第7期 罗思义等：生物质合成气直接还原铁矿-生物质复合球团炼铁 ,857· 发展具有非常重要的战略意义 烧技术基础上，采用以生物质为热源的外热式生物 目前国内外所采用的非高炉炼铁技术无论是 质催化气化方法可在较低成本下制取富氢合成气， 直接还原法2-4还是熔融还原法6-6]，其发展的目 燃气中氢气体积分数可达50%以上间，为生物质直 的是为了不使用焦煤，而使用煤或天然气，能源结 接还原炼铁提供了十分适合且廉价的还原剂.在现 构并没有发生根本性的变化，仍然离不开化石能源， 有研究工作基础上，研究者提出一套全新且切实可 对环境污染依然存在，尤其是碳排放量没有得到根 行的炼铁方法.本文对生物质直接还原炼铁进行研 本改善.同时，它们的能源消耗量比高炉炼铁高，品 究，制备优质直接还原铁，并对影响生物质炼铁的 质离高炉炼铁还有相当的距离，其综合效益并没有 主要因素一球团预热温度、还原温度和球团粒 优势，研究与应用进展缓慢. 径进行探讨 为了摆脱当前炼铁工业对化石能源的依赖，从 1实验原料与方法 根本上解决炼铁工业清洁生产的技术问题，减少炼 铁生产过程中二氧化碳排放量，本研究将生物质能 1.1生物质直接还原炼铁 的开发利用与直接还原炼铁工艺相结合，提出了一 首先，将生物质、铁矿石粉、水与添加剂（黏 种基于生物质的绿色高效直接还原炼铁技术. 结剂和反应加速剂)混合制取生球团.对生球团进 该技术的实施需要满足两个前提条件：(1)为 行预热，生物质在球团预热过程中受热分解.一 铁刊矿旷的还原提供清洁、高品质的热源.传统的生 方面生成的挥发分在脱离球团表面过程中，扩大了 物质直接燃烧方式产生火焰的温度低、能源利用效 球团的比表面积和表面孔容积，有利于还原过程中 率低，无法作为直接还原炼铁所需热源.研究者前 传热和传质的进行，增加了还原反应速率和还原程 期研发的破碎系统可将生物质高效破碎成微米级粉 度：另一方面热解产生的H2、CO和焦炭在球团预 体可，运用粉尘燃烧的原理，可实现生物质的高效、 热过程中可与铁氧化物发生预还原反应.球团预热 高温燃烧，燃烧温度可达到1300℃以上阁，进而 后，采用碱液吸收法将生物质合成气中的二氧化碳 满足直接还原炼铁技术对外加热源的要求.(2)为 脱除后经干燥作为还原剂与预热球团进行直接还原 铁矿的还原提供低成本的还原剂.在生物质高温燃 反应.生物质直接还原炼铁技术路线如图1所示. 铁矿石粉 白云石 生物质粉 膨润士 水 混合制取生球团 大于16mm 筛分 小于8m四 废料 抗压强度 生球水分 合格生球 破裂温度 尾气监测 球团预热段 预热球团质量检测 生物质粉体 提供 直接还原段 外加热源 生物质粉体 高温燃烧 催化气化炉 提 碱液吸收 脱除CO 还 还原产品 剂 富含C0.H 磁选分离 还原性气体 化验监测 直接还原铁 非磁性物 图1 生物质直接还原炼铁技术路线 Fig.1 Flowchart of the direct reduction of iron ore using biomass syngas第 7 期 罗思义等：生物质合成气直接还原铁矿–生物质复合球团炼铁 857 ·· 发展具有非常重要的战略意义. 目前国内外所采用的非高炉炼铁技术无论是 直接还原法[2−4] 还是熔融还原法[5−6]，其发展的目 的是为了不使用焦煤，而使用煤或天然气，能源结 构并没有发生根本性的变化，仍然离不开化石能源， 对环境污染依然存在，尤其是碳排放量没有得到根 本改善. 同时，它们的能源消耗量比高炉炼铁高，品 质离高炉炼铁还有相当的距离，其综合效益并没有 优势，研究与应用进展缓慢. 为了摆脱当前炼铁工业对化石能源的依赖，从 根本上解决炼铁工业清洁生产的技术问题，减少炼 铁生产过程中二氧化碳排放量，本研究将生物质能 的开发利用与直接还原炼铁工艺相结合，提出了一 种基于生物质的绿色高效直接还原炼铁技术. 该技术的实施需要满足两个前提条件：(1) 为 铁矿的还原提供清洁、高品质的热源. 传统的生 物质直接燃烧方式产生火焰的温度低、能源利用效 率低，无法作为直接还原炼铁所需热源. 研究者前 期研发的破碎系统可将生物质高效破碎成微米级粉 体[7]，运用粉尘燃烧的原理，可实现生物质的高效、 高温燃烧，燃烧温度可达到 1300 ℃以上[8]，进而 满足直接还原炼铁技术对外加热源的要求. (2) 为 铁矿的还原提供低成本的还原剂. 在生物质高温燃 烧技术基础上，采用以生物质为热源的外热式生物 质催化气化方法可在较低成本下制取富氢合成气， 燃气中氢气体积分数可达 50%以上[9]，为生物质直 接还原炼铁提供了十分适合且廉价的还原剂. 在现 有研究工作基础上，研究者提出一套全新且切实可 行的炼铁方法. 本文对生物质直接还原炼铁进行研 究，制备优质直接还原铁，并对影响生物质炼铁的 主要因素 —— 球团预热温度、还原温度和球团粒 径进行探讨. 1 实验原料与方法 1.1 生物质直接还原炼铁 首先，将生物质、铁矿石粉、水与添加剂 (黏 结剂和反应加速剂) 混合制取生球团. 对生球团进 行预热，生物质在球团预热过程中受热分解. 一 方面生成的挥发分在脱离球团表面过程中，扩大了 球团的比表面积和表面孔容积，有利于还原过程中 传热和传质的进行，增加了还原反应速率和还原程 度；另一方面热解产生的 H2、CO 和焦炭在球团预 热过程中可与铁氧化物发生预还原反应. 球团预热 后，采用碱液吸收法将生物质合成气中的二氧化碳 脱除后经干燥作为还原剂与预热球团进行直接还原 反应. 生物质直接还原炼铁技术路线如图 1 所示. 图 1 生物质直接还原炼铁技术路线 Fig.1 Flowchart of the direct reduction of iron ore using biomass syngas