碳化玉米秸稈煉鐵的可行性研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ~4%[29]時會降低配煤中硫分、灰分，但不影響焦炭的機械強度。更多試驗顯示，當配煤中生物質添加量大于5%時，焦炭的機械強度降低。巴西國家黑色冶金公司的其他焦爐試驗顯示，配煤加入炭化水稻殼和木炭可降低煉焦壓力。將廢塑料（約含2%的纖維素）添加到煉焦煤中，也可明顯降低煉焦壓力[30]。另外在非煉焦煤中配入35%~40%的蜜糖，可生產出機械強度適宜的鑄造焦。生物質這種可再生能源可以代替一部分生物燃料用在煉焦生產中。除了降低碳排放，還可顯著降低煉焦壓力，對焦爐生產非常有利。關于添加生物質的配比和優化焦炭質量，今后還需探討和研究。高爐煉鐵需要消耗大量化石燃料，同時排放大量CO2等溫室氣體，減輕環境負荷是我國高爐在21世紀可持續發展面臨的嚴峻挑戰。從探索多種方式能源化利用的角度考慮，將農林廢棄物用于高爐噴吹可以減少化石燃料的消耗，而且高爐噴吹燃料數量大，在巨大消耗的同時，也產生了巨大的包容空間，為廢棄物的規模化處理提供了條件。與高爐噴吹用煤粉相比，秸稈揮發分含量高，氧含量高，SO2和NOx排放量低，其熱值約為無煙煤的2/3。掃描電鏡觀察發現對秸稈的精細破碎不會造成其組織結構的變化，同時利用熱重分析法對燃燒性能進行了研究，結果表明秸稈生物質粉體的開始燃燒溫度和燃燒時間較煤粉短，燃燒速度快。在無煙煤粉中加入秸稈粉體能改善無煙煤的燃燒性能，有利于煤的完全燃燒，提高煤的燃燒率。由于生物質炭的強度小，替代焦炭利用效率低，替代煤粉噴吹對生物質炭的強度沒有要求，可以帶來更大的利用效益。生物質炭與煤粉具有相似的熱性能，直接在傳統的噴煤設備上應用是可行的，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炭的冶煉效果，在噴吹率為140kg/t時，低灰分的生物質炭具有很高的替代率，與噴吹高揮發份煤粉相比，可以減少焦炭和燃料的量為20kg/t. 生物質炭的孔隙度，粒度分布和表面結構對噴吹率影響很小，即使是大顆粒的尺寸為162μm，對生物質炭的噴吹無任何不利影響，高爐對噴吹生物質炭的要求低，大規模工業化使用存在可行性。生物質資源通過轉化處理可獲得各種燃料或化學物質。其中，生物質經熱解處理所得固體產物—生物質焦在煉鐵工藝中應用前景較大。生物質焦可定義為：生物質在一定溫度的缺氧環境下熱解，脫除大部分揮發分后所得的高碳固體殘余物。研究人員對各種生物質焦的制備及其特性進行了比較廣泛的研究，認為生物質焦是一種高碳、高熱值、低污染的優質固體燃料，可代替部分化石燃料，這為生物質焦在煉鐵過程中的應用奠定了理論基礎。一般而言，與煤等化石燃料相比，生物質焦普遍具有以下優點：一是環保優勢。生物質焦的可再生、碳中性、低硫、低氮的特點，有助于緩解化石能源消耗危機，減少COSO2和NOx的排放。二是成分組成優勢。生物質焦一般碳含量較高，灰分含量很低，氮、硫、鉀、鈉等雜質元素含量很少，即成分純凈度較高。三是特性優勢。生物質焦一般是多孔結構，其孔隙率、孔容積和比表面積都較高；生物質焦的燃燒性、反應性等特性明顯好于煤炭。目前生物質煉鐵的研究，或側重于工藝實現條件，或只側重于過程，成本分析則多采用經驗數據，在考慮子過程的規模效應并將各子過程和工藝實現條件聯系分析方面存在不足。根據我國國情，考慮到資源條件的影響，農林廢棄物的使用對我國高爐煉鐵應更具吸引力。對傳統鋼鐵流程（目前世界70%鋼鐵都通過此流程生產），當生物炭的替代率為47%時，對比分析了不同的鋼鐵年產量和不同木質生物質單位公頃年收獲量的情況下，木質生物質所需的種植面積，% 。據統計2012年我國粗鋼年產量為717百萬噸，種植產量為30噸/公頃/年時，717百萬噸/年的鋼材所需的種植面積為約33百萬公頃，當種植產量10噸/公頃/年時，增到了約110百萬公頃，而在進行良好管理種植林平均產量也僅為15噸/公頃/年，需要約90百萬公頃種植面積。我國森林覆蓋率不過只有17%，不到世界1/4，而且森林質量不高，主要分布在東北和西南地區，大部分是慢速成長林，為此木質生物質制炭冶煉不符合我國國情，難以在我國大規模工業化生產。但是我國是一個農業大國，另外農林廢棄物生命周期短，成長快速，足以持續供應高爐煉鐵的需求量。農林廢棄物相對于煤炭，由于其自身的特點有著一定的劣勢，農林廢棄物分布廣泛，能量密度低，收集儲運復雜，從而所產生的成本限制了農林廢棄物的大規模利用。我國農林廢棄物利用技術裝備的產業化水平低，生物質燃料供應市場化尚未形成，政府的主導作用對高爐噴吹農林廢棄物技術的發展至關重要，歐洲生物質能利用經驗值得借鑒，歐洲國家制定了許多促進生物質能開發和利用的政策法規，減少或者減免開發利用生物質能的生產企業稅收或者增加補助。德國政府從1999年到2001年在生物質能領域的投資補貼總計為2195億歐元，瑞典從2004年到2006年，政府對用生物質能采暖的家庭每戶提供1350歐元的補貼，因此我國為了提高高爐利用生物質的進程，也需要進行建立具有促進作用的政策措施。目前，中國政府正在研究制定環境稅的政策法規，農林剩余物是碳中性物質，應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準20歐元//t CO2，折合為160元人民幣//t CO2，這是推廣高爐噴吹農林廢棄物技術的有利因素。我國也將發展生物質能列入國家“十二五”能源發展規劃，以綠色能源生產綠色產品，實現我國生物質能產業發展的戰略轉型，從單純利用生物質能發電到生物質多能源、多產品產出的“多聯產”方向發展。未來生物質能的利用空間巨大。我國鋼鐵行業要時刻關注世界鋼鐵業關于生物質能利用與研發進展，同時加強以企業為龍頭的“產學研”科技創新和產業實踐。全球生物質能源消費量呈逐年增長趨勢，近年已從20世紀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量的10%左右。消費品種包括農林業和城市廢棄物等，還有少量的糖料（甘蔗、甜菜）、谷物（玉米）和植物油，其中農林業廢棄物大部分被用作傳統的民用燃料，糖料、谷物和植物油主要用于生產第一代生物燃料。目前全世界約有27億人口（非洲、東南亞等發展中國家的農村）仍然在使用傳統生物質廢棄物（木材、薪炭、農業秸稈和牲畜糞便等）作為炊事和取暖用燃料，生物質資源的傳統利用方式不僅熱效率低（僅約10%）、浪費能源，還會造成空氣污染、危害人民健康。 2010年， x l08t標油，全部為第一代生物燃料， x l08t , x l08t 。主要原料為甘蔗、玉米，少量為油菜籽、葵花籽和其他農業產品。近年來，美國等國家為第二代生物燃料技術的研究開發投入了大量資金，但仍然有一些技術障礙需要通過研發和工業示范來克服。迄今為比，在發展中國家中只有中國、巴西和印度等國開展了第二代生物燃料技術的研究，并準備建設工業裝置。預計第二代生物燃料技術可于2020年前后在一些國家實現工業化生產.全球運輸燃料消費量大約占到石油消費總量的50%左右，產生的二氧化碳排放量約相當于全球與能源相關的溫室氣體排放量的25%。降低運輸部門溫室氣體排放量的可行方案包括使用生物燃料、提高汽車發動機效率、推廣使用混合動力汽車和電動汽車等，但重型卡車、海運貨輪及航空運輸不宜電氣化和使用燃料電池技術，這部分溫室氣體減排就只能依靠研發新型生物燃料（生物柴油、生物航空煤油等）來解決。目前，對于發展第二代生物燃料尚有幾個問題存在爭議.①以纖維素生物質為原料生產的生物燃料能否解決環境、原料供應等方面的不可持續問題。②什么是發展中國家發展生物質能源產業的最佳技術路線（生物質用作生物燃料原料或發電燃料）?對于大多數發展中國家來說，目前急需解決的問題是實現電氣化和改用清潔的炊事用燃料（尤其是在農村），發展第二代生物燃料技術不應作為優先選項。③可以用作第二代生物燃料原料的農林業廢棄物的資源量，能否滿足IEA預測的不同情景下的中遠期生物燃料需求量。④研發專用能源作物種植技術、建成完整的生物質供應鏈系統，是否有助于創造就業機會，促進農業發展。廣義的一級生物質資源包括農業廢棄物、林業廢棄物、畜禽糞便、能夠種植的能源作物等4類，二級生物質資源則有米糠、玉米芯、蔗渣和鋸末等。20世紀后期，全世界每年廢棄生物質的可利用潛在總能量為42EJ，其中農業15EJ、林業22EJ,。出于不確定因素太多，世界生物質資源量的長期預測極其困難。潛在總能量可以通過不同制約條件進行估算，大致分為理論潛量、地理潛量、技術潛量、經濟潛量和生態潛量5類，數值互不相同。基于人類社會的主觀努力，生物質資源量在21世紀前半葉有可能取得成倍增長。從本世紀初研究者們對2050年的估計來看，除個別悲觀者以外，生物質資源量的最低值基本在200~400EJ/a之間，最高值在400~1500EJ/a之間。有關學者對生物質資源的評估結論為:①生物質技術資源量與一些不確定因素密切相關，包括:人口增長情況、經濟和技術發展、糧食和飼料需求量、農林業發展水平。未來的土地利用量和分配情況，以及對氣候變化的影響。土壤退化和水資源短缺程度，對保護生物多樣性和自然環境的影響。②提高生物質原料產量主要取決于兩方面因素:一是農林業廢棄物的其他用途和流向，二是可供種植能源作物的土地面積（包括過剩的耕地、貧瘩和退化的土地）。農林業廢棄物的收獲量需要考慮保護生物多樣性、維持健康的生態系統、防比土壤退化等要求，這將使收獲量減少，例如提高秸稈還田數量可以提升土壤肥力、防比土壤退化。③專用能源作物品種以多年生草本、速生樹木為主，有利于提高生物質技術資源量，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碳含量）的土地上。④山能源作物—常規農業和/或能源作物—林業組成的聯合生產系統，有利于保護生物多樣性、土壤肥力和自然生態，是主要發展方向。⑤在水資源匱乏地區種植能源作物可能使產量降低，還可能影響下游耕地用水，在此類土地上種植耐干旱能源作物將有助于解決地區的水資源平衡問題。用生物碳代替化石碳煉鐵是減少CO2排放的有效方法之一。加拿大生物碳資源儲量十分豐富，所以，相關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。完成了用碳生命周期對生物碳煉鐵工藝前景評價和技術路線的可行性研究；完成了加拿大工業規模生物質煉鐵所需生物碳資源的客觀形勢分析以及路