專利名稱：一種鐵礦燒結用生物質炭及其制備與應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于鋼鐵冶金領域的燒結行業，涉及一種鐵礦燒結用生物質炭及其制備與應用技術，通過將生物質進行炭化處理，獲得燒結用的生物質炭燃料，替代焦粉、無煙煤等化石能源作燒結燃料，實現鐵礦燒結的清潔生產。
背景技術：
燒結礦是高爐煉鐵的主要含鐵爐料，2010年我國燒結礦產量高達7. 6億噸。在我國高爐含鐵爐料結構中，燒結礦一般占75%以上。鐵礦燒結是典型的高能耗、高污染行業， 其工序能耗在鋼鐵企業中僅次于煉鐵工序，居第二位，一般為企業總能耗的9% -12%。且燒結煙氣中含有大量的溫室氣體(X)2以及污染性氣體S0x、N0x等，三者的排放量分別占鋼鐵工業總排放量的10 %、70 %、48 %，是鋼鐵工業的主要大氣污染源。固體燃料消耗占燒結工序總能耗75% 80%，我國鐵礦燒結主要采用焦粉、無煙煤等化石燃料。燒結過程COx主要來自化石燃料的燃燒產物，不完全燃燒生成C0，完全燃燒生成(X)2 ；燒結煙氣中SOx的來源是鐵礦石和燃料中有機硫、FeS2、FeS氧化及硫酸鹽高溫分解，由于燃料中硫含量遠高于鐵礦中硫含量，一般可高達0. 5%以上，是煙氣中SOx的主要來源；燒結過程主要為燃料型NOx，而熱力型NOj^P快速型NOx生成量很少，NOx來源主要是燃料中的氮化物在高溫下熱分解，再和氧化合生成N0X。因此，化石燃料是燒結過程C0X、SOx, NOx產生的主要來源。采用清潔且價廉的燃料替代焦粉、無燃煤等化石燃料是緩解我國環境污染和能源緊缺雙重壓力的重要途徑。生物質能是由植物光合作用固定于地球上的太陽能，是一種清潔可再生能源，由于生物質燃料主要含有C、H、0，而N、S含量低，S0x、N0x排放遠遠低于化石類燃料，且燃燒生產的(X)2參與大氣碳循環，溫室氣體基本上屬于零排放，因此生物質燃料應用于鐵礦燒結可以有效降低C0X、SOx, NOx的排放量。與無煙煤、焦粉等化石燃料相比，生物質具有揮發份高(> 70% )、固定C含量低 (< 20% )、著火溫度低、燃燒速度快、反應性好、容易燃盡的特點，在化學成分、燃燒特性等方面與化石燃料有著顯著的差異。采用焦粉或無煙煤為燃料時，燒結燃燒前沿速度和傳熱前沿速度具有良好的一致性。但直接采用生物質燃料替代化石燃料，燃燒前沿速度將大幅提高，使得燃燒前沿速度和傳熱前沿速度的一致性被破壞，造成燒結料層溫度低，難以滿足鐵礦燒結的高溫要求。因此，減小生物質燃料和化石燃料之間的差異，有利于其在燒結中的應用。有效的方法是將生物質進行炭化，提高其固定碳含量、減少揮發份含量。目前炭化產品主要利用其良好的燃燒性能作輕工業燃料，或利用其網孔結構和高比表面積的催化和吸附功能用于環境凈化。但反應性好、燃燒速度快、比表面積高的炭化產品并不適合鐵礦燒結。當前還沒有燒結用生物質炭制備及應用的報道。將生物質進行炭化處理，使其具有合適的燃燒性和反應性，是生物質炭成功應用到鐵礦燒結的關鍵，因此需要開發適合的生物質炭化處理技術和相應的燒結技術，使生物質炭的燃燒速度和料層傳熱速度匹配，以提高燒結料層溫度，從而替代焦粉、無煙煤等化石燃料。我國可開發為能源的生物質資源量大，相當于3億噸標準煤，但利用率不足10%， 大量寶貴的生物質燃料被白白浪費掉。對各種生物質進行加工、處理，成為鐵礦燒結生產所需要的燃料，不僅可以避免資源的浪費，還可實現資源的高值化利用，并為燒結行業的清潔生產做出貢獻。
發明內容
本發明第一個目的是提供一種燒結用生物質炭替代焦粉、無煙煤等化石類燃料， 并作為符合燒結要求的燃料，以減少燒結過程溫室氣體和污染氣體的排放。本發明第二個目的是提供燒結用生物質炭的制備方法，可將生物質通過本發明的炭化工藝制成符合燒結要求的燃料，從而替代焦粉、無煙煤等化石類燒結燃料。本發明的第三個目的即應用方法在于將本發明所得的生物質炭應用到鐵礦燒結工藝中替代焦粉、無煙煤等化石燃料，以減少燒結過程溫室氣體和污染氣體的排放。本發明提供的鐵礦燒結用生物質炭，是通過生物質炭化處理后得到的，具有以下特質，即生物質炭的密度1. 1 1.4g/Cm3、固定碳含量75 90%、揮發份5 15%、熱值 25 32Mi/kg。本發明的鐵礦燒結用生物質炭的制備，是通過生物質經炭化處理后得到的。所述的炭化處理過程包括在生物質中加入1 3%的強化劑中溫浙青，混勻后采用兩段炭化的方法，先將生物質加熱到400 450°C進行低溫炭化，然后加熱到500 700°C進行高溫炭化。本發明優選的技術方案是以4 6°C /min的升溫速度將生物質加熱到400 450°C進行低溫炭化，然后以10 20°C /min的升溫速度進一步加熱到500 700°C進行高溫炭化。作為鐵礦燒結用生物質炭是將其破碎成平均粒徑為2 4mm，但所述的生物質炭中粒徑小于0. 5mm的顆粒質量含量不應超過整個生物質炭質量的25%為好。本發明的應用在于，將本發明的得到生物質炭，應用到鐵礦燒結工藝中替代部分化石燃料。本發明的生物質炭應用到鐵礦燒結的具體方法為，先通過燒結試驗確定在采用化石燃料(如焦粉或無煙煤)時需加入到燒結混合料的用量；用生物質炭替代化石燃料的比例不超過所需化石燃料質量的60% ；采用熱量置換的方法計算替代化石燃料所需的生物質炭的質量，熱量置換比為0. 8 1. 0，即生物質炭釋放出的IKJ熱量置換0. 8 1. OKJ由化石燃料釋放出的熱量。本發明的鐵礦燒結用生物質炭的具體的制備和應用過程分別為生物質炭的制備采用炭化工藝對生物質進行處理以提高其固定碳含量、降低揮發份含量。具體方法是在生物質中加入占其質量含量1 3%的強化劑中溫浙青，混勻后采用兩段炭化的方法，首先以4 6°C /min的升溫速度將生物質加熱到400 450°C進行低溫炭化，然后以10 20°C /min的升溫速度進一步加熱到500 700°C進行高溫炭化。從而可以獲得密度1. 1 1. 4g/cm3、固定碳含量75 90%、揮發份5 15%、熱值25 32MJ/kg的生物質炭。將生物質炭破碎成平均粒徑為2 4mm，且所述的生物質炭中粒徑小于0. 5mm的顆粒質量含量不應超過整個生物質炭質量的25%。生物質炭作燃料應用到鐵礦燒結方法按照燒結礦成分的要求采用質量配料法配料，化石燃料占到燒結礦成分質量含量的3 6%，采用生物質炭替代0 60%的化石燃料 (如焦粉或無煙煤)進行鐵礦燒結。將鐵礦石、熔劑、燒結返礦、燃料配料后充分混勻并制粒，將制粒后的混合料布到燒結機上進行點火、燒結即成燒結礦。所述生物質炭替代化石燃料的方法是先通過燒結試驗確定單獨采用焦粉或無煙煤時其各自的配比，采用熱量置換的方法計算替代一定比例的焦粉或無煙煤(如替代 20 %，30 %焦粉或無煙煤等，但不應超過60 % )所需的生物質重量，熱量置換比為0. 8 1. 0 (即生物質釋放出的IKJ熱量置換焦粉0. 8 1. OKJ的熱量)。本發明以上方案中，所述的生物質可以選自包括玉米秸稈、水稻秸稈或高粱秸稈在內的農業廢棄物、林業加工的廢料、包括樹木在內的木質生物、包括甘蔗渣、油料渣滓或果殼在內的加工廢棄物，或是以上生物質中的一種或幾種的混合物。本發明的生物質炭具有較優的固定碳的含量、密度、揮發份及熱值，可使生物質炭在鐵礦燒結過程具有合適的燃燒性和反應性。將本發明的生物質炭應用到鐵礦燒結，可大幅降低COx、SOx、NOx的排放量。本發明的生物質炭通過采用兩段式炭化在保證生物質炭產率高的同時，可有效提高生物質中固定碳的含量，并結合浙青同步焦化的強化技術，使生物質炭具有合適的燃燒性和反應性。采用兩段炭化工藝，在慢速升溫、低溫炭化條件下可提高生物質炭的產率，然后在快速升溫、高溫炭化條件下使生物質炭中C晶粒結晶長大，從而適當降低生物質炭的燃燒性和反應性，有利于縮小燒結燃燒前沿速度與傳熱前沿速度的差異；另外，在生物質中添加強化劑浙青，在炭化過程中，浙青將會發生分解、環化、芳構化、縮聚直至成焦等一系列反應，在400 450°C低溫段半焦化，在500 70(TC高溫段焦化，其結構發生重排，與生物質炭之間形成C-C粘結橋，保證生物質炭化成塊，并促進C晶粒結晶長大，從而適當降低生物質炭的孔隙率，有利于縮小燒結燃燒前沿速度與傳熱前沿速度的差異。本發明還將生物質炭破碎成平均粒徑2 4mm ；對于粒徑小于0. 5mm的顆粒其含量應小于25%生物質炭，通過充分控制生物質碳的粒度，保證燃料在燒結過程既能燃盡又使其燃燒速度不致過快。本發明在鐵礦燒結應用中，采用熱量置換的方法，通過選擇適宜的熱量置換比，使燒結過程具有足夠的熱量，保證燒結礦的產量、質量指標。本發明的生物質炭應用的特征在于通過燃料粒度組成的控制技術以及相應的燒結技術，使生物質炭為燃料的燒結過程燃料燃燒速度和料層傳熱速度有良好的匹配性。本發明所指的百分比均為質量百分比。
具體實施例方式下面實例是對本發明的進一步說明，而不是限制發明的范圍。具體操作方法在林業廢棄物鋸末中添加占總質量2%的中溫浙青，混勻后進行炭化，首先以 5°C /min的升溫速度將生物質加熱到400°C進行低溫炭化，然后以12°C /min的升溫速度進
5一步加熱到600°C進行高溫炭化，獲得密度1. 2g/cm3、固定碳含量83. 74%、揮發份7. 55%、 熱值30. 77MJ/kg的生物質炭。將生物質炭破碎成平均粒徑為2. 41mm且-0. 5mm含量為 23. 58%的燒結用燃料。生物質炭與焦粉在化學成分與工業分析、灰分成分、粒度組成方面對比分別見表1 表3。表1燃料的化學成分及工業分析
權利要求
1.一種鐵礦燒結用生物質炭，是將生物質經炭化處理后得到，所得的生物質炭的密度 1. 1 1. 4g/cm3、固定碳含量75 90%、揮發份5 15%、熱值25 32MJ/kg。
2.根據權利要求1所述的鐵礦燒結用生物質炭，其特征在于，炭化處理為在生物質中加入占其質量含量1 3%的強化劑中溫浙青，混勻后采用兩段炭化的方法，即先將生物質加熱到400 450°C進行低溫炭化，然后再加熱到500 700°C進行高溫炭化。
3.根據權利要求2所述的鐵礦燒結用生物質炭，其特征在于，以4 6°C/min的升溫速度將生物質加熱到400 450°C進行低溫炭化，然后以10 20°C /min的升溫速度再加熱到500 700°C進行高溫炭化。
4.根據權利要求1所述的鐵礦燒結用生物質炭，其特征在于，所述的生物質炭的平均粒徑為2 4mm且粒徑小于0. 5mm的顆粒其質量含量不超過整個生物質炭質量的25%。
5.根據權利要求1所述的鐵礦燒結用生物質炭，其特征在于，所述生物質選自包括玉米秸稈、水稻秸稈或高粱秸稈在內的農業廢棄物，林業加工的廢料，包括樹木在內的木質生物，包括甘蔗渣、油料渣滓或果殼在內的加工廢棄物，或是以上生物質中的一種或幾種的混合物。
6.一種鐵礦燒結用生物質炭的制備方法，其特征在于，將生物質經炭化處理后得到生物質炭，所述的炭化處理為在生物質中加入1 3%的強化劑中溫浙青，混勻后采用兩段炭化的方法，即先將生物質加熱到400 450°C進行低溫炭化，然后再進一步加熱到500 700°C進行高溫炭化。
7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，先是以4 6°C/min的升溫速度將生物質加熱到400 450°C進行低溫炭化，然后以10 20°C /min的升溫速度進一步加熱到500 700°C進行高溫炭化。
8.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述生物質選自包括玉米秸稈、水稻秸稈或高粱結稈在內的農業廢棄物、林業加工的廢料、包括樹木在內的木質生物、包括甘蔗渣、油料渣滓或果殼在內的加工廢棄物，或是以上生物質中的一種或幾種的混合物。
9.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述的生物質炭破碎成平均粒徑為 2 4mm，且粒徑小于0. 5mm的顆粒其質量含量不超過整個生物質炭質量的25%。
10.權利要求1-9任一項所得的生物質炭的應用方法，將所得的生物質炭應用到鐵礦燒結工藝中替代部分化石燃料。
11.根據權利要求10所述的鐵礦燒結用生物質炭的應用方法，其特征在于，應用過程為先通過燒結試驗確定在采用化石燃料需加入到燒結混合料的用量；用生物質炭替代化石燃料的替代比例不超過所需化石燃料質量的60% ；采用熱量置換的方法計算替代化石燃料所需的生物質炭的質量，熱量置換比為0. 8 1. 0，即生物質炭釋放出的IKJ熱量置換 0. 8 1. OKJ由化石燃料釋放出的熱量。
全文摘要
本發明涉及一種鐵礦燒結用生物質炭及其制備與應用。生物質炭的制備是采用兩段式炭化工藝，通過低溫炭化和高溫炭化的配合，以及在添加劑瀝青的強化作用下，獲得密度1.1～1.4g/cm3、固定碳含量75～90％、揮發份5～15％、熱值25～32MJ/kg的生物質炭，并將其破碎成適宜的粒度組成。將生物質炭應用到鐵礦燒結，可替代0～60％的化石燃料，方法是按照0.8～1.0的熱量置換比替代化石燃料，將鐵礦石、熔劑、燒結返礦、燃料配料后充分混勻并制粒，布料后點火、燒結即成燒結礦，獲得的燒結指標與完全使用焦粉時相當，并可大幅降低燒結過程COx、SOx、NOx的排放量。
文檔編號C22B1/16GK102352273SQ201110180200
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月30日 優先權日2011年6月30日
發明者余志遠, 姜濤, 季志云, 張元波, 李光輝, 李文琦, 李騫, 楊永斌, 王強, 王祎, 甘敏, 白國華, 范曉慧, 袁禮順, 許斌, 謝路奔, 郭宇峰, 陳許玲, 黃柱成 申請人:中南大學