CN108675297A - 一种利用生物质木炭制备碳化铁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用生物质木炭制备碳化铁的方法，将生物质木炭粉、铁矿粉、粘结剂和适量的水混匀后制成生球，干燥得干球，干球和生物质木炭混合，混合物的上层再铺一层生物质木炭，高温进行预还原，再进行渗碳，得到碳化铁球团。本发明的方法所用的生物质木炭来源广泛且价格低廉，制备碳化铁的效率比传统工艺中直接用CO气体来制备碳化铁的效率更高，对于碳化铁的制备具有重要意义。

Description

一种利用生物质木炭制备碳化铁的方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种利用生物质木炭制备碳化铁的方法。
背景技术
碳化铁作为废钢和直接还原铁的替代物，因其自身固有的特点及有利于提高钢材质量等优点引起各国钢铁界人士的关注。与直接还原铁相比，碳化铁具有不自燃、二次氧化不敏感、S、P元素和氧化铁含量低、制备过程能耗低、碳含量高可大幅降低电炉电耗等优点。因此，碳化铁是一种更为优质的电炉炉料。
目前国内外制备碳化铁的方法主要包括以下几种：
1、CO气体渗碳法。该方法是采用CO气体为渗碳剂，在550～750℃之间进行渗碳，把铁氧化物转变为碳化铁，目前煤制气的方法还不成熟，高浓度的CO气体难以获得且价格较高。
2、CH4气体渗碳法。该方法以CH4和H2为渗碳用气体，在550～850℃之间进行渗碳，把铁氧化物转变为碳化铁，目前我国天然气资源紧缺且气体价格较高。
发明内容
目前通过渗碳制备碳化铁的方法需要直接使用不易获得且价格较高的CO或者CH4气体，这限制了碳化铁在国内的发展。而我国的天然气资源少但生物质资源较为丰富，且生物质资源是一种比较廉价的资源，如能深入研究和开发一种用生物质木炭为原料制备出碳化铁的方法，对于碳化铁的制备具有重要意义。
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用生物质木炭制备碳化铁的方法，以来源广泛且价格低廉的生物质木炭代替不易获得且价格较高的CO或者CH4气体制备碳化铁。
具体的，本发明的利用生物质木炭制备碳化铁的方法，包括下述步骤：
(1)先将生物质木炭粉、铁矿粉和粘结剂混匀，并在混合料中加入一定量的水以控制其适当的水分后用于造球；
上述技术方案中，所述的生物质木炭粉的粒度为小于200目占比大于75％。
上述技术方案中，所述的粘结剂为膨润土、消石灰等。
上述技术方案中，所述的粘结剂用量范围为0～3wt％。
所述的生物质木炭粉中的碳和铁矿粉中的铁的质量比X为0＜X≤0.35。
(2)将混合后的原料用盘式造球机进行造球，制备出直径为8～16mm的生球，制备的生球用鼓风干燥箱干燥；
(3)干球(球团)和生物质木炭混合后的混合物放置在反应器中，再在混合物的上层铺一层生物质木炭，然后在800～1100℃之间先进行预还原，预还原过程可快速促进渗碳前球团的还原。预还原过程的还原剂为生物质木炭和渗碳尾气，渗碳尾气经过干球和生物质木炭混合层时可促进球团的还原。预还原过程产生的废气经过上层的生物质木炭层时可与木炭反应生成高浓度的CO气体后用于渗碳。预还原过程需有三个反应器，第一个反应器处于装料状态，第二个反应器处于预还原状态，第三个反应器处于降温状态。三种状态在三个反应器之间进行切换，使得一直有一个反应器处于装料，一个处于预还原和剩下一个处于降温状态。预还原的示意图如图1所示。
上述技术方案中，下层混合物中碳(生物质木炭中的碳)和铁(干球中的铁)的质量比Y为0＜Y≤0.8。
上述技术方案中，上层生物质木炭和下层干球的质量比Z为1≤Z≤10。
上述技术方案中，生物质木炭的粒度为5～40mm。
上述技术方案中，球团还原的时间为20～120min；预还原后得到的预还原球团在550～700℃之间进行渗碳，渗碳所用气体为预还原过程中产生的气体，渗碳示意图如图1所示。
上述技术方案中，渗碳时间为30～180min。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
1、本发明中碳的来源为分布广泛且价格低廉的生物质木炭，可实现用生物质木炭直接制备出碳化铁。
2、本发明制备碳化铁的过程中，在铁矿石发生渗碳反应之前可先在高温下进行铁矿石的快速还原，因此本发明制备碳化铁的效率比传统工艺中直接用CO气体来制备碳化铁的效率更高。
附图说明
图1为本发明的方法原理示意图，箭头指向代表气体流向。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中所用的材料，如无特殊说明，均可由自由市场获得。
实施例1
将铁精矿和生物质木炭、膨润土混合后制备成直径为8～16mm的生球，其中铁精矿的铁品位为65.0％、粒度为小于200目占81.5％，生物质木炭的粒度为小于200目占82.9％，碳铁质量比为0.2，膨润土的用量为2.5wt％。干燥后的生球和生物质木炭(碳和铁的质量比为0.3)混合后放入反应器中，再在混合物上铺一层生物质木炭(碳和球的质量比为3.0)，木炭的粒度为5～40mm。然后在1000℃温度下还原30min，还原后的预还原球团再在650℃温度下渗碳120min。得到的球团中碳化铁的转化率为98.2％。
实施例2
将铁精矿和生物质木炭、膨润土混合后制备成直径为8～12mm的生球，其中铁精矿的铁品位为65.8％、粒度为小于200目占85.0％，生物质木炭的粒度为小于200目占90.1％，碳铁质量比为0.15，膨润土的用量为3.0wt％。干燥后的生球和生物质木炭(碳和铁的质量比为0.35)混合后放入反应器中，再在混合物上铺一层生物质木炭(碳和球的质量比为4.0)，木炭的粒度为5～40mm。然后在1050℃温度下还原30min，还原后的预还原球团再在650℃温度下渗碳90min。得到的球团中碳化铁的转化率为93.6％。
实施例3
将铁精矿和生物质木炭、膨润土混合后制备成直径为8～12mm的生球，其中铁精矿的铁品位为64.6％、粒度为小于200目占78.0％，生物质木炭的粒度为小于200目占85.0％，碳铁质量比为0.1，膨润土的用量为2.8wt％。干燥后的生球和生物质木炭(碳和铁的质量比为0.35)混合后放入反应器中，再在混合物上铺一层生物质木炭(碳和球的质量比为4.0)，木炭的粒度为5～40mm。然后在950℃温度下还原45min，还原后的预还原球团再在650℃温度下渗碳90min。得到的球团中碳化铁的转化率为90.6％。
实施例4
将铁精矿和生物质木炭、膨润土混合后制备成直径为8～10mm的生球，其中铁精矿的铁品位为64.6％、粒度为小于200目占78.0％，生物质木炭的粒度为小于200目占85.0％，碳铁质量比为0.1，膨润土的用量为2.8wt％。干燥后的生球和生物质木炭(碳和铁的质量比为0.35)混合后放入反应器中，再在混合物上铺一层生物质木炭(碳和球的质量比为4.0)，木炭的粒度为5～40mm。然后在1050℃温度下还原30min，还原后的预还原球团再在650℃温度下渗碳60min。得到的球团中碳化铁的转化率为85.6％。
实施例5
将铁精矿和生物质木炭、膨润土混合后制备成直径为8～10mm的生球，其中铁精矿的铁品位为66.7％、粒度为小于200目占87.4％，生物质木炭的粒度为小于200目占95.6％，碳铁质量比为0.05，膨润土的用量为2.8wt％。干燥后的生球和生物质木炭(碳和铁的质量比为0.5)混合后放入反应器中，再在混合物上铺一层生物质木炭(碳和球的质量比为5.0)，木炭的粒度为5～40mm。然后在1100℃温度下还原30min，还原后的预还原球团再在650℃温度下渗碳120min。得到的球团中碳化铁的转化率为97.5％。
于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种利用生物质木炭制备碳化铁的方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、将生物质木炭粉、铁矿粉、粘结剂和适量的水混匀；
S2、将混匀的原料制成生球，干燥得干球；
S3、将干球和生物质木炭的混合物放置在反应器中，混合物的上层再铺一层生物质木炭，800～1100℃进行预还原，后在550～700℃进行渗碳，得到碳化铁球团。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生物质木炭粉的粒度为小于200目占比大于75％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的粘结剂为膨润土、消石灰中的至少一种；所述的粘结剂添加量为0～3wt％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生物质木炭粉中的碳和铁矿粉中的铁的质量比X为0＜X≤0.35。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，制得的生球直径为8～16mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，下层混合物生物质木炭中的碳和干球中的铁的质量比Y为0＜Y≤0.8。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，上层生物质木炭和下层干球的质量比Z为1≤Z≤10。
8.根据权利要求1、6或7所述的方法，其特征在于，所述的生物质木炭的粒度为5～40mm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，于800～1100℃预还原20～120min。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，于550～700℃渗碳30～180min。
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