CN115354150B - 高炉炼铁用生物质含碳球团及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高炉炼铁用生物质含碳球团及其制备方法，通过将生物质破碎后进行水热炭化，制备了低碱金属含量、高热溶萃取率的生物质水热炭；再将生物质水热炭中的一部分进行热解炭化处理，制成低挥发分的生物质炭，并将生物质水热炭中的另一部分进行热溶萃取，制成生物质高温粘结剂；将生物质炭、生物质高温粘结剂、铁矿粉和溶剂破碎并混匀后进行热压成型，得到生物质含碳球团。通过上述方式，本发明能够将高挥发分、高水分、高有害元素含量的生物质制备为高固定碳含量、高粘结性、低有害元素含量的生物质基还原剂和粘结剂，并通过热压成型方法制备出可以作为高炉冶炼炉料使用的高品质生物质含碳球团，有效降低炼铁生产过程的碳排放量。

Description

高炉炼铁用生物质含碳球团及其制备方法
技术领域
本发明涉及高炉低碳炼铁技术领域，尤其涉及一种高炉炼铁用生物质含碳球团及其制备方法。
背景技术
与传统化石燃料相比，生物质能作为植物光合作用的产物，具有产量大、可再生、碳中性的特点，是唯一具有可再生性能的含碳清洁能源，在工业生产领域具有巨大的应用潜力。如果能将丰富的生物质资源应用于炼铁生产，一方面能够降低传统高炉炼铁工艺对化石能源的依赖，减少钢铁生产过程化石燃料CO2排放；另一方面也能够消纳大量农林废弃物，减少露天燃烧对环境的影响，提高废弃物的利用效率。目前，农林废弃生物质资源在炼铁生产中的应用研究主要集中于高炉喷吹、焦化、烧结、氧化球团和含碳球团的制备等工序。研究结果表明，生物质具有应用到炼铁生产中的潜力，为低碳炼铁技术的开发开辟了一条新的路径。
含碳球团是指由铁矿粉和焦煤或煤粉等含碳物料经过充分混合后压制而成的球状炉料，国外最初研究含碳球团的主要目的是用于非高炉炼铁，近年来随着研究的深入，逐渐开始考虑把含碳球团作为新型炉料用于高炉中。含碳球团新型炉料替代传统炉料(烧结矿、球团矿和块矿)应用于高炉冶炼的主要优势体现在能够降低高炉内的还原平衡温度，实现低焦比和低燃料比冶炼，有利于提高高炉效率和减少CO2排放。利用生物质替代传统化石能源制备含碳球团，在实现传统含碳球团节能减排功效的基础之上，结合生物质能碳中性的属性和炼铁生产CO2脱除、利用与封存(CCUS)技术的实施，将进一步推动钢铁制造早日实现低碳、零碳、甚至负碳生产。
含碳球团按成型温度高低，分为冷压含碳球团和热压含碳球团两种。冷压含碳球团在常温或低温下成型，但需大量使用黏结剂，易产生高温强度失效、增加渣量等问题。热压含碳球团是将具有热塑性的煤粉和含铁粉料加热到一定温度，在热态下进行压制成型的含碳铁复合炉料。热压含碳球团物料成型的温度高于冷压含碳球团，热压含碳球团由于煤、矿紧密接触，提供了良好的还原动力学条件，故具有优良的还原性能和更好的高温强度。因此有必要尝试采用热压成型技术制备生物质含碳球团，实现生物质资源在炼铁生产中的高效利用。
公开号为CN104975173A的专利提供了一种高炉用熔剂性复合含碳球团的生产方法，该专利通过将一定量的铁精矿、粘接剂、含碳材料和熔剂混合成混合料A，再将其加水混匀后制成自熔性球团核；然后将不同用量的铁精矿、粘接剂、含碳材料和熔剂混合成混合料B，将自熔性球团核与混合料B共混造球，制成含碳球团生球，焙烧后制得熔剂性复合含碳球团。该专利通过在混合料A中使用生物质炭作为含碳材料，虽然能够在一定程度上实现生物质资源在炼铁生产中的利用，但是其并未对生物质炭的性能及其制备方法进行控制，而生物质炭的性能对于最终制得的含碳球团的性能及其实际应用效果具有重要影响。
实际上，现有的生物质炭大多存在碱金属含量较高、挥发分含量较高的问题，而碱金属的存在对于含碳球团的性能以及高炉冶炼会产生负面影响，挥发分在含碳球团升温过程中的大量析出也容易引起球团的异常膨胀而导致其破裂。此外，采用热压成型技术制备生物质含碳球团，如何保证生物质含碳球团能够在热压下有效成型，并改善其高温性能，以使其满足高炉冶炼生产的需求，均是当前亟待解决的问题。
有鉴于此，有必要设计一种改进的高炉炼铁用生物质含碳球团及其制备方法，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高炉炼铁用生物质含碳球团及其制备方法，通过采用水热炭化、热解炭化、热溶萃取方法，将高挥发分、高水分、高有害元素含量的生物质制备为高固定碳含量、高粘结性、低有害元素含量的生物质基还原剂和粘结剂，并采用热压成型方法制备获得高品质生物质含碳球团，使其可以作为高炉冶炼炉料使用。
为实现上述目的，本发明提供了一种高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，包括如下步骤：
S1、将生物质原料除杂破碎后，采用水热炭化技术制备碱金属含量低于0.3％，热溶萃取率高于15％的生物质水热炭；
S2、对步骤S1制备的所述生物质水热炭中的一部分进行热解炭化处理，制成挥发分含量低于15％的生物质炭；对所述生物质水热炭中的另一部分进行溶剂热溶萃取，制成生物质高温粘结剂；
S3、将铁矿粉、熔剂以及步骤S2制备的所述生物质炭和所述生物质高温粘结剂分别破碎后均匀混合，得到混合物；
S4、将步骤S3得到的所述混合物进行热压成型，得到生物质含碳球团。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述水热炭化技术的水热炭化温度为200～260℃，水热炭化时间为60～180min，所述生物质原料和水的固液比为1:3～1:5；制备的所述生物质水热炭的灰分低于7.5％，挥发分低于65.8％，硫含量低于0.2％。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述热解炭化的温度为500～900℃，热解炭化时间为60～240min；制备的所述生物质炭的灰分含量低于10.6％。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述热溶萃取的温度为280～420℃，所述热溶萃取过程中所述生物质水热炭与所述溶剂的固液比为1:5～1:80，所述热溶萃取的时间为30～120min，所述溶剂为有机溶剂；优选的，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮；制备的所述生物质高温粘结剂的灰分小于3.5％，挥发分含量小于55.6％，粘结性指数大于81.3％。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述破碎后，所述生物质炭、生物质高温粘结剂、铁矿粉、熔剂中粒度小于0.074mm的颗粒的质量分数分别大于60％、30％、70％、80％；所述混合物中所述生物质炭、生物质高温粘结剂、铁矿粉、熔剂的质量比为20～30:5～10:70～75:3～5；优选的，所述质量比为25:8:73:4。
作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，所述热压成型过程的温度为350～550℃，压力大于15MPa，热压时间大于1min。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述铁矿粉为赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、钒钛磁铁矿、海砂矿、白云鄂博铁矿中的一种或几种混合，所述熔剂为生石灰、熟石灰、白云石、蛇纹石、镁橄榄石中的一种或几种混合。
作为本发明的进一步改进，所述生物质原料为农业废弃物、林业废弃物、城市有机垃圾中的一种或几种混合。
为实现上述目的，本发明提供了一种高炉炼铁用生物质含碳球团，该生物质含碳球团采用上述技术方案中任一技术方案所述的制备方法制备得到，能够代替烧结矿或球团矿应用于高炉冶炼。
作为本发明的进一步改进，所述生物质含碳球团的冷态强度大于1000N/个，高温还原强度大于500N/个，还原性大于75％，还原膨胀指数小于10％，低温还原粉化指数大于92％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，通过采用水热炭化、热解炭化、热溶萃取方法，将高挥发分、高水分、高有害元素含量的生物质制备为高固定碳含量、高粘结性、低有害元素含量的生物质基还原剂和粘结剂，再采用热压成型方法制备获得高品质生物质含碳球团。在此基础上，本发明制备的生物质含碳球团可以作为高炉冶炼炉料使用，能够降低炼铁生产对焦炭的消耗量，减少了炼铁生产过程二氧化碳和污染物的排放量。此外，热压成型的生物质含碳球团具有冷强度和热强度高、还原性好、软熔滴落特性优良的特点，可以大比例应用于高炉冶炼生产，对于实现高炉冶炼能耗标杆值和降低CO2排放具有重要意义。
(2)本发明通过协同使用水热炭化和热解炭化工艺，并进一步对水热炭化和热解炭化工艺的参数进行调控，能够使制备的高品质生物质炭同时具有碱金属含量低、灰分含量低、挥发分含量低、固定碳含量高的特点，进而保证制备的生物质含碳球团中碱金属有害元素含量极低，将其大批量应用于高炉生产时不会引起碱负荷的大幅度增加，有效避免了碱金属对含碳球团性能及高炉冶炼产生负面影响，同时避免了含碳球团升温还原过程中碱金属和挥发分析出对球团强度的负面影响。
(3)本发明通过制备具有高热溶萃取率的生物质水热炭，再通过热溶萃取的方式将其制备成生物质基高温粘结剂，在提高生物质原料利用率的同时还有效克服了生物质炭没有热塑性造成的难以热压成型的问题，同时避免了无机粘结剂的使用，避免了杂质的带入，提升了生物质含碳球团的品位。同时，本发明制备的生物质高温粘结剂不仅在常温时可以将铁矿粉、还原剂等物料通过热压粘结成型，以达到较高的冷态强度，还能够在高温加热过程中结焦炭化形成较强的高温强度，以满足高炉冶炼生产的需求。
(4)本发明以生物质为原料制备了可用于高炉冶炼的高品质含碳球团，有效提升生物质资源的综合利用效率，并减少了高炉炼铁生产对化石燃料的消耗量，降低了钢铁生产CO2排放量，具有显著的经济、社会和生态效益。
附图说明
图1为本发明提供的高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法的流程示意图。
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。
本发明提供了一种高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，其流程示意图如图1所示，包括如下步骤：
S1、将生物质原料除杂破碎后，采用水热炭化技术制备碱金属含量低于0.3％，热溶萃取率高于15％的生物质水热炭；
S2、对步骤S1制备的所述生物质水热炭中的一部分进行热解炭化处理，制成挥发分含量低于15％的生物质炭；对所述生物质水热炭中的另一部分进行溶剂热溶萃取，制成生物质高温粘结剂；
S3、将铁矿粉、熔剂以及步骤S2制备的所述生物质炭和所述生物质高温粘结剂分别破碎后均匀混合，得到混合物；
S4、将步骤S4得到的所述混合物进行热压成型，得到生物质含碳球团。
本发明通过采用上述技术方案，对生物质原料进行除杂和破碎后与水按照一定比例混合，放入反应釜内进行水热炭化处理，将生物质中的水分、挥发分和灰分进行部分脱除，制备生物质水热炭；然后将生物质水热炭分为两份，一份采用热解炭化处理，进一步脱除生物质水热炭中的挥发分，将挥发分含量降至小于15％，获得高品质生物质热解炭；另一份采用热溶萃取技术抽取生物质水热炭中的粘性组分，制备获得生物质高温粘结剂。将制备获得的生物质热解炭、生物质高温粘结剂、铁矿粉和熔剂分别进行破碎后混匀，再采用压力成型技术对混匀的原料进行处理，获得生物质含碳球团。本发明制得的生物质含碳球团可以作为高炉冶炼炉料使用，能够降低炼铁生产对焦炭的消耗量，减少了炼铁生产过程CO2和污染物的排放量。
进一步的，在步骤S1中，所述水热炭化技术的水热炭化温度为200～260℃，水热炭化时间为60～180min，所述生物质原料和水的固液比为1:3～1:5；制备的所述生物质水热炭的灰分低于7.5％，挥发分低于65.8％，硫含量低于0.2％；所述生物质原料为农业废弃物、林业废弃物、城市有机垃圾中的一种或几种混合。
在步骤S2中，所述热解炭化的温度为500～900℃，热解炭化时间为60～240min；制备的所述生物质炭的灰分含量低于10.6％；所述热溶萃取的温度为280～420℃，所述热溶萃取过程中所述生物质水热炭与所述溶剂的固液比为1:5～1:80，所述热溶萃取的时间为30～120min，所述溶剂为有机溶剂；优选的，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮；制备的所述生物质高温粘结剂的灰分小于3.5％，挥发分含量小于55.6％，粘结性指数大于81.3％。
在步骤S3中，所述破碎后，所述生物质炭、生物质高温粘结剂、铁矿粉、熔剂中粒度小于0.074mm的颗粒的质量分数分别大于60％、30％、70％、80％；所述混合物中所述生物质炭、生物质高温粘结剂、铁矿粉、熔剂的质量比为20～30:5～10:70～75:3～5；优选的，所述质量比为25:8:73:4；所述铁矿粉为赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、钒钛磁铁矿、海砂矿、白云鄂博铁矿中的一种或几种混合，所述熔剂为生石灰、熟石灰、白云石、蛇纹石、镁橄榄石中的一种或几种混合。
在步骤S4中，所述热压成型过程的温度为350～550℃，压力大于15MPa，热压时间大于1min。
本发明还提供了一种高炉炼铁用生物质含碳球团，该生物质含碳球团采用上述技术方案所述的制备方法制备得到，能够代替烧结矿或球团矿应用于高炉冶炼。
所述生物质含碳球团的冷态强度大于1000N/个，高温还原强度大于500N/个，还原性大于75％，还原膨胀指数小于10％，低温还原粉化指数大于92％。
下面结合具体的实施例对本发明提供的高炉炼铁用生物质含碳球团及其制备方法进行具体说明。
实施例1
本实施例提供了一种高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，将来自农场的玉米秸秆作为生物质原料，具体包括如下步骤：
S1、制备生物质水热炭
将收集得到的玉米秸秆利用除铁器和振动筛去除铁丝和泥土等杂质，利用粉碎机将玉米秸秆粉碎为粒度小于8mm的颗粒，将破碎后的大豆秸秆和水按照固液比1:3装入高压反应釜内，密封后对反应釜进行加热，控制反应温度为260℃，达到反应温度后保温60min。水热炭化反应结束后对反应产物进行冷却降压，将反应产物转移至固液分离装置进行固体产物和液体产物分离得到水热炭，液相产物经过脱油后部分循环利用，部分外排以确保生物质水热炭中碱金属元素不超标。水热炭经干燥后进行成分检测，干燥基挥发分为40.2％，干燥基灰分为2.3％，干燥基碱金属含量为0.12％，干燥基硫含量为0.03％。
S2、制备生物质炭和生物质高温粘结剂
将干燥后的生物质水热炭分为两份，其中一份进行热解炭化，热解炭化温度为600℃，热解炭化时间为200min，热解获得的生物质热解炭灰分含量为3.7％，挥发分含量为13.8％。另一份生物质水热炭进行热溶萃取，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，热溶萃取温度为340℃，固液比为1:6，萃取时间为70min，萃取后的反应物进行过滤，液相在蒸馏容器中对有机溶剂进行分馏，残余物为生物质高温粘结剂，制备获得的生物质高温粘结剂的热溶萃取率为25.7％，灰分为0.7％，挥发分为46.8％，粘结性指数为95.6％。
S3、制备混合物
选用国内某钢铁企业提供的赤铁矿精粉作为原料，熔剂为石灰石，利用粉碎机机将生物质炭、生物质高温粘结剂、赤铁矿精粉和石灰石破碎，破碎后的生物质炭、生物质高温粘结剂、赤铁矿精粉和石灰石中粒度小于0.074mm部分占比分别大于65％，35％，90％和85％。利用加热装置将生物质炭加热至250℃、生物质高温粘结剂加热至130℃，赤铁矿精粉和石灰石加热至500℃，再将生物质炭、生物质高温粘结剂、赤铁矿精粉和溶剂按照质量比25％、8％、73％和4％的比例进行混合，混合后的物料温度为410℃。
S4、热压成型制备生物质含碳球团
将混合后的物料装入对辊压球设备中进行生物质含碳球团的制备，热压压力为40MPa，热压时间为3min，热压技术后的物料进行自然冷却得到生物质含碳球团。
对冷却后的生物质含碳球团进行冶金性能检测，其冷态强度为1250N/个，900℃还原强度556N/个，1000℃还原强度780N/个，1100℃还原强度1538N/个，1200℃还原强度2155N/个，还原性为88％，还原膨胀指数为5％，低温还原粉化指数为94％。
基于上述步骤，本实施例获得的生物质含碳球团中碱金属有害元素含量极低，大批量应用于高炉生产时不会引起碱负荷的大幅度增加，避免了碱金属对含碳球团性能以及高炉冶炼产生负面影响。同时，本实施例制备的生物质炭含碳球团具有较高的冷态强度和热强度，其还原性、还原膨胀性和低温还原粉化性能也优于传统的烧结矿、球团矿和块矿，可以直接作为高炉炉料使用，有效降低了高炉冶炼对焦炭的使用量，进而降低炼铁成本和碳排放，具有显著的经济、社会和生态效益。
实施例2～5
实施例2～5分别提供了一种高炉炼铁用生物质含碳球团制备方法，与实施例1相比，不同之处在于改变了水热炭化条件，各实施例对应的水热炭化温度、水热炭化时间及由此获得的水热炭的技术指标如表1所示，其他制备方法及与实施例1相同，在此不再赘述。
表1实施例2～5的制备条件及制备的水热炭的技术指标
对实施例2～5制备的生物质含碳球团的性能进行测试，结果如表2所示。
表2实施例2～5制备的生物质含碳球团性能
实施例 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
冷态强度(N/个) 1230 1320 1050 880
900℃还原强度(N/个) 530 655 515 502
1000℃还原强度(N/个) 828 915 801 760
1100℃还原强度(N/个) 1673 1766 1587 1456
1200℃还原强度(N/个) 2322 2539 2232 2016
还原性(％) 89 87 93 94
还原膨胀指数(％) 5.6 4.8 6.3 7.1
低温还原粉化指数(％) 93 95 93 92
由表1可以看出，实施例2～5制备的水热炭的干燥基挥发分在39.1％～46.7％之间，灰分含量为2.1％～2.6％，碱金属都低于0.15，属于低碱度煤的水平，硫含量很低，都小于0.03％，属于特低硫煤的水平，且热溶萃取率均大于15％，与直接利用生物质进行热溶萃取时仅为1％～3％的热溶萃取率相比具有明显的提升。对比水热炭化温度和炭化时间对制备的水热炭成分的影响可以发现，改变生物质水热炭化温度的影响更明显，随着水热炭化温度的增加，水热炭干燥基挥发分和灰分含量也逐渐减少。主要原因是较高的水热炭化温度能够促进生物质原料中纤维素、半纤维素和木质素等主要成分的降解，加快挥发分的脱除，同时生物质原料中所含有水溶性的矿物质，也随着降解反应的进行而被脱除，降低了制备水热炭中的灰分、碱金属和硫含量。
结合表2可以看出，以制备获得的生物质水热炭为原料，进一步制备高品质生物质热解炭和生物质高温粘结剂，再采用热压成型方法制备的生物质含碳球团的冷态强度在880N/个-1320N/个，900℃还原强度502N/个-655N/个，1000℃还原强度760N/个-915N/个，1100℃还原强度1456N/个-1766N/个，1200℃还原强度2016N/个-2539N/个，还原性为87％-94％，还原膨胀指数为4.8％-7.1％，低温还原粉化指数为92％-95％。虽然不同条件下制生物质含碳球团的冶金性能存在一定的差异，但都能够满足高炉冶炼的要求，可以直接作为高炉炉料使用，降低高炉冶炼对化石燃料的消耗，具有显著的经济、社会和生态效益。
实施例6～10
实施例6～10分别提供了一种高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，与实施例4相比，不同之处在于改变了热解炭化工艺的参数。实施例6～10的热解炭化温度、热解炭化时间、热溶萃取温度、热溶萃取时间及相应的热溶萃取率如表3所示，其他制备方法及与实施例4相同，在此不再赘述。
表3实施例6～10的制备参数
对实施例6～10制备的生物质含碳球团的性能进行测试，结果如表4所示。
表4实施例6～10制备生物质含碳球团性能
由表4可以看出，实施例6～10制备获得生物质含碳球团的冷强度在1410N/个-1567N/个，900℃还原强度611N/个-677N/个，1000℃还原强度876N/个-935N/个，1100℃还原强度1676N/个-1788N/个，1200℃还原强度2517N/个-2531N/个，还原性为84％-86％，还原膨胀指数为4.2％-4.7％，低温还原粉化指数为92％-95％。不同实施例制备样品之间的冷态强度有较大的差异，主要原因是高温粘结剂随热溶萃取温度的升高粘结性得到了改善，热压成型的球团具有更高的抗压强度。还原后的强度随热解炭化温度的升高而有明显的区别，在低还原温度条件下，生物质含碳球团的还原强度与高温粘结剂的性能有正相关关系，此时的强度有粘结剂固结炭化形成的炭网结构相关。高温还原条件下生物质含碳球团的还原强度与热解炭的性能更为相关，热解炭化温度越高，制备获得的生物质热解炭碳微晶结构越致密，需要更高的温度还原铁氧化物，高温强度由新生成的金属铁网结构相关，生成金属铁量越多高温还原后强度越高。从表4可以看出，不同条件下制生物质含碳球团的冶金性能存在一定的差异，但都能够满足高炉冶炼的要求，可以直接作为高炉炉料使用，降低高炉冶炼对化石燃料的消耗，具有显著的经济、社会和生态效益。
实施例11～14
实施例11～14分别提供了一种高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，与实施例4相比，不同之处在所使用的成铁矿粉种类、熔剂种类、成型温度和成型压力存在区别，各实施例对应的具体值如表5所示。其他制备方法及与实施例4相同，在此不再赘述。
表5实施例11～14对应的铁矿粉、溶剂、成型温度和成型压力
对实施例11～14制备的生物质含碳球团的性能进行测试，结果如表6所示。
表6实施例11～14制备生物质含碳球团性能
实施例 实施例11 实施例12 实施例13 实施例14
冷态强度(N/个) 1150 1028 1300 976
900℃还原强度(N/个) 645 610 733 538
1000℃还原强度(N/个) 878 819 703 788
1100℃还原强度(N/个) 1644 1528 1376 1489
1200℃还原强度(N/个) 2555 2184 1784 1987
还原性(％) 86 83 76 81
还原膨胀指数(％) 4.5 4.2 4.2 4.0
低温还原粉化指数(％) 95 93 90 93
由表6可以看出，铁矿粉种类对制备的生物质含碳球团冶金性能有明显的影响，特别是对还原性和高温强度的影响最大，其中赤铁矿制备含碳球团的还原性最好，高温强度最高，钒钛磁铁矿制备的生物质含碳球团还原性、低温还原粉化性最差，高温还原后的强度最差。此外成型温度和成型压力对生物质含碳球团的冷强度有明显的影响，成型温度越高，成型压力越大，生物质含碳球团的冷态强度越高。
实施例15～17
实施例15～17分别提供了一种高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，与实施例4相比，不同之处在所使用的生物质原料不同，各实施例对应的具体值如表7所示。其他制备方法及与实施例4大致相同，在此不再赘述。
表7实施例15～18对应的生物质原料种类
实施例 生物质种类
实施例15 水稻秸秆
实施例16 大豆秸秆
实施例17 废木料
实施例18 园林修剪物
对实施例15～17制备的生物质含碳球团的性能进行测试，结果如表8所示。
表8实施例15～17制备生物质含碳球团性能
实施例 实施例15 实施例16 实施例17 实施例18
冷态强度(N/个) 1003 1060 1180 1055
900℃还原强度(N/个) 501 522 585 525
1000℃还原强度(N/个) 732 822 897 821
1100℃还原强度(N/个) 1359 1621 1766 1592
1200℃还原强度(N/个) 2018 2362 2387 2252
还原性(％) 89 93 92 93
还原膨胀指数(％) 7.9 6.4 5.1 6.0
低温还原粉化指数(％) 91 94 95 93
由表8可以看出，实施例15～17制备的获得生物质含碳球团能够满足高炉喷吹冶炼的要求，其中以废木料为生物质原料时制备的获得生物质含碳球团性能最好，冷态强度达到了1180N/个，900℃还原强度585N/个，1000℃还原强度896N/个，1100℃还原强度1766N/个，1200℃还原强度2387N/个，还原性为92％，还原膨胀指数为5.1％，低温还原粉化指数为95％，可以满足高炉冶炼对生物质含碳球团质量的要求。
综上所述，本发明提供了一种高炉炼铁用生物质含碳球团及其制备方法，通过将生物质破碎后进行水热炭化，制备了低碱金属含量、高热溶萃取率的生物质水热炭；再将生物质水热炭中的一部分进行热解炭化处理，制成低挥发分的生物质炭，并将生物质水热炭中的另一部分进行热溶萃取，制成生物质高温粘结剂；将生物质炭、生物质高温粘结剂、铁矿粉和溶剂破碎并混匀后进行热压成型，得到生物质含碳球团。通过上述方式，本发明能够将高挥发分、高水分、高有害元素含量的生物质制备为高固定碳含量、高粘结性、低有害元素含量的生物质基还原剂和粘结剂，并通过热压成型方法制备出可以作为高炉冶炼炉料使用的高品质生物质含碳球团，有效降低炼铁生产过程的碳排放量。
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 (12)

1.一种高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将生物质原料除杂破碎后，采用水热炭化技术制备碱金属含量低于0.3％，热溶萃取率高于15％的生物质水热炭；
S2、对步骤S1制备的所述生物质水热炭中的一部分进行热解炭化处理，制成挥发分含量低于15％的生物质炭；对所述生物质水热炭中的另一部分进行溶剂热溶萃取，制成生物质高温粘结剂；
S3、将铁矿粉、熔剂以及步骤S2制备的所述生物质炭和所述生物质高温粘结剂分别破碎后均匀混合，得到混合物；
S4、将步骤S3得到的所述混合物进行热压成型，得到生物质含碳球团。
2.根据权利要求1所述的高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述水热炭化技术的水热炭化温度为200～260℃，水热炭化时间为60～180min，所述生物质原料和水的固液比为1:3～1:5；制备的所述生物质水热炭的灰分低于7.5％，挥发分低于65.8％，硫含量低于0.2％。
3.根据权利要求1所述的高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述热解炭化的温度为500～900℃，热解炭化时间为60～240min；制备的所述生物质炭的灰分含量低于10.6％。
4.根据权利要求1所述的高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述热溶萃取的温度为280～420℃，所述热溶萃取过程中所述生物质水热炭与所述溶剂的固液比为1:5～1:80，所述热溶萃取的时间为30～120min，所述溶剂为有机溶剂；制备的所述生物质高温粘结剂的灰分小于3.5％，挥发分含量小于55.6％，粘结性指数大于81.3％。
5.根据权利要求4所述的高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，其特征在于：所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
6.根据权利要求1所述的高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述破碎后，所述生物质炭、生物质高温粘结剂、铁矿粉、熔剂中粒度小于0.074mm的颗粒的质量分数分别大于60％、30％、70％、80％；所述混合物中所述生物质炭、生物质高温粘结剂、铁矿粉、熔剂的质量比为20～30:5～10:70～75:3～5。
7.根据权利要求6所述的高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，其特征在于：所述混合物中所述生物质炭、生物质高温粘结剂、铁矿粉、熔剂的质量比为25:8:73:4。
8.根据权利要求1所述的高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，所述热压成型过程的温度为350～550℃，压力大于15MPa，热压时间大于1min。
9.根据权利要求1所述的高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述铁矿粉为赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、钒钛磁铁矿、海砂矿、白云鄂博铁矿中的一种或几种混合，所述熔剂为生石灰、熟石灰、白云石、蛇纹石、镁橄榄石中的一种或几种混合。
10.根据权利要求1所述的高炉炼铁用生物质含碳球团的制备方法，其特征在于：所述生物质原料为农业废弃物、林业废弃物、城市有机垃圾中的一种或几种混合。
11.一种高炉炼铁用生物质含碳球团，其特征在于：所述生物质含碳球团采用权利要求1～10中任一权利要求所述的制备方法制备得到，能够代替烧结矿或球团矿应用于高炉冶炼。
12.根据权利要求11所述的高炉炼铁用生物质含碳球团，其特征在于：所述生物质含碳球团的冷态强度大于1000N/个，高温还原强度大于500N/个，还原性大于75％，还原膨胀指数小于10％，低温还原粉化指数大于92％。
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