基于高炉渣余热热解玉米秸秆实验研究

杨艳华 邓 寅 凌清峰 秦跃林

(1.重庆科技学院，2.昆明理工大学)

钢铁工业是国民经济的重要基础产业。高炉炼铁工序的节能降耗对整个钢铁产业意义重大，重点为余热、余能、余压的回收[1-6]。高炉渣是资源性与能源性兼具的二次资源，吨渣热值约为58 kgce。在实现高炉渣高附加值利用的同时，高效回收其蕴含的巨大显热，对于减少资源消耗、提高能源利用率、推动钢铁工业绿色低碳发展具有重要意义。众多学者为兼顾炉渣品质和余热高效回收提供了各种新方法。基于此，文章提出将干法粒化得到的高温固态颗粒作为热载体，用做热解玉米秸秆的热源，重点研究了高炉渣与玉米秸秆掺混比、高炉渣温度以及高炉渣粒径对热解产物的影响，为高炉渣余热回收提供理论支撑。

1 实验研究

采用粉碎机将已烘干的玉米秸秆制成粒径为0.125 mm的实验样品，再放置于烘箱中在105 ℃下烘制6 h，玉米秸秆的工业分析见表1。高炉渣颗粒采用实验室熔体高温转杯粒化装置进行制备，调整转速以获得不同粒径的高炉渣颗粒。

表1 玉米秸秆工业分析 %

利用自制的实验装置，以高炉渣为热载体，进行热解玉米秸秆实验，研究高炉渣与玉米秸秆掺混比(2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1)、高炉渣粒径(0～1、1～2、2～3、3～4、4～5 mm、)、高炉渣温度(800、900、1 000、1 100 ℃)对热解产物的影响。

采用武汉锐意自控生产的便携综合烟气分析仪测定热解气中CO2、CO、CH4和H2含量。

2 结果分析与讨论

通常生物质热解产物主要为热解气、热解油和热解炭，热解产物占比直接反映出热解效果。高炉渣化学稳定性良好，反应前后质量不变。实验所用玉米秸秆经过干燥，粒径小，实验用量较少，热解油质量可忽略不计。所以，热解固相产物总质量扣除高炉渣质量即为玉米秸秆热解后残渣的质量。因此，热解炭产率ωc和热解气产率ωg可以通过公式 (1)和 (2)计算。

ωc=(Mt-Ms)/Mt×100%

(1)

ωg=1-ωc

(2)

式中：Mt为热解固相产物总质量，g；Ms为高炉渣质量，g。

2.1 掺混比对热解产物的影响

在高炉渣温度为900 ℃、粒径为1～2 mm的条件下，掺混比增加，供给热解的热量增大，热解气产率线性增加，热解产物产率见表2。

表2 不同掺混比对热解产物产率的影响

不同掺混比下，热解气各组分体积分数随时间的变化曲线如图1所示。CO、CO2、CH4和H2体积分数均先增大后减小，且各组分体积分数达到峰值的时间和大小也不同。各气体成分体积分数的峰值比较：当掺混比为2∶1时，CO2>CO>H2>CH4；当掺混比为3∶1～6∶1时，CO>CO2>H2>CH4。同一掺混比下，CO、CO2体积分数增长速度较快。高炉渣余热是热解反应的唯一热源，反应进行到8 min后余热不足以维持热解温度，热解气仅在0～8 min内产生。

图1 不同掺混比下，热解气各组分体积分数随时间的变化

不同掺混比下，对热解气各组分产生曲线进行时间积分，获得各组分的产量及占比见表3。随着掺混比增大，CO、CH4和H2气体产量逐渐增大，分别从17.86、0.73、1.92 L增至68.13、4.22、12.50 L；CO2气体产量先减小后增加，最小为16.24 L，最大为60.00 L。掺混比为6∶1时，CO、CO2、CH4和H2气体产量到达峰值，分别为68.13、60.00、4.22和12.50 L。因为高炉渣量增加不仅增加了热解反应所需的热量，而且高炉渣中含有CaO-MgO的络合物能降低裂解反应的活化能，促使高分子烷烃和烯烃裂解。虽然随着掺混比的增加各组分产量增加，但是可燃气体的占比是不同的，当掺混比为4∶1时，CO、CH4和H2占比均达到最大值分别为50.24%、4.59%和10.79%，CO2占比仅为34.37%。

表3 不同掺混比下热解气各组分产量及占比

2.2 高炉渣温度对热解产物的影响

实际生产中，高炉熔渣排放温度在1 500 ℃左右，离心粒化后的温度最高为1 100 ℃。考虑到玉米秸秆热解的温度要求，将高炉渣温度设定为800～1 100 ℃。在掺混比为4∶1、高炉渣粒径为1～2 mm的条件下，随着高炉渣温度升高，为热解提供的热量增加，热解反应更充分，热解气产率线性增加，热解产物产率见表4。

表4 不同高炉渣温度对热解产物产率的影响

不同高炉渣温度下，对热解气各组分产生曲线进行时间积分，获得各组分的产量及占比见表5。随着高炉渣温度升高，CO、CO2、CH4和H2气体产量均有增加，玉米秸秆在800 ℃下热解气总量为11.65 L，在1 100 ℃下热解气总量为108.97 L，说明温度越高热解越充分。虽然热解气体产量均有增加，但气体占比不同，当高炉渣温度为900 ℃时热解气中可燃气体之和(CO、CH4和H2)的占比达到最大，CO2的占比仅为34.37%。这是由于在高炉渣作用下，玉米秸秆热解时还会发生气体间的转化反应，主要有碳的气化反应、重整反应、烷烃和烯烃的裂解反应。其中裂解反应所需的温度最低，重整反应次之，碳的气化反应所需温度最高。

表5 不同高炉渣温度下热解气各组分产量及占比

2.3 高炉渣粒径对热解产物的影响

高炉渣粒径大小不同，与玉米秸秆的接触面积及传热方式不同。高炉渣温度为900 ℃、掺混比为4∶1的条件下，随着高炉渣粒径增大，热解气产率先增加后减少，最大为51%，热解气产率见表6。

表6 不同高炉渣粒径对热解产物产率的影响

不同高炉渣粒径下，热解气各组分产量和占比见表7。随着高炉渣粒径增大，CH4和H2气体产量增加，CO和CO2气体产量受高炉渣粒径影响较大，特别是1～2、2～3 mm两种粒径下，气体产量发生较大变化，主要是由于高炉渣粒径变化后，玉米秸秆与高炉渣接触面积及传热方式发生变化所致。高炉渣粒径小，单个渣粒蓄热面积小，散热快，极容易降温；高炉渣粒径过大，则参与反应的高炉渣少，提供热量不足，达不到热解所需的温度，因此粒径过大、过小皆不利于玉米秸秆的热解反应。

表7 不同高炉渣粒径下热解气各组分产量及占比

3 结论

(1)在高炉渣温度为900 ℃、粒径为1～2 mm的条件下，当掺混比为6∶1时，热解气产率最大为56%，热解气中CO、CO2、CH4和H2气体产量到达峰值，分别为68.13、60.00、4.22和12.50 L。

(2)在掺混比为4∶1、高炉渣粒径为1～2 mm的条件下，当高炉渣温度为1 100 ℃时，热解气产率最大为52%，热解气中CO、CO2、CH4和H2气体产量到达峰值，分别为51.09 、41.40、2.55和13.93 L；

(3)在高炉渣温度为900 ℃、掺混比为4∶1的条件下，当粒径为2～3 mm时，热解气产率最大为51%，热解气中CO、CO2、CH4和H2气体产量分别为57.67、52.04、2.81和9.27 L。