楊艷華 鄧 寅 凌清峰 秦躍林

(1.重慶科技學院，2.昆明理工大學)

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎產業(yè)。高爐煉鐵工序的節(jié)能降耗對整個鋼鐵產業(yè)意義重大，重點為余熱、余能、余壓的回收[1-6]。高爐渣是資源性與能源性兼具的二次資源，噸渣熱值約為58 kgce。在實現(xiàn)高爐渣高附加值利用的同時，高效回收其蘊含的巨大顯熱，對于減少資源消耗、提高能源利用率、推動鋼鐵工業(yè)綠色低碳發(fā)展具有重要意義。眾多學者為兼顧爐渣品質和余熱高效回收提供了各種新方法。基于此，文章提出將干法?；玫降母邷毓虘B(tài)顆粒作為熱載體，用做熱解玉米秸稈的熱源，重點研究了高爐渣與玉米秸稈摻混比、高爐渣溫度以及高爐渣粒徑對熱解產物的影響，為高爐渣余熱回收提供理論支撐。

1 實驗研究

采用粉碎機將已烘干的玉米秸稈制成粒徑為0.125 mm的實驗樣品，再放置于烘箱中在105 ℃下烘制6 h，玉米秸稈的工業(yè)分析見表1。高爐渣顆粒采用實驗室熔體高溫轉杯?；b置進行制備，調整轉速以獲得不同粒徑的高爐渣顆粒。

表1 玉米秸稈工業(yè)分析 %

利用自制的實驗裝置，以高爐渣為熱載體，進行熱解玉米秸稈實驗，研究高爐渣與玉米秸稈摻混比(2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1)、高爐渣粒徑(0～1、1～2、2～3、3～4、4～5 mm、)、高爐渣溫度(800、900、1 000、1 100 ℃)對熱解產物的影響。

采用武漢銳意自控生產的便攜綜合煙氣分析儀測定熱解氣中CO2、CO、CH4和H2含量。

2 結果分析與討論

通常生物質熱解產物主要為熱解氣、熱解油和熱解炭，熱解產物占比直接反映出熱解效果。高爐渣化學穩(wěn)定性良好，反應前后質量不變。實驗所用玉米秸稈經(jīng)過干燥，粒徑小，實驗用量較少，熱解油質量可忽略不計。所以，熱解固相產物總質量扣除高爐渣質量即為玉米秸稈熱解后殘渣的質量。因此，熱解炭產率ωc和熱解氣產率ωg可以通過公式 (1)和 (2)計算。

ωc=(Mt-Ms)/Mt×100%

(1)

ωg=1-ωc

(2)

式中：Mt為熱解固相產物總質量，g；Ms為高爐渣質量，g。

2.1 摻混比對熱解產物的影響

在高爐渣溫度為900 ℃、粒徑為1～2 mm的條件下，摻混比增加，供給熱解的熱量增大，熱解氣產率線性增加，熱解產物產率見表2。

表2 不同摻混比對熱解產物產率的影響

不同摻混比下，熱解氣各組分體積分數(shù)隨時間的變化曲線如圖1所示。CO、CO2、CH4和H2體積分數(shù)均先增大后減小，且各組分體積分數(shù)達到峰值的時間和大小也不同。各氣體成分體積分數(shù)的峰值比較：當摻混比為2∶1時，CO2>CO>H2>CH4；當摻混比為3∶1～6∶1時，CO>CO2>H2>CH4。同一摻混比下，CO、CO2體積分數(shù)增長速度較快。高爐渣余熱是熱解反應的唯一熱源，反應進行到8 min后余熱不足以維持熱解溫度，熱解氣僅在0～8 min內產生。

圖1 不同摻混比下，熱解氣各組分體積分數(shù)隨時間的變化

不同摻混比下，對熱解氣各組分產生曲線進行時間積分，獲得各組分的產量及占比見表3。隨著摻混比增大，CO、CH4和H2氣體產量逐漸增大，分別從17.86、0.73、1.92 L增至68.13、4.22、12.50 L；CO2氣體產量先減小后增加，最小為16.24 L，最大為60.00 L。摻混比為6∶1時，CO、CO2、CH4和H2氣體產量到達峰值，分別為68.13、60.00、4.22和12.50 L。因為高爐渣量增加不僅增加了熱解反應所需的熱量，而且高爐渣中含有CaO-MgO的絡合物能降低裂解反應的活化能，促使高分子烷烴和烯烴裂解。雖然隨著摻混比的增加各組分產量增加，但是可燃氣體的占比是不同的，當摻混比為4∶1時，CO、CH4和H2占比均達到最大值分別為50.24%、4.59%和10.79%，CO2占比僅為34.37%。

表3 不同摻混比下熱解氣各組分產量及占比

2.2 高爐渣溫度對熱解產物的影響

實際生產中，高爐熔渣排放溫度在1 500 ℃左右，離心粒化后的溫度最高為1 100 ℃?？紤]到玉米秸稈熱解的溫度要求，將高爐渣溫度設定為800～1 100 ℃。在摻混比為4∶1、高爐渣粒徑為1～2 mm的條件下，隨著高爐渣溫度升高，為熱解提供的熱量增加，熱解反應更充分，熱解氣產率線性增加，熱解產物產率見表4。

表4 不同高爐渣溫度對熱解產物產率的影響

不同高爐渣溫度下，對熱解氣各組分產生曲線進行時間積分，獲得各組分的產量及占比見表5。隨著高爐渣溫度升高，CO、CO2、CH4和H2氣體產量均有增加，玉米秸稈在800 ℃下熱解氣總量為11.65 L，在1 100 ℃下熱解氣總量為108.97 L，說明溫度越高熱解越充分。雖然熱解氣體產量均有增加，但氣體占比不同，當高爐渣溫度為900 ℃時熱解氣中可燃氣體之和(CO、CH4和H2)的占比達到最大，CO2的占比僅為34.37%。這是由于在高爐渣作用下，玉米秸稈熱解時還會發(fā)生氣體間的轉化反應，主要有碳的氣化反應、重整反應、烷烴和烯烴的裂解反應。其中裂解反應所需的溫度最低，重整反應次之，碳的氣化反應所需溫度最高。

表5 不同高爐渣溫度下熱解氣各組分產量及占比

2.3 高爐渣粒徑對熱解產物的影響

高爐渣粒徑大小不同，與玉米秸稈的接觸面積及傳熱方式不同。高爐渣溫度為900 ℃、摻混比為4∶1的條件下，隨著高爐渣粒徑增大，熱解氣產率先增加后減少，最大為51%，熱解氣產率見表6。

表6 不同高爐渣粒徑對熱解產物產率的影響

不同高爐渣粒徑下，熱解氣各組分產量和占比見表7。隨著高爐渣粒徑增大，CH4和H2氣體產量增加，CO和CO2氣體產量受高爐渣粒徑影響較大，特別是1～2、2～3 mm兩種粒徑下，氣體產量發(fā)生較大變化，主要是由于高爐渣粒徑變化后，玉米秸稈與高爐渣接觸面積及傳熱方式發(fā)生變化所致。高爐渣粒徑小，單個渣粒蓄熱面積小，散熱快，極容易降溫；高爐渣粒徑過大，則參與反應的高爐渣少，提供熱量不足，達不到熱解所需的溫度，因此粒徑過大、過小皆不利于玉米秸稈的熱解反應。

表7 不同高爐渣粒徑下熱解氣各組分產量及占比

3 結論

(1)在高爐渣溫度為900 ℃、粒徑為1～2 mm的條件下，當摻混比為6∶1時，熱解氣產率最大為56%，熱解氣中CO、CO2、CH4和H2氣體產量到達峰值，分別為68.13、60.00、4.22和12.50 L。

(2)在摻混比為4∶1、高爐渣粒徑為1～2 mm的條件下，當高爐渣溫度為1 100 ℃時，熱解氣產率最大為52%，熱解氣中CO、CO2、CH4和H2氣體產量到達峰值，分別為51.09 、41.40、2.55和13.93 L；

(3)在高爐渣溫度為900 ℃、摻混比為4∶1的條件下，當粒徑為2～3 mm時，熱解氣產率最大為51%，熱解氣中CO、CO2、CH4和H2氣體產量分別為57.67、52.04、2.81和9.27 L。