CN108865316B

CN108865316B - 应用于铁矿烧结的生物质燃料的制备方法

Info

Publication number: CN108865316B
Application number: CN201710900016.1A
Authority: CN
Inventors: 刘超; 张玉柱; 赵凯; 邢宏伟; 康月; 石焱; 李�杰
Original assignee: North China University of Science and Technology
Current assignee: North China University of Science and Technology
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2023-07-11
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: CN108865316A

Abstract

本发明公开了一种应用于铁矿烧结的生物质燃料的制备方法，包括以下步骤：对生物质进行粉碎，得到成型生物质；在氮气环境下，将所得成型生物质以5～10℃/min的升温速率由室温升至350～450℃；再以15～25℃/min的升温速率升温至500～650℃，自然冷却至室温，得到炭化生物质；对所得炭化生物质进行粉碎，得到炭化生物质颗粒；在所述炭化生物质颗粒上均匀喷洒质量为该炭化生物质颗粒6～9wt％的水，得到浸润炭化生物质；将所得浸润炭化生物质和CaO粉末均匀混合，得到生物质燃料。本发明不仅能够使生物质固定碳含量、反应性和燃烧性等性能指标接近焦粉，而且烧结过程中有利于铁酸钙相的生成，改善烧结矿性能指标。

Description

应用于铁矿烧结的生物质燃料的制备方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金烧结燃料技术领域，具体来说涉及一种应用于铁矿烧结的生物质燃料的制备方法。

背景技术

我国钢铁工业流程结构以高炉-转炉流程为主，烧结烟气中污染物来源与烧结过程中燃料燃烧密切相关，烧结过程中产生的90％以上的NO_x源于燃料中的有机含氮化合物。烧结烟气中SO₂的来源主要是铁矿石中的FeS₂或FeS、燃料中的S与氧反应产生，一般认为S生成SO₂的比率可以达到85％～95％。烧结烟气中的CO_x源于烧结燃料的燃烧。因此，以保护环境和资源综合利用为出发点，研制取代传统燃料的新型环保型烧结燃料，实现控制烧结污染源头是控制铁矿烧结过程污染物排放的最直接、有效的手段。

生物质能是可再生的清洁能源，其来源广泛，储量巨大而且可以再生。面临矿产资源日益匮乏的现状，谋求以循环经济、生态经济为指导，坚持可持续发展战略已经成为世界共识，立足保护人类自然资源和生态环境的高度，充分有效地利用丰富的、可再生的生物质资源十分必要。应用生物质能替代煤炭类化石燃料进行烧结，其燃烧产生的CO₂参与大气碳循环，加之生物质燃料低S、低N的特点，因而可从源头降低烧结CO₂、SO₂、NO_x的产生。但是由于生物质燃料疏松多孔导致燃烧反应过快，并且密度小，热值低，直接应用于铁矿烧结会导致火焰前峰与热波前峰移动速率不匹配，烧结料层温度低，最终影响烧结矿转鼓强度、成品率等性能指标。应当通过必要的技术手段对生物质燃料进行处理，降低其反应性，使火焰前峰与热波前峰移动速率匹配，增加其固定碳含量，提高燃料热值。目前，申请号为201110180200.6的专利通过将生物质进行炭化处理，获得烧结用的生物质炭燃料，替代焦粉、无烟煤等化石能源作烧结燃料，实现铁矿烧结的清洁生产；申请号201110180196.3生物质成型燃料的制备是在添加硅溶胶、消石灰的条件下热压成型，获得固体成型燃料。但是，对于烧结用的生物质燃料的整个制备方法与应用，特别是利用CaO粉末对生物质燃料填充包裹技术对抑制NO_x生成鲜有报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种应用于铁矿烧结的生物质燃料的制备方法，该制备方法根据铁矿烧结燃料的要求，分别对生物质进行成型、炭化、CaO粉末填充包裹等处理，解决生物质疏松多孔、比表面积大、固定碳含量低、反应过快等缺陷，同时实现烧结生产污染物减排。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种应用于铁矿烧结的生物质燃料的制备方法，包括以下步骤：

1)对生物质进行粉碎，以使该生物质的粒度达到5～10mm，对粉碎后的生物质进行常温成型，得到成型生物质，其中，所述常温成型的压力为20～50MPa；

在所述步骤1)中，所述常温成型的温度为20～25℃。

在所述步骤1)中，所述常温成型的时间为50～90秒。

2)第一阶段炭化：在氮气环境下，将步骤1)所得成型生物质以5～10℃/min的升温速率由室温升至350～450℃；

在所述步骤2)中，所述室温为20～25℃。

3)第二阶段炭化：在氮气环境下，将步骤2)所得成型生物质再以15～25℃/min的升温速率升温至500～650℃，自然冷却至室温，得到炭化生物质；

4)对步骤3)所得炭化生物质进行粉碎，以使该炭化生物质的粒度达到2～5mm，得到炭化生物质颗粒；在所述炭化生物质颗粒上均匀喷洒质量为该炭化生物质颗粒6～9wt％的水，以使所述炭化生物质颗粒的表面浸润，得到浸润炭化生物质；

5)将步骤4)所得浸润炭化生物质和CaO粉末均匀混合，得到生物质燃料，其中，所述CaO粉末的质量为所述浸润炭化生物质的质量的10％。

在所述步骤5)中，所述CaO粉末的粒度小于等于10μm。

在所述步骤5)中，所述浸润炭化生物质与CaO粉末均匀混合的时间为0.5～1min。

在上述技术方案中，所述生物质为木屑、玉米秸秆、甘蔗渣或果壳。

一种生物质燃料，通过上述制备方法得到。

在上述技术方案中，所述生物质燃料的密度为1.56～1.75g/cm³，固定碳含量为82.5～87.2％。

上述生物质燃料在制备铁矿中的应用，将所述生物质燃料与焦粉均匀混合，得到生物质燃料焦粉混合物，将所述生物质燃料焦粉混合物与烧结原料均匀混合并进行烧结，得到铁矿，其中，生物质燃料与焦粉质量份数的比为(2～6)：(4～8)。

相比于现有技术，本发明的生物质燃料具有的有益效果为：

1.根据生物质疏松多孔的特点，对生物质进行成型处理(常温成型)，成型处理后所得生物质燃料的密度升高到1.56～1.75g/cm³，更加致密；

2.针对生物质挥发分高，固定碳低的特点，对生物质进行炭化改性，提高生物质的固定碳含量，经炭化后所得生物质燃料固定碳含量升高到82.5％-87.2％，与焦粉的固定碳含量相当；

3.由于炭化过程中，生物质的挥发分不断脱除，会导致生物质孔隙率增多，比表面积增大，利用粒径小于10μm的CaO粉末进行填充和包裹，隔离过多空气与之接触反应，能使生物质燃料的反应性降低，减缓生物质燃料的燃烧速度；

4.利用本发明的生物质燃料替代部分焦粉进行烧结生产，在烧结过程中生物质燃料释放热量首先传递给附着在该生物质燃料上的CaO粉末，使得CaO粉末与铁料充分反应，在燃料周围生成铁酸钙相，保证烧结成矿性能的同时抑制NO_x污染物的产生。

本发明对生物质进行成型、炭化、CaO粉末填充包裹处理后，再与烧结原料进行二次制粒应用于烧结生产，不仅能够使生物质固定碳含量、反应性和燃烧性等性能指标接近焦粉，而且烧结过程中有利于铁酸钙相的生成，改善烧结矿性能指标，并且能够降低污染物SO₂和NO_x的排放量。本发明的生物质燃料符合铁矿烧结清洁生产要求，具有较好的经济效益、社会效益和环保效益，符合国家节能减排和资源综合利用的基本政策制。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的应用于铁矿烧结的生物质燃料的制备方法。

在本发明的具体实施方式中，采用实验室烧结杯实验对生物质燃料进行烧结技术指标检验和烧结烟气SO₂和NO_x含量检测，实验室烧结杯的尺寸为Φ200mm×720mm；烧结点火负压为8kPa，抽风负压为12kPa。

CaO粉末购买自天津市永大化学试剂有限公司，纯度大于96％，CaO粉末的粒度小于10μm。

下述实施例步骤2)和步骤3)中氮气的流量为1L/min。

焦粉购买自西山煤电公司。

烧结原料取自河钢集团唐钢公司烧结料厂，烧结原料主要由83.86wt％的铁料、3.00wt％的石灰石、3.84wt％的白灰和4.81wt％的白云石组成，组成烧结原料的各个原料的主要化学成分见表1。

表1为烧结原料主要化学成分

实施例1

1)选取木屑作为生物质，对生物质进行粉碎，以使该生物质的粒度达到5～10mm(或者如果木屑粒度较小，则不需要粉碎处理)，对粉碎后的生物质进行常温成型(温度为20～25℃)，得到成型生物质，其中，常温成型的压力为30MPa，常温成型的时间为60秒。

2)第一阶段炭化：在氮气环境下，利用可控气氛电阻炉将步骤1)所得成型生物质以5℃/min的升温速率由室温20～25℃升至400℃；

3)第二阶段炭化：在氮气环境下，利用可控气氛电阻炉将步骤2)所得成型生物质再以20℃/min的升温速率升温至600℃，自然冷却至室温，得到炭化生物质；

4)对步骤3)所得炭化生物质进行粉碎，以使该炭化生物质的粒度达到2～5mm，得到炭化生物质颗粒；将炭化生物质颗粒放入圆盘混料器中，在炭化生物质颗粒上均匀喷洒质量为该炭化生物质颗粒6wt％的水，以使炭化生物质颗粒的表面浸润，得到浸润炭化生物质；

5)将步骤4)所得浸润炭化生物质和CaO粉末均匀混合，得到生物质燃料，其中，均匀混合的时间为0.5min，CaO粉末的质量为浸润炭化生物质的质量的10％。

实施例2

1)选取玉米秸秆作为生物质，对生物质进行粉碎，以使该生物质的粒度达到5～10mm，对粉碎后的生物质进行常温成型(温度为20～25℃)，得到成型生物质，其中，常温成型的压力为50MPa，常温成型的时间为60秒。

2)第一阶段炭化：在氮气环境下，利用可控气氛电阻炉将步骤1)所得成型生物质以10℃/min的升温速率由室温20～25℃升至350℃；

3)第二阶段炭化：在氮气环境下，利用可控气氛电阻炉将步骤2)所得成型生物质再以20℃/min的升温速率升温至500℃，自然冷却至室温，得到炭化生物质；

实施例3

1)选取果壳((葵花籽、松子和花生壳的混合物)作为生物质，对生物质进行粉碎，以使该生物质的粒度达到5～10mm(如选取的果壳粒度较小，则不需要破碎处理)，对粉碎后的生物质进行常温成型(温度为20～25℃)，得到成型生物质，其中，常温成型的压力为40MPa，常温成型的时间为60秒。

2)第一阶段炭化：在氮气环境下(作为保护气体)，利用可控气氛电阻炉将步骤1)所得成型生物质以5℃/min的升温速率由室温20～25℃升至400℃；

将上述实施例1～3所得生物质燃料和焦粉放入混料器均匀混合，得到生物质燃料焦粉混合物，将生物质燃料焦粉混合物与烧结原料均匀混合并进行烧结，得到铁矿,其中，生物质燃料焦粉混合物为烧结原料提供热量，生物质燃料与焦粉质量份数的比分别为1:4、2:3和3:2，生物质燃料焦粉混合物的质量与烧结原料的质量的比为4.5wt％。按照下述具体性能测试方法进行测试，测试结果如表2所示。

具体性能测试方法如下：

(1)垂直烧结速度：生物质燃料焦粉混合物垂直烧结快慢的程度，为(生物质燃料焦粉混合物)料层高度与烧结时间的比值：

式中：c—垂直烧结速度，mm/min；

h—烧结料层高度，mm；

t—烧结时间，min。

(2)烧损率：生物质燃料焦粉混合物在烧结状态高温下(1200-1400)℃灼烧后失去的质量除以烧结前生物质燃料焦粉混合物质量的百分数。

式中：W₁—烧结前装入烧结杯内的生物质燃料焦粉混合物的质量，kg；

W₂—烧结后烧结杯内的烧结饼(即铁矿，不含的铺底料)的质量，kg。

(3)成品率：将烧结矿(烧结饼，铁矿)在2m高的落下装置中进行三次落下试验，经筛分，将破碎后粒度大于5mm的烧结矿定义为成品烧结矿。

式中：G—成品烧结矿的质量，kg；

W₂—烧结饼的质量(不含铺底料)，kg。

(4)转鼓强度：将粒度大于10mm的烧结矿缩分取样，采用GB8209—87转鼓，进行强度指标(转鼓指数和抗磨指数)检验。(中国国家标准GB8209—87规定了烧结矿和球团矿的转鼓强度的测定方法，用ф1000mm×500mm的转鼓，试样量15kg，以25r/min的转速在鼓内旋转200转，以转后大于6.3mm粒级的质量百分数作为转鼓指数，即转鼓强度。)

式中：m₀—入鼓试样(烧结矿)的质量，kg；

m₁—转鼓后大于6.3mm(+6.3mm)粒级的质量，kg；

(5)烧结烟气中SO₂和NO_x污染物检测：利用型号为GH-60E的烟气检测仪在烧结杯底部排气管道中对烟气成分进行测试，通过对比实验得到烧结烟气污染物的减排量。

式中：R—烟气中SO₂或NO_x减排量，％；

Q₀—常规烧结中SO₂或NO_x的含量，mg/m³；

Q_n—利用生物质燃料烧结中SO₂或NO_x的含量，mg/m³。

表2不同生物质燃料替代比例下的烧结技术指标

生物质燃料密度小，固定碳含量低无法直接将其利用到烧结生产中，将其改性后生物质燃料密度提高到1.56～1.75g/cm³，固定碳含量为82.5～87.2％。改性后生物质燃料的反应性和燃烧性能比焦粉好，因此添加加生物质燃料后，烧结的垂直燃烧速度变快，且随着生物质燃料的添加量增加而加快，烧结过程缩短，有利于提高烧结速率，但是随着生物质燃料的持续添加，燃烧前沿速度持续加快，导致与传热前沿速度失衡，烧结矿转鼓强度和成品率均呈降低趋势，应适当添加生物质燃料。生物质燃料中S和N含量均低于焦粉，在烧结过程中随着生物质燃料的增加，烟气中的SO₂和NO_x含量也随之降低，应尽量提高生物质燃料部分替代焦粉进行烧结，降低烧结烟气污染物排放，综合烧结生产各项指标质量和污染物减排情况，改性后生物质燃料在烧结生产中的添加量能提高到40％以上。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种应用于铁矿烧结的生物质燃料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对生物质进行粉碎至粒度为5～10mm，对粉碎后的生物质进行常温成型，得到成型生物质，其中，所述常温成型的压力为20～50MPa；

5)将步骤4)所得浸润炭化生物质和CaO粉末均匀混合，得到生物质燃料，其中，所述CaO粉末的质量为所述浸润炭化生物质的质量的10％；

在所述步骤2)中，所述室温为20～25℃。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述常温成型的温度为20～25℃。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述常温成型的时间为50～90秒。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤5)中，所述CaO粉末的粒度≤10μm。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤5)中，所述浸润炭化生物质与CaO粉末均匀混合的时间为0.5min。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述生物质为木屑、玉米秸秆、甘蔗渣或果壳。

7.如权利要求1～6任意一项所述制备方法得到的生物质燃料。

8.根据权利要求7所述的生物质燃料，其特征在于，所述生物质燃料的密度为1.56～1.75g/cm³，固定碳含量为82.5～87.2％。

9.如权利要求7或8所述生物质燃料在制备铁矿中的应用，其特征在于，将所述生物质燃料与焦粉均匀混合，得到生物质燃料焦粉混合物，将所述生物质燃料焦粉混合物与烧结原料均匀混合并进行烧结，得到铁矿，其中，生物质燃料与焦粉质量份数的比为(2～6)∶(4～8)。