低碳背景下生物質在冶金工業中的應用與實踐

王振林

（中鋼設備有限公司低碳冶金與能源工程部， 北京 100080）

我國是農業大國，每年產生的水稻、小麥、玉米等秸稈資源每年約8 億t[1]。隨著農業的現代化進程，很多傳統的農業生產要素被工業生產要素所替代，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，因此農民大多就地焚燒秸稈。但焚燒秸稈時會產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，還嚴重影響了農村和周邊城區的環境。因此，借鑒發達國家經驗，除傳統的將秸稈粉碎還田作有機肥料、飼料外，還可將秸稈應用于秸稈汽化、秸稈發電、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]。

生物質秸稈具有很好的燃燒性能，最簡單的應用是燃燒放熱，廣泛用作農村分散供熱、供暖、供能的新能源，成為調整農村能源結構的有效手段[5]。但由于秸稈比重輕，體積大，運輸不方便，售價低，熱值低，燃燒后灰多，不易處理，并沒有提起工業企業和農民的熱情。本文作者經過多年的研究和實踐，利用生物質秸稈成功開發出各種冶金輔料，可廣泛應用于鋼鐵冶金企業，大大提高了生物質秸稈的綜合利用效率，變廢為寶，降低綜合碳排放，對促進農民增收、環境保護、資源節約以及農業經濟可持續發展都具有重大意義。

1 生物質秸稈的處理

我國目前大多地區都實行工業化收割，一邊收割一邊打捆（如圖1 所示）。后續進行工業化加工，首先通過機器將秸稈原料切碎，得到長度為20～100 mm的碎秸稈；碎秸稈進入到青貯池進行青貯發酵堆存處理，由于發酵熱能的聚集，青貯后的碎秸稈進行自身干燥處理，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進行細粉碎，并通過風送系統進入料倉貯存，得到粒度為40～150 目的秸稈纖維；將秸稈纖維輸送至環模造粒機，采用環模和壓輥壓制成型，壓制過程中產生80～130 ℃的溫度可使物料熟化，得到密實的棒狀秸稈顆粒，直徑為8～10 mm，長度為20～50 mm；壓制后的秸稈顆粒進入冷卻機，通過風冷降溫至室溫，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

經過對成型顆粒進行檢測，結果如表1。

表1 成型顆粒相關檢測結果

熱值根據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于1t 煤的熱值。生物質秸稈還可以進一步碳化處理，制成生物質煤，作為一種高效、可再生、環保的生物質燃料，可用于各種燃燒機、生物質鍋爐、熔解爐、生物質發電等。

2 在冶金輔料中的應用探索

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

經研究與實踐，生物質秸稈在鋼鐵工業中的使用，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）進一步制作成各類冶金輔料進行再次利用，延長了碳資源的應用路徑。下頁圖3 是生物質秸稈在冶金工業的應用示例圖。

圖3 生物質秸稈在冶金工業的應用示例圖

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行分析。目前國內外均采用酸性材質的礦物原料生產保溫劑或酸性的碳化稻殼，這些產品具有保溫效果，但均有不同程度的缺陷，保溫不良、浪費資源、鋼水增碳、不利于鋼水潔凈等[6-7]。借鑒食品行業的加工工藝，將各類生物質灰做基料，通過實驗選配試制，添加適量的添加劑制成一種優質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備；

4）通過造粒設備將物料壓成條狀或圓柱狀物料，見圖4；

圖4 造粒后

5）將塊狀料導入破碎機粉碎，經過振動篩篩分成所需粒度的成品，見圖5。經過對成品的成分進行檢測，理化性能指標如表3。

圖5 成品

表3 保溫劑成品顆粒理化性能指標

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、蜂窩狀的微觀結構可以有效減少熱導率，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。經在北方某聯合特鋼企業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場要求。

2.2 制作電爐泡沫渣

生物質秸稈在炭化過程中釋放的能量可用來進行顆粒烘干，產生的碳化生物炭再經過加工，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、節能、保護電極、避免鋼水裸露氧化的作用。實驗表明，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

2.3 制作模鑄保護渣

對于部分鋼種、鑄件，模鑄依然是最佳的選擇。模鑄保護渣之前采用電廠灰、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渣，主要使用純堿、碳化秸稈（100 目細粉）、螢石三種料進行配置，其測試結果見表4。

表4 鑄造保護渣化學成分及物理性質

研磨后的成品在山西、內蒙、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、冒口保溫均達到工藝使用要求，只要根據錠模大小、澆鑄速度、澆鑄溫度等改變配比結構，變換不同的配方，均能達到模鑄工藝要求。錠尾、錠身、冒口光滑整潔，無夾雜麻點，成渣速度匹配，渣衣厚薄均勻，脫模后渣衣即自動剝落。通過現場跟蹤試驗，產品性能達到用戶使用要求，完全可以替代其現有的產品。實驗過程及效果如下頁圖7。

圖7 實驗過程及效果

2.4 制作連鑄保護渣

連鑄保護渣是上世紀發展起來的技術創新產品，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作用。連鑄保護渣經歷了粉料、實心、空心、燒結、預熔等階段與形態，或者其組合，具有潤滑、保溫、防氧化基本功能。而將生物質秸稈灰作為連鑄保護渣的基料具有天然的特質：秸稈灰比重輕，微觀結構呈網狀，保溫效果其他礦物原料無法比擬；含有較高的堿性氧化物，熔點較低，不用添加太多的助熔劑就可以調到需要的熔化溫度；物料的疏松的結構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質材料，就能確保熔渣的熔化模型結構，避免對碳敏感鋼的增碳；物料本身就是CaO-SiO2-Al2O3為基礎的三元結構，配方設計變得容易。

作者經過不間斷的調試檢測試用，采用以60%左右的生物質秸稈灰為基料，添加10%～20%的堿性氧化物，配加20%左右的黏度調節劑，以及適量的半補強炭黑和中超炭黑，經過研磨，制得-300 目的粉料，制漿后經噴霧造粒做成如表5 成分的保護渣，性能曲線見圖8。

表5 保護渣成分及性能指標

圖8 保護渣溫度黏度曲線

成品連鑄保護渣經內蒙某不銹鋼企業連續100 t的試用，鑄坯表面質量與采用非秸稈灰的保護渣相當，修磨率、成材率無明顯差異。在連鑄澆鑄過程中，結晶器內液面狀況穩定，無結團、渣條現象，渣面活躍；結晶器熱流密度曲線平滑，結晶器熱像圖、摩擦力曲線穩定；鑄坯振痕規整，鑄坯表面平整，見圖9。

圖9 鑄坯表面質量

3 生物質秸稈的應用前景

2021 年是“十四五”的開局之年，國家發改環資〔2021〕381 號文《大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》指明方向和要求，強調完善生物質能等發展扶持政策，大力推進秸稈綜合利用，推動秸稈綜合利用產業提質增效。在農用優先的基礎上，擴大秸稈清潔能源利用規模，鼓勵利用秸稈等生物質能供熱供氣供暖，優化農村用能結構，推進生物質天然氣在工業領域應用。不斷拓寬秸稈原料化利用途徑，鼓勵利用秸稈生產環保板材、炭基產品、聚乳酸、紙漿等，推動秸稈資源轉化為高附加值的綠色產品。建立健全秸稈收儲運體系，開展專業化、精細化的運管服務，打通秸稈產業發展的“最初一公里”。因此，生物質秸稈的綜合利用開發具有廣闊的前景。

我國目前粗鋼產量每年10 億t，大中包保溫劑、保護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 的生物質秸稈灰制成品，將消納1 500 萬t 的生物質秸稈。秸稈灰平均按2 500 元/t 計算，將創造37.5 億元的直接產值，這其中還不包括節約的碳交易費用，節省的120 萬t 標煤費用，礦物使用費等。生物質在燃燒的過程中所發的電能價值未計入。在碳達峰、碳中和的行動中成為發展的利器，對推動產業循環，經濟結構聯動，生態布局起到紐帶促進不可或缺的作用，不僅促進了冶金工業中的發展，而且對推進固廢資源利用、鋼化聯產、區域能源整合、構建循環經濟產業鏈具有重大意義。

4 結語

秸稈是地球上十分寶貴的可再生碳資源，利用生物質秸稈制造冶金輔料，從技術上可滿足工藝生產要求，在環境保護、資源利用等方面具有特殊優勢，具有重大的經濟效益，極具開發潛力。