CN102666880A - 生物质在高炉中的利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供生物质的利用方法，其中，在将生物质作为粉煤的替代物用作高炉吹入原料时，生物质的燃烧性与热值能够提高到与粉煤同等程度，可以提高气流传输性、采用现有的粉煤吹入设备。本发明使用生物质在高炉中的利用方法，该方法的特征在于：将生物质(A)干馏来制造哈氏可磨性指数(HGI)显示为45以上的生物质焦(D)，将该生物质焦(D)与煤(B)一同微粉碎，将该粉碎物作为高炉(14)的辅助还原材从风口(15)吹入。优选将生物质(A)在450℃以上进行30分钟以上的干馏来制造生物质焦。

Description

生物质在高炉中的利用方法
技术领域
本发明涉及生物质在高炉中的利用方法，其中，将对生物质进行干馏而制造出的生物质焦用于高炉中时，其以粉煤的形式用作高炉的辅助还原材。
背景技术
在以立式炉为代表的高炉中，将铁矿石或废铁等铁源以及作为铁矿石还原材和热源的焦炭用作原料。为了制造适于高炉操作的焦炭，需要昂贵且品质优良的原料煤(coal for coke making)。因此，目前进行的是将对燃料用煤进行微粉碎而成的粉煤作为热源从高炉的风口吹入来削减昂贵的焦炭用量的高炉操作方法。吹入的粉煤量根据操作条件的不同也有所不同，吹入量越多则越能削减焦炭用量，可以降低成本。通常，若相对于每1吨生铁吹入100kg～200kg的粉煤，则可大致削减同量的焦炭用量。对于此处所吹入的粉煤的粒度分布来说，工业上通常使用粒径为74μm以下的粉煤占粉煤全部质量的60％～80％(将其简记为粉煤粒度分布为74μm以下、60～80质量％。)的范围的粉煤。
另一方面，从防止地球温室化的方面出发，CO2排出量的削减为紧急课题。在钢铁业中也进行了用于削减CO2排出量的技术的开发。作为削减CO2排出量的方法，有削减投入的碳量、回收排出的CO2、将现有的煤和石油等替换为碳中性的碳源等方法。作为碳中性的碳源已知有生物质，在钢铁业中如果能使用生物质作为煤替代物，则可有助于CO2排出量的削减。作为生物质，有房屋建筑的解体中产生的木材废弃物、木材加工处产生的木质系废弃物、森林等中的剪枝废弃物、农业系废弃物等。作为其处理利用方法，主要为填埋、放置、焚烧、燃料等。并且，已知还有以燃料利用为目的的生物燃料作物。
生物质由碳、氧、氢构成，但其本身为高含水率、低热值(例如，水分15质量％、热值16.2MJ/kg-干燥基准)，从效率方面考虑，在直接炼铁工艺中的使用并非为有利的。并且，利用通常的磨煤机(辊磨机、球磨机等)难以将废木材直接粉碎至粒径为74μm以下，需要利用冲击方式等的粉碎机。
关于生物质在高炉中的直接利用，在专利文献1中公开了下述的废木材的处理方法：将废木材粉碎至0.5～10mm的粒度，将(粒状的)废塑料以10/90～90/10的范围内的混合比(废木材/废塑料的质量比)进行混合，从而提高以燃烧量热和/或比表面积表示的燃烧性及气体传输性，装入到高炉中。并且在专利文献1中还公开了下述的废木材的处理方法：将废木材粉碎至0.5～10mm的粒度，通过间接加热方式在800℃以上的温度进行碳化，进一步将粒状的废塑料以10/90～90/10的范围内的混合比(废木材/废塑料的质量比)进行混合，装入到高炉中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-187940号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在上述专利文献1记载的现有技术中，具有以下(a)～(c)的课题。
(a)通过将作为生物质的木材与塑料混合，可以提高燃烧量热，虽然是将其破碎成0.5mm～10mm，由于木材为纤维质，长厚比仍较高，因而成为配管堵塞等的原因，气流传输性差。
(b)废木材等生物质的含水率高，与粉煤用煤(7000～8000kcal/kg)相比，通常为低热值(4000～5000kcal/kg-干燥基准)。尽管伴随着粒径10mm左右的废塑料的燃烧，废木材的燃烧性提高了，但是木材本身未被微粉碎，热值还是较低，并非为根本性的提高生物质燃烧性的技术。
(c)从与粒径10mm左右的废塑料混合而吹入的方面考虑，无法利用通常在粉煤吹入中所用的设备，需要另外的吹入设备、吹入配管、喷枪(ランス)等。
如此，在现有技术中，与使用粉煤的情况同样地，难以将生物质用于高炉吹入原料。
因而，本发明的目的在于提供一种生物质的利用方法，其解决了这样的现有技术的课题，在将生物质作为粉煤的替代物用作高炉吹入原料时，生物质的燃烧性与热值能够提高到与粉煤同等程度，可以提高气流传输性、利用现有的粉煤吹入设备。
用于解决课题的手段
用于解决这样的课题的本发明的特征如下。
(1)一种生物质在高炉中的利用方法，在该方法中：
对生物质进行干馏来制造哈氏可磨性指数(ハ一ドグロ一ブ粉碎性指数)(HGI)显示为45以上的生物质焦；
将上述生物质焦与煤的混合物微粉碎，生成粉碎物；
将上述粉碎物作为高炉的辅助还原材从风口吹入。
(2)如(1)所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，上述生物质焦的制造包括在450℃以上的干馏温度对生物质进行干馏时间为30分钟以上的干馏来制造生物质焦。
(3)如(2)所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，上述干馏温度为450℃以上、小于800℃，上述干馏时间为30分钟以上、90分钟以下。
(4)如(1)所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，上述哈氏可磨性指数(HGI)为45以上、90以下。
(5)如(1)所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，上述生物质焦与煤的混合物具有相对于生物质焦与煤的总量为0.1～50质量％的生物质焦的混合比例。
(6)如(1)所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，上述粉碎物的粒度分布为，74μm以下的粉碎物占80质量％以上。
(7)如(1)所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，上述混合物中，生物质焦具有相对于生物质焦与煤的总量为0.1～50质量％的混合比例。
(8)如(1)所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，上述粉碎物的粒度为，74μm以下的粉碎物占80质量％以上。
发明效果
根据本发明，通过将生物质制成生物质焦，可以提高生物质本身的热值、可用作高炉吹入原料。并且，可以利用制造粉煤的磨煤机(粉碎机)对生物质进行粉碎，从而可利用磨煤机有效地进行粉碎。经微粉碎的生物质可以使用粉煤的吹入设备有效地用于高炉中，而不会使高炉中的气流传输恶化。并且，通过在高炉中对生物质进行有效利用，可以有助于炼铁工艺中CO2排出量的削减。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的说明图。
具体实施方式
作为高炉的吹入原料(辅助还原材)，利用的是用辊磨机等将煤粉碎而成的粉煤。粉煤的粒度由在高炉内的燃烧性来决定，一般来说，通常使用粒径为0.1mm以下的粉煤。另外，在煤的粉碎中通常使用辊磨机。作为对煤的粉碎性进行评价的指标，已知有利用哈氏(ハ一ドグロ一ブ)法(JIS M 8801)测定的哈氏可磨性指数(Hardgrovegrindability index)(HGI)。哈氏可磨性指数为使用哈氏试验机求得的表示煤的粉碎性的数值。以HGI来表示。装置的形状、尺寸及测定方法在JIS M 8801中有规定。利用上述试验机对粒径1mm的煤50g进行粉碎，通过微粉(约70μm)的产生程度进行判定。表示与选出的粉碎性为100的标准煤相比较的相对数值。指数越高越易粉碎。煤显示出大致为30～120的值。通常，在将煤粉碎来制造高炉吹入用的粉煤时也使用哈氏法对煤进行评价，将煤的哈氏可磨性指数(HGI)为45～90左右的煤作为粉煤原料进行使用。
在本发明中，为了将生物质用作上述的粉煤的替代物，对生物质进行干馏来制造生物质焦。所谓生物质的干馏为生物质的碳化，指的是以阻断或限制空气(氧)的供给的方式进行加热，来得到气体(也被称为木气体)、液体(焦油)、固体(炭)的生成物的技术。通过将生物质制成生物质焦，可以与煤一同进行微粉碎，可以将该粉碎物与通常的粉煤同样地作为高炉的辅助还原材从风口吹入。因而，在将生物质焦也利用煤粉碎机进行粉碎的情况下，必须要以上述的粉碎性的指标为基准，生物质焦的哈氏可磨性指数(HGI)需要为45以上。若HGI小于45，则难以与煤一同进行粉碎。另一方面，若HGI大于90，则恐怕会导致过粉碎；优选生物质焦的HGI为90以下。更优选的HGI为60以上、90以下。
生物质焦的HGI可以利用生物质的干馏条件进行调整。本发明人发现了为使生物质焦的HGI为45以上的生物质的干馏条件与HGI的关系。即，只要生物质的干馏温度为450℃以上、干馏时间为30分钟以上，则可使多种生物质的HGI为45以上，在磨煤机中能够利用。并且，通过在干馏温度450℃以上进行干馏时间为30分钟以上的干馏，可以除去水分、提高热值、使生物质焦的热值与煤为同等程度。但是，若在800℃以上进行干馏，则生物质焦的收率降低，同时所生成的生物质焦进行碳化、形成石墨结构，变成硬的物质，因而从生物质利用的方面出发优选小于800℃。并且，即使干馏时间超过必要时间以上，也只是会使生物质焦的收率降低。因而，上述干馏温度优选为450℃以上、小于800℃。并且，上述干馏时间优选为30分钟以上、90分钟以下。特别优选上述干馏温度为500～600℃、上述干馏时间为30～60分钟。
生物质的干馏方式可以为通常的分批式、回转炉式、使用立式炉的方式等中的任意一种，优选作为连续工艺所能采用的回转炉式。所生成的干馏气体可以作为生物质的干馏热源进行利用，也可以供给至炼铁的化工工艺中。
对于生物质的干馏中所用的干馏炉的加热方法，可以使如上所述产生的干馏气体发生燃烧、使用其进行加热，也可以另外使重油、丙烷等燃料气体进行燃烧、作为加热气体进行使用。并且，除了使燃料气体燃烧的方法以外，也可以利用电加热进行加热。在电加热的情况下，可以将干馏炉分割成几个部分，在各部分进行温度控制。
将生物质焦与煤混合后进行粉碎时的混合比例并无特别指定，通过在混合后进行粉碎，粉碎性提高。这是由于，例如在混合有HGI低于煤的生物质焦的情况下，硬的生物质焦进一步对煤进行粉碎。
需要说明的是，所谓生物质为聚集了一定量的动植物资源和来源于此的废弃物的总称(其中化石资源除外)，本发明中所用的生物质可以使用农业系、林业系、畜产系、水产系、废弃物系等经热分解而生成碳化物的所有生物质。优选使用有效热值高的生物质、优选使用木质系生物质。作为木质系生物质，可以举出：纸浆黑液、木片碎屑等造纸副产物；树皮、锯屑等木材加工副产物；树枝、树叶、树梢、短材(端尺材)等林地残木；杉、柏、松类等的除伐/间伐材(除間伐材)；食用菌类的废原木等来自特殊林产的生物质；锥(シイ)、栎(コナラ)、松等薪炭林；柳、白杨、桉、松等短伐期林业等的林业系生物质；市镇村的街路树、私宅的庭木等的修剪枝条等一般废弃物；地区或省的街路树、企业的庭木等的修剪枝条、建设/建筑废材等产业废弃物等。被分类为农业系生物质的以废弃物/副产物为产生源的稻壳、麦秆、稻草、甘蔗渣；棕榈椰子等；以及以能量作物为产生源的米糠、菜种、大豆等农业系生物质的一部分也可以适宜地作为木质系生物质进行使用。
如上文所述，生物质焦的哈氏可磨性指数(HGI)需要为45以上。上述生物质中，也存在有如椰子的壳那样本来就是硬质的，即使经过上述的干馏工序制成生物质焦也难以进行微粉碎，HGI为35左右的生物质。在将这样的低HGI的生物质焦投入到辊磨机中的情况下，与对煤进行粉碎处理的情况相比，进行粉碎处理所需要的时间多，致使处理速度降低、单位时间的粉碎处理量减少。并且，在与煤一起投入到辊磨机中的情况下，煤先被粉碎、先被排出，从而使辊磨机内有生物质焦残留，排出的粉碎物中的生物质焦与煤的比例会有与投入时不同的情况。
即使同样是来源于椰子的生物质焦，在以椰子的树干为原料的情况下，HGI为72左右，可以利用辊磨机与煤同等地进行粉碎。如此，通过选择碳化后的HGI为45以上的生物质原料，可以制造适于高炉吹入的生物质焦。这些生物质焦能够在不变更现有的煤粉碎工艺的情况下而有效利用，可以将生物质焦与现有的煤以同等成本进行粉碎。需要说明的是，即使为HGI小于45的生物质焦，通过增加在辊磨机中的处理时间、采用喷射式粉碎机等利用旋转叶片进行粉碎的粉碎机来进行粉碎等，也可以粉碎至与煤同程度的粒度，但单位时间的处理量降低、需要导入新设备，由于单位时间的处理量降低，因而具有制造成本增加的问题。
在生铁年产量为500万吨的高炉中，若假设为相对于每1吨生铁吹入100～200kg粉煤的情况，则一年的粉煤用量为50～100万吨；在例如将该粉煤的0.1质量％置换为生物质焦的情况下，一年的用量为5百～1千吨，通过使用碳中性的生物质焦而使CO2排出量的削减量为一年4千吨以下，可以认为，以该程度的生物质焦的用量，在CO2排出量的削减效果上较差。另一方面，若对将粉煤的50质量％置换为生物质焦的情况进行研究，则一年需要25～50万吨的生物质焦。此处，若假定由生物质制造生物质焦的情况下的碳化物收率为20质量％，则一年需要125～250万吨的生物质原料，这种情况下，使用林地残木等木质系生物质、河岸地等处产生的草本系生物质、下水污泥、食品废弃物等各种生物质原料。在使用这样的多种多样的生物质的情况下，根据原料种类的不同，所制造的生物质焦的性状除为粉碎性以外，在成分等方面也是各有不同的；而通过与粉煤混合进行使用，即使将生物质焦混合至50质量％左右进行使用，混合物的性状也稳定，因而能够充分用于高炉中。与由多种多样的生物质原料制造出的生物质焦相比较，作为粉煤，优选使用固定碳、挥发成分、灰分等构成元素的含有比例的偏差小的物质。
使用图1对本发明的一个实施方式进行说明。A为原料生物质、B为煤、C为燃烧气、D为生物质焦、E为排气。生物质A贮留在生物质进料斗1中，通过输送机2供给至回转炉3中。在回转炉3内生物质A发生干馏而成为生物质焦D，贮留在生物质焦进料斗7中，与煤B一起定量排出，利用输送机9供给至煤料仓10中。由煤料仓10供给至磨煤机11中之后进行微粉碎，通过输送机12输送到吹入设备13中。由吹入设备13吹入到高炉14的风口部15，作为铁矿石的还原材进行利用。由于排气E中含有可燃性气体，因而可使其在加热气体发生炉6中燃烧，作为回转炉3的外热式的加热源进行利用。
由回转炉3中排出的生物质焦D优选进行冷却，冷却气体使用惰性气体即可。并且只要经冷却部排出的生物质焦处于不会着火的温度范围即可，优选为200℃以下。更优选以100℃以下为宜。
实施例1
使用图1所示的设备来进行生物质的干馏试验。其中，回转炉的加热方法为三段式(3分割)的电加热。回转炉的内径为15cm、长度为1.0m、倾斜角为1度，干馏时间通过变更回转炉转速进行调整。生物质使用了粉碎分级为3～10mm的杉的废木材、椰子的树干和椰子的壳。所使用的生物质的组成列于表1。
[表1]
向回转炉供给生物质的供给速度为1.0kg/h，改变干馏温度和干馏时间来制造No.1～12的生物质焦。对所得到的生物质焦的HGI和热值进行测定。试验条件和结果列于表2。
Figure BDA0000158252750000081
根据表2，通过在450℃以上进行30分钟以上的干馏，可以得到HGI为45以上的生物质焦，即使利用磨煤机也能够容易地进行粉碎。
实施例2
在实施例1中得到的No.1～7、11的生物质焦中以生物质焦∶煤＝10∶90的质量比例混合HGI为86的煤，测定HGI。混合物的HGI为78～83的范围，可知即使在混合状态下利用磨煤机进行粉碎也是没有问题的。
将该混合物利用辊磨机粉碎至粒度分布为74μm以下、80质量％以上，使用粉煤吹入设备进行从高炉风口吹入的试验。在吹入配管中也未发生堵塞，可以进行与通常的粉煤吹入同样的操作。
符号说明
1生物质进料斗
2输送机(生物质输送手段)
3回转炉
4生物质焦输送手段
5干馏气体、焦油输送手段
6加热气体发生炉
7生物质焦进料斗
8煤进料斗
9输送机(生物质焦、煤输送手段)
10煤料仓
11磨煤机
12输送机(粉煤输送手段)
13吹入设备
14高炉
15风口部
A生物质
B煤
C燃烧气
D生物质焦
E排气

Claims (8)

1.一种生物质在高炉中的利用方法，在该方法中，
对生物质进行干馏来制造哈氏可磨性指数HGI显示为45以上的生物质焦；
对所述生物质焦与煤的混合物进行微粉碎，生成粉碎物；
将所述粉碎物作为高炉的辅助还原材从风口吹入。
2.如权利要求1所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，所述生物质焦的制造包括在450℃以上的干馏温度对生物质进行干馏时间为30分钟以上的干馏来制造生物质焦。
3.如权利要求2所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，所述干馏温度为450℃以上且小于800℃，所述干馏时间为30分钟以上且90分钟以下。
4.如权利要求3所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，所述干馏温度为500℃～600℃、所述干馏时间为30分钟～60分钟。
5.如权利要求1所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，所述生物质焦的哈氏可磨性指数HGI为45以上且90以下。
6.如权利要求5所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，所述哈氏可磨性指数HGI为60以上且90以下。
7.如权利要求1所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，在所述混合物中，相对于生物质焦与煤的总量，生物质焦的混合比例为0.1质量％～50质量％。
8.如权利要求1所述的生物质在高炉中的利用方法，其中，所述粉碎物的粒度分布为，74μm以下的粉碎物占80质量％以上。
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