一种利用HF酸处理生物质制备高品质炼焦原料的方法与流程

一种利用hf酸处理生物质制备高品质炼焦原料的方法
技术领域
1.本发明涉及钢铁炼焦技术领域，尤其涉及一种利用hf酸处理生物质制备高品质炼焦原料的方法。


背景技术：

2.中国是世界上钢铁生产量和消费量最大的国家，2020年生铁产量为8.8亿吨，占世界粗钢产量的50％以上,相应的我国每年炼铁用焦炭需求量达到4.7亿吨。降低焦炭工艺对传统化石原料的需求、拓展炼焦煤资源成为焦化和炼铁工作者关注的重点。作为传统的农业大国，我国生物资源丰富，仅农业秸秆类生物质资源每年的产量就超过7亿吨，约合3.5亿吨标准煤。与传统的煤炭等化石燃料相比，生物质是一种容量大、分布广、可再生的清洁能源，作为碳中性物质，在工业利用过程中不会向大气中释放额外温室气体。因此，如果将生物质资源应用到焦化生产当中，在减少炼焦行业对煤炭资源消耗的同时，也能够提高生物质资源的利用效率。
3.近年来，随着国家对炼焦过程所产生co2减排的日益重视，人们不断提出关于生物质炼焦的新方法：
4.申请号为cn201910564973.0的中国专利申请公开了“一种基于水热反应处理农林废弃物制备炭化物用于高炉喷煤的工艺”，利用水热反应技术将高挥发分含量、低热值、低利用价值的农林废弃物转化为低挥发分含量、低灰分和高发热值的优质水热炭；并通过将水热炭与高炉喷煤煤粉混合使用，实现农林废弃物在高炉喷煤中的应用；通过上述方式制得的水热炭能够满足高炉喷煤用燃料的性能指标要求，可以作为一种清洁、可再生燃料部分替代高炉喷煤煤粉使用，既能提高废弃物的利用效率，又能降低炼铁生产中二氧化碳的排放，具有显著的经济、社会和生态效益。
5.申请号cn202011035322.1的中国专利申请公开了“一种高炉喷吹生物质焦的制备及加工方法”，以常见生物质为原料，采用高温干馏法制备生物质焦，并用ca(no3)2和fe(no3)3溶液浸渍改性生物质焦，干燥，采用冷态破碎的方法将生物质焦加工为合适粒度，代替部分无烟煤，显著降低喷吹物的着火点，降低焦比和生铁冶炼成本。
6.尽管上述技术方案均可制得满足冶金行业要求的生物质炭，但是采用热分解法制备生物质炭的工艺存在灰分高、有害元素(如k和na)残余量大的缺点；而水热法制备生物质炭工艺则存在反应时间长、制备效率低和成本高的缺点。因此急需确定一种满足冶金行业需求的生物质炭制备方法。
7.申请号为201611234477.1的中国发明专利公开了“一种生物质-渣油共炼焦活性炭的制备方法”，在惰性气体保护下将生物质和渣油进行共焦化反应，得到共炼焦；对共炼焦依次进行亲水性预处理和除灰分预处理，得到预处理后的共炼焦；在惰性气体保护条件下，将预处理后的共炼焦焙烧，得到生物基炭材料；在惰性气体保护下，将生物基碳材料与活化剂进行活化反应，得到生物质-渣油共炼焦活性炭。与该技术方案相比，本发明无需与渣油进行活化反应制备活性炭，可直接与炼焦配合煤掺混制备焦炭。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种利用hf酸处理生物质制备高品质炼焦原料的方法，利用hf酸能够与生物质灰分中sio2反应特点，在制备生物质炭的过程中可以脱除大部分灰分；另外，生物质炭中的k和na等对焦炭冶金性能有负面影响的元素也可脱除；工艺简单、实施方便、成本低。
9.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
10.一种利用hf酸处理生物质制备高品质炼焦原料的方法，包括如下步骤：
11.(1)将生物质破碎后送入装有hf酸的反应釜中进行酸处理炭化反应，利用酸处理炭化反应过程中释放的热量和气体对反应釜进行自蓄热和自加压，反应釜内温度＞140℃、压力≥1.5mpa后保温保压，进入炭化反应阶段，炭化反应4～5小时后得到生物质酸处理炭化产物；
12.(2)对生物质酸处理炭化产物进行固液分离，得到脱除碱金属和灰分的泥饼状的生物质炭；
13.(3)将泥饼状的生物质炭送至干燥系统，利用其自身携带的物理热进行自脱水干燥处理，得到生物质炭颗粒；
14.(4)将生物质炭颗粒与炼焦煤混合后得到混合燃料，混合燃料经焦化工序中的炭化处理后得到的焦炭。
15.所述生物质为农林废弃物。
16.所述农林废弃物是包括小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗在内的农作物收获籽实后的农业废弃物，以及包括非成型树材、树枝、树根、果皮、果核在内的林业废弃物。
17.所述步骤(1)中，生物质破碎后的粒度小于1cm，hf酸的浓度为20％～35％，酸处理时间为60～120min。
18.所述步骤(2)中，生物质炭内碱金属的重量百分比≤1％，灰分≤20％。
19.所述步骤(4)中，混合燃料中生物质炭颗粒质量分数为5％～50％。
20.所述步骤(4)中，当生物质炭颗粒质量分数≤10％时,炭化处理时的结焦时间≥24h,生物质炭颗粒与炼焦煤的比例即焦煤比≥25％；当10％＜生物质炭颗粒质量分数≤20％时,炭化处理时的结焦时间≥24.5h，焦煤比≥30％；当20％＜生物质炭颗粒质量分数≤30％时, 结焦时间≥25h,焦煤比例≥35％；当30％＜生物质炭颗粒质量分数≤40％时,,结焦时间≥ 25.5h，焦煤比≥40％；当40％＜生物质炭颗粒质量分数≤50％时,,结焦时间≥26h，焦煤比≥50％。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.1)利用hf酸能够与生物质灰分中sio2反应特点，在制备生物质炭的过程中可以脱除大部分灰分；另外，生物质炭中的k和na等对焦炭冶金性能有负面影响的元素也可脱除；
23.2)工艺简单、实施方便、成本低；
24.3)生物质是一种可再生资源，本发明将利用价值较低的低热值农林废弃物转化为高热值、低灰分的高品质生物质炭，并将其用于炼焦，减少我国对国外优质炼焦煤资源的依赖。
附图说明
25.图1是本发明所述一种利用hf酸处理生物质制备高品质炼焦原料的方法的流程框图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
27.一种利用hf酸处理生物质制备高品质炼焦原料的方法，包括如下步骤：
28.(1)将生物质破碎后送入装有hf酸的反应釜中进行酸处理炭化反应，利用酸处理炭化反应过程中释放的热量和气体对反应釜进行自蓄热和自加压，反应釜内温度＞140℃、压力≥1.5mpa后保温保压，进入炭化反应阶段，炭化反应4～5小时后得到生物质酸处理炭化产物；
29.(2)对生物质酸处理炭化产物进行固液分离，得到脱除碱金属和灰分的泥饼状的生物质炭；
30.(3)将泥饼状的生物质炭送至干燥系统，利用其自身携带的物理热进行自脱水干燥处理，得到生物质炭颗粒；
31.(4)将生物质炭颗粒与炼焦煤混合后得到混合燃料，混合燃料经焦化工序中的炭化处理后得到的焦炭。
32.所述生物质为农林废弃物。
33.所述农林废弃物是包括小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗在内的农作物收获籽实后的农业废弃物，以及包括非成型树材、树枝、树根、果皮、果核在内的林业废弃物。
34.所述步骤(1)中，生物质破碎后的粒度小于1cm，hf酸的浓度为20％～35％，酸处理时间为60～120min。
35.所述步骤(2)中，生物质炭内碱金属的重量百分比≤1％，灰分≤20％。
36.所述步骤(4)中，混合燃料中生物质炭颗粒质量分数为5％～50％。
37.所述步骤(4)中，当生物质炭颗粒质量分数≤10％时,炭化处理时的结焦时间≥24h,生物质炭颗粒与炼焦煤的比例即焦煤比≥25％；当10％＜生物质炭颗粒质量分数≤20％时,炭化处理时的结焦时间≥24.5h，焦煤比≥30％；当20％＜生物质炭颗粒质量分数≤30％时, 结焦时间≥25h,焦煤比例≥35％；当30％＜生物质炭颗粒质量分数≤40％时,,结焦时间≥ 25.5h，焦煤比≥40％；当40％＜生物质炭颗粒质量分数≤50％时,,结焦时间≥26h，焦煤比≥50％。
38.以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
39.【实施例1】
40.本实施例中，以玉米秸秆为例，利用hf酸处理生物质制备高品质炼焦原料的过程如下：
41.(1)生物质预处理：对玉米秸秆进行破碎处理，使破碎后的玉米秸秆粒度小于1cm，将破碎后的玉米秸秆经管道输送至装有hf酸的反应釜中，hf酸浓度控制25％；
42.(2)生物质酸处理炭化反应：利用玉米秸秆与hf酸反应释放的热量对反应釜内的浆液进行自蓄热，蓄热时间控制在80min，使反应釜内温度达到150℃。利用反应釜内玉米秸
秆与hf酸反应不断生成的气体反应物对反应釜进行自加压，使反应釜内压力达到1.6mpa；通过温度传感器及压力传感器进行监测，达到设定温度及压力后，通过散热器及泄压阀使温度、压力保持在设定范围内，此时进入炭化反应阶段，炭化反应4.5小时后得到生物质酸处理炭化产物；
43.(3)固液分离处理：将生物质酸处理炭化产物输送到固液分离系统进行固液分离，得到脱除碱金属和灰分的泥饼状的生物质炭；生物质炭的成分如表1所示；
44.表1.酸处理炭化反应前后生物质的成分(wt％)
[0045][0046]
(4)脱水干燥处理：将泥饼状的生物质炭输送至干燥系统，利用其自身携带的物理热进行自脱水干燥处理，得到生物质炭颗粒；
[0047]
(5)将生物质炭颗粒与炼焦煤混合均匀后的混合燃料经皮带输送到焦炉炭化室，混合燃料中生物质炭颗粒的质量分数为10％，炼焦煤质量分数90％，结焦24h后制得高品质焦炭。
[0048]
以不添加生物质炭颗粒的常规焦化燃料作为对比例，本实施例及对比例的焦炭成分与性能对比如表2所示。
[0049]
表2.焦炭成分与性能对比(％)
[0050][0051]
通过表2的焦炭性能对比分析可知，添加生物质炭颗粒不会对焦炭质量造成影响，并且可以小幅提高焦炭强度，同时降低焦炭硫分。
[0052]
【实施例2】
[0053]
本实施例中，以木屑为例，利用hf酸处理生物质制备高品质炼焦原料的过程如下：
[0054]
(1)生物质预处理：对木屑进行破碎处理，使破碎后的木屑粒度小于1cm，将破碎后的木屑经管道输送至装有hf酸的反应釜中，hf酸浓度控制30％；
[0055]
(2)生物质酸处理炭化反应：利用碎木屑与hf酸反应释放的热量对反应釜内的浆液进行自蓄热，蓄热时间控制在70min，使反应釜内温度达到160℃。利用反应釜内碎木屑与 hf酸反应不断生成的气体反应物对反应釜进行自加压，使反应釜内压力达到1.7mpa；通过温度传感器及压力传感器进行监测，达到设定温度及压力后，通过散热器及泄压阀使温度、压力保持在设定范围内，此时进入炭化反应阶段，炭化反应4.3小时后得到生物质酸处理炭化产物；
[0056]
(3)固液分离处理：将生物质酸处理炭化产物输送到固液分离系统进行固液分离，
得到脱除碱金属和灰分的泥饼状的生物质炭；生物质炭的成分如表3所示；
[0057]
表3.酸处理炭化反应前后生物质的成分(wt％)
[0058][0059]
(4)脱水干燥处理：将泥饼状的生物质炭输送至干燥系统，利用其自身携带的物理热进行自脱水干燥处理，得到生物质炭颗粒；
[0060]
(5)将生物质炭颗粒与炼焦煤混合均匀后的混合燃料经皮带输送到焦炉炭化室，混合燃料中生物质炭颗粒的质量分数为50％，炼焦煤质量分数50％，结焦26.2h后制得高品质焦炭。
[0061]
以不添加生物质炭颗粒的常规焦化燃料作为对比例，本实施例及对比例的焦炭成分与性能对比如表4所示。
[0062]
表4.焦炭成分与性能对比(％)
[0063][0064]
通过表4的焦炭性能对比分析可知，添加生物质炭颗粒不会对焦炭质量造成影响，并且可以明显提高焦炭强度，同时降低焦炭硫分。
[0065]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。