CN117107056A - 一种高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料及其制备方法，属于钢铁冶金及生物质资源高效利用技术领域。该方法为将生物质磨粉后添加煤、铁粉，造球、炭化处理制得铁碳复合炉料。该方法既可解决焦炭的原料限制，降低原料成本，又能明显提高铁碳复合炉料产品性能。得到一种适应双碳环境需要零碳排放的生物质与煤外加铁粉制得铁碳复合炉料，作为高炉炼铁的部分焦炭替代料，具有降低焦比，催化铁氧化物还原反应，降低需要温度，降低碳排放及综合成本的目的。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金及生物质资源高效利用技术领域，具体涉及一种高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料及其制备方法。
背景技术
目前炼铁工艺主要依赖于高炉，高炉还原和升温所需的能源主要依靠的是碳，高炉工艺可用的还原剂还是离不开碳，其本质是通过还原将铁矿石进行脱氧、通过造渣进行渣铁分离。为了提高冶炼效率，无论是从高炉风口鼓入被加热的空气来补能提温，还是富氧、喷煤等只是提高现代大型化高炉的效能，并不能实现碳减排。
生物质是地球上唯一可再生的碳源，在环境保护、资源利用等方面具有特殊优势，被认为是人类未来能源和化学燃料的重要来源，极具开发潜力。生物质来源广泛，数量巨大。在保证农业应用的前提下，将剩余的生物质制成生物炭后，可利用其较好的燃烧性能制备炭化生物质煤，广泛用作工农业生产中。若能采用生物质或部分生物质直接或间接产品应用于冶金，替代化石能源的消耗，不仅为冶金提供能源问题，还可达到最大限度的碳减排效果。从欧盟27国的能源总体结构来看，生物质能占可再生能源的比重高达65％；从碳减排的贡献来看，生物质能占比达43％，位居第一。
冶金行业在国民生产中占比较重，世界一半的钢产量在中国，如果一个1千万吨产能的钢铁联合企业，一年将消耗掉2.5万吨的生物质成品，将消纳25万吨的生物质秸秆，平均2500元/t计算，将创造6.25亿元的直接产值，这其中不包括节约的碳交易费用，20万吨标煤费用，矿物使用费。生物质在冶金、“碳中和”“碳达峰”的行动中成为发展的利器，对推动产业循环，经济结构联动，生态布局起到纽带促进不可或缺的作用，不仅保证冶金工业中的发展，且孕育出可持续发展的新型农业，这种前景十分诱人。
如果直接将生物质加工制粉，喷入高炉具有很大的缺陷性：热值低，水分含量高(±50％)，能量密度低(低固定碳含量＜45％)，体积太大，长距离运输不经济，不均匀性；而且燃烧特性的巨大差异(固化碳，VC，无机成分，水分，热值)，大小，形状和类别差异大(处理和储存困难)燃烧效率低，难以研磨成粉(易磨性差)，吸湿性(在储存时吸收水分)。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明要解决的一个技术问题在于提供一种高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料，是一种适应双碳环境需要零碳排放的生物质与煤外加铁粉制得铁碳复合炉料，作为高炉炼铁的部分焦炭替代料，具有降低焦比，催化铁氧化物还原反应，降低需要温度，降低碳排放及综合成本的目的。本发明要解决的另一个技术问题在于提供一种高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，既可解决焦炭的原料限制，降低原料成本，又能明显提高铁碳复合炉料产品性能。
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，将生物质磨粉后添加煤、铁粉，造球、炭化处理制得高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料。
所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，生物质为秸秆或木屑，粒径为100-150目；铁粉为赤铁矿或铁精矿粉，粒径小于300目；煤粉的粒径小于200目，选用灰分较低的煤，一般不超过12％。
所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，原料包括生物质20～50重量份，铁粉10～30重量份；煤30～50重量份，煤选择非炼焦煤。
所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，使用前对生物质进行预处理，包括以下步骤：
(a)将生物质切碎，长度为20～100mm；
(b)将粉碎后的生物质加入青贮池进行青贮发酵堆存处理，由于发酵热能的聚集，青贮后的碎秸秆进行自身干燥处理，得到含水量为9％～15％的生物质；
(c)将干燥后的生物质通过粉碎机进行细粉碎，并通过风送系统进入料仓贮存，得到粒度为100～150目的生物质纤维。
所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，将生物质、铁粉、煤三种物料配好料后，直接投入到强力混料机内，混合3～5分钟，输送至强力对辊压球机中，进行造球，球的直径30～60mm，厚度20mm。由于生物质具有一定的胶粘性，含有一定的内水，弥补了煤没有粘性的缺陷，使造球冷态强度较好，满足储存运输的要求。
所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，压好的球料可以另外堆放干燥，也可以直接进入烘干窑烘干，再进入回转窑炭化室直接炭化处理。球料先在炭化窑内850～950℃条件下炭化2h，再于550～750℃条件下炭化3h，将炭化后的料经直接喷水冷却，冷却后即得成品铁碳复合料。
所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将生物质原料切碎、发酵堆存处理后干燥，将干燥后的生物质细粉碎，得到生物质原料；
(2)将铁粉、生物质原料、煤粉按照质量配比投入到强力混料机内混合、造球；
(3)压好的球料烘干后进行炭化处理，将炭化后的料经喷水冷却，冷却后即得高炉冶炼用生物质铁碳复合料。
生物质自生胶粘性，焙烧有机焦油类物质的逸出，利于促进混料的韧性，达到困料的效果，保证压球时的成型率90％以上和强度≥500N。～200目的煤粉、生物质和～300目的铁粉在强力混料机内充分混匀保证煤粉有机挥发分快速分解，产生的还原性气氛于FeOx反应，确保还原反应由里到外均可进行，煤粉分解逸出留下的空隙由高温促进剂溢流填充，补位空缺，避免球料疏松，而被还原的FeOx产生金属Fe与C形成铰链，强化了球料的高温强度，金属铁被大量的固C包裹，进入高炉在一定高温下也能保证不散架，达到焦炭的高温作用。产生的金属Fe在高炉的炉身间接还原反应部位对CO+FeOx＝Fe+CO2起到催化作用，降低了反应温度，达到节能减排的目的。
上述方法制备得到的高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料。
有益效果：与现有的技术相比，本发明的优点包括：
(1)本发明克服生物质天生的缺陷，生物质比重在0.4kg/cm3左右，经过制粉造粒后比重提升至0.6kg/cm3以上，保持生物质原有能量含量的90％的情况下，单位体积的能量密度增加达70％，剔除水分，与其它物料混合炭化，生物质颗粒比重在0.6kg/cm3，配加铁矿粉后将比重提升至1kg/cm3以上，便于储运。
(2)生物质初始水分比较高(±35％)，堆积密度小(±400kg/m3)，能量密度(±6.5GJ/m3)，因此必须降低水分，提高能量密度和体积密度。热化学处理与烘培或者高温裂解相似，从木质生物质里分离出水、一些挥发性有机污染物和半纤维素，留下纤维素和木质素生产出碳化残留物碳化木质，挥发性有机物和半纤维素燃烧时会产生热量需要持续这个过程，如果采用煤粉、铁矿粉热接压球，温热的木质素就是粘合剂。
(3)成品生物质铁碳复合炉料可以替代10％～30％的高炉用焦炭，450m3的高炉加入5％的生物质铁碳复合炉料时，可降低焦比45kg/t铁水，加入10％的生物质铁碳复合炉料时，可降低焦比99kg/t铁水，由于采用大量的非粘结性焦煤制作，大量生物质，吨成本比传统的焦煤低500元以上，而且由于其含有金属Fe在高炉的炉身间接还原反应起到的催化作用，降低综合能耗，碳减排达到20％以上，且生物质是唯一绿色的可再生资源。该产品将成为低碳绿色的环保炉料，为解决钢铁焦炭之困提供可能。
(4)该复合料作为高炉炼铁的部分焦炭替代料，具有降低焦比，催化铁氧化物还原反应，降低需要温度，降低碳排放及综合成本的目的。热空区温度下降，炉内温度水平降低，软熔带位置下移。当碳铁复合炉料用量达30％时，热空区温度降低200℃，焦比降低25％以上，产量提高，总还原剂消耗降低3.5％左右，吨铁成本降低10元左。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明工艺流程图如图1所示。由图1可知，非炼焦煤、铁矿粉和生物质按照一定的比例配料后，投入强力混料机，快速混炼后通过输送带进入强力对辊压球机内进行造球，造好的混合煤球直接进入预热料仓，预热后送入套筒式回转窑外壁炭化室，回转窑内筒作为加热能量源。而热能来自于球料自身分解产生挥发煤气，通过燃烧室燃烧后输入回转窑内胆高温烟气管，排除的热废气作为原料球料的预热烘干。为了避免高温烟气管温度超出设定值，旁边配有冷风配送系统，来调节稳定高温管内的温度。炭化后的球料排除时，喷水快速冷却，便得到表面光洁、均质、无烧失缺陷的生物质铁碳复合炉料。
秸秆是众多生物质中的一种。我国每年可生产秸秆10亿多吨，约占全世界秸秆总量的25％～35％，废弃或露天焚烧的部分秸秆约占总量的1/3。露天焚烧是目前解决秸秆去向的主要途径，既浪费了宝贵的资源又污染了大气环境，还带来严重的社会问题，引起附近居民呼吸道疾病、高速公路被迫关闭、飞机停飞等问题。因此，秸秆的高效资源化利用也迫在眉睫。以煤和秸秆的混合料为主要原料制备生物质铁碳复合炉料是秸秆高效资源化利用的重要发展方向之一，可显著提高秸秆的附加值，较少高炉碳排放，推动高炉炼铁环保绿色健康快速发展。
本发明中，结合以丰富的非炼焦煤和秸秆类生物质，氧化铁粉的混合料为原料制备生物质铁碳复合炉料，既可解决焦炭的原料限制，降低原料成本，又能明显提高铁碳复合炉料产品性能。以下实施例用铁粉粒径小于300目；煤粉的粒径小于200目，烟煤的灰分10％左右，固定碳含量35％以上。
实施例1
一种高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将秸秆切碎，长度为20～100mm；将粉碎后的秸秆加入青贮池进行青贮发酵，温度50℃条件下堆存处20天，由于发酵热能的聚集，青贮后的碎秸秆进行自身干燥处理，得到含水量为9％～15％的秸秆；将干燥后的秸秆通过粉碎机进行细粉碎，并通过风送系统进入料仓贮存，得到粒度为100～150目的生物质纤维；
(2)将赤铁矿铁粉、秸秆、非炼焦煤按照10％、50％和40％的质量占(该质量占比指的是赤铁矿粉、秸秆、非炼焦煤的质量分别占上述三种原料总质量的百分数)比投入到强力混料机内，混合4分钟，混料过程补充水，水含量保持总物料含量的8％，输送至强力对辊压球机中，进行造球，球的直径50mm，厚度20mm；
(3)压好的球料直接进入烘干窑烘干，再进入回转窑炭化室直接炭化处理；球料炭在化窑内900℃条件下炭化2h，650℃条件下炭化3h，将炭化后的料经直接喷水冷却，冷却后即得成品铁碳复合料。
对上述成品铁碳复合料进行性能测试，该复合料的比重为1.95g/cm3，强度为3000N。保持生物质原有能量含量的90％的情况下，单位体积的能量密度增加70％，体积密度1.8g/cm3。
实施例2
一种高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将秸秆切碎，长度为20～100mm；将粉碎后的秸秆加入青贮池进行青贮发酵，温度50℃堆存处理时间20天，由于发酵热能的聚集，青贮后的碎秸秆进行自身干燥处理，得到含水量为9％～15％的秸秆；将干燥后的秸秆通过粉碎机进行细粉碎，并通过风送系统进入料仓贮存，得到粒度为100～150目的生物质纤维；
(2)将赤铁矿铁粉、秸秆、非炼焦煤按照20％、50％和30％的质量占比(该质量占比指的是赤铁矿粉、秸秆、非炼焦煤的质量分别占上述三种原料总质量的百分数)投入到强力混料机内，混合4分钟，混料过程补充水，水含量保持总物料含量的8％，输送至强力对辊压球机中，进行造球，球的直径50mm，厚度20mm；
(3)压好的球料直接进入烘干窑烘干，再进入回转窑炭化室直接炭化处理；球料在炭化窑内900℃条件下炭化2h，650℃条件下炭化3h，将炭化后的料经直接喷水冷却，冷却后即得成品铁碳复合料。
对上述成品铁碳复合料进行性能测试，该复合料的比重为2.15g/cm3，强度为3200N。保持生物质原有能量含量的90％的情况下，单位体积的能量密度增加65％，体积密度2.05g/cm3。
实施例3
一种高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将秸秆切碎，长度为20～100mm；将粉碎后的秸秆加入青贮池进行青贮发酵，温度50℃条件下堆存处20天，由于发酵热能的聚集，青贮后的碎秸秆进行自身干燥处理，得到含水量为9％～15％的秸秆；将干燥后的秸秆通过粉碎机进行细粉碎，并通过风送系统进入料仓贮存，得到粒度为100～150目的生物质纤维；
(2)将赤铁矿铁粉、秸秆、非炼焦煤按照30％、30％和40％的质量占(该质量占比指的是赤铁矿粉、秸秆、非炼焦煤的质量分别占上述三种原料总质量的百分数)比投入到强力混料机内，混合4分钟，混料过程补充水，水含量保持总物料含量的8％，输送至强力对辊压球机中，进行造球，球的直径50mm，厚度20mm；
(3)压好的球料直接进入烘干窑烘干，再进入回转窑炭化室直接炭化处理；球料在炭化窑内900℃条件下炭化2h，650℃条件下炭化3h，将炭化后的料经直接喷水冷却，冷却后即得成品铁碳复合料。
对上述成品铁碳复合料进行性能测试，该复合料的比重为2.35g/cm3。强度为3300N。保持生物质原有能量含量的90％的情况下，单位体积的能量密度增加60％，体积密度2.15g/cm3。
实施例4
一种高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将秸秆切碎，长度为20～100mm；将粉碎后的秸秆加入青贮池进行青贮发酵，温度50℃条件下堆存处20天，由于发酵热能的聚集，青贮后的碎秸秆进行自身干燥处理，得到含水量为9％～15％的秸秆；将干燥后的秸秆通过粉碎机进行细粉碎，并通过风送系统进入料仓贮存，得到粒度为100～150目的生物质纤维；
(2)将赤铁矿铁粉、秸秆、非炼焦煤按照30％、20％和50％的质量占比(该质量占比指的是赤铁矿粉、秸秆、非炼焦煤的质量分别占上述三种原料总质量的百分数)投入到强力混料机内，混合4分钟，混料过程补充水，水含量保持总物料含量的8％，输送至强力对辊压球机中，进行造球，球的直径50mm，厚度20mm；
(3)压好的球料直接进入烘干窑烘干，再进入回转窑炭化室直接炭化处理；球料在炭化窑内900℃条件下炭化2h，650℃条件下炭化3h，将炭化后的料经直接喷水冷却，冷却后即得成品铁碳复合料。
对上述成品铁碳复合料进行性能测试，该复合料的比重为2.45g/cm3。强度为3300N。保持生物质原有能量含量的90％的情况下，单位体积的能量密度增加55％，体积密度2.25g/cm3。
Claims (10)
1.一种高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，其特征在于，将生物质磨粉后添加煤、铁粉，造球、炭化处理制得高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料。
2.根据权利要求1所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，其特征在于，所述生物质为秸秆或木屑，粒径为100～150目。
3.根据权利要求1所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，其特征在于，所述铁粉为赤铁矿或铁精矿粉，粒径小于300目。
4.根据权利要求1所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，其特征在于，所述煤粉的粒径小于200目，灰分小于12％。
5.根据权利要求1所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，其特征在于，原料包括生物质20～50重量份，铁粉10～30重量份；煤30～50重量份。
6.根据权利要求1所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，其特征在于，使用前对生物质进行预处理，包括以下步骤：
(a)将生物质切碎，长度为20～100mm；
(b)将粉碎后的生物质加入青贮池进行青贮发酵堆存处理，青贮后的碎生物质进行自身干燥处理，得到含水量为9％～15％的生物质；
(c)将干燥后的生物质通过粉碎机进行细粉碎，并通过风送系统进入料仓贮存，得到粒度为100～150目的生物质纤维。
7.根据权利要求1所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，其特征在于，将生物质、煤、铁粉配好料后，直接投入到强力混料机内，混合3～5分钟，输送至强力对辊压球机中，进行造球，球的直径30～60mm，厚度20mm。
8.根据权利要求1所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，其特征在于，造球后的球料堆放干燥或直接进入烘干窑烘干，干燥后再进入回转窑炭化室直接炭化处理；球料先在炭化窑内850～950℃条件下炭化2h，再于550～750℃条件下炭化3h，将炭化后的料经直接喷水冷却，冷却后即得成品铁碳复合料。
9.根据权利要求1所述高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将生物质原料切碎、发酵堆存处理后干燥，将干燥后的生物质细粉碎，得到生物质原料；
(2)将铁粉、生物质原料、煤粉投入到强力混料机内混合、造球；
(3)压好的球料烘干后进行炭化处理，将炭化后的料经喷水冷却，冷却后即得高炉冶炼用生物质铁碳复合料。
10.权利要求1-9任一所述方法制备得到的高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料。
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| CN202310973992.5A CN117107056A (zh) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | 一种高炉冶炼用生物质铁碳复合炉料及其制备方法 |
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- 2023-08-03 CN CN202310973992.5A patent/CN117107056A/zh active Pending
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