生物质用于焦炭和烧结生产的实验室评价

生物质作为碳可供选择的环保替代燃料,用其进行炼焦和炼铁是一个非常好的选择,因此,应该积极调查、研究如何采取不同的方法利用生物质,以减少硫化物、氮氧化物、二氧化碳的排放和可能的成本投入。对生物质在炼焦生产与烧结生产中的实用性在独立的试验中进行评估。生物质对炼焦生产的实用性研究如下:将1%～5%的木质生物质或是焙烤(轻度热解)的木质生物质作为部分高挥发性煤的替代物添加至配合煤中,在实验室焦炉中进行碳化试验。试验结果表明,当把粉碎的生物质加入到配合煤后,焦化压力显著降低,同时焦炭的硫含量下降,但是焦炭的高温强度和力学性能亦有轻微下降,但这种实测强度的降低需要进一步的研究。另外,在一系列独立试验中,通过利用生物质(分别是锯末、粉碎的玉米芯、树皮、木炭等)作为烧结用粉焦的替代燃料在实验室烧结锅进行评估。试验中,燃料用10%、20%、30%、40%的生物质代替。试验结果显示,烧结混合料的堆密度和烧结时间都有下降,添加了生物质的烧结矿质量没有显著恶化。这些初步的试验表明,在实际的炼焦与炼铁生产中生物质很有可能作为一种可再生能源替代部分传统的化石燃料。为了某种特定应用而进行产品优化则需要额外试验。     

炼焦生产典型煤种热解动力学试验研究

对炼焦生产过程典型煤样进行了工业分析、元素分析以及热性能分析,结果表明,神府气煤在整个升温区间的失重最大,而西曲焦煤和王家岭瘦煤的失重最小,其余煤种介于两者之间.煤样的失重量与其挥发分和水分之和具有关联性.DTG分析表明,气煤的最大热解速度较大,热解较为集中,挥发分释放速度快,热解特性参数较大;而瘦煤和较高变质程度的焦煤最大热解速度较低,热解温度区间分散,挥发分释放速度慢,热解特性参数小;肥煤和1/3焦煤处于他们之间.动力学解析表明,三个独立的一级反应可以很好地描述所研究煤样的热解反应过程,几种典型煤样的活化能介于64～91 kJ/mol之间.神府和玉成煤的平均活化能最小,热解过程比较容易发生;西曲煤的平均活化能最大,热解过程进行困难.     

轧钢油泥与生物质共热解特性

为探究轧钢油泥与生物质混合共热解处理工艺，本文利用热重分析仪在N₂气氛下对轧钢油泥、生物质(玉米秸秆、稻草秸秆)单独热解并对3种不同混合配比的轧钢油泥与生物质混合进行试验研究，讨论上述混合物的协同热解特性；同时，在不同升温速率(β)条件下，采用Friedman-Reich-Levi法对混合热解过程进行动力学分析，得到动力学参数。结果表明：轧钢油泥的热解过程主要为水分析出、油分分解、铁氧化物还原3个主要阶段，生物质的热解主要失重阶段为挥发分析出；玉米秸秆、稻草秸秆与轧钢油泥共热解协同作用与生物质种类和混合比有关，当生物质混合比为70%时促进作用更明显，稻草秸秆对轧钢油泥的促进作用优于玉米秸秆；两种生物质与轧钢油泥共热解的活化能出现随转化率的增加先升高后降低的趋势，在转化率为0.6或0.7时达到最大活化能，为52.45～80.02 kJ/mol。     

不同制粉粒度对混煤热解和燃烧性的影响

为了研究磨煤时间对混煤热解和燃烧性的影响,采用原始粒度组成相同的原煤,按照挥发分质量分数进行混煤,将混煤分别磨制2、4、6和8min,利用热重分析法分析混煤在氮气条件下的热解和空气条件下的燃烧。结果表明,混煤在低温段的热解主要是神华烟煤的热解过程,不受磨煤时间的限制,在高温段,混煤的损失质量均随着磨煤时间的增加而增加;混煤的着火温度随着磨煤时间的增加而增加,燃尽温度随着磨煤时间的增加而降低,失重速率曲线随着磨煤时间的增加向低温区移动,最大失重速率峰随着磨煤时间的增加出现小幅上升,最大失重速率峰对应的温度逐渐下降。     

生物质焦与煤混合燃烧特性及动力学分析

利用热重分析天平,采用非等温燃烧的方法对生物质热解产物——生物质焦与两种无烟煤混合试样的燃烧特性及其反应动力学参数进行了实验研究,考察了不同配比的混合试样的着火温度、燃烧速率最大时温度、燃尽温度和最大燃烧速率等燃烧特征参数,求出了反应的动力学参数活化能E_a和指前因子A.结果表明:活化能和指前因子均随混煤中生物质焦比例的增加而降低,存在动力学补偿效应;煤中掺入生物质焦后,试样燃烧的第一阶段和第二阶段的活化能分别呈现出"U形"曲线和"阶梯形"曲线的规律,且对混合燃料热解过程的作用要优于对固定碳燃烧过程的作用;活化能的计算表明生物质焦的存在有助于改善煤的着火性能,对煤的燃烧有催化促进作用.      

邯钢喷吹用煤的TG-FTIR热解研究

采用TG-FTIR联用技术研究了邯钢喷吹用煤的热解失重过程。结果表明:长治煤、大湾煤、70%长治煤+30%大湾煤的失重过程均大致分三个阶段,450~800℃之间,TG曲线急剧下降,挥发分大量逸出。DTA曲线在590~700℃时出现峰值,煤的热解反应剧烈。分析显示长治煤添加30%比例大湾煤后失重开始温度比原煤下降13.5℃,1000℃时的失重率比长治煤的失重率增加了4.05%,说明无烟煤配加烟煤可以促进煤粉热解过程中产物的转化,有利于改善喷吹煤粉的燃烧状况。FTIR结果显示:添加30%大湾煤对煤粉在热解过程中CO的生成影响不大,CO2则出现减少的趋势。甲烷气体的释放被集中到一定时间段内完成,且释放量有所增加。另外,配煤还促进了其他烃类气体逸出,增加了参加均相燃烧的挥发分气体比例。     

大同煤热解动力学研究

目前,COREX流程中的熔融气化炉采用块煤代替焦炭作为燃料冶炼铁水。块煤在熔融气化炉中的反应行为对炉况的稳定顺行及铁水质量有着重要的影响。采用非等温热重分析法针对COREX用煤（大同煤）在热解过程中的失重速率、失重量以及影响因子进行了研究,分析了煤热解的整个失重过程,并讨论了不同升温速率对热解的影响。同时,考虑煤热解过程的不同特性,采用分段尝试法建立了煤热解过程的动力学理论模型,进而得到相应的动力学参数,有助于更好地分析块煤在气化炉内的热解行为,为COREX流程块煤的合理使用及采用风口喷煤技术提供理论依据。     

生物质炭煤粉高炉混合喷吹性能分析

在“双碳”目标积极推进的背景下,节能减排已经成为当前钢铁工业绿色可持续发展的重要任务之一。生物质作为可再生的碳源,应用于高炉炼铁可显著降低钢铁生产的CO₂排放。为改善生物质原料应用于高炉喷吹的冶金性能,分别采用热解炭化和水热炭化对生物质原料进行炭化提质制备生物质炭,并探究了生物质炭与煤粉混合搭配进行高炉喷吹的可行性。结果表明,生物质水热炭和热解炭的挥发分高于烟煤,当生物质炭以5%～20%比例与煤粉混合时会使混煤的固定碳含量和发热值降低,但降低幅度较小。当生物质炭配比低于20%时,混煤无爆炸性,着火点大于350℃,满足高炉制粉和喷吹系统的安全性能要求。生物质炭具有较好的可磨性和燃烧性,能够改善混煤的制粉性能和风口前的燃烧性能。生物质热解炭灰成分中含有较高的碱金属,造成生物质热解炭混煤的灰熔点降低幅度远大于生物质水热炭混煤。通过对生物质炭混煤方案的碱负荷变化分析发现,高炉喷吹生物质热解炭对高炉冶炼碱负荷影响大于水热炭,生物质炭配比为20%,高炉喷煤比为140 kg/t时,生物质热解炭混煤方案的碱负荷增加0.394 3 kg/t,生物质水热炭混煤方案的碱负荷增加0.00...     

煤的热解特性及其动力学模型

本试验利用热重-差热分析仪对不同升温速率、粒径下的马钢烟煤、无烟煤、兰炭煤样热解特性进行试验研究。将煤样的热解过程分为4个阶段,并建立Coats-Redfern一级动力学模型。结果表明：随着升温速率的增加,挥发分初始温度提高,热解失重速率峰值增大;随着粒径增大,挥发分析出随粒径增大而减小;由一级动力学模型结果可得,活化能和频率因子之间存在补偿效应。     

生物质热解特性及其还原铁精矿研究

生物质低碳环保,用于铁矿石还原可以实现钢铁企业绿色发展,为探究一种快速高效的直接还原方法,本文对其热解特性和铁精矿的还原进行了研究.结果表明,生物质在较低温度下可快速热解,热解温度为693℃时,失重率达到66.76％,最大失重速率可达7.85 min;生物质热解生成的气相产物主要有CO、CO2、CH4、C2H4、H2等...     

生物质松木锯末中低温还原高铁拜耳法赤泥

对生物质松木锯末和烟煤还原焙烧高铁拜耳法赤泥进行对比试验研究,包括还原温度、还原时间、还原剂用量对还原效果的影响.生物质松木锯末还原高铁拜耳法赤泥所需还原温度低而且还原时间短最终还原效果较好.试验通过热分析和X射线衍射、动力学研究结果揭示出生物质松木锯末中低温还原高铁拜耳法赤泥机理.同时确定了生物质松木锯末中低温还原的最佳还原条件.研究表明生物质松木锯末为赤泥质量分数的20%,还原温度为650℃,还原时间为30 min可将赤泥完全磁化.生物质松木锯末热重试验分析表明250~375℃温度区间为锯末热解的主要阶段,350℃左右热解速率达到最大,450℃后热解反应趋于平缓;烟煤热重试验表明300~700℃温度区间为烟煤热解的主要阶段,450℃左右热解速率达到最大,650℃后热解反应趋于平缓.动力学研究表明锯末在300~400℃区间热解表观活化能比烟煤热解表观活化能要低很多,说明在此温度范围内锯末比烟煤更加容易发生热解反应.生物质能够中低温还原高铁拜耳法赤泥,还原温度比煤基还原的还原温度低200℃左右.      

鄱阳湖水生生物质热解过程中碱金属析出特征

在管式炉上对鄱阳湖水生生物质在热解过程中碱金属的析出特征进行研究.研究结果表明苔草和凤眼莲热解过程中K和Na析出率都超过60 %,K主要以无机盐形式赋存于凤眼莲中,并且其分解挥发析出发生在热解的中后期,而Na的析出率高于K,这主要是由于水生生物质中Na结合键能更低.同时,水生生物质种类也是影响K和Na析出的重要因素,其主要与K和Na在水生生物质中的赋存形态及样品结构有关,并根据水生生物质热解过程中K和Na的析出特征建立了碱金属释放的动力学模型.通过该动力学模型模拟苔草和凤眼莲在热解过程中K和Na的释放行为,发现该模型计算得到的数值与实验数据基本一致,表明该模型能够合理描述水生生物质热解过程中碱金属的析出特性.      

煤与废塑料共焦化试验研究

对单种煤与废塑料共焦化过程的配合性进行研究。首先进行了煤与PE、PP、PET、PS和脱氯PVC 5种塑料混合物热解过程的热重分析,在此基础上完成了煤与上述5种废塑料的20 kg试验焦炉的共焦化试验,考察了不同种类废塑料对焦炭冷、热强度的影响。研究结果表明:煤和不同种类废塑料发生热解反应的温度区间及热解失重速率的温度分布曲线对共焦化后的焦炭强度有直接影响,表现为煤阶较高的烟煤与废塑料共焦化后焦炭强度下降,5种废塑料中PS和PET与煤在共焦化过程中的配合效果不如其他3种废塑料。     

油菜籽粕生物质热解过程特征研究

以油菜籽粕生物质为原料,采用电加热方式,研究了不同加热速率下的热解过程及产物产出规律,对热解产物中不凝气体的成分进行了分析,考察了加热速率对产物产出率的影响.结果表明:油菜籽粕的热解过程可分为水分蒸发、半纤维素热解、纤维素和木质素热解、木质素炭化4个阶段;加热速率的高低虽然对水分的蒸发过程特征没有影响,但在低加热速率下,生物质中不同的组分将在不同的反应温度区间内进行热解反应;不凝气体和冷凝液体两种热解产物主要在100-550℃之间析出,是半纤维素和纤维素的主要热解产物,它们的产出率与温度的关系具有不同的特征;不凝气体中可燃气体的体积分数随着反应温度的升高逐渐增多;当控制加热速率为4-6℃/min时,油菜籽粕的3种热解产物量均可以达到较理想的效果.     

高炉喷吹生物质水热炭的可行性分析

 钢铁生产制造过程消耗大量化石燃料,同时排放大量CO₂和污染物,降低钢铁生产过程CO₂排放成为实现钢铁工业“碳达峰”和“碳中和”目标的关键。生物质作为植物光合作用的产物,具有产量大、可再生、碳中性的特点,是唯一具有可再生性能的含碳清洁能源,具备良好的可存储性和易运输特点,将丰富的生物质资源高效应用于高炉炼铁生产成为钢铁工业实现绿色可持续发展的关键。但生物质普遍具有水分含量高、固定碳含量和发热值低、碱金属(K、Na)有害元素多和粉碎性能差的缺点,不经炭化处理难以满足高炉炼铁生产对喷吹燃料的工艺性能要求。对比分析了热解炭化和水热炭化技术原理的差异,并对两种技术制备获得生物质炭的高炉喷吹基础性能和工艺性能进行了系统检测。结果表明,热解炭化能够脱除生物质中的挥发分,提升固定碳的含量和发热值,但灰分和碱金属元素在热解过程中会富集到生物质炭中,造成热解生物质炭中灰分和碱金属元素含量大幅增加,4种生物质热解炭中碱金属元素质量分数普遍大于1%,远超高碱度煤中碱金属元素含量的标准,不能作为喷吹燃料替代煤粉进行高炉喷吹生产。水热炭化在脱除挥发分的同时,能够有效脱除溶解生物质中的矿物元素,制备得到的生物质水热炭具有灰分和碱金属元素含量低、固定碳和发热值高的特点,同时生物质水热炭还具有高的可磨性和优良的燃烧性能,能够满足高炉喷吹的要求。生物质水热炭化技术解决了生物质能量密度低、有害元素含量高、粉碎和喷吹困难等限制性问题,通过生物质水热炭化技术制备优质碳中性燃料进行高炉喷吹新技术的实施,支撑了宝武集团实现绿色低碳炼铁。     

生物质部分替代焦粉的烧结过程温度场模拟仿真

针对烧结杯试验具有较好的模拟性,基于烧结机理和Fluent软件对烧结过程温度场进行模拟仿真,并与红外热像仪在烧结杯外壁采集的温度图像进行比对,验证了仿真过程的准确性。进一步研究添加不同占比生物质燃料对烧结过程温度场的影响,仿真结果表明:添加生物质燃料使烧结速度变快,导致烧结料层燃烧带变宽,同时使燃烧带最高温度降低。研究结果对生物质部分替代焦粉的烧结实际生产具有指导作用。     

生物质替代焦粉铁矿石烧结过程中的碱金属迁移行为

通过挥发–冷凝实验装置进行小型烧结实验,运用X射线荧光光谱（XRF）、扫描电镜–能谱仪（SEM–EDS）及电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP–OES）等分析检测手段,结合Factsage热力学模拟,对比研究了以木炭和焦粉为燃料,配加含铁粉尘的铁矿石烧结过程中,床层碱金属随烟气挥发迁移的规律、烧结前后的碱金属脱除率以及工艺措施对碱金属脱除的影响。结果表明,K相对于Na更容易被脱除,挥发至烟气中的碱金属化合物主要是KCl,其次为NaCl。增加燃料配比促进了碱金属元素的脱除;在燃料配比相同的条件下,木炭烧结的碱金属脱除效果不及焦粉烧结。烧结过程中,排入废气中的碱金属化合物被下部混合料层大量捕获、吸附,下部床层内捕集的碱金属氯化物促进了碱金属的氯化脱除。添加CaCl₂后,以木炭为燃料时K和Na的脱除率高于焦粉工况,且产物中K和Na的含量较低。配合氯化脱除工艺将生物质应用于铁矿石烧结是烧结生产发展的可行方向。      

三种石油焦热解特性及动力学模型建立

在热重分析仪上开展三种石油焦的热解特性研究,分析了颗粒直径、升温速率和样品种类对石油焦挥发分析出温度区间、析出速率的影响。研究结果表明,热解过程挥发分析出主要集中在500~800℃温度区间内;颗粒直径小,石油焦挥发分析出起始温度高,但颗粒直径对整体析出速率影响较小;随升温速率增大,热解起始温度升高,热解速率峰值变大;高挥发分石油焦,挥发分析出起始温度低,挥发分析出峰值大。采用Coats-Redfern法建立石油焦热解过程的动力学模型,三种石油焦热解模型遵循化学反应机理,反应活化能在45~63k J/mol之间。     

生物质燃料用于铁矿烧结的研究进展

生物质燃料由于来源广泛、储量巨大且具有高发热值、高纯度、低成本的优势而具有良好的应用前景,其应用于烧结生产也是钢铁行业低碳绿色高质量发展的重要途径之一。本文从原料制粒、烧结过程、烟气减排三个方面对生物质燃料在铁矿烧结工艺中的应用进行系统性的归纳与分析。在原料制粒方面,生物质燃料相较于焦粉和无烟煤,在烧结生产时需要配入更大的水分,根据生物质燃料的种类该水分配比可能需要增加1%～5%。在烧结过程方面,受限于燃烧特性,生物质燃料替代焦粉的比例不宜过高,一般为10%～40%,进一步提高该配比则会出现烧结矿成品率和转鼓指数、烧结机利用系数的显著降低。在烟气减排方面,生物质燃料在降低烧结烟气中CO、NO_x、SO_x、粉尘和二■英等有害污染物排放量方面作用显著。对于大规模工业化应用,仍需继续加深理论与试验探索,进一步提高生物质燃料的可获得性,统筹生物质燃料回收加工处理的配套产业,并加大包括投资鼓励等政策支持。     

以高炉渣为热载体进行煤热解的实验研究

利用STA409PC综合热分析仪以程序升温热重法对高炉熔渣中煤的热解反应进行了研究,主要考察了煤渣比、煤种对热解反应的影响。实验结果表明,热解分为三个过程:脱水阶段、挥发分析出阶段和碳化阶段。随着高炉渣加入量的增加,热解过程的热解的起始温度、最大失重温度逐渐提前,煤样热解的活性逐渐增强。高炉熔渣对煤的热解反应具有一定的促进作用,但当高炉渣的添加量增加到一定程度后,这种促进作用不再明显,甚至起到阻碍作用。在相同的反应条件下,不同煤种反映出不同的热解反应特性,随着煤中的碳化程度的加深,煤的分解活性降低。高炉渣对低碳、高灰分的沈南贫煤的催化促进作用更为明显。