CN119162399A - 一种微波强化生物质基球团直接还原的工艺的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种使用微波和生物质能提取Fe的方法，该方法包括：将矿粉与生物质混合，所述生物质的质量占所述矿粉质量的30‑40％，得到混合原料；将所述混合原料进行造球处理，所述造球处理的成型压力大于15MPa，保压时间大于2min，所述造球处理得到的球团直径为10～16mm；对所述球团进行微波加热处理，所述微波的功率为3‑4KW，加热温度，800‑1000℃，还原时间为30～50min，得到还原产物；对所述还原产物进行磁选分离，得到铁产品。该方法全程使用微波替代碳加热，同时使用生物质替代焦炭和煤粉。与常规直接还原炼铁工艺相比，温度低，时间短，还原效果好，产率高，能耗小，碳排放低，具备“以氢代碳”和提高绿电使用占比的巨大潜力。

Description

一种微波强化生物质基球团直接还原的工艺的方法

技术领域

本申请涉及冶金领域，具体地，涉及一种使用微波和生物质能提取Fe的方法，更具体地，涉及一种微波强化生物质基球团直接还原工艺的方法。

背景技术

在“双碳”目标下，对钢铁行业的低碳绿色生产提出了更高要求，传统高炉炼铁技术面临挑战。生物质作为洁净、可再生能源，具有碳中性、高反应性等优势，已开始应用于炼铁，作为燃料和还原剂。

我国铁矿石资源丰富，但多为低品位的复合共伴生矿，呈现出“多、贫、细、杂”四个特点，其中铁的品味低，开发利用总体水平不高。传统磁化焙烧和熔分工艺在处理复合共伴生矿时效果不佳。相比之下，直接还原-磁选法低温下分离渣铁效果好，但金属化率和铁颗粒大小要求高，且高温会减小选择性还原范围。所以亟需寻找一种能在较低温度下快速还原的工艺，以提高直接还原铁的生产效率，同时减少能源消耗和降低碳排放。

因此，目前的直接还原提取Fe的方法，特别是基于生物质的直接还原提取Fe的方法仍有待改进。

发明内容

本申请旨在提供一种直接还原提取Fe的方法，以解决或缓解相关技术中的一项或更多项技术问题。本申请提出的方法利用微波加热高效环保特点，结合生物质替代常规碳还原剂，实现铁矿石资源的高效低耗还原，通过磁选工艺，可实现铁与其他元素的分离与富集，为钢铁行业的绿色可持续发展提供新途径。

本申请是基于生物质还原Fe的方法中，多存在还原温度高、需要将生物质预处理为生物质炭、操作复杂等缺点。为了提高生产效率和降低能源消耗，对还原过程的优化势在必行。发明人发现，微波加热技术具有选择性加热、加热速率快、清洁生产以及绿色无污染等优点，可以在生物质能冶炼过程中补充氢还原带来的热损失，还能明显提高反应速度，缩短反应时间，降低能耗和提高产品质量。此外，相比于采用煤等不可再生资源为燃料的热还原过程，生物质基球团一方面含碳量较煤炭等物质更低，因此天然具有更加低碳的特性，另一方面生物质在低温固态还原过程中会发生热解，热解释放大量富氢气体参与还原。同时产生大量气体通道，使球团变得疏松多孔，进而改善了气固反应的动力学条件。此外，生物质富含K，Na等碱土金属，能够催化铁矿物的固态还原。综上所述，该方法具有更好的还原效果，金属化率较高。

因此，在本申请的一个方面，本申请提出了一种使用微波和生物质基球团直接还原提取Fe的方法。该方法包括：将矿粉与生物质混合，所述生物质的质量占所述矿粉质量的30-40％，得到混合原料；将所述混合原料进行造球处理，所述造球处理的成型压力大于15MPa，保压时间大于2min，所述造球处理得到的球团直径为10～16mm；对所述球团进行微波还原处理，所述微波的功率为3-4KW，加热温度为800-1000℃，还原时间为30～50min，得到还原产物；对所述还原产物进行磁选分离，得到铁产品。该方法可以简便地利用微波达到所需的还原温度，并获得较好的还原效果，得到的铁产品产率较高。

根据本申请的一个实施例，所述生物质包括林业废弃物、秸秆、酒糟、稻壳中的至少之一，所述矿粉包括精矿粉、低品位矿粉、复合矿粉、矿井粉尘中的至少之一。由此，可进一步降低该方法的成本。

根据本申请的一个实施例，所述混合原料中进一步包括粘结剂和溶剂，所述溶剂含量为所述混合原料总质量的6～8％，所述粘结剂含量为所述混合原料总质量的0.18～0.24％，所述粘结剂包括水玻璃、膨润土、聚乙烯醇中的至少之一，所述溶剂包括水。由此，可进一步提高原料混合的均匀性。

根据本申请的一个实施例，经过所述造球处理的球团在进行所述微波加热处理之前进一步经过干燥处理，所述干燥处理为在100-110℃下保温12～15h。由此，可进一步提高造球的质量。

根据本申请的一个实施例，所述生物质在和所述矿粉混合之前经过前处理，所述前处理包括：对所述生物质进行水洗、干燥处理。由此，可去除表面尘土等杂质，进一步提高用于造球的生物质的质量。

根据本申请的一个实施例，所述混合原料中的矿粉和生物质的粒度分别独立地为d＝-48μm～-74μm。由此，可提高还原的效果。

根据本申请的一个实施例，所述微波功率为3.5-3.8KW。由此，可提高还原的效果。

根据本申请的一个实施例，所述微波加热处理的升温速率为25-35℃/min，加热温度为800～1000℃。由此，可提高还原的效果。

根据本申请的一个实施例，所述磁选分离的磁场强度为0.15-0.2T。由此，可进一步提高磁选的效率和效果。

根据本申请的一个实施例，该方法进一步包括：对所述微波还原处理过程中产生的废气和焦油进行回收处理。

上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过以下的详细描述，本申请进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

附图说明

图1显示了根据本申请一个实施例的方法的流程示意图；

图2显示了根据本申请一个实施例的方法的装置结构图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本申请的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例，不同的实施例在不冲突的情况下可以任意结合。因此，下文的描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

下面通过具体实施例对本申请提出的方法进行说明。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法，所用的试剂如无特别说明均为可商购的试剂。

本申请提出了一种微波强化生物质基球团直接还原的创新工艺方法，巧妙地融合了环保理念和高效能源利用技术。该方法使用生物质可再生能源替代常规碳还原剂，不仅降低了对化石燃料的依赖，还有效减少了CO₂的排放，进而降低了环境污染，属于一种新型的富氢低碳炼铁工艺。在生物质基球团直接还原工艺中引入微波场，能够降低还原温度，提高反应效率，实现低温下快速还原。通过本发明所述方法，以微波加热替代常规加热作为热源，以生物质替代常规碳作为还原剂，能够有效克服内配碳球团直接还原炼铁工艺存在的还原时间长、还原温度高、还原效率低和CO₂排放量大等不足，提高了整个工艺的经济性和环保性，具有良好的应用前景。

具体地，参考图1，本申请提出的方法可包括以下步骤：

S100将矿粉与生物质混合得到混合原料

在该步骤中，首先将矿粉与生物质按照一定比例进行混合，得到混合原料。

其中，生物质可包括林业废弃物、秸秆、酒糟、稻壳等原料，矿粉可以为低品位矿、复合矿粉、矿井粉尘的一种或几种。上述原料成本均较为低廉，可降低该方法的原料成本。并且，秸秆、稻壳等前述的生物质原料为各行业的废弃物，但具有一定的有机质含量，可以在后续的微波还原过程中通过有机物质的分解释放还原性气体，因此具有较好的用作还原剂的潜质：采用上述物质形成球团，一方面可以降低生产成本，节省其他工业、农业过程处理废弃物的操作，还可以降低该方法整体的碳排放量：如前所述，相比于煤等传统还原用原料，生物质自身的碳含量较低，因此整个工艺排出的碳也能够大幅降低，更加符合节能减排的要求，成为降低碳排放，实现碳中和的有效途径。

在一些实施例中，混合物中生物质的质量占所述矿粉质量的30-40％，例如可以为35-40％。关于原料配比，随着生物质添加量从10％增加到40％，该方法的金属化率逐渐提高。增加生物质量提高了还原气氛浓度，促进了矿物中含铁氧化物的还原。然而，当生物质添加量从40％增加到50％时，金属化率提升不明显，生物质添加量过多，造成资源的浪费。

为了进一步提高矿粉和生物质的混合质量，令二者充分接触，矿粉和生物质的粒度可以分别独立地为：d＝-48μm～-74μm。为了更好地在后续步骤中进行造球，混合原料中可以进一步包括粘结剂和溶剂。具体地，所述溶剂含量为所述混合原料总质量的6～8％，粘结剂含量为所述混合原料总质量的0.18～0.24％。粘结剂可以包括水玻璃、膨润土、聚乙烯醇中的至少之一，溶剂可以为水。

本申请提出的方法由于采用了恰当的原料配比和高效的加热方式，因此可以采用品质较低的原料矿粉。

为了进一步提高该方法的效果，在进行混合之前，还可对生物质等原料进行预处理：

可对生物质进行水洗处理。具体地，可以首先利用水洗处理去除表面尘土与其他杂质，然后进行干燥处理。

S200造球工艺

在该步骤中，将混合原料进行造球处理，得到原料球团。造球处理的成型压力大于15MPa，保压时间大于2min，造球处理得到的球团直径为10～16mm。

经过造球处理的球团可以在进行后续处理，即在进行微波加热处理之前进一步进行干燥处理，以提高后续微波加热处理的效果。干燥处理为在100-110℃下保温12～15h。由此得到充分干燥的球团。

S300微波还原工艺

根据本申请的实施例，在该步骤中对球团进行微波还原工艺的处理。具体地，对球团进行微波加热处理。微波的功率为3-4KW，加热温度可以为800-1000℃，还原时间为30～50min，得到还原产物。

微波作为一种特定频率的电磁场，其应用为材料制备带来了革命性的变革。微波不仅能够快速、均匀地加热材料，更能与材料中的离子、分子等微观粒子发生相互作用，精准调控其运动状态和反应过程，从而实现对材料性质的精确控制。

在强磁场材料科学领域，微波的应用为制备具有优异性能的新型材料提供了有力支持。其中微波强化还原的过程主要依赖于微波独特的加热机制。在外加电磁场的作用下，介质中的极性分子从无序随机状态转变为随电场方向排列。由于分子排列取向随电场频率周期性往复变化，在运动过程中会发生剧烈碰撞，从而产生热量。通过利用物料的吸波特性，使得样品能在较短的时间内快速而全面地加热，为还原提供所需的热量。这种加热方式具有升温快速、整体加热和无加热惯性等优点。采用微波加热不仅解决了传统加热中的一些固有问题，如“冷中心”技术难题，还提高了还原效率：微波加热的前述特殊机制，决定了原料在微波加热作用下并非是由表面逐渐渗透至物料内部的热量传导过程。相比于传统的接触式传热过程，微波加热的方式可以更加均匀、快速地对物料进行充分的加热。由此，可以避免物料中不同位置由于传热速率不同导致的温度差，从而可以提高球团内部不同位置处的加热环境的均一性，令还原反应以更加高效、均一的方式进行。

此外，微波对于吸波能力不同的物质，会产生不同的影响。碳酸盐，硅酸盐等脉石矿物具有较低的介电常数和对温度变化的较小敏感性。这意味着它们在微波场中的吸波能力较弱，因此吸收的微波能量较少。这类物质在微波加热过程中可以保持相对较低的温度。而含铁矿物具有较高的介电常数和介电损耗因子，这使得它们在微波场中具有较强的吸波能力。当含铁矿物吸收微波能量时，它们会迅速升温，并达到较高的温度水平。这种高温有助于加速还原反应，提高还原效率。同时，含铁矿物和脉石矿物在微波作用下的这种温度差异在二者之间产生热应力，有助于两者解离，对于铁矿特别是大量存在的多金属共伴生复合铁矿，其矿物种类繁杂，利用微波作用下不同矿物吸波能力的差异，可实现多种矿物之间的选择性加热，不仅促进了有用矿物与脉石的解离，还增大了有用矿物的有效反应面积，更大的反应面积意味着更多的还原反应可以发生在矿物表面，从而提高了整体的还原效率。因此，微波在材料制备中的应用展现出了巨大的潜力和优势。

如前所述，生物质在微波还原过程中由于有机质的分解，产生大量气体，因此经微波强化后，物料结构更为松散，有机质分解产生的气体在球团中累积一定量之后会溢出球团表面，因此该过程会在球团内部形成多种气体通道。这些气体通道的形成可以令压制的物料更松散，增强还原性气体和矿粉的接触，改善了动力学条件。该方法将生物质基球团矿置于微波还原炉中，通过微波的特殊加热机制，实现对物料的高效、快速加热，从而强化还原反应的过程。

在该步骤中，可以将2～3层前述步骤制得的球团平铺于料盘中，置于微波还原炉中，微波功率为3.6KW，升温速率为30℃/min，升温至800～1000℃，还原时间为30～50min。

S400磁选工艺

在该步骤中，可对固相还原得到的产物进行磁选分离，得到磁性相的产物和非磁性相的剩余物料。磁选过程中的磁场强度为0.18T。

进一步的，还可以对还原过程中产生的废气和焦油通过废气回收处理装置进行回收利用。

例如，参考图2，图2示出了一种利用本申请提出的方法进行Fe分离的设备结构示意图。其中，1为显示器，2为微波开关，3为触控屏，4为石英管，在石英管内实现微波还原。5为加热区域，6为加热腔，7为微波源，8为福马轮，9为冷凝水槽，10为锥形瓶，11为气体流量计，12为气体收集瓶。

通过锥形瓶11和气体收集瓶12，可有效地处理实验产生的气体和焦油，通过惰性保护气体的通入确保实验环境的安全性，通过三段式冷凝装置实现对焦油的冷凝分离，通过气体流量分析仪实时监测气体流量和成分，最后通过气体收集装置收集气体样本以便后续分析。

总的来说，本申请可具有如下的有益效果：

(1)本发明所用还原剂原料为生物质，作为一种典型的富氢可再生能源，“丰富多样、绿色可持续”，其包括木屑、秸秆、酒糟、稻壳。这些生物质原料的主要成分是碳氢化合物，杂质成分相对较少，在炼铁工艺中是良好的焦炭煤粉替代品。

(2)本发明在生物质基球团直接还原工艺中引入微波的作用，通过微波独特的加热机制，利用物料的吸波特性实现快速、高效的还原过程，实现常规条件下不能达到的还原效果。在富氢冶炼过程中补充氢还原带来的热损失，还能明显提高反应速度，缩短反应时间，降低能耗和提高产品质量，微波加热取代化石能源加热。

(3)通过本发明所述方法，固相还原温度降低到900℃以下能快速还原到80％以上。缩短了还原时间，在微波作用下，生物质基球团可以在50min内使金属化率达到90％以上，提高了生产效率。经微波强化后，物料结构更为松散，进一步高效达成了矿中铁与有价金属元素的选择性还原与分离。

(4)以微波加热替代常规加热作为热源，以生物质替代常规碳还原剂，将两种环境友好的方法结合起来用于还原矿粉。

下面结合具体实例，进一步详细描述本发明的技术方案：

以粒径为d＝-48μm～-74μm的白云鄂博矿粉为矿粉，化学成分见下表1。生物质粒径为d＝-48μm～-74μm白酒酒糟为还原剂。

表1白云鄂博矿粉的化学成分/％

矿样取自内蒙古白云鄂博矿，全铁品位47.5％，主要富集在赤铁矿中。所用生物质为白酒酒糟，在工业分析中灰分占3.74％，挥发分占76.64％，固定碳为14.73％。

(1)原料处理：将酒糟进行清水洗涤，去除表面灰尘与其他杂质，干燥，得到生物质B。

(2)原料配比：将矿粉与酒糟B按一定比例混合均匀。原料要求：粒径d＝-48μm～-74μm；混合比例为酒糟B按矿粉质量的百分比为40％混合均匀后配加粘结剂和水，各加入量为原料总质量的0.24％和8％。

(3)球团制备：将上述混合料采用造球机或压球机制备生物质基球团矿成型压力为15MPa，保压时2min，球团直径为10～16mm；压制好的球团经干燥备用，干燥方法为100±5℃下保温12～15h。

(4)固相还原：将2～3层生物质基球团矿平铺于料盘中，置于微波还原炉中，微波功率为3.6KW，升温速率为30℃/min，升温至900℃，还原时间为50min。还原结束后，磁选分离，得到直接还原铁产品。

磁选分离后得到金属化率为94.3％的直接还原铁产品。

实施例2：

其余操作同实施例1，所不同的是，采用微波功率为3.0KW，金属化率为55.6％。

实施例3：

其余操作同实施例1，所不同的是，生物质粒径为-74μm～-80μm，金属化率为25.0％。

实施例4：

其余操作同实施例1，所不同的是，混合比例为酒糟C按矿粉质量的百分比为30％，金属化率为25.6％。

对比例1：

(1)原料处理：将酒糟进行清水洗涤，去除表面灰尘与其他杂质，干燥，得到生物质B。

(2)原料配比：将矿粉与酒糟B按一定比例混合均匀。原料要求：粒径d＝-48μm～-74μm；混合比例为酒糟B按矿粉质量的百分比，即40％。混合均匀后配加粘结剂和水，各加入量为原料总质量的0.24％和8％。

(3)球团制备：将上述混合料采用造球机或压球机制备生物质基球团矿成型压力为15MPa，保压时2min，球团直径为10～16mm；压制好的球团经干燥备用，干燥方法为100±5℃下保温12～15h。

(4)固相还原：将2～3层生物质基球团矿平铺于料盘中，置于无微波的管式还原炉中，升温速率为30℃/min，升温至900℃，还原时间为50min。还原结束后，磁选分离，得到直接还原铁产品。

磁选分离后得到金属化率为20.3％的直接还原铁产品。

比较可知，本发明的微波强化生物质基球团直接还原的工艺方法显著提升了还原效率。在微波作用下，生物质基球团的金属化率相比无微波作用时提高了3.65倍。这一创新不仅显著提高了生物质基球团的还原效率，还将还原温度降低至1000℃以下，有效补充了氢还原过程中的热损失，进而降低了整体能耗。此外，本发明的工艺流程操作简便，且通过使用生物质作为还原剂，有效减少了CO₂的排放，进而降低了环境污染。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

上文的申请提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种使用微波和生物质基球团直接还原提取Fe的方法，其特征在于，包括：

将矿粉与生物质混合，所述生物质的质量占所述矿粉质量的30-40％，得到混合原料；

将所述混合原料进行造球处理，所述造球处理的成型压力大于15MPa，保压时间大于2min，所述造球处理得到的球团直径为10～16mm；

对所述球团进行微波还原处理，所述微波的功率为3-4KW，加热温度为800-1000℃，还原时间为30～50min，得到还原产物；

对所述还原产物进行磁选分离，得到铁产品。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物质包括林业废弃物、秸秆、酒糟、稻壳中的至少之一，

所述矿粉包括精矿粉、低品位矿粉、复合矿粉、矿井粉尘中的至少之一。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述混合原料中进一步包括粘结剂和溶剂，所述粘结剂含量为所述混合原料总质量的0.18～0.24％，所述溶剂含量为所述混合原料总质量的6～8％，

所述粘结剂包括水玻璃、膨润土、聚乙烯醇中的至少之一，

所述溶剂包括水。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经过所述造球处理的球团在进行所述微波加热处理之前进一步经过干燥处理，所述干燥处理为在100-110℃下保温12～15h。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物质在和所述矿粉混合之前经过前处理，所述前处理包括：

对所述生物质进行水洗，

对经过所述水洗的生物质进行干燥处理。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合原料中的矿粉和生物质的粒度分别独立地为d＝-48μm～-74μm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微波功率为3-4KW。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微波加热处理的升温速率为25-35℃/min，加热温度为800～1000℃。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁选分离的磁场强度为0.15-0.2T。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：对所述微波还原过程中产生的废气和焦油进行回收处理。