CN102260567A - 一种铁矿烧结用生物质成型燃料及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铁矿烧结用生物质成型燃料的制备及应用方法。生物质成型燃料的制备是在添加硅溶胶、消石灰的条件下热压成型，获得固体成型燃料。将生物质成型燃料应用到铁矿烧结，按照0.75～1.0的热量置换比，替代0～40％的化石燃料，获得的烧结指标与完全使用焦粉时相当，并可大幅降低烧结过程COx、SOx、NOx的排放量。

Description

一种铁矿烧结用生物质成型燃料及应用
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域的烧结行业，涉及一种铁矿烧结用生物质成型燃料的制备及应用技术，通过将生物质制备成固体成型燃料，应用到铁矿烧结替代焦粉、无烟煤等化石能源，实现铁矿烧结的清洁生产。
背景技术
烧结矿是高炉炼铁的主要含铁炉料，2010年我国烧结矿产量高达7.6亿吨。在我国高炉含铁炉料结构中，烧结矿一般占75％以上。铁矿烧结是典型的高能耗、高污染行业，其工序能耗在钢铁企业中仅次于炼铁工序，居第二位，一般为企业总能耗的9％-12％。且烧结烟气中含有大量的温室气体CO2以及污染性气体SOx、NOx等，三者的排放量分别占钢铁工业总排放量的10％、70％、48％，是钢铁工业的主要大气污染源。
固体燃料消耗占烧结工序总能耗75％～80％，我国铁矿烧结主要采用焦粉、无烟煤等化石燃料。烧结过程COx主要来自化石燃料的燃烧产物，不完全燃烧生成CO，完全燃烧生成CO2；烧结烟气中SOx的来源是铁矿石和燃料中有机硫、FeS2、FeS氧化及硫酸盐高温分解，由于燃料中硫含量远高于铁矿中硫含量，一般可高达0.5％以上，是烟气中SOx的主要来源；烧结过程主要为燃料型NOx，而热力型NOx和快速型NOx生成量很少，NOx来源主要是燃料中的氮化物在高温下热分解，再和氧化合生成NOx。因此，化石燃料是烧结过程COx、SOx、NOx产生的主要来源。
采用清洁且价廉的燃料替代焦粉、无燃煤等化石燃料是缓解我国环境污染和能源紧缺双重压力的重要途径。生物质能是由植物光合作用固定于地球上的太阳能，是一种清洁可再生能源，由于生物质燃料主要含有C、H、O，而N、S含量低，SOx、NOx排放远远低于化石类燃料，且燃烧生成的CO2参与大气碳循环，温室气体基本上属于零排放，因此生物质燃料应用于铁矿烧结可以有效降低COx、SOx、NOx的排放量。
生物质的挥发份高(＞70％)；而固定C含量低(＜20％)，因此生物质的燃料比(固定碳/挥发份)小。燃料比是衡量物质燃烧特性的重要指标，燃料比越小，燃烧着火温度越低，着火越容易，越容易燃尽。将未经处理的生物质直接取代化石燃料应用于铁矿烧结，相比无烟煤、焦粉等燃料，生物质更易着火和燃尽，由于生物质能的燃烧速度快造成烧结过程中燃烧前沿速度大幅提高，打破了传热前沿速度和燃烧前沿速度的一致性，使得烧结料层温度低。
因此，直接燃烧生物质其热能利用效率低，应用于烧结难以获得烧结所需的高温，需要将生物质燃料进行预处理。常用的预处理主要是固化成型技术。目前，固体成型燃料主要应用于加热、供暖、干燥、发电等领域，大部分为工业锅炉提供燃料，为提高燃烧的效率以及锅炉的效率，当前生物质成型技术主要集中在开发良好燃烧性和抗结渣性的成型燃料。专利“生物质成型燃料(申请号200910039713.8)”添加助燃剂镁菱土、硝酸镁、氧化镁或氧化铁，并添加固体氧化剂高锰酸钾、氯酸钾，以促进成型燃料的燃烧；专利“一种生物质块状工业燃料的制备方法(申请号200910039713.8)”添加Al2O3、Fe2O3和高岭土，可提高灰熔点，改善了成型燃料的结渣性。
对于铁矿烧结用的成型燃料，其要求燃料燃烧速度和料层传热速度有良好的匹配性，而对结渣性没有要求。生物质燃烧速度过快对烧结不利，需适当控制成型燃料的燃烧速度。目前对于铁矿烧结用生物质成型燃料的制备技术和应用技术还未见报道。由于生物质的燃烧特性以及烧结料层中的燃烧条件决定了生物质的燃烧行为，因此需要开发适合的生物质燃料成型技术和相应的烧结技术，缩小生物质为燃料的铁矿烧结传热前沿速度和燃烧前沿速度的差异或将两者重新达到一致，以提高烧结料层温度，从而将生物质成功应用到铁矿烧结。
我国可开发为能源的生物质资源量大，相当于3亿吨标准煤，但利用率不足10％，大量宝贵的生物质燃料被白白浪费掉。对各种生物质进行加工、处理，成为铁矿烧结生产所需要的燃料，不仅可以避免资源的浪费，还可实现资源的高值化利用，并为烧结行业的清洁生产做出贡献。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种生物质成型燃料及应用方法，可以作为烧结燃料替代化石燃料，并符合铁矿烧结工艺的要求，减少烧结过程温室气体和污染气体的排放。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明的铁矿烧结用生物质成型燃料是采用以下方式制备得到：在生物质中添加占其总质量0.4～0.8％的硅溶胶、0.5～1.0％的消石灰，混匀后先将生物质热压成型使其致密化。
所述的热压成型是将物料加热到200～300℃的温度，然后在300～800kg/cm2的压力下挤压成型。
发明人通过研究发现，当本发明所得生物质成型燃料的密度为1.0～1.5g/cm3时，替代焦粉、无烟煤等化石类燃料应用到铁矿烧结过程，具有良好的应用效果。
另外，本发明原料中优选的硅溶胶中SiO2的质量分数是30-60％。
本发明生物质成型燃料优选的粒径是可将其破碎成平均粒径为2～5mm，但粒径小于0.5mm的颗粒其质量含量不超过整个生物质成型燃料的15％。且以此种粒径大小应用也可获得良好的替代焦粉、无烟煤等化石类燃料应用效果。
因此，本发明的应用在于，将本发明的生物质成型燃料作为烧结燃料，替代部分化石燃料。
本发明应用的优选方案在于，将生物质成型燃料破碎成粒度组成满足烧结要求的燃料；替代比例不超过所需化石燃料质量的40％。
优选的破碎成粒度是平均粒径为2～5mm，但粒径小于0.5mm的颗粒其质量含量不超过整个生物质成型燃料的15％。
本发明应用的具体过程包括：所述生物质成型燃料替代化石燃料的方法先通过烧结试验确定在采用化石燃料(如焦粉或无烟煤)需加入到烧结混合料的用量；采用热量置换的方法计算替代化石燃料所需的生物质成型燃料的质量，热量置换比为0.75～1.0，即生物质燃料释放出的1KJ热量置换0.75～1.0KJ由化石燃料释放出的热量。
本发明较为优选的技术方案在于，当生物质成型燃料的替代比例为0～25％时，将其与铁矿石、熔剂、烧结返矿、化石燃料一起混合并制粒成混合料；或当生物质成型燃料的替代比例为25～40％时，将生物质成型燃料与其质量2～4倍的铁精矿及0.1～0.3倍的生石灰进行预制粒，形成铁精矿包裹生物质燃料的小球，然后与其他铁矿石、熔剂、烧结返矿、化石燃料一起混合并制粒成混合料；将制粒后的混合料布到烧结机上进行点火、烧结即成烧结矿。
本发明的生物质成型燃料的制备具体包括以下步骤：
1)生物质成型燃料的制备：采用热压成型工艺对生物质进行预处理使其致密化而获得固体成型燃料。具体方法是在生物质中添加占总质量0.4～0.8％的硅溶胶(硅溶胶中SiO2的质量分数为30-60％)、0.5～1.0％的消石灰，混匀后将物料加热到200～300℃的温度，然后在300～800kg/cm2的压力下挤压成型，获得密度1～1.5g/cm3的固体成型燃料。并将生物质固体成型燃料破碎成平均粒径2～5mm，所述的生物质炭粒径小于0.5mm的颗粒质量含量不超过整个生物质成型燃料的15％。
2)生物质固体成型燃料在铁矿烧结中的应用方法：按照烧结矿成分的要求采用质量配料法配料，燃料占到烧结混合料总重的3～6％，燃料中采用固体生物质成型燃料替代0～40％的化石燃料(如焦粉或无烟煤)进行铁矿烧结。当替代比例为0～25％时，将铁矿石、熔剂、烧结返矿、燃料一起混合并制粒；当替代比例为25～40％时，将生物质燃料与其质量2～4倍的铁精矿及0.1～0.3倍的生石灰进行预制粒，形成铁精矿(一般为磁铁矿类型)包裹生物质燃料的小球，然后与其他烧结原料混合并制粒。将制粒后的混合料布到烧结机上进行点火烧结即成烧结矿。
所述生物质成型燃料替代化石燃料的方法是先通过烧结试验确定单独采用化石燃料(如焦粉或无烟煤)时其各自的最佳配比，采用热值置换的方法计算替代一定比例的化石燃料所需的生物质成型燃料质量，热值置换比为0.75～1.0(即生物质释放出的1KJ热量置换0.75～1.0KJ由焦粉释放出的热量)。
在本发明所描述的各个技术方案中，所述生物质可以选自包括玉米秸秆、水稻秸秆或高粱秸秆在内的农业废弃物，林业加工的废料，包括树木在内的木质生物，包括甘蔗渣、油料渣滓或果壳在内的加工废弃物，或是以上生物质中的一种或几种的混合物。
本发明的特征及带来的有益效果：
将疏松的、低热值的农林废弃物等生物质热压成型，可提高燃料的能量密度，且本发明通过添加硅溶胶和消石灰这两种胶体物质，可分布到生物质表面起吸附和粘结作用，可减小成型团块的弹性后效，进一步提高成型燃料密度，且凝胶态SiO2和CaO在高温过程中形成的薄膜层可减缓挥发份的析出，从而适当降低生物质在烧结过程的燃烧速度，有利于缩小燃烧前沿速度与传热前沿速度的差异。
另外，本发明更进一步的优势在于，将生物质固体成型燃料破碎到平均粒径为2～5mm且-0.5mm含量小于15％的粒度，通过控制生物质固体成型燃料的粒度，保证燃料在烧结过程既能燃尽又使其燃烧速度不致过快。
本发明应用过程的优势效果在于，当生物质固体成型燃料替换化石燃料比例较高时，采用预制粒的措施，形成磁铁精矿包裹生物质燃料的小球，在烧结过程，包裹层磁铁矿氧化消耗氧气并减缓氧气向小球内部传递，可降低小球核心生物质燃烧的氧位，从而降低燃烧速度，同时包裹层使生物质裂解的气态产物扩散到气流中的时间延长，使其得到充分燃烧，而不至于被气流带走造成不完全燃烧而损失热量。
因此，采用通过本发明的热压成型及添加剂的粘结作用使团块致密化，生物质能量密度提高6-8倍；团块结构致密化以及添加剂对挥发份析出的减缓作用，可降低生物质成型燃料的燃烧速度。另外在应用过程，本发明还可同时结合燃料粒度组成的控制技术以及燃料的预制粒技术，使燃料燃烧速度和料层传热速度有良好的匹配性，从而将生物质成型燃料应用到铁矿烧结，可在保证烧结矿产量、质量的前提下，大幅降低COx、SOx、NOx的排放量。
具体实施方式
下面实例是对本发明的进一步说明，而不是限制发明的范围。
具体操作方法：
在林业废弃物锯末中添加占总质量0.5％的硅溶胶(SiO2的质量分数为35％)、0.6％的消石灰，混匀后将物料加热到250℃，然后在400kg/cm2的压力下挤压成型，获得密度1.2g/cm3的锯末成型燃料。并将其破碎成平均粒径为2.43mm且-0.5mm含量为13.69％的烧结用成型锯末。成型锯末与焦粉在化学成分与工业分析、灰分成分、粒度组成方面对比分别见表1～表3。
表1燃料的化学成分及工业分析
表2燃料灰分的化学成分(％)
表3燃料的粒度组成
应用实例1：
按照混匀铁矿60.73％、白云石5.58％、石灰石2.16％、生石灰4.62％、烧结返矿23.08％的质量比配料(获得烧结矿化学成分为：TFe57.5％、SiO24.82％、R2.0、MgO2.0％)，全部采取焦粉时适宜配比为3.85％。采用成型锯末替代15％的焦粉，热值置换比为0.85，配料后混合、制粒、布料、点火、烧结，其烧结指标见表4，可知，采用成型锯末替代15％焦粉获得的烧结指标，可与全部采用焦粉的指标相当，而COx、SOx、NOx分别可减排约15％、12％、12％。
应用实例2：
按照混匀铁矿60.73％、白云石5.58％、石灰石2.16％、生石灰4.62％、烧结返矿23.08％的质量比配料(获得烧结矿化学成分为：TFe57.5％、SiO24.82％、R2.0、MgO2.0％)，全部采取焦粉时适宜配比为3.85％。采用成型锯末替代30％的焦粉，热值置换比为0.85，将成型锯末与其3倍质量的铁精矿及0.2倍的生石灰进行预制粒，然后与其他烧结原料混合并制粒，然后布料、点火、烧结，其烧结指标见表4，可知，采用成型锯末替代30％焦粉获得的烧结指标，可与全部采用焦粉的指标相当，而COx、SOx、NOx分别可减排约30％、20％、20％。
表4锯末取代焦粉对铁矿烧结的影响
Figure BDA0000072488820000091

Claims (10)

1.一种铁矿烧结用生物质成型燃料，其特征在于，采用以下方式制备得到：在生物质中添加占其总质量0.4～0.8％的硅溶胶、0.5～1.0％的消石灰，混匀后将生物质热压成型使其致密化。
2.根据权利要求1所述的生物质成型燃料，其特征在于，所述的热压成型是将物料加热到200～300℃的温度，然后在300～800kg/cm2的压力下挤压成型。
3.根据权利要求1所述的生物质成型燃料，其特征在于，获得密度为1.0～1.5g/cm3的成型燃料。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，硅溶胶中SiO2的质量分数为30-60％。
5.根据权利要求1所述的生物质成型燃料，其特征在于，将生物质成型燃料破碎成平均粒径为2～5mm，且粒径小于0.5mm的颗粒其质量含量不超过整个生物质成型燃料的15％。
6.根据权利要求1所述的生物质成型燃料，其特征在于，所述生物质选自包括玉米秸秆、水稻秸秆或高粱秸秆在内的农业废弃物，林业加工的废料，包括树木在内的木质生物，包括甘蔗渣、油料渣滓或果壳在内的加工废弃物，或是以上生物质中的一种或几种的混合物。
7.根据权利要求1-6任一项所述生物质成型燃料的应用，其特征在于，将所述生物质成型燃料作为烧结燃料，替代部分化石燃料。
8.根据权利要求7所述生物质成型燃料的应用，其特征在于将生物质成型燃料破碎成粒度组成满足烧结要求的燃料；替代比例不超过所需化石燃料质量的40％。
9.根据权利要求7所述生物质成型燃料的应用，其特征在于，所述生物质成型燃料替代化石燃料的方法先通过烧结试验确定在采用化石燃料需加入到烧结混合料的用量；采用热量置换的方法计算替代化石燃料所需的生物质成型燃料的质量，热量置换比为0.75～1.0，即生物质燃料释放出的1KJ热量置换0.75～1.0KJ由化石燃料释放出的热量。
10.根据权利要求7所述生物质成型燃料的应用，其特征在于，当生物质成型燃料的替代比例为0～25％时，将其与铁矿石、熔剂、烧结返矿、化石燃料一起混合并制粒成混合料；或当生物质成型燃料的替代比例为25～40％时，将生物质成型燃料与其质量2～4倍的铁精矿及0.1～0.3倍的生石灰进行预制粒，形成铁精矿包裹生物质燃料的小球，然后与其他铁矿石、熔剂、烧结返矿、化石燃料一起混合并制粒成混合料；将制粒后的混合料布到烧结机上进行点火、烧结即成烧结矿。
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