碳化玉米秸稈煉鐵的可行性研究-預(yù)覽頁

　

【正文】 燃料油技術(shù)，研究剛剛起步，并且炭化和熱解過程反應(yīng)復(fù)雜，影響因素多，由于秸稈種類多，各自的熱解和炭化特點(diǎn)不同，難以得出合適的熱解和炭化條件，產(chǎn)品質(zhì)量差和收得率低。合適的炭化溫度應(yīng)該從質(zhì)量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率兩方面綜合考慮。而將稻殼、鋸末和大同煤按不同比例混合時(shí)，共熱解的轉(zhuǎn)化率是生物質(zhì)與煤各自轉(zhuǎn)化率之和，認(rèn)為生物質(zhì)與煤共熱解時(shí)不存在相互作用。農(nóng)作物秸稈如（高粱、玉米、大豆、棉花、栗秸、雜樹、竹枝）來源廣泛。木材的炭化，因其直徑較大，一般是在碳化窯中進(jìn)行；先把窯中所有木材點(diǎn)燃，燒旺后再封死窯門保溫（在無氧或缺氧下）。農(nóng)作物秸稈的炭化采取農(nóng)家做飯燒火時(shí)，將著火的小雜樹等置于密閉爐內(nèi)炭化法。（2）秸稈生物煤和原理 “秸稈生物煤炭”是以玉米、棉花、大豆、小麥、水稻等各種農(nóng)作物秸稈及花生殼、鋸末、枯枝、雜草等為原料，采用煤炭在地下形成的原理，原材料無需粉碎，干濕沒有嚴(yán)格要求，利用秸稈生物質(zhì)自然進(jìn)行分解，在隔絕空氣的條件下，經(jīng)過68+即可形成生物質(zhì)碳。（3）秸稈生物質(zhì)煤的市場前景全球性能源危機(jī)，導(dǎo)致液化氣、柴油燃料供應(yīng)緊張，價(jià)格大幅上漲。利用這些生物質(zhì)能可以民用做飯、取暖。而“秸稈煤”則是利用現(xiàn)代生物化學(xué)技術(shù)，以模擬天然煤的形成過程，將農(nóng)作物、秸稈等進(jìn)行煤化反應(yīng)，讓其具備天然煤一樣的品質(zhì)，且燃燒時(shí)無煙無味，無論熱值還是燃燒效果均可達(dá)到普通天然煤的效果。生產(chǎn)成本低廉：投資小，操作簡便，普通人員經(jīng)培訓(xùn)即可上崗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)木炭與煤粉的燃燒速度幾乎一樣，燃盡時(shí)間在250ms左右，而焦粉的燃燒速度較慢，木炭的燃盡性能與炭化溫度之間的關(guān)系并不明顯。在恒溫1500℃的空氣中燃燒時(shí)，高炭化溫度下生產(chǎn)的木炭燃盡時(shí)間短，而且粒度越小，燃燒速度越快[11]。在風(fēng)口噴吹的中試試驗(yàn)中，木炭的平均燃燒率比煤粉高10%，但噴吹濃度低了22g/Nm3。焦炭的反應(yīng)性是指焦炭與性。木炭表面孔隙發(fā)達(dá)，其比表面積與表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，不能通過計(jì)算得到，Babich用BET[13]法測定的木質(zhì)生物質(zhì)炭化后所得木炭的表面積，木炭表面積為150 m2/g~350m2/g，~，煤是木炭的1/350~1/60，意味著木炭的反應(yīng)性非常好。另外通過成像分析法在光學(xué)顯微鏡下定量分析了氣孔的數(shù)量，木炭樣品的多孔率介于1/3和1/2之間，而粉煤是無孔的，說明生物質(zhì)炭具有很強(qiáng)的反應(yīng)性。（2）用于鐵礦造塊。生物質(zhì)或生物質(zhì)焦可以部分或完全代替高爐噴吹用煤粉而通過高爐風(fēng)口噴人，這已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了實(shí)踐。此外，生物質(zhì)（焦）還可用于鐵礦的還原磁化、球團(tuán)礦的焙燒及熱風(fēng)爐的加熱等。加拿大礦產(chǎn)和能源技術(shù)中心曾研究過煉焦配煤時(shí)加入木炭。除收縮度外，加入木炭還會降低配煤時(shí)其他流變學(xué)性質(zhì)如流動性、膨脹度等。巴西國家黑色冶金公司的其他焦?fàn)t試驗(yàn)顯示，配煤加入炭化水稻殼和木炭可降低煉焦壓力。除了降低碳排放，還可顯著降低煉焦壓力，對焦?fàn)t生產(chǎn)非常有利。與高爐噴吹用煤粉相比，秸稈揮發(fā)分含量高，氧含量高，SO2和NOx排放量低，其熱值約為無煙煤的2/3。生物質(zhì)炭與煤粉具有相似的熱性能，直接在傳統(tǒng)的噴煤設(shè)備上應(yīng)用是可行的，完全替代噴吹后CO2的減排量約為40% .通過物料平衡和熱平衡來評估高爐噴吹生物質(zhì)炭的冶煉效果，在噴吹率為140kg/t時(shí)，低灰分的生物質(zhì)炭具有很高的替代率，與噴吹高揮發(fā)份煤粉相比，可以減少焦炭和燃料的量為20kg/t. 生物質(zhì)炭的孔隙度，粒度分布和表面結(jié)構(gòu)對噴吹率影響很小，即使是大顆粒的尺寸為162μm，對生物質(zhì)炭的噴吹無任何不利影響，高爐對噴吹生物質(zhì)炭的要求低，大規(guī)模工業(yè)化使用存在可行性。研究人員對各種生物質(zhì)焦的制備及其特性進(jìn)行了比較廣泛的研究，認(rèn)為生物質(zhì)焦是一種高碳、高熱值、低污染的優(yōu)質(zhì)固體燃料，可代替部分化石燃料，這為生物質(zhì)焦在煉鐵過程中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。生物質(zhì)焦一般碳含量較高，灰分含量很低，氮、硫、鉀、鈉等雜質(zhì)元素含量很少，即成分純凈度較高。根據(jù)我國國情，考慮到資源條件的影響，農(nóng)林廢棄物的使用對我國高爐煉鐵應(yīng)更具吸引力。但是我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，另外農(nóng)林廢棄物生命周期短，成長快速，足以持續(xù)供應(yīng)高爐煉鐵的需求量。目前，中國政府正在研究制定環(huán)境稅的政策法規(guī)，農(nóng)林剩余物是碳中性物質(zhì)，應(yīng)用于高爐噴吹將大量減CO2的排放，可以少繳納碳排放稅，參照歐洲目前的征稅標(biāo)準(zhǔn)20歐元//t CO2，折合為160元人民幣//t CO2，這是推廣高爐噴吹農(nóng)林廢棄物技術(shù)的有利因素。全球生物質(zhì)能源消費(fèi)量呈逐年增長趨勢，近年已從20世紀(jì)70年代中期的每年25EJ增長至每年55EJ，約占世界一次能源消費(fèi)量的10%左右。主要原料為甘蔗、玉米，少量為油菜籽、葵花籽和其他農(nóng)業(yè)產(chǎn)品。降低運(yùn)輸部門溫室氣體排放量的可行方案包括使用生物燃料、提高汽車發(fā)動機(jī)效率、推廣使用混合動力汽車和電動汽車等，但重型卡車、海運(yùn)貨輪及航空運(yùn)輸不宜電氣化和使用燃料電池技術(shù)，這部分溫室氣體減排就只能依靠研發(fā)新型生物燃料（生物柴油、生物航空煤油等）來解決。④研發(fā)專用能源作物種植技術(shù)、建成完整的生物質(zhì)供應(yīng)鏈系統(tǒng)，是否有助于創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展。潛在總能量可以通過不同制約條件進(jìn)行估算，大致分為理論潛量、地理潛量、技術(shù)潛量、經(jīng)濟(jì)潛量和生態(tài)潛量5類，數(shù)值互不相同。未來的土地利用量和分配情況，以及對氣候變化的影響。③專用能源作物品種以多年生草本、速生樹木為主，有利于提高生物質(zhì)技術(shù)資源量，這類能源作物可種植在不適合種植糧食作物（可能降低土壤中有機(jī)碳含量）的土地上。加拿大生物碳資源儲量十分豐富，所以，相關(guān)部門正在開展生物碳煉鐵工藝研究并取得了一些可喜成果。可以肯定，生物質(zhì)煉鐵一定會成為現(xiàn)實(shí)，投入工業(yè)化生產(chǎn)，一定能大幅度降低鋼鐵工業(yè)的GHG排放。為了進(jìn)一步降低GHG排放，加拿大碳化研究協(xié)會CCRA已與Canmet ENERGY聯(lián)合開展了生物碳在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用研究。因?yàn)樘烊惶汲掷m(xù)周期比化石燃料的碳周期短，認(rèn)為可再生生物碳源燃燒時(shí)排放的CO2不增加大氣中的GHG濃度而將其稱之所謂的中性。每年可收獲約100萬公頃，%。根據(jù)預(yù)測，以上兩種方法用于傳統(tǒng)煉鐵可降低CO2排放約25%。生物質(zhì)煉鐵大幅度降低GHG排放并非燃燒生物質(zhì)煉鐵不排放CO2，而是生物質(zhì)煉鐵過程中排放的CO2被生長過程中的可再生生物全部吸收，維持了CO2排放與吸收平衡，即所謂的GHG中性排放。即使煉鐵廠商能很好地控制整個(gè)碳生命周期，仍很難確保林業(yè)殘余物來自可再生資源。然而，加拿大目前的木炭生產(chǎn)能力十分薄弱。加拿大碳化研究協(xié)會開展了傳統(tǒng)煉焦高爐煉鐵工藝?yán)蒙镔|(zhì)煉鐵的可行性研究。加拿大具有生產(chǎn)木炭的技術(shù)，但目前的生產(chǎn)能力還十分有限，必須將目前的年產(chǎn)木炭生產(chǎn)能力提高到600萬t才能滿足生物質(zhì)煉鐵的需要。目前，世界許多國家都在生物質(zhì)能利用方面展開研究。近期正在開發(fā)在現(xiàn)代大型高爐上噴吹生物質(zhì)或木炭的技術(shù)。未來生物質(zhì)能的利用空間巨大。中國糧食、油料等農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量大，秸稈等廢棄物產(chǎn)量也高，但秸稈的常規(guī)用途廣泛、用量大。 2010年全國糧食總產(chǎn)量54640 x 104t，油料產(chǎn)量3240x 104t 。我國國土遼闊，兼有兒個(gè)不同的氣候帶和植被生物群，包括熱帶雨林、紅樹林、亞熱帶常綠闊葉林、落葉林以及溫帶草原、沙漠和半沙漠等。據(jù)估計(jì)， 108t。我國在多年生草本、速生木材用作生物質(zhì)原料方面，與工業(yè)化國家相比，仍處于研發(fā)初期。根據(jù)“第六次林業(yè)資源調(diào)查”數(shù)據(jù)，中國西部地區(qū)的灌木林總面積約4530 x 104 km2， 108 ~ 108t。③參照美國生物質(zhì)資源的評估方法和預(yù)測結(jié)果測算我國中遠(yuǎn)期生物質(zhì)資源可用量。然而，資源的制約和技術(shù)水平較低的現(xiàn)實(shí)限制了我國生物燃料的發(fā)展速度，其應(yīng)用前景尚不明朗。3生物質(zhì)和煤粉的工業(yè)分析稱取干燥過得試樣1g，放入于40mL GB212規(guī)定的陶瓷坩堝中，在900℃下隔絕空氣加熱7min。 g置于GB212規(guī)定的陶瓷坩堝中，用坩堝蓋將坩堝密封。揮發(fā)分測定按式（31）計(jì)算V= m1/m100％（31）式中V——干燥樣品的灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％；m——干燥樣品的質(zhì)量/g；m1——樣品加熱后減少的質(zhì)量/g。將電阻爐加熱到815℃后，打開爐門并將放有樣品的陶瓷飯鍋慢慢的放入電阻爐中。干燥樣品灰分按式（32）計(jì)算A= m1/m100％（32）式中A——干燥樣品的灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％；m——干燥樣品的質(zhì)量/g；m1——充分燃燒后殘留物的質(zhì)量/g。木炭的灰分最低，而碳化秸稈纖維則最高，甚至超過還原劑陽泉煤。這主要是由于煤粉樣品小分子有機(jī)組分含量較少，粘結(jié)性能差且氣孔分布均勻，在破碎過程中氣孔結(jié)構(gòu)的均勻性遭到破壞，可以在很少粘結(jié)力的情況下得到比較均勻、分散且無粘結(jié)的粉末。5不同燃料的燃燒特性和紅外光譜分析 熱重分析儀熱重分析法（TGA）是當(dāng)今研究固體燃燒性最為主要的方法。TG曲線主要的特殊點(diǎn)有：初始反應(yīng)溫度、燃燒速率最大時(shí)的溫度、反應(yīng)完全的溫度。總之得到的TG曲線和其他數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)前所設(shè)定的條件密切相關(guān)。再使用200目篩網(wǎng)對破碎后的樣品進(jìn)行篩選，制備出200目以下的鐵礦粉和粉狀還原劑。而木炭在380℃之前質(zhì)量沒有明顯的變化，溫度逐漸上升，380℃~700℃是木炭反應(yīng)階段，TG曲線逐漸下降，發(fā)生了劇烈的反應(yīng)。無煙煤的反應(yīng)結(jié)束溫度達(dá)到了780℃，比生物質(zhì)的反應(yīng)結(jié)束溫度都要高，這是由于生物質(zhì)開始反應(yīng)溫度低，較低的溫度下就可以發(fā)生反應(yīng)，而且另一方面生物質(zhì)含有較少的固定碳，需要的反應(yīng)時(shí)間較短，從而導(dǎo)致了生物質(zhì)的反應(yīng)結(jié)束溫度比陽泉煤低。從圖中可以看出，碳化秸稈與鐵礦石在三種碳氧比下的TG曲線沒有很明顯的區(qū)別。從圖中可以看出，木炭與鐵礦石在三種碳氧比下的TG曲線沒有很明顯的區(qū)別。從圖中可以看出，陽泉煤與鐵礦石在三種碳氧比下的TG曲線沒有很明顯的區(qū)別。煤主要由C、H、O三種元素組成，主要結(jié)構(gòu)由縮合程度不同的芳環(huán)或脂肪環(huán)等大分子組成，而支鏈則主要是烷基和不同的含氧官能團(tuán)組成。近年來，傅里葉紅外光譜已經(jīng)成為一種重要的研究物質(zhì)官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的分析方法，由于不同官能團(tuán)在一定的波數(shù)范圍對紅外光有一定的吸收強(qiáng)度，因此通過紅外光譜可以對煤中的光能團(tuán)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)使用的是Nicolet公司生產(chǎn)的NEXUS 470 FTIR型紅外光譜儀對試樣的壓片進(jìn)行檢測。