礦熱爐用生物質炭研究

華志宇，楊春旺，陳 旭，江智華

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.龍佰武定鈦業(yè)有限公司，云南 楚雄 650100；3.昆明華潤燃氣有限公司，云南 昆明 650217；4.四川龍蟒礦冶有限責任公司，四川 攀枝花 617100)

0 引 言

有色冶金行業(yè)燃料替代，是有色冶金企業(yè)實現(xiàn)碳中和的關鍵路徑之一。鑒于有色金屬種類繁多，冶煉工藝復雜，在有色冶金歷史上，炭質還原劑擔當了重要角色。是否可以使用除碳質還原劑以外，例如氫還原劑，進行銅、鉛、鋅、錫、錳、鈦、鎳等金屬的冶煉生產，還有待于研究。但使用可再生能源生產的綠碳，即生物質炭，已經(jīng)納入了有色冶金行業(yè)的視線當中，并且已經(jīng)開始逐步進行試驗研究。

2009年，上海寶鋼建成COREX冶金爐1座，用于海綿鐵生產，使用甘蔗糖作為還原劑。日本早在十余年前，已經(jīng)開始進行海上風電制氫，用于鋼鐵冶煉。云南保山永昌硅業(yè)使用40 %的木片配以石油焦、褐煤進行工業(yè)硅冶煉，獲得良好的產品質量和產量。

1 礦熱爐還原劑要求

礦熱爐傳統(tǒng)還原劑主要使用焦炭、石油焦、無煙煤等，可使用1種或幾種還原劑同時使用。目前使用最多的還原劑為冶金焦。

冶金焦作為還原劑，主要指標為固定碳、灰分、揮發(fā)分、水分。其中，關鍵指標是固定碳成分。固定碳含量越高，所帶入的灰分越少，產品質量也就越高。一般要求固定碳75 %～85 %，灰分<5 %，揮發(fā)分7 %～10 %。

冶金焦的灰分組成，主要是氧化鋁、氧化鈣、氧化硅等，對不同的冶煉產品，對灰分要求不同，比如，高鈦渣要求冶金焦中的氧化鈣、氧化鎂含量越低越好。

工業(yè)硅冶煉溫度一般<1 400 ℃，并且，冶煉過程非常容易形成氧化硅，故此，對炭質還原劑的要求不高，可以使用未經(jīng)碳化的木片與石油焦、焦煤混合后入爐。

冶金焦的揮發(fā)分在礦熱爐高溫冶煉時，迅速揮發(fā)逃逸，導致焦炭迅速粉化，爐內透氣率下降，故此，要求冶金焦達到指定的焦化程度，具有一定的強度。

礦熱電爐對炭質還原劑的比電阻要求最高，比電阻越高，爐內冶煉溫度越高。通過檢測，現(xiàn)有使用木材生產的木炭比電阻高于冶金焦。

冶金焦在生產過程當中，會形成大量氣孔，也會增大冶金焦的比電阻。

冶金焦在焦化過程，會有石墨化發(fā)生，導致比電阻降低，電導率升高，同時因石墨穩(wěn)定性好，導致冶金焦和二氧化碳形成一氧化碳的反應能力下降。

國內唯一1座由DEMAKE公司引進的陽極爐底直流礦熱爐，一直使用固定碳含量為>85 %的無煙煤作為還原劑，生產高鈦渣，產品質量優(yōu)異。

綜合以上，作為優(yōu)質的礦熱爐還原劑指標：固定碳>82 %，比電阻>1 500 Ω·cm，化學活性>70 %(1 100 ℃)，顆粒度15～35 mm，轉鼓強度M10<7 %。

2 生物質碳原材料

我國農田廢棄秸稈體量巨大，每年有近60億噸水稻、小麥、玉米、棉花、甘蔗渣等農作物的秸稈產出，利用率不足10 %。

經(jīng)過對幾個主要地區(qū)的水稻、小麥、玉米、棉花、甘蔗渣的成分檢測和產品試驗認為，水稻、小麥秸稈灰分過大，生產出的生物質炭不適合作為礦熱爐還原劑；玉米秸稈炭的灰分和固定碳質量分數(shù)分別為13.01 %、73.47 %，比表面積為158 m2/kg，具有良好的比電阻和活性；甘蔗渣秸稈炭的灰分和固定碳質量分數(shù)分別為9.87 %、81.12 %，質量優(yōu)于玉米秸稈碳；核桃殼碳固定碳質量分數(shù)達到86.22 %，灰分11.74 %，質量最佳。

生物質炭在碳化過程，因秸稈內的揮發(fā)分大量逸出，故此形成大量氣孔結構，故生物質炭的比表面積都較焦煤為大，故比電阻和活性要求都符合礦熱爐還原劑的要求。掃描電鏡下生物質炭的結構形狀見圖1。

圖1 掃描電鏡下生物質炭的結構形狀Fig.1 Biochar structure under a scanning electron microscope

幾種農作物秸稈和木片的成分見表1，生物質炭分析數(shù)據(jù)見表2。

表1 幾種農作物秸稈和木片成分表Tab.1 Ingredients of straw and wood pieces from crops

表2 生物質炭分析數(shù)據(jù)表Tab.2 Analyzing data of biochar

3 生物質炭生產工藝

生物質炭生產工藝很多，主要有直接碳化法、物理碳化法、化學碳化法、物理-化學碳化法、微波加熱碳化法等。其中直接碳化法因生產效率高、成本低廉、可滿足大多場景的使用需求，故應用最多。

直接碳化法分為2類：干餾法和缺氧氣化碳化法。干餾法的生物質炭產品優(yōu)于缺氧氣化碳化法，同時，得到的燃氣熱值也高于缺氧氣化碳化法。

直接碳化法使用的爐型主要有4大類：固定爐體、循環(huán)流化床爐體、旋芯推進爐體、回轉爐體。

固定床爐體最為簡單，間斷進出料，可將秸稈保留原形狀碳化，缺點是產量低，生物質炭密度與強度低，適用于小型生物質炭加工工廠，產品適用于污水、廢氣排放處理，或秸稈碳化歸田。

循環(huán)流化床碳-氣聯(lián)產爐在將秸稈粉碎至一定的顆粒度后，連續(xù)進出料，產量大，可實現(xiàn)自動化生產，適用于以生產生物質氣為主的氣化工廠，缺點是因缺氧氣化裂解，生物質氣熱值在1 350～1 850 kcal/Nm3；生產的生物質炭以碳粉為主，需要二次成型，產品適用于日用生活，及需要使用碳粉的生產企業(yè)。循環(huán)流化床碳-氣聯(lián)產爐流程示意圖，見圖2。

圖2 循環(huán)流化床碳-氣聯(lián)產爐流程示意圖Fig.2 Flowchart of circulating fluidized bed carbon-gas furnace

臥式旋芯炭-氣聯(lián)產爐爐體為臥式圓筒狀，雙層套筒結構。內筒為生物質干餾熱解炭化室，中心設有螺旋推絞軸，雙層夾套外壁內側敷設保溫絕熱材料，空間為煙氣加熱套。炭化爐不同于常規(guī)回轉窯，其爐體固定不旋轉。生物質原料從爐體頭部上方進入，在螺旋推絞軸的作用下進行翻轉攪拌并緩慢向尾部推進，在煙氣加熱套的間接加熱作用下，從前到后完成干燥、烘焙、干餾的熱解過程，產生的生物基炭從爐體尾部排出，進入密閉儲炭箱。副產的生物燃氣從儲炭箱上部引出。臥式旋芯炭化爐生產工藝流程見圖3。

圖3 臥式旋芯炭化爐生產工藝流程圖Fig.3 Production process flowchart of horizontal rotary core charring furnace

臥式旋芯炭-氣聯(lián)產爐的優(yōu)點是連續(xù)進出料，生物質炭質量水平高，生物質氣熱值高；缺點是目前單機產量小，生物質原料用量1.5 t/h，生物質炭產量～0.5 t/h。

回轉窯式炭-氣聯(lián)產爐產量大于臥式旋芯炭化爐，目前單機原材料用量可以達到5 t/h以上，解決了回轉窯全密封的難題。回轉窯式炭化爐生產工藝流程見圖4。

4 主要副產品

生物質炭在干餾法生產過程當中，每噸生物質原材料會副產300～360 Nm3生物質燃氣、250～300 kg木醋液、50～60 kg木焦油。

其中，副產的生物質燃氣熱值在3 500～4 700 kcal/Nm3，可運用于民用與工業(yè)燃料、氫氣制取、合成天然氣。

圖4 回轉窯式炭化爐生產工藝流程圖Fig.4 Production process flowchart of rotary-kiln charring furnace

副產的木醋液是綠色肥料和農藥，可廣泛運用于農田土壤修復、農作物種植當中。

木焦油也是一種防腐材料，可運用于木材加工當中；同時，木焦油也是一種重要的化工原料；當然，木焦油也可以作為燃料使用，或2次裂解生產燃氣。

5 結 語

利用我國豐富的生物質原材料生產生物質炭替代部分燃煤，目前在技術研究、設備水平方面，已經(jīng)有了應用基礎。當然，針對不同的礦熱爐生產工藝，使用生物質炭作為還原劑還需要大量研究和總結，確定適用各種礦熱爐生產工藝的生物質炭的技術標準，同時對碳氣聯(lián)產爐的生產工藝進行調整。