中国炼铁网移动版

高炉喷吹生物质炭的可行性分析

徐润生1,2， 张金银1， 张建良1,2， 党   晗2, 王明伟1， 黄   旭1

(1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京  100081；2.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京  100081)

摘  要：在“双碳”战略下钢铁工业面临迫切的碳减排任务，生物质炭因其具有可再生及碳中性的特点，是替代化石燃料的重要资源。分析4种生物质炭的性能及其对高炉生产的影响，结果表明：①木块炭的固定碳、高位热值及着火点等指标均表现最优，且爆炸性最弱，最具高炉喷吹潜力；②高炉喷吹含有生物质炭的燃料时，炉腹煤气中H2量变化最为显著，利用生物质炭等比例替代烟煤进行喷吹时，木块炭的节煤效果最好，置换比达到1.2；③为维持风口理论燃烧温度稳定，喷吹含有生物质炭的燃料时，可通过调整富氧率、风温、风量及鼓风湿度等送风参数，将风口回旋区热状态控制在合理范围内。

关键词：高炉；生物质炭；理论燃烧温度；炉腹煤气量；低碳冶炼

钢铁行业作为我国碳排放的重点行业,在“双碳”战略下面临迫切的碳减排任务,其核心在于减少煤炭的使用。我国作为农业大国,每年约产生16亿t农林废弃物(折合9亿t标煤).具备丰富的生物质能资源。相较于化石燃料,生物质炭具有可析结果显示,生物质炭的含碳量随灰分及挥发分降低而增加,除玉米秸秆炭外,其余生物质炭的含碳量均超过70%。生物质炭含量较高,表明其含官能团多、芳香性程度低,用于高炉喷吹时需进行深度炭化。生物质炭含硫量较低,均为低硫燃料,高位热值随碳含量增加而增大,其中木块炭最高,玉米秸秆炭最低。

1.3 安全性

着火点和爆炸性是评价高炉喷吹燃料安全性的重要指标51。生物质炭的着火点如图2(a)所示,从图中可以看出,木块炭的着火点最高,竹炭次之,玉米秸秆炭及园林修剪物炭的着火点为300℃左右:存在安全隐患。生物质炭的返回火焰长度如图2(b)所示,其中玉米秸秆炭的返回火焰长度最长,爆炸性最强,林修剪物炭次之,木块炭最弱。虽然生物质炭的安全性均在制粉系统安全范围内,但建议将生物质炭与无烟煤进行复合喷吹,既有利于煤粉快速燃烧,又可降低安全隐患。

1.4 工艺性能

(1)燃烧性。生物质炭与煤粉在燃烧性上有所不同,生物质炭挥发分高、易着火及燃烧,但热值和火焰温度较低。研究生物质炭的燃烧性,从而通过掺混比例、燃烧条件等因素的优化,实现燃烧性提升。生物质炭的燃烧反应曲线如图3所示，从图3中可以看出,不同生物质炭的燃烧性基本接近,4种生物质炭的失重曲线都存在两个平台,分别为挥发分和固定碳的燃烧峰。其中玉米秸秆炭燃烧性较好,木块炭的燃烧性最差。这是由于玉米秸秆炭的矿物质含量较高,燃烧过程中起到了促燃的作用:而木块炭的高炭化程度导致高石墨化程度,反应活性较低,燃烧过程较为缓慢。

生物质炭的开始燃烧温度及燃烧率见表2.从表2中可以看出玉米秸秆炭燃烧性最佳,在600℃时率先反应完毕。与无烟煤混合燃烧时,玉米秸秆炭可较好地发挥促燃效果。通常认为,挥发分越高，燃烧性越好。然而高炉风口环境复杂,需同时兼顾燃烧性及热值。此外,高挥发分虽能改善炉身上部间接还原,但会影响高炉风口环境及煤气流分布!因此,建议选用与烟煤挥发分含量相当的生物质炭以减少对高炉生产的不利影响。

(2)喷流特性。煤粉制备、输送、分配、计量及设备防磨等环节,均涉及气固两相流动问题。煤粉流动性的好坏,对高炉喷吹用煤的储存、输送及喷吹过程都有重要意义[8]。生物质炭的喷流特性指标见表3.从表3可知,4种生物质炭的流动性指数都在60以上,其中玉米秸秆炭、木块炭超过70。生物质炭的喷流性指数在65~80,木块炭、园林修剪物炭超过70。综合看,生物质炭的流动性指数及喷流性指数均较好,不但可以满足管道内燃料的运输要求,且在人炉后具有较好的弥散度,有利于燃烧,对高炉冶炼十分有利。但木块炭、林修剪物炭的喷流性指数更好,更适合用于高炉喷吹。

(3)灰分。喷吹煤中的灰分最终进入高炉炉渣,灰分约含60%~80%的 Si0,、A1,0,,以及少量的 Ca0、Mg0,易形成酸性渣,必须加人熔剂造碱性渣以满足炉渣碱度要求,因此高炉喷吹应选用灰分低的燃料。生物质炭的灰分化学成分见表4,从表4可知,玉米秸秆炭、竹炭灰分Si0,偏高,呈弱酸性