利用廢木料、秸稈等生物質資源來煉鐵
隨著鋼鐵產量的劇增,冶金煤炭資源,尤其是焦煤資源日益匱乏,節約傳統能源、開發新能源的需求十分迫切。鋼鐵行業作為CO2等溫室氣體的排放大戶,減排任務十分艱巨。廢木料、秸稈等生物質資源分布廣、產量大,是唯一一種可再生的碳中性碳源,與傳統化石能源相比具有巨大的經濟、環保優勢和社會效益。如果能將其在鋼鐵生產中合理應用,則對于企業的節能減排、降低成本具有重大意義。
但是,生物質資源通常具有可磨性差、體積密度小、能量密度低和水分含量高等缺陷,這限制了其在工業中的直接利用,因此通常需要對生物質資源進行轉化處理。生物質資源經熱化學轉化可獲得直接的熱能或生物油、可燃氣體和生物質焦等。生物質經碳化處理后可得到生物質焦,其可磨性大幅改善,能量密度提高,可用作高爐爐料來煉鐵。廢木料、秸稈等生物質的碳化過程包括水分的失去、揮發分的析出和纖維素、木質素的分解等,碳化后的殘留物即為生物質焦。
比較近,北京科技大學用某木材廠的廢白松木料,進行了生物質焦的制備試驗。生物質的碳化過程大致可分為三個階段: 首先是生物質的干燥脫水階段(50~110℃); 其次是生物質的快速碳化階段 (230~500℃),生物質中的纖維素和木質素快速熱解,并產生可燃氣體和固體生物質焦等,比較后是碳化結束階段。
試驗表明,生物質的碳化主要發生在230~500℃的溫度范圍內,至700℃基本碳化完全,繼續升溫對其質量的影響不大。碳化溫度500~700℃ 時,生物質焦產率下降平緩,近似呈較平坦的線性關系; 碳化溫度大于700℃時,生物質焦的產率已基本不受碳化溫度的影響。綜合考慮生物質焦的可磨性和產率,生物質焦制備的合理碳化溫度范圍為500~700℃。在碳化溫度定為500~700℃ 時,制備生物質焦的保溫時間可以定為30 min甚至更短以提高效率。
由于生物質中的纖維素和木質素在碳化過程中被分解掉,利用制樣機很容易將生物質焦破碎至小于50μm 的粒度。生物質焦粉的微觀結構大部分呈薄片狀,而煤粉則呈顆粒狀。因此,生物質焦具有較高的比表面積,這保證了生物質焦有較高的反應性。生物質經碳化后其固定碳含量大大提高,甚至超過無煙煤; 生物質焦的水分含量與煙煤相近,揮發分含量比煙煤低; 生物質焦的 N、S 含量遠遠低于各種煤,C含量比煤高; 經碳化后生物質的氧元素含量大大降低,接近于煙煤的水平,氫元素含量在煙煤和無煙煤之間; 生物質焦的熱值達到 31.48 MJ·kg-1,具有替代煉鐵用煤炭資源的潛力。另外,試驗還表明,生物質焦的轉化率大大高于同一溫度條件下煤樣的轉化率,且生物質焦燃點和完全轉化溫度均較低,即生物質焦的燃燒較快,燃燒性優于煤樣。
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