生物质燃料在钢铁冶金中的研究进展

袁晓丽 李奇峰 黄维 程迦

(重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆 401331)

随着经济的发展、人口的增加和生活水平的提高，能源消费量持续增长，而化石能源的储量已屈指可数，能源危机威胁着人类的生存和发展。而大量化石能源的消费带来的环境污染也日益突出，SO2、NOx、CO2等气体的大量排放导致了严重的酸雨和温室气体效应。钢铁行业是国家重要的基础产业，也是高能耗、高排放、增加环境负荷的源头行业。钢铁生产工序多、工艺流程长，是使用化石能源和环境污染的“大户”，据分析，目前全球每年排放的SO2中，80%为化石燃料燃烧，而NOx的产生近70%来自于煤的直接燃烧［1］。随着钢铁产量的高速增长，由此带来的环境问题日益显著，特别是排放SO2、氮氧化物和二恶英等对大气的污染引起了广泛关注。因此，为了钢铁工业的清洁生产和可持续发展，人们不得不寻找新的能源。

生物质燃料是一种可再生的绿色能源，生物质燃料的燃烧基本可以实现CO2的零排放(因为生物质在生长过程中吸收 CO2，参与大气中的碳循环)［2］。生物质燃料是世界上第四大能源，据专家估算，每年地球陆地产生约1 000亿t干生物质燃料，生物质燃料在我国的储量也非常丰富，我国的生物质燃料总量相当于50亿t标准煤，其中每年可利用和可开发的约为7亿t;生物质来源极其广泛，几乎涵盖了所有废弃物和垃圾，例如农林产业中产生的(木屑、树皮、秸秆、甘蔗渣等)废弃物、城市生活垃圾、工业废水和废渣以及人和牲畜的粪便等;生物质燃料主要由木质纤维素组成，含有C、O、H及少量的N、S等元素，其中含有的S远低于钢铁工业中使用的主体燃料煤和焦炭，而且因生物质燃料燃烧温度较化石燃料低，在燃烧过程中氧化生成的NOx减少［3］。这对大气中减少SO2、NOx的排放是非常有利的。因此，生物质燃料将成为未来能广泛利用的可持续性燃料之一。未来钢铁生产发展的一个新的方向必然是使用清洁生物质燃料替代化石能源。近年来，生物质燃料成了国内外钢铁冶金行业研究的热点。

1 生物质燃料利用技术研究现状

目前，根据不同行业的需求，生物质燃料利用的技术很多，主要包括对生物质燃料的气化、液化、热解、固化成型、发酵及直接燃烧等技术［4］。

(1)生物质燃料的气化技术。生物质燃料气化是在高温条件下，使用空气、氧气及水蒸气等气体与农业中秸秆和林业产生的废木料等固体废弃物发生气化反应得到可燃气体(CO、H2、甲烷等)。该项技术被欧美和巴西等国家广泛应用于发电和供热的研究，气化效率可达60% ～80%［5］。我国也应用该项技术进行了供热和发电的研究，开发了比较成熟的气化设备循环流化床气化炉。

(2)生物质燃料热解技术。生物质燃料热解技术主要指在无氧和缺少氧气的条件下生物质炭化热解成气体、液体、固体产品的过程［6］。这是一种可以综合利用产品的技术，但是要同时回收所产生的气体、液体、固体产品，存在工艺复杂，成本高的问题，实际研究和应用常常只回收其中的某一种产品。

(3)生物质燃料液化技术。生物质燃料液化是指通过物理、化学或机械法将生物质燃料转换成液体燃料的过程，目前使用生物质燃料转化的主要液体燃料为燃料油和醇类燃料(甲醇和乙醇)［7］。目前已经工业化应用的有采用木质纤维素制取乙醇。德国研发了生物质燃料制取柴油的设备;我国南京理工大学进行了生物质燃料制取锅炉用的浆体燃料的研究。

(4)生物质燃料直接燃烧。该技术是最传统最早使用的技术，使用的主要燃料为秸秆和柴草，生物质燃料产生的能量用于发电或者供热［8］。我国农村大多采用生物质燃料的直接燃烧来获取能量，每年消耗总量高达2亿t。生物质燃料直接燃烧时，不仅易对环境造成污染，而且具有密度低、燃烧效率低、挥发分高、发热值低的缺点［9］。

(5)生物质固化技术。该技术是将生物质燃料粉碎到一定粒度或者在高压条件下不加粘结剂利用机械挤压成一定形状的技术。按成型物的形状可分为颗粒状、棒状、圆柱块状成型技术［10］。如果直接把生物质燃料作为燃料，存在含C低的问题，所以一般可以采取化石燃料煤掺杂生物质燃料固化技术，即将生物质燃料与煤按一定的比例混合，加入少量的固硫剂，固化压制为生物质煤［11］。生物质煤因同时具有型煤和木柴的优点，在许多场合能替代煤和木柴作为燃料，这是当前生物质燃料固化技术最有市场价值的技术之一。

目前，上述技术在燃煤发电方面得到了深入的研究和广泛的应用，但是，在钢铁冶金方面，研究能源转化方式主要集中在生物质热解和固化成型技术方面。

2 生物质燃料在烧结中的研究现状

目前国外对生物质燃料用于铁矿石烧结过程中的研究也仅在实验研究阶段。

Mohammad Zandi等人［12］通过在焦粉中分别添加向日葵花籽壳、榛子皮、杏仁果壳、橄榄皮、甘蔗渣和木炭6种生物质燃料，当燃料比例为75%的焦粉+25%的生物质燃料时，烧结料层最高温度比单独使用焦粉低，而且最高温度不超过1 300℃，可能是生物质燃料中的纤维素、半纤维素和木质素影响了烧结料层的燃烧性能;添加生物质燃料后温度上升速度高于只用焦粉时的上升速度，热波曲线比不添加生物质燃料时的宽;添加生物质燃料后烧结速度较快，燃烧效率不受影响，添加生物质燃料使SOx明显降低，NOx也有所降低。

Tze Chean Ooi等人［13］通过研究向日葵花籽壳对烧结过程的影响，发现葵花籽壳在铁矿烧结中能部分替代烧结固体燃料焦粉，添加10%的葵花籽壳对烧结矿质量没有任何影响，不仅替代部分化石燃料，减少了CO2排放，而且提高了垂直烧结速度，使烧结矿产量提高6.4%。

R.Lovel等人［14］研究把红按树炭化的生物炭应用到铁矿烧结过程中，通过烧结杯实验，烧结燃料采用添加焦粉和生物焦的混合物，不仅有利于环保，而且可以提高垂直烧结速度和提高烧结生产率。

生物质燃料应用到铁矿石烧结过程中，可以提高烧结矿产量，减少SOx、CO2的排放，对于在烧结过程中生物质燃料的利用，采用的是部分替代烧结固体燃料，替换的比例为10% ～25%。

国内对生物质燃料用于烧结的研究还处于起步阶段，范晓慧等人将生物质燃料经过采用添加硼酸、硅溶胶、石英粉钝化的方法，将生物质表面改性和物理改性相结合，将钝化产物用于铁矿烧结中，在烧结质量不受影响的前提下，可取代10%～60%的化石燃料［15］。此外，该课题组还发明了“一种铁矿烧结用生物质成型燃料的制备及应用方法”，在生物质燃料(木质炭、秸秆炭和成型锯末)中添加消石灰和硅溶胶通过液压成型，按与化石燃料0.75～1.0的置换比用于烧结过程，不仅可替代0～40%的化石燃料，而且可大幅度有效减少烧结污染气体产物COx、SOx、NOx的排放量［16-17］。

3 生物质燃料在球团中的研究

含碳球团是目前高炉炼铁以及非高炉炼铁(直接还原和熔融还原)发展方向之一。含碳球团不仅可以作为高炉炼铁的原料，而且可以作为转炉炼钢的冷却剂和电炉冶炼原料。传统的还原剂主要为焦粉和煤粉，近年来，人们开始尝试使用生物质燃料作为含碳球团的还原剂。

Vladimir Strezov等人［15］采用生物质燃料木屑作为铁矿粉颗粒的还原剂，研究了木屑还原铁矿粉的机理，当添加木屑为30%，还原开始温度为670℃，在温度为1 200℃时完成还原，铁氧化物被还原成铁金属，并建立了生物质燃料还原反应的动力学模型。

Shigeru Ueda等人［16］研究了含生物焦的铁复合球团的反应性与还原行为之间的关系，并确定了还原速率方程，在惰性气氛下，铁复合球团在550℃开始还原，远低于焦炭反应温度，并分析了含碳复合球团的反应模型，反应模型表明在低温带生物质焦可以提高还原行为，通过模型可以计算气氛的影响以及球团的最佳结构。

Sandeep Kumar Baliarsinsh等人分别研究了含煤和木炭生物质球团的动力学模型，研究结果表明，随着反应时间和温度的增加，还原性提高，由于木炭含固定碳高，所用木炭取代焦炭也有利于提高还原度，煤的活化能比木炭高，采用木炭生物质有利于球团矿还原。

4 生物质燃料在高炉炼铁中的应用

目前生物质燃料的利用主要借鉴了高炉炼铁中的喷吹技术，亚琛工业大学的冶金研究所与巴西曼内斯曼S.A.在高炉(高炉内容积为474 m3，炉缸直径5.5 m)上首次进行了喷吹木炭和木炭与粉矿混合物的研究。生物质燃料喷吹对高炉具有很好的效果，不仅可以提高含碳原料在高炉炉身的还原，而且有利于保持CO2的中性气氛或减少来碳产生CO2的总量，从而可以降低高炉恒温带的温度，实现提高气体利用率和降低还原介质消耗的目的。目前使用木炭喷吹高炉技术已应用于巴西的小型高炉。现代大型高炉上喷吹生物质或木炭的技术目前正处于研发阶段。

5 生物质燃料用于炼钢燃料的研究

2004年，欧洲钢铁工业联盟成员、欧盟委员会、欧盟成员国等代表组成的欧洲钢铁技术平台委员会决定实施超低CO2炼钢技术研发项目(ULCOS)，该项目的目标是研究新的低碳炼钢技术，计划到2050年使吨钢CO2的排放量比现在最好水平减少50%，使用生物质燃料，可以把冶炼1 t钢产生的CO2由2 t降低为1 t。加入生物质炼钢的研究目前主要集中在欧洲、日本、巴西和澳大利亚等国家。但是，生物质燃料在炼钢中的应用由于成本的原因，其应用受到了一定的限制。

6 结语

当前全球气候问题是不争的事实，生物质燃料是CO2的零排放，对钢铁工业应用具有非常大的吸引力。生物质燃料用于冶金生产不仅可有效的缓解能源危机，节约化石能源，而且对减少温室气体效应和降低有害气体的排放具有显著优势。目前，关于生物质燃料的研究和应用绝大多数都还只是停留在实验研究阶段，主要原因是理论与实际的结合及成本问题没有得到有效解决，例如，能量转化效率低、中间成本高、外部性显著。目前关于生物质燃料能源转换和回收方面技术单一，在综合效益评价方面还是空白。生物质燃料全身是宝，通过炭化利用其固体燃料的同时，应该收集其他的能源，实现其综合利用，大量的生物质不仅可替代煤，而且能替代石油和天然气，其潜在的升值空间会更大。据专家估计，生物质经压缩成型、气化后供应炼钢企业的生产用能，一年生物质的消耗量大约在5万t。因此，加强生物质燃料综合能源的转化，是有效实现“环保 —经济”双赢目标的前提，对推动生物质燃料在钢铁冶金工业中的应用具有重要作用。

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