袁曉麗 李奇峰 黃維 程迦

(重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人口的增加和生活水平的提高，能源消費量持續(xù)增長，而化石能源的儲量已屈指可數(shù)，能源危機威脅著人類的生存和發(fā)展。而大量化石能源的消費帶來的環(huán)境污染也日益突出，SO2、NOx、CO2等氣體的大量排放導(dǎo)致了嚴(yán)重的酸雨和溫室氣體效應(yīng)。鋼鐵行業(yè)是國家重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是高能耗、高排放、增加環(huán)境負(fù)荷的源頭行業(yè)。鋼鐵生產(chǎn)工序多、工藝流程長，是使用化石能源和環(huán)境污染的“大戶”，據(jù)分析，目前全球每年排放的SO2中，80%為化石燃料燃燒，而NOx的產(chǎn)生近70%來自于煤的直接燃燒［1］。隨著鋼鐵產(chǎn)量的高速增長，由此帶來的環(huán)境問題日益顯著，特別是排放SO2、氮氧化物和二惡英等對大氣的污染引起了廣泛關(guān)注。因此，為了鋼鐵工業(yè)的清潔生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展，人們不得不尋找新的能源。

生物質(zhì)燃料是一種可再生的綠色能源，生物質(zhì)燃料的燃燒基本可以實現(xiàn)CO2的零排放(因為生物質(zhì)在生長過程中吸收 CO2，參與大氣中的碳循環(huán))［2］。生物質(zhì)燃料是世界上第四大能源，據(jù)專家估算，每年地球陸地產(chǎn)生約1 000億t干生物質(zhì)燃料，生物質(zhì)燃料在我國的儲量也非常豐富，我國的生物質(zhì)燃料總量相當(dāng)于50億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中每年可利用和可開發(fā)的約為7億t;生物質(zhì)來源極其廣泛，幾乎涵蓋了所有廢棄物和垃圾，例如農(nóng)林產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)生的(木屑、樹皮、秸稈、甘蔗渣等)廢棄物、城市生活垃圾、工業(yè)廢水和廢渣以及人和牲畜的糞便等;生物質(zhì)燃料主要由木質(zhì)纖維素組成，含有C、O、H及少量的N、S等元素，其中含有的S遠(yuǎn)低于鋼鐵工業(yè)中使用的主體燃料煤和焦炭，而且因生物質(zhì)燃料燃燒溫度較化石燃料低，在燃燒過程中氧化生成的NOx減少［3］。這對大氣中減少SO2、NOx的排放是非常有利的。因此，生物質(zhì)燃料將成為未來能廣泛利用的可持續(xù)性燃料之一。未來鋼鐵生產(chǎn)發(fā)展的一個新的方向必然是使用清潔生物質(zhì)燃料替代化石能源。近年來，生物質(zhì)燃料成了國內(nèi)外鋼鐵冶金行業(yè)研究的熱點。

1 生物質(zhì)燃料利用技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，根據(jù)不同行業(yè)的需求，生物質(zhì)燃料利用的技術(shù)很多，主要包括對生物質(zhì)燃料的氣化、液化、熱解、固化成型、發(fā)酵及直接燃燒等技術(shù)［4］。

(1)生物質(zhì)燃料的氣化技術(shù)。生物質(zhì)燃料氣化是在高溫條件下，使用空氣、氧氣及水蒸氣等氣體與農(nóng)業(yè)中秸稈和林業(yè)產(chǎn)生的廢木料等固體廢棄物發(fā)生氣化反應(yīng)得到可燃?xì)怏w(CO、H2、甲烷等)。該項技術(shù)被歐美和巴西等國家廣泛應(yīng)用于發(fā)電和供熱的研究，氣化效率可達(dá)60% ～80%［5］。我國也應(yīng)用該項技術(shù)進行了供熱和發(fā)電的研究，開發(fā)了比較成熟的氣化設(shè)備循環(huán)流化床氣化爐。

(2)生物質(zhì)燃料熱解技術(shù)。生物質(zhì)燃料熱解技術(shù)主要指在無氧和缺少氧氣的條件下生物質(zhì)炭化熱解成氣體、液體、固體產(chǎn)品的過程［6］。這是一種可以綜合利用產(chǎn)品的技術(shù)，但是要同時回收所產(chǎn)生的氣體、液體、固體產(chǎn)品，存在工藝復(fù)雜，成本高的問題，實際研究和應(yīng)用常常只回收其中的某一種產(chǎn)品。

(3)生物質(zhì)燃料液化技術(shù)。生物質(zhì)燃料液化是指通過物理、化學(xué)或機械法將生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)換成液體燃料的過程，目前使用生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化的主要液體燃料為燃料油和醇類燃料(甲醇和乙醇)［7］。目前已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用的有采用木質(zhì)纖維素制取乙醇。德國研發(fā)了生物質(zhì)燃料制取柴油的設(shè)備;我國南京理工大學(xué)進行了生物質(zhì)燃料制取鍋爐用的漿體燃料的研究。

(4)生物質(zhì)燃料直接燃燒。該技術(shù)是最傳統(tǒng)最早使用的技術(shù)，使用的主要燃料為秸稈和柴草，生物質(zhì)燃料產(chǎn)生的能量用于發(fā)電或者供熱［8］。我國農(nóng)村大多采用生物質(zhì)燃料的直接燃燒來獲取能量，每年消耗總量高達(dá)2億t。生物質(zhì)燃料直接燃燒時，不僅易對環(huán)境造成污染，而且具有密度低、燃燒效率低、揮發(fā)分高、發(fā)熱值低的缺點［9］。

(5)生物質(zhì)固化技術(shù)。該技術(shù)是將生物質(zhì)燃料粉碎到一定粒度或者在高壓條件下不加粘結(jié)劑利用機械擠壓成一定形狀的技術(shù)。按成型物的形狀可分為顆粒狀、棒狀、圓柱塊狀成型技術(shù)［10］。如果直接把生物質(zhì)燃料作為燃料，存在含C低的問題，所以一般可以采取化石燃料煤摻雜生物質(zhì)燃料固化技術(shù)，即將生物質(zhì)燃料與煤按一定的比例混合，加入少量的固硫劑，固化壓制為生物質(zhì)煤［11］。生物質(zhì)煤因同時具有型煤和木柴的優(yōu)點，在許多場合能替代煤和木柴作為燃料，這是當(dāng)前生物質(zhì)燃料固化技術(shù)最有市場價值的技術(shù)之一。

目前，上述技術(shù)在燃煤發(fā)電方面得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，但是，在鋼鐵冶金方面，研究能源轉(zhuǎn)化方式主要集中在生物質(zhì)熱解和固化成型技術(shù)方面。

2 生物質(zhì)燃料在燒結(jié)中的研究現(xiàn)狀

目前國外對生物質(zhì)燃料用于鐵礦石燒結(jié)過程中的研究也僅在實驗研究階段。

Mohammad Zandi等人［12］通過在焦粉中分別添加向日葵花籽殼、榛子皮、杏仁果殼、橄欖皮、甘蔗渣和木炭6種生物質(zhì)燃料，當(dāng)燃料比例為75%的焦粉+25%的生物質(zhì)燃料時，燒結(jié)料層最高溫度比單獨使用焦粉低，而且最高溫度不超過1 300℃，可能是生物質(zhì)燃料中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素影響了燒結(jié)料層的燃燒性能;添加生物質(zhì)燃料后溫度上升速度高于只用焦粉時的上升速度，熱波曲線比不添加生物質(zhì)燃料時的寬;添加生物質(zhì)燃料后燒結(jié)速度較快，燃燒效率不受影響，添加生物質(zhì)燃料使SOx明顯降低，NOx也有所降低。

Tze Chean Ooi等人［13］通過研究向日葵花籽殼對燒結(jié)過程的影響，發(fā)現(xiàn)葵花籽殼在鐵礦燒結(jié)中能部分替代燒結(jié)固體燃料焦粉，添加10%的葵花籽殼對燒結(jié)礦質(zhì)量沒有任何影響，不僅替代部分化石燃料，減少了CO2排放，而且提高了垂直燒結(jié)速度，使燒結(jié)礦產(chǎn)量提高6.4%。

R.Lovel等人［14］研究把紅按樹炭化的生物炭應(yīng)用到鐵礦燒結(jié)過程中，通過燒結(jié)杯實驗，燒結(jié)燃料采用添加焦粉和生物焦的混合物，不僅有利于環(huán)保，而且可以提高垂直燒結(jié)速度和提高燒結(jié)生產(chǎn)率。

生物質(zhì)燃料應(yīng)用到鐵礦石燒結(jié)過程中，可以提高燒結(jié)礦產(chǎn)量，減少SOx、CO2的排放，對于在燒結(jié)過程中生物質(zhì)燃料的利用，采用的是部分替代燒結(jié)固體燃料，替換的比例為10% ～25%。

國內(nèi)對生物質(zhì)燃料用于燒結(jié)的研究還處于起步階段，范曉慧等人將生物質(zhì)燃料經(jīng)過采用添加硼酸、硅溶膠、石英粉鈍化的方法，將生物質(zhì)表面改性和物理改性相結(jié)合，將鈍化產(chǎn)物用于鐵礦燒結(jié)中，在燒結(jié)質(zhì)量不受影響的前提下，可取代10%～60%的化石燃料［15］。此外，該課題組還發(fā)明了“一種鐵礦燒結(jié)用生物質(zhì)成型燃料的制備及應(yīng)用方法”，在生物質(zhì)燃料(木質(zhì)炭、秸稈炭和成型鋸末)中添加消石灰和硅溶膠通過液壓成型，按與化石燃料0.75～1.0的置換比用于燒結(jié)過程，不僅可替代0～40%的化石燃料，而且可大幅度有效減少燒結(jié)污染氣體產(chǎn)物COx、SOx、NOx的排放量［16-17］。

3 生物質(zhì)燃料在球團中的研究

含碳球團是目前高爐煉鐵以及非高爐煉鐵(直接還原和熔融還原)發(fā)展方向之一。含碳球團不僅可以作為高爐煉鐵的原料，而且可以作為轉(zhuǎn)爐煉鋼的冷卻劑和電爐冶煉原料。傳統(tǒng)的還原劑主要為焦粉和煤粉，近年來，人們開始嘗試使用生物質(zhì)燃料作為含碳球團的還原劑。

Vladimir Strezov等人［15］采用生物質(zhì)燃料木屑作為鐵礦粉顆粒的還原劑，研究了木屑還原鐵礦粉的機理，當(dāng)添加木屑為30%，還原開始溫度為670℃，在溫度為1 200℃時完成還原，鐵氧化物被還原成鐵金屬，并建立了生物質(zhì)燃料還原反應(yīng)的動力學(xué)模型。

Shigeru Ueda等人［16］研究了含生物焦的鐵復(fù)合球團的反應(yīng)性與還原行為之間的關(guān)系，并確定了還原速率方程，在惰性氣氛下，鐵復(fù)合球團在550℃開始還原，遠(yuǎn)低于焦炭反應(yīng)溫度，并分析了含碳復(fù)合球團的反應(yīng)模型，反應(yīng)模型表明在低溫帶生物質(zhì)焦可以提高還原行為，通過模型可以計算氣氛的影響以及球團的最佳結(jié)構(gòu)。

Sandeep Kumar Baliarsinsh等人分別研究了含煤和木炭生物質(zhì)球團的動力學(xué)模型，研究結(jié)果表明，隨著反應(yīng)時間和溫度的增加，還原性提高，由于木炭含固定碳高，所用木炭取代焦炭也有利于提高還原度，煤的活化能比木炭高，采用木炭生物質(zhì)有利于球團礦還原。

4 生物質(zhì)燃料在高爐煉鐵中的應(yīng)用

目前生物質(zhì)燃料的利用主要借鑒了高爐煉鐵中的噴吹技術(shù)，亞琛工業(yè)大學(xué)的冶金研究所與巴西曼內(nèi)斯曼S.A.在高爐(高爐內(nèi)容積為474 m3，爐缸直徑5.5 m)上首次進行了噴吹木炭和木炭與粉礦混合物的研究。生物質(zhì)燃料噴吹對高爐具有很好的效果，不僅可以提高含碳原料在高爐爐身的還原，而且有利于保持CO2的中性氣氛或減少來碳產(chǎn)生CO2的總量，從而可以降低高爐恒溫帶的溫度，實現(xiàn)提高氣體利用率和降低還原介質(zhì)消耗的目的。目前使用木炭噴吹高爐技術(shù)已應(yīng)用于巴西的小型高爐?，F(xiàn)代大型高爐上噴吹生物質(zhì)或木炭的技術(shù)目前正處于研發(fā)階段。

5 生物質(zhì)燃料用于煉鋼燃料的研究

2004年，歐洲鋼鐵工業(yè)聯(lián)盟成員、歐盟委員會、歐盟成員國等代表組成的歐洲鋼鐵技術(shù)平臺委員會決定實施超低CO2煉鋼技術(shù)研發(fā)項目(ULCOS)，該項目的目標(biāo)是研究新的低碳煉鋼技術(shù)，計劃到2050年使噸鋼CO2的排放量比現(xiàn)在最好水平減少50%，使用生物質(zhì)燃料，可以把冶煉1 t鋼產(chǎn)生的CO2由2 t降低為1 t。加入生物質(zhì)煉鋼的研究目前主要集中在歐洲、日本、巴西和澳大利亞等國家。但是，生物質(zhì)燃料在煉鋼中的應(yīng)用由于成本的原因，其應(yīng)用受到了一定的限制。

6 結(jié)語

當(dāng)前全球氣候問題是不爭的事實，生物質(zhì)燃料是CO2的零排放，對鋼鐵工業(yè)應(yīng)用具有非常大的吸引力。生物質(zhì)燃料用于冶金生產(chǎn)不僅可有效的緩解能源危機，節(jié)約化石能源，而且對減少溫室氣體效應(yīng)和降低有害氣體的排放具有顯著優(yōu)勢。目前，關(guān)于生物質(zhì)燃料的研究和應(yīng)用絕大多數(shù)都還只是停留在實驗研究階段，主要原因是理論與實際的結(jié)合及成本問題沒有得到有效解決，例如，能量轉(zhuǎn)化效率低、中間成本高、外部性顯著。目前關(guān)于生物質(zhì)燃料能源轉(zhuǎn)換和回收方面技術(shù)單一，在綜合效益評價方面還是空白。生物質(zhì)燃料全身是寶，通過炭化利用其固體燃料的同時，應(yīng)該收集其他的能源，實現(xiàn)其綜合利用，大量的生物質(zhì)不僅可替代煤，而且能替代石油和天然氣，其潛在的升值空間會更大。據(jù)專家估計，生物質(zhì)經(jīng)壓縮成型、氣化后供應(yīng)煉鋼企業(yè)的生產(chǎn)用能，一年生物質(zhì)的消耗量大約在5萬t。因此，加強生物質(zhì)燃料綜合能源的轉(zhuǎn)化，是有效實現(xiàn)“環(huán)保 —經(jīng)濟”雙贏目標(biāo)的前提，對推動生物質(zhì)燃料在鋼鐵冶金工業(yè)中的應(yīng)用具有重要作用。

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