一种利用氢等离子体还原制镁的装置及方法

本发明属于金属冶炼领域，尤其是涉及一种利用氢等离子体还原制镁的装置及方法。

背景技术：

1、镁具有高密度、高硬度、优良的导电性和导热性等特点，广泛应用在汽车、航空航天、电子等领域。传统制镁工艺主要包括电解法和热还原法，其中电解法设备投资大且能耗高。以还原剂的种类划分，热还原法又分为硅热法、碳热法和铝热法，它们虽有操作过程简单和设备投资不大的特点，但需要外部加热且不能连续生产，存在着还原率低和环境污染等问题。因此有必要开发高效、环保、连续的炼镁工艺，实现“碳中和”下的节能减排目标。

2、针对镁冶金生产存在的关键技术问题，公开号为cn107523701a的发明专利提出了一种常压硅热还原金属镁的方法，具体是利用流动气体降低料球周围的镁分压使反应持续快速发生。此方法不仅解决了传统工艺的真空问题，还实现了镁冶炼的自动化连续生产，但大量惰性气体(如氩气、氦气、氪气等)的连续排放仍会造成其利用率低、资源浪费以及引起安全隐患等问题。为减少惰性气体的使用，公开号为cn113801998a的发明专利提出一种常压氩气保护金属镁连续化还原方法及装置，采用常压氩气状态的竖炉结构，实现了皮江法炼镁的连续化生产，但炉体和加热丝同步加热仍需消耗大量的热能。

3、从国家能源发展战略的角度出发，氢能是一种理想的绿色能源。为改变传统工艺对化石燃料的依靠和改善炼铁工艺环境效益，公开号为cn106011357a的专利提供了一种氢等离子体熔融还原炼铁的方法及系统，其技术解决方案是：首先将氩气送入等离子喷枪，使其在高频电压下形成电弧；再将氢氩混合气送入等离子喷枪并电离为等离子体，使铁矿石粉末在高温等离子体火焰区域还原熔融成为金属铁。此工艺虽提高了冶炼工艺的清洁性，但氢氩混合气体的用量大、效率低且持续排放的惰性气体存在致使人员窒息的安全隐患。为此，公开号为cn115522009a的发明专利提供了一种纯氢等离子体熔融还原炼铁方法，其技术解决方案是：首先通过等离子炬向装有铁矿石的熔融炉中通入氮气或氩气等惰性气体，排走其中的空气并使其加热到400-550℃；再逐步增加输入到等离子炬的纯氢气的流量，减少惰性气体的输入量，利用高温氢气等离子火焰加热并还原铁矿石形成铁水。该技术实现了绿色无污染规模性炼铁，但常压高温熔融仍具有较高的能源消耗，且生成的熔融态金属铁纯净度不高，仍需进行后续加工处理。

4、综上，等离子体高温还原技术虽在炼铁领域有一定的应用，但在提高生产效率和节能减排方面仍需进一步完善。高温下的氢气对氧化镁来说是一种绿色还原剂，能高效还原氧化镁且无渣无废气产生。要使氢还原真正成为传统碳还原过程强有力的挑战者，必须找出强化氢还原反应的新方法和新技术。

技术实现思路

1、本发明提供了一种利用氢等离子体还原制镁的装置及方法，该技术不仅可以高效地利用氢能源，还能提高金属还原率，具有工艺流程短、生产效率高、对环境污染小等特点。

2、为达到以上技术效果，本发明采用以下技术方案：

3、本发明公开一种氢等离子体还原制镁的装置，其中，包括真空罐、冶炼炉、冷凝系统、等离子发生器，所述真空罐内设有冶炼炉，所述冶炼炉的炉体内设有炉衬，所述炉体上端设有炉盖，所述炉盖上设置有进料口，所述炉体下端设置有排废口；所述炉体上部穿设有出镁管，下部设置有等离子发生器；所述出镁管的内端口位于炉体内，内端口设置过滤网，外端口位于真空罐外，外端口与冷凝系统连接；所述进料口连接有自动加料系统。

4、优选的，所述冷凝系统设置在冶炼炉的上部。

5、优选的，所述冶炼炉的形状为中间大两头小的“橄榄型”结构。

6、优选的，所述冷凝系统还包括真空装置。

7、优选的，所述过滤网为碳材料过滤网，孔径为120目。

8、优选的，所述等离子发生器为多个。

9、一种氢等离子体还原制镁的方法，包括如下步骤：

10、步骤1，将冶炼炉密封后抽真空，炉体内真空度为1-30pa；

11、步骤2，打开炉体周围的等离子发生器，向炉腔内喷射高速流动的氢等离子体；同时打开自动加料系统通过进料口向冶炼炉中均匀加入氧化镁；

12、步骤3，高度电离的氢等离子体与自上而下的氧化镁充分发生反应；产生的镁蒸气向上流动，经过过滤网进入出镁管，然后由冷凝系统中的真空装置抽到冷凝系统中被冷凝成凝聚态镁；未参与反应的固体mgo颗粒经排废口收集，通过进料口循环利用。

13、优选的，所述等离子发生器以电磁或电弧加热产生等离子体。

14、优选的，所述等离子发生器发射的等离子束覆盖区的温度为6000-10000℃。

15、优选的，所述自动加料系统通过进料口注入的氧化镁为氧化镁原料或由镁矿石直接煅烧生成的氧化镁。

16、本发明的有益效果为：

17、本发明为了充分利用电弧等离子体温度高、活性高的特点，将其应用于还原产物为金属蒸气的活性金属冶炼领域，从而进一步提高冶金效率、降低能耗、改善环境。根据等离子体制氢的原理，高度电离的氢气具有非常高的能量密度和反应速度，能够更好地利用氢能源，从而实现可持续发展。在原镁冶炼的基础上，本发明以氢等离子体替代传统还原剂，改变参加还原反应氢的状态，从而在热力学和动力学层面上提高氢的还原能力。

18、本发明通过氢等离子发生器发射的高度电离的氢等离子体对氧化镁进行加热并还原，充分利用其高能量密度提高了氧化镁的还原率，不仅减少了惰性等离子体(如氩)的使用，还避免了间接加热装置的使用，具有降低能耗、提高能源利用率和生产效率的优势。此外还原物料氧化镁通过进料口自上而下连续注入冶炼炉炉腔内，可与喷射的氢等离子体充分接触并发生还原反应，无需对原料进行预制块工艺，具有减少制备流程，降低生产成本的有利之处。相比传统制镁工艺，此工艺具有流程简单、排放少、效率高、清洁生产的优点。

技术特征：

1.一种氢等离子体还原制镁的装置，其特征在于：包括真空罐(1)、冶炼炉、冷凝系统(7)、等离子发生器(9)，所述真空罐(1)内设有冶炼炉，所述冶炼炉的炉体(2)内设有炉衬(3)，所述炉体(2)上端设有炉盖(4)，所述炉盖(4)上设置有进料口(5)，所述炉体(2)下端设置有排废口(10)；所述炉体(2)上部穿设有出镁管(6)，下部设置有等离子发生器(9)；所述出镁管(6)的内端口位于炉体内，内端口设置过滤网(8)，外端口位于真空罐(1)外，外端口与冷凝系统连接(7)；所述进料口(5)连接有自动加料系统。

2.根据权利要求1所述的一种氢等离子体还原制镁的装置，其特征在于：所述冷凝系统(7)设置在冶炼炉(2)的上部。

3.根据权利要求1所述的一种氢等离子体还原制镁的装置，其特征在于：所述炉体(2)的形状为中间大两头小的“橄榄型”结构。

4.根据权利要求1所述的一种氢等离子体还原制镁的装置，其特征在于：所述冷凝系统(7)还包括真空装置。

5.根据权利要求1所述的一种氢等离子体还原制镁的装置，其特征在于：所述过滤网(8)为碳材料过滤网，孔径为120目。

6.根据权利要求1所述的一种氢等离子体还原制镁的装置，其特征在于：所述等离子发生器(9)为多个。

7.根据权利要求1所述的一种氢等离子体还原制镁的方法，其特征在于：包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种氢等离子体还原制镁的方法，其特征在于：所述等离子发生器(9)以电磁或电弧加热产生等离子体。

9.根据权利要求7或8所述的一种氢等离子体还原制镁的方法，其特征在于：所述等离子发生器(9)发射的等离子束覆盖区的温度为6000-10000℃。

10.根据权利要求7所述的一种氢等离子体还原制镁的方法，其特征在于：所述自动加料系统通过进料口(5)注入的原料氧化镁为氧化镁原料或由镁矿石直接煅烧生成的氧化镁。

技术总结
本发明提供一种利用氢等离子体还原制镁的装置及方法，包括真空罐、冶炼炉、冷凝系统等离子发生器，真空罐内设有冶炼炉，冶炼炉的炉体内设有炉衬，炉体上端设有炉盖，所述炉盖上设置有进料口，所述炉体下端设置有排废口；所述炉体上部穿设有出镁管，下部设置有等离子发生器；所述出镁管的内端口位于炉体内，内端口设置过滤网，外端口位于真空罐外，外端口与冷凝系统连接；所述等离子发生器的喷枪与炉体密封连接；所述进料口连接有自动加料系统。本发明不仅减少了惰性等离子体的使用，还避免了间接加热装置的使用，具有降低能耗、提高能源利用率和生产效率的优势。

技术研发人员：侯星慧,马成良,周颖
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17