專利名稱：一種強化氫還原金屬氧化物的裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種強化氫還原金屬氧化物的裝置，即采用等離子體化的氫與金屬氧化物發(fā)生還原反應的特殊裝置，屬化學化工工程裝置技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
以往傳統(tǒng)上許多金屬氧化物的還原過程主要以碳作為還原劑和能量的提供者。還原過程所消耗的碳，不管是用于還原劑還是用于燃燒，最終都以二氧化碳的形式排放入大氣。由二氧化碳所造成的全球溫室效應已引起世界各國的高度重視。用碳還原得到的金屬，它的碳含量呈飽和態(tài)，因此目前鋼鐵生產(chǎn)中由于系統(tǒng)的碳位和氧位大幅度交替變化，致使整個生產(chǎn)流程變長，處理工序和物料流量的增多，造成物耗和能耗上升。這種過程的不合理性已為許多冶金學家所關注。用氫來取代碳作為金屬氧化物的還原劑將解決上述環(huán)境和工藝流程問題。
用氫作為還原劑還原金屬氧化物時通常采用流化床技術(shù)，其技術(shù)已進入工業(yè)性實驗階段，金屬氧化物在富H2氣相下還原率可達到60～70％的水平。提高溫度和壓力可以加快還原過程的進行。但是提高溫度會引起爐料的粘結(jié)進而造成還原反應和擴散過程的遲緩，而壓力的升高又受反應器結(jié)構(gòu)強度的限制。因此，要使氫還原真正成為傳統(tǒng)碳還原過程強有力的挑戰(zhàn)者必須尋找出強化氫還原反應的新方法或新裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種強化氫還原金屬氧化物的裝置，也即采用等離子體化的氫與金屬氧化物發(fā)生還原反應的特殊裝置。
本發(fā)明的目的是采用如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的本發(fā)明的一種強化氫還原金屬氧化物的裝置，主要包括有密閉反應器、陰陽電極板、直流脈沖電源、氫氣和惰性氣體氣罐、抽氣裝置、給料器、集料器等，其特征在于密閉反應器內(nèi)中央上部設有一陽極板，下部設有由多塊金屬板鉸接構(gòu)成的陰極帶，其兩端設有驅(qū)動輪及驅(qū)動機構(gòu)，通過驅(qū)動機構(gòu)的作用，陰極帶成為可按前進方向循環(huán)運行的封閉環(huán)狀金屬板帶；反應器的一側(cè)設置有一直流脈沖電源，其正極通過導線與陽極板相連接，負極由導線與陰極帶相連接；反應器的另一側(cè)設有氫氣和惰性氣體的供氣罐，氣體可通過設置于反應器前部的氣體導入管進入反應器；導入管的四周設有加熱器以加熱導入的氣體；反應器前端上部還設有一給料器，通過該給料器可將金屬氧化物小球團塊或粉末散布撒落在環(huán)狀陰極帶上；在陽極板與陰極帶之間，在直流脈沖電源產(chǎn)生的脈沖電流作用下，存在等離子體反應區(qū)，在循環(huán)運行封閉環(huán)狀的陰極帶的尾端下方放置有一集料器；反應器后部有一氣體排除管，其管口與抽氣裝置相連接。
所述的密閉反應器的工作壓力為103-104Pa所述的直流脈沖電源的電壓為300V-2000V，脈沖頻率為5-5000Hz。
本發(fā)明裝置的工作原理及其特征如下所述本發(fā)明裝置為強化氫還原能力的裝置，通過施加物理場把分子氫等離子體化來提高氫還原能力，從而實現(xiàn)金屬氧化物的低溫還原。其原理是充分利用非平衡等離子體的化學活性，通過對參加金屬氧化物還原的分子氫施加脈沖直流電場，利用體系中存在的少量自由電子受電場的加速而獲得很高的動能，這些高能自由電子與氫氣分子碰撞，使分子氫發(fā)生激發(fā)、離解及電離，成為活性的等離子態(tài)氫粒子。這些在低溫狀態(tài)下極活潑的氫粒子直接與放置在陰極板上的金屬氧化物發(fā)生還原反應。由于改變了還原的熱力學條件，原本在低溫下不能進行的反應變成可能?；顫姎淞Ｗ拥拇嬖谶€改善了反應的動力學條件，降低了反應進行的溫度并提高了反應速度，最終達到強化化學還原反應的目的。
本發(fā)明的裝置是利用上述原理而設計的特殊裝置，它體現(xiàn)了諸多優(yōu)點1.與傳統(tǒng)的冶金過程中主要用做熱源的高溫熱等離子體不同，本發(fā)明采用的非平衡低溫等離子體能充分發(fā)揮氫粒子的化學活性作用，真正有效地達到強化氫還原能力的目的，實現(xiàn)氫金屬氧化物的低溫快速還原。2.本發(fā)明裝置為無污染的綠色冶金工藝，并具有反應溫度低，反應速度快、設備簡單和工藝操作方便等優(yōu)點。
由此可見把分子氫等離子體化，是強化氫還原金屬氧化物反應的有效方法，是一項在低溫條件下用氫還原金屬氧化物的可行技術(shù)。


圖1為本發(fā)明強化氫還原金屬氧化物裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例將本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)敘述如下實施例一參見圖1，本發(fā)明的強化氫還原金屬氧化物的裝置，主要包括有密閉反應器、陰陽電極板、直流脈沖電源、氫氣和惰性氣體氣罐、抽氣裝置、給料器、集料器等，密閉反應器1內(nèi)中央上部設有一陽極板2，下部設有由多塊金屬板鉸接構(gòu)成的陰極帶3，其兩端設有驅(qū)動輪及驅(qū)動機構(gòu)5，通過驅(qū)動機構(gòu)5的作用，陰極帶3成為可按前進方向循環(huán)運行的封閉環(huán)狀金屬板帶；反應器1的一側(cè)設置有一直流脈沖電源4，其正極通過導線與陽極板2相連接，負極由導線與陰極帶3相連接；反應器1的另一側(cè)設有氫氣和惰性氣體的供氣罐9，氣體可通過設置于反應器1前部的氣體導入管10進入反應器1；導入管10的四周設有加熱器11以加熱導入的氣體；反應器1前端上部還設有一給料器6，通過該給料器6可將金屬氧化物小球團塊或粉末散布撒落在環(huán)狀陰極帶3上；在陽極板2與陰極帶3之間，在直流脈沖電源4產(chǎn)生的脈沖電流作用下，存在等離子體反應區(qū)7，在循環(huán)運行封閉環(huán)狀的陰極帶3的尾端下方放置有一集料器8；反應器1后部有一氣體排除管12，其管口與抽氣裝置13相連接。
在本發(fā)明裝置中，其操作過程是給料器6將金屬氧化物小球團塊或粉末撒落在循環(huán)運行連續(xù)環(huán)狀的陰極帶3上，隨著該陰極帶3的前進運動，金屬氧化物進入陰陽極板間的等離子體反應區(qū)7而被激活的氫原子還原，輸入的氣體可以是純氫或氫與惰性氣體氮的混合氣體，在直流脈沖電流作用下，在兩極間產(chǎn)生電離作用?；旌蠚怏w中氫的濃度可以為70-100％。被還原的產(chǎn)物落入集料器8中。氣體由氣源氣罐9經(jīng)帶有加熱器11的導入管加熱后進入反應器1中，還原作用完畢后之水氣從反應器1另一端的排氣管12通過抽氣裝置13而排出。
在操作過程中，反應器(1)的工作壓力為103-104Pa，所述的直流脈沖電源(4)的電壓為300V-2000V，脈沖頻率為5-5000Hz。
現(xiàn)將在本發(fā)明裝置中作的幾項試驗敘述如下試驗一三氧化二鐵的還原。
置Fe2O3球團于反應器的陰極板上，反應氣體為純氫氣，工作氣體壓力為1600Pa，還原溫度為455℃，施加的直流電壓為600V，脈沖頻率為4000Hz。還原后的球團產(chǎn)物經(jīng)檢測為金屬Fe。不施加電場而在同樣氣體壓力和溫度條件下，未發(fā)現(xiàn)Fe2O3的還原。
實驗二氧化銅的低溫還原。
將CuO球團放置于反應器的陰極板上，反應氣體為純氫氣，工作氣體壓力為1500Pa，還原溫度為60℃，施加的直流電壓為370V，脈沖頻率為4000Hz。還原后的球團由原來的黑色變成黃色，產(chǎn)物經(jīng)檢測為金屬Cu。不施加電場而在同樣氣體壓力和溫度條件下，未發(fā)現(xiàn)CuO的還原。
實驗三二氧化錳的還原。
取二氧化錳粉末直接放置于陰極板上，反應氣體為80％的氫氣和20％的氮氣，工作氣體壓力為6000Pa，還原溫度為610℃，施加的直流脈沖電壓為1300V，脈沖頻率為2500Hz。經(jīng)20分鐘反應完成后，所得產(chǎn)物經(jīng)檢測是金屬錳。未在產(chǎn)物中檢測出二氧化錳及其它低價氧化錳，而不施加電場而其他條件相同的情況下，不能得到金屬錳。
權(quán)利要求
1.一種強化氫還原金屬氧化物的裝置，主要包括有密閉反應器、陰陽電極板、直流脈沖電源、氫氣和惰性氣體氣罐、抽氣裝置、給料器、集料器等，其特征在于密閉反應器(1)內(nèi)的中央上部設有一陽極板(2)，下部設有由多塊金屬板鉸接構(gòu)成的陰極帶(3)，其兩端設有驅(qū)動輪及驅(qū)動機構(gòu)(5)，通過驅(qū)動機構(gòu)(5)的作用，陰極帶(3)成為可按前進方向循環(huán)運行的封閉環(huán)狀金屬板帶；反應器(1)的一側(cè)設置有一直流脈沖電源(4)，其正極通過導線與陽極板(2)相連接，負極由導線與陰極帶(3)相連接；反應器(1)的另一側(cè)設有氫氣和惰性氣體的供氣罐(9)，氣體可通過設置于反應器(1)前部的氣體導入管(10)進入反應器(1)；導入管(10)的四周設有加熱器(11)以加熱導入的氣體；反應器(1)前端上部還設有一給料器(6)，通過該給料器(6)可將金屬氧化物小球團塊或粉末散布撒落在環(huán)狀陰極帶(3)上；在陽極板(2)與陰極帶(3)之間，在直流脈沖電源(4)產(chǎn)生的脈沖電流作用下，存在等離子體反應區(qū)(7)，在循環(huán)運行封閉環(huán)狀的陰極帶(3)的尾端下方放置有一集料器(8)；反應器(1)后部有一氣體排除管(12)，其管口與抽氣裝置(13)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強化氫還原金屬氧化物的裝置，其特征在于所述的密閉反應器(1)的工作壓力為103-104pa，所述的直流脈沖電源(4)的電壓為300V-2000V，脈沖頻率為5-5000Hz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種強化氫還原金屬氧化物的裝置，即采用等離子體化的氫與金屬氧化物發(fā)生還原反應的特殊裝置，屬化學化工工程裝置技術(shù)領域。本發(fā)明的特征是在反應器中央上設有一陽極板和下部設有由多塊金屬板鉸接構(gòu)成的陰極帶，通過驅(qū)動機構(gòu)的作用，陰極帶可按前進方向作循環(huán)運行；直流脈沖電源的正負極通過導線分別與陽極板和陰極帶相連接；金屬氧化物通過給料器進入陰陽極板間的等離子體反應區(qū)而被活化的氫離子還原，產(chǎn)物落入集料器中，供氣罐中的反應氣體可通過氣體導入管進入反應器；導入管的四周設有加熱器以加熱導入的氣體。廢氣或水氣從反應器另一端的排出管通過抽氣裝置而排出。
文檔編號C22B5/12GK1563443SQ20041001728
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者丁偉中, 張玉文, 郭曙強, 魯雄剛 申請人:上海大學