【正文】 碳化玉米秸稈煉鐵的可行性研究碳化玉米秸稈煉鐵的可行性研究目錄1引言 1 3 3 4 6 6 7 9 10 11 1磁化鐵礦 12 12 13 14 14 15 203生物質(zhì)和煤粉的工業(yè)分析 23 23 23 23 23 24 24 24 24 24 25 254不同燃料的微觀形貌分析 265不同燃料的燃燒特性和紅外光譜分析 30 31 32 36碳化玉米秸稈煉鐵的可行性研究1引言鋼鐵產(chǎn)業(yè)在當(dāng)今仍然是人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的工業(yè)之一，而煉鐵環(huán)節(jié)是現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)最基本和最重要的一部分。盡管現(xiàn)代煉鋼也會(huì)采用一定量的廢鋼和直接還原鐵作為原料，但是高爐煉鐵依然是煉鋼所用的生鐵的最主要來(lái)源。近年來(lái)，由于資源和能源過(guò)度使用，導(dǎo)致資源短缺、原料品質(zhì)劣化、產(chǎn)能過(guò)剩以及市場(chǎng)的發(fā)展低迷，我國(guó)鋼鐵工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益受到了很大限制，環(huán)境保護(hù)與節(jié)能減排的壓力也與日俱增。所以目前的主要任務(wù)主要是對(duì)鋼鐵工業(yè)進(jìn)行改善，達(dá)到降低成本，減少污染的目的。近年來(lái)，以CO2為主的溫室氣體排放一直是各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)，而且鋼鐵工業(yè)的溫室氣體排放量約占全球總排放量的5%，是對(duì)溫室氣體排放控制影響最大的產(chǎn)業(yè)。所以需要尋求用全新的技術(shù)理念，采用真正的技術(shù)突破使排放量進(jìn)一步減少，盡可能的減少鋼鐵冶金中的CO2排放量。而采用生物質(zhì)燃料所排放的CO2最少生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量，特別適合氣化和燃燒等形式的熱化學(xué)利用。生物質(zhì)是碳中性物質(zhì)，在燃燒時(shí)可視為對(duì)地球不增加CO2排放（即和植物生長(zhǎng)時(shí)吸收的CO2抵扣）。自古代以來(lái)，生物質(zhì)和木炭已被用作燃料和冶金過(guò)程中的還原劑，并且近來(lái)在巴西被廣泛用于煉鋼過(guò)程，從探索多種方式能源化利用的角度考慮，將農(nóng)林廢棄物用于煉鐵可以減少化石燃料的消耗，生物質(zhì)煉鐵表現(xiàn)在兩個(gè)方面:第一，農(nóng)林廢棄物所含有的氫元素化學(xué)能可以被充分利用，化石燃料大幅度節(jié)省。第二，可以很大程度上節(jié)約煤炭資源。因此，生物質(zhì)煉鐵不僅成本優(yōu)勢(shì)明顯，而且可利用資源豐富，為合理利用農(nóng)林廢棄物提了新的途徑。2文獻(xiàn)綜述生物質(zhì)在狹義的定義范圍內(nèi)專指植物，如能源作物，農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物，藻類(lèi)等，而廣義上是指來(lái)源于動(dòng)植物所有的有機(jī)物質(zhì)（不包括化石能源）。本文的研究對(duì)象為植物，從結(jié)構(gòu)構(gòu)成方面，植物材質(zhì)主要有木質(zhì)素、纖維素和半纖維素三種成分組成。從化學(xué)成分方面，組成成分主要有碳、氫、氧、氮、磷、硫等元素，另外組成物質(zhì)可以分為水分、無(wú)機(jī)物和可燃物質(zhì)。生物質(zhì)通過(guò)光合作用通過(guò)吸收CO2等物質(zhì)，以化學(xué)能的形式固定在植物內(nèi)的能量稱之為生物質(zhì)能。生物質(zhì)能是綠色環(huán)保能源，而且SN，很少，灰分相對(duì)于化石能源很低，因此燃燒后的污染物排放量減少。同時(shí)，生物質(zhì)在燃燒時(shí)可視為對(duì)地球不增加CO2排放（即和植物生長(zhǎng)時(shí)吸收的CO2抵扣）。生物質(zhì)能作為一種新能源也存在一些缺點(diǎn)，如生物質(zhì)的水分含量大，影響著火和燃燒的穩(wěn)定性。生物質(zhì)的分布分散，能量密度低。生物質(zhì)單位熱值低，而且需要較大的空間和原料投入等[1]。生物質(zhì)能的普遍的利用方式主要有生物化學(xué)（以厭氧消化和特種酶技術(shù)為主）和熱化學(xué)（包括直接燃燒、熱解、氣化和液化）兩種，熱化學(xué)技術(shù)能耗少、利用率高、容易大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)熱化學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能是世界各國(guó)發(fā)展重點(diǎn)[2]。（1）氣化生物質(zhì)能氣化是指固體物質(zhì)在高溫條件下，與氣化劑（空氣、氧氣或水蒸氣）反應(yīng)得到小分子可燃?xì)怏w的過(guò)程。所用氣化劑不同，得到的氣體燃料種類(lèi)也不同，如空氣煤氣、木煤氣、混合煤氣以及蒸汽—氧氣煤氣等。這種方法通過(guò)改變生物質(zhì)原料的形態(tài)來(lái)提高能量轉(zhuǎn)化效率，獲得高品位能源，生物質(zhì)氣化具有就地取材、廢物利用、減少污染、使用方便、衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，生物質(zhì)氣化還需解決的問(wèn)題主要有氣體凈化、廢水處理和氣體熱值偏低等問(wèn)題。此外，由于氣化氣中主要成分是COOCO、H2和CH4及其他烷烴，因而必須配套專用灶具進(jìn)行燃用，這勢(shì)必影響集中供氣的發(fā)展。（2）液化是指通過(guò)化學(xué)方式將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成液體產(chǎn)品的過(guò)程。液化技術(shù)主要有間接液化和直接液化兩類(lèi)。間接液化是指把生物質(zhì)氣化成氣體后，再進(jìn)一步合成反應(yīng)成為液體產(chǎn)品，或者采用水解法，把生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素轉(zhuǎn)化為多糖，然后再用生物技術(shù)發(fā)酵成為酒精。直接液化是把生物質(zhì)放在高壓設(shè)備中，添加適宜的催化劑，在一定的工藝條件下反應(yīng)，制成液化油，作為汽車(chē)用燃料或進(jìn)一步分離加工成化工產(chǎn)品。這類(lèi)技術(shù)是生物質(zhì)能的研究熱點(diǎn)，但目前存在著液體產(chǎn)物的產(chǎn)出率很低的問(wèn)題，加之成本較高使該技術(shù)在推廣上難以進(jìn)行.（3）熱解生物質(zhì)在隔絕或少量供給氧氣的條件下，加熱分解的過(guò)程通常稱為熱解，這種熱解過(guò)程所得產(chǎn)品主要有氣體、液體、固體三類(lèi)產(chǎn)品。其比例根據(jù)不同的工藝條件而發(fā)生變化。最近國(guó)外研究開(kāi)發(fā)了快速熱解技術(shù)，即瞬時(shí)裂解，液體燃料油。這類(lèi)技術(shù)雖然發(fā)展前景良好，但是所涉及的中間環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)中需要較大的投資，且所得最終產(chǎn)品率不高，因此目前工業(yè)化較困難.（4）固化將生物質(zhì)粉碎至一定的粒度，不添加粘接劑，在高壓條件下，擠壓成一定形狀。其粘接力主要是靠擠壓過(guò)程產(chǎn)生的熱量，使得生物質(zhì)中木質(zhì)素產(chǎn)生塑化粘接。成型物再進(jìn)一步炭化制成木炭。但目前固化技術(shù)仍存在許多問(wèn)題，主要有:其一，對(duì)設(shè)備的要求較高，成型燃料的密度是決定成型炭質(zhì)量的重要指標(biāo)，它與成型機(jī)的性能特別是螺桿的性能有極大關(guān)系。其二，成型炭燃燒過(guò)程中，產(chǎn)生大量的可燃性氣體，其中含有很大一部分焦油對(duì)人體和環(huán)境會(huì)造成污染。其三，能量得到率較低。這些都是該領(lǐng)域研究工作者有待解決的問(wèn)題.（5）燃燒是生物質(zhì)被應(yīng)用的最簡(jiǎn)單方式，也是最早被使用的傳統(tǒng)方式，但大部分生物質(zhì)是作為一種低品味的燃料加以利用，燃燒效率極低。如果能解決生物質(zhì)直接燃燒溫度低的問(wèn)題，將其燃燒溫度提高到1400℃以上，甚至達(dá)到1800℃ ,將可廣泛應(yīng)用于工業(yè)能源領(lǐng)域。所以提高生物質(zhì)直接燃燒的溫度是生物質(zhì)能源利用的重大科學(xué)問(wèn)題。中國(guó)是世界上秸稈資源最為豐富的國(guó)家之一。2003年的秸稈產(chǎn)量達(dá)到790萬(wàn)噸。%，%，%，%。每年95%以上的農(nóng)作物秸稈資源通過(guò)不同的使用渠道轉(zhuǎn)化為其他形式而被耗散，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[3]。我國(guó)的秸稈利用的途徑大致分為四種[4~6]。（1）秸稈肥料還田。過(guò)去主要是混合在畜禽糞便中發(fā)酵成有機(jī)肥，大量使用化肥后，傳統(tǒng)堆肥逐漸減少。近年來(lái)將大量剩余的秸稈破碎，實(shí)施秸稈機(jī)械化還田，稻草秸稈消費(fèi)為總量15%左右。通過(guò)秸稈消化技術(shù)，植物秸稈稻草返回到土壤中，在微生物的作用下，產(chǎn)生水、一氧化碳和礦物形成一個(gè)良性循環(huán)。秸稈分解轉(zhuǎn)化周期較長(zhǎng)，不能被用作農(nóng)作物肥料來(lái)源，另外秸桿還田后，微生物在土壤中大量繁殖，需要氮素營(yíng)養(yǎng)，導(dǎo)致生物質(zhì)從土壤中回去氮元素困難，從而引起“氮饑餓”，返青期延長(zhǎng)，影響產(chǎn)量。稻草在機(jī)械化粉碎過(guò)程中需要大量的資金投入，不能帶來(lái)農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)增收，因此推廣起來(lái)比較困難。（2）工業(yè)原料。用于制造紙張、建筑材料、纖維板、手工仿品材料、保溫材料、秸稈培養(yǎng)基質(zhì)化利用等，總消耗量占秸稈總量的3%左右。（3）牲畜飼料。通過(guò)合理的技術(shù)對(duì)農(nóng)林廢棄物中的蛋白質(zhì)和纖維素類(lèi)物質(zhì)進(jìn)行處理，可以作為飼料利用。目前常用的處理方法有物理粉碎、氨化處理和青貯利用等，消耗量占總秸稈量的27%左右。物理粉碎效率低，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用不充分。氨化處理污染嚴(yán)重，處理成本高。青貯利用雖然污染小、成本低，但是飼料質(zhì)量得不到保證，容易腐爛。（4）能源化。秸稈作為農(nóng)村的生活燃料，占有比例大，但是其能量密度低，僅為13~15mg/kg，造成能量的浪費(fèi)。為了提高秸稈的利用率，目前開(kāi)發(fā)了大量的利用技術(shù)，如直燃發(fā)電供熱，發(fā)酵制氣等技術(shù)。直燃供電技術(shù)，發(fā)電效率低，設(shè)備維護(hù)高，燃料結(jié)渣嚴(yán)重等。直燃供熱技術(shù)，環(huán)境污染嚴(yán)重，容易產(chǎn)生浮塵，造成嚴(yán)重的霧霾天氣。發(fā)酵制沼氣，產(chǎn)氣率低，原料利用不充分，技術(shù)難以達(dá)到目前的需求。秸稈炭化技術(shù)和熱解制備燃料油技術(shù)，研究剛剛起步，并且炭化和熱解過(guò)程反應(yīng)復(fù)雜，影響因素多，由于秸稈種類(lèi)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。目前在秸稈的利用途徑都存在著一些問(wèn)題，應(yīng)該根據(jù)秸稈的組成特點(diǎn)，選擇合適的方式，優(yōu)化利用的方式方法，多元化利用秸稈，開(kāi)發(fā)大規(guī)模高效率的利用秸稈的新途徑，提高其經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)秸稈市場(chǎng)的迅速形成。木材、林業(yè)廢棄物和農(nóng)作物廢棄物是目前可供高爐利用的生物質(zhì)能源，模擬計(jì)算表明由于生物質(zhì)發(fā)熱量低、氧含量高，煉鐵時(shí)理論燃燒溫度降低、生產(chǎn)率下降、換比較低，因此生物質(zhì)在使用前需要進(jìn)行炭化處理。；；；；；生物質(zhì)炭化是在無(wú)氧環(huán)境下進(jìn)行不完全熱解生成炭的過(guò)程，炭化過(guò)程受溫度的影響最為明顯，[7]，隨著炭化溫度的升高，氧含量降低，碳含量增加，熱值升高，但木炭產(chǎn)率降低。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。一般來(lái)說(shuō)，低溫慢速熱解通過(guò)增加保溫時(shí)間，可以提高木碳產(chǎn)量和能量密度，其質(zhì)量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率分別可達(dá)到30%和50% 。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者采用熱重分析儀和不同類(lèi)型反應(yīng)器對(duì)生物質(zhì)和煤混合物共熱解進(jìn)行了研究，對(duì)是否存在相互作用關(guān)系及其機(jī)理的認(rèn)識(shí)不盡相同[8~10]，比如用森林殘余物和波蘭共熱解時(shí)發(fā)現(xiàn)，森林殘留物產(chǎn)生的半焦量占70%、煤半焦為30%，煤半焦的產(chǎn)生量相當(dāng)于煤?jiǎn)为?dú)熱解半焦量的三倍。并認(rèn)為生物質(zhì)對(duì)煤熱解有一定的催化作用。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。這些研究是將生物質(zhì)作為廉價(jià)供氫劑使用，針對(duì)高爐噴吹利用目的的研究還未見(jiàn)報(bào)道。生物質(zhì)中含有大量的木質(zhì)素和纖維素，破碎難度大，目前的沒(méi)有專門(mén)針對(duì)生物質(zhì)大規(guī)模生產(chǎn)的破碎設(shè)備，為此生物質(zhì)的高效低成本破碎是一直存在的問(wèn)題。而生物炭較容易破碎，通過(guò)300℃和400℃炭化木材的可磨性實(shí)驗(yàn)，%， mm達(dá)到了80%以上，能滿足高爐噴吹對(duì)粒度的要求。農(nóng)作物秸稈如（高粱、玉米、大豆、棉花、栗秸、雜樹(shù)、竹枝）來(lái)源廣泛。將秸稈炭化后可以取代煤粉用于鑄型中的煤粉型水基涂料以