)原料為從鋁再生熔煉 中剛扒出的浮渣，氣態(tài)原料為水蒸氣。
[0030]熱態(tài)錯漁樣品的米集：
[0031 ]鋁渣原料的準備:熱態(tài)鋁渣將在鋁再生熔煉現(xiàn)場進行采樣，將剛扒出的熱渣置于 氬氣氣氛中進行冷卻，以確保整個實驗過程中樣品的代表性和可靠性。鋁渣的成分如表1所 示，鋁渣中含有30wt %的金屬鋁，30wt %的氯鹽，以及其他一些氧化物。
[0032]表1扒出的鋁渣的成分分析結果
[0033]
[0034] 實驗過程:將50毫克原始熱渣粉狀樣品置于反應腔的坩堝中，隨后通入凈化后的 高純氬氣。鼓入爐腔12小時，以便鼓走殘余在管內(nèi)的空氣。此時鼓入60ml/min流量的水蒸 氣，由氬氣一并帶入反應腔中，隨后以5°C/min的速率進行升溫，生成氣體經(jīng)由出口經(jīng)過冷 凝干燥后通過氣相色譜儀進行記錄氫氣的濃度變化。
[0035]參比實驗將采用純金屬鋁顆粒(75-150微米，純度>99.Owt%)進行氫氣制取，具體 實驗步驟如上。
[0036] 從圖2和圖3對比可以發(fā)現(xiàn)，鋁渣中由于鹽熔劑的存在可以在650-850°C溫度區(qū)間 大大加快氫氣生成速度，在溫度為700 °C左右時，最高氫氣生成速率可達到eOcn^mir^g^1。當 溫度升至800°C，鋁渣中金屬鋁的反應率已高達50 %，而純鋁顆粒的反應率才5 %。此外可以 看到鹽熔劑能夠大幅降低金屬鋁與水蒸氣快速反應的溫度區(qū)間，由高溫900-1000°C下降到 650-850°C左右，而后者溫度區(qū)間和熱渣從鋁再生熔煉池剛扒出時的溫度幾乎一致，從而為 合理利用熱態(tài)鋁渣中的余熱資源創(chuàng)造了重要的前提條件。
[0037]對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在 不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論 從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權 利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有 變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。
[0038]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包 含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當 將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員 可以理解的其他實施方式。
【主權項】
1. 一種熱態(tài)鋁渣聯(lián)合水蒸氣反應制備氫氣的方法，其特征在于，包括下述步驟： (1) 在金屬鋁再生冶煉過程中，將扒出的鋁渣快速置入反應爐中，并持續(xù)通入氬氣； (2) 向反應爐中通入水蒸氣與金屬鋁反應，生成高溫氣體； (3) 將經(jīng)過高溫反應后得到的富氧化鋁的鋁渣進行回收； (4) 將產(chǎn)生的高溫氣體經(jīng)過換熱器后得到液態(tài)水和純凈的氫氣。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟（1)中，所述的鋁渣中含有20-60wt%金 屬鋁，30-50wt%的鹽熔劑。3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于:所述的鹽熔劑組成為等摩爾比例的氯化鈉 和氯化鉀以及5-1 Omo 1%的氟化物。4. 根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于:所述的氟化物為CaF2或NaF。5. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(2)中，反應爐可以采用回轉反應爐來 進一步提尚反應速率。
【文檔編號】C01B3/10GK105836706SQ201610261153
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】李鵬, 國宏偉, 侯新梅, 張梅
【申請人】蘇州大學