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生物质半焦应用于高炉喷吹的基础研究

【摘要】:钢铁行业是能源消耗的大户,在其快速发展的同时,也带来了大量的环境污染。随着碳交易的逐渐落实,钢铁企业的CO2减排任务十分迫切,而降低CO2排放的关键在于减少煤炭能源的使用。生物质是一种清洁、环保可再生的含碳能源,将其热解产物生物质半焦用来替代部分煤粉进行高炉喷吹,既可以减少高炉对煤炭资源的消耗,降低煤炭资源的开采量,从而降低CO2排放。因此,亟需对生物质半焦应用于高炉喷吹进行系统研究,为高炉喷吹生物质半焦和煤粉混合燃料提供理论依据。本文研究了生物质半焦的制备、生物质半焦和煤粉混合燃烧特性以及喷吹生物质半焦对高炉的影响。首先,利用热重-质谱联用仪对三种生物质的热解行为进行了研究,发现生物质的主要热解区间是200~600℃,200~400℃区间内反应最剧烈。利用中温管式炉制备不同热解条件的生物质半焦,探究了热解制备条件对生物质半焦冶金性能的影响,研究发现,随着热解温度的升高和停留时间增加,生物质半焦产率下降,棕榈壳的半焦产率从79.73%下降到31.93%,杨木的半焦产率从76.10%下降到24.29%,玉米秸秆的半焦产率从62.33%下降到25.03%;固定碳含量升高,挥发分含量降低,H和O元素含量降低,并且300~400℃区间内变化幅度较大,600℃制备得到的生物质半焦的成分和元素组成等与无烟煤很接近。随着热解温度升高和停留时间增加,生物质半焦的燃烧性和反应性逐渐减弱,其反应行为越来越接近于煤粉等碳质材料。同时发现,当热解温度较高时,停留时间对生物质半焦冶金性能的影响并不大。通过对比分析,得到最优的生物质半焦制备参数为热解温度600℃,停留时间 60min。其次,采用扫描电镜、氮气吸附、X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱等分析方法对热解过程中生物质半焦物化特性的演变规律进行了研究,探明了生物质半焦物理孔隙结构、化学微晶组成及表面官能团与制备条件的关系。结果发现,随着热解温度升高,生物质被逐渐加热,挥发分逐渐析出,内部孔结构得到发展,逐渐从紧致的结构变成多孔结构;脂肪族官能团逐渐减少甚至消失,芳香族官能团逐渐增强;有序碳结构逐渐增加,石墨化程度增大。达到一定热解温度后,随着停留时间增加,生物质半焦的物化特性继续发生变化,孔结构缓慢增多,有序化程度增大的幅度也变得缓慢。所以,生物质热解是一个由高度无序结构逐渐变成有序化结构且有序度逐渐增加的过程。再次,利用热重分析仪对棕榈壳半焦和煤粉的混合燃烧过程进行了研究,并利用随机孔模型(RPM)和体积模型(VM)进行了混合燃烧的动力学分析。结果表明,添加棕榈壳半焦后,煤粉的燃烧特性得到了改善,并且在混合燃烧过程中二者存在协同作用。燃烧前期,煤粉的存在限制了棕榈壳半焦的着火和燃烧,但是棕榈壳半焦燃烧后释放热量,促进了煤粉的着火;燃烧后期,棕榈壳半焦灰分中的碱金属化合物又促进了煤粉中碳的燃烧。随机孔模型(RPM)相比体积模型(VM)更适宜描述棕榈壳半焦和煤粉的混合燃烧过程。同时,为了减少入炉碱负荷,棕榈壳半焦的配加比例应小于20%。然后,在实验室条件下分别制备了煤粉、棕榈壳半焦和煤粉混合物的未燃残炭,利用热重分析仪研究了未燃残炭对焦炭气化反应的影响,利用熔体物性综合测定仪研究了未燃残炭对炉渣粘度的影响。研究发现,加入棕榈壳半焦之后产生的未燃残炭的反应性大于焦炭,可以对焦炭起到保护作用,同时,未燃残炭对焦炭的气化反应的催化作用并不明显,不会造成焦炭质量的进一步劣化。未燃残炭以固体质点形式存在于炉渣中,会使炉渣粘度增大,并且炉渣粘度随转速、温度降低和未燃残炭含量的增加而增大。由于棕榈壳半焦灰分中的CaO、MgO含量高于煤粉,可以在一定程度上降低炉渣粘度的增大幅度,减缓未燃残炭对炉渣粘度的影响。最后,通过高炉的物料平衡和热平衡计算了高炉喷吹棕榈壳半焦对高炉冶炼参数的影响。结果表明,高炉喷吹棕榈壳半焦后,会使直接还原度和燃料比降低,风口焦炭数量和煤气利用率升高,吨铁鼓风量和炉腹煤气量降低,理论燃烧温度基本保持稳定。棕榈壳半焦替代部分煤粉进行高炉喷吹后,可以降低高炉CO2排放量。综合来看,高炉喷吹棕榈壳半焦可以发展炉内间接还原,减少喷吹煤粉的入炉量,同时也能保证高炉冶炼参数正常。综上分析可得理论上棕榈壳半焦替代部分煤粉用于高炉喷吹是可行的。

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