CN114737002A - 生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法。该方法采用气相变压闪蒸技术制备生物质富氢微粉，并制备出制备参数符合要求的生物质合成气；然后将制备的生物质合成气一部分作为载气与预处理后的生物质富氢微粉混合后直接喷入高炉风口，另一部分经过预热后通过炉身喷吹的方式喷入高炉内部；同时对高炉进行上部调节和下部调节，以保证高炉冶炼过程正常进行，并对高炉冶炼产生的熔渣显热和炉顶煤气进行回收。通过上述方式，本发明能够利用生物质富氢微粉与生物质合成气的复合喷吹，对高炉进行协同调节，从而在保证高炉生产稳定顺行的条件下，有效提升生物质的综合利用效率，并降低高炉生产的碳排放量。
Description
技术领域
本发明涉及高炉喷吹技术领域，尤其涉及一种生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法。
背景技术
高炉炼铁是一项高排放、高能耗的工序，现阶段高炉的喷吹燃料以烟煤和无烟煤等化石燃料为主，导致钢铁企业在目前“双碳”背景下面临着严峻的挑战。在此条件下，加快钢铁企业能源结构调整，推动可再生清洁能源来代替传统化石能源，实现钢铁生产过程环境友好、能源可持续利用，是钢铁企业低碳绿色高质量发展的必由之路。生物质作为一种碳中性、环境友好的可再生能源，相比煤有着燃烧反应性好、低碳排放、来源广泛可再生等优势。倘若将其应用于高炉喷吹，不仅能够消纳大量的生物质资源，同时也能促进钢铁企业进行技术革新，降低铁水成本，提高企业竞争力，以达到“碳达峰”、“碳中和”的战略目标。因此，如何将生物质有效应用于高炉喷吹已成为当前的研究重点。
近年来，随着对生物质能的持续开发利用，对生物质在钢铁冶金领域的高效应用技术的研究也逐渐深入，各项生物质预处理技术正不断发展成熟。例如，公开号为CN110218826A的专利提供了一种生物质水热炭进行高炉喷吹的方法，该专利考虑了生物质水热炭化处理以及生物质水热炭制粉、输送混合喷吹对高炉冶炼关键工艺参数的影响，形成了一套生物质水热炭进行高炉喷吹的最佳利用方法。但是，目前的水热炭化技术仍面临着液态产物难以处理、工艺成本较高等问题，限制了生物质水热炭在高炉喷吹领域的工业化大规模应用。因此，有必要对现有的水热炭化技术进行改进，以制备能够代替化石能源用于高炉喷吹且更适合工业化生产的生物质粉体。
此外，生物质气化也是一种较为常见的预处理方式，通过将收集到的生物质放置在气化炉内，经过高温干馏等处理，使其自身所含的大分子裂解，生成具有一氧化碳、高氢气的高附加值生物质合成气。然而，目前生物质合成气的产量无法满足大规模的工业应用，如何将生物质合成气与生物质粉体进行复合喷吹已成为新的研究方向。
有鉴于此，有必要设计一种改进的生物质粉体与生物质合成气复合喷吹的方法，以解决上述问题。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法。通过采用气相变压闪蒸技术将生物质制备成热值高、碱金属元素含量低的生物质富氢微粉，并制备出指标参数符合要求的生物质合成气，利用生物质富氢微粉与生物质合成气的复合喷吹，对高炉进行协同调节，从而在保证高炉生产稳定顺行的条件下，有效提升生物质的综合利用效率，并降低高炉生产的CO2排放量。
为实现上述目的，本发明提供了一种生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，包括如下步骤：
S1、采用气相变压闪蒸技术，制备生物质富氢微粉；
S2、将生物质原料高温裂解，制备指标参数符合要求的生物质合成气；
S3、对步骤S1制备的所述生物质富氢微粉进行脱水预处理；将步骤S2制备的所述生物质合成气中的一部分作为载气，与所述脱水预处理后的所述生物质富氢微粉混合后喷吹入高炉风口；所述生物质合成气的另一部分经预热后通过炉身喷吹的方式喷入高炉内部；
S4、在喷吹过程中，对高炉进行上部调节和下部调节，以确保高炉冶炼过程正常进行；
S5、对高炉冶炼产生的熔渣进行显热回收，并对高炉冶炼过程中产生的炉顶煤气进行回收。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述生物质富氢微粉的制备方法具体为：
降低生物质的粒度大小和水分含量后，将其依次置于至少两个串联的亚临界气相反应器中，进行逐级降压闪蒸，以使所述生物质脱水、脱氧加氢提碳，得到所述生物质富氢微粉。
作为本发明的进一步改进，所述串联的亚临界气相反应器中，第一亚临界气相反应器的温度为220～300℃，压力为2.0～3.0MPa，处理时间为15～40min；第二亚临界气相反应器的温度120～160℃，压力为1.0～1.6MPa，处理时间为10～30min。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述生物质富氢微粉的C、H、O元素含量分别为60％～70％、6％～15％、15％～25％，发热量不低于24MJ/kg，碱金属元素含量小于0.3％，体积密度为0.4～0.5kg/m3。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述生物质原料为步骤S1制备的所述生物质富氢微粉。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述指标参数根据高炉的生产参数确定，包括生物质合成气中H2和CO的体积比。
作为本发明的进一步改进，所述生物质合成气中H2和CO的体积比为(1.5～2.0):1。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述生物质富氢微粉与作为载气的生物质合成气的比例为6:1～8:3，作为载气的生物质合成气与通过炉身喷吹的方式喷入高炉内部的生物质合成气的体积比为0.4:0.6～0.6:0.4。
作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，所述上部调节的方式为增加边缘矿石批重或中心加焦进行疏松；所述下部调节包括增大直吹管的管径和喷枪的口径、增加鼓风富氧率、提高热风温度，所述直吹管的管径和喷枪的口径增大1.2～2倍。
作为本发明的进一步改进，所述生物质富氢微粉和所述生物质合成气的制备工艺流程嵌布至高炉炼铁厂中，以便将步骤S5中回收的显热和所述炉顶煤气循环应用于所述生物质富氢微粉和所述生物质合成气的制备过程中。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，通过采用气相变压闪蒸技术使生物质脱水、脱氧加氢提碳，提高其体积密度，将生物质制备成热值高、碱金属元素含量低的生物质富氢微粉，并制备出指标参数符合要求的生物质合成气；然后将制备的生物质合成气一部分作为载气与生物质富氢微粉混合后直接喷入高炉风口，另一部分经过预热后通过炉身喷吹的方式喷入高炉内部对矿石进行预热还原，从而有效利用生物质富氢微粉与生物质合成气进行复合喷吹，对高炉进行协同调节，在保证高炉生产稳定顺行的条件下，有效提升生物质的综合利用效率，并降低高炉生产的CO2排放量，具有显著的经济、社会和生态效益。
(2)本发明通过采用气相变压闪蒸技术制备生物质富氢微粉，能够使生物质的结构和成分发生转变，实现脱氧加氢提碳，提高其热值；同时，该气相变压闪蒸过程还能对生物质进行破碎，使其粒度能够满足高炉直接喷吹的需求；并且，破碎后的生物质细胞中的水分更易于蒸发，进一步降低了生物质中的水分含量，并促进了生物质细胞壁中纤维素的加氢还原过程的进行。此外，该气相变压闪蒸技术能够在短时间内处理大量的生物质，具有高效低耗的优点。在此基础上，本发明还能够根据生物质富氢微粉的特点对高炉进行上部调节和下部调节，以保证高炉的正常生产。
(3)本发明能够根据根据高炉的生产参数，利用能质平衡原理建立相应模型，确认生物质合成气的指标参数，以便根据该指标参数调节生物质合成气制备过程中的相应生产参数，从而获得符合高炉生产需要的生物质合成气，并降低碳排放量及能耗。在此基础上，本发明通过进一步采用制备的生物质富氢微粉作为生物质原料来制备生物质合成气，能够利用生物质富氢微粉较小的粒径和较多的小分子结构，提高生物质合成气中氢气的比例以及生物质合成气的产量，并减少焦油的产生，提高生物质合成气的纯度。
(4)本发明通过对高炉冶炼的炉渣显热和炉顶煤气进行回收，能够将其分别作为热源和气化剂利用至生物质富氢微粉和生物质合成气的制备过程中，实现了对能源的高效利用，对于节能减排具有重要意义。
附图说明
图1为本发明提供的生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，其工艺流程示意图如图1所示，包括如下步骤：
S1、采用气相变压闪蒸技术，制备生物质富氢微粉。
在本发明的部分实施例中，生物质富氢微粉的制备方法具体为：
降低生物质的粒度大小和水分含量后，将其依次置于至少两个串联的亚临界气相反应器中，进行逐级降压闪蒸，以使所述生物质脱水、脱氧加氢提碳，得到所述生物质富氢微粉。
其中，气相反应器中的气相介质可以是过热蒸汽、二氧化碳、氨气、甲烷、页岩气和焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气中的一种或多种。
如此设置，能够利用气相变压闪蒸技术使生物质的结构和成分发生转变，以实现脱氧加氢提碳，提高其热值；同时利用该气相变压闪蒸过程对生物质进行破碎，使其粒度能够满足高炉直接喷吹的需求；并利用破碎后的生物质细胞中的水分更易于蒸发的特定，进一步降低了生物质中的水分含量，并促进了生物质细胞壁中纤维素的加氢还原过程的进行，从而获得热值高、碱金属元素含量低的生物质富氢微粉。
更具体地，在本发明的部分实施例中，采用了两个串联的亚临界气相反应器，其中，第一亚临界气相反应器的温度为220～300℃，压力为2.0～3.0MPa，处理时间为15～40min；第二亚临界气相反应器的温度120～160℃，压力为1.0～1.6MPa，处理时间为10～30min。
经测试，按照上述方法制备的生物质富氢微粉中粒度小于1.25mm的颗粒质量占比大于90％，且制得的生物质富氢微粉中的C、H、O元素含量分别为60％～70％、6％～15％、15％～25％，发热量不低于24MJ/kg，碱金属元素含量小于0.3％，体积密度为0.4～0.5kg/m3，实现了脱氧加氢提碳，并具有加高的热值和较低的碱金属元素含量，更适用于高炉喷吹。
S2、将生物质原料高温裂解，制备指标参数符合要求的生物质合成气。
在本发明的部分实施例中，该指标参数是根据高炉的生产参数确定的，包括生物质合成气中H2和CO的体积比。其中，生物质合成气中H2和CO的体积比具体通过如下方式确定：
结合高炉的原料成分、预设生铁成分、鼓风参数建立铁素流和碳素流的流转演变路径模型，并根据热收入和热支出建立能质平衡模型；
再根据能质平衡模型，设定碳排放量、能耗值和理论燃烧温度范围，得出能够同时实现较低能耗和较低碳排放的H2和CO的体积比。
在本发明的部分实施例中，具体设定碳排放量低于1200kg/t，能耗值低于380kgce/t，所述理论燃烧温度为不低于2100℃，计算得到的所述生物质合成气中H2和CO的体积比为(1.5～2.0):1。
在根据上述方式确定指标参数后，可以根据相应指标参数对生物质合成气制备过程中的工艺参数进行调整，该工艺参数具体包括生物质原料的组分、生物质的气化温度、生物质气化过程中的固相停留时间、气化剂的组分和含量以及生物质气化的催化剂，生物质合成气的制备工艺及相关工艺参数的调整方法具体如下：
在生物质合成气的制备过程中，先对生物质原料进行预处理，使其粒径和含水量满足要求后，再将预处理后的生物质原料从气化炉的炉顶装料下降，同时从气化剂入口喷吹气化剂，并调节生物质的气化温度、生物质气化过程中的固相停留时间，使生物质原料通过预热、热解、气化过程产生粗合成气，在等离子体高温重整区进行高温净化；得到的液态生物质灰分渣从渣口排出，高温热合成气自下而上和下行原料进行逆流接触热交换，使炉料预热完全，部分焦油也可以在上升过程中再被生物质原料携带进入高温区再次分解，从而产生品质好的生物质合成气。
在上述过程中，通过提高气化温度，可以加剧反应过程中焦油的二次裂解，生成小分子气体和体和轻质烷烃，进而提高产气率，并增加合成气中H2/CO的比值，但如果温度过高，其影响效果减弱，因此将气化温度优选为1000～1500℃。延长生物质气化过程中的固相停留时间，也能够提高生物质原料在炉内的传热和传质效果，有助于气化反应进行，增加合成气产量和H2、CO浓度，但合成气中H2/CO的比值也会增大，这是由于水汽移位反应消耗了部分CO而生成更多的H2，但是随着时间继续延长，其影响效果减弱，因此将固相停留时间优选为1～3min。通过调整气化剂的组分，在炉顶煤气和高炉熔渣显热得到的水蒸气的基础上外加水蒸气，可以利用水蒸气的加入大大提高生物质合成气中H2及合成气组分的含量，有效地调节H2/CO的比值，优选水蒸气与生物质原料的质量比为0.5～2.5；外加CO2作为气化剂也能够提高生物质合成气的热值，但同时会降低生物质合成气的H2/CO比例，优选CO2喷吹量与生物质原料的质量比为0.2～0.6:1。此外，催化剂的加入也能够催化高炉气化炉内的焦油裂解，提高生物质合成气的产量、品质和热值，该催化剂优选为天然载氧体，包括天矿石和白云石。
在上述过程中，可以使用原生态生物质为原料制备生物质合成气，也可以直接使用步骤S1制备的生物质富氢微粉作为预处理后的生物质原料来制备生物质合成气。并且，与原生态生物质原料相比，生物质富氢微粉较小的粒径和较多的小分子结构有助于提高生物质合成气中氢气的比例以及生物质合成气的产量，并减少焦油的产生，提高生物质合成气的纯度。在本发明的部分实施例中，以生物质富氢微粉作为生物质原料制备生物质合成气时，制得的合成气中H2和CO的含量占总合成气的比例可达80％～90％，相比以原生态生物质为原料，H2和CO的总产率可提高10％～25％。
S3、对步骤S1制备的所述生物质富氢微粉进行脱水预处理，并将步骤S2制备的所述生物质合成气中的一部分作为载气，与所述脱水预处理后的所述生物质富氢微粉混合后喷吹入高炉风口；所述生物质合成气的另一部分经预热后通过炉身喷吹的方式喷入高炉内部；
具体地，在本发明的部分实施例中，通过脱水预处理使生物质富氢微粉的水分含量降低至8％以下；所述生物质富氢微粉与作为载气的生物质合成气的质量比为6:1～8:3，作为载气的生物质合成气与通过炉身喷吹的方式喷入高炉内部的生物质合成气的体积比为0.4:0.6～0.6:0.4；所述生物质富氢微粉的燃烧率为85％～95％。
在本发明的部分实施例中，在高炉的炉身外部分别设置了相应的喷吹系统，并在高炉炉身设置了24～30个风口，从而使生物质合成气能够均匀地在炉身喷吹。
通过上述方式，能够使制备的生物质富氢微粉与生物质合成气进行复合喷吹，有效克服单独喷吹生物质富氢微粉或生物质合成气时由于燃料碳化程度不高导致的在风口回旋区放热不高、理论燃烧温度下降、下部炉腹煤气量增多的问题；同时，上述复合喷吹的方式还能够利用预热后通过炉身喷吹方式喷入的生物质合成气对高炉内部矿石进行预热还原，减少下部供热的压力。
S4、在喷吹过程中，对高炉进行上部调节和下部调节，以确保高炉冶炼过程正常进行。
与传统的煤粉相比，本发明制备的生物质富氢微粉的体积密度较低、挥发分高，所以需要对高炉进行下部调节，包括增大直吹管的管径和喷枪的口径、增加鼓风富氧率、提高热风温度等。具体地，可以通过增大直吹管的管径和喷枪的口径使生物质富氢微粉保持合适的喷吹量，优选为将所述直吹管的管径和喷枪的口径增大1.2～2倍；同时，因为生物质富氢微粉自身的性能，会影响喷吹时风口回旋区的热状态，所以还需要进行调风等一系列的操作，包括鼓风富氧率、提高热风温度等；由于生物质富氢微粉中的H和C含量比较高，燃烧性能更好，会导致风口回旋区和氧化带的缩短，在回旋区产生煤气量增加又会影响高炉内边缘气流和中心气流的分布，还会增加高炉压差，还可以根据需要对布料参数进行调控。此外，还可以根据高炉风口理论燃烧温度采用增加边缘矿石批重或中心加焦进行疏松的方式对高炉进行上部调节，其中，风口理论燃烧温度优选为2000～2300℃。
通过上述方式，能够在有效利用生物质富氢微粉和生物质合成气并降低高炉生产碳排放的同时，保证高炉冶炼过程的正常进行。
S5、对高炉冶炼产生的熔渣进行显热回收，并对高炉冶炼过程中产生的炉顶煤气进行回收。
在本发明的部分实施例中，通过将上述生物质富氢微粉和生物质合成气的制备工艺嵌布至高炉炼铁厂中，能够对回收的熔渣显热和炉顶煤气进行循环利用。
具体地，通过对高炉冶炼产生熔渣进行水冷处理，能够将其显热转化为水蒸气，一部分循环至生物质合成气的制备过程中作为气化剂的组分，另一部分经过加压处理后作为生物质富氢微粉制备过程中的气相介质循环使用；同样的，收集的炉顶煤气也可以作为生物质合成气制备过程中的气化剂以及生物质富氢微粉制备过程中的气相介质，从而实现能源的高效利用。
综上所述，本发明提供了一种生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法。该方法采用气相变压闪蒸技术制备生物质富氢微粉，并制备出制备参数符合要求的生物质合成气；然后将制备的生物质合成气一部分作为载气与预处理后的生物质富氢微粉混合后直接喷入高炉风口，另一部分经过预热后通过炉身喷吹的方式喷入高炉内部；同时对高炉进行上部调节和下部调节，以保证高炉冶炼过程正常进行，并对高炉冶炼产生的熔渣显热和炉顶煤气进行回收。通过上述方式，本发明能够利用生物质富氢微粉与生物质合成气的复合喷吹，对高炉进行协同调节，从而在保证高炉生产稳定顺行的条件下，有效提升生物质的综合利用效率，并降低高炉生产的碳排放量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用气相变压闪蒸技术，制备生物质富氢微粉；
S2、将生物质原料高温裂解，制备指标参数符合要求的生物质合成气；
S3、对步骤S1制备的所述生物质富氢微粉进行脱水预处理；将步骤S2制备的所述生物质合成气中的一部分作为载气，与所述脱水预处理后的所述生物质富氢微粉混合后喷吹入高炉风口；所述生物质合成气的另一部分经预热后通过炉身喷吹的方式喷入高炉内部；
S4、在喷吹过程中，对高炉进行上部调节和下部调节，以确保高炉冶炼过程正常进行；
S5、对高炉冶炼产生的熔渣进行显热回收，并对高炉冶炼过程中产生的炉顶煤气进行回收。
2.根据权利要求1所述的生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，其特征在于：在步骤S1中，所述生物质富氢微粉的制备方法具体为：
降低生物质的粒度大小和水分含量后，将其依次置于至少两个串联的亚临界气相反应器中，进行逐级降压闪蒸，以使所述生物质脱水、脱氧加氢提碳，得到所述生物质富氢微粉。
3.根据权利要求2所述的生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，其特征在于：所述串联的亚临界气相反应器中，第一亚临界气相反应器的温度为220～300℃，压力为2.0～3.0MPa，处理时间为15～40min；第二亚临界气相反应器的温度120～160℃，压力为1.0～1.6MPa，处理时间为10～30min。
4.根据权利要求1所述的生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，其特征在于：在步骤S1中，所述生物质富氢微粉的C、H、O元素含量分别为60％～70％、6％～15％、15％～25％，发热量不低于24MJ/kg，碱金属元素含量小于0.3％，体积密度为0.4～0.5kg/m3。
5.根据权利要求1所述的生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，其特征在于：在步骤S2中，所述生物质原料为步骤S1制备的所述生物质富氢微粉。
6.根据权利要求1所述的生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，其特征在于：在步骤S2中，所述指标参数根据高炉的生产参数确定，包括生物质合成气中H2和CO的体积比。
7.根据权利要求6所述的生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，其特征在于：所述生物质合成气中H2和CO的体积比为(1.5～2.0):1。
8.根据权利要求1所述的生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，其特征在于：在步骤S3中，所述生物质富氢微粉与作为载气的生物质合成气的比例为6:1～8:3，作为载气的生物质合成气与通过炉身喷吹的方式喷入高炉内部的生物质合成气的体积比为0.4:0.6～0.6:0.4。
9.根据权利要求1所述的生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，其特征在于：在步骤S4中，所述上部调节的方式为增加边缘矿石批重或中心加焦进行疏松；所述下部调节包括增大直吹管的管径和喷枪的口径、增加鼓风富氧率、提高热风温度，所述直吹管的管径和喷枪的口径增大1.2～2倍。
10.根据权利要求1所述的生物质富氢微粉与生物质合成气复合喷吹的方法，其特征在于：所述生物质富氢微粉和所述生物质合成气的制备工艺流程嵌布至高炉炼铁厂中，以便将步骤S5中回收的显热和所述炉顶煤气循环应用于所述生物质富氢微粉和所述生物质合成气的制备过程中。
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