第9期 胡正文等：炼铁用生物质焦的制备及其性能 ·999· 木炭就是一种典型的生物质焦.巴西在2005年仅 高炉喷吹用的木炭粉就超过19万t,喷吹比达100~ 人口 二出口 温度控制器 150kgt-';2007年巴西约35%的铁水是由小于300m3 的小型木炭高炉（使用生物质焦作为还原剂）生产的， 热电偶 气体流量计 每座平均年产量约10万t因.日本的研究人员正尝试 反应管 通过使用配加生物质焦的炉料来实现高炉的低还原剂 加热器 操作，从而减少C0,排放6.此外，研究人员还尝试 金属网 利用生物质辅助进行炼焦、烧结及高炉喷吹，甚至直接 试样 将合格的生物质焦用作高炉炉料-等等，但有关的 刚玉球 深入研究还不多.本文旨在通过实验室碳化实验及差 管式炉 热一热重实验等，研究生物质焦的制备及其基础性能， 图1碳化实验示意图 以促进生物质焦在炼铁工艺中的应用. Fig.I Schematic diagram of carbonization experiment 1实验 DTG)以研究生物质的碳化过程及所制得生物质焦 1.1实验原料 的燃烧性以及与CO,反应的气化反应性.所用设备 实验选用木质生物质原料，取自某木材厂的废 为北京光学仪器厂生产的WCT一2C型微机差热天 木料（白松），其成分分析见表1.其中，工业分析的 平.对试样进行研磨、筛分，控制其粒度为0.074~ M、A、V和FC分别表示试样的水分、灰分、挥发分和 0.15mm,每次称取16.5mg试样进行热重实验，差 固定碳的含量 热天平的升温速率均控制为15℃·min-1,实验过程 仪器自动采集数据.对于生物质的热重碳化实验， 表1废木料的成分（质量分数） Table 1 Composition of waste wood sample % 升温过程通入氩气（流量为60mL·min-l)进行保 护，至1100℃结束采集：对于生物质焦的气化反应 工业分析 元素分析 性实验，待试样温度升至900℃并稳定后，迅速将保 A FC 护性氩气切换成反应气体C0,气体流量仍维持60 4.980.4578.1816.3948.045.6039.770.370.06 mL·min',至1200℃结束采集；对于燃烧性实验， 1.2实验设备及方案 升温过程通入60mL·min-1的空气，至900℃结束 1.2.1生物质碳化实验 采集 生物质的碳化实验在程序控制升温的管式电阻 2结果与分析 炉（型号为SK13-12,功率为12kW,最高温度为 1350℃，加热室尺寸为中120mm×250mm)中进行， 2.1生物质碳化过程 碳化实验示意图如图1所示.生物质碳化过程的影 生物质的碳化过程包括水分的失去、挥发分的 响因素较多，本文考虑碳化温度、保温时间和加热模 析出和纤维素、木质素的分解等，碳化后的残留物即 式这三个关键因素对碳化过程的影响.设定实验的 被认为是生物质焦。因此，生物质焦实际由碳、残留 碳化温度分别为300、400、500、600和700℃：设定 挥发分、灰分等组成，各成分所占比例由碳化程度决 实验的保温时间分别为30、60和90min;设定实验 定.图2为实验所用生物质原样在Ar气氛中的热 采用恒温加热（恒定炉温为碳化温度后再将试样放 重-差热曲线及生物质焦(700℃碳化，保温30min) 入)和室温加热（预先将试样放入加热炉，以设定的 的热重曲线. 升温速率将炉温从室温升至碳化温度)两种加热模 由生物质原样的热重一差热曲线可以看出，生 式.将废木料加工成80mm×30mm×20mm的块 物质的碳化过程大致可分为三个阶段：首先是生物 状，按照不同的加热模式将试样加热至碳化温度，保 质的干燥脱水阶段(50~110℃)，对应差热曲线上 温相应的时间后将反应管从加热炉内取出冷却.在 的第一个峰；其次是生物质的快速碳化阶段(230~ 生物质试样的碳化及冷却过程中用5L·min的高 500℃)，对应差热曲线上的第二个峰，该阶段主要 纯氮气对其进行保护 进行生物质中半纤维素、纤维素和木质素的快速热 1.2.2热重分析 解，并产生可燃气体和固体生物质焦等，生物质的失 利用差热天平对生物质进行热重分析(TG- 重速率大于0.10mg'min-,最大失重速率达2.19第 9 期 胡正文等: 炼铁用生物质焦的制备及其性能 木炭就是一种典型的生物质焦． 巴西在 2005 年仅 高炉喷吹用的木炭粉就超过 19 万 t，喷吹比达 100 ～ 150 kg·t －1 ; 2007 年巴西约 35%的铁水是由小于 300 m3 的小型木炭高炉( 使用生物质焦作为还原剂) 生产的， 每座平均年产量约 10 万 t ［5］． 日本的研究人员正尝试 通过使用配加生物质焦的炉料来实现高炉的低还原剂 操作，从而减少 CO2 排放［6--7］． 此外，研究人员还尝试 利用生物质辅助进行炼焦、烧结及高炉喷吹，甚至直接 将合格的生物质焦用作高炉炉料［8--11］等等，但有关的 深入研究还不多． 本文旨在通过实验室碳化实验及差 热--热重实验等，研究生物质焦的制备及其基础性能， 以促进生物质焦在炼铁工艺中的应用． 1 实验 1. 1 实验原料 实验选用木质生物质原料，取自某木材厂的废 木料( 白松) ，其成分分析见表 1． 其中，工业分析的 M、A、V 和 FC 分别表示试样的水分、灰分、挥发分和 固定碳的含量． 表 1 废木料的成分( 质量分数) Table 1 Composition of waste wood sample % 工业分析 元素分析 M A V FC C H O N S 4. 98 0. 45 78. 18 16. 39 48. 04 5. 60 39. 77 0. 37 0. 06 1. 2 实验设备及方案 1. 2. 1 生物质碳化实验 生物质的碳化实验在程序控制升温的管式电阻 炉( 型号为 SK13--12，功 率 为 12 kW，最 高 温 度 为 1 350 ℃，加热室尺寸为 120 mm × 250 mm) 中进行， 碳化实验示意图如图 1 所示． 生物质碳化过程的影 响因素较多，本文考虑碳化温度、保温时间和加热模 式这三个关键因素对碳化过程的影响． 设定实验的 碳化温度分别为 300、400、500、600 和 700 ℃ ; 设定 实验的保温时间分别为 30、60 和 90 min; 设定实验 采用恒温加热( 恒定炉温为碳化温度后再将试样放 入) 和室温加热( 预先将试样放入加热炉，以设定的 升温速率将炉温从室温升至碳化温度) 两种加热模 式． 将废木料加工成 80 mm × 30 mm × 20 mm 的块 状，按照不同的加热模式将试样加热至碳化温度，保 温相应的时间后将反应管从加热炉内取出冷却． 在 生物质试样的碳化及冷却过程中用 5 L·min － 1 的高 纯氮气对其进行保护． 1. 2. 2 热重分析 利用差热天平对生物质进行热重分析( TG-- 图 1 碳化实验示意图 Fig． 1 Schematic diagram of carbonization experiment DTG) 以研究生物质的碳化过程及所制得生物质焦 的燃烧性以及与 CO2 反应的气化反应性． 所用设备 为北京光学仪器厂生产的 WCT--2C 型微机差热天 平． 对试样进行研磨、筛分，控制其粒度为 0. 074 ～ 0. 15 mm，每次称取 16. 5 mg 试样进行热重实验，差 热天平的升温速率均控制为 15 ℃·min － 1 ，实验过程 仪器自动采集数据． 对于生物质的热重碳化实验， 升温过程通入氩气( 流量为 60 mL·min － 1 ) 进行保 护，至 1 100 ℃结束采集; 对于生物质焦的气化反应 性实验，待试样温度升至 900 ℃并稳定后，迅速将保 护性氩气切换成反应气体 CO2，气体流量仍维持 60 mL·min － 1 ，至 1 200 ℃ 结束采集; 对于燃烧性实验， 升温过程通入 60 mL·min － 1 的空气，至 900 ℃ 结束 采集． 2 结果与分析 2. 1 生物质碳化过程 生物质的碳化过程包括水分的失去、挥发分的 析出和纤维素、木质素的分解等，碳化后的残留物即 被认为是生物质焦． 因此，生物质焦实际由碳、残留 挥发分、灰分等组成，各成分所占比例由碳化程度决 定． 图 2 为实验所用生物质原样在 Ar 气氛中的热 重--差热曲线及生物质焦( 700 ℃ 碳化，保温 30 min) 的热重曲线． 由生物质原样的热重--差热曲线可以看出，生 物质的碳化过程大致可分为三个阶段: 首先是生物 质的干燥脱水阶段( 50 ～ 110 ℃ ) ，对应差热曲线上 的第一个峰; 其次是生物质的快速碳化阶段( 230 ～ 500 ℃ ) ，对应差热曲线上的第二个峰，该阶段主要 进行生物质中半纤维素、纤维素和木质素的快速热 解，并产生可燃气体和固体生物质焦等，生物质的失 重速率大于 0. 10 mg·min － 1 ，最大失重速率达 2. 19 ·999·