專利名稱：一種基于生物質的直接還原煉鐵裝置及方法
技術領域：
本發明屬于煉鐵技術領域，尤其涉及一種基于生物質的直接還原煉鐵裝置及方法。
背景技術：
鋼鐵工業是國民經濟發展的重要基礎產業，是國家經濟水平和綜合國力的重要標志。現代煉鋼原料主要來源于高爐煉鐵、少量的廢鋼和直接還原鐵。在世界鋼鐵工業中，煉鋼生鐵的供應60%左右來自高爐，而我國幾乎90%來自高爐煉鐵。我國高爐煉鐵技術在現代鋼鐵工業中遭遇到了二大矛盾一是高爐煉鐵工藝強烈依賴的優質煉焦與煤源儲量日益匱乏之間的矛盾；二是越來越高的環保要求與傳統高爐煉鐵技術的嚴重的環境污染之間的矛盾。上述兩大矛盾嚴重影響了我國鋼鐵工業的可持續發展，并迫使人們尋求新的燃料來代替冶金焦。因此，新型煉鐵燃料的開發與相應煉鐵工藝的研究對國民經濟發展具有非常重要的戰略意義。國內外目前替代冶金焦煉鐵的新燃料主要為煤粉、天然氣，研究的煉鐵新工藝主要有直接還原和熔融還原等非高爐煉鐵技術。直接還原法則是以氣體燃料、液體燃料或非焦煤為能源，在鐵礦石(或含鐵團塊) 軟化溫度以下進行還原得到金屬鐵的方法。其產品呈多孔低密度海綿狀結構，被稱為直接還原鐵或海綿鐵。直接還原根據主體能源的不同，可將流程劃分為煤基直接還原、氣基直接還原和電熱直接還原三大類。當前，以氣基直接還原為主，占85%左右，它是將天然氣轉化成所需的還原劑，然后在豎爐中還原塊礦或球團礦。目前，氣基直接還原煉鐵方法存在有下述缺點
(1)必需采用豐富的天然氣資源作為保障；
(2)反應溫度低，反應速度較慢，爐料在還原帶停留時間較長；
(3)以純氫氣為還原劑，雖可提高整個流程的生產效率，但運行成本較高；
(4)對鐵礦石粒度和品位要求高；
綜上所述，非高爐煉鐵的技術發展的目的是為了不使用焦煤，而使用煤或天然氣，能源結構并沒有發生根本性的變化，仍然離不開化石能源，對環境污染尤其是碳減排沒有根本改善。同時，它們的能源消耗量比高爐煉鐵高，品質離高爐煉鐵還有相當的距離，其綜合效益并沒有優勢，研究與應用進展緩慢。
發明內容
針對現有技術中煉鐵技術離不開化石能源的不足和缺陷，本發明提供了一種基于生物質的直接還原煉鐵裝置和方法，本發明以生物質粉末和鐵礦石粉混合制取生球團，以生物質催化氣化生成的富含氫氣和一氧化碳的合成氣作為還原劑的直接還原煉鐵。本發明投資小、成本低，生產效率高，獲得的產品品質高。為實現上述發明目的，本發明采用下述技術方案予以實現一種基于生物質的直接還原煉鐵裝置，它包括風機、風粉預混管、生物質進料器和燃燒室，所述生物質進料器與風粉預混管連通，所述風粉預混管一端與風機相連，另一端為與所述燃燒室下部的生物質粉體與助燃空氣進口連接，所述燃燒室底部設有排渣口，頂部設有煙氣出口，燃燒室中間部位設有用于直接還原煉鐵的反應器，所述反應器頂部設有還原廢氣出氣口，反應器底部與生物質合成氣進氣管相連。對技術方案的進一步改進在所述反應器底部生物質合成氣進氣管上部設有生物質合成氣分布板。對技術方案的進一步改進在所述反應器中間部位設有熱電偶。對技術方案的進一步改進所述生物質與助燃空氣進口沿燃燒室下部切線方向與燃燒室連接。對技術方案的進一步改進所述燃燒室呈圓柱形。本發明還提供了一種基于生物質的直接還原煉鐵方法，所述方法包括以下步驟
(1)生球團制備，按鐵精礦粉70-85%、生物質粉末10-15%、白云石5-10%、粘結劑3_5% 和水5-10%混合制成生球團；
(2)預熱，將所述生球團放置于窯爐內進行預熱，預熱溫度控制在60(T80(TC，所述反應器以燃燒生物質粉體作為外加熱源；
(3)直接還原，預熱完成后，增加窯爐溫度使其達到80(Tl00(rC后，向窯爐內通入由生物質催化氣化制備的生物質合成氣作為還原劑，持續通入l_2h，即得到直接還原鐵或純凈生鐵，未反應完全的合成氣及還原反應產生的廢氣進入燃燒室燃燒，以補償還原反應所需的熱量。對技術方案的進一步改進所述生球團預熱及還原過程所需外加熱源由生物質燃燒提供。對技術方案的進一步改進所述粘結劑為膨潤土或有機粘結劑中任意一種或一種以上的粘結劑組成的混合物，優選為膨潤土。對技術方案的進一步改進所述生球團的形狀為球形、方形、圓柱形，優選為圓柱形或球形。與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是
(1)本發明將生物質粉末與鐵礦石粉混合制取生球團，生物質在生球團預熱固結過程中受熱分解，增加了燒結礦表面孔容積。(2)本發明采用生物質粉體的高效燃燒為鐵礦的直接還原提供外加熱源。(3)本發明采用生物質催化氣化生成的富含氫氣和一氧化碳的合成氣作為還原劑，合成氣制備成本低且其中氫氣含量可達到60%以上。(4)本發明從上根本解決煉鐵工業清潔生產的技術問題，擺脫煉鐵工業對化石能源的依賴，實現煉鐵生產C02零排放。(5)本發明生成鐵的含碳量非常低，只有0. 5%以下，也就是說，這種直接還原技術可以一步冶煉到粗鋼，省去了焦炭，同時減少了碳能損失和煉鋼的成本。結合附圖閱讀本發明的具體實施方式
后，本發明的其他特點和優點將變得更加清林疋。
圖1是本發明直接還原煉鐵裝置的結構示意圖。圖2是本發明直接還原煉鐵方法的工藝流程圖。圖3a是本發明中生物質與鐵礦粉混合制成的生球團。圖北是本發明中制得的直接還原煉鐵產品圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的技術方案作進一步詳細的說明。實施例1
如圖1所示，本發明提供了一種基于生物質的直接還原煉鐵裝置，它包括風機1、風粉預混管2、生物質進料器3和燃燒室4，所述生物質進料器3與風粉預混管2連通，所述風粉預混管2 —端與風機1相連，另一端為生物質粉體與助燃空氣進口 5，所述生物質粉體與助燃空氣進口 5沿燃燒室4下部切線方向伸入燃燒室4內部，生物質進料器3輸送來的生物質與風機1提供的助燃空氣在風粉預混管2內進行充分混合后，經粉體與助燃空氣進口 5 進入燃燒室4內燃燒。所述燃燒室4呈圓柱形，所述燃燒室4底部設有排渣口 6，頂部設有煙氣出口 7，燃燒產生的煙氣由燃燒室4頂部的煙氣出口 7排出，殘留的灰分由燃燒室4底部的排渣口 6 排放。燃燒室4中間部位設有用于直接還原煉鐵的反應器8，所述反應器8頂部設有還原廢氣出氣口 12，反應器底部與生物質合成氣進氣管11相連，在反應器8內部生物質合成氣進氣管11上部設有生物質合成氣分布板10，反應器中間部位設有熱電偶9。如圖2所示，本發明還提供了基于生物質的直接還原煉鐵方法，所述方法包括以下幾個步驟
(1)生球團制備。選取品味65. 2%的鐵精礦粉75%、生物質粉末10%、白云石5%、膨潤土 3%和水7%的比例進行混合，經輥式壓球機壓成球形生球團，球直徑20mm，如圖3a所示。(2)預熱。將生球團放置于反應器內進行預熱，所述反應器以燃燒生物質粉體作為外加熱源，預熱溫度控制在800°C并保持恒溫0. 5小時，以保證原料中的生物質充分熱解。(3)直接還原。預熱過程完成后，增加反應器內溫度，當反應器內溫度達到1000°C 時，向反應器內通入由生物質催化氣化制備的生物質合成氣( 52. 0wt%, CO 24. 6wt%, CO2 18. 8wt%, CH4 2. 7wt%),以所述生物質合成氣為還原劑進行還原反應制得直接還原鐵或純凈生鐵，未反應完全的合成氣及還原反應產生的廢氣進入燃燒室燃燒，以補償還原反應所需的熱量。所制得的直接還原鐵或純凈生鐵的外觀及檢驗結果分別如圖北和表1所示 表1 直接還原鐵或純凈生鐵的直接還原鐵組分
權利要求
1.一種基于生物質的直接還原煉鐵裝置，其特征在于它包括風機、風粉預混管、生物質進料器和燃燒室，所述生物質進料器與風粉預混管連通，所述風粉預混管一端與風機相連，另一端為與所述燃燒室下部的生物質粉體與助燃空氣進口連接，所述燃燒室底部設有排渣口，頂部設有煙氣出口，燃燒室中間部位設有用于直接還原煉鐵的反應器，所述反應器頂部設有還原廢氣出氣口，反應器底部與生物質合成氣進氣管相連。
2.根據權利要求1所述的一種基于生物質的直接還原煉鐵裝置，其特征在于在所述反應器底部生物質合成氣進氣管上部設有生物質合成氣分布板。
3.根據權利要求1所述的一種基于生物質的直接還原煉鐵裝置，其特征在于在所述反應器中間部位設有熱電偶。
4.根據權利要求1所述的一種基于生物質的直接還原煉鐵裝置，其特征在于所述生物質與助燃空氣進口沿燃燒室下部切線方向與燃燒室連接。
5.根據權利要求1所述的一種基于生物質的直接還原煉鐵裝置，其特征在于所述燃燒室呈圓柱形。
6.一種基于生物質的直接還原煉鐵方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)生球團制備，按鐵精礦粉70-85%、生物質粉末10-15%、白云石5-10%、粘結劑3_5% 和水5-10%混合制成生球團；(2)預熱，將所述生球團放置于窯爐內進行預熱，預熱溫度控制在60(T80(TC，所述反應器以燃燒生物質粉體作為外加熱源；(3)直接還原，預熱完成后，增加窯爐溫度使其達到80(Tl00(rC后，向窯爐內通入由生物質催化氣化制備的生物質合成氣作為還原劑，持續通入l_2h，即得到直接還原鐵或純凈生鐵，未反應完全的合成氣及還原反應產生的廢氣進入燃燒室燃燒，以補償還原反應所需的熱量。
7.根據權利要求6所述的基于生物質的直接還原煉鐵方法，其特征在于所述生球團預熱及還原過程所需外加熱源由生物質燃燒提供。
8.根據權利要求6所述的基于生物質的直接還原煉鐵方法，其特征在于所述粘結劑為膨潤土或有機粘結劑中任意一種或一種以上的粘結劑組成的混合物，優選為膨潤土。
9.根據權利要求6所述的基于生物質的直接還原煉鐵方法，其特征在于所述生球團的形狀為球形、方形、圓柱形，優選為圓柱形或球形。
全文摘要
本發明提供了一種基于生物質的直接還原煉鐵裝置和方法，所述裝置包括風機、風粉預混管、生物質進料器和燃燒室，生物質進料器與風粉預混管連接，所述風粉預混管一端與風機相連，另一端與燃燒室相連，燃燒室底部設有排渣口，頂部設有煙氣出口，中間部位設有用于直接還原煉鐵的反應器。所述直接還原煉鐵方法包括生球團制備、預熱和直接還原，預熱及還原所需熱源由生物質燃燒提供，生物質催化氣化制備的合成氣作為還原過程所需還原劑。本發明采用生物質替代煤和天然氣進行直接還原煉鐵，擺脫煉鐵工業對化石能源的依賴，改善直接還原鐵產品品質的同時還能減少對環境的危害，從根本上解決了綠色煉鐵工業的技術與裝備問題。
文檔編號C21B13/00GK102392093SQ20111040841
公開日2012年3月28日 申請日期2011年12月9日 優先權日2011年12月9日
發明者儀垂杰, 周揚民, 岳霞, 林海波, 羅思義 申請人:青島理工大學