·1002· 北京科技大学学报 第34卷 可以看出：尽管生物质经碳化后灰分含量有所 如图5所示. 上升，但生物质焦的灰分含量与煤炭相比仍非常低； 100 生物质经碳化后其固定碳含量大大提高，甚至超过 无烟煤：生物质焦的水分含量与烟煤相近，挥发分含 80 量比烟煤低：生物质焦的N、S含量远远低于各种 60 煤，C含量比煤高：经碳化后生物质的氧元素含量大 大降低，接近于烟煤的水平，氢元素含量在烟煤和无 ·。生物质 。-生：物质焦 烟煤之间：生物质原样的碳氧原子比约为1.6，CT一 ·一烟煤 ·尤烟煤 500-30碳化生物质焦的碳氧原子比提高到12.2. 200 300400500600700800 此外，对试样的热值进行了检测，生物质原样的高位 温度℃ 热值仅为18.37M·kg1,而CT-500-30生物质焦 图5。生物质及对比煤样的燃烧性 Fig.5 Combustibility of biomass and comparative coal samples 的热值达到31.48M·kg,提高了70%以上.因 此，生物质在碳化后多种成分组成得到优化，热值大 由图5可以看出：生物质原样（粉末）由于含有 大提高，具有替代炼铁用煤炭资源的潜力. 大量挥发分，燃烧性最好，在250℃左右即可燃烧， 炼铁工艺对于原料碱金属的含量有一定要求， 且转化率迅速上升，至405℃便燃烧完全：生物质焦 对生物质焦试样中的碱金属(K和Na)含量分析结 粉燃烧温度约为350℃，之后其转化率基本呈线性 果见表3. 上升，与生物质原样相比生物质焦的α上升略慢， 表3各试样的碱金属含量 至570℃转化率达到100%；两种对比煤粉试样的燃 Table 3 Alkali metal contents of samples 点明显高于生物质试样，其中无烟煤的燃点最高 试样名称 碳化温度/℃ (K+Na)质量分数/% (约500℃)，两种煤样的燃尽温度分别为670℃和 400 0.027 770℃.总之，生物质及生物质焦的转化率大大高于 500 0.025 同一温度条件下煤样的转化率，且生物质（焦）燃点 生物质焦 600 0.026 和完全转化温度均较低，即生物质（焦）的燃烧较 700 0.027 快，燃烧性优于煤样.尽管生物质原样燃烧性最好， 生物质原样 0.498 但其可磨性很差，制粉成本非常高，故生物质焦更适 神木煤 0.130 合于工业应用 阳泉煤 0.197 2.3.4气化反应性 炼铁过程中碳素会与C0,气体反应生成还原 由表3可知，生物质原样中的碱金属含量很高， 性气体C0,如高炉内焦炭的熔损反应，而利用高反 约为煤炭碱金属含量的3倍，而400~700℃碳化得 应性还原剂可以替代部分焦炭的熔损反应，从而降 到的生物质焦的碱金属含量大大降低.且在400~ 低炼铁焦比.因此，需要对生物质焦与CO,反应的 700℃的温度范围内，碳化温度的变化对生物质焦 气化反应性进行研究.以不同条件下的碳转化率 中碱金属含量影响较小.主要原因是由于生物质中 Xc来评价试样的气化反应性，其计算方法为 的有机碱金属受热易分解，并随着挥发分一起析出. Xc=(mo-m）/(mo-mx）. (2) 与煤相比，生物质焦中的碱金属含量很低，这为其在 式中，m为通入反应气体C02之前生物质焦的质量 高炉中的应用创造了一定的条件 (基本无挥发分，可以认为是由固定碳及灰分组 2.3.3燃烧性能 成)，m,为温度T时刻试样的质量，m为气化反应 若将生物质焦用于燃烧供热或用作高炉辅助喷 结束后残余的试样量（灰分含量）.通过各试样气化 吹燃料，必须对其燃烧性能进行研究.通过试样的 反应的热重曲线计算出不同温度T时刻的X值，进 失重转化率（燃烧率）α来分析各试样的燃烧性能. 而对试样的反应性进行分析. a的计算方法为 (1)碳化温度对生物质焦反应性的影响.图6 a=(wo-wr）/(w0-w）. (1) 是室温和恒温加热碳化生物质焦（碳化保温时间均 式中，为反应前试样的质量，ωr为温度T时刻试 为30min)与C02反应(900~1100℃)的碳转化率 样的质量，w为反应结束时试样的质量.通过各试 曲线.在气化温度900~950℃时，由于是刚切断保 样的热重曲线计算出不同温度T时刻的α值，结果 护性气体并通入反应性气体，导致热重曲线发生一北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 可以看出: 尽管生物质经碳化后灰分含量有所 上升，但生物质焦的灰分含量与煤炭相比仍非常低; 生物质经碳化后其固定碳含量大大提高，甚至超过 无烟煤; 生物质焦的水分含量与烟煤相近，挥发分含 量比烟煤低; 生物质焦的 N、S 含量远远低于各种 煤，C 含量比煤高; 经碳化后生物质的氧元素含量大 大降低，接近于烟煤的水平，氢元素含量在烟煤和无 烟煤之间; 生物质原样的碳氧原子比约为 1. 6，CT-- 500--30 碳化生物质焦的碳氧原子比提高到 12. 2． 此外，对试样的热值进行了检测，生物质原样的高位 热值仅为 18. 37 MJ·kg － 1 ，而 CT--500--30 生物质焦 的热值达到 31. 48 MJ·kg － 1 ，提高了 70% 以上． 因 此，生物质在碳化后多种成分组成得到优化，热值大 大提高，具有替代炼铁用煤炭资源的潜力． 炼铁工艺对于原料碱金属的含量有一定要求， 对生物质焦试样中的碱金属( K 和 Na) 含量分析结 果见表 3． 表 3 各试样的碱金属含量 Table 3 Alkali metal contents of samples 试样名称 碳化温度/℃ ( K + Na) 质量分数/% 400 0. 027 生物质焦 500 0. 025 600 0. 026 700 0. 027 生物质原样 — 0. 498 神木煤 — 0. 130 阳泉煤 — 0. 197 由表 3 可知，生物质原样中的碱金属含量很高， 约为煤炭碱金属含量的 3 倍，而 400 ～ 700 ℃ 碳化得 到的生物质焦的碱金属含量大大降低． 且在 400 ～ 700 ℃的温度范围内，碳化温度的变化对生物质焦 中碱金属含量影响较小． 主要原因是由于生物质中 的有机碱金属受热易分解，并随着挥发分一起析出． 与煤相比，生物质焦中的碱金属含量很低，这为其在 高炉中的应用创造了一定的条件． 2. 3. 3 燃烧性能 若将生物质焦用于燃烧供热或用作高炉辅助喷 吹燃料，必须对其燃烧性能进行研究． 通过试样的 失重转化率( 燃烧率) α 来分析各试样的燃烧性能． α 的计算方法为 α = ( ω0 － ωT ) /( ω0 － ω∞ ) ． ( 1) 式中，ω0为反应前试样的质量，ωT为温度 T 时刻试 样的质量，ω∞ 为反应结束时试样的质量． 通过各试 样的热重曲线计算出不同温度 T 时刻的 α 值，结果 如图 5 所示． 图 5 生物质及对比煤样的燃烧性 Fig． 5 Combustibility of biomass and comparative coal samples 由图 5 可以看出: 生物质原样( 粉末) 由于含有 大量挥发分，燃烧性最好，在 250 ℃ 左右即可燃烧， 且转化率迅速上升，至 405 ℃便燃烧完全; 生物质焦 粉燃烧温度约为 350 ℃，之后其转化率基本呈线性 上升，与生物质原样相比生物质焦的 α 上升略慢， 至 570 ℃转化率达到 100% ; 两种对比煤粉试样的燃 点明显高于生物质试样，其中无烟煤的燃点最高 ( 约 500 ℃ ) ，两种煤样的燃尽温度分别为 670 ℃ 和 770 ℃ ． 总之，生物质及生物质焦的转化率大大高于 同一温度条件下煤样的转化率，且生物质( 焦) 燃点 和完全转化温度均较低，即生物质( 焦) 的燃烧较 快，燃烧性优于煤样． 尽管生物质原样燃烧性最好， 但其可磨性很差，制粉成本非常高，故生物质焦更适 合于工业应用． 2. 3. 4 气化反应性 炼铁过程中碳素会与 CO2 气体反应生成还原 性气体 CO，如高炉内焦炭的熔损反应，而利用高反 应性还原剂可以替代部分焦炭的熔损反应，从而降 低炼铁焦比． 因此，需要对生物质焦与 CO2 反应的 气化反应性进行研究． 以不同条件下的碳转化率 XC来评价试样的气化反应性，其计算方法为 XC = ( m0 － mT ) /( m0 － m∞ ) ． ( 2) 式中，m0为通入反应气体 CO2 之前生物质焦的质量 ( 基本无 挥 发 分，可以认为是由固定碳及灰分组 成) ，mT为温度 T 时刻试样的质量，m∞ 为气化反应 结束后残余的试样量( 灰分含量) ． 通过各试样气化 反应的热重曲线计算出不同温度 T 时刻的 XC值，进 而对试样的反应性进行分析． ( 1) 碳化温度对生物质焦反应性的影响． 图 6 是室温和恒温加热碳化生物质焦( 碳化保温时间均 为 30 min) 与 CO2 反应( 900 ～ 1 100 ℃ ) 的碳转化率 曲线． 在气化温度 900 ～ 950 ℃ 时，由于是刚切断保 护性气体并通入反应性气体，导致热重曲线发生一 ·1002·