CN102586529A

CN102586529A - 一种以生物质含碳球团为原料的转底炉炼铁方法

Info

Publication number: CN102586529A
Application number: CN201210080751XA
Authority: CN
Inventors: 左海滨; 张建良; 胡正文; 杨天钧
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: CN102586529B

Abstract

一种以生物质含碳球团为原料的转底炉炼铁方法，属于黑色冶金领域；涉及一种使用生物质作为炼铁燃料和还原剂的转底炉炼铁工艺，该工艺利用可再生的碳中性生物质焦粉代替煤粉，将生物质焦粉与铁矿粉按C/O=1.1~1.4进行配合，并加入合适粘结剂混匀造球，进入转底炉进行加热、还原得到金属化球团。生物质焦具有碳中性，可从根本上降低煤炭消耗带来的CO₂等污染物排放；生物质焦杂质含量少，可解决使用煤炭导致的产品硫含量过高的问题，并改善产品综合质量；生物质焦制备过程的能量可由生物质本身提供，基本实现绿色循环生产。本发明拓宽了转底炉炼铁的能量来源、降低了生产成本、提高了产品质量及生产效率，降低了环境污染。

Description

一种以生物质含碳球团为原料的转底炉炼铁方法

技术领域

本发明属于黑色冶金领域。适用于煤基转底炉炼铁流程，涉及一种使用生物质作为炼铁燃料和还原剂的转底炉炼铁工艺。

背景技术

高炉炼铁是目前钢铁生产的主导流程，工艺技术十分完善。然而，该流程必须依靠污染严重的焦化和烧结等工序提供原料保障。转底炉（RHF）炼铁作为一种非高炉炼铁新工艺具有原料适应性强、生产周期短等特点，可以以各种级别的煤粉等为燃料和还原剂，以铁精矿粉等各种含铁粉料为原料，通过将原燃料及适量粘结剂按比例混合并压制成含碳球团，进而在高温下生产出符合要求的金属铁。因此，转底炉炼铁工艺摆脱了焦化和烧结的限制，工艺流程较简单，建造成本较低，环境污染较小，具有较好的应用前景。但是，尽管转底炉炼铁不需要焦炭，该工艺仍消耗大量的煤炭等不可再生化石能源，进而导致CO₂、SO₂等污染物的排放，并带来诸如产品硫含量较高等问题。因此，提高煤炭的利用率或者利用其它新型燃料从根本上替代煤炭，是降低炼铁工艺碳素消耗、实现节能减排及改善产品质量的重要途径。

生物质资源（废木料、秸秆等）是唯一的一种可再生碳源，具有分布广、产量大、可再生、碳中性等特点，与传统化石能源相比具有巨大的经济、环保优势和社会效益。一些发达国家已将生物质能的开发和利用作为解决能源危机的重要手段，如目前瑞典的生物质能已经占其国内能量消耗的近40%。生物质经一定温度（400-700℃）碳化后可得到生物质焦，它与煤炭相比具有低硫、低氮、低灰分、高反应性和良好可磨性等优点，是一种优质的燃料和还原剂。将生物质焦应用于转底炉炼铁工艺具有较多优势：可从根本上降低炼铁的煤炭消耗，降低对化石能源的依赖；可大大降低CO₂、SO₂、NO_x等污染物的排放，进一步实现绿色清洁生产；可改善工艺热效率及生产效率，提高产品质量。此外，生物质资源成本较低，处理简单，综合利用价值较高。

发明内容

本发明的目的是利用生物质代替煤炭应用于煤基转底炉炼铁工艺中，解决转底炉炼铁生产工艺的煤炭等化石能源消耗量较大，CO₂、SO₂、NO_x等排放量较大，产品硫含量较高，工艺热效率及生产率较低等问题。

本发明利用生物质含碳球团来代替传统转底炉炼铁工艺中的煤粉含碳球团，从根本上降低煤炭消耗，降低污染物排放，提高产品质量，改善热效率及生产率，降低工艺综合成本。

一种以生物质含碳球团为原料的转底炉炼铁方法（RHF-B），主要工艺过程如下：

（1）生物质焦的生产：将空气干燥的生物质（废木料、秸秆、工农业残余等）装入碳化装置，在400~900℃条件下无氧炭化30~90min，要求脱除其大部分挥发分，冷却后得到生物质焦（产率大于20%，碳含量大于70%，挥发分含量小于20%，其余为少量水分和灰分；产率是生物质原料经碳化后获得生物质焦的比率），碳化过程可由生物质提供能量，排出的热解气体可经处理后作为供热燃料；

（2）生物质含碳球团的制备：将生物质焦破碎、筛分至小于150μm后与矿粉按C/O=1.1~1.4进行配合，加入合适粘结剂混匀（总水分控制为6~8%）并用压球机压制成含碳球团后烘干备用，粘结剂可用膨润土等，配比为2~4%。

（3）生物质含碳球团的还原：在转底炉底部耐材上铺一层厚约5~10mm的生物质焦粉，而后在上面铺上单层配加生物质焦的含碳球团，转底炉可用生物质热解气体或煤气作为燃料进行加热，内部温度为1250~1450℃，球团还原时间为10~40min，而后得到金属化率大于80%的金属化球团。

以生物质含碳球团为原料的转底炉炼铁工艺与传统转底炉炼铁工艺相差不大，仅需增加一套简单的碳化装置以生产生物质焦；RHF-B工艺的能源主要来自于生物质和生物质焦，它们可提供吨铁能耗的85-100%。

RHF-B工艺的主要设备包括：生物质碳化炉、热解气体收集处理设备、混料机、压球机、转底炉等。

生物质焦与煤粉的各种差别使得利用生物质含碳球团与煤粉含碳球团相比具有较大的优势。首先，在碳素的物理结构上，生物质焦的孔隙率较高，比表面积远大于煤粉，这有助于反应物之间的充分良好接触，从而可促进反应。其次，生物质焦灰分远低于普通煤粉（通常为0.50~1.50%），硫含量远低于煤粉（通常小于0.10%），这使得因还原剂带入产品中的灰分很少，产品的杂质元素含量很低，尤其是解决了煤粉还原时产品硫含量高的问题。再次，生物质焦具有碳中性和氮含量低（约0.10%）等特点，用其取代含碳球团中的煤粉碳素可以大大降低化石能源消耗，降低大气中的碳排放及其他污染物排放。此外，生物质含碳球团的转底炉还原最终反应与煤粉含碳球团的基本相同，反应式均为：

C(s)+CO₂(g)=2CO(g) (1)

FeO(s)+CO(g)=Fe(s)+CO₂(g) (2)

然而与煤粉相比，生物质焦与CO₂开始反应的温度较低（约低50℃），反应过程较快，即反应式（1）的进行得到了强化，进而可以促进整个还原过程，提高反应效率。另外，生物质能源可再生、成本较低；转底炉还原生物质含碳球团一定程度上可以提高生产率和热效率；生物质碳化过程收集的气体可以提供生产所需的部分能量。

使用生物质含碳球团的转底炉炼铁工艺（RHF-B）主要有以下特点：

（1）以废木料、秸秆等工农业残余为原料和主要能量来源，储量较大，可更新，可实现资源合理利用，基本不消耗煤炭，生产成本低；

（2）生物质焦可磨性好，处理过程类似于煤炭，但是成分组成优于煤粉（低灰分、低硫、低氮等），可实现清洁生产，实现节能减排（减排CO₂、SO₂、NO_x），并获得高质量（低硫、低杂质）的最终产品；

（3）生物质碳化所得气体成分主要为CO、CO₂、H₂、CH₄，它经简单处理之后可以作为炭化炉或转底炉的燃料用气，也可用来燃烧发电等；

（4）转底炉的生产率可以得到提高，技术经济指标得到改善，冶炼过程得到全面优化，冶炼效率提高，工艺热效率得到改善，还原反应得到促进；

（5）解决了煤基转底炉炼铁产品硫含量过高、化石能源消耗较大等问题。

附图说明

图1为使用生物质含碳球团的转底炉炼铁方法（RHF-B）流程示意图。

图2为使用生物质含碳球团的转底炉炼铁方法（RHF-B）的碳循环示意图。

图中：1—生物质的光合作用过程；2—生物质的热解碳化过程；3—生物质焦的氧化和燃烧过程；过程1吸收的CO₂量等于过程2、3排放CO₂量之和。

具体实施方式

实施例1

将干燥后的废木料在500℃炭化炉中碳化40min后得到生物质焦（M=1.20%，A=0.75%，V=16.50%，FC=81.55%），破碎筛分至150μm以下。按C/O=1.15将一定量的品位为65%的磁铁矿粉与生物质焦粉混合，加入3%的膨润土粘结剂及总质量6%的水，混匀后制成含碳球团，烘干后铺入转底炉内进行还原，还原温度为1280℃，还原时间为25min，得到金属化率为80%，硫含量0.007%的金属化球团。

实施例2

将干燥后的废木料在600℃炭化炉中碳化50min后得到生物质焦（M=0.80%，A=0.85%，V=12.50%，FC=85.85%），破碎筛分至150μm以下。按C/O=1.25将一定量的品位为60%的赤铁矿粉与生物质焦粉混合，加入2.5%的膨润土粘结剂及总质量7%的水，混匀后制成含碳球团，烘干后铺入转底炉内进行还原，还原温度为1350℃，还原时间为35min，得到金属化率为85%，硫含量0.009%的金属化球团。

实施例3

将干燥后的废木料在700℃炭化炉中碳化30min后得到生物质焦（M=0.75%，A=0.95%，V=12.30%，FC=86.00%），破碎筛分至150μm以下。按C/O=1.20将一定量的品位为55%的含铁粉料与生物质焦粉混合，加入3.5%的膨润土粘结剂及总质量6.5%的水，混匀后制成含碳球团，烘干后铺入转底炉内进行还原，还原温度为1300℃，还原时间为30min，得到金属化率为82%，硫含量0.008%的金属化球团。

Claims

1.一种以生物质含碳球团为原料的转底炉炼铁方法，其特征在于：

步骤一、生物质焦的生产：将空气干燥的生物质原料在400~900℃条件下无氧炭化30~90min，冷却后得到生物质焦，生物质焦碳含量大于70%、挥发分含量小于20%，其余为水分和灰分；

步骤二、生物质含碳球团的制备：将生物质焦破碎、筛分至粒度小于150μm生物质焦粉，将筛分后的生物质焦粉与矿粉按C/O=1.1~1.4进行配合，加入粘结剂混匀制成混合物，粘结剂的加入量为混合物总质量的2~4%，将混合物用压球机压制成含碳球团后烘干备用；

步骤三、生物质含碳球团的还原：在转底炉底部耐材上铺一层厚为5~10mm的生物质焦粉，在上面铺上单层配加生物质焦的含碳球团，转底炉用生物质热解气体或煤气作为燃料进行加热，内部温度为1250~1450℃，球团还原时间为10~40min，而后得到金属化球团。

2.如权利要求1所述的以生物质含碳球团为原料的转底炉炼铁方法，其特征在于：所述的生物质原料为废木料、锯末、秸秆或稻壳中的一种或多种的混合。

3.如权利要求1所述的以生物质含碳球团为原料的转底炉炼铁方法，其特征在于：所述的粘结剂为膨润土。