《毕业设计（论文）-碳化玉米秸秆炼铁的可行性研究(39页).docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）-碳化玉米秸秆炼铁的可行性研究(39页).docx（38页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、-毕业设计（论文）-碳化玉米秸秆炼铁的可行性研究-第 33 页碳化玉米秸秆炼铁的可行性研究摘 要高炉炼铁需要消耗大量化石燃料，同时排放大量CO2等温室气体，减轻环境污染是我国钢铁冶金在21世纪可持续发展面临的严峻挑战。从探索多种方式能源化利用的角度考虑，将生物质用于炼铁工艺可以减少化石燃料的消耗，而且炼铁消耗燃料数量大，在巨大消耗的同时，也产生了巨大的包容空间，为生物质的规模化处理提供了条件。本文以碳化后的秸秆为还原剂，通过试验研究、理论分析和计算模型对用碳化玉米秸秆炼铁的一些理论和技术问题进行了初步研究。碳化玉米秸秆的固定碳含量较低灰分和挥发分皆较高，通过扫描电镜观察可以发现碳化秸秆粉体具有
2、的孔状纤维结构能够极大提高氧的扩散速率，并利于挥发分的析出和提高热分解速率，进而提高燃烧反应的强度和速率。此外，利用热重分析法研究了碳化玉米秸秆对赤铁矿的还原反应过程，结果表明碳化玉米秸秆粉体与木炭或无烟煤等还原剂相比，碳化玉米秸秆与赤铁矿反应所需的温度较低时间较短。关键词：碳化玉米秸秆；木炭；炼铁；生物质The carbonized corn straw ironmaking feasibility studyAbstractBlast furnace ironmaking to spend a lot of fossil fuels, emissions of CO2 and other
3、greenhouse gases at the same time, reduce the pollution of the environment is our country iron and steel metallurgy in the sustainable development faces severe challenges of the 21st century. Consider from the Angle of energy-oriented use explore many ways, the biomass used in ironmaking process can
4、 reduce fossil fuel consumption, and consumption of ironmaking fuel quantity is big, in the huge consumption at the same time, also produced a huge inclusive space, provides conditions for material of large-scale processing. Based on the carbide after straw as the reducing agent, through test resear
5、ch, theoretical analysis and calculation model of using carbonized corn straw ironmaking some theoretical and technical problems is studied. Carbonized corn straw fixed carbon content lower ash content and volatile matter is higher, by scanning electron microscope can be found in carbonized straw po
6、wder the fibrous structure of the mesh can greatly enhance the rate of diffusion of oxygen, volatile and facilitate the precipitation and improve thermal decomposition rate, thus improve the strength and the rate of combustion reaction. In addition, the carbonized corn straw was studied by thermogra
7、vimetric analysis of hematite reduction reaction process, the results showed that the carbonized corn straw powder compared with charcoal or anthracite such as reducing agent, the carbonized corn straw and lower the temperature needed for hematite reaction time is shorter.Keywords: Carbonized corn s
8、traw; Charcoal; Ironmaking; Biomass目 录1引言12文献综述32.1生物质能及利用32.1.1生物质及生物质能32.1.2秸秆的利用方式42.2生物质预处理及特性62.2.1生物质的炭化处理62.2.2秸秆碳化72.2.3木炭的燃烧性92.2.4木炭的反应性102.3生物质在钢铁冶炼中的应用分析112.3.1生物质在炼铁中的应用方式112.3.2生物质还原、磁化铁矿122.3.3生物质用于炼焦工艺122.3.4生物质用于高炉喷吹132.3.5生物质用作高炉炉料142.3.6生物质炼铁存在的问题与前景142.4国际上生物质能源的应用152.5中国生物质能源和应用
9、203生物质和煤粉的工业分析233.1挥发分的测定233.1.1挥发分测定的原理233.1.2挥发分测定的仪器233.1.3挥发分测定的步骤233.1.4实验数据处理243.2灰分的测定243.2.1灰分测定的原理243.2.2灰分测定的仪器243.2.3灰分测定的步骤243.2.4实验数据处理253.3实验结果分析254不同燃料的微观形貌分析265不同燃料的燃烧特性和红外光谱分析305.1单种燃料的燃烧315.2不同燃料与矿石的反应325.3燃料与赤铁矿的官能团分析36结论39致谢40参考文献411引言 钢铁产业在当今仍然是人类社会经济发展最重要的工业之一，而炼铁环节是现代钢铁工业最基本和最
10、重要的一部分。尽管现代炼钢也会采用一定量的废钢和直接还原铁作为原料，但是高炉炼铁依然是炼钢所用的生铁的最主要来源。近年来，由于资源和能源过度使用，导致资源短缺、原料品质劣化、产能过剩以及市场的发展低迷，我国钢铁工业经济效益受到了很大限制，环境保护与节能减排的压力也与日俱增。图1.1为近些年我国粗钢产量。 所以目前的主要任务主要是对钢铁工业进行改善，达到降低成本，减少污染的目的。近年来，以CO2为主的温室气体排放一直是各国关注的重点，而且钢铁工业的温室气体排放量约占全球总排放量的5%，是对温室气体排放控制影响最大的产业。所以需要寻求用全新的技术理念，采用真正的技术突破使排放量进一步减少，尽可能的
11、减少钢铁冶金中的CO2排放量。而采用生物质燃料所排放的CO2最少图1.1 近些年我国粗钢产量生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量，特别适合气化和燃烧等形式的热化学利用。生物质是碳中性物质，在燃烧时可视为对地球不增加CO2排放（即和植物生长时吸收的CO2抵扣）。 自古代以来，生物质和木炭已被用作燃料和冶金过程中的还原剂，并且近来在巴西被广泛用于炼钢过程，从探索多种方式能源化利用的角度考虑，将农林废弃物用于炼铁可以减少化石燃料的消耗，生物质炼铁表现在两个方面:第一，农林废弃物所含有的氢元素化学能可以被充分利用，化石燃料大幅度节省;第二，可以很大程度上节约煤炭资源。因此，生物质炼铁不仅成
12、本优势明显，而且可利用资源丰富，为合理利用农林废弃物提了新的途径。2文献综述2.1生物质能及利用2.1.1生物质及生物质能 生物质在狭义的定义范围内专指植物，如能源作物，农业和林业废弃物，藻类等，而广义上是指来源于动植物所有的有机物质（不包括化石能源）。本文的研究对象为植物，从结构构成方面，植物材质主要有木质素、纤维素和半纤维素三种成分组成。从化学成分方面，组成成分主要有碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素，另外组成物质可以分为水分、无机物和可燃物质。 生物质通过光合作用通过吸收CO2等物质，以化学能的形式固定在植物内的能量称之为生物质能。生物质能是绿色环保能源，而且SN，很少，灰分相对于化石能源很低
13、，因此燃烧后的污染物排放量减少。同时，生物质在燃烧时可视为对地球不增加CO2排放（即和植物生长时吸收的CO2抵扣）。生物质能作为一种新能源也存在一些缺点，如生物质的水分含量大，影响着火和燃烧的稳定性;生物质的分布分散，能量密度低;生物质单位热值低，而且需要较大的空间和原料投入等1。 生物质能的普遍的利用方式主要有生物化学（以厌氧消化和特种酶技术为主）和热化学（包括直接燃烧、热解、气化和液化）两种，热化学技术能耗少、利用率高、容易大规模生产等优点，鉴于以上优点，通过热化学技术开发利用生物质能是世界各国发展重点2。 （1）气化生物质能气化是指固体物质在高温条件下，与气化剂（空气、氧气或水蒸气）反应
14、得到小分子可燃气体的过程。所用气化剂不同，得到的气体燃料种类也不同，如空气煤气、木煤气、混合煤气以及蒸汽氧气煤气等。这种方法通过改变生物质原料的形态来提高能量转化效率，获得高品位能源，生物质气化具有就地取材、废物利用、减少污染、使用方便、卫生等优点。当前，生物质气化还需解决的问题主要有气体净化、废水处理和气体热值偏低等问题。此外，由于气化气中主要成分是CO2、O2、CO、H2和CH4及其他烷烃，因而必须配套专用灶具进行燃用，这势必影响集中供气的发展。 （2）液化是指通过化学方式将生物质转换成液体产品的过程。液化技术主要有间接液化和直接液化两类。间接液化是指把生物质气化成气体后，再进一步合成反应
15、成为液体产品，或者采用水解法，把生物质中的纤维素、半纤维素转化为多糖，然后再用生物技术发酵成为酒精。直接液化是把生物质放在高压设备中，添加适宜的催化剂，在一定的工艺条件下反应，制成液化油，作为汽车用燃料或进一步分离加工成化工产品。这类技术是生物质能的研究热点，但目前存在着液体产物的产出率很低的问题，加之成本较高使该技术在推广上难以进行. （3）热解生物质在隔绝或少量供给氧气的条件下，加热分解的过程通常称为热解，这种热解过程所得产品主要有气体、液体、固体三类产品。其比例根据不同的工艺条件而发生变化。最近国外研究开发了快速热解技术，即瞬时裂解，液体燃料油。这类技术虽然发展前景良好，但是所涉及的中间
16、环节比较复杂，实际生产中需要较大的投资，且所得最终产品率不高，因此目前工业化较困难. （4）固化将生物质粉碎至一定的粒度，不添加粘接剂，在高压条件下，挤压成一定形状。其粘接力主要是靠挤压过程产生的热量，使得生物质中木质素产生塑化粘接。成型物再进一步炭化制成木炭。但目前固化技术仍存在许多问题，主要有:其一，对设备的要求较高，成型燃料的密度是决定成型炭质量的重要指标，它与成型机的性能特别是螺杆的性能有极大关系;其二，成型炭燃烧过程中，产生大量的可燃性气体，其中含有很大一部分焦油对人体和环境会造成污染;其三，能量得到率较低。这些都是该领域研究工作者有待解决的问题.（5）燃烧是生物质被应用的最简单方式
17、，也是最早被使用的传统方式，但大部分生物质是作为一种低品味的燃料加以利用，燃烧效率极低。如果能解决生物质直接燃烧温度低的问题，将其燃烧温度提高到1400以上，甚至达到1800 ,将可广泛应用于工业能源领域。所以提高生物质直接燃烧的温度是生物质能源利用的重大科学问题。2.1.2秸秆的利用方式 中国是世界上秸秆资源最为丰富的国家之一。2003年的秸秆产量达到790万吨，并以每年0.12万吨的稳定增长。农作物秸秆占总量的90.5%，玉米秸秆为36.7%，稻草为27.5%，小麦秸秆为15.2%。每年95%以上的农作物秸秆资源通过不同的使用渠道转化为其他形式而被耗散，造成资源的严重浪费3。我国的秸秆利用
18、的途径大致分为四种46。 （1）秸秆肥料还田。过去主要是混合在畜禽粪便中发酵成有机肥，大量使用化肥后，传统堆肥逐渐减少。近年来将大量剩余的秸秆破碎，实施秸秆机械化还田，稻草秸秆消费为总量15%左右。通过秸秆消化技术，植物秸秆稻草返回到土壤中，在微生物的作用下，产生水、一氧化碳和矿物形成一个良性循环。秸秆分解转化周期较长，不能被用作农作物肥料来源，另外秸杆还田后，微生物在土壤中大量繁殖，需要氮素营养，导致生物质从土壤中回去氮元素困难，从而引起“氮饥饿”，返青期延长，影响产量;稻草在机械化粉碎过程中需要大量的资金投入，不能带来农民的经济增收，因此推广起来比较困难。 （2）工业原料。用于制造纸张、建
19、筑材料、纤维板、手工仿品材料、保温材料、秸秆培养基质化利用等，总消耗量占秸秆总量的3%左右。 （3）牲畜饲料。通过合理的技术对农林废弃物中的蛋白质和纤维素类物质进行处理，可以作为饲料利用。目前常用的处理方法有物理粉碎、氨化处理和青贮利用等，消耗量占总秸秆量的27%左右。物理粉碎效率低，营养物质利用不充分;氨化处理污染严重，处理成本高;青贮利用虽然污染小、成本低，但是饲料质量得不到保证，容易腐烂。 （4）能源化。秸秆作为农村的生活燃料，占有比例大，但是其能量密度低，仅为1315mg/kg，造成能量的浪费。为了提高秸秆的利用率，目前开发了大量的利用技术，如直燃发电供热，发酵制气等技术。直燃供电技术
20、，发电效率低，设备维护高，燃料结渣严重等;直燃供热技术，环境污染严重，容易产生浮尘，造成严重的雾霾天气;发酵制沼气，产气率低，原料利用不充分，技术难以达到目前的需求;秸秆炭化技术和热解制备燃料油技术，研究刚刚起步，并且炭化和热解过程反应复杂，影响因素多，由于秸秆种类多，各自的热解和炭化特点不同，难以得出合适的热解和炭化条件，产品质量差和收得率低。目前在秸秆的利用途径都存在着一些问题，应该根据秸秆的组成特点，选择合适的方式，优化利用的方式方法，多元化利用秸秆，开发大规模高效率的利用秸秆的新途径，提高其经济效益、社会效益和环境效益，促进我国农业秸秆市场的迅速形成。2.2生物质预处理及特性2.2.1
21、生物质的炭化处理木材、林业废弃物和农作物废弃物是目前可供高炉利用的生物质能源，模拟计算表明由于生物质发热量低、氧含量高，炼铁时理论燃烧温度降低、生产率下降、换比较低，因此生物质在使用前需要进行炭化处理。a.生物炭产率；b.固定碳含量；c.氧含量；d.生物炭热值；e.氢含量；图2.1 生产炭产率和成分随碳化温度的变化生物质炭化是在无氧环境下进行不完全热解生成炭的过程，炭化过程受温度的影响最为明显，如图2.1所示7，随着炭化温度的升高，氧含量降低，碳含量增加，热值升高，但木炭产率降低。合适的炭化温度应该从质量产率和能量产率两方面综合考虑。一般来说，低温慢速热解通过增加保温时间，可以提高木碳产量和能
22、量密度，其质量产率和能量产率分别可达到30%和50% 。 国内外一些学者采用热重分析仪和不同类型反应器对生物质和煤混合物共热解进行了研究，对是否存在相互作用关系及其机理的认识不尽相同810，比如用森林残余物和波兰共热解时发现，森林残留物产生的半焦量占70%、煤半焦为30%，煤半焦的产生量相当于煤单独热解半焦量的三倍。并认为生物质对煤热解有一定的催化作用;而将稻壳、锯末和大同煤按不同比例混合时，共热解的转化率是生物质与煤各自转化率之和，认为生物质与煤共热解时不存在相互作用。这些研究是将生物质作为廉价供氢剂使用，针对高炉喷吹利用目的的研究还未见报道。 生物质中含有大量的木质素和纤维素，破碎难度大，
23、目前的没有专门针对生物质大规模生产的破碎设备，为此生物质的高效低成本破碎是一直存在的问题。而生物炭较容易破碎，通过300和400炭化木材的可磨性实验，发现粒度小于0.074mm几乎达到了100%，小于0.01 mm达到了80%以上，能满足高炉喷吹对粒度的要求。2.2.2秸秆碳化 农作物秸秆如（高粱、玉米、大豆、棉花、栗秸、杂树、竹枝）来源广泛。将秸秆炭化后可以取代煤粉用于铸型中的煤粉型水基涂料以及炉窑加热喷射燃烧用的煤粉，而且其用量也很大。由于秸秆含硫量和灰份都比煤粉低，因此品质优于普通煤粉。（1）秸秆炭化原理 各类秸秆和木材炭化的原理是一样的，即：有机物+热（在无氧或者缺氧时）=可燃气体+有
24、机液体+固体碳。木材的炭化，因其直径较大，一般是在碳化窑中进行；先把窑中所有木材点燃，烧旺后再封死窑门保温（在无氧或缺氧下）。木材从表层首发散发出挥发物、水分、可燃气体，然后通过燃烧这些挥发物来保持炭化炉温度。炉内木材保留表层炭化层，再一层一层向中心发展，直到全部炭化。而秸秆直径较小，容易烧尽成灰，不能采取如上操作。农作物秸秆的炭化采取农家做饭烧火时，将着火的小杂树等置于密闭炉内炭化法。由此原理而设计成的干馏式炭化炉，其关键是掌握好将烧着的秸秆放入炭化炉的火候。一般入炉后的温度应在220300，如温度过高，就会使部分炭变成木焦油而降低成炭率。对于稻草类秸秆，因其更易氧化燃烧成灰，同样采用干馏法
25、来进行炭化。（2） 秸秆生物煤和原理 “秸秆生物煤炭”是以玉米、棉花、大豆、小麦、水稻等各种农作物秸秆及花生壳、锯末、枯枝、杂草等为原料，采用煤炭在地下形成的原理，原材料无需粉碎，干湿没有严格要求，利用秸秆生物质自然进行分解，在隔绝空气的条件下，经过6-8+即可形成生物质碳。碳化过程中，不添加任何化工原料，不使用电，不使用碳化池以外的其它设备，炭化池无需密封或加盖，整个碳化过程零成本，不会造成污染，加入粘合剂配方机制成型。目前可以生产出蜂窝煤、煤球、炭棒和烧烤炭等五种产品。是替代传统原煤的钨金产品；前景十分光明、国家又非常重视的一种新型清洁环保能源。（3）秸秆生物质煤的市场前景 全球性能源危机
26、 ，导致液化气、柴油燃料供应紧张，价格大幅上涨。小煤窑被强制关闭，将在一定时期内导致原煤价格上涨。随着我国经济的高速发展，煤及燃料需求量不断增大，导致了煤及燃料市场货物紧缺，是投资者切入市场非常难得的机遇。 在我国农村，大量的农作物秸秆被废弃，豫广秸秆煤技术的诞生，一方面使这些资源得到有效合理的利用，另一方面又使玉米秸、稻草、麦秸、树枝等这些生活垃圾、废弃物找到了最好的处理方法，免除了处理不当造成污染环境的弊端。利用这些生物质能可以民用做饭、取暖。工业上可以用于锅炉、炼钢等等。环保节能型社会的建设离不开这些节能技术与产品，再加上国家相关行业政策的支持与资助，这些在农村遍地都是的生物质转眼间成了
27、人们眼中的宝贝，财富。 （4）秸秆生物质煤与天然原煤的区别 天然煤是农作物、秸秆、树枝、杂草等生物质堆积层埋在地下后，经过长时期的地质作用和一系列的物理化学反应而形成的。而“秸秆煤”则是利用现代生物化学技术，以模拟天然煤的形成过程，将农作物、秸秆等进行煤化反应，让其具备天然煤一样的品质，且燃烧时无烟无味，无论热值还是燃烧效果均可达到普通天然煤的效果。农作物、秸秆等生物质制成秸秆煤后，其密度、强度、燃烧性能等都有了进一步的改善。（5）秸秆生物质煤的优势 原料来源广泛：农作物秸秆、树叶、枯枝、锯末、杂草等一切可燃的生物质，都可做它的原料，遍地都是，生生不息，永不枯竭。环保高效节能： 变废为宝，既解
28、决了秸秆焚烧，又可为农民增加收入，又有相关国家产业政策支持。生产成本低廉： 投资小，操作简便，普通人员经培训即可上岗。产品应用范围广：适用于所有炉具，可替代煤炭、用于取暖、洗浴、锅炉及宾馆酒店、单位食堂做饭及电厂发电等。 投资小利润丰厚： 在煤炭价格大幅上涨的今天，投资秸秆煤技术办厂，市场广阔，不愁销路，有着丰厚的利润回报。2.2.3木炭的燃烧性 使用高速CCD摄像机观察粒度范围为125149m的雪松木炭颗粒（炭化温度分别为300, 400, 500,焦粉和煤粉在激光快速加热条件下的燃烧过程，如下图所示，通过燃烧火焰面积计算燃烧反应速率。结果发现木炭与煤粉的燃烧速度几乎一样，燃尽时间在250m
29、s左右，而焦粉的燃烧速度较慢，木炭的燃尽性能与炭化温度之间的关系并不明显。图2.2焦粉和煤粉在激光快速加热条件下的燃烧过程 采用热重法对5种木炭和2种煤粉进行了燃烧对比试验，木炭的燃烧性优于高挥发性煤，而低挥发性煤燃烧性最差。挥发份含量并不是决定燃烧性能的决定因素，木炭疏松多孔的表面结构更有利于燃烧。在惰性气氛下加热时，低炭化温度下生产的木炭挥发份高，失重较快;在恒温1500的空气中燃烧时，高炭化温度下生产的木炭燃尽时间短，而且粒度越小，燃烧速度越快11。 在喷吹炉内模拟燃烧带氧化区进行的燃烧试验表明12，在氧浓度较低的条件下，木炭的燃烧率明显高于煤粉，这是由于木炭表面的孔网纤维结构发达，氧扩
30、散速率增加，挥发份分解析出变快，进而燃烧性能得到提高。木炭燃烧对氧浓度的要求低于煤粉，有利于提高喷吹量。随着OTC比的增加，木炭的燃烧率增加，但增加的幅度小于煤粉。在风口喷吹的中试试验中，木炭的平均燃烧率比煤粉高10%，但喷吹浓度低了22g/Nm3。当喷吹浓度和喷吹速度相同时，沿风口径向煤气中CO和O浓度变化规律基本相同，木炭的峰值温度比煤粉的峰值温度高了16 （分别为1714和1698），木炭层中未燃煤粉的数量比焦炭低。通过相同的实验方法13研究了了生物质炭、煤炭以及混合燃料的燃烧性，可得出单种物质燃烧时，生物质炭的燃烧性优于煤炭，但是在煤粉中混合生物质炭时得出了不同的结果，煤粉中混合生物质
31、炭并不能改善燃烧性，但生物质炭的加入提高了煤粉的燃烧性。通过对两人的实验进一步分析发现生物质炭的炭化温度是不同的，导致挥发份不同，生物质炭中的挥发份对燃烧有促进作用，选择合适的热解炭化温度对生物质炭的燃烧性有很大影响。2.2.4木炭的反应性焦炭的反应性是指焦炭与性。焦炭在高炉冶炼过程中，CO2,O2和水蒸气等进行化学反应的能力，即焦炭气化特会与CO2,O2和水蒸气发生化学反应:C+O2=CO2 （2-1）C+1/2O2=CO （2-2）C+CO2=2CO （2-3）C+H2O=CO+H2 （2-4） 由于焦炭与O2和H2O的反应与CO2反应相类似的规律，因此一般都用焦炭与CO2的反应特性来评定
32、焦炭的反应性。焦炭的反应性与焦炭块度、气孔结构、光学组织、比表面积、灰分的成分有关。通过热解制备的生物质炭是一种半焦，成分接近焦炭，因此可以通过焦炭的反应性判断方式来评定生物质炭的反应性14。木炭表面孔隙发达，其比表面积与表面结构有关，不能通过计算得到，Babich用BET13法测定的木质生物质炭化后所得木炭的表面积，木炭表面积为150 m2/g350m2/g，煤表面积为1.0m2/g2.6m2/g，煤是木炭的1/3501/60，意味着木炭的反应性非常好。木材的炭化温度越高，木炭的比表面积越大。热解温度升高可以显著增加挥发物质的释放和多孔构造的发展。比起粉煤，木炭活跃的比表面积更大，反应性更强
33、，木炭则能以更大晶粒尺寸在高炉中使用，这可以使研磨粉尘的能源消耗减少。另外通过成像分析法在光学显微镜下定量分析了气孔的数量，木炭样品的多孔率介于1/3和1/2之间，而粉煤是无孔的，说明生物质炭具有很强的反应性。2.3生物质在钢铁冶炼中的应用分析2.3.1生物质在炼铁中的应用方式生物质能在炼铁过程中主要是用于替代部分煤粉或焦炭等化石能源，即替煤代焦。生物质能在炼铁工艺中可起到重要的辅助作用，具体应用方式如下:（1）用于焦炉炼焦16。生物质或生物质焦能够代替炼焦配煤中的部分煤炭，将生物质或生物质焦按一定比例与炼焦煤混合后生产高炉焦炭，可以降低焦炉炼焦过程的污染。 （2）用于铁矿造块。利用生物质能可
34、以生产新型的含碳球团等炉料，将这些高反应性炉料应用于高炉，可实现高炉低还原剂操作或低碳炼铁。将生物质能用于铁矿石烧结配料，或能代替部分焦粉，从而可降低烧结过程中SO2,NO2等污染物的排放。 （3）用于高炉炼铁1718。生物质或生物质焦可以部分或完全代替高炉喷吹用煤粉而通过高炉风口喷人，这已经在工业生产中得到了实践。某些高强度生物质焦可以与焦炭混合直接加人高炉，从而可以代替部分冶金焦炭。 （4）用于非高炉炼铁。生物质或生物质焦或可代替煤基直接还原工艺和煤基熔融还原工艺中的煤粉，起到发热剂和还原剂的作用，从而可较清洁地生产高质量直接还原铁（DRI）和铁水。 此外，生物质（焦）还可用于铁矿的还原磁
35、化、球团矿的焙烧及热风炉的加热等。尽管生物质能在炼铁过程中的应用较少，且大多处于起步阶段，但是其开发潜力巨大。2.3.2生物质还原、磁化铁矿 铁矿石的磁化焙烧技术中最成熟并已工业化的是气基或煤基还原焙烧法，其中气基还原19的发展主要因资源因素及相关的经济效益影响而受到制约.目前，国内外的研究逐渐转向煤基还原.矿物的磁化2022系数最高时焙烧温度均在8001400之间.加碳还原细铁矿的温度约1300，还原度达90%.煤直接还原铁矿石，产品质量取决于煤的品质、焙烧温度和时间等21，适宜的焙烧温度在12501275之间，时间为15 min.煤的反应性22和灰分含量对矿石还原度影响颇大，要达到高还原度
36、必须选用反应性良好的优质煤.显然，煤基还原对煤的要求很高，且时间长、能耗大、成木高.相关研究也表明，煤的灰分主要是A12O3和SiO2等，温度过高，极易使FeO与A12O3, SiO2反应生成新的低熔点复杂化合物，从而降低铁品位及回收率.且煤的平均含硫量约达1%-3%23，对产品质量产生不良影响.生物质不仅是可再生绿色能源，且分布广泛、廉价易得、资源丰富，生物质废弃物的总量相当于我国煤炭年开采量的50%，每年可达6.5亿t标煤以上24.生物质焙烧不仅透气性好、还原均匀，还可以防止还原过程中的粘结，其灰分低，也有利于磁选回收铁，最重要的是生物质在低温（600左右）就可使矿物快速还原，大大降低了能
37、耗.因此，探讨生物质还原磁化铁矿石对节能减排、清洁生产及改善生态环境都具有非常重大的意义.2.3.3生物质用于炼焦工艺 炼铁工业中关于生物质的研究大多集中在生物质作为高炉添加剂在炉内与焦炭共同燃烧，或者通过生物质热解获得液体、气体燃料。关于生物质应用到炼焦配煤方面的文献很少25。加拿大矿产和能源技术中心曾研究过炼焦配煤时加入木炭。研究发现，配煤中加入2%10%的木炭（粒径0. 25mm）可使焦炭反应后强度（CSR）降低26，焦炭反应性（ CRI）升高，且随着木炭加入量提高变化趋势增强。当配煤中添加木炭比例小于2%，并适量增大木炭粒径（6.39.5mm）可保持焦炭的CSR和CRI。延展性试验27
38、显示，当木炭粒径为6.39.5mm时配煤收缩度降低，当粒径0.25mm时对配煤收缩度无影响。除收缩度外，加入木炭还会降低配煤时其他流变学性质如流动性、膨胀度等。 巴西国家黑色冶金公司28也对此开展了焦炉试验，在配煤中添加不同的生物材料（炭化水稻壳、炭化椰壳、大豆皮、咖啡豆和木炭），试验结果在CSR /CRI和流动性等方面与加拿大矿产和能源技术中心研究结果一致。焦炉试验也证实了当生物质添加量在2%4%29时会降低配煤中硫分、灰分，但不影响焦炭的机械强度。更多试验显示，当配煤中生物质添加量大于5%时，焦炭的机械强度降低。巴西国家黑色冶金公司的其他焦炉试验显示，配煤加入炭化水稻壳和木炭可降低炼焦压力
39、。将废塑料（约含2%的纤维素）添加到炼焦煤中，也可明显降低炼焦压力30。另外在非炼焦煤中配入35%40%的蜜糖，可生产出机械强度适宜的铸造焦。生物质这种可再生能源可以代替一部分生物燃料用在炼焦生产中。除了降低碳排放，还可显著降低炼焦压力，对焦炉生产非常有利。关于添加生物质的配比和优化焦炭质量，今后还需探讨和研究。2.3.4生物质用于高炉喷吹 高炉炼铁需要消耗大量化石燃料，同时排放大量CO2等温室气体，减轻环境负荷是我国高炉在21世纪可持续发展面临的严峻挑战。从探索多种方式能源化利用的角度考虑，将农林废弃物用于高炉喷吹可以减少化石燃料的消耗，而且高炉喷吹燃料数量大，在巨大消耗的同时，也产生了巨大
40、的包容空间，为废弃物的规模化处理提供了条件。 与高炉喷吹用煤粉相比，秸秆挥发分含量高，氧含量高，SO2和NOx排放量低，其热值约为无烟煤的2/3。扫描电镜观察发现对秸秆的精细破碎不会造成其组织结构的变化，同时利用热重分析法对燃烧性能进行了研究，结果表明秸秆生物质粉体的开始燃烧温度和燃烧时间较煤粉短，燃烧速度快。在无烟煤粉中加入秸秆粉体能改善无烟煤的燃烧性能，有利于煤的完全燃烧，提高煤的燃烧率。由于生物质炭的强度小，替代焦炭利用效率低，替代煤粉喷吹对生物质炭的强度没有要求，可以带来更大的利用效益。生物质炭与煤粉具有相似的热性能，直接在传统的喷煤设备上应用是可行的，完全替代喷吹后CO2的减排量约为
41、40% .通过物料平衡和热平衡来评估高炉喷吹生物质炭的冶炼效果，在喷吹率为140kg/t时，低灰分的生物质炭具有很高的替代率，与喷吹高挥发份煤粉相比，可以减少焦炭和燃料的量为20kg/t. 生物质炭的孔隙度，粒度分布和表面结构对喷吹率影响很小，即使是大颗粒的尺寸为162m，对生物质炭的喷吹无任何不利影响，高炉对喷吹生物质炭的要求低，大规模工业化使用存在可行性。2.3.5生物质用作高炉炉料 生物质资源通过转化处理可获得各种燃料或化学物质。其中，生物质经热解处理所得固体产物生物质焦在炼铁工艺中应用前景较大。生物质焦可定义为：生物质在一定温度的缺氧环境下热解，脱除大部分挥发分后所得的高碳固体残余物。
42、研究人员对各种生物质焦的制备及其特性进行了比较广泛的研究，认为生物质焦是一种高碳、高热值、低污染的优质固体燃料，可代替部分化石燃料，这为生物质焦在炼铁过程中的应用奠定了理论基础。一般而言，与煤等化石燃料相比，生物质焦普遍具有以下优点：一是环保优势。生物质焦的可再生、碳中性、低硫、低氮的特点，有助于缓解化石能源消耗危机，减少CO2、SO2和NOx的排放。二是成分组成优势。生物质焦一般碳含量较高，灰分含量很低，氮、硫、钾、钠等杂质元素含量很少，即成分纯净度较高。三是特性优势。生物质焦一般是多孔结构，其孔隙率、孔容积和比表面积都较高；生物质焦的燃烧性、反应性等特性明显好于煤炭。2.3.6生物质炼铁存
43、在的问题与前景 目前生物质炼铁的研究，或侧重于工艺实现条件，或只侧重于过程，成本分析则多采用经验数据，在考虑子过程的规模效应并将各子过程和工艺实现条件联系分析方面存在不足。根据我国国情，考虑到资源条件的影响，农林废弃物的使用对我国高炉炼铁应更具吸引力。对传统钢铁流程（目前世界70%钢铁都通过此流程生产），当生物炭的替代率为47%时，对比分析了不同的钢铁年产量和不同木质生物质单位公顷年收获量的情况下，木质生物质所需的种植面积，假设木质生物质热解制炭的收得率为19.2% 。据统计2012年我国粗钢年产量为717百万吨，种植产量为30吨/公顷/年时，717百万吨/年的钢材所需的种植面积为约33百万公
44、顷，当种植产量10吨/公顷/年时，增到了约110百万公顷，而在进行良好管理种植林平均产量也仅为15吨/公顷/年，需要约90百万公顷种植面积。我国森林覆盖率不过只有17%，人均森林面积也只有0.132公顷，不到世界1/4，而且森林质量不高，主要分布在东北和西南地区，大部分是慢速成长林，为此木质生物质制炭冶炼不符合我国国情，难以在我国大规模工业化生产。但是我国是一个农业大国，每年的农林废弃物量达到7.4亿吨，另外农林废弃物生命周期短，成长快速，足以持续供应高炉炼铁的需求量。 农林废弃物相对于煤炭，由于其自身的特点有着一定的劣势，农林废弃物分布广泛，能量密度低，收集储运复杂，从而所产生的成本限制了农
45、林废弃物的大规模利用。我国农林废弃物利用技术装备的产业化水平低，生物质燃料供应市场化尚未形成，政府的主导作用对高炉喷吹农林废弃物技术的发展至关重要，欧洲生物质能利用经验值得借鉴，欧洲国家制定了许多促进生物质能开发和利用的政策法规，减少或者减免开发利用生物质能的生产企业税收或者增加补助。德国政府从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年到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，因此我国为了提高高炉利用生物质的进程，也需要进行建立具有促进作用的政策措施。目前，中国政府正在研究制定环境税的政策法规，农林剩余物是碳中性物质，应用于高
46、炉喷吹将大量减CO2的排放，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，这是推广高炉喷吹农林废弃物技术的有利因素。我国也将发展生物质能列入国家“十二五”能源发展规划，以绿色能源生产绿色产品，实现我国生物质能产业发展的战略转型，从单纯利用生物质能发电到生物质多能源、多产品产出的“多联产”方向发展。未来生物质能的利用空间巨大。我国钢铁行业要时刻关注世界钢铁业关于生物质能利用与研发进展，同时加强以企业为龙头的“产学研”科技创新和产业实践。2.4国际上生物质能源的应用 全球生物质能源消费量呈逐年增长趋势，近年已从20世纪70年代中期的每年25EJ增
47、长至每年55EJ，约占世界一次能源消费量的10%左右。消费品种包括农林业和城市废弃物等，还有少量的糖料（甘蔗、甜菜）、谷物（玉米）和植物油，其中农林业废弃物大部分被用作传统的民用燃料，糖料、谷物和植物油主要用于生产第一代生物燃料。 目前全世界约有27亿人口（非洲、东南亚等发展中国家的农村）仍然在使用传统生物质废弃物（木材、薪炭、农业秸秆和牲畜粪便等）作为炊事和取暖用燃料，生物质资源的传统利用方式不仅热效率低（仅约10%）、浪费能源，还会造成空气污染、危害人民健康。 2010年，全世界生物燃料产量为0.593 x l08t标油，全部为第一代生物燃料，其中乙醇为0.54 x l08t ,生物柴油为0.12 x l08t ;主要原料为甘蔗、玉米，少量为油菜籽、葵花籽和其他农业产品。近年来，美国等国家为第二代生物燃料技术的研究开发投入了大量资金，但仍然有一些技术障碍需要通过研发和工业示范来克服。迄今为比，在发展中国家中只有中国、巴西和印度等国开展了第二代生物燃料技术的研究，并准备建设工业装置。预计第二代生物燃料技术可于2020年前后在一些国家实现工业化生产.