1.本发明涉及一种铁矿烧结过程中的点火方法，特别涉及一种烧结过程中利用生物质燃料实现超低温点火方法，属于钢铁冶金铁矿烧结技术领域。
背景技术：
2.钢铁工业是典型的物质-能源消耗和污染物排放密集型的流程工业，随着社会的发展，节能减排已是钢企面临的最大挑战。直至目前，我国的高炉炉料结构仍然以碱性烧结矿为主，烧结矿在高炉炉料结构中的比重约为70％，这就导致铁矿烧结工序会消耗大量的能量。由于气体燃料具有较低的燃点和较大的放热强度，且存在燃烧控制灵活等特点，因此，目前国际上一般采用天然气、焦炉煤气等高热值燃气作为铁矿烧结工序的点火燃料，然而这些高热值燃气均属于化石燃料范畴，且价格较为昂贵，采用高效、低污染物排放的烧结工艺点火方式已成众多冶金工作者重要的研究内容。
3.生物质能是继煤炭、石油、天然气之后的第四大能源。这类可再生能源物质在燃烧过程释放的co2源自于其生长时所吸收的co2，因此生物质燃料具有co2的净零排放特性，此外，由于生物质燃料还具有较低的开始燃烧温度和较高燃烧强度等特点，其燃烧特性与气/液态燃料更为接近，为特别适用于铁矿烧结过程的低温点火的固体燃料。在农林生物质垃圾禁止焚烧、秸秆过度还田等带来的秸秆无处放、病虫害滋生严重和作物易倒伏等背景下，若将这类生物质能作为燃料用于铁矿烧结，不仅可有效缓解铁矿烧结工序烧气带来的环境污染、能源短缺问题，也可有效实现农林废弃物的资源化利用。
4.在生物质燃料用于铁矿烧结方面，专中国利cn102352273b公开了一种铁矿烧结用生物质炭及其制备与应用。生物质炭的制备是采用两段式炭化工艺，通过低温炭化和高温炭化的配合，以及在添加剂沥青的强化作用下，获得密度1.1～1.4g/cm3、固定碳含量75～90％、挥发份5～15％、热值25～32mj/kg的生物质炭，并将其破碎成适宜的粒度组成。将生物质炭应用到铁矿烧结，可替代0～60％的化石燃料，获得的烧结指标与完全使用焦粉时相当，并可大幅降低烧结过程cox、sox、nox的排放量。中国专利cn114935264a公开了一种基于生物质炭-富氢燃气耦合喷吹的低碳烧结方法，该方法将烧结机的开始点火至烧结终点之间的烧结料料面划分为四个区域,通过在前部烧结料料面喷吹生物质碳粉来补充热量，在中后部烧结料料面喷吹富氢燃气保持高温，可大幅降低固体化石燃料的用量，减少污染物排放。在降低烧结工序点火能耗方面，中国专利cn109556407b公开了一种降低铁矿烧结点火能耗的方法，该方法通过优化点火炉温度场的合理分布，减少点火能耗浪费，提高点火效果。
5.上述方法虽然对生物质燃料在铁矿烧结的应用和降低烧结工艺点火能耗有积极作用，然而目前关于采用生物质燃料作为铁矿烧结工序的点火燃料以实现铁矿烧结工序低温点火的研究和报道几乎没有，所用生物质炭多为价格昂贵的优质木炭，无法使用秸秆炭，且烧结原料中混入过多的生物质炭会导致烧结前沿移动速度过快，烧结矿质量恶化，影响后续生产，因此，为了开发铁矿烧结工艺的低温点火型生物质燃料，进一步缓解烧结过程对
化石能源的依赖，就需要对所用生物质点火燃料的物化属性、燃烧特性进行控制，以实现烧结过程的顺利点火。
技术实现要素：
6.为了解决上述问题，本发明的目的是在于提供一种烧结过程中利用生物质燃料实现超低温点火方法，该方法在推动生物质燃料用于铁矿烧结的同时，实现铁矿烧结工序的低温点火，以缓解烧结过程存在的对化石能源依赖大、点火能耗和污染物排放量多的问题，利用生物质燃料具有较低的开始燃烧温度、较快燃烧速度和较大燃烧强度，还具有放热过程集中和燃烧过程热流量大等特点，将其应用于铁矿烧结过程的点火燃料，可以解决传统烧结点火过程温度高、能耗大和污染物排放量大等问题，同时还能减少铁矿烧结过程对化石能源的消耗量，并大幅度降低了铁矿造块过程中化石燃料燃烧带来的烟气污染物及co2排放量。此外，烧结点火燃料可由农林业废弃生物质炭化制得，能够实现农林生物质废弃物资源化利用，且步骤简单，实施难度低，成本低，有利于大规模推广应用。
7.为了实现上述技术目的，本发明提供了一种烧结过程中利用生物质燃料实现超低温点火方法，该方法是将生物质炭均匀铺设在烧结料层表面，再在垂直烧结料层向下抽风形成的微负压条件以及450～700℃温度条件下完成超低温点火。
8.本发明技术方案的关键是在于利用生物质炭具有较低的开始燃烧温度和较大的燃烧强度的特点，可在较低点火温度下进行燃烧反应，随着烧结风机的抽风作用，可将热量和部分生物质灰分传至下层的烧结料层，在高温和生物质灰催化的双重作用下，烧结原料中的焦粉或兰炭迅速着火并开始进行铁矿的烧结过程，由于生物质燃料在整个烧结过程中只充当烧结点火温度的低温引燃剂和焦粉或兰炭燃烧的触发剂，不参与后续的烧结过程，对烧结矿质量的影响甚微，在降低烧结点火温度和污染物排放的同时不会影响正常生产。
9.作为一个优选的方案，将生物质炭均匀铺设在烧结料表面，并采用机械手段实现生物质炭与表层烧结料混合，再将烧结料层表面平整。所述混合，只需满足生物炭与表层烧结料没有明显分界层即可，无需完全混合均匀，通过机械手段实现生物炭与表层烧结料初步混合，使得生物质炭与表层烧结混料的接触区形成一个“炭中有矿，矿中有炭”的混合过渡区，无明显分界层，可以增加生物质炭与烧结料面的接触面积，保证生物质炭中产生的燃烧带能顺利过渡到烧结混料中，顺利完成整个点火过程。
10.作为一个优选的方案，所述生物质炭中粒度小于3mm，且小于2mm的粒级质量比例不宜低于70％，且灰分质量含量应小于15％，挥发分质量含量为10～50％，热值为25～32mj/kg，综合燃烧特性指数介于(0.50～1.50)
×
10-12
s-2
·
℃-3
之间，燃烧强度不低于4.8
×
10-4
s-1
，开始燃烧温度应低于400℃。对于生物质炭来说，如果粒度过大，则燃料不容易点燃，且燃烧放热速率低，不易现成点火高温区，如果粒度过小，则会恶化烧结料层的透气性。生物质炭的挥发分质量含量较低可以减少气体污染物如nox排放。对于生物质燃料的热值控制在25mj/kg以上，可以减少料面布设的生物质燃料厚度，减小对烧结透气性的负面影响。
11.作为一个优选的方案，所述生物质炭的密度为0.3～0.7g/cm3。如果密度过大，生物质炭颗粒的结构较为紧实，点燃效果差，密度过小，布料厚度大，影响透气性。
12.作为一个优选的方案，所述生物质炭在烧结料层表面的铺设厚度可由以下公式进
行确定：
[0013][0014]
其中，
[0015]
h和h分别代表生物质炭和烧结料层的厚度，cm；
[0016]
ρs和ρc分别代表烧结料和生物质炭的密度，g/cm3；
[0017]ei
代表烧结机点火能耗，kj/t；
[0018]
qc为生物质固体燃料的低位发热值，kj/kg；
[0019]
c1和c2为点火前后的空气比热容，kj/(m3·
℃)；
[0020]
t1和t2分别为超低温点火的温度和烧结料面实际接触到的热风温度，℃；
[0021]
所述公式的前提条件为：超低温温点火的前后，烧结料面所接触到的热风温度不变。当生物质炭的铺设厚度过低时，则难以满足点火热量需求，当生物质炭的铺设厚度过高时，会影响烧结透气性。因此，控制生物质炭铺设厚度在适当范围内，既达到点火要求，又不会影响烧结。
[0022]
作为一个优选的方案，所述点火采用气体燃料或高温烟气作为点火热源。作为一个较优选的方案，所述气体燃料包含生物质燃气、焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气、天然气或氢气中至少一种。作为一个较优选的方案，所述高温烟气包括环冷1段的高温烟气，或者热风炉或焦炉加温过程产生的热烟气。
[0023]
作为一个优选的方案，所述烧结料中固体化石燃料配比量相对常规配比量减少，减少量为烧结料面铺设的生物质炭质量的2～4倍。生物质炭产生的热量可以替代部分固体化石燃料，从而可以有效减少二氧化碳或污染物排放。
[0024]
本发明的生物质炭和生物质燃气均来源于生物质原料，利用生物质原料的热解可以获得生物质炭和生物质燃气，也可以利用生物质原料的水热过程获得水热炭。生物质原料包括玉米、水稻、小麦、大豆等在内农业废弃物和树叶、树枝、果核等在内的林业废弃物，可以是其中的一种或任意两种以上组合。生物质燃气的热值不宜低于18mj/m3。生物质炭的灰分应小于15％，挥发分为10～50％；热值为25～32mj/kg，综合燃烧特性指数介于(0.50～1.50)
×
10-12
s-2
·
℃-3
之间，燃烧强度不低于4.8
×
10-4
s-1
。
[0025]
作为一个优选的方案，考虑到生物质炭与传统的气体点火燃料在燃烧速度、热量释放率等方面存在较大差异，为加快生物质炭的燃烧速度和热量释放速率，以维持合理的烧结点火热工制度，可根据实际点火工况对所述点火过程的助燃风选择性进行富氧。
[0026]
作为一个优选的方案，所述微负压的范围为0.1～5kpa。在适当的微负压条件下有利于生物质炭的热量和部分灰分传至下层的烧结料层快速引燃烧结原料中的焦粉或兰炭并开始进行铁矿的烧结过程。
[0027]
本发明提供的烧结过程中利用生物质燃料实现超低温点火方法，包括以下步骤：
[0028]
s1：将生物质炭均匀的铺在烧结机烧结料层表面；其中，生物质炭的粒度粒度小于3mm，且小于2mm的比例不宜低于70％，生物质炭在烧结料层表面覆盖的厚度可由以下公式进行确定：
[0029]
[0030]
其中，
[0031]
h和h分别代表生物质炭和烧结料层的厚度，cm；
[0032]
ρs和ρc分别代表烧结料和生物质炭的密度，g/cm3；
[0033]ei
代表烧结机点火能耗，kj/t；
[0034]
qc为生物质炭的低位发热值，kj/kg；
[0035]
c1和c2为点火前后的空气比热容，kj/(m3·
℃)；
[0036]
t1和t2为超低温点火的温度和烧结料面实际接触到的热风温度，℃；
[0037]
所述公式的前提条件为：超低温温点火的前后，烧结料面所接触到的热风温度不变。
[0038]
s2：用机械混料装置(例如滚爬犁)将生物质炭与表层烧结料进行初步混合，经平料板平整表面物料后送进入烧结机点火炉。
[0039]
s3：在微负压条件下，采用高温热废气或是包括生物质气在内的气体燃料作为点火燃气，点火温度范围为450～700℃，考虑到生物质固体燃料与传统的点火燃料在燃烧速度、热量释放率等方面存在较大差异，为加快生物质固体燃料的燃烧速度和热量释放速率，以维持合理的烧结点火制度，可对所述点火过程的助燃风可根据实际工况选择性进行富氧，例如点火风氧含量可控制在21％～40％之间。
[0040]
与现技术相比，本发明技术方案带来的有益效果为：
[0041]
1)本发明提供的一种烧结过程中利用生物质燃料实现超低温点火方法，该方法将生物质固体燃料科学、合理的铺在烧结料层表面，而非混入烧结原料之中，作为烧结点火系统的低温引燃剂和焦粉或兰炭等一类化石燃料着火的触发剂，不参与后续烧结料层的烧结过程，因此相较于已有的生物质作燃料用于铁矿烧结领域的相关研究和方法，该法不会导致烧结过程烧结前沿移动速度过快、烧结矿质量显著恶化的问题。
[0042]
2)本发明提供了一种烧结过程中利用生物质燃料实现超低温点火方法。农业生物质垃圾虽然具有储量充裕，但是富含有害物质而在钢铁领域的使用受到限制。在有固体燃料参与的烧结点火环节中，要求固体燃料具有较低的开始燃烧温度以保证燃料自身的高引燃效率，也要求固体燃料具有较快的燃烧反应速度以起到快速加热并引燃烧结料层中焦粉或兰炭粉的目的，还要求固体燃料燃烧所产生的灰分对下层焦炭或兰炭的着火和燃烧无不利影响。然而生物质燃料均能满足以上条件，同时生物质燃料燃烧生成的灰分对下层焦炭或兰炭这类传统燃料的着火和燃烧有催化作用，同时由于物质固体燃料不参与后续烧结料层的烧结过程，点火后对铁矿烧结过程无明显影响，因此无需在使用前对生物质提前进行脱害脱除，可接受包括农业秸秆在内的一切可用生物质资源，具有生物质燃料类型适应性强的特点。
[0043]
3)本发明提供一种烧结过程中利用生物质燃料实现超低温点火方法，以生物质固体燃料充当烧结点火系统的低温引燃剂和烧结原料中焦粉和兰炭等传统燃料着火的触发剂，可在较低的点火温度下完成铁矿烧结的点火任务，且烧结点火过程的点火热源可以是由烧结环冷机一段烟气在内的冶金高温烟气，也可以是生物质炭制备过程生成的生物质气在内的气体燃料燃烧放出的热量，在显著降低了铁矿烧结过程的点火能耗的同时有效缓解了烧结点火过程对高热值化石基燃气的依赖，减少了烧结点火环节使用化石燃料燃烧而引起的污染物和炭排放数量，是一种低能耗、绿色化的点火方式。
附图说明
[0044]
图1为生物质燃料超低温点火(左)和传统点火(右)技术原理图。
[0045]
图2为实施例1中生物质炭的燃烧失重曲线(左)和失重速率曲线(右)。
[0046]
图3为实施例3中生物质炭的燃烧失重曲线(左)和失重速率曲线(右)。
具体实施方式
[0047]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
[0048]
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
[0049]
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0050]
以下实施例及对比实施例中烧结原燃料及配比按以下条件进行：
[0051]
铁矿及含铁杂料的主要化学成分/％
[0052]
[0053][0054]
熔剂、燃料和返矿的主要化学成分/％
[0055][0056]
燃料的工业分析(干基)/％
[0057][0058]
原料配比
[0059]
[0060][0061]
铁矿及含铁杂料水分
[0062][0063]
熔剂、燃料及返矿水分
[0064]
[0065][0066]
实施例1：
[0067]
湘钢烧结机规模为360m2，利用系数1.35t/(m2·
h)，作业率97％。烧结点火温度1150℃，采用焦炉煤气点火，煤气热值为17756kj/m。该厂烧结点火煤气消耗为0.08gj/t，焦炉煤气空燃比为1:5，现与采用生物质燃料进行超低温点火操作，点火热风温度为600℃，在不改变原有空燃比的情况下，热风量为22.52m3/t，生物质炭的组分见表1，其低位发热值为26.85mj/kg，生物质炭在10℃/min的加热速率下由室温加热至800℃的燃烧失重曲线见图2，燃烧特性参数值见表2，生物炭的密度为4.2g/cm3，烧结料的密度为1.6g/cm3，600℃的热风热容取1.13kj/(m3·
℃)，1150℃的热风热容取1.19kj/(m3·
℃)，则根据公式1可知，在烧结料表面均匀铺设一层厚度为0.58cm的该种生物质炭后，采用滚爬犁将生物质炭与表层烧结料初步混合，使得生物质炭与表层烧结料之间无明显分层界面，在5kpa的微负压条件下即可达到正常的烧结温度启动烧结，即每吨烧结矿需要1.51kg的该种生物质炭完成点火热风的再次升温任务。此过程如果采用煤气实现点火热风的二次加热，则该过程需要消耗2.28m3/t的煤气，由此可知该烧结机采用该种生物质炭进行烧结的低温点火操作每天可替换约25796m3的煤气，而生物质炭的耗用量仅为17.08t/d，烧结混料中焦炭的配加量最多可减少68.16t/d，极大的减少了由化石燃料燃烧带来的环境污染问题。
[0068]
表1生物质炭的工业分析和元素分析检测结果
[0069][0070][0071]
表2生物质炭的燃烧特性参数
[0072][0073]
实施例2
[0074]
湘钢烧结机规模为360m2，利用系数1.35t/(m2·
h)，作业率97％。烧结点火温度1150℃，采用焦炉煤气点火，煤气热值为17756kj/m。该厂烧结点火煤气消耗为0.08gj/t，焦炉煤气空燃比为1:5，现与采用生物质燃料进行超低温点火操作，点火热源为烧结环冷1段的热风，点火热风温度为450℃，在不改变原有空燃比的情况下，热风量为22.52m3/t，生物质炭的组分见表1，其低位发热值为26.85mj/kg，生物质炭在10℃/min的加热速率下由室温加热至800℃的燃烧失重曲线见图2，燃烧特性参数值见表2，生物炭的密度为0.42g/cm3，烧结料的密度为1.6g/cm3，450℃的热风热容取1.10kj/(m3·
℃)，1150℃的热风热容取1.19kj/(m3·
℃)，则根据公式1可知，在烧结料表面均匀铺设一层厚度为0.73cm的该种生物质炭后，采用滚爬犁将生物质炭与表层烧结料初步混合，使得生物质炭与表层烧结料之间无明显分层界面，在5kpa的微负压条件下即可达到正常的烧结温度启动烧结，即每吨烧结矿需要1.91kg的该种生物质炭完成点火热风的再次升温任务。此过程如果采用煤气实现点火热风的二次加热，则该过程需要消耗2.86m3/t的煤气，由此可知该烧结机采用该种生物质炭进行烧结的低温点火操作每天可替换约132358m3的煤气，而生物质炭的耗用量仅为21.61t/d。烧结混料中焦炭的配加量最多可减少86.44t/d，极大的减少了由化石燃料燃烧带来的环境污染问题。
[0075]
在其他条件不变的情况下，若生物质点火燃料的铺设厚度与公式(1)计算结果相差较大，则会改变表层烧结矿所接触的热风温度，影响后续烧结的正常进行。如所铺设的生物质燃料的厚度为0.5cm时，烧结料层表面接触的热风温度约为928℃，明显低于正常烧结点火温度的1150℃，使得点火效果变差，若生物质料层厚度为1cm，烧结料层表面接触的热风温度远超1150℃，如此高的热风温度会导致表层烧结矿过烧，影响正常生产。
[0076]
实施例3
[0077]
湘钢烧结机规模为360m2，利用系数1.35t/(m2·
h)，作业率97％。烧结点火温度1150℃，采用焦炉煤气点火，煤气热值为17.76mj/m。该厂烧结点火煤气消耗为0.08gj/t，焦炉煤气空燃比为1:5。
[0078]
现与采用生物质燃料进行超低温点火操作，点火热源为生物质热解气，气热解气主要组分见表3，其热解热值为12.27mj/m3，点火热风温度为700℃，在不改变原有空燃比的情况下，热风量为22.52m3/t，则基于该烧结机原有的能量利用效率得知需消耗约3.69m3的生物质热解气可将22.52m3的25℃空气加热至700℃，此阶段生物质热解气的使用相当于了2.55m3/t的煤气。
[0079]
生物质炭的组分见表4，其低位发热值为25.79mj/kg，生物质炭的燃烧失重曲线见图3，燃烧特性参数值见表5，生物炭的密度为0.38g/cm3，烧结料的密度为1.6g/cm3，700℃的热风热容取1.15kj/(m3·
℃)，1150℃的热风热容取1.19kj/(m3·
℃)，则根据公式1可知，在烧结料表面均匀铺设一层厚度为0.53cm的该种生物质炭后，采用滚爬犁将生物质炭与表层烧结料初步混合，使得生物质炭与表层烧结料之间无明显分层界面，在5kpa的微负压条件下即可达到正常的烧结温度启动烧结，即每吨烧结矿需要1.24kg的该种生物质炭完成点火热风的再次升温任务。此过程如果采用煤气实现点火热风的二次加热，则该过程需要消耗1.86m3/t的煤气，由此可知该烧结机采用该种生物质炭进行烧结的低温点火操作每天可替换约21044m3的煤气，而生物质炭的耗用量仅为14.03t/d，烧结混料中焦炭的配加量最多可减少56.12t/d，极大的减少了由化石燃料燃烧带来的环境污染问题。
[0080]
表3生物质气的主要成分
[0081][0082]
表4生物质炭的工业分析和元素分析检测结果
[0083][0084]
表5生物质炭的燃烧特性参数
[0085]