一种煤基直接还原和生物质热解协同的铁炭联产方法及系统与流程

本发明属于生物质能，具体涉及一种煤基直接还原和生物质热解协同的铁炭联产方法及系统。

背景技术：

1、钢铁行业作为碳排放的重要行业，全球钢铁行业生产过程中排放的co2约占全球温室气体排放总量的4～5％，而我国钢铁行业的碳排放量占全国总排放总量的14％，差距较为显著。根据《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》的具体内容，在钢铁生产过程中，主要碳排放来源，分别为：①化石燃料燃烧排放；②工业生产过程排放；③净购入使用的电力、热力；④固碳产品隐含的碳排放四个方面。钢铁形成产品流程中，从消耗物料的角度看，焦油、炼焦原煤等原料碳排放量最大；从生产流程角度看，炼铁工序为碳排放量最高的工序。因此，钢铁生产，尤其是炼铁工序降低碳排放的首要任务，是开发低碳甚至“零碳”原燃料。

2、生物质能是以生物质为载体的能量，本质上是太阳能的一种表现形式，具有可再生性、清洁性、丰富性和可替代性等特点。随着全球化石能源的日益枯竭和人类对环境问题的日益关注，生物质能替代化石能源用于钢铁生产的研究和开发已经成为国内外众多学者研究和关注的热点。例如：日本jfe工程公司开发生物质碳化技术并将生物炭用于高炉炼铁，此外jfe还将生物质添加到炼焦煤中一起干馏制成焦炭供给高炉使用；新日铁住金公司对生物质能用于烧结工艺进行研究，并与日本东北大学合作对炼焦过程中配加木质生物质制备冶金焦进行研究；日本东北大学对配加生物质焦的含碳铁矿压块进行了反应性和还原行为研究；九州大学与名古屋大学和德国亚琛工业大学合作对高炉喷吹不同木质粉进行研究。巴西南里奥格兰德联邦大学对高炉喷吹煤粉、木炭粉及煤粉与木炭粉混料进行研究；巴西csn公司研究通过添加生物燃料-微孔核成形剂来控制烧结透气性的新技术。加拿大碳化研究协会(ccra)、加拿大国家能源实验室(canmet energy)和安米集团多法斯科公司(dofasco)联合开展了生物燃料在钢铁工业中的应用研究，生物炭将通过两种方式引入高炉：一是作为辅助燃料直接用于高炉喷吹；二是在炼焦配煤中部分替代焦炭，也成为生物炼焦。澳大利亚国家科学机构联邦科学与工业研究组织(csiro)对生物质在钢铁生产全流程中的应用进行全面研究，csiro矿物分部还与blue scope钢铁研究院合作对高炉风口喷吹木炭进行研究。德国亚琛工业大学在模拟高炉条件下，对木炭粉喷吹及木炭粉和煤粉混合喷吹进行研究。塔塔钢铁公司corus研发技术中心对生物质在烧结中的应用也进行了研究，期望在烧结生产中应用生物质材料来部分替代焦粉。美国钢铁公司技术研究中心和usse研究中心共同对生物质用于炼焦和烧结配料进行了研究。国内目前对于生物质能在钢铁生产中的应用研究较少，中南大学对生物质燃料用于铁矿烧结进行研究；北京科技大学对炼铁用生物质焦的制备及其性能进行了研究。

3、然而，目前生物质在冶金行业的应用仍处于研究和发展阶段，仍存在：(1)生物质产品生产与钢铁工业相互独立、结合度低，生物质产品开发与冶金应用上下游集合不紧密，导致最终产品难以有效满足钢铁生产需求。(2)生物质热化学转化需要消耗能量，目前主要的供能方式有两种：一种是消耗外部能源，包括化石燃料、电能等，但此过程难以避免二氧化碳排放；另一种是消耗自产热解气供能，热解气的主要成分为h2、o2、n2、co2、co、ch4、cmhn等，具有较高的热值和化学能，仅为生物质自身热解提供能量，存在相当一部分未利用的生物质气放散损失，能源利用率低，经济性较差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种煤基直接还原和生物质热解协同的铁炭联产方法及系统，本发明提供的方法利用绿色碳源生产低排放钢铁产品，实现了生物质热解与钢铁生产紧密结合，且生物质热解炭化得到的生物炭属于优质的碳汇材料，可以直接为钢铁工业提供碳汇，“源头减碳、末端增汇”，双向驱动，助力钢铁行业早日实现碳中和。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种煤基直接还原和生物质热解协同的铁炭联产方法，包括以下步骤：

4、将生物质原料热解炭化，得到生物炭和气相产物；将所述气相产物冷凝分离，得到生物质油和生物质气；所述冷凝分离的温度为250～350℃；

5、将部分生物炭、煤粉、生物质油、含铁原料、氧化钙和水混合，得到含碳球团；所述含铁原料包含铁的氧化物；将剩余生物炭用于土壤碳汇；

6、将所述含碳球团进行冶金还原，所述冶金还原使用的燃料为生物质气，得到金属化球团和烟气；将所述烟气的热量回收后作为所述热解的热源。

7、优选的，含铁原料包括铁矿粉、高炉除尘灰(泥)、转炉除尘灰(泥)和电炉粉尘中的一种或多种。

8、优选的，所述部分生物炭和煤粉的置换比为1:1；所述部分生物炭和煤粉中固定碳的总物质的量与所述含铁原料中氧元素的物质的量之比为1:0.9。

9、优选的，所述生物质油的质量占所述含铁原料质量的2～5％。

10、优选的，所述生物质原料的形状为条状或团块状，条状生物质原料的长度为50～100mm，团块状生物质原料的粒径为20～40mm；所述生物质原料的含水率为10～30％。

11、优选的，所述热解炭化的温度为400～500℃，保温时间为100～120min。

12、优选的，所述生物质气作为燃料使用之前还包括：将所述生物质气与携氧体催化剂接触进行催化重整，得到重整生物质气，将所述重整生物质气作为冶金还原的燃料。

13、优选的，所述重整生物质气的热值为1200～1500kcal/nm3。

14、优选的，所述金属化球团的金属化率为80～85％。

15、本发明提供了上述技术方案所述的煤基直接还原和生物质热解协同的铁炭联产方法使用的生产系统，包括热解炭化装置4，所述热解炭化装置4设置有气相出口5和固相出口15；

16、与所述热解炭化装置4的气相出口5连通的冷凝装置6；

17、与所述冷凝装置6的气体出口连通的冶金反应装置20，所述冶金反应装置20设置有进料口、还原产物出口和烟气出口，所述烟气出口与换热装置9连通；所述换热装置9经所述烟气换热得到的热量用于对所述热解炭化装置4进行加热；

18、与所述冶金反应装置20的进料口连通的原料制备单元16，所述原料制备单元16同时与热解炭化装置4的固相出口15和冷凝装置6的液体出口连通。

19、本发明提供了一种煤基直接还原和生物质热解协同的铁炭联产方法，包括以下步骤：将生物质原料热解炭化，得到生物炭和气相产物；将所述气相产物冷凝分离，得到生物质油和生物质气；所述冷凝分离的温度为250～350℃；将部分生物炭、煤粉、生物质油、含铁原料、氧化钙和水混合，得到含碳球团；所述含铁原料包含铁的氧化物；将剩余生物炭用于土壤碳汇；将所述含碳球团进行冶金还原，所述冶金还原使用的燃料为生物质气，得到金属化球团和烟气；将所述烟气的热量回收后作为所述热解的热源。本发明提供的联产方法可以同时处理煤和生物质，通过热解将生物质制备得到生物炭、生物质油和生物质气。其中，生物质气可以作为燃气提供还原所需的热量；生物油可以作为黏结剂原料制备含碳球团；生物炭一方面可以替代部分煤炭作为还原剂还原含铁原料，另一方面还可以作为土壤碳汇材料，抵扣煤基直接还原工艺难以避免的碳排放。同时，本发明可以对现有煤基直接还原流程进行简单的工程改造和系统升级后实现，投资成本低，降碳效果显著。综上，本发明不仅可以为煤基直接还原工艺提供优质可再生、绿色低碳的原燃料，代替化石能源消耗，从源头减少由于人类活动向大气中额外排放的co2；还可以充分利用钢铁行业丰富的余热资源提供生物质热解所需的能量，提高钢铁生产能效，符合冶金行业绿色低碳、节能高效的发展要求。

20、本发明提供的联产方法具有以下优点：

21、(1)本发明充分发挥钢铁企业能源密集型企业优势，通过对钢铁生产过程中副产余热资源的利用，显著提高能源利用效率。

22、(2)本发明以通过对现有碳基还原冶金流程进行简单的工程改造和系统升级后实现，投资成本低，适用于有节能、提效、减排需求的中小型钢铁企业。

23、(3)本发明利用自然界可循环再生的生物质碳素替代钢铁工业部分必须的碳素消耗，降低传统重工业对化石能源的依赖，同时也减轻由于人类活动额外产生的碳排放。

24、(4)本发明提出的铁-炭联产技术路线，一方面利用绿色碳源生产低排放钢铁产品；另一方面，生物质热解炭化得到的生物炭属于优质的碳汇材料，可以直接为钢铁工业提供碳汇，“源头减碳、末端增汇”，双向驱动，助力钢铁行业早日实现碳中和。

25、(5)本发明提出的生物炭土壤碳汇相比于直接用作燃料具有更大的固碳潜力，而且相比于林木碳汇具有固碳周期长、稳定高等优点；本发明将剩余生物炭用于土壤碳汇，当生物炭与其他物质混合制成炭基复合肥/土壤调理剂施加到土壤，实现碳固化封存的同时还可以为植物生长提供适宜的生长条件，有助于恢复施用地土壤供能，提高土壤生物多样性。