[发明专利]用于生成高纯度氢气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于在500℃以下生成高纯度氢气的方法。更具体地，本发明涉及用于通过钢渣，特别是钢渣中含有的方铁矿(wüstite)与H₂O在水热条件下反应生成高纯度氢气的方法。

背景技术

氢燃料电池是用作电力源的有前途的技术。仅伴有水作为副产物且没有温室气体排放下，氢提供了可观的环境效益。

可用几种方法生成氢。蒸汽-铁屑(steam-iron)工艺是已知的用于生成氢的最古老的方法之一。该蒸汽-铁屑工艺是循环工艺，其中煤经气化为包含H₂和CO的贫还原气体。然后该气体与铁氧化物(通常是磁铁矿(Fe₃O₄))反应，生成经还原后的铁氧化物形式、方铁矿(FeO)和/或铁金属(Fe)。然后用蒸汽再氧化经还原的铁从而形成磁铁矿和H₂。蒸汽-铁屑工艺在600至900℃的温度下发生，或者，当添加催化剂(例如过渡金属或氢氧化钾)或当例如通过研磨而使含铁的还原水材料的反应性表面积增加时最终在更低的温度下发生。

其他的氢生成技术包括可应用于广泛的烃原料的化石燃料重整，所述烃原料包括天然气、重油、固体生物质和煤。其生产当今约95％的氢生成。CO₂作为副产物产生。其他方法包括利用核能或太阳能的热化学水裂解，以及水电解。这些已知的方法表现出以下缺点，它们要不是高费用、高能耗就是生成温室气体。

此外，已发现这些方法中的一些方法生成的氢会包含杂质。如果氢用于氢燃料电池中，高纯度是至关紧要的，这是由于即使是微量的存在于氢中的杂质也能够污染燃料电池的阳极、膜和阴极而导致性能下降。

过去的这些年，研究了新的路径以生成氢。有人提出利用钢渣通过水的热化学分解而生成氢。将水喷洒在熔渣(1600-1700℃)上而产生包含H₂的气体。尽管所提出的工艺提供限定钢渣价格的方法，但是该工艺生成低纯度的氢(仅约40％的H₂，其余的是CH₄、CO₂、N₂和CO)并且由于H₂在工作温度下可能爆炸所以该工艺会存在安全风险。此外，由这样的工艺生成的氢会不易于收集和储存。

最近公开的研究证实了对于钢渣作为氢的潜在源的兴趣，所述研究处理通过FeO和水蒸汽之间的反应产生氢气的热力学计算(ISIJInternational,Vol.52,n°8,pp1503-15212,2012)。在该研究中，钢渣温度为1873至1973K。如上所述，在这些高温下生成氢会存在安全风险。

钢渣是炼钢和钢精炼工艺的副产物。它们可能产自碱性氧气转炉(BOF)或电弧炉(EAF)炼钢工业。平均每吨钢生成110kg钢渣。每年在法国钢渣生成达到1.2兆吨(Mt)。由于到目前为止没有有吸引力地限定钢渣价格，该生成的半数被废弃。迄今为止钢渣主要用作公路道渣或陆地填料。

因此，仍然需要将允许以低成本生成高纯度氢且无温室气体排放的方法，并且该方法可有利地允许有吸引力地限定钢渣价格。

发明内容

本发明涉及用于生成氢气的方法，其包括以下步骤：

(a)包含方铁矿的钢渣与H₂O在150℃至500℃的温度下反应；

(b)冷却步骤(a)的反应产物以从水蒸汽中分离氢气；

(c)收集氢气。

附图说明

图1表示在实验中随着时间变化的氢产率(L/kg渣)，所述实验在250℃/500巴下通过利用BOF钢渣或预先经碳化的BOF钢渣(每吨渣142kgCO2)进行。

图2表示在实验中随着温度变化的平均CH₄/H₂比率，所述实验将经碳化的BOF粉末用作起始材料。

图3表示生成的氢量与源自对实验产物的特沃尔德分析(Rietveldanalysis)的Fe³⁺/Fe_总量比率之间的关系。

具体实施方式

本发明人预料不到地发现高纯度氢气的生成可通过包括以下步骤的方法实现：

(a)包含方铁矿的钢渣与H₂O在150℃至500℃的温度下反应；

(b)冷却步骤(a)的反应产物以从水蒸汽中分离氢气；

(c)收集氢气。