钢铁行业是全球温室气体排放的一个重要来源，这主要是由于炼铁过程中大量使用化石燃料。本研究探讨了将烘焙生物质作为高炉可持续替代燃料的潜力，旨在减少CO₂排放并推动环境友好型钢铁生产。本研究开发了一种利用烘焙生物质的新型燃料替代技术，并成功进行了实际测试。该技术包括烘焙（生物质预处理）和高炉内应用两个方面。通过考虑替代率和工艺影响的CO₂减排计算表明，每年有望减少约3.7%的CO₂排放量。这超过了既定的减排目标，突显了烘焙生物质显著的环境效益。运营评估表明，在高炉操作中加入烘焙生物质有助于保持性能和效率。热负荷、透气性、热传递和气体流动特性基本未受影响。要实现商业可行性，建立专门的设施并发展强大的生物质供应链至关重要。这种新型技术有可能为钢铁行业的碳中和目标作出重大贡献，并推动该行业迈向更可持续的未来。
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前言
钢铁行业面临着减少环境足迹的同时保持竞争力的双重挑战。为此，未来的钢铁制造技术旨在从根本上改变工业生态系统，通过替代化石燃料、减少生产过程中的碳排放、改造设施、开发可再生能源以及实施废弃物回收技术来实现这一目标。其中，生物质能源是未来一种极具潜力的能源选择，能够替代化石燃料。人们正在努力将其应用于各个领域。然而，生物质通常需要经过转化处理才能有效用作燃料。烘焙生物质（即经过热处理的生物质形式）作为高炉中传统焦煤的替代品，已展现出巨大的潜力。正在持续研究的烘焙生物质在能源效率、减排和资源可持续性方面具有潜在优势。本文对高炉用的烘焙生物质的开发和应用进行了全面的研究。
这项由政府资助的研究项目探究了一种通过利用烘焙生物质来减少高炉操作中CO₂排放的方法。该项目旨在开发一种用烘焙生物质替代10%煤粉（PC）的技术，从而实现CO₂排放减少1%的目标。为了量化这种影响，本研究考察了用烘焙生物质替代高炉燃料的效果。此外，在韩国现代钢铁有限公司还进行了实际测试以验证这些发现。实际测试证实，CO₂减排量超过3.7%，同时对高炉性能没有产生影响。该研究证明了使用烘焙生物质混合物作为炼铁过程中煤炭替代品的有效性。
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实验
烘焙生物质的特性及其在高炉中的应用
为确定10%烘焙生物质混合煤粉（10% Bio-PC）燃料的最佳使用条件，本研究对在不同温度下生产的烘焙生物质进行了全面的特性分析，包括固定碳、灰分、挥发分的测定，元素分析以及热值测定。此外，还使用热重分析仪（TGA）在惰性气氛中以20°C/min的升温速率研究了燃烧特性，如热解速率和焦炭反应速率。同时，分析了这些特性、粒度分布、形态以及燃烧行为之间的关系。最后，开发了一个三维计算流体动力学（CFD）模型，用于模拟Bio-PC在高炉炉身区域的燃烧和热传递行为，以评估其有效性。
为确保在高炉中使用10% Bio-PC的可行性和有效性，本研究进行了全面的市场调研，以确定符合本研究要求的经过烘焙处理的生物质的潜在供应商。随后，开发出具有特定性能的烘焙生物质产品，其热值超过6000kcal/kg，固定碳含量高于35%，挥发分含量低于60%，水分含量约为5%。
此外，在韩国现代钢铁有限公司（2024年4月）进行了一次实际测试，以评估使用10%烘焙生物质来减少CO₂排放的有效性。整个过程是经过精心规划的，包括烘焙生物质的生产、钢厂的物流以及将Bio-PC送入高炉的方法。
如图1所示，现代钢铁公司实际测试的工艺流程。该流程始于生产原始生物质。经过烘焙处理的生物质随后被运往钢铁厂，在那里与煤粉混合，并通过PCI（煤粉喷射）喷枪注入高炉中。
通过一个结构化的四阶段流程，对在高炉中使用10% Bio-PC燃料的技术进行了评估。第一阶段是生产烘焙生物质，重点在于确保木材原料的一致性和高质量。第二阶段涉及钢铁厂内的物流问题，关注烘焙生物质的物料搬运、储存和内部运输。第三阶段侧重于使用10% Bio-PC的高炉操作和管理。最后一个阶段从各个方面分析了结果，包括CO₂排放、高炉性能指标以及将10% Bio-PC燃料整合到炼铁生产流程中的整体可行性。
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结果与讨论
原始生物质因其高含水量（通常超过40%）和低能量密度，不适合直接用作高碳中性的燃料在高炉中使用。然而，烘焙（一种热化学预处理过程）可以显著提高生物质作为煤粉替代品的适用性。实验结果表明，烘焙温度对生物质的特性有显著影响。随着温度的升高，生物质的热值、固定碳含量以及哈德格罗夫可磨性指数（HGI）都会增加，使其性质更接近煤粉。
将生物质在超过300°C的温度下进行烘焙处理，是一种有望生产出与煤粉性质相当的碳中性燃料的可行方法，使其成为高炉的一种更具吸引力的替代燃料。然而，这种热化学转化会改变生物质的结构，从而影响纤维素、半纤维素和木质素的含量。这些变化会显著影响烘焙生物质燃烧特性的速度和模式。半纤维素的损失可能会影响挥发分含量和燃烧行为，而木质素含量可能会影响燃烧过程中木炭的形成和稳定性。因此，全面研究这些结构变化与烘焙生物质燃烧特性之间的关系至关重要。
多项研究表明，在高炉中煤粉（PC）的燃烧过程涉及热解、挥发性燃烧和木炭燃烧的复杂相互作用。本研究重点研究了不同类型的热解碳（包括烘焙生物质（300°C）、PC-A、PC-B以及10%烘焙生物质与PC-A和PC-B的混合物）的热解和木炭反应速率。了解这些反应速率对于优化Bio-PC燃料在高炉中的燃烧行为至关重要。
研究结果表明，将煤粉与烘焙过的生物质混合后，导致分解速率显著降低，而木炭反应速率大幅提高（从18.5%提升至88.1%）。分解速率的降低意味着烘焙过的生物质由于其较低的水分含量和更高的热稳定性，减缓了水分和挥发分的初始释放。相反，木炭反应速率的大幅提高表明生物质在热分解过程中增强了未燃烧木炭的燃烧。这种增强可能是由于存在诸如纤维素和半纤维素等活性成分所致。需要指出的是，将煤粉与烘焙过的生物质混合可以提高燃烧效率，因为在高炉工艺的燃烧过程中能够促进燃料的更完全转化。
通过热流体动力学模拟，确认了以下特性。CFD分析结果标明，生物质的燃烧速度比煤粉更快，从而使得循环区的气体温度分布更加均匀。这种现象很可能是由于生物质具有更高的挥发分含量和氧气反应性，使燃烧速度提高了2.2%。这种提升有望提高炉内温度的均匀性。
将生物质在超过300°C的温度下进行烘焙处理，会得到一种碳含量与煤粉相似的碳中性燃料。烘焙后的生物质表现出与商业用煤相似的特性，例如热值为6963kcal/kg和固定碳含量为75.1%。然而，它显示出更高的挥发性物质含量。此外，烘焙后的生物质的含水量约为5.7%。
Bio-PC燃料对高炉性能的影响如表1所示，该表总结了实际测试中的关键运行指标。在此次测试中，考虑到生物质的使用情况及其他因素，PCI的使用量从169.2kg/tHM降至152.5kg/tHM。实际测试定量证明，将10%的烘焙生物质与煤粉混合使用能够使CO₂排放量减少超过3.7%。这一显著的减排效果凸显了将烘焙生物质用作高炉操作中传统还原剂的替代品的潜力。
对注入Bio-PC燃料的运行评估表明，运行的稳定性和性能能够得以维持。热负荷和透气性基本未受影响，高炉内的热传递和气体流动特性也未出现显著变化。这些发现有力地证明了使用烘焙生物质的可行性，且不会影响运行效率。
总的来说，实验结果提供了令人信服的证据，支持在高炉中使用10% Bio-PC作为替代燃料来源的可行性。这一过程具有显著的环境优势，有可能大幅减少CO₂排放。然而，要使Bio-PC技术实现商业可行性，需要克服一些挑战，比如建立合适的设施以及开发可持续的生物质供应链。此外，还应进一步开展研究工作，探究Bio-PC的长期运营影响，特别是其潜在的经济影响。
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总结
本研究探讨了烘焙生物质作为铁矿石冶炼可持续替代燃料来源的潜力。本研究开发了一种利用烘焙生物质的新型燃料替代技术，并成功进行了试点测试，量化了其在减少CO₂排放方面的效果。主要目标是设计并验证一个完整的高炉替代燃料系统，该系统包括烘焙（生物质预处理）及其在炉内的应用。
考虑到替代率和工艺影响因素的CO₂减排计算表明，每年有望减少约3.7%的排放量，这一成果超过了既定的减排目标，充分彰显了烘焙生物质所带来的显著环境效益。要实现商业可行性，就必须建立合适的设施并开发完善的生物质供应链。还需要进一步研究以探索采用Bio-PC技术的长期运营和经济影响。
