无病毒海绵铁氢炭钢材产业链制取工艺及设备
(一)
技术领域
《8+1行业》是钢铁有色、稀有稀土、贵金属、铁合金、化工核工业，另加发动机特别是柴油发动机，用煤粉、焦炭、石油焦等含C/H2物质还原，其共同特征是使用空气(21％O2+79％N2) 作氧化剂，必然会有海量氮氧化物(NOx)产生，实践表明，致癌物质NOx是“新冠病毒/C微粒”(C微粒有人也叫雾霾)的载体，人吸一口就要毙命，滴落树上树叶枯黄而死亡。任何冶金化学反应的进行，必须为该反应进行提供热量，在《8+1行业》中生成的NOx 95％以上是N2O4余为NO2。那么NOx是怎样生成的呢？
在《8+1行业》中现行钢铁工业影响最大，范围最广，产生的NOx最多，危害最大，是当今世界各国根除病毒要研究的主要对象。
(二)
背景技术
世界顶级科学家还有许多重大关键核心技术难题没有解决，主要是：
病毒的核心化学成分是什么？
为什么病毒在全球传播特征是“大面积高强度快速度”？那么病毒传播的载体是什么？即病毒/C微粒传播的机理是什么？
凡此种种，怎样才能解决这百年不遇之世界大难题？怎样充分利用现有长流程厂房设备等进行技术改造，形成产业链，并且根除病毒/C微粒产生与排放，相应提高改造后的经济效益和社会环保效益呢？
显然，这需要创新的理论、方法/工艺、思想/概念，才能解决这百年不遇之世界大难题。
对现有长流程的技术改造要求没有病毒的产生和排放，充分利用现有长流程的厂房设备，使其形成产业链，产生更好的经济效益和海量社会环保效益。为此，必须与海绵铁(DRI)特别是-500目DRI粉相结合。
通常，制取铁粉采用喷雾法即先把铁块熔化，再用凉水喷雾法获得微粒铁粉。但是，该法存在①含〔O-〕量太高要用H2在电炉内再次还原处理②含〔C〕量太高 0.1％～0.2％应用范围有限③为此，本发明以原则性颠覆性《晶格冶选学》为理论基础的ZZK短流程采用直接还原法，制取DRI粉特别是-500目高附加值超细粉。形成产业链产生更好经济效益。
(三)
发明内容
以高炉炼铁为中心的长流程是间接还原法，其特征是使用空气作氧化剂，燃烧煤炭、焦炭、石油焦等含C/H2物质为冶金化学反应提供热量，必然会在热风炉 /高炉等设备中生成下列反应：
0.5N2+O2＝＝＝NO2......(1)ΔGo (1)＝7.75
NO2+NO2＝＝＝N2O4......(2)ΔGo (2)＝-41.21
前者是吸热反应后者是放热反应，分别在热风炉和高炉内生成。还有歧化反应生成：
C+0.5O2＝＝＝CO......(3)ΔGo (3)＝-26.42
CO+CO＝＝＝CO2+C(微粒)......(4)ΔGo (4)＝-41.21
可见，以高炉炼铁为中心的长流程，必然会有致癌物质NOx和肺癌物质C微粒(也有人叫雾霾)产生和排放(包括PM0.5～PM1)，是生成病毒的核心化学成分，如果在《8+1行业》中NOx/C微粒，一天不根除，病毒就会在全球“大面积高强度快速度”传播，反复出现，危害百姓，直至完全根除NOx/C微粒。
气体压缩理论与实践
以高炉炼铁为中心的长流程，是一种间接还原法，参见附表1
由表1可见，公知气体压缩分离技术，必须同时满足临界温度和临界压力才能把各种气体有效分离。在这里，H2O(g)与CO2首先液化。然后是H2与CO液化，而且H2/CO的临界温度和临界压力接近，可以一同提取，降低生产成本。
碳排放法律
《张氏运动》使用空气作氧化剂，燃烧煤炭、焦炭、石油焦等含C/H2物质，为化学反应提供热量，实践表明产生大量NOx挟(xie)持病毒/C微粒，在大气空域扩散飘逸到数百至上千公里外的空域，形成二次环境污染，这是一种特殊的布朗运动，俗称《张氏运动》。它是病毒传播的理论基础和本质原因。
实践表明，NOx是病毒/C微粒传播的载体，是其飞行的翅膀。为此本发明的特征是，采用水中含有碱金属化合物，或者含有碱土金属化合物，其浓度30～ 100gmol/L，装入直升飞机、无人机等飞行器设置的容器中，凌晨前喷雾/喷淋到空气中，当然也可以在屋顶设置盛装碱溶液的容器。使碱溶液与酸性极强的NOx产生中和反应：
K2O/KOH+N2O4→2KNO3+H2O......(5)
CaO/Ca(NO3)2+N2O4→Ca(NO3)2+H2O......(6)
同理，汽车发动机特别是柴油发动机排放尾气也可用碱溶液中和。用PH试纸检查其 PH值＜8时就要更换新的碱溶液。KNO3和Ca(NO3)2分别是优质的氮钾肥和氮钙肥。这样一来，在《8+1行业》和城市里，便没有病毒/C微粒产生和排放。
用微波反应器制取ZZK短流程直接还原铁粉，特别是-500目高附加值超细 DRI粉，其行特征是：①矿物介电常数越大，吸收微波能就越多，加热效果就越好，其效果依次是水＞赤铁矿＞磁铁矿＞石墨，焦炭＞方解石，白云石＞石英。②微波能降低了分子轨道能，有利于含C铁矿粉直接还原，降低还原温度200～300℃，③微波加热是一种整体加热，可以对冶金粉料进行选择性体加热，是一种偶极分子内部能量转换过程，其化学反应速度比传统外加热方式提高数百倍最大提高1240倍，④CO 是弱极性分子在微波炉中可以被极化，CO的生成不是C与O2的反应而是C夺取了铁矿粉中Fe2O3/FeO中的〔O-〕生成的，当C/O2为1时，温度对还原反应的影响非常显著。直接还原反应有：
Fe2O3+SiO2+2NaOH+3C＝＝＝2Fe+Na2O·SiO2+2CO+H2+CO2......(7)ΔGo (7)＝21.12
FeO+SiO2+2NaOH+2C＝＝＝Fe+Na2O·SiO2+2CO+H2......(8)ΔGo (8)＝-16.51
⑤含C铁矿粉还原升温速度＞煤粉焦炭石油焦等含C/H2物质，有利直接还原反应制取DRI粉，不需要从外部提供H2/CO还原，因为物料内气体扩散速度＞化学反应速度。
①至⑤是微波反应器直接还原反应的基本原理。
但是微波加热是要消耗电能的，如何降低微波加热能耗，对生产DRI粉非常重要。方法有：用造气反应：H2O(g)+O2+3C＝3CO+H2 ΔG0 (9)＝-21.31(9)(参见图1) H2O(g)+CO2+2C＝2H2+3CO，+42.04(10)输送到微波反应器并直接生成更多的 H2+CO还原气体，效益更好。造气反应和稀相输送高分子化合物氧化反应(参见图1) 用来进行系统热平衡。
NaOH粉回收
反应(7)和(8)生成大量可溶性Na2O·SiO2，可以回收NaOH粉返回ZZK短流程配料操作，循环使用并不该系统产品质量，降低DRI粉生成成本18％～25％，用市价更便宜的石灰代替：
Na2O·SiO2+CaO+H2O＝＝＝2NaOH+CaSiO3↓(水冲渣)......(11)
浸出反应在搅拌槽中进行，固液比＝Na2O·SiO2∶水＝1∶3～4，温度25～80℃反应60分钟，用板框压滤机过滤，水冲渣送水泥厂作掺和料，从而减少该厂CO2～15％生成和排放同时降低水泥生产成本10％～20％。碱溶液浓缩结晶获得NaOH粉，返回 ZZK短流程配料操作(参见图1)
原创性颠覆性理论基础
在原子分子大小对矿物认识的《晶格冶选学》，是ZZK短流程配料操作的理论基础(参见图1)，本发明用铁矿物+煤粉、焦炭、石油焦等含C/H2物质+NaOH粉配料操作(参见反应(7)与(8)，其特征是，①用纯O2取代空气作氧化剂，没有病毒产生和排放，并且可以制取含H2∶CO任何比例的液体。②提取元素周期表上，95％以上的有价金属元素，其资源利用率最高达99.99％(如Au/Ag等)
③通过配料操作与微波反应器，充分利用现有长流程厂房设备，在轧钢厂前头设置电炉炼钢代替转炉(因转炉风罩处进入大量空气，生成NOX/C微粒)，一起形成产业链，产生巨额经济效益和海量社会环保效益，为提前实现碳峰值碳中和，解决当今百年不遇之世界大难题作出贡献！
《8+1行业》本发明其特征是，用纯O2取代空气作氧化剂就没有病毒产生和排放。据报道，2020年我国产氢37万吨，市场单价5000元/吨，其中浙江宁波海越公司采用“丙烷脱氢法”制H2，年产2.6万吨占全国的7.1％。该法制H2生产成本居高不下，但是产品供不应求，市价看涨。
氢是未来取代时下电动车的“新能源新燃料”。本发明重要任务之一是，降低制H2生产成本，提高该产品的质量，即提高“H+CO”的发热值(Q低，Kcal/Nm3)，从而提高发动机的动力，减少百公里运行成本。为此本发明特征是：反应(7)+(8)+(9) +(10)，∑ΔGo＝21.72-16.51-21.31+42.04＝25.94等，这叫“四系统“，该系统是吸热反应，怎样进行热平衡呢？这是本发明要解决的重大关键核心技术之一。其二是如何提高“新能源新燃料“的Q低值。请看燃烧反应：
H2+0.5O2＝＝＝H2O(g)，-57.95.........(12)
CO+0.5O2＝＝＝CO2，-67.63.........(13)
反应(13)比(12)Q低提高了16.70％。可见，要提高“H+CO”新能源新燃料Q低值，就要提高CO的含量。
(四)
附图说明
图1是无病毒海绵铁氢炭钢材三联产工艺流程及设备原则流程示意图，是本发明ZZK短流程直接还原法与配料操作原则示意图，其特征是：
①以《晶格冶选学》为理论基础进行配料操作，铁精矿(TFe≥62％)在雷蒙机中加水湿法磨矿-500目占85％，用板框压滤机过滤，获得-500目超细铁精矿粉，过滤水循环使用，煤粉、焦炭、石油焦等含C/H2物质用风扇磨磨成80～100目配料操作使用。在处理高炉尾气时获得C微粒，也可以用于ZZK短流程配料操作。NaOH粉来自回收(参见反(4))。各成分用量由反应(7)～(9)决定。
②微波反应器与直接还原反应器用于直接还原反应，用纯O2喷吹①组成的粉料，调控纯O2用量，使微波反应器温度＝1000～1200℃，直接还原反应器温度＝1200～ 1350℃，获得还原产物DRI粉特别是-500目高附加值超细DRI粉。
③还原产物处理。用Slon型磁选机磁选产出-500目DRI粉，送电炉炼钢，尾矿粉回收NaOH粉+石灰+水溶解，搅拌浸出，用板框压滤机过滤，获得碱溶液浓缩过滤，得到NaOH粉返回ZZK短流程配料操作。水冲渣CaSiO3送水泥厂做掺和料，将减少其CO2～15％的生成和排放量，并降低水泥生产成本10％～20％。
④形成产业链。-500目DRI粉加入电炉立刻熔化，形成熔池，缩短炼钢时间增加钢材产量，充分利用现有长流程的厂房设备，在轧钢厂房前头设置电炉炼钢取代转炉 (因转炉风罩处进入大量空气，生成NOX/C微粒)，连铸连轧不锈钢钢板，冷轧钢板，压力容器板，冷轧钢箔等获得产品包装容器，形成产业链。
⑤高炉尾气处理。以高炉炼铁为中心的长流程和使汽车发动机特别是柴油发动机的尾气，其共同特征是，用空气作氧化剂，为冶金化学反应提供热量，必然会有海量氮氧化物NOx/C微粒产生，用碱溶液中和反应参见反应(5)和(6)，只有用碱溶液 (参见反应(7)～(11)中和)，才能根除病毒产生和传播，为老百姓创造健康长寿的生活环境。
(五)
具体实施方式
原材料质量分析及成本(参见表2无烟煤质量分析，％，gmol/Kg)
注：无烟煤价格350元/吨，则每Kgmol 350÷6.2243＝56.23元/Kgmol，用量 56.23×80％＝44.98元，需要补加部分回收的C微粒。
表3铁精矿质量分析，％，gmol/Kg
注：①市场单价元/吨，赤铁矿581.66，进口矿602.85，磁铁矿644.33
②三种精矿都用雷蒙机加工-500目，含水＜10％，成本62元/吨。
③每吨DRI粉需要赤铁矿1÷(62.58×98％)＝1.6306，成本948.43元/吨，进口矿1÷(66.41％×98％)1.5365，成本926.30元/吨，磁铁矿1÷(68.95％×98％) ＝1.4799，成本956.22元/吨。
实施例1用加工后含水＜10％的-500目超细赤铁矿做原料，制取不锈钢板、 -500目DRI粉、氢炭等形成产业链(本发明第一产业链)
化学反应方程式设计与计算，用纯O2取代空气作氧化剂的《8+1行业》，如何调控“四系统”的热平衡呢？用什么物质调控该系统的热平衡，是本发明制取“H2+CO”新能源新燃料的重大关键核心技术难题。
市场上废弃的透明塑料包装袋都是高分子化合物，例如①聚苯乙烯(PS)，密度1.05～1.07g/cm3，＞75℃开始分解②聚丙二醇(HO)，温度＞200℃开始分解，密度0.95～0.98g/cm3③聚丙烯(PP)密度0.90～0.91g/cm3，温度＞140℃开始分解，这些废弃物的高分子化合物，其特征是，在较低温度下分解，密度低，分子量大400～ 2050，不含N，S，P等有害元素的高分子化合物，可以作为“四系统”进行热平衡物质，其特征是：在50～60℃下固化，用球磨机/风扇磨磨成-150目占85％粉，用纯O2作载体稀相输送(80～100Kg/Nm3)该高分子化合物，参见图1“↓5”。参见反应(7)(8) (9)其ΔGo依次为21.72，-16.51，-21.31，则反应(7)+(8)+(9)+(10)，∑ΔG0＝21.72-16.51-21.31+42.09＝25.94用造气反应与稀相输送高分子化合物进行热平衡求得。
不锈钢板(Cr18％+Ni8％)在化工建筑行业有极为广泛的用途，市价15800元/ 吨。充分利用现有长流程的厂房设备，在该厂前头设置电炉炼钢，投资6500万元，年产不锈钢板88万吨，每吨DRI粉需要，元/吨：①赤铁矿948.43，②添加Cr+Ni 成本1568③无烟煤48.84，④NaOH粉1600(回收部分补充)，共计 948.43+1568+84.84+1600＝4201.27，成本88万×0.4201＝39.97亿元。
产品产值(GDP)亿元：不锈钢88万×1.58＝139.04，液体炭氢1586万元，共计139.04+0.158＝139.198亿元，利润139.198-30.97＝108.228，GDP利润率 108.228÷139.198＝77.75％，投资回收期.65÷139.198×12×30÷1.68天。
实施例2用进口铁精矿做原料，制取冶轧钢板、DRI粉、液体炭氢等形成产业链(本发明ZZK短流程第二产业链)
每吨DRI粉需要，元/吨：进口铁精矿成本962.30，由反应(7)(8(9)计算，热平衡点10.0863，则无烟煤48.84，NaOH粉1600(含回收的NaOH粉)，共计 962.30+48.84+1600＝2611.14，原材料成本0.2611×88万＝22.98亿元。
投资4000万元，充分利用现有长流程厂房设备在轧钢厂房前头，设置电炉炼钢，年产冷轧钢板88万吨，产品市场单价6000元/吨，开轧温度1350℃，终轧温度1250～ 1200℃，生成牌号Q245R，Q345R，格格厚X宽(6～12)×(1250～1800)mm，剪切叠加后在砂坑余热回火。
产品产值(GDP)：88万×0..2611＝52.8亿元，液体炭氢88万×0.1586＝13.9557亿元，共计，52.8+13.9557＝66.7568亿元，年利润66.76-22.98＝43.78，年利率 43.78÷66.76＝65.58％，投资回收期0.40÷43.78×12×30＝3.29天。
实施例3用磁铁矿做原料制取压力器板、海绵铁、气体氢炭等(本发明ZZK短流程第三产业链)。充分利用现有长流程厂房设备，在其轧钢厂前头设置电炉炼钢，连铸连轧，开轧温度1350℃终轧温度1250～1200℃，生成牌号DC03，DC04，SAE1006，SAE1008等产品，厚X宽(0.3～0.5)×(900～1250)mm，剪切叠加，砂坑余热回火，再冷轧成压力容器板，市价6500元/吨，投资4000万元，年产钢材88万。
原材料成本：每吨DRI粉消耗，元/吨，磁铁矿956.52，无烟煤84.84，NaOH 粉1600(含回收)，合计成本956.52+48.84+1600＝2605.30，0.2065×88万＝22.924 亿元，GDP利润73.26-22.924＝50.336，利润率50.336÷73.26＝68.71％，投资回收期0.4÷73.26×12×30＝1.97
实施例4用磁铁矿做原料，先制取第三产业链的钢材，投资.4000 万元，年产钢材88万吨(参见实施例3)。钢材生成成本22.924-(0.166×88+16.06) ＝6.464(应扣除NaOH粉+氢炭成本)。再冶轧厚度0.15～0.08mm钢箔，生产市场紧俏的易拉罐，两条生产线用一台电脑控制，每条投资1000万元，则需要 1000×2＝2000万元。易拉罐平均质量35g/个，则每年生产106×98％÷35＝2.8万个，年产值2.8×88万＝246.4亿个，易拉罐市场单价0.75～2.00元/个，取1.30元/个计算，则年产值GDP 246.4×1.30＝320.32亿元，预计电耗及折旧工资等成本1000元/ 万个，年2.8×0.1＝0.28，钢材+易拉罐成本6.464+0.28＝6.774，GDP320.32+6.774＝327.094，纯利313.57亿元，年利率：313.5776÷327.09＝95.87％，投资回收期(0.4+0.2)÷327.0g×12×30×24＝35.6个小时。国内销量3.66亿个以上，供不应求。
可见，深度加工易拉罐投资由3.29天降低到35.6个小时，比传统钢材产业链，产生巨额经济效益，具有彪炳史册里程碑式的贡献！
化学反应方程式及ΔGo一览表
1.0.5N+O2＝＝＝NO2，ΔGo＝7.75
2.NO2+NO2＝＝＝N2O4，-42.21
3.C+0.5O2＝＝＝CO，-21.62
4.CO+CO＝＝＝CO2+C微粒，-42.21
5.K2O/KOH+N2O4＝＝＝KNO3+H2O，KNO3是可溶性的氮钾肥
6.CaO/Ca(OH)2+N2O4＝＝＝Ca(NO3)2+H2O，Ca(NO3)2是可溶性氮钙肥
7.Fe2O3+SiO2+2NaOH+3C＝＝＝2Fe+Na2O·SiO2+CO+H2+CO2，21.12
8.FeO+SiO2+2NaOH+2C＝＝＝Fe+Na2O·SiO2+2CO+H2，-16.51
9.H2O(g)+O2+3C＝3CO+H2 ΔG0 (9)＝-21.31，造气反应
10.H2O(g)+CO2+2C＝2H2+3CO，+42.04，造气反应
11.Na2O·SiO2+CaO+H2O＝＝＝2NaOH+CaSiO3↓(水冲渣)
12.H2+0.5O2＝＝＝H2O(g)，-57.95
13.CO+0.5O2＝＝＝CO2，-67.63
表1.一些气体的临界温度和临界压力
表1.一些气体的临界温度和临界压力
气体名称 空气 H<sub>2</sub> N<sub>2</sub> CO CO<sub>2</sub> H<sub>2</sub>O(g) t临界℃ -14.06 -239.6 -146.9 -140.08 +31.0 +374.15 P临界MPa 3.77 1.32 3.456 3.498 7.53 22.565
原材料质量分析及成本：
表2无烟煤质量分析，％，gmol
成分 C H<sub>2</sub> 煤中O<sub>2</sub><sup>-</sup> Q<sub>液</sub>Kc/Kg ％ 74.754 21.678 1.369 6636 gmol/Kg 6.2243 10.7317<sup>-</sup> 0.0428
表3铁精矿质量分析
主要参考文献
1.周公度主编，化学词典，化学工业出版社，2015年6月，北京
2.叶大伦编著，实用无机盐热力学数据手册，冶金工业出版社，1981年2月，北京
3.姚虎卿主编，化工词典，化学工业出版社，2014年5月，北京
4.李化治编著，制氧技术，冶金工业出版社，2009年8月，北京
5.全卿汉主编，微波化学，科学出版社，1999年8月，北京
6.黄务涤，微波加热与铁矿石还原，第五届冶金过程动力学和反应工程学术年会论文集，1991年8月济南
7.亢万忠主编，煤化工技术，中国石化出版社，2017年1月，北京
8.张振逵，超微氧化锌的性质与用途，无机盐工业，1996年No5，33～36页。
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