CN116640921B - 一种制备金属化球团的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供含碳冷压球团的制备方法，相应金属化球团的制备方法以及制备金属化球团的系统。含碳冷压球团是以生物质热解产物和含铁冶金固废冷压造球制备得到的，所述生物质热解产物包括热解生物炭、焦炭和生物质油。金属化球团是将含碳冷压球团和生物质热解时的可燃气体进行反应得到的。本发明利用含铁冶金固废和生物质制备铁品位等关键成分合格、抗压强度合格、爆裂温度合格的转底炉用含碳冷压球团，从而达到节能、环保与废弃资源循环利用的目的。本发明的生物质油可作为胶粘剂替代品，可以制备出满足非高炉炼铁强度的含碳冷压球团。本发明的金属化球团的金属化率能达到《YB/T4272‑2012转底炉法富铁尘泥金属化球团》二级品要求。
Description
技术领域
本发明属于转底炉制备金属化球团技术领域，具体涉及一种制备金属化球团的方法及系统。
背景技术
氧化铁皮、炼钢粉尘、钢渣、高炉渣等含铁冶金废料除了含有可再利用的铁组分之外，还含有对钢铁性能不利的有色金属元素。如炼钢粉尘全铁含量在25%~60%，其余的40%~75%的粉尘由氧化物杂质组成，如氧化钙和其他金属氧化物（主要是氧化锌）。随着废钢的循环利用，这些元素在钢中的含量会越积越多，急需开发金属化球团等可稀释有色金属元素和回收铁元素的技术。此外，赤泥也可作为低品位铁矿石替代原料之一，用于制备金属化球团。赤泥中铁主要以赤铁矿、针铁矿、铝针铁矿和铝磁铁矿等复合矿相形式赋存，回收铁是实现赤泥减量化的重要途径之一。
制备金属化球团的方法有很多，当铁矿粉等含铁原料的含铁品位在67%以上时，可制备成含碳球团，然后采用转底炉直接还原工艺，生成金属化球团供电炉使用。但转底炉制备含碳球团技术还存在许多问题亟待解决。从原料组分看：转底炉还原剂通常为烟煤，实验用煤粉的灰分主要化学成分包括SiO2和Al2O3，而这些成分会降低球团矿的铁品位。目前转底炉所使用的还原剂研究甚少，且主要集中在烟煤、无烟煤、褐煤、碎焦粉、结焦煤、焦炭、石油焦及冶金焦等常用的还原剂。制备含碳球团原料除了含铁料外，还需要粘结剂。目前，我国绝大多数球团厂都使用膨润土作为球团黏结剂，但膨润土中高含量的硅铝酸盐使球团矿的铁品位明显降低，同时影响球团的冶金性能。从制造技术看：利用压块法制备含碳球团工艺具体可分为两种，一是热压块法，二是冷压块法。热压法具有设备投资大和能耗高的缺点，冷压块法生产的球团抗压强度略低于热压块法。因此急需优化含碳球团组分，一是寻找煤粉替代品，既能保证燃烧效果，又能有较低的硅铝含量。二是需要开发一种绿色新型的粘结剂，以满足制备非高炉炼铁强度和品位的含碳球团的要求。
申请号为CN202210600713.6的专利，公开了一种用于制备含碳冷压球团的混合黏结剂及其制备方法，并具体公开了：混合黏结剂包括：甲基淀粉钠和草酸，制备方法包括：所述混合黏结剂、研山精粉和高炉灰的比为(0.3～0.8)：(91.2～93)：(8～10)。在上述范围内制备的含碳冷压球团的抗压强度和落下强度相对较好。
申请号为CN202010506856.1的专利，公开了一种基于钢铁渣提取物进行生物质制备氢气和生物炭的系统，并具体公开了利用钢铁渣提取物中的钙镁类物质作为生物质制氢的碱性试剂的技术。所述碱性试剂作为其中一种反应物，其可以吸收生物质原料中的水分，有利于生物质结构的破坏和产氢反应，简化了生物质原料的预处理。还公开了和从不锈钢钢渣中提取的铁基催化剂，替代现有Ni催化剂的技术。生物质制氢中混合有其它CH类和CO类气体，可就地使用，直接在钢厂使用于直接还原铁工艺，参与加热和还原反应等过程。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种制备金属化球团的方法及系统。
目前，我国生物质资源能源化利用量约5亿吨标准煤，发展生物质可再生资源技术能够调整能源利用结构。生物质作为一种可再生的低碳能源，相比矿物能源的燃烧过程，因其具有含S量极低，含N量不超过0.2%的特点，对环境更为友好。在缺氧或少氧的条件下对生物质进行热解可将其转化为便于储存和运输的液体、气体和生物质炭。
首先生物质热解炭化技术可得到具有还原性、固定碳含量高、灰分含量低、杂质含量少的生物质炭，可替代煤粉用于冶金行业生产，并产生显著的减排效果。因此相比传统的还原剂，如烟煤、褐煤、焦炭等，以生物质热解材料作为转底炉碳还原剂，具有资源丰富、价格低廉、对环境友好、可再生等优点，具有广阔的研发空间和利用价值。其次热解生成的液体燃料（生物质油）粘度大，燃点约为250℃，可作为洁净的高品位液体燃料部分替代石油，表明生物质热解液体燃料可用作含碳球团的粘结剂。另外，生物质热解生成的可燃气体可为转底炉还原含碳球团过程供能，减少转底炉的额外能耗。因此生物质热解产品可用作含碳球团的原料，该技术可实现将生物质能作为燃料和粘结剂参与富铁冶金固废造团还原等过程，是炼铁工序实现低碳绿色发展的重要途经。
本发明将生物质热解后得到的生物炭和生物质油与含铁固废混合均匀后，通过冷压法得到含碳冷压球团，送入转底炉中与生物质热解后得到的气体进行还原焙烧，得到金属化球团和含锌烟气，之后含锌烟气经换热、除尘后得到含锌粉尘。
为了实现本发明的技术目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供含碳冷压球团的制备方法，包括以下步骤：
（1）将生物质进行预处理，所述预处理包括将生物质干燥后破碎的步骤；
（2）对含铁冶金固废预处理；所述预处理包括将含铁冶金固废进行破碎的步骤；
（3）将步骤（1）中经过预处理的生物质进行热解，分别收集热解生物炭、焦炭和生物质油；
（4）将步骤（2）的预处理的含铁冶金固废、步骤（3）的焦炭、热解生物炭和生物质油混合，得到含碳冷压球团预混料；
（5）将步骤（4）得到的含碳冷压球团预混料进行冷压造球，得到含碳冷压球团；
（6）将步骤（5）得到的含碳冷压球团进行干燥。
作为优选， 步骤（3）中，所述热解参数为：热解温度400~500℃，加热速率10~100℃/min，热解产物停留时间0.5~5 s。
作为优选， 步骤（3）中，还包括将焦炭和生物质油进行冷凝的步骤。
作为优选， 步骤（4）中，在含碳冷压球团预混料中，按干基计，各关键成分重量百分含量为：含全铁含量35%~40%、含锌量1%~2%、C/O 60%~65%；所述C为固定碳质量分数，O为含铁固废的含氧量。
作为优选， 步骤（5）中，所述造球为冷压压制成块，参数为：在至少10 Mp的压力下保持至少2 min，冷压球团过筛粒度8 mm~15 mm，落下强度≥5次/0.5 m。
本发明还提供金属化球团的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照上述的方法制备含碳冷压球团；同时，在经预处理的生物质进行热解时，收集可燃气体；
（2）将含碳冷压球团和可燃气体在转底炉还原系统中进行反应，得到金属化球团。
作为优选，所述转底炉还原系统包括布料区、预热区、高温还原区和出料区；所述布料区厚度为1~2层干燥后冷压球团；所述预热区温度控制在800℃～1200℃；所述高温还原区温度控制在1000℃～1300℃，还原时间控制在20 min~25 min，其中恒温时间15 min以上；所述出料区温度控制在300℃以下。
本发明还提供制备金属化球团的系统，所述系统包括：
a.生物质预处理系统，用于对生物质原料进行干燥和破碎处理；
b.含铁固废预处理系统，用于对含铁冶金固废进行分选和破碎处理；
c.热解系统，用于对生物质预处理系统产物进行热解反应；
d.所述热解系统包括热解主系统、固相收集系统、冷凝收集系统和气体分离净化系统；
e.混料系统，用于将物料进行混合，获得含碳冷压球团预混料；
f.造球系统，用于将含碳冷压球团预混料进行冷压造球；
g.干燥系统，用于将含碳冷压球团进行干燥；
h.转底炉还原系统，用于制备金属化球团；
i.气体收集与净化回收系统，用于气体的收集、为转底炉还原系统提供高纯氢气燃料与净化回收；
所述热解主系统的进料口与所述生物质预处理系统的出料口相连；
所述冷凝收集系统的进气口与所述热解主系统的上层出气口相连；
所述固相收集系统的进料口分别与所述热解主系统的下层出料口和所述冷凝收集系统的下层出料口相连；
所述气体分离净化系统的进气口与冷凝收集系统的排气口相连；所述气体分离净化系统的出气口与所述转底炉还原系统进气口相连；
所述混料系统的进料口分别与所述含铁固废预处理系统的排料口、所述固相收集系统的排焦炭和排生物炭出口、所述冷凝收集系统的排生物质油出口相连；
所述造球系统的进料口与所述混料系统的出料口相连；
所述干燥系统的进料口与所述造球系统的出料口相连；
所述转底炉还原系统的进料口与干燥系统的出料口相连，所述转底炉还原系统的进气口与气体分离净化系统的出气口相连；
所述气体收集与净化回收系统包括高纯氢气分离与储存系统；所述高纯氢气分离与储存系统的进气口与转底炉还原系统的出气口相连，所述高纯氢气分离与储存系统的出气口与所述转底炉还原系统进气口相连。
作为优选，所述气体收集与净化回收系统还包括含锌尘泥收集系统，所述高纯氢气分离与储存系统的出料口与含锌尘泥收集系统的进料口相连；作为优选，所述含锌尘泥收集系统还包括用于将含锌尘泥排出的出料口。
作为优选，所述转底炉还原系统还包括用于将制备得到的金属化球团排出的出料口。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
1、本发明的方法可利用含铁冶金固废和生物质制备铁品位等关键成分合格、抗压强度合格、爆裂温度合格的转底炉专用含碳冷压球团，从而达到节能、环保与废弃资源循环利用的目的。本发明制备的生物质油可作为胶粘剂替代品，可以制备出满足非高炉炼铁强度的含碳冷压球团。
2、本发明的方法可利用含铁冶金固废和生物质生成的含碳冷压球团来制备转底炉金属化球团，金属化球团的金属化率能达到《YB/T4272-2012 转底炉法富铁尘泥金属化球团》二级品要求：全铁含量≥65%，磁性铁含量≥45%，Zn含量≤0.4%。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的制备金属化球团系统的示意图。其中，1为生物质预处理系统，2为含铁固废预处理系统，3为热解主系统，4为固相收集系统，5为冷凝收集系统，6为气体分离净化系统，7为混料系统，8为造球系统，9为干燥系统，10为转底炉还原系统，11为气体收集与净化回收系统。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
参见图1，图1为本发明的制备金属化球团系统的示意图。
一、本发明的制备金属化球团的系统
本发明的制备金属化球团的系统包括：生物质预处理系统1，含铁固废预处理系统2，热解系统，混料系统7，造球系统8，干燥系统9，转底炉还原系统10。具体如下：
1）生物质预处理系统1，用于对生物质原料进行干燥和破碎处理。
2）含铁固废预处理系统2，用于对含铁冶金固废进行分选和破碎处理。
3）热解系统，用于对生物质预处理系统产物进行热解反应。
热解系统包括热解主系统3、固相收集系统4、冷凝收集系统5和气体分离净化系统6。
其中，热解主系统3的进料口连接生物质预处理系统1的出料口，用于将预处理的生物质进行热解，得到热解产物烟气和热解生物炭；热解产物烟气包括焦炭、生物油和可燃气体。
冷凝收集系统5的进气口与热解主系统3的上层出气口相连，热解主系统3的热解产物烟气在进入冷凝收集系统5后，先过滤分离出热解产物烟气中的小颗粒焦炭，而后热解产物烟气继续进入冷凝管后，可冷凝气态组分形成含水率10%~20%的生物质油，不可冷凝气态组分分离出可燃气体CO、H2、CH4等，还含有CO2和一定的水分。
固相收集系统4的进料口分别与热解主系统3的下层出料口和冷凝收集系统5的下层出料口相连；用于收集热解主系统3产生的热解生物炭，和收集热解产物烟气通过冷凝收集系统5经过滤分离得到的冷凝后的焦炭。
气体分离净化系统6的进气口与冷凝收集系统5的排气口相连，用于过滤分离、干燥和储存冷凝收集系统5排出的不可冷凝气态组分（包括可燃气体CO、H2、CH4等，还含有CO2和一定的水分），以获得高纯度可燃气体（即高纯氢气）；气体分离净化系统6的出气口与所述转底炉还原系统10进气口相连，将分离净化得到的可燃气体（即高纯氢气）作为转底炉还原系统10燃料。
4）混料系统7，用于将物料进行混合，获得含碳冷压球团预混料。混料系统7的进料口分别与含铁固废预处理系统2的排料口、固相收集系统4的排焦炭和排生物炭出口、冷凝收集系统5的排生物质油出口相连，用于将含铁固废预处理系统2的预处理的含铁冶金固废、固相收集系统4的焦炭和热解生物炭、冷凝收集系统5的生物质油进行混合。
5）造球系统8，用于将含碳冷压球团预混料进行冷压造球。造球系统8的进料口与混料系统7的出料口相连，用于对混料系统产物进行球团造型，获得含碳冷压球团。
6）干燥系统9，用于将含碳冷压球团进行干燥。干燥系统9的进料口与造球系统8的出料口相连，用于控制含碳冷压球团的含水率。
7）转底炉还原系统10，用于制备金属化球团。转底炉还原系统10的进气口与气体分离净化系统6的出气口相连，转底炉还原系统10的进料口与干燥系统9的出料口相连，为转底炉还原系统提供高纯氢气，用于将干燥系统产物含碳冷压球团进行预还原，提高含碳冷压球团铁品位，制备得到高炉电炉可用的金属化球团。转底炉还原系统10的出料口用于将制备得到的金属化球团排出。
8）气体收集与净化回收系统11，用于气体的收集、为转底炉还原系统10提供高纯氢气燃料与净化回收。气体收集与净化回收系统11包括高纯氢气分离与储存系统和含锌尘泥收集系统。高纯氢气分离与储存系统的进气口与转底炉还原系统10的出气口相连，用于回收净化转底炉还原系统10内未反应完全的氢气，高纯氢气分离与储存系统的出气口与所述转底炉还原系统10进气口相连，为转底炉还原系统10提供高纯氢气燃料。高纯氢气分离与储存系统的出料口与气体收集与含锌尘泥收集系统的进料口相连，含锌尘泥收集系统用于对转底炉排放烟尘的过滤与含锌尘泥的回收。含锌尘泥收集系统的出料口用于将含锌尘泥排出。
二、本发明的制备金属化球团的方法
应用本发明的系统制备金属化球团的方法步骤如下：
（1）在生物质预处理系统1中对生物质预处理：可选用《DB44/T 1052—2018 工业锅炉用生物质成型燃料》规定的木本类（包括木材加工后的木屑、刨花、废旧无毒无害的实木木料、树枝、竹子等）和草本类（包括麦秆、玉米秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、花生壳、稻壳、甘蔗渣等）作为生物质原料，先对其进行干燥处理，结合《NY/T 4161-2022生物质热裂解炭化工艺技术规程》对生物质计原料预处理的具体要求，为保证生物质热解效果，本发明需确保干燥后生物质含水率在10%以下，干燥后进行破碎处理，破碎在10 mm~30 mm。
（2）在含铁固废预处理系统2中对含铁冶金固废预处理：根据《T/CACE 059-2022含铁尘泥制造转底炉用复合冷压球团技术规程》相关规定，对含铁冶金固废（炼钢粉尘（铁品位＞40%）、氧化铁皮（铁品位＞60%）、高炉渣、赤泥等）先用200目筛筛分后破碎，筛分出的筛上大粒径物料：大粒径钢渣、大粒径高炉渣、氧化铁皮破碎后平均粒度不大于0.074 mm（200目），筛下小粒径物料：炼钢粉尘、高炉渣、赤泥直接与筛上大粒径物料磨碎料合并。
（3）在热解主系统3中将生物质热解：将步骤（1）经过预处理的生物质进行热解，为了保证热解反应的充分进行，设定热解主系统3的热解参数如下：热解温度400~500℃，加热速率10~100 ℃/min，热解产物停留时间0.5~5s。
使用冷凝收集系统5分离和分别收集热解产物烟气：焦炭、生物质油、可燃气体。
使用固相收集系统4收集热解主系统3产生的热解生物炭，和收集热解产物烟气通过冷凝收集系统5冷凝后的焦炭。
使用气体分离净化系统6的气体过滤器将冷凝收集系统5的可燃气体进行过滤处理。
（4）将步骤（2）得到的预处理的含铁冶金固废、步骤（3）得到的焦炭、热解生物炭和生物质油在混料系统7中混合，得到含碳冷压球团预混料。
考虑到气体分离净化系统6产的高纯H2也可代替部分CO来还原含碳冷压球团，因此混料系统7的混料中含碳量稍低。
更具体地，所述含碳冷压球团预混料中，各关键成分重量百分含量如下表1所示：
表1 含碳冷压球团预混料关键成分
将表1中所述的原料按照一定比例进行配比，得到的含碳冷压球团预混料中，按干基计，各关键成分重量百分含量为：含全铁含量35%~40%（测定按GB/T6730.5规定进行）、含锌量1%~2%（测定按GB/T6730.53规定进行）、C/O（C为固定碳质量分数，O为含铁固废的含氧量）60%~65%。
（5）将步骤（4）制备得到的含碳冷压球团预混料在造球系统8中进行造球，得到含碳冷压球团。
造球工艺为冷压压制成块，参数为：在至少10 Mp的压力下保持至少2 min，冷压球团过筛粒度8 mm~15 mm，落下强度≥5次/0.5 m。
8mm以及含碳冷压球团质量指标规范依据《2020-0432T-YB 转底炉处理冶金含铁尘泥技术规范》中提到的：成型工艺应控制生球水分在8%~15%。压球成型生球为椭圆球体，一般用过筛粒度表示，过筛粒度要求大于8mm，落下强度也应不小于5次/0.5m。
15mm依据：《YB/T4272-2012 转底炉法含铁尘泥金属化球团》要求转底炉法含铁尘泥金属化球团的粒度为5mm~35mm，而本发明实验结果表明含碳冷压球团在进入转底炉转化成金属化球团的过程中会膨胀，粒度会变大，另外生物质油作为粘结剂对大粒径含碳冷压球团粘合效果较差，因此这里粒度设置为8 mm~15mm。
（6）将步骤（5）得到的含碳冷压球团在干燥系统9中进行干燥。
干燥参数为：含碳冷压球团干燥时的温度控制在300℃以下，烘干后球团性能要求参考《T/CACE 059-2022含铁尘泥制造转底炉用复合冷压球团技术规程》，具体如下表2所示：
表2 转底炉用符合干燥后冷压球团性能要求
（7）将步骤（6）的干燥后的含碳冷压球团和步骤（3）中气体分离净化系统6处理后的可燃气体在转底炉还原系统10中进行反应，得到金属化球团。金属化球团粒度为5 mm~35mm，小于5 mm的比例不超过10%。
转底炉还原系统包括布料区、预热区、高温还原区和出料区。布料区厚度为1~2层干燥后冷压球团；预热区温度控制在800℃～1200℃；高温还原区温度宜控制在1000℃～1300℃，还原时间控制在20 min~25 min，其中恒温时间15 min以上；出料区温度控制在300℃以下。
得到的金属化球团中，全铁含量72.4%~75.5%，磁性铁含量54.5%~58.9%，Zn含量0.31%~0.40%，符合《YB/T4272-2012 转底炉法富铁尘泥金属化球团》产金属化球团的成分要求，故，本发明的系统可以稳定生产二级品质的金属化球团。得到的金属化球团的粒度为7.5mm~22.9 mm，小于5 mm的比例不超过8%，符合《YB/T4272-2012 转底炉法富铁尘泥金属化球团》的二级产品的粒度要求。
（8）将转底炉还原系统10的废气通入气体收集与净化回收系统11，所述气体收集与净化回收系统11包括：高纯氢气分离储存系统和含锌尘泥收集系统。含锌尘泥收集系统收集产品应符合《YB/T 4271-2012 转底炉粗锌粉》相关标准规定。
实施例1
应用本发明的系统制备金属化球团的方法步骤如下：
（1）在生物质预处理系统1中对生物质预处理：选用木屑与玉米秸秆作为生物质原料，共计100 kg，两者质量比为1：1。先对其进行干燥处理，干燥后生物质原料含水率为8.5%，干燥后进行破碎处理，破碎后10 mm≤过筛粒度≤20 mm。
（2）在含铁固废预处理系统2中对含铁冶金固废预处理：对铁品位分别为55%的炼钢粉尘8 kg、87%的氧化铁皮2 kg，先用200目筛筛分后破碎，筛分出的筛上大粒径氧化铁皮经过破碎后平均粒度不大于0.074 mm（200目），筛下小粒径炼钢粉尘直接与筛上大粒径氧化铁皮破碎料合并。
（3）在热解主系统3中将生物质热解：将步骤（1）经过预处理的生物质原料进行热解，设定热解主系统3的热解参数如下：热解温度450℃，加热速率25℃/min，热解产物停留时间1.5 s。
使用冷凝收集系统5分离和分别收集热解产物烟气：焦炭、生物质油、可燃气体。
使用固相收集系统4收集热解主系统3产生的热解生物炭，和收集热解产物烟气通过冷凝收集系统5冷凝后的焦炭。
使用气体分离净化系统6的气体过滤器将冷凝收集系统5的可燃气体进行过滤处理。
（4）将步骤（2）得到的预处理的含铁冶金固废、步骤（3）得到的焦炭、热解生物炭和生物质油在混料系统7中混合，得到含碳冷压球团预混料。
具体地，所述含碳冷压球团预混料中，各成分重量百分含量如下表3所示。
表3 含碳冷压球团预混料配比
（5）将步骤（4）制备得到的含碳冷压球团预混料在造球系统8中进行造球，得到含碳冷压球团。
造球工艺为冷压压制成块，参数为：在10 Mp的压力下保持3 min，保留过筛粒度大于8 mm小于15mm的冷压球团，落下强度为6次/0.5 m。
（6）将步骤（5）得到的含碳冷压球团在干燥系统9中进行干燥。
干燥参数为：含碳冷压球团干燥时的温度250℃，烘干后球团性能要求参考《T/CACE 059-2022含铁尘泥制造转底炉用复合冷压球团技术规程》，具体测试结果如下表4所示。
表4 转底炉用符合干燥后冷压球团性能要求
（7）将步骤（6）的干燥后的含碳冷压球团和步骤（3）中气体分离净化系统6处理后的气体在转底炉还原系统10中进行反应，得到金属化球团。
在转底炉还原系统10中，布料区厚度为2层干燥冷压球团；预热区温度控制在1000℃；还原区温度宜控制在1200℃，还原时间控制在25 min，其中恒温时间20 min；出料区温度控制在250℃。
得到的金属化球团粒度处于7.5 mm~15.2 mm，小于5 mm的比例为8%。其中全铁含量72.4%，磁性铁含量57.5%，Zn含量0.31%，符合《YB/T4272-2012 转底炉法富铁尘泥金属化球团》产二级品金属化球团的成分要求。
（8）将转底炉还原系统10的废气通入气体收集与净化回收系统11，所述气体收集与净化回收系统11包括：高纯氢气分离储存系统和含锌尘泥收集系统。
含锌尘泥收集系统收集到的含锌尘泥Zn质量分数为37.5%，符合《YB/T 4271-2012转底炉法粗锌粉》三类粗锌粉品级要求。
实验结果证明热解生物质可作为煤粉替代品，既能保证含碳冷压球团燃烧效果，又能有较低的硅铝含量，生成的金属化球团可达二级品质量。此外热解生物质得到的生物质油可满足制备非高炉炼铁强度和品位的含碳冷压球团的要求。
实施例2
应用本发明的系统制备金属化球团的方法步骤如下：
（1）在生物质预处理系统1中对生物质预处理：选用木屑与小麦秸秆作为生物质原料，共计100 kg，两者质量比为1：1。先对其进行干燥处理，干燥后生物质原料含水率为7.6%，干燥后进行破碎处理，破碎后10 mm≤过筛粒度≤15 mm。
（2）在含铁固废预处理系统2中对含铁冶金固废预处理：对铁品位分别为55%的炼钢粉尘6 kg、87%的氧化铁皮3 kg、24%的赤泥1 kg，先用200目筛筛分后破碎，筛分出的筛上大粒径氧化铁皮经过破碎后平均粒度不大于0.074 mm（200目），筛下小粒径炼钢粉尘、赤泥直接与筛上大粒径氧化铁皮破碎料合并。
（3）在热解主系统3中将生物质热解：将步骤（1）经过预处理的生物质原料进行热解，设定热解主系统3的热解参数如下：热解温度400 ℃，加热速率20℃/min，热解产物停留时间1.5 s。
使用冷凝收集系统5分离和分别收集热解产物烟气：焦炭、生物质油、可燃气体。
使用固相收集系统4收集热解主系统3产生的热解生物炭，和收集热解产物烟气通过冷凝收集系统5冷凝后的焦炭。
使用气体分离净化系统6的气体过滤器将冷凝收集系统5的可燃气体进行过滤处理。
（4）将步骤（2）得到的预处理的含铁冶金固废、步骤（3）得到的焦炭、热解生物炭和生物质油在混料系统7中混合，得到含碳冷压球团预混料。
具体地，所述含碳冷压球团预混料中，各成分重量百分含量如下表5所示。
表5 含碳冷压球团预混料配比
（5）将步骤（4）制备得到的含碳冷压球团预混料在造球系统8中进行造球，得到含碳冷压球团。
造球工艺为冷压压制成块，参数为：在10 Mp的压力下保持3 min，保留过筛粒度大于10 mm小于15mm的冷压球团，落下强度为5次/0.5 m。
（6）将步骤（5）得到的含碳冷压球团在干燥系统9中进行干燥。
干燥参数为：含碳冷压球团干燥时的温度250℃，烘干后球团性能要求参考《T/CACE 059-2022含铁尘泥制造转底炉用复合冷压球团技术规程》，具体测试结果如下表6所示。
表6 转底炉用符合干燥后冷压球团性能要求
（7）将步骤（6）的干燥后的含碳冷压球团和步骤（3）中气体分离净化系统6处理后的气体在转底炉还原系统10中进行反应，得到金属化球团。
在转底炉还原系统10中，布料区厚度为2层干燥冷压球团；预热区温度控制在900℃；还原区温度宜控制在1200℃，还原时间控制在20 min，其中恒温时间15 min；出料区温度控制在250℃。
得到的金属化球团粒度处于14.8 mm~20.5 mm，小于5 mm的比例为5%。其中全铁含量75.5%，磁性铁含量58.9%，Zn含量0.35%，符合《YB/T4272-2012 转底炉法富铁尘泥金属化球团》产二级品金属化球团的成分要求。
（8）将转底炉还原系统10的废气通入气体收集与净化回收系统11，所述气体收集与净化回收系统11包括：高纯氢气分离储存系统和含锌尘泥收集系统。
含锌尘泥收集系统收集到的含锌尘泥Zn质量分数为48.1%，符合《YB/T 4271-2012转底炉法粗锌粉》二类粗锌粉品级要求。
实验结果证明热解生物质可作为煤粉替代品，既能保证含碳冷压球团燃烧效果，又能有较低的硅铝含量，生成的金属化球团可达二级品质量。此外热解生物质得到的生物质油可满足制备非高炉炼铁强度和品位的含碳冷压球团的要求。
实施例3
应用本发明的系统制备金属化球团的方法步骤如下：
（1）在生物质预处理系统1中对生物质预处理：选用木屑、小麦秸秆、玉米秸秆作为生物质原料，共计107 kg，三者质量比为1:1:1。先对其进行干燥处理，干燥后生物质原料含水率为8.3%，干燥后进行破碎处理，破碎后10 mm≤过筛粒度≤19 mm。
（2）在含铁固废预处理系统2中对含铁冶金固废预处理：对铁品位分别为55%的炼钢粉尘8 kg、87%的氧化铁皮2 kg，先用200目筛筛分后破碎，筛分出的筛上大粒径氧化铁皮经过破碎后平均粒度不大于0.074 mm（200目），筛下小粒径炼钢粉尘直接与筛上大粒径氧化铁皮破碎料合并。
（3）在热解主系统3中将生物质热解：将步骤（1）经过预处理的生物质原料进行热解，设定热解主系统3的热解参数如下：热解温度450℃，加热速率25℃/min，热解产物停留时间1.5 s。
使用冷凝收集系统5分离和分别收集热解产物烟气：焦炭、生物质油、可燃气体。
使用固相收集系统4收集热解主系统3产生的热解生物炭，和收集热解产物烟气通过冷凝收集系统5冷凝后的焦炭。
使用气体分离净化系统6的气体过滤器将冷凝收集系统5的可燃气体进行过滤处理。
（4）将步骤（2）得到的预处理的含铁冶金固废、步骤（3）得到的焦炭、热解生物炭和生物质油在混料系统7中混合，得到含碳冷压球团预混料。
具体地，所述含碳冷压球团预混料中，各成分重量百分含量如下表7所示。
表7 含碳冷压球团预混料配比
（5）将步骤（4）制备得到的含碳冷压球团预混料在造球系统8中进行造球，得到含碳冷压球团。
造球工艺为冷压压制成块，参数为：在10 Mp的压力下保持3 min，保留过筛粒度大于10 mm小于15mm的冷压球团，落下强度为5次/0.5 m。
（6）将步骤（5）得到的含碳冷压球团在干燥系统9中进行干燥。
干燥参数为：含碳冷压球团干燥时的温度250℃，烘干后球团性能要求参考《T/CACE 059-2022含铁尘泥制造转底炉用复合冷压球团技术规程》，具体测试结果如下表8所示。
表8 转底炉用符合干燥后冷压球团性能要求
（7）将步骤（6）的干燥后的含碳冷压球团和步骤（3）中气体分离净化系统6处理后的气体在转底炉还原系统10中进行反应，得到金属化球团。
在转底炉还原系统10中，布料区厚度为2层干燥冷压球团；预热区温度控制在900℃；还原区温度宜控制在1200℃，还原时间控制在20 min，其中恒温时间20 min；出料区温度控制在250℃。
得到的金属化球团粒度处于14.5 mm~22.9 mm，小于5 mm的比例为3%。其中全铁含量72.9%，磁性铁含量54.5%，Zn含量0.40%，符合《YB/T4272-2012 转底炉法富铁尘泥金属化球团》产二级品金属化球团的成分要求。
（9）将转底炉还原系统10的废气通入气体收集与净化回收系统11，所述气体收集与净化回收系统11包括：高纯氢气分离储存系统和含锌尘泥收集系统。
含锌尘泥收集系统收集到的含锌尘泥Zn质量分数为40.3%，符合《YB/T 4271-2012转底炉法粗锌粉》二类粗锌粉品级要求。
实验结果证明热解生物质可作为煤粉替代品，既能保证含碳冷压球团燃烧效果，又能有较低的硅铝含量，生成的金属化球团可达二级品质量。此外热解生物质得到的生物质油可满足制备非高炉炼铁强度和品位的含碳冷压球团的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.含碳冷压球团的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将生物质进行预处理，所述预处理包括将生物质干燥后破碎的步骤；
（2）对含铁冶金固废预处理；所述预处理包括将含铁冶金固废进行破碎的步骤；
（3）将步骤（1）中经过预处理的生物质进行热解，分别收集热解生物炭、焦炭和生物质油；
（4）将步骤（2）的预处理的含铁冶金固废、步骤（3）的焦炭、热解生物炭和生物质油混合，得到含碳冷压球团预混料；
（5）将步骤（4）得到的含碳冷压球团预混料进行冷压造球，得到含碳冷压球团；
（6）将步骤（5）得到的含碳冷压球团进行干燥；
步骤（3）中，所述热解的参数为：热解温度400~500℃，加热速率10~100 ℃/min，热解产物停留时间0.5~5 s；
步骤（4）中，在含碳冷压球团预混料中，按干基计，各关键成分重量百分含量为：含全铁含量35%~40%、含锌量1%~2%、C/O 60%~65%；所述C为固定碳质量分数，O为含铁固废的含氧量；
步骤（5）中，所述造球为冷压压制成块，参数为：在至少10 Mp的压力下保持至少2 min，冷压球团过筛粒度8 mm~15 mm，落下强度≥5次/0.5 m。
2.根据权利要求1所述的含碳冷压球团的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，还包括将焦炭和生物质油进行冷凝的步骤。
3.金属化球团的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）按照权利要求1或2所述的方法制备含碳冷压球团；同时，在经预处理的生物质进行热解时，收集可燃气体；
（2）将含碳冷压球团和可燃气体在转底炉还原系统中进行反应，得到金属化球团。
4.根据权利要求3所述的金属化球团的制备方法，其特征在于：所述转底炉还原系统包括布料区、预热区、高温还原区和出料区；所述布料区厚度为1~2层干燥后冷压球团；所述预热区温度控制在800℃～1200℃；所述高温还原区温度控制在1000℃～1300℃，还原时间控制在20 min~25 min，其中恒温时间15 min以上；所述出料区温度控制在300℃以下。
5.制备权利要求3或4中所述金属化球团的系统，其特征在于：所述系统包括：
a.生物质预处理系统，用于对生物质原料进行干燥和破碎处理；
b.含铁固废预处理系统，用于对含铁冶金固废进行分选和破碎处理；
c.热解系统，用于对生物质预处理系统产物进行热解反应；
d.所述热解系统包括热解主系统、固相收集系统、冷凝收集系统和气体分离净化系统；
e.混料系统，用于将物料进行混合，获得含碳冷压球团预混料；
f.造球系统，用于将含碳冷压球团预混料进行冷压造球；
g.干燥系统，用于将含碳冷压球团进行干燥；
h.转底炉还原系统，用于制备金属化球团；
i.气体收集与净化回收系统，用于气体的收集、为转底炉还原系统提供高纯氢气燃料与净化回收；
所述热解主系统的进料口与所述生物质预处理系统的出料口相连；
所述冷凝收集系统的进气口与所述热解主系统的上层出气口相连；
所述固相收集系统的进料口分别与所述热解主系统的下层出料口和所述冷凝收集系统的下层出料口相连；
所述气体分离净化系统的进气口与冷凝收集系统的排气口相连；所述气体分离净化系统的出气口与所述转底炉还原系统进气口相连；
所述混料系统的进料口分别与所述含铁固废预处理系统的排料口、所述固相收集系统的排焦炭和排生物炭出口、所述冷凝收集系统的排生物质油出口相连；
所述造球系统的进料口与所述混料系统的出料口相连；
所述干燥系统的进料口与所述造球系统的出料口相连；
所述转底炉还原系统的进料口与干燥系统的出料口相连，所述转底炉还原系统的进气口与气体分离净化系统的出气口相连；
所述气体收集与净化回收系统包括高纯氢气分离与储存系统；所述高纯氢气分离与储存系统的进气口与转底炉还原系统的出气口相连，所述高纯氢气分离与储存系统的出气口与所述转底炉还原系统进气口相连。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述气体收集与净化回收系统还包括含锌尘泥收集系统，所述高纯氢气分离与储存系统的出料口与含锌尘泥收集系统的进料口相连。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述含锌尘泥收集系统还包括用于将含锌尘泥排出的出料口。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述转底炉还原系统还包括用于将制备得到的金属化球团排出的出料口。
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