*CN102352273A*
(10)申请公布号 CN 102352273 A(43)申请公布日 2012.02.15
(12)发明专利申请
(21)申请号 201110180200.6(22)申请日 2011.06.30
(71)申请人中南大学
地址410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南路
932号(72)发明人范晓慧 甘敏 陈许玲 袁礼顺
姜涛 李光辉 郭宇峰 杨永斌张元波 李骞 黄柱成 白国华许斌 季志云 余志远 李文琦谢路奔 王强 王祎(74)专利代理机构长沙市融智专利事务所
43114
代理人魏娟(51)Int.Cl.
C10B 57/04(2006.01)C10B 57/02(2006.01)C22B 1/16(2006.01)
C10L 5/44(2006.01)C10B 53/02(2006.01)
(54)发明名称
一种铁矿烧结用生物质炭及其制备与应用(57)摘要
本发明涉及一种铁矿烧结用生物质炭及其制备与应用。生物质炭的制备是采用两段式炭化工艺，通过低温炭化和高温炭化的配合，以及在添加剂沥青的强化作用下，获得密度1.1～1.4g/cm3、固定碳含量75～90％、挥发份5～15％、热值25～32MJ/kg的生物质炭，并将其破碎成适宜的粒度组成。将生物质炭应用到铁矿烧结，可替代0～60％的化石燃料，方法是按照0.8～1.0的热量置换比替代化石燃料，将铁矿石、熔剂、烧结返矿、燃料配料后充分混匀并制粒，布料后点火、烧结即成烧结矿，获得的烧结指标与完全使用焦粉时相当，并可大幅降低烧结过程COx、SOx、NOx的排放量。
权利要求书 1 页 说明书 5 页
CN 102352273 ACN 102352273 ACN 102352280 A
权 利 要 求 书
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1.一种铁矿烧结用生物质炭，是将生物质经炭化处理后得到，所得的生物质炭的密度1.1～1.4g/cm3、固定碳含量75～90％、挥发份5～15％、热值25～32MJ/kg。
2.根据权利要求1所述的铁矿烧结用生物质炭，其特征在于，炭化处理为：在生物质中加入占其质量含量1～3％的强化剂中温沥青，混匀后采用两段炭化的方法，即先将生物质加热到400～450℃进行低温炭化，然后再加热到500～700℃进行高温炭化。
3.根据权利要求2所述的铁矿烧结用生物质炭，其特征在于，以4～6℃/min的升温速度将生物质加热到400～450℃进行低温炭化，然后以10～20℃/min的升温速度再加热到500～700℃进行高温炭化。
4.根据权利要求1所述的铁矿烧结用生物质炭，其特征在于，所述的生物质炭的平均粒径为2～4mm且粒径小于0.5mm的颗粒其质量含量不超过整个生物质炭质量的25％。
5.根据权利要求1所述的铁矿烧结用生物质炭，其特征在于，所述生物质选自包括玉米秸秆、水稻秸秆或高粱秸秆在内的农业废弃物，林业加工的废料，包括树木在内的木质生物，包括甘蔗渣、油料渣滓或果壳在内的加工废弃物，或是以上生物质中的一种或几种的混合物。
6.一种铁矿烧结用生物质炭的制备方法，其特征在于，将生物质经炭化处理后得到生物质炭，所述的炭化处理为：在生物质中加入1～3％的强化剂中温沥青，混匀后采用两段炭化的方法，即先将生物质加热到400～450℃进行低温炭化，然后再进一步加热到500～700℃进行高温炭化。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，先是以4～6℃/min的升温速度将生物质加热到400～450℃进行低温炭化，然后以10～20℃/min的升温速度进一步加热到500～700℃进行高温炭化。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述生物质选自包括玉米秸秆、水稻秸秆或高粱秸秆在内的农业废弃物、林业加工的废料、包括树木在内的木质生物、包括甘蔗渣、油料渣滓或果壳在内的加工废弃物，或是以上生物质中的一种或几种的混合物。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的生物质炭破碎成平均粒径为2～4mm，且粒径小于0.5mm的颗粒其质量含量不超过整个生物质炭质量的25％。
10.权利要求1-9任一项所得的生物质炭的应用方法，将所得的生物质炭应用到铁矿烧结工艺中替代部分化石燃料。
11.根据权利要求10所述的铁矿烧结用生物质炭的应用方法，其特征在于，应用过程为：先通过烧结试验确定在采用化石燃料需加入到烧结混合料的用量；用生物质炭替代化石燃料的替代比例不超过所需化石燃料质量的60％；采用热量置换的方法计算替代化石燃料所需的生物质炭的质量，热量置换比为0.8～1.0，即生物质炭释放出的1KJ热量置换0.8～1.0KJ由化石燃料释放出的热量。
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说 明 书
一种铁矿烧结用生物质炭及其制备与应用
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技术领域
本发明属于钢铁冶金领域的烧结行业，涉及一种铁矿烧结用生物质炭及其制备与应用技术，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。
[0001]
背景技术
烧结矿是高炉炼铁的主要含铁炉料，2010年我国烧结矿产量高达7.6亿吨。在我国高炉含铁炉料结构中，烧结矿一般占75％以上。铁矿烧结是典型的高能耗、高污染行业，其工序能耗在钢铁企业中仅次于炼铁工序，居第二位，一般为企业总能耗的9％-12％。且烧结烟气中含有大量的温室气体CO2以及污染性气体SOx、NOx等，三者的排放量分别占钢铁工业总排放量的10％、70％、48％，是钢铁工业的主要大气污染源。[0003] 固体燃料消耗占烧结工序总能耗75％～80％，我国铁矿烧结主要采用焦粉、无烟煤等化石燃料。烧结过程COx主要来自化石燃料的燃烧产物，不完全燃烧生成CO，完全燃烧生成CO2；烧结烟气中SOx的来源是铁矿石和燃料中有机硫、FeS2、FeS氧化及硫酸盐高温分解，由于燃料中硫含量远高于铁矿中硫含量，一般可高达0.5％以上，是烟气中SOx的主要来源；烧结过程主要为燃料型NOx，而热力型NOx和快速型NOx生成量很少，NOx来源主要是燃料中的氮化物在高温下热分解，再和氧化合生成NOx。因此，化石燃料是烧结过程COx、SOx、NOx产生的主要来源。
[0004] 采用清洁且价廉的燃料替代焦粉、无燃煤等化石燃料是缓解我国环境污染和能源紧缺双重压力的重要途径。生物质能是由植物光合作用固定于地球上的太阳能，是一种清洁可再生能源，由于生物质燃料主要含有C、H、O，而N、S含量低，SOx、NOx排放远远低于化石类燃料，且燃烧生产的CO2参与大气碳循环，温室气体基本上属于零排放，因此生物质燃料应用于铁矿烧结可以有效降低COx、SOx、NOx的排放量。[0005] 与无烟煤、焦粉等化石燃料相比，生物质具有挥发份高(＞70％)、固定C含量低(＜20％)、着火温度低、燃烧速度快、反应性好、容易燃尽的特点，在化学成分、燃烧特性等方面与化石燃料有着显著的差异。采用焦粉或无烟煤为燃料时，烧结燃烧前沿速度和传热前沿速度具有良好的一致性。但直接采用生物质燃料替代化石燃料，燃烧前沿速度将大幅提高，使得燃烧前沿速度和传热前沿速度的一致性被破坏，造成烧结料层温度低，难以满足铁矿烧结的高温要求。[0006] 因此，减小生物质燃料和化石燃料之间的差异，有利于其在烧结中的应用。有效的方法是将生物质进行炭化，提高其固定碳含量、减少挥发份含量。目前炭化产品主要利用其良好的燃烧性能作轻工业燃料，或利用其网孔结构和高比表面积的催化和吸附功能用于环境净化。但反应性好、燃烧速度快、比表面积高的炭化产品并不适合铁矿烧结。当前还没有烧结用生物质炭制备及应用的报道。[0007] 将生物质进行炭化处理，使其具有合适的燃烧性和反应性，是生物质炭成功应用到铁矿烧结的关键，因此需要开发适合的生物质炭化处理技术和相应的烧结技术，使生物
[0002]
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说 明 书
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质炭的燃烧速度和料层传热速度匹配，以提高烧结料层温度，从而替代焦粉、无烟煤等化石燃料。
[0008] 我国可开发为能源的生物质资源量大，相当于3亿吨标准煤，但利用率不足10％，大量宝贵的生物质燃料被白白浪费掉。对各种生物质进行加工、处理，成为铁矿烧结生产所需要的燃料，不仅可以避免资源的浪费，还可实现资源的高值化利用，并为烧结行业的清洁生产做出贡献。
发明内容
[0009] 本发明第一个目的是提供一种烧结用生物质炭替代焦粉、无烟煤等化石类燃料，并作为符合烧结要求的燃料，以减少烧结过程温室气体和污染气体的排放。[0010] 本发明第二个目的是提供烧结用生物质炭的制备方法，可将生物质通过本发明的炭化工艺制成符合烧结要求的燃料，从而替代焦粉、无烟煤等化石类烧结燃料。
[0011] 本发明的第三个目的即应用方法在于将本发明所得的生物质炭应用到铁矿烧结工艺中替代焦粉、无烟煤等化石燃料，以减少烧结过程温室气体和污染气体的排放。[0012] 本发明提供的铁矿烧结用生物质炭，是通过生物质炭化处理后得到的，具有以下特质，即生物质炭的密度1.1～1.4g/cm3、固定碳含量75～90％、挥发份5～15％、热值25～32MJ/kg。
[0013] 本发明的铁矿烧结用生物质炭的制备，是通过生物质经炭化处理后得到的。所述的炭化处理过程包括：在生物质中加入1～3％的强化剂中温沥青，混匀后采用两段炭化的方法，先将生物质加热到400～450℃进行低温炭化，然后加热到500～700℃进行高温炭化。
[0014] 本发明优选的技术方案是：以4～6℃/min的升温速度将生物质加热到400～450℃进行低温炭化，然后以10～20℃/min的升温速度进一步加热到500～700℃进行高温炭化。
[0015] 作为铁矿烧结用生物质炭是将其破碎成平均粒径为2～4mm，但所述的生物质炭中粒径小于0.5mm的颗粒质量含量不应超过整个生物质炭质量的25％为好。[0016] 本发明的应用在于，将本发明的得到生物质炭，应用到铁矿烧结工艺中替代部分化石燃料。
[0017] 本发明的生物质炭应用到铁矿烧结的具体方法为，先通过烧结试验确定在采用化石燃料(如焦粉或无烟煤)时需加入到烧结混合料的用量；用生物质炭替代化石燃料的比例不超过所需化石燃料质量的60％；采用热量置换的方法计算替代化石燃料所需的生物质炭的质量，热量置换比为0.8～1.0，即生物质炭释放出的1KJ热量置换0.8～1.0KJ由化石燃料释放出的热量。
[0018] 本发明的铁矿烧结用生物质炭的具体的制备和应用过程分别为：[0019] 生物质炭的制备：采用炭化工艺对生物质进行处理以提高其固定碳含量、降低挥发份含量。具体方法是在生物质中加入占其质量含量1～3％的强化剂中温沥青，混匀后采用两段炭化的方法，首先以4～6℃/min的升温速度将生物质加热到400～450℃进行低温炭化，然后以10～20℃/min的升温速度进一步加热到500～700℃进行高温炭化。
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[0020] 从而可以获得密度1.1～1.4g/cm、固定碳含量75～90％、挥发份5～15％、热
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说 明 书
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值25～32MJ/kg的生物质炭。将生物质炭破碎成平均粒径为2～4mm，且所述的生物质炭中粒径小于0.5mm的颗粒质量含量不应超过整个生物质炭质量的25％。[0021] 生物质炭作燃料应用到铁矿烧结方法：按照烧结矿成分的要求采用质量配料法配料，化石燃料占到烧结矿成分质量含量的3～6％，采用生物质炭替代0～60％的化石燃料(如焦粉或无烟煤)进行铁矿烧结。将铁矿石、熔剂、烧结返矿、燃料配料后充分混匀并制粒，将制粒后的混合料布到烧结机上进行点火、烧结即成烧结矿。
[0022] 所述生物质炭替代化石燃料的方法是先通过烧结试验确定单独采用焦粉或无烟煤时其各自的配比，采用热量置换的方法计算替代一定比例的焦粉或无烟煤(如替代20％，30％焦粉或无烟煤等，但不应超过60％)所需的生物质重量，热量置换比为0.8～1.0(即生物质释放出的1KJ热量置换焦粉0.8～1.0KJ的热量)。[0023] 本发明以上方案中，所述的生物质可以选自包括玉米秸秆、水稻秸秆或高粱秸秆在内的农业废弃物、林业加工的废料、包括树木在内的木质生物、包括甘蔗渣、油料渣滓或果壳在内的加工废弃物，或是以上生物质中的一种或几种的混合物。[0024] 本发明的生物质炭具有较优的固定碳的含量、密度、挥发份及热值，可使生物质炭在铁矿烧结过程具有合适的燃烧性和反应性。将本发明的生物质炭应用到铁矿烧结，可大幅降低COx、SOx、NOx的排放量。
[0025] 本发明的生物质炭通过采用两段式炭化在保证生物质炭产率高的同时，可有效提高生物质中固定碳的含量，并结合沥青同步焦化的强化技术，使生物质炭具有合适的燃烧性和反应性。采用两段炭化工艺，在慢速升温、低温炭化条件下可提高生物质炭的产率，然后在快速升温、高温炭化条件下使生物质炭中C晶粒结晶长大，从而适当降低生物质炭的燃烧性和反应性，有利于缩小烧结燃烧前沿速度与传热前沿速度的差异；另外，在生物质中添加强化剂沥青，在炭化过程中，沥青将会发生分解、环化、芳构化、缩聚直至成焦等一系列反应，在400～450℃低温段半焦化，在500～700℃高温段焦化，其结构发生重排，与生物质炭之间形成C-C粘结桥，保证生物质炭化成块，并促进C晶粒结晶长大，从而适当降低生物质炭的孔隙率，有利于缩小烧结燃烧前沿速度与传热前沿速度的差异。[0026] 本发明还将生物质炭破碎成平均粒径2～4mm；对于粒径小于0.5mm的颗粒其含量应小于25％生物质炭，通过充分控制生物质碳的粒度，保证燃料在烧结过程既能燃尽又使其燃烧速度不致过快。
[0027] 本发明在铁矿烧结应用中，采用热量置换的方法，通过选择适宜的热量置换比，使烧结过程具有足够的热量，保证烧结矿的产量、质量指标。本发明的生物质炭应用的特征在于通过燃料粒度组成的控制技术以及相应的烧结技术，使生物质炭为燃料的烧结过程燃料燃烧速度和料层传热速度有良好的匹配性。[0029] 本发明所指的百分比均为质量百分比。
[0028]
具体实施方式
[0030] 下面实例是对本发明的进一步说明，而不是限制发明的范围。[0031] 具体操作方法：
[0032] 在林业废弃物锯末中添加占总质量2％的中温沥青，混匀后进行炭化，首先以5℃/min的升温速度将生物质加热到400℃进行低温炭化，然后以12℃/min的升温速度进
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一步加热到600℃进行高温炭化，获得密度1.2g/cm3、固定碳含量83.74％、挥发份7.55％、热值30.77MJ/kg的生物质炭。将生物质炭破碎成平均粒径为2.41mm且-0.5mm含量为23.58％的烧结用燃料。生物质炭与焦粉在化学成分与工业分析、灰分成分、粒度组成方面对比分别见表1～表3。
[0033] 表1燃料的化学成分及工业分析
[0034]
[0035] [0036]
表2燃料灰分的化学成分(％)
[0037] [0038]
表3燃料的粒度组成
应用实例1：
[0040] 按照混匀铁矿60.73％、白云石5.58％、石灰石2.16％、生石灰4.62％、烧结返矿23.08％的质量比配料(获得烧结矿化学成分为：TFe57.5％、SiO24.82％、R2.0、MgO2.0％)，全部采取焦粉时适宜配比为3.85％。采用生物质炭替代20％的焦粉，热量置换比为1，配料后混合、制粒、布料、点火、烧结，其烧结指标见表4，可知，采用生物质炭替代20％焦粉获得的烧结指标，可与全部采用焦粉的指标相当，而COx、SOx、NOx分别可减排约20％、15％、15％。
[0041] 应用实例2：
[0039]
按照混匀铁矿60.73％、白云石5.58％、石灰石2.16％、生石灰4.62％、烧结
返矿23.08％的质量比配料(获得烧结矿化学成分为：TFe57.5％、SiO24.82％、R2.0、MgO2.0％)，全部采取焦粉时适宜配比为3.85％。采用生物质炭替代40％的焦粉，热值置换比为0.85，配料后混合、制粒、布料、点火、烧结，其烧结指标见表4，可知，采用生物质炭替代40％焦粉获得的烧结指标，可与全部采用焦粉的指标相当，而COx、SOx、NOx分别可减排约40％、30％、30％。
[0043] 表4锯末取代焦粉对铁矿烧结的影响
[0042] [0044]
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