CN106103666A - 用于生铁炼制的包含牛粪的粉煤和使用该粉煤制备生铁的方法 - Google Patents

用于生铁炼制的包含牛粪的粉煤和使用该粉煤制备生铁的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开用于生铁炼制的包含牛粪的粉煤和使用该粉煤制备生铁的方法。本发明的优点是能够改进粉煤的燃烧性质并且增加高炉操作的效率和安全性。

Description

用于生铁炼制的包含牛粪的粉煤和使用该粉煤制备生铁的 方法
技术领域
本发明涉及用于炼铁的包含牛粪的粉煤和使用该粉煤制备生铁的方法，更具体地涉及可以改进可燃性并且增加高炉操作的效率和稳定性的用于炼铁的包含牛粪的粉煤和使用该粉煤制备生铁的方法。
背景技术
炼铁是通过熔炼铁矿制备生铁的过程。在该过程中，将铁矿、焦炭和石灰岩装入高炉，然后在炉中鼓入温度为1100至1300℃的热空气以燃烧焦炭并且熔炼和还原铁矿从而熔融铁矿中包含的铁。通过该过程制备的铁被称为生铁。
通过将煤引入炉中并且在约1,000至1,300℃的高温下燃烧煤从而获得焦炭，焦炭不仅充当热源熔融高炉中的铁矿(即铁和氧的化合物)，而且充当还原剂从铁矿中分离铁。
在近来的用于炼铁的高炉操作中，由于技术的发展，在使用昂贵焦炭的操作中通过鼓风口水平将粉煤注入炉底能够实现生产成本的明显降低。焦炭通过支撑高炉中的还原剂、热源和装载材料从而用于确保透气性。另一方面，通过鼓风口水平注入的由极细颗粒组成的粉煤通过在数毫秒内的早期阶段引发燃烧从而充当还原剂和热源。
本发明的背景技术公开于韩国专利No.10-1198619(2011年11月11日，名为“CoalBriquette Comprising Coal and Pulverized Coal and Production MethodThereof”)。
发明内容
技术问题
本发明的实施方案提供用于炼铁的粉煤，所述粉煤包含牛粪。
本发明的实施方案还提供使用用于炼铁的粉煤制备生铁的方法，所述粉煤包含牛粪。
通过如下详细描述、所附权利要求书和附图使得本发明的其它主题和优点变得更为明显。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供用于炼铁的粉煤，基于100重量份的煤粉，所述粉煤包含76重量份或更少的尺寸为50mm或更小并且水含量为20％或更少的干燥且粉碎的牛粪。
根据本发明的另一个方面，用于制备生铁的方法包括如下步骤：(1)干燥牛粪；(2)在粉碎机中粉碎经干燥的牛粪；(3)混合牛粪和煤粉从而制备粉煤；和(4)将粉煤注入高炉。
有利效果
根据本发明的实施方案，粉煤可以包含牛粪从而减少粉煤中包含的煤的量，因此减少温室气体排放和高炉操作成本。
此外，可以大大改进现有粉煤的可燃性，能够实现有效的高炉操作。特别地，可以促进粉煤的燃烧从而避免高炉的透气性和透液性由于焦炭粉末的积累而进一步降低，因此能够实现稳定的高炉操作。
当根据本发明的实施方案使用作为农业禽畜废物的牛粪时，农业禽畜废物可以作为能源回收从而可以获得环境方面的优点。此外，还原气体可以容易地制备，使得能够以高速还原铁矿。
附图说明
图1显示了根据本发明的实施方案的包含牛粪的粉煤的可燃性随着牛粪替代比例而变化的对比结果。
图2对比了根据本发明的实施方案的包含牛粪的每种粉煤的可燃性。
图3对比了根据本发明的实施方案的包含牛粪的粉煤的热值随着牛粪替代比例的变化。
图4显示了根据本发明的实施方案的包含牛粪的粉煤的炉腹煤气体积随着牛粪替代比例的变化。
图5显示了根据本发明的实施方案的包含牛粪的粉煤的炉渣体积随着牛粪替代比例的变化。
图6显示了根据本发明的实施方案的牛粪的可注入指数。
图7A显示了常规粉煤的颗粒形状，图7B显示了根据本发明的实施方案的牛粪的颗粒形状。
图8显示了使用根据本发明的另一个实施方案的用于制铁的包含牛粪的粉煤制备生铁的方法。
具体实施方式
本发明可以进行各种修改并且可以具有各种形式，具体实施方案在附图中显示并且在说明书中详细描述。然而，不旨在将本发明限制于具体实施方案，并且应理解本发明包括落入本发明的精神和技术范围内的所有修改形式、等效形式或替代形式。在如下描述中，当可能模糊本发明的主题时，将省略相关已知技术的详细描述。
术语“第一”、“第二”等可以用于描述各种组分，但是组分不受术语的限制。术语的目的仅是区分一种组分和其它组分。
说明书中使用的术语仅用于描述具体实施方案并且不旨在限制本发明的范围。除非上下文中另有声明，单数表述包括复数表述。在说明书中，术语“包含”、“具有”等旨在表示存在所述特征、数目、步骤、操作、组分、部分或其组合，但是不排除存在或加入一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组分、部分或其组合的可能性。
在下文中，将参考附图描述根据本发明的用于炼铁的包含牛粪的粉煤和使用该粉煤制备生铁的方法。在参考附图进行的如下描述中，相同的组分用相同的附图标记表示，并且将省略组分的重复描述。
根据本发明的一个方面，提供用于炼铁的粉煤，基于100重量份的煤粉，所述粉煤包含76重量份或更少的尺寸为50mm或更小并且水含量为20％或更少的干燥且粉碎的牛粪。
在本发明中用作煤替代物的牛粪通常包含大量挥发性物质，因此特征在于其固定的碳含量明显低于煤的碳含量。特别地，牛粪的热值约为现有煤的50％。然而，显示出相比于碳，牛粪的挥发性物质在较早阶段热分解并且包含更高浓度的氧，因此可以用作能够促进现有碳的燃烧的添加剂(参见下表1)。此外，如下表2中所示，牛粪的优点在于其以极大量产生并且供应稳定，因此可以在高炉中连续使用。
此外，现有牛粪大多用作堆肥等，但是产生的牛粪量明显大于使用的牛粪量，因此饲养员难以处置牛粪。因此，本发明非常有助于不仅解决环境问题，而且降低生产成本，因为以前作为禽畜废物处置的牛粪应用于高炉操作。
当牛粪用在根据本发明的粉煤中时，其显著改进粉煤的可燃性。图1对比了粉煤的可燃性随着牛粪替代比例的变化。当粉煤燃烧同时逐步用牛粪替代时，可观察到其燃烧率增加至98.4％(参见图1)。特别地，本发明具有改进低品质粉煤的可燃性的非常出色的效果。低品质粉煤由于其低燃烧效率而形成大量未燃烧残炭，并且在高炉中在所有方向上累积从而阻塞焦炭的孔，因此降低高炉的透气性和透液性。此外，鼓风口水平处的焦炭劣化显著。未燃烧残炭通常具有比粉碎的焦炭明显更大的反应界面面积，因此比粉碎的焦炭更快地燃烧。因此，未燃烧残炭抑制粉碎的焦炭的燃烧，并且由于焦炭粉的累积而进一步降低高炉的透气性。因此，根据本发明，可以改进低品质粉煤的燃烧效率，因此可以解决与低品质粉煤的使用相关的问题并且可以实现稳定的高炉操作。
此外，当根据本发明使用牛粪时，可以改进粉煤的热值。尽管粉煤的可燃性还与高炉中的粉煤粉末的累积相关，粉煤的燃烧效率对粉煤的初始热值具有显著影响。因此，为了更密切地检验所述牛粪对可燃性的改进的影响和由于牛粪造成的初始热值的变化，检验每种粉煤的热值随着牛粪替代比例的变化，并且检验结果显示在图3中。因此，显示出在包含牛粪的粉煤的情况下，当牛粪替代比例增加至约30％时，其初始热值由于其大大改进的可燃性而稳定增加。
同时，重要的是粉煤包含牛粪使得在炼铁过程中高炉的炉腹煤气体积(BGV)低于临界值。因此，在本发明中，基于100重量份的煤粉，粉煤优选包含76重量份或更少的牛粪。
如果一部分粉煤用牛粪代替，牛粪的高挥发性组分可以增加炉腹煤气体积(BGV)，并且因此增加高炉的压力。如果高炉的压力增加，将难以保证良好的透气性，可能无法进行稳定的高炉操作。出于该原因，为了实现稳定地高炉操作，基于100重量份的煤粉，粉煤优选包含76重量份或更少的牛粪(参见图4)。如果所包含的牛粪大于基于100重量份的煤粉的76重量份的量，将难以维持炉腹煤气体积低于例如约10,800Nm3/min的临界值。术语“牛粪的重量份”在如图4等中所示以牛粪相对于煤粉的替代比例表示。亦即，牛粪相对于煤粉的替代比例为43％或更少(参见图4)。
此外，牛粪具有高的灰分含量，但是显示出当一部分粉煤用牛粪替代时，牛粪替代对高炉炉渣体积不产生较大影响(参见图5)。
在本发明中，经粉碎的牛粪优选具有50mm或更小的粒径，但不限于此。如果经粉碎的牛粪的粒径大于50mm，将需要大量能量来干燥牛粪，并且将难以均匀地混合牛粪和煤粉。
除了煤粉和牛粪之外，根据本发明的包含牛粪的粉煤可以进一步包含加入常规粉煤中的各种组分。本发明所属领域的技术人员可以合适地根据高炉操作条件无困难地加入额外组分。
同时，本发明的实施方案举例说明了作为组分加入粉煤的牛粪，本发明的范围不仅限于牛粪，并且可以扩展至其它牲畜(包括狗、猪、羊、马等)的粪便。
根据本发明的另一个方面，用于制备生铁的方法包括如下步骤：(1)干燥牛粪；(2)在粉碎机中粉碎经干燥的牛粪；(3)混合牛粪和煤粉从而制备粉煤；和(4)将粉煤注入高炉。
根据本发明的一个具体方面，步骤(1)中的牛粪的干燥可以如下进行：首先在院子中在不发生发酵的条件下将牛粪干燥至65％或更少的水含量，然后在干燥器中将通过步骤(2)中的粉碎机粉碎的牛粪干燥至20％或更少的水含量。如果牛粪如上所述在院子中自然干燥然后在干燥器中进一步干燥，则可以降低干燥成本。亦即，干燥牛粪的院子可以为能够避免下雨时雨水渗透的带顶场所，并且院子可以节约由于相对昂贵的干燥器造成的成本。此外，如果牛粪首先干燥，然后在粉碎机中粉碎，然后引入干燥器，可以进一步改进干燥效率。
根据本发明的另一个具体方面，牛粪在被引入步骤(2)的粉碎器之前穿过粒径分离器从而将粒径为50mm或更小的牛粪直接输送至干燥器，并且牛粪在步骤(2)的粉碎器中粉碎从而具有50mm或更小的粒径。如果牛粪如上所述在被引入粉碎器之前穿过粒径分离器从而将粒径为50mm或更小的牛粪部分直接输送至干燥器，可以改进粉碎效率。
根据本发明的又一个具体方面，干燥器可以使用来自包括现有高炉的炼铁过程的废热或副产煤气(例如高炉煤气、焦炭煤气或电炉煤气)加热。因此，根据本发明，牛粪可以使用炼铁过程中产生的废热或副产煤气干燥，因此可以减少使用的煤量同时可以使额外成本最小化。
下面将参考附图详细描述本发明的具体实施方案。
牛粪和用于高炉的粉煤的主要特征的对比
在本发明中，选择各种替代燃料从而改进粉煤的可燃性，并且对比粉煤与常规粉煤的主要特征，如下表1所示。
被视为是煤替代物的生物质通常包含大量挥发性物质，因此特征在于其固定的碳含量明显低于煤的碳含量。特别地，生物质的热值约为现有煤的50％。然而，相比于碳，生物质的挥发性物质在较早阶段热分解并且包含更高量的氧，因此认为挥发性物质可以用作能够促进现有煤的燃烧的添加剂。下表1显示了主要生物质和用于高炉的粉煤的特征。
表1
*ad：空气干燥基础；daf：干灰自由基础；
IM：固有水分；VM：挥发性物质；
FC：固定碳；C：碳；H：氢；S：硫；
O：氧；PKS：棕仁壳；YQ0：Yanquan；ZH0：Zhaozhuang；CUP：Curragh PCI。
同时，牛粪优选用作煤的替代物。如下表2中所示，牛粪的优点在于其以极大量产生并且稳定供应，因此可以在高炉中连续使用。韩国产生的牛粪量确定为每年23,291,745吨。牛粪具有约85％的水含量，因此完全干燥之后剩余的牛粪量确定为每年3,493,780吨。下表2显示了韩国产生的牛粪量。
表2
*每只牛的牛粪日产量(湿基)：韩国本地牛为14.6kg，奶牛为45.6kg。
此外，现有牛粪大多用作堆肥等，但是产生的牛粪量明显大于使用的牛粪量，因此饲养员难以处置牛粪。因此，本发明非常有助于不仅解决环境问题，而且有助于降低生产成本，因为以前作为禽畜废物处置的牛粪应用于高炉操作。
粉煤的可燃性随着牛粪替代比例的变化
图1对比了粉煤的可燃性随着牛粪替代比例的变化。如图所示，当单独使用粉煤时，YQ0显示出65.1％的燃烧率，ZH0显示出50.3％的燃烧率，并且CUP显示出51.3％的燃烧率。因此，YQ0显示出相对好的可燃性，但是ZH0和CUP显示出明显更低的燃烧性质。然而，当粉煤燃烧同时逐步用牛粪替代时，可见其燃烧率增加至98.4％(参见图1)。
为了更密切地检验牛粪替代对于每种粉煤的影响，对比25％的牛粪比例(在所述比例下可燃性线性增加)下的燃烧率，并且对比结果显示在图2中。因此，可见YQ0的燃烧率增加至69.7％，ZH0的燃烧率增加至78.9％，并且CUP的燃烧率增加至80.9％。然而，如图2中所示，当粉煤用牛粪代替时，观察到改进可燃性的效果，但是各种粉煤之间的效果不同。亦即，在加入牛粪之前显示出较差可燃性的ZH0和CUP的情况中，可以观察到明显改进可燃性的效果。
粉煤的热值随着牛粪替代比例的变化
尽管粉煤的可燃性还与高炉中的粉煤粉末的累积相关，但粉煤的燃烧效率对粉煤的初始热值具有显著影响。例如，当热值为7,665Kcal/kg的粉煤YQ0的燃烧率为65.1％时，粉煤的初始热值仅为4,990Kcal/kg，这对高效操作来说是不利的。因此，为了更密切地检验所述牛粪对可燃性的改进的影响和由于牛粪造成的初始热值的变化，检验每种粉煤的热值随着牛粪比例的变化，并且检验结果显示在图3中。
发现当在加入牛粪之前显示出低可燃性的ZH0和CUP用牛粪替代时，当牛粪替代比例增加至30％时，其初始热值由于其大大改进的可燃性而稳定增加。同时，显示出在YQ0的情况中，其初始热值稳定降低直至牛粪替代比例达到25％，即使牛粪的可燃性改进。可以认为这是因为YQ0的初始热值比另外两种粉煤更好并且受到加入的牛粪的低热值(3,742Kcal/kg)的影响。
炉腹煤气体积随着牛粪替代比例的变化
如果一部分粉煤用牛粪代替，牛粪的高挥发性组分可以增加炉腹煤气体积(BGV)，并且因此增加高炉的压力。如果高炉的压力增加，将难以保证良好的透气性，可能无法进行稳定的高炉操作。
在内部体积为5,250m2的高炉中在如下操作条件下检验BGV随着每种粉煤的牛粪替代比例的变化：空气流速：7,000N m3/min；水分量：25g/Nm3；氧负载：32,100N m3/min；粉煤速度(PCR)：165kg/thm。检验结果显示在图4中。当单独使用粉煤时，YQ0、ZH0和CUP分别显示出10,473Nm3/min、10,482Nm3/min和10,475Nm3/min的BGV，低于10,800Nm3/min的临界极限。然而，可见BGV随着牛粪比例的增加而稳定增加，并且在100％的牛粪比例下为11,600Nm3/min，表明BGV随着牛粪比例的增加而线性增加(参见图4)。然而，由于临界极限可能更剧烈地变化，对于稳定的高炉操作，牛粪比例优选设定为43％或更少。
炉渣体积随着牛粪替代比例的变化
牛粪具有高的灰分含量。出于该原因，如果一部分粉煤用牛粪替代，高炉炉渣体积可能增加。如果炉渣体积增加，可能出现一些问题，包括较差的熔融铁和还原剂成本的增加。因此，需要检验平稳高炉操作所需的合适的临界极限。
在内部体积为5,250m2的高炉中在如下操作条件下检验每种粉煤的高炉炉渣体积随着牛粪替代比例的变化：空气流速：7,000N m3/min；水分量：25g/Nm3；氧负载：32,100Nm3/min；粉煤速度(PCR)：165kg/thm。检验结果显示在图5中。当不加入牛粪时，YQ0、ZHO和CUP分别显示出302kg/thm、303kg/thm和300kg/thm的炉渣体积，并且即使当牛粪比例为100％时，粉煤显示出310kg/thm的炉渣体积，表明牛粪对炉渣体积不产生明显影响(参见图5)。然而，由于临界极限可能更剧烈地变化，对于稳定的高炉操作，牛粪比例可以优选设定为43％或更少。
牛粪和常规粉煤的可注入指数的对比
可注入性是表明粉煤在粉碎之后当粉煤通过多个管输送至高炉时是否可以容易地注入高炉的指数。可注入性可能被一些因素影响，包括粉煤和管内壁之间的摩擦力、阻力等。如图6中所示，牛粪的可注入指数低达粉煤(例如YQ0、CUP或YB0)的约1/3，表明牛粪具有相对好的输送性质。同时，标明的可注入指数的控制极限(0.35)可以根据炉中的操作条件而变化。
常规粉煤和牛粪在燃烧之后的颗粒形状的对比
图7A显示了常规煤YQ0在燃烧之后的颗粒形状，图7b显示了根据本发明的一个实施方案的牛粪在燃烧之后的颗粒形状。如图1中所示，YQ0煤具有高于其它常规粉煤的燃烧率，但是显示出不规则的颗粒形状。
相比于此，相比于YQ0，牛粪具有相当球形颗粒形状，该球形形状暗示了牛粪具有完全燃烧性质。
使用根据本发明的实施方案的用于炼铁的包含牛粪的粉煤制备生铁的方法
本实施方案说明了一种方法，其中通过同时注入使用常规煤的粉煤注入过程从而应用牛粪。该实施方案的优点在于牛粪可以容易地应用，同时使注入常规粉煤的生铁制备过程中加入的设施最小化。
在下文中，参考图8描述使用根据本发明的实施方案的用于炼铁的包含牛粪的粉煤制备生铁的方法。
参考图8的A，在单独使用常规煤的粉煤注入过程中，两种或三种原材料煤首先储存在储煤仓10中，并且煤根据希望的共混比例以预定量从仓的底部排出并且引入混合煤储存料斗20并且穿过粒径分离器40从而除去杂质等。然后，在粉碎机40中粉碎煤使得70％或更多的煤粉具有75μm或更小的粒径，并且经粉碎的煤二次储存在储存箱50中。然后，粉煤连同18bar压力下的N2穿过传送料斗60并且储存在粉煤注入料斗70中。最后，经粉碎的煤通过鼓风口水平在10bar或更大的空气压力下注入高炉80。
参考图8的B，为了在经粉碎的煤中使用具有高水含量的牛粪，牛粪110首先在院子中自然干燥到至少85％的水含量。在此，干燥牛粪的院子可以为能够避免下雨时雨水渗透的带顶场所。
之后，自然干燥的牛粪110储存在牛粪储存料斗120中，然后在粉碎器140中粉碎从而具有50mm的粒径。在此，粒径分离器130可以设置在牛粪储存料斗120的下方使得粒径为50mm或更小的牛粪可以直接输送至干燥器150而不穿过粉碎器140，因此增加粉碎器140的粉碎效率。
之后，牛粪在干燥器150中在至少100℃的温度下干燥。对于干燥，使用采用来自现有高炉或其它炼铁过程的废热或副产煤气(例如高炉煤气、焦炭煤气或电炉煤气)的间接加热的方法。然而，如果收集的牛粪具有约20％的水含量，上述过程可以省略，并且牛粪可以直接经受使用煤的现有方法。
如上所述储存的牛粪首先储存在牛粪储存仓160中，并且根据希望的共混比例以预定量通过仓底部排出并且引入混合煤储存料斗20。
根据一些其它实施方案，牛粪110可以自然干燥至20％或更少的水含量。自然干燥至20％或更少的水含量的牛粪110可以储存在牛粪储存料斗120中，然后在粉碎机140中粉碎从而具有50mm或更小的粒径。粉碎至50mm或更小的粒径的牛粪110可以储存在牛粪储存仓160中。此外，通过设置在牛粪储存料斗120下方的粒径分离器130，确定具有50mm或更小的粒径的牛粪可以输送至牛粪储存仓160而不穿过粉碎器140。
之后，牛粪110经受上述粉煤注入过程并且通过鼓风口水平从粉煤注入料斗70注入高炉80，从而制备生铁。
如上所述，根据本发明的实施方案，粉煤可以包含牛粪从而减少粉煤中包含的煤的量，因此减少温室气体排放和高炉操作成本。
此外，可以大大改进现有粉煤的可燃性，能够实现有效的高炉操作。特别地，可以促进粉煤的燃烧从而避免高炉的透气性和透液性由于焦炭粉末的积累而进一步降低，因此能够实现稳定的高炉操作。
当根据本发明的实施方案使用作为农业禽畜废物的牛粪时，农业禽畜废物可以作为资源再循环从而可以获得环境方面的优点。此外，还原气体可以容易地制备，使得能够以高速还原铁矿。
同时，本发明的实施方案说明了作为组分加入粉煤的牛粪，本发明的范围不仅限于牛粪，并且可以扩展至其它牲畜(包括狗、猪、羊、马等)的粪便。
尽管关于实施方案描述本发明，本领域任何技术人员将理解本发明可以通过添加、修改或删除组分进行各种修改或改变而不偏离本发明的所附权利要求书中公开的范围。

Claims (6)

1.用于炼铁的粉煤，基于100重量份的煤粉，所述粉煤包含76重量份或更少的水含量为20％或更少的干燥且粉碎的牛粪。
2.根据权利要求1所述的粉煤，其中粉碎的牛粪具有50mm或更小的粒径。
3.用于制备生铁的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)干燥牛粪；
(2)在粉碎机中粉碎经干燥的牛粪；
(3)混合牛粪和煤粉从而制备粉煤；和
(4)将粉煤注入高炉。
4.根据权利要求3所述的方法，其中基于100重量份的煤粉，粉煤包含76重量份或更少的水含量为20％或更少的干燥且粉碎的牛粪。
5.根据权利要求3所述的方法，其中牛粪被干燥至20％或更少的水含量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中牛粪在被引入步骤(2)的粉碎器之前穿过粒径分离器从而将粒径为50mm或更小的牛粪直接输送至干燥器，并且牛粪在步骤(2)的粉碎器中粉碎从而具有50mm或更小的粒径。
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