一种清洁炭燃料以及制备方法和在炼铁烧结中的应用与流程

本发明属于钢铁冶金烧结，具体涉及一种清洁炭燃料以及制备方法和在炼铁烧结中的应用。

背景技术：

1、钢铁行业是国家的重要基础产业。烧结是整个炼铁行业的第一道工序，在钢铁生产过程中发挥着重要作用，该工序能耗占据了整个炼铁行业的较大比例，达到10％左右，是整个钢铁生产第二大耗能过程。烧结过程的能源消耗主要由固体燃料、点火燃气、电耗三部分构成，其中以固体燃料为主，主要是焦粉和无烟煤，烧结工序中的能源消耗有78％都源于固体燃料的消耗。烧结工序消耗了大量能源，同时产生大量的烟气污染物，主要有cox、sox、nox和粉尘等，占钢铁工业总排放量的50％左右。据调查，钢铁企业平均生产每吨钢水将排放1.65～1.8吨二氧化碳，而烧结工序中释放的二氧化碳总量占钢铁行业总量的10％以上，同时，钢铁企业48％的nox、70％的sox和40％的粉尘皆来自于烧结烟气。可见烧结工序排放的烟气是钢铁厂的重要污染源之一。

2、烧结烟气中的cox主要来自于焦粉、无烟煤等固体燃料的燃烧和原料中碳酸盐的高温分解，烧结烟气中的cox主要以co2为主，当固体燃料燃烧不完全时会产生少量co。而烧结烟气中的so2主要是由铁矿石和固体燃料中的硫单质、硫化物和硫酸盐与氧反应产生。烧结烟气中的nox大部分为燃料型nox，且主要是no，主要来源于固体燃料的燃烧和点火燃气。在烧结烟气中，co2是温室气体，可引发气候变化。nox和so2是形成“酸雨”的主要原因，而nox还会参与形成光化学烟雾，威胁人体健康。

3、采用可再生资源作为焦粉和无烟煤的替代燃料是缓解化石燃料紧缺、降低烧结烟气污染物的重要途径。生物质能本质上是绿色植物通过光合作用转换和储存下来的太阳能。因此，生物质是一种可再生能源，是由稻壳、秸秆等生物质经过热解制得的碳中性燃料。其n、s含量远低于化石燃料，且在燃烧过程中所产生的co2参与大气碳循环，所以在燃烧过程中会大大降低co2、nox和so2的排放量。

4、与焦粉和无烟煤对比，生物质都是高挥发分、低固定碳、低热值的燃料。其挥发分基本上都大于67％，而固定碳含量又都低于20％。高挥发分燃料易燃，且燃烧火焰的温度较低。若将生物质应用于烧结中，则大部分生物质质量将在燃烧前通过脱挥发分而损失，导致燃料利用率低，并引起燃烧前沿与传热前沿之间的不匹配，从而降低了烧结层中的温度，明显提高了烧结速度，使烧结矿成品率和转鼓强度降低。

5、使用合适的生物质炭化处理技术，将生物质进行热解，降低生物炭的挥发分，提高生物炭的热值和固定碳含量。有利于降低生物炭的反应性和燃烧速率，减少生物炭燃料和化石燃料的差距，有利于其在烧结中的利用。经过炭化后的生物炭，固定碳和热值和焦粉、无烟煤等化石燃料相差不大，但是粒径较小且分布不均匀，储存运输成本较高，在铁矿石烧结过程中，会导致烧结速度过快等问题。

6、中国专利文献cn115181597a(202210778521.4)公开了一种生物质燃料及其制备方法和在铁矿烧结中的应用。首先在氮气气氛下将秸秆等生物质加热至400 700℃使其碳化，接着将碳化生物质粉碎后与tfe含量为40％60％的冶金尘泥混合均匀，最后造粒得到生物质燃料，该生物质燃料可部分替代焦粉用于铁矿的烧结。上述方案同时解决了冶金尘泥的处置利用和生物质燃烧反应性快导致的铁矿烧结矿产质量较差等问题，能够有效降低烧结过程的co2排放，有利于实现钢铁工业的炭中和。上述专利主要利用碳化生物质颗粒比表面积大的特性，将难以制粒的冶金尘泥粘附在碳化生物质颗粒表面，减少了配入冶金尘泥对烧结矿产质量的不利影响；但是冶金尘泥降低了制备的生物质燃料的燃烧值，导致成品率即成矿率较低，只有67-73％左右。

技术实现思路

1、本发明针对以上问题，本发明提供一种清洁炭燃料以及制备方法和在炼铁烧结中的应用。本发明提出一种成型清洁炭燃料，能够替代炼铁烧结中的焦粉或无烟煤，替代比例为10％～20％，且不影响烧结矿质量，具有较高的烧成率和成矿率，还能够降低烧结烟气中co2、nox和so2等污染物的排放。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种清洁炭燃料的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、对生物质进行炭化；

4、s2、将碳化后的生物质粉碎后与有机粘结剂混合后进行造粒得到清洁炭燃料。

5、本发明的技术方案还有：按照所占混合物即清洁炭燃料制备原料总质量的百分比，所述有机粘结剂包括4％～10％预糊化淀粉和6％～10％的生物油。预糊化淀粉的作用增强生物炭型煤的密度和强度，防止生物炭型煤因受外力而破碎，而生物油是为了降低成型能耗和使生物炭拥有一定的疏水性，以增强生物炭的储存能力。成型后的生物炭的机械强度和耐水性都得到了显著提升，径向机械强度能够达到1.2mpa以上，堆积密度可达0.5～0.65g/cm3，体积热值可达12～16gj/m3，两项数据和焦粉相差不大，通过成型技术解决了生物炭的因密度较低，粒径较小而导致储存运输困难等问题，扩大了生物炭的应用范围。

6、本发明的技术方案还有：步骤s1的生物质的炭化过程具体为：用连续式热解炉进行炭化，该设备采用三段式加热，首先对其进行预热，第一段温度设置为≤210℃，第二段温度设置为≤460℃，第三段温度设置为≤660℃；通过预热将生物质中水份蒸发干净，减少后续炭化时的能耗；炭化采用分两段进行，有助于减少炭化室长度，同时第二段温度较低，对设备要求较低，有利于降低成本。生物质的炭化过程，反应环境为接近无氧状态。首先由于热解炉的加料口和出料口口径较小，其次炭化过程会有木醋液和可燃气体生成，保持炭化室微正压，即可让空气难以进入。

7、将生物质晾干后从加料口投入，在螺旋推进器推动下在热解炉中移动并炭化，炭化完成后，生物炭经出料口排出。生物炭固定碳含量可达到50％～85％，挥发分含量5％～15％，热值21～32mj/kg。生物质一般含水量较高，水进入热解炉将增加能耗，因此在将生物质晾干后再加入热解炉，有助于减少能耗。

8、本发明的技术方案还有：步骤s1热解过程产生的气相产物被风机抽出，通过两段冷凝器将可凝结液体冷凝下来并收集起来，不可凝结气体则经过风机后排放，生物质在热解炉炉膛停留时间35分钟以内。

9、本发明的技术方案还有：步骤s2的造粒过程具体为：将清洁炭燃料破碎至100目以下，向清洁炭燃料中加入有机粘结剂，混合均匀后调整其含水率为22～28％，然后进行造粒烘干，造粒采用造粒机进行。

10、本发明的技术方案还有：烘干温度为100～110℃。造粒完成后在100～110℃下烘干，既保证水份蒸发掉，同时也不会温度过高，浪费能源。

11、本发明还公开了一种清洁炭燃料，该清洁炭燃料包括碳化生物质颗粒以及使碳化生物质颗粒结合在一起的粘结剂，其按照上述的清洁炭燃料的制备方法制备得到。

12、和成型生物质燃料相比，清洁成型炭燃料的固定碳含量和热值更高，挥发分含量更低，可得到更好的烧结效果。在成型过程中，采用了先炭化后成型的方式，这种成型方式对原料粒度适应性强，与先成型后炭化相比，避免了成型生物质在炭化过程中由于挥发分的不断析出会降低成型生物炭的密度和机械强度，导致燃料品质下降的问题。而且生物炭相较于生物质易于破碎，因此成型过程中耗电量少成本低，得到的成型生物炭机械强度较高。

13、和清洁炭燃料相比，成型后的清洁炭固定碳含量和热值相差不大，机械强度和耐水性都得到了显著提升，径向抗压强度能够达到1.2mpa以上，堆积密度可达0.5～0.65g/cm3，体积热值可达12～16gj/m3。

14、清洁炭燃料由生物质热解炭化而来，其中生物质原料可为秸秆、稻壳、木屑等农业残余物。由于炭化后的生物炭固定碳含量可达到50％～85％，挥发分含量5％～15％，热值21～32mj/kg。通过添加有机粘结剂，能够进一步提高清洁炭燃料中的碳含量，有效提高了清洁炭燃料的燃点，使清洁炭燃料与焦粉或无烟煤一起应用时保持相近的燃烧速度和燃烧值。

15、本发明还公开了一种上述清洁炭燃料在炼铁烧结方面的应用。

16、本发明的技术方案还有：该应用具体过程如下：采用质量配料法将烧结中的各种原料按配比进行配料，其中包括铁矿石混匀料、熔剂、燃料、返矿和除尘灰等，利用清洁炭燃料替代10％～20％比例的焦粉或无烟煤，通过热值替代法计算出烧结过程所需的清洁炭量；

17、将各种原料混合和清洁炭充分混合后加水制粒，将制粒后的混匀料布在烧结机上点火烧结成烧结矿。用成型前后的生物炭可替代10％～20％的焦粉/无烟煤进行烧结，且不影响烧结矿质量。此外，成型生物炭相比粉末生物炭燃点高，有利于与焦粉或无烟煤一起应用，避免了其率先燃烧的问题。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、本发明将碳化后的生物质粉碎后与有机粘结剂混合后进行造粒得到清洁炭燃料，由于采用有机粘结剂对碳化后的生物质进行粘结，不仅有效增强了清洁炭燃料的强度，并且本发明形成的清洁炭燃料燃点有所提高，有利于和焦粉或无烟煤一同使用，避免其率先燃烧的问题，具有较高的烧成率和成矿率。

20、同时，由于本发明将生物质先进行碳化再进行粉碎成型，清洁炭燃料颗粒变大，减少了扬尘现象。