PDF《Process》

生物质资源的能量密度低、水分含量高,这使得生物 质的燃烧不够稳定,燃烧率波动较大.这些因素限制 了生物质资源在工业中的直接利用,因此,通常需要 对其进行转化处理.生物质资源的化学转化形式包括 生物化学转化和热化学转化等,通过转化处理可获得 各种燃料或化学物质,图1为生物质能化学转化及产 物示意图. Figure 1. Chemical conversion of biomass energy 图1. 生物质能的化学转化 其中,生物质经热解处理所得固体产物――生物 质焦在炼铁过程中具有较大的应用前景.生物质焦可 定义为:生物质在一定温度的缺氧环境下热解,脱除 大部分挥发分后所得的高碳固体残余物. 与煤焦类似, 生物质焦除含有固定碳外,还含有部分挥发分和较少 的灰分等物质.热解条件(热解温度、升温速率和保 温时间等)直接影响生物质焦的产率、成分组成及特 性.一般情况下,随生物质热解温度的提高和保温时 间的延长,生物质焦的产率降低、挥发分含量减少、 反应性增高.经过热解炭化处理,生物质转变为生物 质焦,其可磨性和能量密度等均得到大幅提高[4] .木 炭是一种最常见的典型生物质焦,图2(a)和图 2(b)分 别为利用松木制得生物质焦破碎前的侧面和截面 SEM 照片. Figure 2. SEM pictures of biomass char before grinding 图2. 生物质焦破碎前的 SEM 照片 研究人员对各种生物质焦的制备及其特性进行了 比较广泛的研究, 认为生物质焦是一种高碳、 高热值、 低污染的优质固体燃料,可代替部分化石燃料[5-8] ,这 为生物质焦在炼铁过程中的应用奠定了理论基础. 一般而言,与煤等化石燃料相比,生物质焦普遍 具有以下优点: (1)环保优势.与生物质一样,生物质焦也具有 可再生、碳中性、低硫、低氮等特点,这有助于缓解 化石能源消耗危机和减少 CO

2、SO2 和NOx 的排放. (2)成分组成优势.生物质焦一般碳含量较高, 灰分含量很低,氮、硫、钾、钠等杂质元素含量很少, 即成分纯净度较高. (3)特性优势.生物质焦一般是多孔结构,其孔 隙率、 孔容积及比表面积都较高;

生物质焦的燃烧性、 反应性等特性明显好于煤炭. 就炼铁过程而言,恰当地利用生物质焦或能起到 节能、减排、降成本的积极作用,并能够保证较高的 铁水质量,为后续的炼钢工艺创造良好条件.

3 生物质能在炼铁过程中的应用研究 炼铁过程需要大量焦炭和煤粉提供热量和还原 剂,之前的研究工作普遍集中于焦炭及煤粉的高效利 用,而忽视了生物质碳源对于煤、焦的替代作用. 生物质能是碳中性的高碳能源,目前主要用于直 接燃烧或与煤混燃以获得热、电.这两种利用方式都 需要额外供氧,碳的还原剂功能未得到有效利用,且 能量利用率较低.若将生物质应用于炼铁过程,则生 物质碳源参与铁矿的还原过程,夺取炉料中的氧,碳 的化学功能得到充分利用. (a) (b) 式(1) 为生物质直接燃烧的主要化学反应, 式(2) 为生物质应用于炼铁过程的主要化学反应. C+O2→CO2 (1) C+FexOy→Fe+CO2 (2) 鉴于温室效应加剧、世界气候异常和资源短缺, 研究人员对生物质能在炼铁过程中的应用及可行性进 行了研究.以下对国内外炼铁过程中生物质能的应用 研究进行论述. 3.1 中国应用研究状况 中国是农业大国,生物质资源丰富.但我国对于 生物质能应用的研究主要集中于直接燃烧发电、与煤 混燃发电、气化发电以及制取燃料等,几乎未见有在 炼铁过程中应用的研究. 汪永斌等人[9] 对生物质还原磁化褐铁矿进行了实 验研究,发现与用褐煤还原磁化褐铁矿相比,生物质 的还原磁化效果较好,且还原温度可降低 100℃以上 (降至 650℃左右). 3.2 国外应用研究状况 对生物质在炼铁过程中的应用进行研究的国家, 一般以农林业为其经济基础, 或是本国化石能源匮乏、 能源生产及消耗依赖进口燃料,如巴西、日本、澳大 利亚等.欧洲钢铁工业正在开发利用木炭作为高炉用 可再生能源的技术,以减少 CO2 的排放量. 3.2.1 巴西 巴西是世界上最大的木炭生产国,木炭平均年产 量超过