本申請涉及生物質(zhì)化工和鋼鐵冶金生產(chǎn)，尤其涉及一種生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的裝置及方法。
背景技術(shù)：
1、中國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品加工過程中每年產(chǎn)量大量的農(nóng)業(yè)剩余物，此外在林廠有計劃采伐和家具制造、木質(zhì)包裝回收和園林修剪等行業(yè)還有大量林業(yè)剩余物，如何提升農(nóng)林剩余物的利用價值是目前我國社會和經(jīng)濟發(fā)展面臨的重要問題之一。農(nóng)林生物質(zhì)是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等交織而成的功能超分子體，多組分的結(jié)構(gòu)決定了以農(nóng)林剩余物為原料的生物質(zhì)化工產(chǎn)品的多元化，目前已經(jīng)形成能源、材料、飼料和基料等多個產(chǎn)業(yè)，多途徑尋求農(nóng)林剩余物資源的綠色、低碳、高值轉(zhuǎn)化成為發(fā)展趨勢。戊糖、木糖和糠醛等生物質(zhì)化工產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)得到了長足的發(fā)展，在塑料產(chǎn)品、制藥、農(nóng)用化學(xué)品和各種糖類生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。在木糖和糠醛生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量戊糖渣、木糖渣和糠醛渣等固體廢棄物，如何高值化利用此類固體廢棄物成為生物質(zhì)化工產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題。
2、我國同時也是鋼鐵生產(chǎn)大國，每年粗鋼產(chǎn)量超過了10億噸，占世界粗鋼總產(chǎn)量的50％以上。鋼鐵生產(chǎn)過程中消耗大量化石燃料，同時貢獻(xiàn)了全國工業(yè)總co2排放量的15％左右，降低鋼鐵生產(chǎn)co2排放是實現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵。生物質(zhì)具有碳中性的屬性，其應(yīng)用于鋼鐵生產(chǎn)時不會向大氣釋放額外的溫室氣體，對降低鋼鐵行業(yè)co2排放量具有重要的現(xiàn)實意義。目前我國鋼鐵生產(chǎn)主要以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主，在高爐生產(chǎn)工序中大量使用煤粉為冶煉過程提供還原劑和發(fā)熱劑。將木糖渣和糠醛渣部分替代煤粉應(yīng)用于高爐噴吹生產(chǎn)，將有效降低高爐高爐煉鐵生產(chǎn)過程的成本和co2排放。
3、戊糖渣、木糖渣和糠醛渣等酸水熱解生物質(zhì)化工產(chǎn)品的副產(chǎn)物具有灰分含量高，堿金屬鉀元素含量高，發(fā)熱值低等問題，直接應(yīng)用于高爐噴吹將對高爐生產(chǎn)過程的穩(wěn)定、順行和安全產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，造成高爐生產(chǎn)經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)的嚴(yán)重惡化，如何脫除酸水熱解生物質(zhì)殘渣中的有害元素成為生物質(zhì)化工產(chǎn)業(yè)和鋼鐵產(chǎn)業(yè)面臨的共同問題。
4、因此需要一種生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的裝置及方法。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為了解決上述問題，本申請?zhí)峁┝艘环N生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)生物質(zhì)化工產(chǎn)業(yè)和鋼鐵產(chǎn)業(yè)的有效耦合銜接，降低生產(chǎn)成本、化石能源消耗和污染物排量。
2、本申請?zhí)峁┝艘环N生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的裝置，包括：生物質(zhì)處理系統(tǒng)，包括依次連接的原料預(yù)處理系統(tǒng)、酸水熱解系統(tǒng)和水解蒸汽冷凝系統(tǒng)，用于利用生物質(zhì)原料生成水熱解炭和冷凝廢液；中間處理系統(tǒng)，包括依次連接的濕磨脫灰系統(tǒng)、固液分離系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)，所述濕磨脫灰系統(tǒng)分別與所述酸水熱解系統(tǒng)和水解蒸汽冷凝系統(tǒng)連接，所述中間處理系統(tǒng)用于利用所述水熱解炭和所述冷凝廢液生成脫灰水熱解生物質(zhì)炭、富鉀有機廢液和高溫高壓飽和蒸氣；煉鐵處理系統(tǒng)，包括依次連接的煤粉干燥粉碎系統(tǒng)、煤粉噴吹系統(tǒng)、高爐本體和熱風(fēng)系統(tǒng)，所述煤粉干燥粉碎系統(tǒng)與所述固液分離系統(tǒng)連接，所述熱風(fēng)系統(tǒng)與所述熱交換系統(tǒng)連接，用于向所述熱交換系統(tǒng)提供熱量，所述煉鐵處理系統(tǒng)用于利用所述脫灰水熱解生物質(zhì)炭和外界通入的煤粉生成鐵水和熱風(fēng)爐高溫廢氣。
3、本申請還提供了一種生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的方法，包括步驟：提供生物質(zhì)原料；將所述生物質(zhì)原料通過生物質(zhì)處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)化工產(chǎn)品和水熱解炭；通過中間處理系統(tǒng)將所述水熱解炭轉(zhuǎn)化為脫灰水熱解生物質(zhì)炭，并生成高溫高壓飽和蒸氣，其中，所述脫灰水熱解生物質(zhì)炭用于為高爐生產(chǎn)提供發(fā)熱劑和還原劑，所述高溫高壓飽和蒸氣用于為酸水熱解系統(tǒng)提供熱量；將所述脫灰水熱解生物質(zhì)炭與煤粉混合后，通過煉鐵處理系統(tǒng)生成鐵水和熱風(fēng)爐高溫廢氣，其中，所述鐵水用于煉鐵，所述熱風(fēng)爐高溫廢氣用于為熱交換系統(tǒng)提供熱量。
4、可選的，所述將所述生物質(zhì)原料通過生物質(zhì)處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)化工產(chǎn)品和水熱解炭包括：將所述生物質(zhì)原料通過原料預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行破碎篩分，去除雜質(zhì)；通過所述酸水熱解系統(tǒng)對去除雜質(zhì)后的生物質(zhì)原料進(jìn)行酸水熱解，得到水熱解炭和剩余部分，所述酸水熱解系統(tǒng)中包括稀酸催化劑；通過水解蒸汽冷凝系統(tǒng)將所述剩余部分轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)化工產(chǎn)品和冷凝廢液。
5、可選的，所述通過中間處理系統(tǒng)將所述水熱解炭轉(zhuǎn)化為脫灰水熱解生物質(zhì)炭，并生成高溫高壓飽和蒸氣包括：將所述水熱解炭與冷凝廢液在濕磨脫灰系統(tǒng)中進(jìn)行潤磨反應(yīng)，得到混合溶液；將所述混合溶液通入固液分離系統(tǒng)，得到脫灰水熱解生物質(zhì)炭和脫灰廢液；將所述脫灰廢液通入熱交換系統(tǒng)，生成高溫高壓飽和蒸汽、低溫廢氣和富鉀有機廢液。
6、可選的，所述將所述脫灰水熱解生物質(zhì)炭與煤粉混合后，通過煉鐵處理系統(tǒng)生成鐵水和熱風(fēng)爐高溫廢氣包括：將所述脫灰水熱解生物質(zhì)炭通入煤粉干燥粉碎系統(tǒng)，與外界通入的煤粉一并干燥、破碎和混勻；通過煤粉噴吹系統(tǒng)，將所述混勻后的脫灰水熱解生物質(zhì)炭和煤粉送入高爐本體進(jìn)行高爐生產(chǎn)，生成鐵水和高爐煤氣；將所述高爐煤氣與外界空氣一并通入熱風(fēng)系統(tǒng)中，生成熱風(fēng)和熱風(fēng)爐高溫廢氣，其中，所述熱風(fēng)用于進(jìn)行高爐生產(chǎn)。
7、可選的，所述生物質(zhì)原料包括玉米芯、農(nóng)業(yè)秸稈、林業(yè)剩余物、食品加工剩余物中的一種或多種的混合物。
8、可選的，所述將生物質(zhì)原料通過原料預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行破碎篩分以去除雜物包括：將所述生物質(zhì)原料進(jìn)行破碎，破碎后的生物原料質(zhì)固體顆粒的粒度小于2cm。
9、可選的，所述稀酸催化劑包括：硫酸、醋酸、鹽酸、硝酸、路易斯酸、檸檬酸中的一種或多種的混合物。
10、可選的，所述酸水熱解系統(tǒng)包括連續(xù)式高壓反應(yīng)釜、間歇式高壓反應(yīng)釜中的一種或多種組合，所述酸水熱解的反應(yīng)溫度為140-230℃，酸水熱解壓力為0.3-2.8mpa，反應(yīng)時間為1-6h，生成的水熱解炭包括戊糖渣、木糖渣、糠醛渣中的一種或多種的混合物。
11、可選的，所述潤磨反應(yīng)的條件包括：所述水熱解炭與所述冷凝廢液的質(zhì)量比為1:2-1:5，潤磨溫度為5-85℃，潤磨時間為1-60min。
12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請的技術(shù)方案具有以下有益效果：
13、本申請?zhí)峁┝艘环N生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的裝置及方法，通過生物質(zhì)化工產(chǎn)業(yè)和鋼鐵產(chǎn)業(yè)的有效耦合銜接，利用生物質(zhì)化工企業(yè)的固廢基生物質(zhì)炭殘渣作為原料，制備冶金性能滿足高爐煉鐵生產(chǎn)需求的生物質(zhì)炭產(chǎn)品；同時利用高爐生產(chǎn)熱風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的煙氣為生物質(zhì)化工產(chǎn)業(yè)提供熱量，實現(xiàn)生物質(zhì)化工產(chǎn)業(yè)固體廢棄物的高值化利用和低成本生產(chǎn)，提升生物質(zhì)化企業(yè)的市場競爭力，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)煉鐵工序的低碳、低成本生產(chǎn)，推動鋼鐵行業(yè)早日實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)。本申請的技術(shù)方案具有原料適用性強、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、co2和污染物排放少的特點，具有積極的經(jīng)濟意義和環(huán)保意義。
1.一種生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的裝置，其特征在于，包括：
2.一種利用權(quán)利要求1所述裝置的生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的方法，其特征在于，包括步驟：
3.如權(quán)利要求2所述的生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的方法，其特征在于，所述將所述生物質(zhì)原料通過生物質(zhì)處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)化工產(chǎn)品和水熱解炭包括：
4.如權(quán)利要求3所述的生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的方法，其特征在于，所述通過中間處理系統(tǒng)將所述水熱解炭轉(zhuǎn)化為脫灰水熱解生物質(zhì)炭，并生成高溫高壓飽和蒸氣包括：
5.如權(quán)利要求2所述的生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的方法，其特征在于，所述將所述脫灰水熱解生物質(zhì)炭與煤粉混合后，通過煉鐵處理系統(tǒng)生成鐵水和熱風(fēng)爐高溫廢氣包括：
6.如權(quán)利要求2所述的生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的方法，其特征在于，所述生物質(zhì)原料包括玉米芯、農(nóng)業(yè)秸稈、林業(yè)剩余物、食品加工剩余物中的一種或多種的混合物。
7.如權(quán)利要求2所述的生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的方法，其特征在于，所述將生物質(zhì)原料通過原料預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行破碎篩分以去除雜物包括：
8.如權(quán)利要求3所述的生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的方法，其特征在于，所述稀酸催化劑包括：硫酸、醋酸、鹽酸、硝酸、路易斯酸、檸檬酸中的一種或多種的混合物。
9.如權(quán)利要求3所述的生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的方法，其特征在于，所述酸水熱解系統(tǒng)包括連續(xù)式高壓反應(yīng)釜、間歇式高壓反應(yīng)釜中的一種或多種組合，所述酸水熱解的反應(yīng)溫度為140-230℃，酸水熱解壓力為0.3-2.8mpa，反應(yīng)時間為1-6h，生成的水熱解炭包括戊糖渣、木糖渣、糠醛渣中的一種或多種的混合物。
10.如權(quán)利要求4所述的生物質(zhì)化工協(xié)同耦合煉鐵生產(chǎn)的方法，其特征在于，所述潤磨反應(yīng)的條件包括：所述水熱解炭與所述冷凝廢液的質(zhì)量比為1:2-1:5，潤磨溫度為5-85℃，潤磨時間為1-60min。