阅读说明：本技术 一种链篦机-回转窑喷吹生物质燃料及其制备方法和应用 (Chain grate-rotary kiln injected biomass fuel and preparation method and application thereof ) 是由 季志云 范晓慧 甘敏 倪佳苗 李浩锐 陈许玲 黄晓贤 袁礼顺 黄斌斌 武钰峰 吕 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种链篦机-回转窑喷吹生物质燃料及其制备方法和应用。将生物质粉末与含铁矿物粉末充分混匀后,在保护性气体及水蒸气混合气氛下,进行升温炭化,即得挥发分含量为10～20％、燃烧热值为20～27MJ/kg、孔隙率为40～60％、比表面积为40～70m<Sup>2</Sup>/g的生物质燃料,将其替换部分常规喷吹燃料煤粉用于回转窑窑尾喷吹燃料,可以降低燃料成本,且有利于从源头上高效减排SOx、NOx。(The invention discloses a grate-rotary kiln injected biomass fuel and a preparation method and application thereof. After the biomass powder and the iron-containing mineral powder are fully mixed, heating and carbonizing are carried out under the mixed atmosphere of protective gas and steam, and the biomass powder and the iron-containing mineral powder are obtained, wherein the volatile content is 10-20%, the combustion heat value is 20-27 MJ/kg, the porosity is 40-60%, and the specific surface area is 40-70 m 2 The/g biomass fuel replaces part of conventional injection fuel coal powder to be used as the rotary kiln tail injection fuel, so that the fuel cost can be reduced, and the efficient emission reduction of SOx and NOx from the source is facilitated.)

一种链篦机-回转窑喷吹生物质燃料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种链篦机-回转窑喷吹生物质燃料，特别涉及一种利用废弃生物质制备的链篦机-回转窑喷吹生物质燃料，还涉及其制备方法和应用。属于氧化球团生产技术领域。

背景技术

近年来，国家对于环境污染问题越来越重视，相关法律法规对于废气污染物排放标准也愈发严格。钢铁企业是高耗能、高污染行业，而在整个钢铁冶炼流程中烧结和球团工序又是主要的耗能和大气污染物排放环节。当前，业内主要关注污染物排放量更大的烧结工序烟气污染物的治理，较少关注球团生产过程外排烟气的净化。根据2019年钢铁球团烟气超低排放要求，烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度小时均值分别不高于10、35、50mg/m³，达到超低排放的钢铁企业每月至少95％以上时段小时均值排放浓度满足上述指标。但目前烧结球团烟气NOx、SO₂平均排放浓度超出超低排放限值较多，同样将面临严峻的减排压力。

球团生产是钢铁企业的一个重要环节，主要生产工艺包括竖炉法、链箅机-回转窑法、带式焙烧机法，其中链箅机-回转窑法具有大规模、低能耗、高质量的特点，目前在国内应用广泛。球团生产的燃料可使用气液固三种燃料，可利用资源广泛，其中煤粉的利用是其燃料燃烧的一大特点，能够很好适应我国资源现状。但化石燃料煤粉硫、氮含量高，是球团烟气中SOx、NOx的主要来源，且化石燃料灰分含量高，长期喷吹易造成回转窑结圈，会对生产效率产生不利影响。

生物质能使指太阳能以化学能的形式储存于生物质中的一种能量形式，是仅次于石油、天然气、煤炭的第四大资源。生物质具有清洁可再生的特点，其S、N含量低，且燃烧后产生的灰分明显低于化石燃料。据估计，地球上每年通过光合作用产生的生物质约1600亿吨目前国内对于这部分能源的利用率较低。如果开发合适的制备技术，将生物质应用在球团焙烧过程，那会明显改善钢铁企业能源结构，尤为重要的是可以从源头有效降低球团生产过程SOx、NOx的排放，减少结圈周期。

发明内容

针对现有技术中球团生产中的链篦机-回转窑工艺在以煤粉为喷吹燃料时面临着高污染、易结圈的问题，本发明的第一个目的是在于提供一种热值高、化学反应性好的链篦机-回转窑喷吹生物质燃料，该燃料在与煤粉混合喷吹使用时可以大大减轻工序的烟气污染并可延长回转窑的结圈周期。

本发明的第二个目的是在于提供一种利用废弃生物质制备链篦机-回转窑喷吹生物质燃料的方法，该方法步骤简单，原料来源于废弃生物质，实现了生物质的资源化利用。

本发明的第三个目的是在于提供一种链篦机-回转窑喷吹生物质燃料在链篦机-回转窑球团料烧结中的应用，该喷吹生物质燃料可以高比例替代化石燃料，大幅降低烧结烟气污染物排放，降低烧结成本。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种利用废弃生物质制备链篦机-回转窑喷吹燃料的方法，该方法是将生物质粉末与含铁矿物粉末充分混匀后，在保护性气体及水蒸气混合气氛下，进行升温炭化，即得。

本发明通过引入含铁矿物来调控废弃生物质的理化特性，制备出适宜于回转窑喷吹的优质生物质燃料。

优选的方案，所述生物质包括小麦秸秆、稻草秸秆、玉米秸秆、稻壳、果核、果壳、锯末、城市污泥等农业废弃物、林业加工废弃物、城市废弃生物质中至少一种。

优选的方案，所述含铁矿物包括主要成分为Fe₂O₃·xH₂O和/或FeCO₃的含铁矿物中至少一种。本发明选择的低品位铁矿可以在生物质热解过程中分解释放H₂O或CO₂，优化了生物质反应微区的气氛，有利于由内而外调控生物质的反应活性；含铁添加剂中的铁氧化物会促进生物质有机质大分子裂解为小分子物质，有助于在生物质燃料表面残留活性基团；在整个热解过程中，部分氧化铁的存在催化焦油裂解，热解产生的燃气利用价值更高。

优选的方案，生物质粉末与含铁矿物粉末按质量百分比97～99％：1～3％组成。

优选的方案，所述生物质粉末粒度满足100～300μm粒级质量百分含量不低于70％。

优选的方案，所述含铁矿物粒度满足0～50μm粒级(小于或等于50μm粒级)质量百分含量不低于80％。

优选的方案，所述混合气氛的体积百分比组成为氩气15～25％，氮气70～80％，水蒸气5～15％，气体总流量为0.1～0.5L/min。在热解过程引入了H₂O(g)来调控反应气氛，使得热解过程中与生物质中的炭反应形成新的表面，进一步增加了燃烧反应活性位点，增强了炭化产品的反应活性。

优选的方案，所述碳化过程为：以40～80℃/min快速升温速度至300～600℃，保温20～40min。通过快速加热热解过程，挥发分大分子剧烈热解时残留大量孔隙结构，有利于提高产物的反应活性。

优选的方案，所述水蒸气可以利用工业余热回收产生的水蒸气。如钢铁企业富余蒸汽，具体如来自于钢铁厂内部热电厂以及烧结烟气、转炉烟气、加热炉炉底的余热锅炉产生的水蒸汽，提高能量利用率。

本发明还提供了一种链篦机-回转窑喷吹生物质燃料，其由上述方法制备得到。

优选的方案，所述链篦机-回转窑喷吹生物质燃料的挥发分含量为10～20％、燃烧热值为20～27MJ/kg、孔隙率为40～60％、比表面积为40～70m²/g。

本发明还提供了一种链篦机-回转窑喷吹生物质燃料的应用，其替换回转窑喷吹煤粉燃料使用。

优选的方案，等热量替换60～100％转窑喷吹煤粉燃料使用。最优选为生物质燃料与煤粉按质量比60～80:20～40组成。

本发明将制备的生物质燃料替换部分煤粉混合喷吹，高反应活性的生物质燃料颗粒对较低反应活性的煤粉颗粒起到快速燃烧引燃煤粉的作用，不但可以提高煤粉的燃烧效率，而且生物质燃料具有高C-H的特性，在煤粉颗粒周围形成富燃料反应区，有助于抑制煤粉燃烧NOx的生成。

本发明的喷吹生物质燃料部分替代回转窑常规喷吹燃料煤粉，与常规喷吹燃料煤粉混合均匀后，从回转窑尾部喷入窑内燃烧。

与现有技术相比，本发明带来的有益效果为：

(1)本发明提供的生物质燃料制备工艺采用了较快的升温速率将生物质迅速加热到目标温度，可以加速生物质热解过程，挥发分大分子剧烈热解时残留大量孔隙结构，有利于提高产物的反应活性；并且在热解过程引入了钢铁企业自产的富余H₂O(g)来调控反应气氛，一方面使得热解过程中与生物质中的炭反应形成新的表面，进一步增加了燃烧反应活性位点，增强了炭化产品的反应活性，另一方面充分利用了钢铁企业廉价易得的副产物。

(2)本发明中加入的低品位铁矿添加物在生物质颗粒中均匀分散，在生物质热解过程中会分解释放H₂O或CO₂，优化了生物质反应微区的气氛，有利于由内而外调控生物质的反应活性；含铁添加剂中的铁氧化物会促进生物质有机质大分子裂解为小分子物质，有助于在生物质燃料表面残留活性基团；在整个热解过程中，部分氧化铁的存在催化焦油裂解，热解产生的燃气利用价值更高。

(3)本发明以生物质燃料与煤粉混合喷吹，高反应活性的生物质燃料颗粒与较低反应活性的煤粉颗粒紧密接触、相互包裹，在燃烧过程中生物质燃料会快速燃烧快速引燃煤粉，一方面可以提高煤粉的燃烧效率；另一方面，生物质燃料具有高C-H的特性，在煤粉颗粒周围形成富燃料反应区，有助于抑制煤粉燃烧NOx的生成；本发明中的生物质燃料在制备过程中引入部分的氧化铁成分，在燃料燃烧过程可充当催化剂，促进生物质与煤粉的燃烧，提高能源利用效率。

(4)本发明将废弃生物质制备成适宜于回转窑喷吹的优质燃料，实现了资源的增值化利用，生物质焦S、N含量低，可从源头上降低球团生产过程中的硫氧化物、氮氧化物的排放，能够有效缓解环境污染问题，同时其灰分含量低，能够显著降低回转窑中的结圈周期，使回转窑能够高效稳定地运行；发明中采用的含铁添加剂为球团生产过程中易得的廉价原料，对生物质燃料制备成本影响较小。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专利术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。

实施例1

将农业废弃物玉米秸秆、典型类型的高结晶水含量褐铁矿分别磨碎至表1所示的粒度组成，然后分别称量质量百分比为98.5％、1.5％的秸秆和褐铁矿，将两者在强力混合机中混合均匀；将混合料以45℃/min的升温速率快速加热至350℃，并在此温度下停留20min，整个加热过程通入Ar 20％、N₂ 75％、H₂O(g)5％组成的混合气体，流量控制在0.2L/min，制备得到特性如表2所示的生物质燃料。将生物质燃料与煤粉按质量百分比60:40均匀混合后用作回转窑窑尾喷吹燃料，可实现SO₂、NOx分别减排48％、40％。

实施例2

将农业废弃物玉米秸秆、典型类型的高结晶水含量褐铁矿分别磨碎至表1所示的粒度组成，然后分别称量质量百分比为98％、2.0％的秸秆和褐铁矿，将两者在强力混合机中混合均匀；将混合料以55℃/min的升温速率快速加热至400℃，并在此温度下停留25min，整个加热过程通入Ar 18％、N₂ 75％、H₂O(g)7％组成的混合气体，流量控制在0.2L/min，制备得到特性如表2所示的生物质燃料。将生物质燃料与煤粉按质量百分比70:30均匀混合后用作回转窑窑尾喷吹燃料，可实现SO₂、NOx分别减排55％、45％。

实施例3

将农业废弃物玉米秸秆、典型类型的高结晶水含量褐铁矿分别磨碎至表1所示的粒度组成，然后分别称量质量百分比为97.5％、2.5％的秸秆和褐铁矿，将两者在强力混合机中混合均匀；将混合料以60℃/min的升温速率快速加热至450℃，并在此温度下停留30min，整个加热过程通入Ar 18％、N₂ 72％、H₂O(g)10％组成的混合气体，流量控制在0.25L/min，制备得到特性如表2所示的生物质燃料。将生物质燃料与煤粉按质量百分比80:20均匀混合后用作回转窑窑尾喷吹燃料，可实现SO₂、NOx分别减排63％、50％。

表1秸秆和褐铁矿磨碎后的粒度组成

表2秸秆燃料特性分析

对比实施例1

将农业废弃物玉米秸秆、典型类型的高结晶水含量褐铁矿分别磨碎至表1所示的粒度组成，然后分别称量质量百分比为98％、2.0％的秸秆和褐铁矿，将两者在强力混合机中混合均匀；将混合料以55℃/min的升温速率快速加热至400℃，并在此温度下停留25min，整个加热过程通入N₂保护，流量控制在0.2L/min，制备得到特性如表3所示的生物质燃料。

对比实施例2

将农业废弃物玉米秸秆磨碎至表1所示的粒度组成，然后将秸秆以55℃/min的升温速率快速加热至400℃，并在此温度下停留25min，整个加热过程通入Ar18％、N₂ 75％、H₂O(g)7％组成的混合气体，流量控制在0.2L/min，制备得到特性如表3所示的生物质燃料。

表3秸秆燃料特性分析