专利名称：一种基于生物质的直接还原炼铁装置及方法
技术领域：
本发明属于炼铁技术领域，尤其涉及一种基于生物质的直接还原炼铁装置及方法。
背景技术：
钢铁工业是国民经济发展的重要基础产业，是国家经济水平和综合国力的重要标志。现代炼钢原料主要来源于高炉炼铁、少量的废钢和直接还原铁。在世界钢铁工业中，炼钢生铁的供应60%左右来自高炉，而我国几乎90%来自高炉炼铁。我国高炉炼铁技术在现代钢铁工业中遭遇到了二大矛盾一是高炉炼铁工艺强烈依赖的优质炼焦与煤源储量日益匮乏之间的矛盾；二是越来越高的环保要求与传统高炉炼铁技术的严重的环境污染之间的矛盾。上述两大矛盾严重影响了我国钢铁工业的可持续发展，并迫使人们寻求新的燃料来代替冶金焦。因此，新型炼铁燃料的开发与相应炼铁工艺的研究对国民经济发展具有非常重要的战略意义。国内外目前替代冶金焦炼铁的新燃料主要为煤粉、天然气，研究的炼铁新工艺主要有直接还原和熔融还原等非高炉炼铁技术。直接还原法则是以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源，在铁矿石(或含铁团块) 软化温度以下进行还原得到金属铁的方法。其产品呈多孔低密度海绵状结构，被称为直接还原铁或海绵铁。直接还原根据主体能源的不同，可将流程划分为煤基直接还原、气基直接还原和电热直接还原三大类。当前，以气基直接还原为主，占85%左右，它是将天然气转化成所需的还原剂，然后在竖炉中还原块矿或球团矿。目前，气基直接还原炼铁方法存在有下述缺点
(1)必需采用丰富的天然气资源作为保障；
(2)反应温度低，反应速度较慢，炉料在还原带停留时间较长；
(3)以纯氢气为还原剂，虽可提高整个流程的生产效率，但运行成本较高；
(4)对铁矿石粒度和品位要求高；
综上所述，非高炉炼铁的技术发展的目的是为了不使用焦煤，而使用煤或天然气，能源结构并没有发生根本性的变化，仍然离不开化石能源，对环境污染尤其是碳减排没有根本改善。同时，它们的能源消耗量比高炉炼铁高，品质离高炉炼铁还有相当的距离，其综合效益并没有优势，研究与应用进展缓慢。
发明内容
针对现有技术中炼铁技术离不开化石能源的不足和缺陷，本发明提供了一种基于生物质的直接还原炼铁装置和方法，本发明以生物质粉末和铁矿石粉混合制取生球团，以生物质催化气化生成的富含氢气和一氧化碳的合成气作为还原剂的直接还原炼铁。本发明投资小、成本低，生产效率高，获得的产品品质高。为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现一种基于生物质的直接还原炼铁装置，它包括风机、风粉预混管、生物质进料器和燃烧室，所述生物质进料器与风粉预混管连通，所述风粉预混管一端与风机相连，另一端为与所述燃烧室下部的生物质粉体与助燃空气进口连接，所述燃烧室底部设有排渣口，顶部设有烟气出口，燃烧室中间部位设有用于直接还原炼铁的反应器，所述反应器顶部设有还原废气出气口，反应器底部与生物质合成气进气管相连。对技术方案的进一步改进在所述反应器底部生物质合成气进气管上部设有生物质合成气分布板。对技术方案的进一步改进在所述反应器中间部位设有热电偶。对技术方案的进一步改进所述生物质与助燃空气进口沿燃烧室下部切线方向与燃烧室连接。对技术方案的进一步改进所述燃烧室呈圆柱形。本发明还提供了一种基于生物质的直接还原炼铁方法，所述方法包括以下步骤
(1)生球团制备，按铁精矿粉70-85%、生物质粉末10-15%、白云石5-10%、粘结剂3_5% 和水5-10%混合制成生球团；
(2)预热，将所述生球团放置于窑炉内进行预热，预热温度控制在60(T80(TC，所述反应器以燃烧生物质粉体作为外加热源；
(3)直接还原，预热完成后，增加窑炉温度使其达到80(Tl00(rC后，向窑炉内通入由生物质催化气化制备的生物质合成气作为还原剂，持续通入l_2h，即得到直接还原铁或纯净生铁，未反应完全的合成气及还原反应产生的废气进入燃烧室燃烧，以补偿还原反应所需的热量。对技术方案的进一步改进所述生球团预热及还原过程所需外加热源由生物质燃烧提供。对技术方案的进一步改进所述粘结剂为膨润土或有机粘结剂中任意一种或一种以上的粘结剂组成的混合物，优选为膨润土。对技术方案的进一步改进所述生球团的形状为球形、方形、圆柱形，优选为圆柱形或球形。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是
(1)本发明将生物质粉末与铁矿石粉混合制取生球团，生物质在生球团预热固结过程中受热分解，增加了烧结矿表面孔容积。(2)本发明采用生物质粉体的高效燃烧为铁矿的直接还原提供外加热源。(3)本发明采用生物质催化气化生成的富含氢气和一氧化碳的合成气作为还原剂，合成气制备成本低且其中氢气含量可达到60%以上。(4)本发明从上根本解决炼铁工业清洁生产的技术问题，摆脱炼铁工业对化石能源的依赖，实现炼铁生产C02零排放。(5)本发明生成铁的含碳量非常低，只有0. 5%以下，也就是说，这种直接还原技术可以一步冶炼到粗钢，省去了焦炭，同时减少了碳能损失和炼钢的成本。结合附图阅读本发明的具体实施方式
后，本发明的其他特点和优点将变得更加清林疋。
图1是本发明直接还原炼铁装置的结构示意图。图2是本发明直接还原炼铁方法的工艺流程图。图3a是本发明中生物质与铁矿粉混合制成的生球团。图北是本发明中制得的直接还原炼铁产品图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明的技术方案作进一步详细的说明。实施例1
如图1所示，本发明提供了一种基于生物质的直接还原炼铁装置，它包括风机1、风粉预混管2、生物质进料器3和燃烧室4，所述生物质进料器3与风粉预混管2连通，所述风粉预混管2 —端与风机1相连，另一端为生物质粉体与助燃空气进口 5，所述生物质粉体与助燃空气进口 5沿燃烧室4下部切线方向伸入燃烧室4内部，生物质进料器3输送来的生物质与风机1提供的助燃空气在风粉预混管2内进行充分混合后，经粉体与助燃空气进口 5 进入燃烧室4内燃烧。所述燃烧室4呈圆柱形，所述燃烧室4底部设有排渣口 6，顶部设有烟气出口 7，燃烧产生的烟气由燃烧室4顶部的烟气出口 7排出，残留的灰分由燃烧室4底部的排渣口 6 排放。燃烧室4中间部位设有用于直接还原炼铁的反应器8，所述反应器8顶部设有还原废气出气口 12，反应器底部与生物质合成气进气管11相连，在反应器8内部生物质合成气进气管11上部设有生物质合成气分布板10，反应器中间部位设有热电偶9。如图2所示，本发明还提供了基于生物质的直接还原炼铁方法，所述方法包括以下几个步骤
(1)生球团制备。选取品味65. 2%的铁精矿粉75%、生物质粉末10%、白云石5%、膨润土 3%和水7%的比例进行混合，经辊式压球机压成球形生球团，球直径20mm，如图3a所示。(2)预热。将生球团放置于反应器内进行预热，所述反应器以燃烧生物质粉体作为外加热源，预热温度控制在800°C并保持恒温0. 5小时，以保证原料中的生物质充分热解。(3)直接还原。预热过程完成后，增加反应器内温度，当反应器内温度达到1000°C 时，向反应器内通入由生物质催化气化制备的生物质合成气( 52. 0wt%, CO 24. 6wt%, CO2 18. 8wt%, CH4 2. 7wt%),以所述生物质合成气为还原剂进行还原反应制得直接还原铁或纯净生铁，未反应完全的合成气及还原反应产生的废气进入燃烧室燃烧，以补偿还原反应所需的热量。所制得的直接还原铁或纯净生铁的外观及检验结果分别如图北和表1所示 表1 直接还原铁或纯净生铁的直接还原铁组分
权利要求
1.一种基于生物质的直接还原炼铁装置，其特征在于它包括风机、风粉预混管、生物质进料器和燃烧室，所述生物质进料器与风粉预混管连通，所述风粉预混管一端与风机相连，另一端为与所述燃烧室下部的生物质粉体与助燃空气进口连接，所述燃烧室底部设有排渣口，顶部设有烟气出口，燃烧室中间部位设有用于直接还原炼铁的反应器，所述反应器顶部设有还原废气出气口，反应器底部与生物质合成气进气管相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物质的直接还原炼铁装置，其特征在于在所述反应器底部生物质合成气进气管上部设有生物质合成气分布板。
3.根据权利要求1所述的一种基于生物质的直接还原炼铁装置，其特征在于在所述反应器中间部位设有热电偶。
4.根据权利要求1所述的一种基于生物质的直接还原炼铁装置，其特征在于所述生物质与助燃空气进口沿燃烧室下部切线方向与燃烧室连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于生物质的直接还原炼铁装置，其特征在于所述燃烧室呈圆柱形。
6.一种基于生物质的直接还原炼铁方法，其特征在于所述方法包括以下步骤(1)生球团制备，按铁精矿粉70-85%、生物质粉末10-15%、白云石5-10%、粘结剂3_5% 和水5-10%混合制成生球团；(2)预热，将所述生球团放置于窑炉内进行预热，预热温度控制在60(T80(TC，所述反应器以燃烧生物质粉体作为外加热源；(3)直接还原，预热完成后，增加窑炉温度使其达到80(Tl00(rC后，向窑炉内通入由生物质催化气化制备的生物质合成气作为还原剂，持续通入l_2h，即得到直接还原铁或纯净生铁，未反应完全的合成气及还原反应产生的废气进入燃烧室燃烧，以补偿还原反应所需的热量。
7.根据权利要求6所述的基于生物质的直接还原炼铁方法，其特征在于所述生球团预热及还原过程所需外加热源由生物质燃烧提供。
8.根据权利要求6所述的基于生物质的直接还原炼铁方法，其特征在于所述粘结剂为膨润土或有机粘结剂中任意一种或一种以上的粘结剂组成的混合物，优选为膨润土。
9.根据权利要求6所述的基于生物质的直接还原炼铁方法，其特征在于所述生球团的形状为球形、方形、圆柱形，优选为圆柱形或球形。
全文摘要
本发明提供了一种基于生物质的直接还原炼铁装置和方法，所述装置包括风机、风粉预混管、生物质进料器和燃烧室，生物质进料器与风粉预混管连接，所述风粉预混管一端与风机相连，另一端与燃烧室相连，燃烧室底部设有排渣口，顶部设有烟气出口，中间部位设有用于直接还原炼铁的反应器。所述直接还原炼铁方法包括生球团制备、预热和直接还原，预热及还原所需热源由生物质燃烧提供，生物质催化气化制备的合成气作为还原过程所需还原剂。本发明采用生物质替代煤和天然气进行直接还原炼铁，摆脱炼铁工业对化石能源的依赖，改善直接还原铁产品品质的同时还能减少对环境的危害，从根本上解决了绿色炼铁工业的技术与装备问题。
文档编号C21B13/00GK102392093SQ20111040841
公开日2012年3月28日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者仪垂杰, 周扬民, 岳霞, 林海波, 罗思义 申请人:青岛理工大学