CN114774599B - 高炉喷吹生物质富氢微粉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，将生物质通过气相变压闪蒸工艺脱水、脱氧加氢提碳，制成热值高、碱金属元素含量低的生物质富氢微粉；将其直接喷吹入高炉，同时对高炉进行上部和下部调节，确保高炉的正常生产；并将高炉冶炼产生的熔渣显热和炉顶煤气循环利用至生物质富氢微粉制备和喷吹的工艺中，实现能源的高效利用。生物质制粉工艺可在短时间内处理大量生物质，以高效低耗为特点，充分利用高炉的熔渣显热和炉顶煤气，具有节能减排的意义。本发明将生物质富氢微粉预处理后直接喷吹，对高炉进行协同调节，保证了高炉生产的稳定顺行；提升了生物质的综合利用效率，降低了高炉生产CO₂排放量，具有显著的经济、社会和生态效益。

Description

高炉喷吹生物质富氢微粉的方法

技术领域

本发明涉及高炉炼铁喷吹技术领域，尤其涉及一种高炉喷吹生物质富氢微粉的方法。

背景技术

钢铁行业作为能源密集型产业，每年消耗大量的煤炭与化石燃料，排放大量的CO₂，成为我国仅次于电力行业的碳排放大户。在“双碳”的战略背景下，钢铁行业的降耗减排迫在眉睫。因此，加快钢铁行业以煤炭为主的工业能源结构的调整，推动可再生清洁能源来代替传统冶金能源，实现钢铁生产过程中环境友好、能源可持续利用，是钢铁工业低碳绿色高质量发展的必由之路。生物质因其量大、可再生性、碳中性、低污染、环境友好等而被认为是未来能源系统的战略选择，生物质能也是我国亟待开发利用的巨大资源财富。将生物质应用于钢铁工业既能减少化石燃料的消耗和CO₂等温室气体的排放，也可以推动能源结构清洁低碳化，加快钢铁企业走绿色低碳的发展之路。

近年来，生物质能的开发利用得到了飞速发展，但是生物质依然有几点不容忽视的问题：由于体积密度小、水分高导致的收集、运输、贮存成本高，破碎困难，发热值低，碱金属含量高会影响高炉稳产顺行。面向钢铁工业应用场景，开发生物质在钢铁冶金领域高效应用技术也逐渐深入。生物质热解炭化的方法能够有效脱除生物质原料中的水分、挥发分，提高固定碳的含量和发热值；但是热解炭化过程会造成灰分的富集，使得制备的生物质热解炭中灰分含量大幅度提高，碱金属含量远超过高炉喷吹煤粉的要求，造成高炉内炉石和焦炭劣化程度加深；另外，在生物质热解炭化过程中还会产生焦油，对生产设备造成不利的影响。

有鉴于此，有必要设计一种改进的高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，将生物质采用气相变压闪蒸的工艺制得生物质富氢微粉，使其脱水、脱氧加氢提碳，提高其体积密度，降低碱金属元素的含量；并将生物质富氢微粉喷吹入高炉，同时对高炉进行上部和下部调节，确保高炉炼铁正常生产；并将高炉冶炼过程中的熔渣显热和炉顶煤气循环利用至生物质富氢微粉制备和喷吹的工艺中，实现能源的高效利用。该方法工艺简单、成本低廉，提升生物质资源的综合利用效率；同时将高炉的副产物能源进行循环利用，降低高炉生产CO₂排放量，具有显著的经济、社会和生态效益。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，包括以下步骤：

S1、采用气相变压闪蒸的方法，对生物质进行脱水、脱氧加氢提碳，制得生物质富氢微粉；所用气相介质包括水蒸气、高炉煤气；所述生物质富氢微粉中粒度小于1.25mm的颗粒质量占比大于90％；

S2、将步骤S1得到的所述生物质富氢微粉进入预热系统中进行脱水预处理，使所述生物质富氢微粉的水分含量在8％以下；将预处理后的所述生物质富氢微粉经高炉喷吹输送系统直接运输至分配系统，经直吹管和喷枪均匀喷入高炉风口；喷吹所述生物质富氢微粉的载气为CO₂；所述生物质富氢微粉的燃烧率为85％～95％；

S3、对高炉同时进行上部调节和下部调节，确保高炉炼铁正常生产；所述下部调节包括增大所述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，所述上部调节的方式为增加边缘矿石批重、中心加焦进行疏松；

S4、对高炉冶炼产生的熔渣进行水冷处理，将其显热转化为水蒸气，一部分循环至步骤S2的预热系统中，对所述生物质富氢微粉进行脱水预处理，另一部分经加压处理后，作为步骤S1中生物质富氢微粉制备所用的气相介质循环利用；高炉冶炼过程中收集的炉顶煤气可直接输送至步骤S1中生物质富氢微粉的制备过程，作为气相介质循环利用。

作为本发明的进一步改进，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。

作为本发明的进一步改进，所述生物质富氢微粉的碱金属元素含量小于0.3％。

作为本发明的进一步改进，所述生物质富氢微粉的体积密度为0.4～0.5kg/m³。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，采用如下公式进行高炉生产过程中所述生物质富氢微粉喷吹量的确定：

式中：M为小时燃料喷吹量，kg·h^-1；T_f为理论燃烧温度，℃；C_pg为炉腹煤气量平均热容，kJ·m^-3·℃^-1；f为炉腹煤气量指数，m³/m²；S_h为炉缸截面积，m²；q_cm为喷吹燃料中每kg碳素燃烧成CO放出的热量，与焦炭中碳素燃烧热取为相同值，4.18×2340kJ·kg^-1；η为喷吹燃料的燃烧率，％；C_M为喷吹燃料中的含碳量，所述含碳量包括固定C，％；H₂O_M为喷吹燃料的含水量，％；V为鼓风量，m³/min；V_O2为富氧气体量，m³/h；a为富氧气体氧浓度，％；

为鼓风湿度，m³/m³；q_ck为焦炭中每kg碳素燃烧成CO放出的热量，当石墨化程度为50％时取4.18×2340kJ·kg^-1；C_pb为鼓风平均热容，kJ·m^-3·℃^-1；t_b为热风温度，℃；V_b为风量，m³·min^-1；t_c为焦炭进入风口回旋区的温度，℃；C_pz为喷煤载气平均热容，kJ·m^-3·℃^-1；C_pk为焦炭在温度25～t_c℃内的平均热容，kJ·kg^-1·℃；R_ck为风口前焦炭消耗速度，kg·min^-1；C_pm为喷吹燃料的平均热容，kJ·kg^-1·℃^-1；V_z为喷吹燃料载气量，m³/min；t_z为载气温度，t_m为喷吹染料的温度，℃；t_z等于喷吹燃料的温度t_m，℃；ω为鼓风绝对湿度，g/m³；

为124.5KJ/mol；q_ecom为煤粉的分解热，kJ·kg^-1；

式中f炉腹煤气量指数范围为58～66m³/m²，f*S_h为炉腹煤气量，吨铁产生的炉腹煤气量满足正常高炉冶炼需求，以炉腹煤气量指数作为约束条件；

式中的T_f理论燃烧温度限定为2100℃，对富氧率进行调节；式中的C_pg、C_pz、C_pb、C_pk计算方式为积分求解。

作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，增大所述直吹管的管径和喷枪的口径为：根据所述生物质富氢微粉的喷吹量，保持喷吹流速不变，将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，在步骤S1中，所述生物质富氢微粉的制备方法具体为：降低所述生物质的粒度大小和水分含量，并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℃，处理压力为1.0～1.6MPa，时间为5～60min。

作为本发明的进一步改进，所述第二亚临界气相反应器中的气相介质包括高炉冶炼过程中收集的炉顶煤气，以促进生物质的加氢处理效果。

作为本发明的进一步改进，所述生物质富氢微粉的制备工艺流程嵌布到高炉炼铁厂中，方便所述熔渣的显热和所述炉顶煤气的循环利用以及生物质富氢微粉的高炉喷吹。

本发明的有益效果是：

1、本发明的一种高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，将生物质制备成为热值显著提高的生物质富氢微粉，使其脱水、脱氧加氢提碳，提高其体积密度，降低碱金属元素的含量；并将生物质富氢微粉喷吹入高炉，同时对高炉进行上部和下部调节，确保高炉炼铁的正常生产；并将高炉冶炼过程中的熔渣显热和炉顶煤气循环利用至生物质富氢微粉制备和喷吹的工艺中，实现能源的高效利用。该方法将生物质富氢微粉进行简单预处理后直接进行喷吹，工艺简单、成本低廉，且提升生物质资源的综合利用效率，同时降低高炉生产CO₂排放量，具有显著的经济、社会和生态效益。

2、本发明用于高炉喷吹的生物质富氢微粉，通过气相变压闪蒸氢解脱羧半焦化工艺，使生物质的结构和成分发生转变，进行脱氧加氢提碳，得到热值提高、碱金属元素降低的生物质富氢微粉，更适用于高炉喷吹；该制粉工艺简单，能够直接经高炉喷吹的分配系统分配后代替煤粉进行喷吹，简化了高炉喷吹工艺，节约时间且降低高炉生产的能耗。

3、本发明在制备生物质富氢微粉时，气相变压可以对生物质原料进行粉粹，将其转换为适合高炉直接喷吹的粒度；破碎的生物质细胞有助于水分的蒸发，且生物质细胞内的水分蒸发过程，也会对生物质的加氢还原起到较好的促进作用。制备生物质富氢微粉的工艺，能够在短时间内处理大量的生物质，以高效低耗为特点，充分利用高炉的熔渣显热和炉顶煤气，是一种具有节能减排意义的工艺，也为生物质在高炉冶炼行业的应用提供了新的技术启示。另外，生物质富氢微粉的制备工艺流程直接嵌布到高炉炼铁厂中，降低运输成本，实现了高炉冶炼工艺和生物质富氢微粉制备工艺的耦合。

4、本发明针对生物质富氢微粉体积密度轻，输送的体积流量大，导致载气量增加和理论燃烧温度下降的问题，以CO₂作为载气介质，保证炉内还原势基本不变，进而保证高炉的稳定顺行。同时，通过对高炉的上部布料结构和下部送风制度各参数进行协同调节，来保证高炉安全高效的生产。

附图说明

图1为本发明高炉喷吹生物质富氢微粉的工艺示意图。

图2为本发明高炉喷吹生物质富氢微粉的工艺流程图。

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。

一种高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，所用生物质富氢微粉的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；生物质富氢微粉具有C和H含量高、O含量低，热值符合高炉喷吹材料的要求；另外生物质富氢微粉的碱金属元素含量低，可减少高炉内碱金属的循环富集，对于延长高炉服役寿命具有重大意义。

请参阅图1～图2所示，具体包括以下步骤：

S1、采用气相变压闪蒸的方法，对生物质进行脱水、脱氧加氢提碳，制得生物质富氢微粉；所用气相介质包括水蒸气、高炉煤气；生物质富氢微粉中粒度小于1.25mm的颗粒质量占比大于90％；

S2、将步骤S1得到的生物质富氢微粉进入预热系统中进行脱水预处理，使生物质富氢微粉的水分含量在8％以下；将预处理后的生物质富氢微粉经高炉喷吹输送系统直接运输至分配系统，经直吹管和喷枪均匀喷入高炉风口；喷吹生物质富氢微粉的载气为CO₂；生物质富氢微粉的燃烧率为85％～95％；

其中，CO₂代替传统的氮气载气介质，是针对生物质富氢微粉体积密度轻，输送的体积流量大，会导致载气量增加和理论燃烧温度下降的问题，以CO₂作为载气介质，保证炉内还原势基本不变，进而保证高炉的稳定顺行；生物质富氢微粉的喷吹量以风口理论燃烧温度、炉腹煤气量指数、鼓风富氧率、热风温度、生物质富氢微粉中的挥发分含量等作为参考数据，采用如下公式进行高炉生产过程中生物质富氢微粉喷吹量的确定：

式中：M为小时燃料喷吹量，kg·h^-1；T_f为理论燃烧温度，℃；C_pg为炉腹煤气量平均热容，kJ·m^-3·℃^-1；f为炉腹煤气量指数，m³/m²；S_h为炉缸截面积，m²；q_cm为喷吹燃料中每kg碳素燃烧成CO放出的热量，与焦炭中碳素燃烧热取为相同值，4.18×2340kJ·kg^-1；η为喷吹燃料的燃烧率，％；C_M为喷吹燃料中的含碳量，所述含碳量包括固定C，％；H₂O_M为喷吹燃料的含水量，％；V为鼓风量，m³/min；V_O2为富氧气体量，m³/h；a为富氧气体氧浓度，％；

为鼓风湿度，m³/m³；q_ck为焦炭中每kg碳素燃烧成CO放出的热量，当石墨化程度为50％时取4.18×2340kJ·kg^-1；C_pb为鼓风平均热容，kJ·m^-3·℃^-1；t_b为热风温度，℃；V_b为风量，m³·min^-1；t_c为焦炭进入风口回旋区的温度，℃；C_pz为喷煤载气平均热容，kJ·m^-3·℃^-1；C_pk为焦炭在温度25～t_c℃内的平均热容，kJ·kg^-1·℃；R_ck为风口前焦炭消耗速度，kg·min^-1；C_pm为喷吹燃料的平均热容，kJ·kg^-1·℃^-1；V_z为喷吹燃料载气量，m³/min；t_z为载气温度，t_m为喷吹染料的温度，℃；t_z等于喷吹燃料的温度t_m，℃；ω为鼓风绝对湿度，g/m³；

为124.5KJ/mol；q_ecom为煤粉的分解热，kJ·kg^-1；

式中f炉腹煤气量指数范围为58～66m³/m²，f*S_h为炉腹煤气量，吨铁产生的炉腹煤气量满足正常高炉冶炼需求，以炉腹煤气量指数作为约束条件；

式中的T_f理论燃烧温度限定为2100℃，对富氧率进行调节；式中的C_pg、C_pz、C_pb、C_pk计算方式为积分求解。

根据此公式可以依据操作指标和喷吹入炉的生物质富氢微粉的成分及性能，从高炉接受的角度，保持理论燃烧温度和炉腹煤气量合适，来确定高炉日常生产中生物质富氢微粉适合的喷吹量；在达到高炉最佳的喷吹生物质富氢微粉效果，并可以保证高炉的生产稳定顺行的同时，降低高炉的喷吹成本；

S3、对高炉同时进行上部调节和下部调节，确保高炉炼铁正常生产；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，上部调节的方式为增加边缘矿石批重、中心加焦进行疏松；

生物质富氢微粉与煤粉相比，其体积密度仍然较低、挥发分高(具有强爆炸性)；所以需要对高炉进行下部调节，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和喷吹速度，避免因喷吹流速过高，扰乱风口回旋区。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；又因为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，所以需要进行布料参数的调控；

S4、对高炉冶炼产生的熔渣进行水冷处理，将其显热转化为水蒸气，一部分循环至步骤S2的预热系统中，对生物质富氢微粉进行脱水预处理，另一部分经加压处理后，作为步骤S1中生物质富氢微粉制备所用的气相介质循环利用；高炉冶炼过程中收集的炉顶煤气可直接输送至步骤S1中生物质富氢微粉的制备过程，作为气相介质循环利用。

在具体的实施例中，高炉的上部调节和下部调节均基于高炉风口理论燃烧温度的进行调节，风口理论燃烧温度为2000～2300℃；鼓风富氧率为5％～15％，热风温度为1200～1280℃。增大直吹管的管径和喷枪的口径为：根据生物质富氢微粉的喷吹量，保持喷吹流速不变，将直吹管的管径和喷枪的口径增大1.2～2倍。

特别地，生物质富氢微粉的制备方法为：降低生物质的粒度大小和水分含量，并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，以使生物质脱水、脱氧加氢提碳，得到生物质富氢微粉；亚临界气相反应器中的气相包括水蒸气和高炉煤气。其中，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5～60min。第二亚临界气相反应器中的气相介质包括高炉冶炼过程中收集的炉顶煤气，以促进生物质的加氢处理效果。

在生物质富氢微粉制备过程中，生物质在第二亚临界气相反应器中处理15～40min，在气相介质的作用下，生物质充分分解；当生物质由第一亚临界气相反应器进行第二亚临界气相反应器时瞬间泄压，释压后生物质内的气相介质将急速膨胀，生物质内的高压液态水迅速爆沸形成闪蒸，发生木质素、纤维素和半纤维素的自拆解反应。由于过热蒸汽解离形成的氢离子和氢氧根有酸碱自催化的作用，三素自拆解后在热酸(包括半纤维素水解生成的乙酸等酸类)的环境下，发生加氢去氧的结构重排作用，实现对生物质的提氢脱氧。最后通过泄压对生物质富氢微粉进行干燥，可获得体积密度增加、水分在10％～20％之间的生物质富氢微粉。

在实际生产中，生物质富氢微粉的制备工艺流程可以嵌布到高炉炼铁厂中，方便高炉冶炼产生的熔渣的显热和炉顶煤气的循环利用以及生物质富氢微粉的高炉喷吹，实现了整体工艺的高效低耗。

亚临界气相反应器中的气相介质包括过水蒸气，还包括二氧化碳、氨气、甲烷和焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气等工业废气，还可以含有氢气、CO、CO₂等，气相介质中含氢元素。生物质富氢微粉的制备是利用氢元素在亚临界气相条件下，分解出氢离子或氢自由基，然后催化生物质自拆解、降解转化，实现生物质的加氢提质。

具体地，在制备生物质富氢微粉的气相变压闪蒸过程中，还可以添加其他能够催化加氢脱氧的催化剂，促进反应的发生。

在一些具体的实施例中，生物质包括常见的木本生物质、草本生物质，木本生物质通常还含有小部分的无机矿物质组分，草本生物质含有少量的淀粉、粗蛋白和提取物等。另外，生物质还包括畜禽粪便、生活污水和工业有机废水、城市固体有机废弃等。

实施例1

本实施例提供了一种高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，包括以下步骤：

S1、采用气相变压闪蒸的方法，对生物质进行脱水、脱氧加氢提碳，制得生物质富氢微粉；具体为：降低生物质的粒度大小和水分含量，并将其依次置于两个串联的亚临界气相反应器中进行逐级降压闪蒸，以使生物质脱水、脱氧加氢提碳，得到生物质富氢微粉；生物质富氢微粉中粒度小于1.25mm的颗粒质量占比为92％；其中，第一亚临界气相反应器的温度为250℃，压力为2.5MPa，处理时间为30min，气相介质为水蒸气；第二亚临界气相反应器的温度150℃，压力为1.3MPa，处理时间为20min，气相介质为水蒸气和炉顶煤气；

S2、将步骤S1得到的生物质富氢微粉进入预热系统中进行脱水预处理，使生物质富氢微粉的水分含量为7％；将预处理后的生物质富氢微粉经高炉喷吹输送系统直接运输至分配系统，经直吹管和喷枪均匀喷入高炉风口；喷吹生物质富氢微粉的载气为CO₂；

S3、对高炉同时进行上部调节和下部调节，确保高炉炼铁正常生产；下部调节包括增大直吹管的管径和喷枪的口径1.5倍、增加鼓风富氧率、提高热风温度，上部调节的方式为增加边缘矿石批重、中心加焦进行疏松；鼓风富氧率为10％，热风温度为1250℃；

S4、对高炉冶炼产生的熔渣进行水冷处理，将其显热转化为水蒸气，一部分循环至步骤S2的预热系统中，对生物质富氢微粉进行脱水预处理，另一部分经加压处理后，作为步骤S1中生物质富氢微粉制备所用的气相介质循环利用；高炉冶炼过程中收集的炉顶煤气可直接输送至步骤S1中生物质富氢微粉的制备过程，作为气相介质循环利用。

实施例1中制备的生物质富氢微粉的C、H、O元素含量分别为65％、10％、20％，发热量为24MJ/kg；碱金属元素含量小于0.1％；体积密度为0.4kg/m³。

由上文中公式可得到该工况下高炉每小时需要喷吹的生物质富氢微粉燃料量，并转换为高炉实际生产每吨铁的生物质富氢微粉的喷吹量为195kg/tHM，可保持高炉的理论燃烧温度和炉腹煤气量稳定。

实施例2

实施例2提供了一种高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，与实施例1相比不同之处在于，在步骤S1中，第一亚临界气相反应器处理时间为15min，气相介质为水蒸气；第二亚临界气相反应器的处理时间为10min；其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。

由上文公式得到在该工况下，高炉每小时需要喷吹的生物质富氢微粉燃料量，并转换为高炉实际生产每吨铁的生物质富氢微粉的喷吹量为240kg/tHM，可保持高炉的理论燃烧温度和炉腹煤气量稳定。

对比例

对比例提供了一种高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，与实施例1相比不同之处在于，在步骤S1中，第一亚临界气相反应器处理时间为5min，气相介质为水蒸气；第二亚临界气相反应器的处理时间为10min；其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。

由上文公式得到在该工况下，高炉每小时需要喷吹的生物质富氢微粉燃料量，并转换为高炉实际生产每吨铁的生物质富氢微粉的喷吹量为280kg/tHM，可保持高炉的理论燃烧温度和炉腹煤气量稳定。

将某无烟煤、烟煤、生物质处理前、实施例1～2和对比例的参数指标进行比较，得到的结果如下表所示。

表1各物质的参数指标

从表1可以看出，无烟煤：H/C＝0.043；烟煤：H/C＝0.047；生物质：H/C＝0.12；实施例1和实施例2的生物质富氢微粉H/C比的分别为0.15和0.13，生物质的挥发分和水分含量高，固定碳和热值较低；因此，需要对生物质进行脱氧加氢提碳，使其能够直接用于高炉喷吹。而实施例1采用的生物质富氢微粉，由生物质经气相变压闪蒸工艺制备得到，其中C、H、O元素含量分别为65％、10％、20％，且发热量为24MJ/kg，可以看出生物质富氢微粉的组分发生变化，发热值显著提高；且生物质富氢微粉的碱金属元素含量小于0.3％，碱金属元素含量低，减少高炉内碱金属的循环富集，对高炉服役寿命具有重大意义。

对比实施例1～2和对比例可以得到，当气相变压闪蒸的处理时间减少时，生物质的脱氧效果变差。由对比例可以看出，其制备的生物质富氢微粉C、H、O元素含量分别为50.04％、5.82％、33.27％，且发热量只有20.58MJ/kg；因为在气相变压闪蒸时，处理时间过短，生物质分解效果不好，未达到较好的脱氧加氢提碳效果，发热值低；对比例的此种生物质喷吹入高炉需要的吨铁喷吹量为280kg/tHM，且需要提高富氧来稳定风口回旋区热状态，则会增加高炉生产成本。

综上所述，本发明提供了一种高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，将生物质采用气相变压闪蒸的工艺制备成为热值显著提高的生物质富氢微粉，使其脱水、脱氧加氢提碳，提高其体积密度，降低碱金属元素的含量；并将生物质富氢微粉喷吹入高炉，同时对高炉进行上部和下部调节，确保高炉炼铁的正常生产；并将高炉冶炼过程中的熔渣显热和炉顶煤气循环利用至生物质富氢微粉制备和喷吹的工艺中，实现能源的高效利用。其中，生物质通过气相变压闪蒸氢解脱羧半焦化工艺，其结构和成分发生转变，进行脱氧加氢提碳，得到热值提高的生物质富氢微粉；该制粉工艺能够在短时间内处理大量的生物质，以高效低耗为特点，充分利用高炉的熔渣显热和炉顶煤气，是一种具有节能减排意义的工艺。本发明将生物质富氢微粉进行简单预处理后直接进行喷吹，通过对高炉的上部布料结构和下部送风制度各参数进行协同调节，来保证高炉生产的稳定顺行。该方法工艺简单、成本低廉，且提升生物质资源的综合利用效率，同时降低高炉生产CO₂排放量，具有显著的经济、社会和生态效益。

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 (6)

1.一种高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用气相变压闪蒸的方法，对生物质进行脱水、脱氧加氢提碳，制得生物质富氢微粉；所用气相介质包括水蒸气、高炉煤气；所述生物质富氢微粉中粒度小于1.25mm的颗粒质量占比大于90％；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；

所述生物质富氢微粉的制备方法具体为：降低所述生物质的粒度大小和水分含量，并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；

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5～60min；

S2、将步骤S1得到的所述生物质富氢微粉进入预热系统中进行脱水预处理，使所述生物质富氢微粉的水分含量在8％以下；将预处理后的所述生物质富氢微粉经高炉喷吹输送系统直接运输至分配系统，经直吹管和喷枪均匀喷入高炉风口；喷吹所述生物质富氢微粉的载气为CO₂；所述生物质富氢微粉的燃烧率为85％～95％；

S3、对高炉同时进行上部调节和下部调节，确保高炉炼铁正常生产；所述下部调节包括增大所述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，所述上部调节的方式为增加边缘矿石批重、中心加焦进行疏松；

S4、对高炉冶炼产生的熔渣进行水冷处理，将其显热转化为水蒸气，一部分循环至步骤S2的预热系统中，对所述生物质富氢微粉进行脱水预处理，另一部分经加压处理后，作为步骤S1中生物质富氢微粉制备所用的气相介质循环利用；高炉冶炼过程中收集的炉顶煤气可直接输送至步骤S1中生物质富氢微粉的制备过程，作为气相介质循环利用。

2.根据权利要求1所述的高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，其特征在于，所述生物质富氢微粉的碱金属元素含量小于0.3％。

3.根据权利要求1所述的高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，其特征在于，在步骤S2中，采用如下公式进行高炉生产过程中所述生物质富氢微粉喷吹量的确定：

式中：M为小时燃料喷吹量，kg·h^-1；T_f为理论燃烧温度，℃；C_pg为炉腹煤气量平均热容，kJ·m^-3·℃^-1；f为炉腹煤气量指数，m³/m²；S_h为炉缸截面积，m²；q_cm为喷吹燃料中每kg碳素燃烧成CO放出的热量，与焦炭中碳素燃烧热取为相同值，4.18×2340kJ·kg^-1；η为喷吹燃料的燃烧率，％；C_M为喷吹燃料中的含碳量，所述含碳量包括固定C，％；H₂O_M为喷吹燃料的含水量，％；V为鼓风量，m³/min；V_O2为富氧气体量，m³/h；a为富氧气体氧浓度，％；

为鼓风湿度，m³/m³；q_ck为焦炭中每kg碳素燃烧成CO放出的热量，当石墨化程度为50％时取4.18×2340kJ·kg^-1；C_pb为鼓风平均热容，kJ·m^-3·℃^-1；t_b为热风温度，℃；V_b为风量，m³·min^-1；t_c为焦炭进入风口回旋区的温度，℃；C_pz为喷煤载气平均热容，kJ·m^-3·℃^-1；C_pk为焦炭在温度25～t_c℃内的平均热容，kJ·kg^-1·℃；R_ck为风口前焦炭消耗速度，kg·min^-1；C_pm为喷吹燃料的平均热容，kJ·kg^-1·℃^-1；V_z为喷吹燃料载气量，m³/min；t_z为载气温度，t_m为喷吹染料的温度，℃；t_z等于喷吹燃料的温度t_m，℃；ω为鼓风绝对湿度，g/m³；

为124.5KJ/mol；q_ecom为煤粉的分解热，kJ·kg^-1；

式中f炉腹煤气量指数范围为58～66m³/m²，f*S_h为炉腹煤气量，吨铁产生的炉腹煤气量满足正常高炉冶炼需求，以炉腹煤气量指数作为约束条件；

式中的T_f理论燃烧温度限定为2100℃，对富氧率进行调节；式中的C_pg、C_pz、C_pb、C_pk计算方式为积分求解。

4.根据权利要求1所述的高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，其特征在于，在步骤S3中，增大所述直吹管的管径和喷枪的口径为：根据所述生物质富氢微粉的喷吹量，保持喷吹流速不变，将所述直吹管的管径和喷枪的口径增大1.2～2倍。

5.根据权利要求1所述的高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，其特征在于，所述第二亚临界气相反应器中的气相介质包括高炉冶炼过程中收集的炉顶煤气，以促进生物质的加氢处理效果。

6.根据权利要求1所述的高炉喷吹生物质富氢微粉的方法，其特征在于，所述生物质富氢微粉的制备工艺流程嵌布到高炉炼铁厂中，方便所述熔渣的显热和所述炉顶煤气的循环利用以及生物质富氢微粉的高炉喷吹。

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