低碳背景下生物質(zhì)在冶金工業(yè)中的應(yīng)用與實(shí)踐

王振林

（中鋼設(shè)備有限公司低碳冶金與能源工程部， 北京 100080）

我國是農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生的水稻、小麥、玉米等秸稈資源每年約8 億t[1]。隨著農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程，很多傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素被工業(yè)生產(chǎn)要素所替代，使得秸稈資源大量過剩。秸稈如果不能及時降解，將會影響下一茬的耕種，因此農(nóng)民大多就地焚燒秸稈。但焚燒秸稈時會產(chǎn)生大量的的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害氣體及可吸入顆粒物，不僅危害人體健康，還嚴(yán)重影響了農(nóng)村和周邊城區(qū)的環(huán)境。因此，借鑒發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗(yàn)，除傳統(tǒng)的將秸稈粉碎還田作有機(jī)肥料、飼料外，還可將秸稈應(yīng)用于秸稈汽化、秸稈發(fā)電、秸稈乙醇、秸稈建材等新路子，大大提高了秸稈的利用值和利用率，值得我們借鑒[1-4]。

生物質(zhì)秸稈具有很好的燃燒性能，最簡單的應(yīng)用是燃燒放熱，廣泛用作農(nóng)村分散供熱、供暖、供能的新能源，成為調(diào)整農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的有效手段[5]。但由于秸稈比重輕，體積大，運(yùn)輸不方便，售價低，熱值低，燃燒后灰多，不易處理，并沒有提起工業(yè)企業(yè)和農(nóng)民的熱情。本文作者經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，利用生物質(zhì)秸稈成功開發(fā)出各種冶金輔料，可廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金企業(yè)，大大提高了生物質(zhì)秸稈的綜合利用效率，變廢為寶，降低綜合碳排放，對促進(jìn)農(nóng)民增收、環(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展都具有重大意義。

1 生物質(zhì)秸稈的處理

我國目前大多地區(qū)都實(shí)行工業(yè)化收割，一邊收割一邊打捆（如圖1 所示）。后續(xù)進(jìn)行工業(yè)化加工，首先通過機(jī)器將秸稈原料切碎，得到長度為20～100 mm的碎秸稈；碎秸稈進(jìn)入到青貯池進(jìn)行青貯發(fā)酵堆存處理，由于發(fā)酵熱能的聚集，青貯后的碎秸稈進(jìn)行自身干燥處理，得到含水量為9%～15%的碎秸稈；將干燥后的碎秸稈通過粉碎機(jī)進(jìn)行細(xì)粉碎，并通過風(fēng)送系統(tǒng)進(jìn)入料倉貯存，得到粒度為40～150 目的秸稈纖維；將秸稈纖維輸送至環(huán)模造粒機(jī)，采用環(huán)模和壓輥壓制成型，壓制過程中產(chǎn)生80～130 ℃的溫度可使物料熟化，得到密實(shí)的棒狀秸稈顆粒，直徑為8～10 mm，長度為20～50 mm；壓制后的秸稈顆粒進(jìn)入冷卻機(jī)，通過風(fēng)冷降溫至室溫，得到表面光滑成型顆粒（如圖2所示）。

圖1 打捆秸稈

圖2 成型顆粒

經(jīng)過對成型顆粒進(jìn)行檢測，結(jié)果如表1。

表1 成型顆粒相關(guān)檢測結(jié)果

熱值根據(jù)秸稈的種類不同而不同，以玉米秸稈為例：熱值約為煤的0.7～0.8 倍，即1.25 t 的玉米秸稈成型燃料塊相當(dāng)于1t 煤的熱值。生物質(zhì)秸稈還可以進(jìn)一步碳化處理，制成生物質(zhì)煤，作為一種高效、可再生、環(huán)保的生物質(zhì)燃料，可用于各種燃燒機(jī)、生物質(zhì)鍋爐、熔解爐、生物質(zhì)發(fā)電等。

2 在冶金輔料中的應(yīng)用探索

根據(jù)鋼鐵工業(yè)碳排放達(dá)峰及降碳的專項(xiàng)行動方案，所有短流程電爐煉鋼企業(yè)要全面達(dá)到超低排放要求，充分發(fā)揮大宗社會廢棄物的消納處理和再資源化功能。

經(jīng)研究與實(shí)踐，生物質(zhì)秸稈在鋼鐵工業(yè)中的使用，不但能充分利用其熱能，還能將其燃燒后殘留的灰分（俗稱草木灰）進(jìn)一步制作成各類冶金輔料進(jìn)行再次利用，延長了碳資源的應(yīng)用路徑。下頁圖3 是生物質(zhì)秸稈在冶金工業(yè)的應(yīng)用示例圖。

圖3 生物質(zhì)秸稈在冶金工業(yè)的應(yīng)用示例圖

2.1 制作冶金保溫劑

針對冶金熔煉和澆鑄過程的保溫情況進(jìn)行分析。目前國內(nèi)外均采用酸性材質(zhì)的礦物原料生產(chǎn)保溫劑或酸性的碳化稻殼，這些產(chǎn)品具有保溫效果，但均有不同程度的缺陷，保溫不良、浪費(fèi)資源、鋼水增碳、不利于鋼水潔凈等[6-7]。借鑒食品行業(yè)的加工工藝，將各類生物質(zhì)灰做基料，通過實(shí)驗(yàn)選配試制，添加適量的添加劑制成一種優(yōu)質(zhì)微碳堿性顆粒煉鋼保溫劑。制作加工工藝步驟如下：

1）將所需原料粉碎研磨；

2）將所需原料碳化秸稈60%～70%、石灰30%～40%、黏結(jié)劑CMC 0.5%按比例混合均勻，見表2；

表2 新型顆粒保溫劑原料配比

3）將混合均勻的物料加入造粒設(shè)備；

4）通過造粒設(shè)備將物料壓成條狀或圓柱狀物料，見圖4；

圖4 造粒后

5）將塊狀料導(dǎo)入破碎機(jī)粉碎，經(jīng)過振動篩篩分成所需粒度的成品，見圖5。經(jīng)過對成品的成分進(jìn)行檢測，理化性能指標(biāo)如表3。

圖5 成品

表3 保溫劑成品顆粒理化性能指標(biāo)

從表2 可見，秸稈灰和石灰的使用能夠保證保溫覆蓋劑的堿度，有利于凈化鋼水；碳含量低，不會造成鋼水增碳；同時，碳含量低并不影響覆蓋劑的保溫效果，這是由于一方面碳化秸稈多孔、蜂窩狀的微觀結(jié)構(gòu)可以有效減少熱導(dǎo)率，起到良好的保溫絕熱效果[6-7]；另一方面，碳化秸稈中灰分的熔點(diǎn)超過鋼水溫度，起到了碳骨架作用；此外，碳化秸稈安息角小于35°，具有較好的流動性和鋪展性，可以迅速在鋼水表面鋪展，減少熱量損失。經(jīng)在北方某聯(lián)合特鋼企業(yè)大中包探索性試用后，溫降、鋪展、吸附夾雜能力等方面完全滿足現(xiàn)場要求。

2.2 制作電爐泡沫渣

生物質(zhì)秸稈在炭化過程中釋放的能量可用來進(jìn)行顆粒烘干，產(chǎn)生的碳化生物炭再經(jīng)過加工，制成0.5～3.0 mm 的顆粒，見圖6，可作為添加劑加入到碳粉中，用作短流程電爐煉鋼的泡沫渣，起到埋弧、供熱、節(jié)能、保護(hù)電極、避免鋼水裸露氧化的作用。實(shí)驗(yàn)表明，碳化秸稈可添加到總量的1/3。純廢鋼的電爐冶煉，噸鋼用量可以達(dá)到2～6 kg，由于其殘余的灰分只有總量的5%～15%，且呈堿性，可以確保鋼水潔凈，不增加石灰的消耗。

圖6 碳化生物質(zhì)

2.3 制作模鑄保護(hù)渣

對于部分鋼種、鑄件，模鑄依然是最佳的選擇。模鑄保護(hù)渣之前采用電廠灰、蛭石、漂珠、石墨、酸化石墨等添加一定的螢石和碳酸鈉研磨而成。借鑒此方案，我們開始采用秸稈灰研制鑄造用保護(hù)渣，主要使用純堿、碳化秸稈（100 目細(xì)粉）、螢石三種料進(jìn)行配置，其測試結(jié)果見表4。

表4 鑄造保護(hù)渣化學(xué)成分及物理性質(zhì)

研磨后的成品在山西、內(nèi)蒙、浙江等地的不銹鋼、車軸鋼、高錳鋼、低碳合金鋼的鑄造中使用中表明，避免分熔、消除粘模、避免增碳、冒口保溫均達(dá)到工藝使用要求，只要根據(jù)錠模大小、澆鑄速度、澆鑄溫度等改變配比結(jié)構(gòu)，變換不同的配方，均能達(dá)到模鑄工藝要求。錠尾、錠身、冒口光滑整潔，無夾雜麻點(diǎn)，成渣速度匹配，渣衣厚薄均勻，脫模后渣衣即自動剝落。通過現(xiàn)場跟蹤試驗(yàn)，產(chǎn)品性能達(dá)到用戶使用要求，完全可以替代其現(xiàn)有的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)過程及效果如下頁圖7。

圖7 實(shí)驗(yàn)過程及效果

2.4 制作連鑄保護(hù)渣

連鑄保護(hù)渣是上世紀(jì)發(fā)展起來的技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品，盡管單耗量不足0.5 kg/t 鋼，對連鑄比的提升，鋼的成材率起到重要的促進(jìn)作用。連鑄保護(hù)渣經(jīng)歷了粉料、實(shí)心、空心、燒結(jié)、預(yù)熔等階段與形態(tài)，或者其組合，具有潤滑、保溫、防氧化基本功能。而將生物質(zhì)秸稈灰作為連鑄保護(hù)渣的基料具有天然的特質(zhì)：秸稈灰比重輕，微觀結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)狀，保溫效果其他礦物原料無法比擬；含有較高的堿性氧化物，熔點(diǎn)較低，不用添加太多的助熔劑就可以調(diào)到需要的熔化溫度；物料的疏松的結(jié)構(gòu)致使熔化過程中小液滴組合變慢，因此不需要添加太多的C質(zhì)材料，就能確保熔渣的熔化模型結(jié)構(gòu)，避免對碳敏感鋼的增碳；物料本身就是CaO-SiO2-Al2O3為基礎(chǔ)的三元結(jié)構(gòu)，配方設(shè)計變得容易。

作者經(jīng)過不間斷的調(diào)試檢測試用，采用以60%左右的生物質(zhì)秸稈灰為基料，添加10%～20%的堿性氧化物，配加20%左右的黏度調(diào)節(jié)劑，以及適量的半補(bǔ)強(qiáng)炭黑和中超炭黑，經(jīng)過研磨，制得-300 目的粉料，制漿后經(jīng)噴霧造粒做成如表5 成分的保護(hù)渣，性能曲線見圖8。

表5 保護(hù)渣成分及性能指標(biāo)

圖8 保護(hù)渣溫度黏度曲線

成品連鑄保護(hù)渣經(jīng)內(nèi)蒙某不銹鋼企業(yè)連續(xù)100 t的試用，鑄坯表面質(zhì)量與采用非秸稈灰的保護(hù)渣相當(dāng)，修磨率、成材率無明顯差異。在連鑄澆鑄過程中，結(jié)晶器內(nèi)液面狀況穩(wěn)定，無結(jié)團(tuán)、渣條現(xiàn)象，渣面活躍；結(jié)晶器熱流密度曲線平滑，結(jié)晶器熱像圖、摩擦力曲線穩(wěn)定；鑄坯振痕規(guī)整，鑄坯表面平整，見圖9。

圖9 鑄坯表面質(zhì)量

3 生物質(zhì)秸稈的應(yīng)用前景

2021 年是“十四五”的開局之年，國家發(fā)改環(huán)資〔2021〕381 號文《大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》指明方向和要求，強(qiáng)調(diào)完善生物質(zhì)能等發(fā)展扶持政策，大力推進(jìn)秸稈綜合利用，推動秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效。在農(nóng)用優(yōu)先的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大秸稈清潔能源利用規(guī)模，鼓勵利用秸稈等生物質(zhì)能供熱供氣供暖，優(yōu)化農(nóng)村用能結(jié)構(gòu)，推進(jìn)生物質(zhì)天然氣在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。不斷拓寬秸稈原料化利用途徑，鼓勵利用秸稈生產(chǎn)環(huán)保板材、炭基產(chǎn)品、聚乳酸、紙漿等，推動秸稈資源轉(zhuǎn)化為高附加值的綠色產(chǎn)品。建立健全秸稈收儲運(yùn)體系，開展專業(yè)化、精細(xì)化的運(yùn)管服務(wù)，打通秸稈產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“最初一公里”。因此，生物質(zhì)秸稈的綜合利用開發(fā)具有廣闊的前景。

我國目前粗鋼產(chǎn)量每年10 億t，大中包保溫劑、保護(hù)渣工序總計消耗量按每噸鋼1.5 kg 計算，一年將消耗掉150 萬t 的生物質(zhì)秸稈灰制成品，將消納1 500 萬t 的生物質(zhì)秸稈。秸稈灰平均按2 500 元/t 計算，將創(chuàng)造37.5 億元的直接產(chǎn)值，這其中還不包括節(jié)約的碳交易費(fèi)用，節(jié)省的120 萬t 標(biāo)煤費(fèi)用，礦物使用費(fèi)等。生物質(zhì)在燃燒的過程中所發(fā)的電能價值未計入。在碳達(dá)峰、碳中和的行動中成為發(fā)展的利器，對推動產(chǎn)業(yè)循環(huán)，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)聯(lián)動，生態(tài)布局起到紐帶促進(jìn)不可或缺的作用，不僅促進(jìn)了冶金工業(yè)中的發(fā)展，而且對推進(jìn)固廢資源利用、鋼化聯(lián)產(chǎn)、區(qū)域能源整合、構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈具有重大意義。

4 結(jié)語

秸稈是地球上十分寶貴的可再生碳資源，利用生物質(zhì)秸稈制造冶金輔料，從技術(shù)上可滿足工藝生產(chǎn)要求，在環(huán)境保護(hù)、資源利用等方面具有特殊優(yōu)勢，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益，極具開發(fā)潛力。