高炉喷吹秸秆生物质燃烧特性分析

王国强

（山东钢铁集团日照有限公司，山东 日照276800）

1 前 言

生物质的微观、热性能进行了研究，进一步探究高炉喷吹秸秆生物质的可行性［1-3］。

随着日趋严格的环保要求以及日益增长的能源成本，国内外对于高炉炼铁过程中生物质的应用研究逐渐增加。高炉喷吹技术现在已经成熟，对于生物质在高炉的应用提供了有效的方式方法，对于高炉喷吹生物质燃料有很大的应用前景。本文对

2 微观形貌分析

为充分了解秸秆加工后物料性能与煤粉的区别，通过扫描电镜观察分析无烟煤粉和生物质秸秆的形貌，结果如图1所示。

图1 秸秆粉碎体和煤粉微观形貌

由图1a 可见，煤粉颗粒粒度性较好，分布分散情况匀称，这是由于煤粉有机组分比较少，成粒性较好，颗粒间黏度不高，气孔的分布均匀性较好，因此在破碎过程中，气孔优先被粉碎，黏度较低容易分散成均匀的粉末。

由图1b、图1c、图1d 可以看出，秸秆粉碎后为条片状，形体不规则，可以看出破碎并没有对生物质造成组织结构变化。生物质粉末体为孔网状纤维结构，可以增加氧的扩散速度，对于挥发分快速析出和热分解具有促进作用，相应的会增强燃烧的热量和速度。在生物质破碎后，便于运输和储存，破碎后的生物粒径可达到微米级，在高炉使用过程中与煤粉一块喷吹，在超音速的喷吹速度下不会产生分层，便于工艺控制。另外，混合喷吹也将增加煤粉的燃烧性能，因此生物质在高炉的燃烧性能值得深入研究，便于生物质在高炉的充分应用。

3 秸秆和煤粉工业元素对比分析

为详细了解秸秆和煤粉组分的差异，本试验选取无烟煤粉、部分不同种类的秸秆进行工业和元素对比分析，秸秆工业分析参照（ASTM）E870—82标准，煤粉工业分析按照GB/T 212—2008 执行，元素分析使用元素分析仪分析，结果见表1和表2。

表1 秸秆生物质的元素含量表（质量分数） %

通过元素分析可以看出，秸秆生物质主要由碳氢氧氮硫等元素组成，其中碳氢氧占比达到98%以上，因生物质自身特性还含有部分N、S。与无烟煤对比来看，生物质O 含量达到了35%以上，有很好的助燃效果。通过元素组成来看，生物质相较于煤粉环保性更优，N、S含量极低，不会造成排放污染。但相较于煤粉，生物含有的部分碱金属容易造成结渣，对高炉炉况会造成一定的影响，但可以通过与煤粉混合使用，可以较好地解决碱金属对高炉冶炼的使用影响。

表2 无烟煤和生物质的参数

根据表2可以看出，无烟煤的挥发分远低于秸秆燃料，相差接近58%，固定碳远高于秸秆燃料，接近50%；另外不同秸秆的灰分也有较大差别，小麦、玉米秸秆相对较低。无烟煤的发热值为秸秆生物质的1.5倍，这主要受固定碳差值影响。

4 燃烧性能分析

4.1 试验设定

将生物质秸秆与无烟煤经烘干干燥后进行粉碎筛分，取一定粒度的生物质粉体（可借鉴高炉喷吹粒度要求），并继续在100 ℃左右干燥2 h 以上，进一步去除水分。使用热重分析仪对粉体的燃烧性能进行试验，升温速度设定为20 ℃/min，不进行加压或气氛保护，采用常规环境，气体的流量设定在60 mL/min。为保证试验精度，均采用两次重复试验进行误差控制，并要求测量的两条TG曲线，始终在同一比例的前提下，最大误差≯±1 ℃。完成上述测量后，再进行空白试验去除系统自身偏差。

4.2 燃烧试验分析

选取秸秆和生物质进行热重试验，并对相应的TG-DTG曲线进行分析，如图2所示。

图2 燃烧特性曲线

对试验结果分析可以看出，秸秆在加热过程中，200 ℃前曲线未发生明显变化，说明未发生大比例失重。随着温度的升高，200～600 ℃始终比较严重，曲线明显下降，DTG 上升，失重速率很大，说明该阶段为秸秆燃烧过程，正经历剧烈的放热过程。继续升高温度，TG曲线变化逐渐变缓慢，DTG曲线也逐渐平稳，说明秸秆燃烧接近完成，在650 ℃后，失重过程停止，燃烧完全。

对比秸秆和煤粉的燃烧特性曲线可以看出，煤粉着火点高于秸秆燃烧值，煤粉着火点高于500 ℃，秸秆着火点在200 ℃左右。主要由于秸秆自身组织结构决定的，秸秆主要含有木质素、纤维素、半纤维素。半纤维素分解燃烧开始点低于200 ℃，导致秸秆燃点比较低。煤粉主要是由有机物组成，主要包括缩聚的芳香结构。相对的分子间结合能较高，分解碳氢化合物和煤炭粒子分离难度大，所以导致煤粉的着火温度升高了。另外从微观秸秆分析来看，秸秆间分布比较分散，存在较大的空隙，并且呈纤维状，与空气接触面积比较大，创造了有力的燃烧条件。煤粉燃烧温度及燃尽温度都很高，比一般秸秆高出200 ℃左右；从元素分析和工业分析结果可以看出，秸秆挥发分较高，在低温下可以提供给固定碳燃烧所需的足够热能，便于固定碳快速燃烧，另外生物质本身固定碳含量较低，整体燃烧所需热量较低，时间也短，从而也决定了生物质燃烧燃尽温度都不高或者比煤粉低很多。

4.3 混合物的燃烧

为研究混合后的燃烧性能，将秸秆与煤粉按照5%、10%和15%进行配比，燃烧特性见图3。

燃烧率是衡量燃烧性能好坏的标志之一，定义为样品中可燃物的气化率。从得到的燃烧特性曲线上读出样品从室温燃烧至某一温度时失重量，再除以该样品从室温到燃烧完全的失重量，可得到样品的燃烧率，燃烧特性如图4所示。

图3 混合物燃烧特性曲线

图4 混合后物料实测燃烧率和加权燃烧率

从图4 可以看出，秸秆和煤粉混合后，随着温度的变化，燃烧率也会发生相应的变化，并对混合燃烧的燃烧率，根据试样样品的类别、数量、燃烧率进行加权计算，并与混合后实际燃烧率进行对比。对比可以看出，混合后的总体燃烧率是大于加权计算值的，说明混合后秸秆对于煤粉燃烧率有提升作用，并且随着秸秆混入的比例增大，助燃性能更加明显，并且对于燃烧和燃尽温度也有改善，提升了燃烧性能。

5 结 语

通过对生物质进行微观、组分、燃烧性进行分析，得出以下结论：秸秆生物质燃点低、燃尽温度低，并且与煤粉混合后，对煤粉燃烧有很大助燃效果，能够改善燃烧性能；生物质碱金属较多，对高炉炉况造成较大影响，高炉不能单独使用生物质喷吹；生物质破碎后，便于储存和运输，运输成本与煤粉相比较，变化不大。