CN104962334B

CN104962334B - 一种铁矿烧结用生物质焦复合燃料

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Publication number: CN104962334B
Application number: CN201510334980.3A
Authority: CN
Inventors: 范晓慧; 甘敏; 季志云; 陈许玲; 姜涛; 李光辉; 李强; 何向宁; 袁礼顺; 郭宇峰; 杨永斌; 张元波; 李骞; 黄柱成; 白国华; 许斌; 朱忠平; 周阳; 余志元; 刘树
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2017-11-10
Anticipated expiration: 2035-06-16
Also published as: CN104962334A

Abstract

本发明公开了一种铁矿烧结用生物质焦复合燃料，该生物质焦复合燃料的制备是将喷洒B₂O₃溶液的高木质素生物质和添加强碱溶液的弱粘结性炼焦煤混合后在400～2000kg/cm²的压力和200～300℃的温度条件下压制1～3min，制成团块，然后在5～25℃/min的速率下升温至500～1000℃并保温30～90min，制备得到密度为1.2～1.5g/cm³、挥发分含量为3～6wt％、固定碳含量为75～85wt％的复合型炭化燃料。本发明的生物质焦复合燃料可完全替代化石燃料用于铁矿烧结，有利于降低烧结过程NOx的生成量与排放量，减少了对环境的污染。

Description

一种铁矿烧结用生物质焦复合燃料

技术领域

本发明涉及一种可替代化石燃料的复合燃料，尤其涉及一种铁矿烧结用生物质焦复合燃料。

背景技术

铁矿烧结是钢铁企业中高能耗、高污染工序，其工序能耗占钢铁企业总能耗的9～12％，其中75～80％的能耗由焦粉、无烟煤等固体燃料提供。固体燃料燃烧过程排放的烟气中含有温室气体CO₂以及污染性气体SOx、NOx，三者的排放量分别占钢铁行业总排放量的10％、70％、48％。随着2015年1月1日《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》中规定的NOx、SOx等的新标准在现有企业开始实施，烧结工序正面临巨大的环保压力。

生物质能是植物通过光合作用固定于地球上的太阳能，是清洁可再生能源。生物质因S、N含量低，且可实现CO₂零排放而受到国内外研究者的重视。将其替代焦粉、无烟煤等化石燃料用于铁矿烧结是降低COx、SOx、NOx等排放量的有效途径。

与焦粉、无烟煤等化石燃料相比，具有可替代化石燃料潜力的生物质炭具有比表面积大、结构疏松、着火点低、燃烧速度快、燃烧持续时间短等特点。替代部分化石燃料后，生物质炭与焦粉或无烟煤分散分布于烧结料层，因生物质炭与化石燃料燃烧特性差异大，两种燃料呈现出先后独立燃烧的特性，使得燃烧持续时间长、燃烧带宽，从而严重破坏料层燃烧前沿与传热前沿的匹配性，造成烧结料层温度低，起粘结作用的液相量生成不足，烧结矿产质量指标被恶化。因此，缩小两种燃料燃烧特性的差异性并改善其在料层中分布的状态，是其成功应用于铁矿烧结的重要前提。本发明将两种不同类别的燃料制备成由生物质炭、化石燃料构成的复合燃料，并通过优化制备工艺制度来缩小两者在燃烧过程中的差异性。

目前由生物质和化石燃料构成的复合型燃料主要为生物质与煤粉经成型制备的生物质型煤，因这种燃料挥发分含量高，并不满足铁矿烧结对固体燃料的要求。因此，针对铁矿烧结对固体燃料特性的要求，开发适宜的制备工艺制备出满足需求的生物质炭-化石燃料复合型燃料是有效利用生物质资源的关键。将生物质资源制备成适用于铁矿烧结的燃料，对于清洁可再生资源的合理、高效利用及铁矿烧结清洁生产意义重大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服生物质炭与化石燃料分散分布在烧结料层造成的两种燃料燃烧不同步，以及烧结燃烧前沿与传热前沿不匹配的不足，提供一种可替代化石燃料用于铁矿烧结的生物质焦复合燃料。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种铁矿烧结用生物质焦复合燃料，该生物质焦复合燃料是将喷洒B₂O₃溶液的高木质素生物质和添加强碱溶液的弱粘结性炼焦煤混合均匀后在400～2000kg/cm²的压力和200～300℃的温度条件下压制1～3min，制成团块，然后将团块在5～25℃/min的速率下升温至500～1000℃，并保温30～90min，制备得到密度为1.2～1.5g/cm³、挥发分含量为3～6wt％、固定碳含量为75～85wt％的复合型炭化燃料；其中B₂O₃溶液的喷洒量占生物质的质量分数为0.5～2％，强碱溶液的添加量占炼焦煤的质量分数为0.1～0.2％，高木质素生物质中木质素含量为25～40wt％，弱粘结性炼焦煤为气煤、瘦煤和贫瘦煤中一种或几种的混合物。

上述的生物质焦复合燃料，优选的，B₂O₃溶液为质量浓度为20～40wt％的B₂O₃溶液。

上述的生物质焦复合燃料，优选的，强碱溶液为氢氧化钠溶液或/和氢氧化钾溶液，质量浓度为40～70wt％。

上述的生物质焦复合燃料，优选的，所述高木质素生物质是指包括阔叶木或针叶木在内的林业废弃物、包括棉秆、豆杆或高粱秆在内的农业废弃物及包括硬质果核或果壳在内的一种或几种生物质的混合物。

上述的生物质焦复合燃料，优选的，所述生物质占生物质与炼焦煤混合物的质量分数不高于80wt％。

上述的生物质焦复合燃料，优选的，所述生物质粒度为0.5～2mm，水分含量为5～10wt％；所述炼焦煤粒度不大于0.5mm，水分含量不高于5wt％。

上述的生物质焦复合燃料，优选的，该生物质焦复合燃料完全替代化石燃料用于铁矿烧结。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明通过优选高木质素生物质和弱粘结性炼焦煤，使得其炭化后的产品性能尽量接近，缩小燃烧性方面的差异。

2)本发明的生物质焦复合燃料采用高木质素生物质与弱粘结性炼焦煤经热压成型、高温炭化制备而成。利用生物质中木质素受热软化而具备粘结性的特质，保证了团块在炭化前后均具备较好机械强度和致密结构；选用价格低廉、资源丰富的弱粘结性炼焦煤不仅能保证炭化后形成高品质焦炭，还控制燃料制备的综合成本。炼焦煤在较高温度条件下完成炭化的过程中会产生少量胶质体，将在较低温条件下已完成炭化的生物质炭紧密连接起来，进一步提高了复合燃料整体强度和结构致密度。

3)本发明的生物质焦复合燃料制备过程中，在生物质中喷洒B₂O₃溶液起到降低生物质炭反应活性的作用，在炼焦煤添加KOH溶液或/和NaOH溶液起到提高焦炭反应活性的作用，有助于缩小两种不同类别燃料燃烧特性的差异，从而可改善生物质炭应用于烧结过程对燃烧前沿、传热前沿匹配性的影响。

4)本发明的生物质焦复合燃料为焦炭与生物质炭紧密排列的结构，相比焦炭、生物质炭分散分布在料层中的状况，复合燃料有利于实现反应性高的生物质炭对焦炭燃烧所生成NOx的还原降解，且起活化焦炭反应性作用的碱金属K、Na可起到催化NOx还原降解的作用，有利于更大幅度的降低NOx了的生成量与排放量，减少了对环境的污染。

5)本发明的生物质焦复合燃料可完全替代化石燃料用于铁矿烧结，烧结矿产质量指标与完全采用化石燃料烧结时相当。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。

实施例1：

一种本发明的铁矿烧结用生物质焦复合燃料，其密度为1.2～1.5g/cm³、挥发分含量为5.59wt％、固定碳含量为76.35wt％；其制备方法包括以下步骤：

1)将水分含量为7wt％的棉秆粉碎至粒度为1～2mm、水分含量为3％的气煤粉碎至粒度为0.25～0.5mm；然后在棉秆中喷洒质量浓度为20％的B₂O₃溶液(B₂O₃溶液的喷洒量为棉秆质量的0.5％)，在气煤中添加质量浓度为65wt％的KOH溶液(KOH溶液的添加量为气煤质量的0.15％)。

2)将步骤1)处理后的棉秆与气煤按质量比为1:4的量混合均匀，然后在1500kg/cm²的压力和300℃的温度条件下压制2min，压成粒径为15mm的团块。

3)将步骤2)制成的团块，以5℃/min的升温速率升至1000℃，并保温90min，即炭化成生物质焦复合燃料。

实施例2：

一种本发明的铁矿烧结用生物质焦复合燃料，密度为1.2～1.5g/cm³、挥发分含量为5.31wt％、固定碳含量为78.03wt％；其制备方法包括以下步骤：

1)将水分含量为7wt％的棉秆粉碎至粒度为1～2mm、水分含量为3％的气煤粉碎至粒度为0.25～0.5mm；然后在棉秆中喷洒质量浓度为20％的B₂O₃溶液(B₂O₃溶液的喷洒量为棉秆质量的0.75％)，在气煤中添加质量浓度为55wt％的KOH溶液(KOH溶液的添加量为气煤质量的0.15％)。

2)将步骤1)处理后的棉秆与气煤按质量比为2:3的量混合均匀，然后在1250kg/cm²的压力和275℃的温度条件下压制1.5min，压成粒径为15mm的团块。

3)将步骤2)制成的团块，以5℃/min的升温速率升至800℃，并保温60min，即炭化成生物质焦复合燃料。

实施例3：

一种本发明的铁矿烧结用生物质焦复合燃料，密度为1.2～1.5g/cm³、挥发分含量为5.02wt％、固定碳含量为79.70wt％；其制备方法包括以下步骤：

1)将水分含量为7wt％的棉秆粉碎至粒度为1～2mm、水分含量为3％的气煤粉碎至粒度为0.25～0.5mm；然后在棉秆中喷洒质量浓度为25％的B₂O₃溶液(B₂O₃溶液的喷洒量为棉秆质量的0.50％)，在气煤中添加质量浓度为40wt％的KOH溶液(KOH溶液的添加量为气煤质量的0.10％)。

2)将步骤1)处理后的棉秆与气煤按质量比为3:2的量混合均匀，然后在1000kg/cm²的压力和250℃的温度条件下压制1min，压成粒径为15mm的团块。

3)将步骤2)制成的团块，以10℃/min的升温速率升至700℃，并保温30min，即炭化成生物质焦复合燃料。

实施例4：

一种本发明的铁矿烧结用生物质焦复合燃料，密度为1.2～1.5g/cm³、挥发分含量为4.74wt％、固定碳含量为81.38wt％；其制备方法包括以下步骤：

1)将水分含量为7wt％的棉秆粉碎至粒度为1～2mm、水分含量为3％的气煤粉碎至粒度为0.25～0.5mm；然后在棉秆中喷洒质量浓度为25％的B₂O₃溶液(B₂O₃溶液的喷洒量为棉秆质量的0.75％)，在气煤中添加质量浓度为25wt％的KOH溶液(KOH溶液的添加量为气煤质量的0.10％)。

2)将步骤1)处理后的棉秆与气煤按质量比为4:1的量混合均匀，然后在750kg/cm²的压力和200℃的温度条件下压制1min，压成粒径为15mm的团块。

3)将步骤2)制成的团块，以15℃/min的升温速率升至600℃，并保温30min，即炭化成生物质焦复合燃料。

上述四个实施例制备的生物质焦复合燃料以及焦粉的化学组成和工业分析如表1所示。

表1 燃料的化学成分及工业分析

按照混匀铁矿64.93％、白云石0.53％、石灰石3.05％、烧结返矿23.08％的质量比进行配料，最终获得TFe 56.38％、SiO₂4.92％、MgO 2.0％、碱度R 1.9的烧结矿，全部采用焦粉时适宜配比为3.85％。分别采用上述实施例制备的生物质焦复合燃料为燃料进行铁矿烧结，烧结应用结果如表2所示。从表2中可知，采用生物质质量含量为20-80％的生物质焦复合燃料完全替代焦粉烧结铁矿时，烧结适宜水分会随着生物质比例的提高而增加，烧结矿产质量指标包括烧结速度、产率、转鼓强度及利用系数相比于采用焦粉烧结铁矿获得指标的相差不大，表明采用本发明的生物质焦复合燃料完全替代焦粉对烧结矿产质量影响很小，因此采用本发明的生物质焦复合燃料可完全替代焦粉用作铁矿烧结燃料，进一步的，可降低燃料的综合成本，也降低NOx了的生成与排放。

表2 采用焦粉和不同的生物质焦复合燃料烧结铁矿的结果

Claims

1.一种铁矿烧结用生物质焦复合燃料，其特征在于，该生物质焦复合燃料是将喷洒B₂O₃溶液的高木质素生物质和添加强碱溶液的弱粘结性炼焦煤混合均匀后在400～2000kg/cm²的压力和200～300℃的温度条件下压制1～3min，制成团块，然后将团块在5～25℃/min的速率下升温至500～1000℃，并保温30～90min，制备得到密度为1.2～1.5g/cm³、挥发分含量为3～6wt％、固定碳含量为75～85wt％的复合型炭化燃料；其中B₂O₃溶液的喷洒量占生物质的质量分数为0.5～2％，强碱溶液的添加量占炼焦煤的质量分数为0.1～0.2％，高木质素生物质中木质素含量为25～40wt％，弱粘结性炼焦煤为气煤、瘦煤和贫瘦煤中一种或几种的混合物；强碱溶液为氢氧化钠溶液或/和氢氧化钾溶液，质量浓度为40～70wt％；所述生物质占生物质与炼焦煤混合物的质量分数不高于80wt％；该生物质焦复合燃料完全替代化石燃料用于铁矿烧结。

2.如权利要求1所述的生物质焦复合燃料，其特征在于，B₂O₃溶液为质量浓度为20～40wt％的B₂O₃溶液。

3.如权利要求1所述的生物质焦复合燃料，其特征在于，所述高木质素生物质是指包括阔叶木或针叶木在内的林业废弃物、包括棉秆、豆杆或高粱秆在内的农业废弃物及包括硬质果核或果壳在内的一种或几种生物质的混合物。

4.如权利要求1～3任一项所述的生物质焦复合燃料，其特征在于，所述生物质粒度为0.5～2mm，水分含量为5～10wt％；所述炼焦煤粒度不大于0.5mm，水分含量不高于5wt％。