高炉混合喷吹农林剩余物的发展现状与前景

毕学工 饶昌润 彭伟

(武汉科技大学，钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室)

高炉混合喷吹农林剩余物的发展现状与前景

毕学工 饶昌润 彭伟

(武汉科技大学，钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室)

我国有大量农林剩余物资源没有得到充分利用，而高炉每年从风口喷吹的辅助燃料量多达1.1亿吨，希望通过农林剩余物与煤粉混合喷吹减少生铁冶炼消耗的化石燃料量，降低生产成本，大幅度削减CO2排放。本文详细介绍了国内外与高炉喷吹农林剩余物有关的研究成果，分析了我国应用和推广这项节能环保技术的前景。

高炉炼铁 农林剩余物 CO2减排

0 前言

高炉炼铁需要消耗大量化石燃料(焦炭和喷吹煤粉)，同时排放大量CO2等温室气体。2008年，我国重点统计钢铁企业的高炉平均燃料比532 kg/t［1］，按照文献［2］的计算方法，CO2排放量大约为1670 kg/t。2011年全国生铁产量达到将近6.3亿t。全年CO2排放量多达10.52亿t，相应地在世界炼铁业CO2排放总量中所占比例也在60%左右。

农作物和竹木是人工栽培的植物，靠吸收大气中的CO2和利用太阳的光能生长发育。因此，农林剩余物不仅是一种可再生能源，而且在燃烧时不会额外增加大气中的CO2，即是一种CO2中性物质(CO2－neural material)。据中国工程院宋湛谦院士介绍［3］，我国拥有极其丰富的生物质能资源，农林剩余物年产出实物量为20.29亿t，其中可用于生物质生产的实物量为 l3.24亿t(折算为3.82亿 t标煤)。2004年全国农作物秸秆年产生量约6.48亿t，农产品加工剩余物1.5亿 t，其中稻壳3600万 t，玉米芯4300万t，甘蔗渣4070万t。很明显，将农林剩余物应用到高炉炼铁将有效减少化石燃料的消耗，对我国乃至世界节能减排事业做出重要贡献。农林剩余物除可用于高炉喷吹，还可用于炼焦［4］和铁矿石造块［5］。

小麦、玉米等秸秆中的含碳量约占40%，谷壳中的碳、氢总含量达到48%以上［6］，与煤粉一样具有燃料价值。农作物废弃物中的灰分和硫、磷等杂质含量一般都很低，与煤粉混合喷吹有利于降低高炉渣量和提高生铁质量。其含有的7%以上的氢元素还将发挥促进还原和降低焦比的作用，含有的43%以上的氧元素可起到增加风量和扩大产量的作用。

近年来，农村不再需要农作物秸秆作为炊事的主要燃料，剩余的农作物秸秆被废弃于田间地头、场院房头，不仅占压了大量的土地，影响了农村环境卫生，还成为农村火灾的一大隐患。尤其是“三夏”、“三秋”季节，一部分农民为了抢收抢种则把这些剩余秸秆绝大部分在田间直接焚烧处理掉。大量剩余秸秆的露天焚烧不但造成极大的资源浪费，破坏土壤地力，而且带来严重的大气污染，甚至影响飞机的正常起降和汽车行驶，并频繁引发火灾和交通事故。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5 μm的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。与较粗的大气颗粒物相比，对人体健康和大气环境质量的影响更大。2011年12月5日制定的《环境空气质量标准》新标准拟于2016年全面实施，京津冀、长三角、珠三角三大地区及九个城市群可能会被强制要求先行监测并公布PM2.5的数据。郑有飞等基于2007年夏季秸秆焚烧卫星遥感检测资料，发现秸秆焚烧与郑州市PM2.5日均浓度有较好的相关性［7］。高炉混合喷吹农作物废弃物有助于解决直接焚烧大量农作物秸秆的难题。

实现农作物废弃物在高炉中的有效利用，需解决一系列理论与技术问题，下面笔者着重介绍国内外的发展动态和在我国应用的前景。

1 喷吹木炭对高炉指标和CO2排放量影响的理论研究

巴西的热带雨林号称地球之肺，森林资源极其丰富，所以其474 m3以下的小高炉喷吹木炭炼铁，喷吹量达到100～150 kg/t铁。近年来，在欧洲煤铁联盟的资助下，巴西与德国、西班牙合作进行了大型高炉喷吹木炭的试验研究［8］。首先采用基于拉姆理论的物质平衡和热平衡联合模型，在喷吹比保持200 kg/t，利用改变富氧率控制燃烧温度，调整球团矿/烧结矿比例控制炉渣碱度。对喷吹木炭的高炉过程进行的理论计算发现:

1)用灰分低而碱度高的木炭代替煤粉，可以减少风量、渣量和焦比，而且热损失减少，产量增加，炉顶煤气量和发热值下降。

2)用灰分高而碱度低的木炭代替煤粉，产量和焦比指标变差。

3)由于木炭是一种CO2中性物，全部喷吹木炭时将使CO2排放量减少40%左右。

CASTRO等建立了一个高炉从风口同时喷吹煤粉和木炭粉的数学模型［10］。研究了200 kg煤粉/t铁和200 kg木炭粉/t铁两个案例，并将模拟结果与工业试验结果进行了对照。工业试验是在一座工作容积3800 m3的高炉上进行的，高炉安装有垂直探尺和料面上探尺。试验期长达4天。对照发现计算结果与实测结果都比较符合(如图1所示)。模拟计算结果表明，煤比200 kg/t、木炭粉比50 kg/t时高炉的生产指标最理想。

2 农林剩余物的预处理技术

木材化学成分与煤的对比如图2所示。由图2可以看出［10］，与煤相比，木材的O/C比值和H/C比值都较高，相应地发热值较低。为了提高雪松和柏树的发热值并改善其可磨性，采用干馏方法对其进行了预处理，发现在惰性气氛和300℃ ～500℃温度下，干馏产品产率可保证达到20%以上。使用一台高速CCD摄像机对生物质在急速加热条件下的燃烧过程进行观察，并采用图像处理技术获得燃烧速度的定量数据，结果如图3所示。

图1 200 kg/t喷吹比时炉顶煤气温度径向分布的模型计算值和测量值的对比

图2 木材化学成分与煤的对比

图3 干馏温度对木炭燃烧性的影响

由图3可以看出，在200℃ ～300℃下干馏得到的生物炭的燃烧性与煤粉相当。

通过测定不同温度下炭化木材的可磨性，发现木炭粉中0.01mm～0.020mm部分超过了80%，可满足高炉0.074mm部分占70% ～80%的要求。

BABICH等研究了干馏条件对橡木、橄榄木和桉木炭化产品的生产率和性能的影响［8］。在立式马弗炉中生产木炭，每种木材在3个不同温度下干馏碳化:360℃(样品1)，450℃ ～460℃(样品2和2b)，560℃(样品3)。扩大实验使用的设备为电阻炉。由试验结果得知，干馏炭化温度越高，木炭的挥发份含量越低而碳含量越高。典型的木炭元素组成为:固定碳 C=82.1%;H=3.14%;S=0.005%;挥发分 =30.5%;灰分 =0.42%;含 P 量 =0.8%。

用BET法测定的木炭的比表面积等于150 m2/g ～350 m2/g，煤 =1.0 m2/g～2.6 m2/g，木炭是煤的60～350倍，意味着木炭的反应性非常好。干馏温度越高，比表面积越大，原因是挥发份的释放量增加，气孔结构更加发达。因此喷吹木炭的粒度可以比煤粉大很多，这样就可以增加制粉机的产量，降低木炭粉的成本。

赵辉等选用4种新鲜生物质(粒径一般为厘米级)，即:稻壳、红松、樟木松和水曲柳，进行了烘焙试验，发现中温烘焙(250℃左右)能获得较好的固体和能量产率，减少能量损失。烘焙能够节省生物质研磨的耗电量，使生物质的大规模应用与气流床气化成为可能［11］。

与稻杆、木材等不同，稻壳因为所含木质素比较少，不经干馏炭化即可粉碎到0.2mm以下［12］，基本满足高炉喷吹对细度的要求。此时，虽然稻壳粉的发热值较低，但其中含有的大量氧可以得到利用，起到增加高炉产量的作用。

3 炭化农林剩余物的燃烧性

采用热分析仪(Netzsch，STA409)对木炭和煤粉的燃烧性进行了对比试验［8］。试验用5种木炭，一种高挥发性煤和一种低挥发性煤，所有样品的粒度80μm～125 μm。实验结果如图4所示。

图4 不同样品的TG曲线

由TG曲线可以很明显的看到:和高挥发性煤的燃烧性相比较，木炭的燃烧性很好，低挥发性煤燃烧性最差。其原因，一方面是由于木炭的挥发分含量较高，另一方面是因为木炭的表面存在很多空隙，如图5所示。

炭化温度对反应性有重要影响。在低温下生产的木炭由于挥发分含量比较高，开始时失重很快，但反应结束温度升高。

又在阿亨大学的喷吹炉中做了燃烧实验，喷吹两种煤粉和两种木炭，粒度均为80 μm～125μm。当增加O/C比时，燃烧率提高，但木炭的提高幅度比煤粉小(如图6所示)。这是因为木炭的气孔率高，富氧率无须提高很多就可以多喷木炭。

图5 煤和木炭的SEM照片

图6 木炭和煤的燃烧率

还在西班牙的国家冶金研究中心CENIM中试规模的实验装置中模拟了喷入风口的固体和液体物质的燃烧情况，实验装置如图7所示。

图7 西班牙的中试实验装置

实验装置长度1810mm，内径430mm，风口直径60mm，可连续测定气体成分和温度。由喷吹点将喷吹物质喷入，采用燃烧甲烷的办法将温度恒定在1075℃ ～1150℃，将氧含量调节到目标值。

中试试验木炭6次，煤粉3次，实验结果如图8所示。

图8 木炭和标准煤的燃烧率

结果表明:木炭1和木炭2的燃烧率和煤粉1相似。但是木炭的燃烧率(平均值)比煤粉高18%，但喷吹量低了22%。

阿亨大学提供了一个模拟风口状况的实验装置，如图9所示。焦炭储仓高0.9 m，内径0.35 m，能够在30min的试验期间保证稳定的焦炭料层条件，焦炭仓的容积0.25 m3。装置共有8个测量点，在M1－M4安装有热电偶和气体分析仪，在M5和M7安装了热电偶，在M6安装了高温仪和集成的摄像仪，在M8安装有废气成分分析仪。

图9 焦炭层喷吹实验装置

实验条件:以相同的浓度(0.075 kg/m3)和相同的喷吹速度(0.17 kg/min)进行试验，木炭4次，煤粉2次。使用的桉树木炭成分:C=82.31，H=3.14，S=0.005，VM=30.5，灰分 =0.42(百分含量)。使用的煤粉成分:C=82.70，H=4.05，S=0.645，VM=16.65，灰分 =7.99(百分含量)。

实验结果表明，喷吹煤粉的峰值温度比喷吹木炭高16℃(分别达到了1714℃和1698℃)，在粒度相同的情况下，焦炭层中煤粉的残留量比木炭高很多(如图10所示)，说明木炭比煤粉更容易反应。

CHEN等研究了稻壳(未经炭化处理)的燃烧性［13］。在热重实验炉和滴管炉两种实验装置上对煤粉和谷壳的燃烧性进行了测定。煤粉和稻壳的粒度:100 ～200 目(74 μm ～145 μm)，无烟煤的挥发分含量等于6.32%，发热值等于27773 kJ/kg，稻壳的挥发分含量=78.93%，发热值=15841 kJ/kg。为模拟高炉条件，热重实验的升温速度控制在20 K/min，气体流量500 cc/min，温度范围25℃ ～1400℃;滴管炉采用螺旋给料器装料，载气N2气预热到350℃，流量2000 cc/min，最高温度也控制在1400℃。

图10 试验后焦炭层煤粉和木炭的含量

虽然测定结果没有如预期的那样发现谷壳对煤粉燃烧有促进作用，但高炉要求挥发分含量比较高，而无烟煤的挥发分含量低，稻壳的挥发分含量高，所以稻壳的配比可以在0～100%范围任选。

我国的农业、能源工业从燃烧和气化的角度对农作物废弃物的性能进行了较多研究。梁爱云等［14］采用热重分析技术对木屑、麦秆、玉米秆和玉米芯4种生物质考察了其着火、燃尽特性和综合燃烧特性，研究了升温速率对生物质燃烧特性的影响，同时在热天平上对其进行了动力学试验研究。肖刚等［15］利用自制的高温炭化试验装置在不同最终炭化温度下制备稻秆和稻壳焦炭，研究了稻秆和稻壳焦炭电阻率的变化规律，分析了稻秆和稻壳焦炭微观形态、化学成分、官能团分布等与电阻率之间的依变关系。

4 炭化农林剩余物的反应性

利用热重分析STA对1种木炭和2种煤粉，模拟在炉身900℃ ～1300℃温度区间内，3种不同条件下的碳溶损反应(见表1)，所有样品的粒度为45 μm～80 μm。对失重曲线进行分析发现，虽然煤粉的挥发分比木炭高11%，但木炭的碳溶损反应进行得比煤粉快。

表1 STA分析实验条件

又在Tammann炉中分别在900℃、1100℃、1300℃的等温条件下进行了反应性试验。将木炭，煤粉和木炭与煤的混合物(粒度＜45 μm)，在Ar气氛中装入炉中，5min后改通CO2，气体流量为200 L/h。发现:在900℃和1100℃和CO2气氛下，木炭的反应性比煤粉都要高，但随着温度的升高这种差别变小;在1300℃和CO2气氛下，木炭黏附在焦炭的表面使焦炭的失重率减少了18% ～20%，如图11(a)所示。其原因是，焦炭的气孔被木炭粉残留灰分的薄膜堵塞，如图11(b)所示，减少了与CO2的接触机会，使得焦炭难于与CO2反应。

图11 木炭对焦炭反应性的影响

5 高炉喷吹农林剩余物应用的前景分析

芬兰Helle等人［16］分析了高炉喷吹生物质对炼钢成本的影响，关键因素是部分热解生物质与其他还原剂(煤粉和焦炭)的价格对比，但在不同转炉产量水平下，起决定作用的价格因素可能会发生变化。

煤炭的供应地集中，而农林剩余物的产地分散，能量密度低，存在明显的区域性和季节性，所以收集、运输及贮存的环节较繁，其产生的费用是生物质成本的主要部分。煤炭的运输多半采用铁路或水路，运价较低;而农林剩余物的堆密度很小，体积庞大，运输只能采用以汽、柴油为燃料的汽车，运价较高。煤粉可以直接磨细，磨机的效率较高，而农林剩余物在磨细之前一般要经过干馏和炭化处理，磨机的产率较低，电耗较高。以上这些原因使得高炉喷吹农林剩余物粉末比喷吹煤粉成本略高。这是推广高炉喷吹农林剩余物技术的不利因素。

首先应降低收集成本。傅友红等介绍了北京某成型燃料厂采用“公司+基地+专业户”利益联结模式建立秸秆收集体系，采用“理、情、利、令”的保障措施，优化秸秆收集半径，减少发电成本的经验［17］。据测算，直径23 km范围内的秸秆可用量约在20～30万t，如果采用合理的收集模式和方式，基本可以收集到满足一个25 MW秸秆发电厂的燃料需求。曹明璐［18］介绍了一种专用的玉米秸秆打捆机，它具有结构紧凑，操作方便，成型秸秆捆尺寸规整、重量稳定，适应北方玉米秸秆强度高的特点，同时流水线式的作业方式有助于产出比的提高。赵希强等［19］介绍了适合秸秆的压缩固化成型技术。秸秆中含有木质素，没有熔点但有软化点，当温度为70℃ ～110℃时软化，具有黏性，当温度达到200℃～300℃时成熔融状，黏性高。此时加以一定压力就可使其与纤维素紧密粘接并与相邻颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型为颗粒燃料。

其次要研究预处理技术和专用设备，降低制粉成本。容易磨碎的谷壳比较好办，近年来市场上已有分级稻壳粉出售［19］。还可采用两段式破碎系统，第二段的进料粒度一般小于5mm，利用风力分级保证产品的粒度满足生产的要求［20］。生物质干馏需要能量，有人正在研究利用高炉渣的显热对生物质进行预处理。

农林剩余物是碳中性物质，应用于高炉喷吹将大量减少CO2的排放，因此可以少缴纳碳排放税，参照欧洲目前的征税标准(20欧元/t－CO2)，折合为160元人民币/t－CO2。中国政府正在研究制定环境税的政策法规。这是推广高炉喷吹农林剩余物技术的有利因素。

政府的主导作用对高炉喷吹农林剩余物技术的发展至关重要，欧洲的经验值得借鉴［21］。欧洲各国除了将生物质能应用于生产燃料乙醇和生物柴油以外，主要用于直燃发电和供热。丹麦BWE公司早在1988年就建设了世界上第一座秸秆生物质发电厂，提供丹麦全国5%电力供应，同时还有100多台用于供热的生物质锅炉。芬兰生物质发电量占本国发电量的11%。瑞典则利用无工艺价值的木材采用热电联合装置产热和供电，现有15000～20000公顷的能源林作为部分热电生产原料。奥地利的生物质能在总能耗中的比例由原来的3%激增到目前的25%。制定了许多促进生物质能开发和利用的政策法规，加大为生物质能提供原料的生产抵税和生产补助。德国联邦政府从1999年到2001年在生物质能领域的投资补贴总计为2195亿欧元，瑞典从2004年至2006年，政府对用生物质能采暖的家庭每户提供1350欧元的补贴。

因此，为了推动和发展农林剩余物在高炉中的利用，我国也急需建立相关的财税政策，包括对生产企业和农户的投融资支持，对钢铁厂提供税收优惠，促使投资生产者和消费使用者间的双向互动。

6 结语

与直燃发电比较，农林剩余物用于高炉喷吹具有两方面的优势。第一，能够充分利用农林剩余物所含氢元素的化学能，节省更多的化石燃料;第二，所节省的燃料不是资源丰富、价格低廉的动力煤，而是资源日渐枯竭、价格较高的高炉喷吹煤和冶金焦。因此，将农林剩余物用于高炉喷吹，不仅在成本上具有优势，而且在合理利用资源上也具有优势。大力研究和发展高炉混合喷吹农林剩余物是一种必然。

促进高炉混合喷吹农林剩余物技术的发展不单是炼铁工作者的任务，更需要得到全社会的认同和支持。

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DEVELOPMENT STATUS OF SIMULTANEOUS INJECTION OF AGRICULTURAL AND FORESTRY RESIDUES AND ITS PERSPECTIVE

Bi Xuegong Rao Changrun Peng Wei
(Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology)

Our country has a plenty of agricultural and forestry residues that are not yet fully applied while the amount of auxiliary fuels injected through blast furnace tuyeres is up to110 million tons.It is expected to decrease the amount of fossil fuels consumed by pig iron smelting and production cost，mitigate CO2emission in a great deal through the simultaneous injection of agricultural and forestry residues.In this paper the investigation results related to agricultural and forestry residues injected into the blast furnace was discussed in detail and the perspective of this energy saving and environment protection technology was analyzed.

blast furnace ironmaking agricultural and forestry residues CO2emission reduction

联系人:毕学工，教授，博士生导师，中国金属学会炼铁学术委员会荣誉委员，湖北.武汉(430081)，武汉科技大学;

2012—5—25