生物質在高爐中的利用方法

2023-12-10 09:02:17

專利名稱：生物質在高爐中的利用方法
技術領域：
本發明涉及生物質在高爐中的利用方法，其中，將對生物質進行乾餾而製造出的生物質焦用於高爐中時，其以粉煤的形式用作高爐的輔助還原材。
背景技術：
在以立式爐為代表的高爐中，將鐵礦石或廢鐵等鐵源以及作為鐵礦石還原材和熱源的焦炭用作原料。為了製造適於高爐操作的焦炭，需要昂貴且品質優良的原料煤(coalfor coke making)。因此，目前進行的是將對燃料用煤進行微粉碎而成的粉煤作為熱源從高爐的風口吹入來削減昂貴的焦炭用量的高爐操作方法。吹入的粉煤量根據操作條件的不同也有所不同，吹入量越多則越能削減焦炭用量，可以降低成本。通常，若相對於每I噸生鐵吹入IOOkg 200kg的粉煤，則可大致削減同量的焦炭用量。對於此處所吹入的粉煤的粒度分布來說，工業上通常使用粒徑為74 μ m以下的粉煤佔粉煤全部質量的60% 80% (將其簡記為粉煤粒度分布為74 μ m以下、60 80質量％。)的範圍的粉煤。另一方面，從防止地球溫室化的方面出發，CO2排出量的削減為緊急課題。在鋼鐵業中也進行了用於削減CO2排出量的技術的開發。作為削減CO2排出量的方法，有削減投入的碳量、回收排出的CO2、將現有的煤和石油等替換為碳中性的碳源等方法。作為碳中性的碳源已知有生物質，在鋼鐵業中如果能使用生物質作為煤替代物，則可有助於CO2排出量的削減。作為生物質，有房屋建築的解體中產生的木材廢棄物、木材加工處產生的木質系廢棄物、森林等中的剪枝廢棄物、農業系廢棄物等。作為其處理利用方法，主要為填埋、放置、焚燒、燃料等。並且，已知還有以燃料利用為目的的生物燃料作物。生物質由碳、氧、氫構成，但其本身為高含水率、低熱值(例如，水分15質量％、熱值16. 2MJ/kg-乾燥基準)，從效率方面考慮，在直接煉鐵工藝中的使用並非為有利的。並且，利用通常的磨煤機(輥磨機、球磨機等)難以將廢木材直接粉碎至粒徑為74 μ m以下，需要利用衝擊方式等的粉碎機。
關於生物質在高爐中的直接利用，在專利文獻I中公開了下述的廢木材的處理方法將廢木材粉碎至O. 5 IOmm的粒度，將(粒狀的)廢塑料以10/90 90/10的範圍內的混合比(廢木材/廢塑料的質量比)進行混合，從而提高以燃燒量熱和/或比表面積表示的燃燒性及氣體傳輸性，裝入到高爐中。並且在專利文獻I中還公開了下述的廢木材的處理方法將廢木材粉碎至O. 5 IOmm的粒度，通過間接加熱方式在800°C以上的溫度進行碳化，進一步將粒狀的廢塑料以10/90 90/10的範圍內的混合比(廢木材/廢塑料的質量比)進行混合，裝入到高爐中。現有技術文獻專利文獻專利文獻I :日本特開2005-187940號公報發明內容
發明所要解決的課題在上述專利文獻I記載的現有技術中，具有以下(a) (C)的課題。(a)通過將作為生物質的木材與塑料混合，可以提高燃燒量熱，雖然是將其破碎成O. 5mm IOmm,由於木材為纖維質,長厚比仍較高，因而成為配管堵塞等的原因，氣流傳輸
性差。 (b)廢木材等生物質的含水率高，與粉煤用煤(7000 8000kcal/kg)相比，通常為低熱值(4000 5000kcal/kg-乾燥基準)。儘管伴隨著粒徑IOmm左右的廢塑料的燃燒,廢木材的燃燒性提高了，但是木材本身未被微粉碎，熱值還是較低，並非為根本性的提高生物質燃燒性的技術。(c)從與粒徑IOmm左右的廢塑料混合而吹入的方面考慮，無法利用通常在粉煤吹入中所用的設備，需要另外的吹入設備、吹入配管、噴槍(9 > 7 )等。如此，在現有技術中，與使用粉煤的情況同樣地，難以將生物質用於高爐吹入原料。因而，本發明的目的在於提供一種生物質的利用方法，其解決了這樣的現有技術的課題，在將生物質作為粉煤的替代物用作高爐吹入原料時，生物質的燃燒性與熱值能夠提高到與粉煤同等程度，可以提高氣流傳輸性、利用現有的粉煤吹入設備。用於解決課題的手段用於解決這樣的課題的本發明的特徵如下。(I) 一種生物質在高爐中的利用方法，在該方法中對生物質進行乾餾來製造哈氏可磨性指數(〃 一 K fT 口一 粉碎性指數)(HGI)顯示為45以上的生物質焦；將上述生物質焦與煤的混合物微粉碎，生成粉碎物；將上述粉碎物作為高爐的輔助還原材從風口吹入。(2)如(I)所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，上述生物質焦的製造包括在450°C以上的乾餾溫度對生物質進行乾餾時間為30分鐘以上的乾餾來製造生物質焦。(3)如⑵所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，上述乾餾溫度為450°C以上、小於800°C，上述乾餾時間為30分鐘以上、90分鐘以下。(4)如(I)所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，上述哈氏可磨性指數(HGI)為45以上、90以下。(5)如(I)所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，上述生物質焦與煤的混合物具有相對於生物質焦與煤的總量為O. I 50質量％的生物質焦的混合比例。(6)如(I)所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，上述粉碎物的粒度分布為，74 μ m以下的粉碎物佔80質量％以上。(7)如(I)所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，上述混合物中，生物質焦具有相對於生物質焦與煤的總量為O. I 50質量％的混合比例。(8)如(I)所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，上述粉碎物的粒度為，74μπι以下的粉碎物佔80質量％以上。發明效果根據本發明，通過將生物質製成生物質焦，可以提高生物質本身的熱值、可用作高爐吹入原料。並且，可以利用製造粉煤的磨煤機(粉碎機)對生物質進行粉碎，從而可利用磨煤機有效地進行粉碎。經微粉碎的生物質可以使用粉煤的吹入設備有效地用於高爐中，而不會使高爐中的氣流傳輸惡化。並且，通過在高爐中對生物質進行有效利用，可以有助於煉鐵工藝中CO2排出量的削減。


圖I是本發明一個實施方式的說明圖。
具體實施例方式作為高爐的吹入原料(輔助還原材)，利用的是用輥磨機等將煤粉碎而成的粉煤。粉煤的粒度由在高爐內的燃燒性來決定，一般來說，通常使用粒徑為O. Imm以下的粉煤。另夕卜，在煤的粉碎中通常使用輥磨機。作為對煤的粉碎性進行評價的指標，已知有利用哈氏(/、一 P >/ 口一 ·/' )法(JIS M 8801)測定的哈氏可磨性指數(Hardgrove grindabilityindex) (HGI)。哈氏可磨性指數為使用哈氏試驗機求得的表示煤的粉碎性的數值。以HGI來表示。裝置的形狀、尺寸及測定方法在JIS M 8801中有規定。利用上述試驗機對粒徑Imm的煤50g進行粉碎，通過微粉(約70μπι)的產生程度進行判定。表示與選出的粉碎性為100的標準煤相比較的相對數值。指數越高越易粉碎。煤顯示出大致為30 120的值。通常，在將煤粉碎來製造高爐吹入用的粉煤時也使用哈氏法對煤進行評價，將煤的哈氏可磨性指數(HGI)為45 90左右的煤作為粉煤原料進行使用。在本發明中，為了將生物質用作上述的粉煤的替代物，對生物質進行乾餾來製造生物質焦。所謂生物質的乾餾為生物質的碳化，指的是以阻斷或限制空氣(氧)的供給的方式進行加熱，來得到氣體(也被稱為木氣體)、液體(焦油)、固體(炭)的生成物的技術。通過將生物質製成生物質焦，可以與煤一同進行微粉碎，可以將該粉碎物與通常的粉煤同樣地作為高爐的輔助還原材從風口吹入。因而，在將生物質焦也利用煤粉碎機進行粉碎的情況下，必須要以上述的粉碎性的指標為基準，生物質焦的哈氏可磨性指數(HGI)需要為45以上。若HGI小於45,則難以與煤一同進行粉碎。另一方面,若HGI大於90,貝U恐怕會導致過粉碎；優選生物質焦的HGI為90以下。更優選的HGI為60以上、90以下。生物質焦的HGI可以利用生物質的乾餾條件進行調整。本發明人發現了為使生物質焦的HGI為45以上的生物質的乾餾條件與HGI的關係。即，只要生物質的乾餾溫度為450°C以上、乾餾時間為30分鐘以上，則可使多種生物質的HGI為45以上，在磨煤機中能夠利用。並且，通過在乾餾溫度450°C以上進行乾餾時間為30分鐘以上的乾餾，可以除去水分、提高熱值、使生物質焦的熱值與煤為同等程度。但是，若在800°C以上進行乾餾，則生物質焦的收率降低，同時所生成的生物質焦進行碳化、形成石墨結構，變成硬的物質，因而從生物質利用的方面出發優選小於800°C。並且，即使乾餾時間超過必要時間以上，也只是會使生物質焦的收率降低。因而，上述乾餾溫度優選為450°C以上、小於800°C。並且，上述乾餾時間優選為30分鐘以上、90分鐘以下。特別優選上述乾餾溫度為500 600°C、上述乾餾時間為30 60分鐘。生物質的乾餾方式可以為通常的分批式、迴轉爐式、使用立式爐的方式等中的任意一種，優選作為連續工藝所能採用的迴轉爐式。所生成的乾餾氣體可以作為生物質的乾餾熱源進行利用，也可以供給至煉鐵的化工工藝中。對於生物質的乾餾中所用的乾餾爐的加熱方法，可以使如上所述產生的乾餾氣體發生燃燒、使用其進行加熱，也可以另外使重油、丙烷等燃料氣體進行燃燒、作為加熱氣體進行使用。並且，除了使燃料氣體燃燒的方法以外，也可以利用電加熱進行加熱。在電加熱的情況下，可以將乾餾爐分割成幾個部分，在各部分進行溫度控制。將生物質焦與煤混合後進行粉碎時的混合比例並無特別指定，通過在混合後進行粉碎，粉碎性提高。這是由於，例如在混合有HGI低於煤的生物質焦的情況下，硬的生物質焦進一步對煤進行粉碎。需要說明的是，所謂生物質為聚集了一定量的動植物資源和來源於此的廢棄物的總稱(其中化石資源除外)，本發明中所用的生物質可以使用農業系、林業系、畜產系、水產系、廢棄物系等經熱分解而生成碳化物的所有生物質。優選使用有效熱值高的生物質、優選使用木質系生物質。作為木質系生物質，可以舉出紙漿黑液、木片碎屑等造紙副產物；樹、皮、鋸屑等木材加工副產物；樹枝、樹葉、樹梢、短材(端尺材)等林地殘木；杉、柏、松類等的除伐/間伐材(除間伐材)；食用菌類的廢原木等來自特殊林產的生物質；錐、櫟(2少9 )、松等薪炭林；柳、白楊、桉、松等短伐期林業等的林業系生物質；市鎮村的街路樹、私宅的庭木等的修剪枝條等一般廢棄物；地區或省的街路樹、企業的庭木等的修剪枝條、建設/建築廢材等產業廢棄物等。被分類為農業系生物質的以廢棄物/副產物為產生源的稻殼、麥杆、稻草、甘蔗渣；棕櫚椰子等；以及以能量作物為產生源的米糠、菜種、大豆等農業系生物質的一部分也可以適宜地作為木質系生物質進行使用。如上文所述，生物質焦的哈氏可磨性指數(HGI)需要為45以上。上述生物質中，也存在有如椰子的殼那樣本來就是硬質的，即使經過上述的乾餾工序製成生物質焦也難以進行微粉碎，HGI為35左右的生物質。在將這樣的低HGI的生物質焦投入到輥磨機中的情況下，與對煤進行粉碎處理的情況相比，進行粉碎處理所需要的時間多，致使處理速度降低、單位時間的粉碎處理量減少。並且，在與煤一起投入到輥磨機中的情況下，煤先被粉碎、先被排出，從而使輥磨機內有生物質焦殘留，排出的粉碎物中的生物質焦與煤的比例會有與投入時不同的情況。即使同樣是來源於椰子的生物質焦，在以椰子的樹幹為原料的情況下，HGI為72左右，可以利用輥磨機與煤同等地進行粉碎。如此，通過選擇碳化後的HGI為45以上的生物質原料，可以製造適於高爐吹入的生物質焦。這些生物質焦能夠在不變更現有的煤粉碎工藝的情況下而有效利用，可以將生物質焦與現有的煤以同等成本進行粉碎。需要說明的是，即使為HGI小於45的生物質焦，通過增加在輥磨機中的處理時間、採用噴射式粉碎機等利用旋轉葉片進行粉碎的粉碎機來進行粉碎等，也可以粉碎至與煤同程度的粒度，但單位時間的處理量降低、需要導入新設備，由於單位時間的處理量降低，因而具有製造成本增加的問題。在生鐵年產量為500萬噸的高爐中，若假設為相對於每I噸生鐵吹入100 200kg粉煤的情況，則一年的粉煤用量為50 100萬噸；在例如將該粉煤的O. I質量％置換為生物質焦的情況下，一年的用量為5百 I千噸，通過使用碳中性的生物質焦而使CO2排出量的削減量為一年4千噸以下，可以認為，以該程度的生物質焦的用量，在CO2排出量的削減效果上較差。另一方面，若對將粉煤的50質量％置換為生物質焦的情況進行研究，則一年需要25 50萬噸的生物質焦。此處，若假定由生物質製造生物質焦的情況下的碳化物收率為20質量％，則一年需要125 250萬噸的生物質原料，這種情況下,使用林地殘木等木質系生物質、河岸地等處產生的草本系生物質、下水汙泥、食品廢棄物等各種生物質原料。在使用這樣的多種多樣的生物質的情況下，根據原料種類的不同，所製造的生物質焦的性狀除為粉碎性以外，在成分等方面也是各有不同的；而通過與粉煤混合進行使用，即使將生物質焦混合至50質量％左右進行使用，混合物的性狀也穩定，因而能夠充分用於高爐中。與由多種多樣的生物質原料製造出的生物質焦相比較，作為粉煤，優選使用固定碳、揮發成分、灰分等構成元素的含有比例的偏差小的物質。使用圖I對本發明的一個實施方式進行說明。A為原料生物質、B為煤、C為燃燒氣、D為生物質焦、E為排氣。生物質A貯留在生物質進料鬥I中，通過輸送機2供給至迴轉爐3中。在迴轉爐3內生物質A發生乾餾而成為生物質焦D，貯留在生物質焦進料鬥7中，與煤B—起定量排出，利用輸送機9供給至煤料倉10中。由煤料倉10供給至磨煤機11中之後進行微粉碎，通過輸送機12輸送到吹入設備13中。由吹入設備13吹入到高爐14的風口部15，作為鐵礦石的還原材進行利用。由於排氣E中含有可燃性氣體，因而可使其在加熱氣體發生爐6中燃燒，作為迴轉爐3的外熱式的加熱源進行利用。由迴轉爐3中排出的生物質焦D優選進行冷卻，冷卻氣體使用惰性氣體即可。並且只要經冷卻部排出的生物質焦處於不會著火的溫度範圍即可，優選為200°C以下。更優選以100°C以下為宜。實施例I使用圖I所示的設備來進行生物質的乾餾試驗。其中，迴轉爐的加熱方法為三段式(3分割)的電加熱。迴轉爐的內徑為15cm、長度為I. 0m、傾斜角為I度，乾餾時間通過變更迴轉爐轉速進行調整。生物質使用了粉碎分級為3 10_的杉的廢木材、椰子的樹幹和椰子的殼。所使用的生物質的組成列於表I。[表 I]
權利要求
1.一種生物質在高爐中的利用方法，在該方法中， 對生物質進行乾餾來製造哈氏可磨性指數HGI顯示為45以上的生物質焦； 對所述生物質焦與煤的混合物進行微粉碎，生成粉碎物； 將所述粉碎物作為高爐的輔助還原材從風口吹入。
2.如權利要求I所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，所述生物質焦的製造包括在450°C以上的乾餾溫度對生物質進行乾餾時間為30分鐘以上的乾餾來製造生物質焦。
3.如權利要求2所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，所述乾餾溫度為450°C以上且小於800°C，所述乾餾時間為30分鐘以上且90分鐘以下。
4.如權利要求3所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，所述乾餾溫度為500°C 600°C、所述乾餾時間為30分鐘 60分鐘。
5.如權利要求I所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，所述生物質焦的哈氏可磨性指數HGI為45以上且90以下。
6.如權利要求5所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，所述哈氏可磨性指數HGI為60以上且90以下。
7.如權利要求I所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，在所述混合物中，相對於生物質焦與煤的總量，生物質焦的混合比例為O. I質量％ 50質量％。
8.如權利要求I所述的生物質在高爐中的利用方法，其中，所述粉碎物的粒度分布為，74 μ m以下的粉碎物佔80質量％以上。
全文摘要
本發明提供生物質的利用方法，其中，在將生物質作為粉煤的替代物用作高爐吹入原料時，生物質的燃燒性與熱值能夠提高到與粉煤同等程度，可以提高氣流傳輸性、採用現有的粉煤吹入設備。本發明使用生物質在高爐中的利用方法，該方法的特徵在於將生物質(A)乾餾來製造哈氏可磨性指數(HGI)顯示為45以上的生物質焦(D)，將該生物質焦(D)與煤(B)一同微粉碎，將該粉碎物作為高爐(14)的輔助還原材從風口(15)吹入。優選將生物質(A)在450℃以上進行30分鐘以上的乾餾來製造生物質焦。
文檔編號B09B3/00GK102666880SQ20108004889
公開日2012年9月12日 申請日期2010年10月28日 優先權日2009年10月29日
發明者淺沼稔, 藤林晃夫, 鶴田秀和 申請人:傑富意鋼鐵株式會社