基于高爐渣余熱熱解玉米秸稈實(shí)驗(yàn)研究

楊艷華 鄧 寅 凌清峰 秦躍林

(1.重慶科技學(xué)院，2.昆明理工大學(xué))

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。高爐煉鐵工序的節(jié)能降耗對整個(gè)鋼鐵產(chǎn)業(yè)意義重大，重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)高爐渣高附加值利用的同時(shí)，高效回收其蘊(yùn)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(xué)者為兼顧爐渣品質(zhì)和余熱高效回收提供了各種新方法。基于此，文章提出將干法粒化得到的高溫固態(tài)顆粒作為熱載體，用做熱解玉米秸稈的熱源，重點(diǎn)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(chǎn)物的影響，為高爐渣余熱回收提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)研究

采用粉碎機(jī)將已烘干的玉米秸稈制成粒徑為0.125 mm的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室熔體高溫轉(zhuǎn)杯?；b置進(jìn)行制備，調(diào)整轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)裝置，以高爐渣為熱載體，進(jìn)行熱解玉米秸稈實(shí)驗(yàn)，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(chǎn)物的影響。

采用武漢銳意自控生產(chǎn)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(jié)果分析與討論

通常生物質(zhì)熱解產(chǎn)物主要為熱解氣、熱解油和熱解炭，熱解產(chǎn)物占比直接反映出熱解效果。高爐渣化學(xué)穩(wěn)定性良好，反應(yīng)前后質(zhì)量不變。實(shí)驗(yàn)所用玉米秸稈經(jīng)過干燥，粒徑小，實(shí)驗(yàn)用量較少，熱解油質(zhì)量可忽略不計(jì)。所以，熱解固相產(chǎn)物總質(zhì)量扣除高爐渣質(zhì)量即為玉米秸稈熱解后殘?jiān)馁|(zhì)量。因此，熱解炭產(chǎn)率ωc和熱解氣產(chǎn)率ωg可以通過公式 (1)和 (2)計(jì)算。

ωc=(Mt-Ms)/Mt×100%

(1)

ωg=1-ωc

(2)

式中：Mt為熱解固相產(chǎn)物總質(zhì)量，g；Ms為高爐渣質(zhì)量，g。

2.1 摻混比對熱解產(chǎn)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(chǎn)率線性增加，熱解產(chǎn)物產(chǎn)率見表2。

表2 不同摻混比對熱解產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

不同摻混比下，熱解氣各組分體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖1所示。CO、CO2、CH4和H2體積分?jǐn)?shù)均先增大后減小，且各組分體積分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值的時(shí)間和大小也不同。各氣體成分體積分?jǐn)?shù)的峰值比較：當(dāng)摻混比為2∶1時(shí)，CO2>CO>H2>CH4；當(dāng)摻混比為3∶1～6∶1時(shí)，CO>CO2>H2>CH4。同一摻混比下，CO、CO2體積分?jǐn)?shù)增長速度較快。高爐渣余熱是熱解反應(yīng)的唯一熱源，反應(yīng)進(jìn)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(nèi)產(chǎn)生。

圖1 不同摻混比下，熱解氣各組分體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化

不同摻混比下，對熱解氣各組分產(chǎn)生曲線進(jìn)行時(shí)間積分，獲得各組分的產(chǎn)量及占比見表3。隨著摻混比增大，CO、CH4和H2氣體產(chǎn)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(chǎn)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(shí)，CO、CO2、CH4和H2氣體產(chǎn)量到達(dá)峰值，分別為68.13、60.00、4.22和12.50 L。因?yàn)楦郀t渣量增加不僅增加了熱解反應(yīng)所需的熱量，而且高爐渣中含有CaO-MgO的絡(luò)合物能降低裂解反應(yīng)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(chǎn)量增加，但是可燃?xì)怏w的占比是不同的，當(dāng)摻混比為4∶1時(shí)，CO、CH4和H2占比均達(dá)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(chǎn)量及占比

2.2 高爐渣溫度對熱解產(chǎn)物的影響

實(shí)際生產(chǎn)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 ℃。考慮到玉米秸稈熱解的溫度要求，將高爐渣溫度設(shè)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(yīng)更充分，熱解氣產(chǎn)率線性增加，熱解產(chǎn)物產(chǎn)率見表4。

表4 不同高爐渣溫度對熱解產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

不同高爐渣溫度下，對熱解氣各組分產(chǎn)生曲線進(jìn)行時(shí)間積分，獲得各組分的產(chǎn)量及占比見表5。隨著高爐渣溫度升高，CO、CO2、CH4和H2氣體產(chǎn)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(chǎn)量均有增加，但氣體占比不同，當(dāng)高爐渣溫度為900 ℃時(shí)熱解氣中可燃?xì)怏w之和(CO、CH4和H2)的占比達(dá)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(shí)還會發(fā)生氣體間的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，主要有碳的氣化反應(yīng)、重整反應(yīng)、烷烴和烯烴的裂解反應(yīng)。其中裂解反應(yīng)所需的溫度最低，重整反應(yīng)次之，碳的氣化反應(yīng)所需溫度最高。

表5 不同高爐渣溫度下熱解氣各組分產(chǎn)量及占比

2.3 高爐渣粒徑對熱解產(chǎn)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(chǎn)率先增加后減少，最大為51%，熱解氣產(chǎn)率見表6。

表6 不同高爐渣粒徑對熱解產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

不同高爐渣粒徑下，熱解氣各組分產(chǎn)量和占比見表7。隨著高爐渣粒徑增大，CH4和H2氣體產(chǎn)量增加，CO和CO2氣體產(chǎn)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(chǎn)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(gè)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(yīng)的高爐渣少，提供熱量不足，達(dá)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(yīng)。

表7 不同高爐渣粒徑下熱解氣各組分產(chǎn)量及占比

3 結(jié)論

(1)在高爐渣溫度為900 ℃、粒徑為1～2 mm的條件下，當(dāng)摻混比為6∶1時(shí)，熱解氣產(chǎn)率最大為56%，熱解氣中CO、CO2、CH4和H2氣體產(chǎn)量到達(dá)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(dāng)高爐渣溫度為1 100 ℃時(shí)，熱解氣產(chǎn)率最大為52%，熱解氣中CO、CO2、CH4和H2氣體產(chǎn)量到達(dá)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(dāng)粒徑為2～3 mm時(shí)，熱解氣產(chǎn)率最大為51%，熱解氣中CO、CO2、CH4和H2氣體產(chǎn)量分別為57.67、52.04、2.81和9.27 L。