CN103146865A

CN103146865A - 一种基于生物质热解焦油的直接还原炼铁装置和方法

Info

Publication number: CN103146865A
Application number: CN2013101072144A
Authority: CN
Inventors: 罗思义; 周扬民; 仪垂杰; 李宗刚; 岳霞
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: CN103146865B

Abstract

本发明提供了一种基于生物质的直接还原炼铁装置和方法，该装置由生物质热解区和铁矿还原区组成，所述生物质热解区顶部设有生物质进料器，所述生物质进料器的下料管通过挡流板与热解吊篮相连；所述铁矿还原区设有进气口、出气口、陶瓷网、铁粉进料口和铁粉出料口，铁矿还原区外侧表面设有电阻丝。所述方法包括铁矿粉预热脱水造孔、气态生物质焦油在多孔铁矿粉表面沉积、焦油裂解和铁矿还原。本发明采用生物质热解焦油替代煤和天然气进行直接还原炼铁，投资小、成本低，生产效率高，获得的产品品质高，可以摆脱炼铁工业对化石能源的依赖，改善直接还原铁产品品质的同时还能减少对环境的危害，从根本上解决了绿色炼铁工业的技术与装备问题。

Description

一种基于生物质热解焦油的直接还原炼铁装置和方法

技术领域

本发明属于炼铁技术领域，尤其涉及一种基于生物质热解焦油的直接还原炼铁装置和方法。

背景技术

目前非高炉炼铁技术发展的目的是为了不使用焦煤，而使用煤或天然气，能源结构并没有发生根本性的变化，仍然离不开化石能源，对环境污染尤其是碳减排没有根本改善。同时，它们的能源消耗量比高炉炼铁高，品质离高炉炼铁还有相当的距离，其综合效益并没有优势，研究与应用进展缓慢。因此，新型可再生炼铁燃料的开发与相应绿色炼铁工艺的研究对国民经济发展具有非常重要的战略意义。

生物质能是唯一一种可再生的绿色碳源，具有分布广泛、廉价易得、资源丰富、碳中性等优点，与传统的化石能源相比具有极大的经济、环保优势和社会效益。生物质具有有害元素含量低、热解温度低等优良的特性，适宜用作炼铁工艺的发热剂或还原剂，可以起到替煤代焦和节能减排的作用。若将其合理应用于炼铁过程, 定能带来钢铁生产的技术革新及成本优化。

目前，国内外多采用生物质或生物质焦（专利号200910074583.1）可代替煤基直接还原工艺中的煤粉，起到还原剂的作用，从而可较清洁地生产高质量直接还原铁。采用生物质原材料或生物质热解后的焦炭作为还原介质，与铁矿混合制取含碳球团，其还原机理与煤基直接还原相似，为含碳球团的自还原。生物质-铁矿球团不仅透气性好、还可以防止还原过程中的粘结，其灰分低，也有利于后续磁选回收铁，最重要的是生物质在低温(600℃左右)就可使矿物发生还原，极大降低了能耗。

目前，所涉及的生物质直接还原炼铁方法存在有下述缺点：

（1）国内外提出的生物质直接还原炼铁工艺，都是以生物质或其热解焦作为还原介质或发热剂。生物质热解产物-灰分存在于直接还原铁产品中，需要后续进行磁选分离；

（2）生物质（焦）通过与铁矿粉混合制备复合球团的方式与铁矿石接触而进行还原，接触面积有限，还原反应不均匀，粘结剂等添加剂的存在一定程度上阻碍了铁氧化物与还原介质的接触；

（3）铁矿-生物质复合球团的制备需要添加粘结剂，成本高；

生物质热解往往会有大量焦油产生，这是目前热解和气化技术研究要解决的难点问题。传统的水洗或过滤等焦油处理办法，只是把焦油从气体中分离出来，作为废物排放，既浪费了焦油本身的能量，又会产生大量的污染。焦油受热分解会生成焦炭以及H₂、CO、CH₄等还原性气体，可作为铁矿的还原剂，基于此，本专利提出一种使用生物质热解产物-焦油作为还原介质的炼铁新工艺。

发明内容

针对现有生物质炼铁技术的不足和缺陷，本发明提供了一种基于生物质热解焦油的直接还原炼铁装置和方法。本发明采用生物质热解焦油替代煤和天然气进行直接还原炼铁，投资小、成本低，生产效率高，获得的产品品质高，可以摆脱炼铁工业对化石能源的依赖。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种基于生物质的直接还原炼铁装置，该装置由相互连接的位于上部的生物质热解区和下部的铁矿还原区组成，所述生物质热解区顶部设有生物质进料器，所述生物质进料器的下料管通过挡流板与热解吊篮相连；所述铁矿还原区设有上部的进气口和下部的出气口，在铁矿还原区内部出气口所在平面的上方设有用于放置铁粉的陶瓷网，陶瓷网上方设有铁粉进料口和铁粉出料口，铁矿还原区外侧表面设有电阻丝。

对上述技术方案的进一步改进：所述挡流板呈倾斜放置，倾斜角α范围为30-60°。

对上述技术方案的进一步改进：所述陶瓷网呈倾斜放置，倾角β<30°。

对上述技术方案的进一步改进：所述下料管和热解吊篮之间设有6-8组挡流板。

本发明还提供了一种基于生物质的直接还原炼铁方法，所述方法包括以下步骤：

(1) 对铁矿粉在300-400℃范围内进行预热，铁矿粉受热后发生脱水，脱水过程会造成铁粉孔隙率和比表面积的增加。

(2) 生物质在温度为500-650℃下进行，热解产生的高温含焦油燃气与预热后的铁矿粉进行直接接触，焦油冷却后沉积在铁矿石粉表面，附着在铁矿粉表面的孔隙中；

(3) 对表面包裹焦油的铁矿粉在900-1200℃下进行加热还原，焦油通过裂解反应产物与铁矿粉发生还原反应，生成直接还原铁。

对上述技术方案的进一步改进：所述铁矿粉选择含水率为5%以上的褐铁矿，粒径小于500μm，铁矿粉预热脱水后比表面积在30 m²/g以上，孔隙率在10%以上。

对上述技术方案的进一步改进：铁矿粉的预热、还原以及生物质的热解所需热源由电加热炉或燃烧生物质、生物质焦或生物质热解燃气来提供。

对上述技术方案的进一步改进：所述生物质为挥发分含量高的松木粉、树枝或秸秆中的一种或多种。

对上述技术方案的进一步改进：所述步骤（2）中所述松木粉的热解温度为600℃，所述秸秆的热解温度为550℃，所述稻草的热解温度为500℃。

对上述技术方案的进一步改进：所述步骤（3）中产物为焦炭和H₂、CO、CH₄还原性气体。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

(1) 本发明采用生物质热解焦油这一难以后续利用的“碳源”作为铁矿粉还原的还原剂。

(2) 本发明铁矿粉在还原前进行了预热，使其脱水，增加了其表面孔隙率和孔容积，促进了还原过程中传热、传质的进行，提高了还原反应速率和还原程度。

(3) 本发明中的还原介质生物质焦油沉积在铁矿粉表面的纳米孔隙中，通过裂解反应生成碳和H₂、CO、CH₄等还原性气体，同铁氧化物的接触更加充分。

(4) 本发明由于不使用生物质或生物质焦，因此铁产品的灰分含量以及含碳量非常低，只有0.1%以下，也就是说，这种直接还原技术可以一步冶炼到粗钢，减少了碳能损失和炼钢的成本。

(5) 本发明的还原铁产品不需要磁选分离，简化了操作步骤，提高了效率。

本发明所述方法包括铁矿粉预热脱水造孔、气态生物质焦油在多孔铁矿粉表面沉积、焦油裂解和铁矿还原。本发明利用生物质焦油通过裂解生成碳和H₂、CO、CH₄等还原性气体作为铁矿的还原剂。本发明采用生物质热解焦油替代煤和天然气进行直接还原炼铁，投资小、成本低，生产效率高，获得的产品品质高，可以摆脱炼铁工业对化石能源的依赖，改善直接还原铁产品品质的同时还能减少对环境的危害，从根本上解决了绿色炼铁工业的技术与装备问题。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明直接还原炼铁装置的结构示意图。

图2是本发明直接还原炼铁方法的工艺流程图。

图3是本发明生物质焦油还原炼铁原理图，其中(a)原铁矿粉；(b)铁矿粉脱水形成的表面孔隙；(c)焦油冷却沉积在孔隙内；(d)焦油裂解及对铁矿还原，所述图(d)中1.铁矿表面；2.焦油颗粒；3.孔隙；d1表示气态焦油进入；d2表示生成H₂，CO和CH₄。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种基于生物质热解焦油作为还原剂的直接还原炼铁装置，该装置由位于上部的生物质热解区1和下部的铁矿还原区2组成，所述炼铁装置的生物质热解区1和铁矿还原区2通过法兰连接，所述生物质热解区1顶部设有生物质进料器3，所述生物质进料器3下端的下料管通过挡流板4与热解吊篮5相连，所述挡流板4一端焊接在下料管外壁上，另一端焊接在热解吊篮5内壁上。

所述铁矿还原区2的上部还设有进气口6，下部设有出气口7，在铁矿还原区2内部还设有用于放置铁粉的陶瓷网8，所述陶瓷网位于出气口7所在平面的上方，陶瓷网8上方设有铁粉进料口9和铁粉出料口10。铁矿还原区2内的铁矿粉预热、还原以及生物质热解所需热源可以由燃烧生物质、生物质焦或生物质热解燃气来提供，也可以由电加热炉提供（用电加热炉加热，等同于外表面缠绕电阻丝）。

所述下料管和热解吊篮之间设有6-8组挡流板，以防止热解焦炭随气流进入铁矿粉。

所述挡流板呈倾斜放置，倾斜角α范围为30-60°，以防止热解焦炭随气流进入铁矿粉。

所述陶瓷网8呈倾斜放置，倾角β<30°，倾角过大，易造成铁粉在一侧堆积，还原不均匀。

如图2和3所示，本发明提供了一种生物质热解焦油还原炼铁方法，所述方法包括以下几个步骤：

(1) 选取品味TFe 61.4%，含水率9.86%，粒径介于100-200μm之间的铁矿粉为原料，在温度400℃下预热脱水，预热时间30min，使其充分脱水造孔。铁矿粉受热后脱水，其比表面积急剧增加，由预热前的15.24 m²/g增加到预热后的78.90 m²/g，用测试仪器测得其孔隙率为15.8%。

(2) 选用松木粉作为热解原料，在600℃下发生热解，生成高温含焦油燃气与预热后的铁矿粉直接接触，焦油冷却后沉积在铁矿石粉表面的空隙中；

生物质热解温度控制在500-650℃，所采用的热解温度由生物质种类决定，以保证生物质热解产物中焦油产率最大。

(3) 对表面包裹焦油的铁矿粉在1100℃下加热30min，焦油通过二次热裂解反应生成焦炭与铁氧化物发生还原，生成直接还原铁，指标：TFe89.1%，金属化率97.3%、C含量0.023%，产品质量符合要求。

表面包裹焦油的铁矿粉的还原温度范围为900-1200℃，保证焦油充分二次破解，但温度不宜过高，当还原温度超过1200℃时，继续增加反应温度对提高还原铁产品质量的影响不明显。

本发明所述的直接还原炼铁过程中进行的还原反应主要有以下三种：

一、生物质焦油裂解生成的焦炭与铁氧化物直接接触发生还原反应。

二、生物质焦油裂解生成CO、H₂和CH₄等低分子还原性气体与铁氧化物发生还原反应。

三、焦油裂解产物焦炭通过气化反应生成一氧化碳与铁氧化物发生还原反应。

包裹生物质焦油的铁矿粉，其还原机理由式(1)所示的间接还原和式(2)所表达的碳气化反应组成(CO₂来自生物质热解和球团孔隙中的氧和碳反应)，而刚开始反应时式(1)中CO气体是由铁氧化物与碳(来自于焦油的二次裂解式(4))的紧密接触而发生直接还原反应(3)产生的，随着反应的进行，碳和铁氧化物不再紧密接触, 则还原由式(1)和(2)所组成：

(1)；

(2)；

(3)；

(4)。

本发明中生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木质素）、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。生物质具有可再生性、低污染性和广泛分布性的优点。

实施例2

利用本发明所述装置进行生物质热解焦油还原炼铁方法包括以下几个步骤：

(1) 选取品味TFe56.8%，含水率10.10%，粒径介于200-300 μm之间的铁矿粉为原料，在温度350℃下预热脱水，预热时间30min，铁矿粉受热后脱水，其比表面和平均孔径急剧增加，由预热前的10.69 m²/g增加到预热后的45.41 m²/g，孔隙率为13.1%；

(2) 选用玉米秸秆作为热解原料，在550℃下发生热解，生成高温含焦油燃气与预热后的铁矿粉直接接触，焦油冷却后沉积在铁矿石粉表面的空隙中；

(3) 对表面包裹焦油的铁矿粉在1000℃下加热30min，焦油通过二次热裂解反应生成焦炭与铁氧化物发生还原，生成直接还原铁，指标：TFe86.2%，金属化率94.5%、 C含量0.041%，产品质量符合要求。

实施例3

(1) 选取品味TFe60.3%，含水率7.02%，粒径介于300-400μm之间的铁矿粉为原料，在温度300℃下预热脱水，预热时间30min，铁矿粉受热后脱水，其比表面和平均孔径急剧增加，由预热前的11.34 m²/g增加到预热后的30.27 m²/g，孔隙率为10.2%；

(2) 选用稻草作为热解原料，在500℃下发生热解，生成高温含焦油燃气与预热后的铁矿粉直接接触，焦油冷却后沉积在铁矿石粉表面的空隙中；

(3) 对表面包裹焦油的铁矿粉在900℃下加热30min，焦油通过二次热裂解反应生成焦炭与铁氧化物发生还原，生成直接还原铁，指标：TFe83.1%、金属化率90.5%、C含量0.052%，产品质量符合要求。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于生物质的直接还原炼铁装置，其特征在于：该装置由相互连接的位于上部的生物质热解区和下部的铁矿还原区组成，所述生物质热解区顶部设有生物质进料器，所述生物质进料器的下料管通过挡流板与热解吊篮相连；所述铁矿还原区设有上部的进气口和下部的出气口，在铁矿还原区内部出气口所在平面的上方设有用于放置铁粉的陶瓷网，陶瓷网上方设有铁粉进料口和铁粉出料口，铁矿还原区外侧表面设有电阻丝。

2.根据权利要求1所述的一种基于生物质的直接还原炼铁装置，其特征在于：所述挡流板呈倾斜放置，倾斜角α范围为30-60°。

3.根据权利要求1所述的一种基于生物质的直接还原炼铁装置，其特征在于：所述陶瓷网呈倾斜放置，倾角β<30°。

4.根据权利要求1所述的一种基于生物质的直接还原炼铁装置，其特征在于：所述下料管和热解吊篮之间设有6-8组挡流板。

5.一种基于生物质的直接还原炼铁方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1) 对铁矿粉在温度300-400℃范围内进行预热，铁矿粉受热后发生脱水反应以脱除游离水和结晶水，使其比表面积和孔隙率迅速增加；

(2) 生物质在温度为500-650℃下进行，热解产生的高温含焦油燃气与预热后的铁矿粉进行直接接触，焦油冷却后沉积在铁矿石粉表面，附着在铁矿粉表面的空隙中；

6.根据权利要求5所述的基于生物质的直接还原炼铁方法，其特征在于：所述铁矿粉选择含水率为5%以上的褐铁矿，粒径小于500μm，铁矿粉预热脱水后比表面积在30 m²/g以上，孔隙率在10%以上。

7.根据权利要求5所述的基于生物质的直接还原炼铁方法，其特征在于：铁矿粉的预热、还原以及生物质的热解所需热源由电加热炉或燃烧生物质、生物质焦或生物质热解燃气来提供。

8.根据权利要求5所述的基于生物质的直接还原炼铁方法，其特征在于：所述生物质为挥发分含量高的松木粉、树枝或秸秆中的一种或多种。

9.根据权利要求7所述的基于生物质的直接还原炼铁方法，其特征在于：所述步骤（2）中所述松木粉的热解温度为600℃，所述秸秆的热解温度为550℃，所述稻草的热解温度为500℃。

10.根据权利要求5 所述的基于生物质的直接还原炼铁方法，其特征在于：所述步骤（3）中产物为焦炭和H₂、CO、CH₄还原性气体。