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生物质能辅助炼铁的可行性研究

来源:中国冶金报 作者: 2013-8-22

摘要: 环境友好型的生物质能辅助炼铁工艺流程 生物质能是唯一一种可再生碳源,与传统的化石能源相比具有极大的经济、环保优势和社会效益。若将其合理应用于炼铁过程,或能带来钢铁生产的技术革新及成本优化。生物质通常可定义为所有碳氢化合物材料,主要由C、H、O、N等化学元素组成。生物质资源种类繁......



环境友好型的生物质能辅助炼铁工艺流程

生物质能是唯一一种可再生碳源,与传统的化石能源相比具有极大的经济、环保优势和社会效益。若将其合理应用于炼铁过程,或能带来钢铁生产的技术革新及成本优化。目前,国内外学者和研究人员对此领域开展了一些前瞻性研究,也取得了一些成果。

生物质通常可定义为所有碳氢化合物材料,主要由C、H、O、N等化学元素组成。生物质资源种类繁多,主要包括农作物及农业有机剩余物、林木及林业有机剩余物、工业及社会生活有机废弃物等。

生物质能本质上是太阳能的一种表现形式,它直接或间接来源于绿色植物的光合作用,并以化学能的形式存储在生物质中。生物质能一直是人类利用的主要能源形式,约占世界能源供应的10%~14%。据估算,每年可从森林及农业剩余物获得的潜在生物质能约为30EJ(艾焦),而每年世界范围的能量需求约为400EJ。

生物质能应用须转化

生物质能具有分布广、产量大、可再生、碳中性(生物质能燃烧时释放的CO2可在植物进行光合作用时被吸收,理论上不增加大气中的CO2量)等优点。但是生物质资源通常体积密度小、可磨性差,这使其存储和运输成本较高,工业加工难度较大;生物质资源的能量密度低、水分含量高,这使其燃烧不够稳定,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,通常须要对其进行转化处理。

生物质焦可代替部分化石燃料

生物质资源通过转化处理可获得各种燃料或化学物质。其中,生物质经热解处理所得固体产物———生物质焦在炼铁工艺中应用前景较大。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。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,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:一是环保优势。生物质焦的可再生、碳中性、低硫、低氮的特点,有助于缓解化石能源消耗危机,减少CO2、SO2和NOx的排放。二是成分组成优势。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。三是特性优势。生物质焦一般是多孔结构,其孔隙率、孔容积和比表面积都较高;生物质焦的燃烧性、反应性等特性明显好于煤炭。

参与铁矿的还原经济可行

生物质能目前主要用于直接燃烧或与煤混燃以获得热、电,碳的还原剂功能未得到有效利用。若将生物质应用于炼铁过程,则生物质碳可参与铁矿的还原过程,夺取炉料中的氧,碳的化学功能可得到充分利用。

我国是农业大国,生物质资源丰富。有学者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)。还有学者对生物质还原铁矿进行了初步研究,将木屑粉与铁矿混合压块,利用生物质燃烧进行加热,并通入H2对其进行还原,设想不用煤炭进行炼铁,但是结果与生产实践有一定差距。

巴西是炼铁过程中生物质能———木炭应用最多的国家。有巴西学者通过实验研究发现,巴巴苏(巴西的一种棕榈树)的完整坚果经1000℃炭化后得到的生物质焦,其S、P含量远低于参考的冶金焦炭,反应性远好于传统焦炭,抗碎强度指标M40大于80%,耐磨强度指标M10小于8%,抗压强度大于40MPa(参考冶金焦炭的抗压强度为15MPa),是少数能直接替代大容积高炉内焦炭而不用造块的生物质原料之一。

日本有学者对炼焦过程中配加木质生物质制备冶金焦炭进行了研究,结果表明,将生物质在室温条件下压制成小于10mm的颗粒后,可以将炼焦原料中生物质的配比增至1.5%,并可防止焦炭产量的降低;200℃压制成型生物质的密度比室温压制的高60%,这可以进一步提高焦炉中生物质的配比,并防止焦炭强度的降低;将压制成型的木质生物质与煤混合后制备冶金焦炭是可行的。

澳大利亚有研究人员对锯末还原纽曼铁矿进行了实验研究,结果表明,铁矿中加入质量分数为10%的锯末,便可将赤铁矿(Fe2O3)完全还原成磁铁矿(Fe3O4),并将部分磁铁矿还原成浮氏体(FeO);加入质量分数为30%的锯末,便足以将纽曼铁矿还原成金属铁,还原反应开始于670℃,至1200℃几乎反应完全。因此,生物质在铁矿预还原和直接还原炼铁方面具有很大的开发潜力。

德国有学者对生物质焦的制备及其特性进行了研究,认为:生物质焦的化学组成取决于炭化条件,而不是生物质种类;生物质焦的比表面积比煤粉大60倍~350倍,是一种高反应性碳料。考虑到生物质焦粉的碳中性,利用数学模型计算得出,用生物质焦粉完全取代煤粉时高炉操作的CO2输入量减少40%左右。

芬兰有学者利用热力学模型对高炉炼铁过程中喷吹生物质的可能性进行了研究,结果表明,尽管高炉喷吹生物质对焦炭的置换比很低(约25%),但是综合考虑将来的焦炭价格和污染物排放,使用生物质作为高炉的辅助还原剂会是一个经济可行的方法。

闭合碳循环工艺辅助炼铁

生物质能在炼铁工艺中可起到重要的辅助作用,具体应用方式如下:

一是用于焦炉炼焦。生物质或生物质焦能够代替炼焦配煤中的部分煤炭,将生物质或生物质焦按一定比例与炼焦煤混合后生产高炉焦炭,可以降低焦炉炼焦过程的污染。

二是用于铁矿造块。利用生物质能可以生产新型的含碳球团等炉料,将这些高反应性炉料应用于高炉,可实现高炉低还原剂操作或低碳炼铁。将生物质能用于铁矿石烧结配料,或能代替部分焦粉,从而降低烧结过程中SO2、NOx等污染物的排放。

三是用于高炉炼铁。生物质或生物质焦可以部分或完全代替高炉喷吹用煤粉而通过高炉风口喷入,这已经在工业生产中得到了实践。某些高强度生物质焦可以与焦炭混合直接加入高炉,从而可以代替部分冶金焦炭。

四是用于非高炉炼铁。生物质或生物质焦或可代替煤基直接还原工艺和煤基熔融还原工艺中的煤粉,起到发热剂和还原剂的作用,从而可较清洁地生产高质量直接还原铁(DRI)和铁水。

此外,生物质(焦)还可用于铁矿的还原磁化、球团矿的焙烧以及热风炉的加热等。

根据以上分析,可以考虑采取如图(详见05版)所示的环境、资源友好型的生物质能辅助炼铁工艺流程。该工艺将生物质能作为炼铁过程的重要辅助碳源,大大减少了地下煤炭资源在炼铁生产中的消耗。

由图中可以看出,绿色植物在其生长过程中,经过光合作用将大气中的CO2固定成生物质碳源,将这些生物质碳源经过适当的预处理即可用于焦炉炼焦、铁矿造块等,所制得的新型含生物质炉料可以单独或与传统炉料混合后从炉顶加入高炉进行炼铁,而制得的生物质(焦)粉则可以部分或全部代替煤粉通过高炉下部风口喷入,从而大幅减少化石碳源的使用和污染物的排放。同时,高炉生产消耗碳源后排放到大气中的CO2气体可以再次被绿色植物固定,从而部分实现了炼铁过程的闭合碳循环,即碳中性循环。理论上,炼铁过程中所有碳源和能源都可以用生物质能代替。尽管实际炼铁生产完全利用生物质能不太可行,但是,有效利用生物质能将大大促进炼铁工艺的节能减排。


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