CN110257575A - 一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，通过利用水热反应技术将高挥发分含量、低热值、低利用价值的农林废弃物转化为低挥发分含量、低灰分和高发热值的优质水热炭；并通过将水热炭与高炉喷煤煤粉混合使用，实现农林废弃物在高炉喷煤中的应用；通过上述方式，本发明制得的水热炭能够满足高炉喷煤用燃料的性能指标要求，可以作为一种清洁、可再生燃料部分替代高炉喷煤煤粉使用，既能提高废弃物的利用效率，又能降低炼铁生产中二氧化碳的排放，具有显著的经济、社会和生态效益。

Description

一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤 的工艺

技术领域

本发明涉及农林废弃物炭化提质利用技术领域，特别是涉及一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺。

背景技术

钢铁工业作为一个材料与能源高度密集型的行业，其原料、能源消耗量大，污染物排放量也大，且其中大部分的能耗和污染是源自炼铁工序，因此，钢铁工业节能减排的重点在于降低炼铁工序的能耗和污染物排放量，而高炉喷吹煤粉则是改善炼铁用能结构、优化高炉生产、推进炼铁工序节能减排的重要手段之一。但高炉喷煤所使用的煤粉是不可再生的化石燃料，且使用过程中释放的硫化物和氮化物较多，因此，为了进一步降低能耗、促进高炉节能减排，有必要寻找更清洁的能源对其进行替代，而生物质能源作为一种分布广、产量大的可再生清洁能源，其在高炉喷煤中的高效利用将对钢铁产品的绿色化生产起到重要作用。

而农林废弃物作为生物质能源的主要来源之一，其开发和利用已经引起人们的广泛关注，是能源研究和环境领域的新热点。如果能将农林废弃物应用于高炉炼铁工艺生产，不仅能够有效降低高炉炼铁对化石能源的依赖性，降低CO₂排放，还能够消耗大量农林废弃物，减少其露天燃烧对环境及社会的影响，提高废弃物的利用效率。但由于农林废弃物普遍存在水分含量高、固定碳含量和发热值低、能量密度不高的缺点，不能满足高炉喷煤工艺中燃料热值高、反应性强、灰分低的要求，从而限制了农林废弃物在高炉喷煤中的应用。因此，为了将农林废弃物用于高炉喷煤，必须先通过生物质提质技术，降低农林废弃物中的水分、挥发分含量，提高其能量密度，改善其使用性能。

当前常见的生物质提质技术包括成型提质、干燥脱水提质、热解提质技术和水热提质技术，其中，水热提质技术作为近年来快速发展的一种生物质提质处理方法，通过将生物质与蒸馏水放置于一个密闭的反应容器中进行加热，由蒸馏水提供饱和蒸汽压，发生水热炭化反应，将农林废弃物内部的水分以液体形式排出，并使有机大分子组分水解转化形成可溶性小分子有机物，同时，水热炭化过程中还能部分脱除生物质中的灰分，从而提升生物质能量密度，降低灰分及有害元素含量。而水热反应的效果和产生炭化物的性能则与水热过程的工艺参数密切相关。

申请号为201510123274.4的专利申请公开了一种水稻秸秆生物炭的制备方法，通过将水稻农林废弃物粉碎与水混合，然后导入水热反应釜中进行水热炭化实验，将水热炭化反应产物冷却、过滤分离、干燥后得到水稻农林废弃物生物炭，提供了一种新型的水稻农林废弃物循环利用方法；公开杂志《环境科学与技术》2016年第2期名称为《水热炭化温度对稻杆燃料特性影响的研究》的文章中采用水热炭化工艺对稻杆进行了提质处理，重点分析了水热炭化温度对稻杆中有害元素含量、能量密度和燃烧过程积灰与结渣性能的影响，结论表明水热炭化处理能够改善稻杆燃烧过程中产生结渣和积灰的问题。尽管上述报道均对农林废弃物经水热反应制备生物炭进行了研究，但以上研究并未涉及到农林废弃物水热炭化制备的水热炭进行高炉喷煤的基础性能和工艺的研究，且其制得的生物炭的发热值相对较低、灰分相对较高，不满足高炉喷煤的使用要求，目前还未见有基于水热反应的农林废弃物炭化制备高炉喷煤燃料的工艺的公开报道，因此，有必要寻找一种合适的工艺，将农林废弃物制成符合高炉喷煤要求的炭化物并将其用于高炉喷煤。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，通过水热反应技术将高挥发分含量、低热值、低利用价值的农林废弃物转化为低挥发分含量、高固定碳和高发热值的优质水热炭；并使水热炭作为一种清洁、可再生燃料部分替代高炉喷煤煤粉使用，从而实现农林废弃物在高炉喷煤中的应用，既能提高废弃物的利用效率，又能降低炼铁生产中二氧化碳的排放，具有显著的经济、社会和生态效益。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，包括如下步骤：

(1)将农林废弃物破碎、制浆后，送入水热反应容器中，在一定的温度和压强下水热炭化一段时间，得到水热炭化反应产物；

(2)对所述水热炭化反应产物进行降温、降压处理，再进行固液分离，得到固态水热炭；

(3)将所述固态水热炭烘干后进行制粒处理，得到具有一定粒度和强度的水热炭颗粒；

(4)将所述水热炭颗粒按照一定比例与高炉喷煤原料混合后得到混合燃料，所述混合燃料经过制粉和喷煤系统进入高炉风口燃烧。

作为优选，步骤(1)中所述农林废弃物包括小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗及其它农作物在收获籽实后的剩余物，以及非成型树材、树枝、树根、果皮、果核及其它林业废弃物。

作为优选，步骤(1)中所述农林废弃物破碎后的粒度小于1cm，制浆后浆液含水率为60％～80％。

作为优选，步骤(1)中制浆后得到的浆液需进行预热处理，使浆液预热至120～180℃。

作为优选，步骤(1)中所述水热反应容器内温度控制为220～340℃，对应饱和蒸气压为2.3～14.6MPa。

作为优选，步骤(1)中水热炭化的时间为40～100min。

作为优选，步骤(2)中所述降温、降压处理包括闪蒸过程，所述降温、降压处理过程中会产生高温水蒸气。

作为优选，所述高温水蒸气的温度为150～220℃，所述高温水蒸气可用于对浆液进行预热处理。

作为优选，步骤(2)中所述固液分离后得到的固体为固态水热炭，液体为油水混合物；所述油水混合物中包括生物质油、有机废水和其他废水，所述生物质油可作为原料供化工企业使用，所述有机废水可供水热反应装置循环利用，所述其他废水可通过废水处理系统进行净化处理，用于制造生物有机肥料和再生水。

作为优选，步骤(3)中所述烘干的温度为150～250℃，烘干后的固态水热炭的水分含量为5％～10％。

作为优选，步骤(3)中所述制粒处理通过平模颗粒机进行。

作为优选，步骤(3)中得到的水热炭颗粒的水分小于10％，干燥基挥发分小于60％，灰分小于5％，碱金属含量不高于0.32％，哈氏可磨指数不低于70，高位热值不低于21950kJ/kg。

作为优选，步骤(4)中所述高炉喷煤原料包括烟煤、无烟煤、贫瘦煤、提质煤、兰炭、半焦、焦粉及其它可用含炭燃料中的一种或多种混合。

作为优选，步骤(4)中水热炭颗粒占混合燃料的质量百分比为10％～60％，所述混合燃料的干燥基高位发热值大于28000kJ/kg。

作为优选，步骤(4)中所述混合燃料的长管式煤粉爆炸性测试实验的返回火焰长度小于400mm。

作为优选，步骤(4)中经过制粉后的混合燃料中粒度小于0.074mm的颗粒质量占比大于70％。

作为优选，步骤(4)中所述高炉风口燃烧过程中，混合燃料的燃烧率大于60％。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过水热反应技术将高挥发分含量、低热值、低利用价值的农林废弃物转化为低挥发分含量、高固定碳和高发热值的优质水热炭；并使水热炭作为一种清洁、可再生燃料部分替代高炉喷煤煤粉使用，从而实现农林废弃物在高炉喷煤中的应用，既能提高废弃物的利用效率，又能降低炼铁生产中二氧化碳的排放；

2、本发明通过对农林废弃物进行破碎、制浆和预热处理，便于样品输送和加快水热炭化反应的进行；且水热炭化过程还有能有效脱除样品中的挥发分，提升固定碳含量并增加热值，同时降低灰分及有害元素含量，使制得的炭化物满足高炉喷煤的使用要求；

3、本发明利用水热炭化原理将农林废弃物中的水分以液态形式排出，减少了蒸发干燥过程的相变热，降低了系统能耗；且农林废弃物水热炭化处理后产生的余热可以应用于农林废弃物浆液的预热和水热炭的干燥，整体热量回收利用率高；

4、本发明使用的原料为农林废弃物，其来源广泛、种类丰富、成本较低，而制得的水热炭则具有高固定碳、低灰分、高热值和优良的高炉喷煤工艺性能等特征，可以作为替代烟煤进行高炉喷煤的优质燃料；因此，本发明在促进农林废弃物清洁、高效利用和降低炼铁成本方面具有重要意义，其推广实施具有显著的经济、社会和生态效益。

附图说明

图1是本发明一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺的流程图。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，包括如下步骤：

(1)将玉米秸秆(干燥基挥发分79.5％，灰分5.76％，发热值17250kJ/kg)破碎至粒度小于1cm后，将破碎的物料通过管道输送至储浆槽，在储浆槽中加水进行搅拌、混匀，使含水率控制为60％；并利用高压浆泵将浆液输送到换热器预热至120℃，再将预热后的浆液输送至高压水热反应容器中进行水热炭化反应，控制水热反应容器内温度为220℃，对应饱和蒸气压为2.3MPa，水热炭化时间为100min，得到水热炭化反应产物；

(2)将水热炭化反应产物输送到闪蒸罐进行降温、降压处理，产生150℃的高温水蒸气，并将其输送至换热器用于对浆液进行预热处理；再将降温、降压后的水热炭化反应产物输送至固液分离系统进行固液分离，分离得到固态水热炭和油水混合物；并将其他产物送入气液分离装置，分离得到可燃气和焦油；

(3)将步骤(2)中得到的固态水热炭在烘干机中进行烘干，控制烘干温度为150℃，使烘干后的固态水热炭水分含量小于10％，再将烘干后的固态水热炭通过平模颗粒机进行制粒，用于增加固态水热炭的堆密度，便于储存运输，从而得到具有一定粒度和强度的水热炭颗粒；

(4)将所述水热炭颗粒输送至钢铁厂，控制水热炭颗粒占混合燃料的质量百分比为10％，使其经配料系统与高炉喷煤煤掺混后一并输送至制粉设备进行制粉，制粉过程水热炭颗粒与高炉喷煤煤粉混合均匀，制粉后混合燃料中粒度小于0.074mm的颗粒质量占比大于70％，将其经喷煤系统进入高炉风口燃烧，用于为高炉冶炼提供热量和还原剂。

进一步地，对步骤(2)中固液分离得到的油水混合物和气液分离得到的可燃气进行收集；所述油水混合物中包括生物质油、有机废水和其他废水，将所述生物质焦提供给化工企业作为原料使用，所述有机废水部分供水热反应装置循环利用，其他废水进入废水处理系统进行净化处理，制造生物有机肥料和再生水；所述可燃气送入燃烧室中进行燃烧，产生的热能可供给水热反应容器与水热炭干燥炉。

对步骤(3)中制得的水热炭颗粒进行测试，测得其水分为9.8％，干燥基挥发分为59.8％，灰分为3.6％，碱金属量为0.25％，哈氏可磨指数为72，高位热值为22080kJ/kg。

对步骤(4)中得到的混合燃料进行测试，测得该混合燃料的干燥基高位发热值为29200kJ/kg，其长管式煤粉爆炸性测试实验中返回火焰长度为0mm，且混合燃料在高炉风口燃烧率为63.3％。

实施例2～5

实施例2～5提供了一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，与实施例1相比，不同之处在于改变了步骤(1)中浆液的含水率和预热温度，各实施例对应的浆液含水率和预热温度的具体值如表1所示：

表1实施例2～5对应的浆液含水率和浆液预热温度值

实施例	浆液含水率(％)	浆液预热温度(℃)
			实施例2	70	120
实施例3	80	120
			实施例4	80	130
实施例5	80	140

对各实施例中制得的水热炭颗粒和混合燃料的性能进行测试，结果分别如表2和表3所示：

表2实施例2～5中制得的水热炭颗粒的性能

表3实施例2～5中制得的混合燃料的性能

由表2可以看出，实施例2～5制备的水热炭颗粒水分在9.3％～9.8％之间，干燥基挥发分在57.6％～59.8％之间，灰分在3.1％～3.7％之间，碱金属含量在0.22％～0.26％之间，哈氏可磨指数在75％～80％之间，干燥基高位热值在22150kJ/kg～22370kJ/kg之间，其性能符合高炉喷吹煤粉的要求，可以部分替代高炉喷吹烟煤进行使用。

由表3可以看出，当制备的水热炭颗粒的添加量为10％时，实施例2～5制得的混合燃料的干燥基高位热值超过29000kJ/kg，较高的发热值能够保证其为高炉提供充足的热量；返回火焰长度都为0mm，可以保证制粉安全；高炉风口燃烧率超过60％，可以保证混合燃料进行高炉喷吹时在炉内的利用率。

实施例6～9

实施例6～9提供了一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，与实施例1相比，不同之处在于改变了步骤(1)中水热反应容器内的温度、饱和蒸气压和水热炭化时间，各实施例对应的水热炭化温度、水热炭化压力和水热炭化时间的具体值如表4所示：

表4实施例6～9对应的水热炭化温度、水热炭化压力和水热炭化时间

实施例	水热炭化温度(℃)	水热炭化压力(MPa)	水热炭化时间(min)
				实施例6	220	2.3	60
实施例7	220	2.3	40
				实施例8	280	6.4	60
实施例9	340	14.6	60

对各实施例中制得的水热炭颗粒和混合燃料的性能进行测试，结果分别如表5和表6所示：

表5实施例6～9中制得的水热炭颗粒的性能

表6实施例6～9中制得的混合燃料的性能

由表5可以看出，实施例6～9制备的水热炭颗粒随水热炭化时间的增加挥发分含量、灰分含量稍微降低，高位热值增加。升高炭化温度时挥发分含量快速降低，热值快速增加，灰分和碱金属含量在碳化温度为280℃时达到最低。实施例6～9制备的水热炭颗粒性能符合高炉喷吹煤粉的要求，可以部分替代高炉喷吹烟煤进行使用。

由表6可以看出，增加碳化温度能够提升混合燃料的热值，但其燃烧率稍微降低，添加10％实施例6～9制备的水热炭颗粒可以满足高炉喷吹的要求。

实施例10～13

实施例10～13提供了一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，与实施例8相比，不同之处在于改变了步骤(1)中的浆液预热温度和步骤(3)中固态水热炭的烘干温度与水热炭颗粒占混合燃料的质量百分比，各实施例对应的浆液预热温度、固态水热炭的烘干温度和水热炭颗粒占混合燃料的质量百分比的具体值如表7所示：

表7实施例10～13对应的预热温度、固态水热炭的烘干温度和水热炭颗粒占混合燃料的质量百分比

对各实施例中制得的水热炭颗粒和混合燃料的性能进行测试，结果分别如表8和表9所示：

表8实施例10～13中制得的水热炭颗粒的性能

表9实施例10～13中制得的混合燃料的性能

由表8可以看出，实施例10～13中改变预热温度和烘干温度对制备的水热炭颗粒中的水分有较为明显的影响，对干燥基挥发分、灰分、碱金属含量，哈氏可磨指数以及干燥基高温热值都没有明显影响。

由表9可以看出，增加水热炭的配比后，混合样品干燥基高温热值下降，返回火焰长度增加，水热炭配比增加到60％时返回火焰长度达到330mm，有爆炸性，制粉和输送环节需要加强温度和氧含量控制，同时混合燃料高炉喷吹风口燃烧率增加，能够提高喷吹燃料在高炉内的利用率。总体评估，实施例10～13制备的水热炭颗粒在混合燃料中所占配比不超过60％时可以满足高炉喷吹的要求。

以上所述，仅为本发明的说明实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，做出的若干改进和补充也应视为本发明的保护范围；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所做的任何等同变化的更改、修饰与演变，均仍属于本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将农林废弃物破碎、制浆后，送入水热反应容器中，在一定的温度和压强下水热炭化一段时间，得到水热炭化反应产物；

(2)对所述水热炭化反应产物进行降温、降压处理，再进行固液分离，得到固态水热炭；

(3)将所述固态水热炭烘干后进行制粒处理，得到具有一定粒度和强度的水热炭颗粒；

(4)将所述水热炭颗粒按照一定比例与高炉喷煤原料混合后得到混合燃料，所述混合燃料经过制粉和喷煤系统进入高炉风口燃烧。

2.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(1)中所述农林废弃物包括小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗及其它农作物在收获籽实后的剩余物，以及非成型树材、树枝、树根、果皮、果核及其它林业废弃物。

3.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(1)中所述农林废弃物破碎后的粒度小于1cm，制浆后浆液含水率为60％～80％。

4.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(1)中制浆后得到的浆液需进行预热处理，使浆液预热至120～180℃。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(1)中所述水热反应容器内温度控制为220～340℃，对应饱和蒸气压为2.3～14.6MPa。

6.根据权利要求5所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(1)中水热炭化的时间为40～100min。

7.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(2)中所述降温、降压处理包括闪蒸过程，所述降温、降压处理过程中会产生高温水蒸气。

8.根据权利要求7所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：所述高温水蒸气的温度为150～220℃，所述高温水蒸气可用于对浆液进行预热处理。

9.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(2)中所述固液分离后得到的固体为固态水热炭，液体为油水混合物；所述油水混合物中包括生物质油、有机废水和其他废水，所述生物质油可作为原料供化工企业使用，所述有机废水可供水热反应装置循环利用，所述其他废水可通过废水处理系统进行净化处理，用于制造生物有机肥料和再生水。

10.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(3)中所述烘干的温度为150～250℃，烘干后的固态水热炭的水分含量为5％～10％。

11.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(3)中所述制粒处理通过平模颗粒机进行。

12.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(3)中得到的水热炭颗粒的水分小于10％，干燥基挥发分小于60％，灰分小于5％，碱金属含量不高于0.32％，哈氏可磨指数不低于70，高位热值不低于21950kJ/kg。

13.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(4)中所述高炉喷煤原料包括烟煤、无烟煤、贫瘦煤、提质煤、兰炭、半焦、焦粉及其它可用含炭燃料中的一种或多种混合。

14.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(4)中水热炭颗粒占混合燃料的质量百分比为10％～60％，所述混合燃料的干燥基高位发热值大于28000kJ/kg。

15.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(4)中所述混合燃料的长管式煤粉爆炸性测试实验的返回火焰长度小于400mm。

16.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(4)中经过制粉后的混合燃料中粒度小于0.074mm的颗粒质量占比大于70％。

17.根据权利要求1所述的一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺，其特征在于：步骤(4)中所述高炉风口燃烧过程中，混合燃料的燃烧率大于60％。