本文对生物炭在电弧炉炼钢过程中的应用现状和最新进展进行阐述。
目前，研究人员已从多个层面开展相关试验，其中包括停滴试验、实验室发泡试验以及中试和工业规模电弧炉试验等。每种相关研究都能够为将生物炭用作炉料炭/喷吹炭的有效性和潜在可能性提供宝贵参考。
停滴试验是一种通过观察固态材料表面液滴形状来测量其表面能的方法。通常，试验过程中会将一滴液态电弧炉熔渣滴在固态生物炭材料上。通过分析液滴与材料之间的接触角，可以确定其润湿性和粘附性等材料表面特性。润湿性是泡沫渣的关键特性。喷吹炭必须具有足够的润湿性，才能与熔渣中的氧化铁发生还原反应。此外，该方法还有利于了解气体生成和熔渣液滴体积变化的具体情况。因此，停滴试验常被用于进行以生物炭为喷吹炭其适用性方面的研究。 这种方法由Yunos等人首次采用，该试验以棕榈果壳炭化生物炭为原料，得到一些重要发现。在对废气进行检测的过程中，发现其中含有CO、CO2和H2等成分，表明生物炭与氧化铁之间发生了还原反应。此外，生物炭所产生废气中的一氧化碳浓度超过了参考焦炭，并且生物炭熔渣液滴的体积波动更大。总体而言，观察结果表明使用生物炭能够有效发泡。不过，也有其他研究得出相反结论。Mayyas等人研究发现，木质生物质由于接触角超过90°而出现了“抗渣性”，不过参考焦炭的接触角始终较小（＜90°）。Huang等人在研究中还发现生物炭的润湿性较差，并且其研究结果表明，相较于焦炭，各种生物炭与电弧炉熔渣之间的相互作用极弱。分析认为这种润湿性差异是由于生物炭表面粗糙度较低所致，可以通过改变表面形态（如致密化处理）的方式改善这一问题。此外，在将生物炭和焦炭以50%/50%的比例进行混合的条件下，其润湿性与纯焦炭相当。Wei等人通过停滴试验测试水热处理碳化生物炭上熔渣液滴的体积膨胀情况。结果表明，水热处理碳化工艺适用于改善生物炭特性，其在熔渣液滴生长方面的效果优于商业发泡剂。总体而言，上述研究方法在将生物炭用作喷吹炭的适用性研究方面提供了不同的参考结果，整体上生物炭在润湿性方面可能存在不足，但在其他（如一氧化碳气体生成和渣滴反应）方面仍具有潜在的应用潜力。通过选择合适的原料、优化生物质热解工艺或对生物炭进行进一步加工处理（如致密化处理），润湿性问题有望得到改善。 其他一些小规模研究的目标则是确定生物炭的化学特性/生物炭与氧化铁之间还原反应的动力学特性。Fidalgo等人通过近似分析、热重分析（TGA）和金属丝网反应器对2种工业来源生物炭（南瓜籽和葡萄籽）的热化学特性和反应活度特性进行了研究。结果发现，从南瓜籽中所提取的生物炭的化学成分和反应活度接近于工业来源炉料炭，非常适合用作炉料炭，而葡萄籽生物炭的热化学行为则既不接近于炉料炭也不类似于喷吹炭。不过，由于葡萄籽生物炭具有较高的挥发性物质含量，有利于产生泡沫渣，因而有希望被用作喷吹炭。Yunos等人对棕榈果壳生物炭的反应动力学特性进行了研究，并发现其与熔渣之间的反应活度高于焦炭。相关研究人员认为棕榈果壳生物炭之所以具有较高的反应活度是因为其具有无定形炭结构和较大的比表面积。同样，Kieush等人在对木质颗粒生物炭的化学特性进行研究时，也通过拉曼（Raman）光谱和X射线衍射（XRD）观察到其微观结构有序性较差。近期，Han等人对玉米秸秆颗粒在热解、超高温蒸汽热解和水热处理碳化条件下的反应动力学特性进行了研究。结果发现，其中热解样本的CO/CO2气体生成性较好，适合用作喷吹炭，但由于缺少化石炭参照样本，难以对其性能进行准确衡量。 停滴试验和其他小规模试验能够为生物炭特性和反应活度研究提供有价值的参考。想要进一步了解生物炭作为喷吹炭的适用性，必须对实际泡沫渣进行观察和研究。鉴于泡沫渣形成过程的复杂性，无法确定动态过程中是否能够观察到其表征所隐含的关键特性（包括生物炭的反应活度、熔渣特性和泡沫渣形成过程等）。通过实验炉能够直接观察到泡沫渣形成过程中的动力学特性，可以为了解生物炭在更接近电弧炉炼钢实际条件下的行为特性提供关键依据。 为了扩大试验规模（尤其是喷吹炭试验），有研究人员在试验时采用了能够进行泡沫渣试验的实验炉。Echterhof和Pfeifer最先采用这种规模的实验炉进行泡沫渣试验。他们将工业来源电弧炉熔渣和备选喷吹炭装入坩埚后，将其放置于天然气/氧气燃烧炉中，在1600℃条件下进行试验。虽然无法实时监测泡沫渣的形成过程，但可以通过坩埚壁上留下的痕迹来观察4种备选生物炭的泡沫渣反应情况。总体而言，备选生物炭比化石炭反应更快、更强烈，该现象与上文所述Yunos等人的停滴试验研究结果相一致，但化石炭的反应时间更长。Huang等人另外还通过感应炉进行发泡试验，不同于Echterhof和Pfeifer所使用的试验装置，Huang等人未将喷吹炭装入坩埚，而是将其搅入初始熔渣。此外，由于试验过程在感应炉中进行，钢与熔渣一同熔化，熔渣在此过程中充当了热源。相关研究人员发现备选生物炭未能有效发泡，该结果与停滴试验结果一致。同样类似于润湿性试验结果，将焦炭与生物炭混合后，泡沫渣（最大泡沫渣高度）有所增多，该试验结果中未表明发泡过程的持续时间。Hoikkaniemi利用箱式炉对云杉木生物炭的发泡情况进行了研究。研究过程中采用了与Huang等人相似的方法将喷吹炭加入初始熔渣，但过程中并未采用滴入和搅拌的方式，而是使用了螺旋加料机。生物炭在最大泡沫渣高度和形成泡沫渣的持续时间方面与参考焦炭相当。实际上，生物炭达到最大泡沫渣高度所需时间比参考焦炭少44%，该结果能够侧面反映出生物炭与气体的反应活度。不过，试验中所加生物炭的添加速度和总质量超过了参考焦炭。DiGiovanni等人对各种不同的备选生物炭进行了排序，结果发现所有备选生物炭中较为松散的生物炭特性最不理想，而其中一种生物炭块的特性优于工业喷吹炭，但该项研究中仅给出泡沫渣的最大高度，并未关注发泡持续时间。 近年来，Kieush等人进行了多项发泡试验，其中每项试验都使用了具有类似结构的感应炉装置。试验中采用氧化铝坩埚盛放炉料（熔渣和纯铁），外部以石墨坩埚为加热底座。试验时向熔渣中加入喷吹炭并进行搅拌，以观察该过程中发泡渣的变化情况。Kieush等人的研究涵盖了多种化石炭材料（无烟煤、石油焦、焦炭）以及一种木质颗粒生物炭备选材料。受各种因素影响（润湿性低、反应活度高以及密度低——多数颗粒仅覆盖熔渣表面），生物炭的发泡特性最差。此外，研究中还发现炭质材料的结构与泡沫渣形成情况之间存在关联，即炭质材料有序性越高、泡沫渣的形成效果越好。在50%/50%焦炭和生物炭混合物试验中，观察到所形成泡沫渣的高度和体积接近于100%焦炭，这种情况与Huang等人的研究结果一致。后续研究中，Kieush和Schenk对焦炭、生物炭以及50%/50%混合物在各种熔渣条件下的发泡情况进行了比较。总体而言，生物炭的特性不及焦炭，但两种炭质材料的最佳熔渣碱度和氧化铁含量范围相似。不过，50%/50%混合物在各种不同熔渣成分和碱度范围内均表现出稳定的发泡特性，其发泡行为类似于参考焦炭，并且其发泡持续时间超过了纯生物炭。上述结果表明，将生物炭作为焦炭中的部分替代材料具有应用潜力。Kieush等人还对将生物炭用作喷吹炭的情况进行了研究。实验室规模试验将95%煤和5%木质颗粒/90%煤和10%木质颗粒通过焦化工艺合成生物炭。观察结果表明，95%/5%情况下泡沫渣快速增多、发泡稳定，但由于在焦炭中加入木质颗粒会提高反应速度，使得发泡时间变短。当将木质颗粒比例提高至10%时，发泡时间进一步缩短，导致工艺过程受限。 实验炉试验过程中，通过对泡沫渣的实际观察，发现了喷吹炭（生物炭）的若干特性（如反应活度差异、密度低等）。如果要扩大生物炭（包括喷吹炭和炉料炭）的应用规模（如中试和工业试验），就必须进行验证。通过大规模试验，可以对生物炭在电弧炉炼钢中的适用性进行实际评估，进而确保其在工业规模上的实用性和可行性。 4.1 炉料炭 实验炉试验几乎全部以喷吹炭为研究对象，而中试试验则多是对将生物炭作为炉料炭这一用途进行研究，这可能是由于将生物炭作为炉料炭应用于电弧炉工艺更易于操作，更有助于替代化石炭。 Demus等人以2种备选生物炭为研究对象进行电弧炉炼钢中试试验。结果表明，用生物炭代替化石炭不会对钢水和熔渣的化学成分产生负面影响。事实上，在使用备选生物炭时观察到其中的硫含量有所下降而磷含量与使用化石炭时相同，不过由于生物炭具有较高的反应活度，使得钢水的渗碳率低于参考化石炭。有研究人员表示，可以通过将生物炭压成团块解决这一问题。后续研究中，Demus等人将糖蜜和水以最佳比例混合后作为粘合剂，将生物炭压制成20mm的团块，所得到的团块耐磨性与参考化石炭相当，并且同时具有较高的物理强度。炉料炭中试试验结果表明，压制团块的燃烧行为与参考化石炭更为接近。Reichel等人以生物炭为炉料炭进行中试试验，同样也未观察到其对钢材质量具有负面影响。除此以外，由于生物炭具有较高的反应活度，以其为炉料炭会缩短熔化时间。近期，Lu利用水热炭（生物炭）进行了电弧炉中试试验，并对该过程中的渗碳率（即溶解到钢水中的碳与输入碳之比）进行了研究。结果发现，水热炭的渗碳率与参考无烟煤的渗碳率具有显著差异（56%-26%），其主要原因是固定碳含量差异巨大（81%-32%）。上述结果表明，固定碳含量是钢水渗碳率的主要影响因素，而以1:1的质量比替换化石炭必须采用高质量生物炭。 已有研究人员对以生物炭为炉料炭的情况进行了工业试验。Echterhof等人利用棕榈果壳在140t电弧炉中进行了工业试验，结果未发现其对熔渣和钢水质量具有任何负面影响，但相较于参考化石炭其在废气方面存在差异（废气温度高于化石炭）。相关研究人员表示，这可能是由于挥发性物质含量较高所致，并同时表示在使用棕榈果壳的情况下耗电量减少了6%。Robinson等人所进行的另一项研究中，以2种备选生物炭为炉料炭在50t电弧炉中进行了试验。在进行工业试验之前，该项研究表明灰分含量对生物炭的溶解具有抑制作用。因此，试验中以低灰分含量生物炭团块替代其中33%的标准化石炭，结果3次试验中均未出现偏离正常运行条件的情况。 显然，电弧炉炼钢过程中将生物炭作为炉料炭已经取得了显著的进展和成效。这一点已在中试试验和工业试验中得到证实。尽管使用生物炭过程中必须进行一些调整（如压制团块），但相关文献总体认为生物炭具备应用于电弧炉炼钢的潜在可能。 4.2 喷吹炭 关于以生物炭为喷吹炭进行中试试验和工业试验的研究文献极少，这可能是由于本文“实验炉”一节所述难点会使因其仍处于实验炉试验阶段所导致。 Demus等人曾在针对炉料炭的部分项目研究过程中，在中试电弧炉中使用了生物炭，结果发现生物炭并未对发泡产生负面影响，但相关报告中未明确表明试验中的泡沫渣指标。Wibberley等人最先利用生物炭进行喷吹炭工业试验，其试验结果表明该过程中所形成的泡沫渣至少能够达到使用焦炭情况下的同等水平。不过需要指出的是，该试验过程中所使用的是高质量生物炭，并且尚不清楚想要维持发泡是否需要使用更多的生物炭。Echterhof等人以棕榈果壳作为喷吹炭进行工业试验，并发现试验过程中的一氧化碳产生量超过了化石炭（尤其是在发泡过程中），但也表示想要证实该结果还需要进行更多试验。GREENEAF2项目中，也将生物炭用作喷吹炭进行工业试验，但由于两方面因素最终导致发泡结果较不理想：其一，所使用的材料密度较低导致其难以穿透熔渣层，大部分生物炭被废气带走；其二，生物炭与熔渣中氧化铁之间的反应活度较低。 在利用实验炉对以生物炭为喷吹炭的可能性进行研究的过程中，研究人员发现了其中的多项技术挑战，并认为这些挑战是试验无法向更大规模推进的主要限制因素。经过中试和工业试验对比分析，发现还有部分限制因素可能来自于监测系统。本节讨论内容缺乏有关生物炭熔渣发泡行为的定量数据，由于未能提供监测数据，很难确定生物炭的熔渣发泡效果，如果无法进行中试，相关试验则可能不具有实际意义。 关于生物炭在电弧炉炼钢过程中的应用，现已在各种不同规模条件下进行了大量试验。相关文献中针对各种规模的试验给出了具体结论，所得结果对于全面了解生物炭是否适用于电弧炉炼钢至关重要。 停滴试验和化学特性试验主要用于研究钢水与生物炭之间的相互作用情况，相关文献中主要将此类方法用于确定生物炭的润湿性并观察渣滴形状变化情况。废气监测则主要用于了解碳与熔渣中氧化铁之间的反应动力学研究。所有相关试验均可表明生物炭在电弧炉炼钢过程中的性能表现，但最终需要通过对大量材料的相互作用进行研究才能确定其适用性。实验炉试验能够研究大量材料的相互作用，通常用于喷吹炭（生物炭）的发泡试验，通过这种方法能够清晰观察并监测发泡过程。通过停滴试验能够对生物炭的化学特性及其与熔渣之间的相互作用情况进行深入研究，并可解释实验炉的试验结果。上述各种规模试验的必要性，反映在能够完成大规模试验所无法进行的特定材料相互作用以及反应机制等类型研究。 实验炉的熔渣发泡试验结果可以用于解释中试和工业试验结果，这进一步表明采取多种不同试验规模的优势。不过，工业试验能够实现其他任何规模试验都无法进行的评估（如生物炭在电弧炉工艺中的适用性）。就喷吹炭而言，其低密度特性会影像到渣层渗透性，相关文献中尚未提及与此相关的直接研究。另外，还存在工业废气处理系统可能会在生物炭到达渣层之前将其清除的问题。除此以外，鉴于生物炭较高的反应活度，也可能会在其到达渣层前与大气发生反应。工业试验或同等条件下的中试电弧炉试验能够为上述问题研究提供最佳试验条件。相比之下，将生物炭用作炉料炭的相关中试试验已经大量完成，目前已进入工业试验的成功应用调整阶段。炉料炭的适用性研究对电弧炉的依赖性远低于喷吹炭，其工业化整合过程相对简单。 不同规模条件下所做各项试验能够得到有针对性的具体见解，综合相关结论能够反映出生物炭在电弧炉炼钢中的应用现状。表1对现有文献中有关生物炭在电弧炉炼钢中的应用（按试验规模和文献发表时间分类）情况及其主要发现进行了汇总。其中，中试和工业试验主要以炉料炭为研究对象，并且大部分研究早已完成，说明生物炭作为炉料炭的研究进展迅速且易于实施。喷吹炭方面，目前仍在针对生物炭的发泡行为进行各种规模的试验。 目前，实验炉方面的研究重点是生物炭的发泡情况，需要解决的问题是如何定量监测发泡情况，以对生物炭的有效性进行评估。其中大部分试验结果表明，由于生物炭反应速度过快，使其无法有效发泡；或是由于其润湿性较差、密度较低，使其几乎无法形成泡沫渣。除此以外，多项研究表明，采用生物炭和焦炭混合物的情况下，能够有效形成泡沫渣。因此，喷吹炭中以生物炭代替部分化石炭，比以其取代所有化石炭的可行性更高。 小规模试验（停滴试验/化学特性试验）能够为了解生物炭的理化特性提供关键信息。试验中，生物炭普遍表现出较高的反应活度和低密度特性。不过，从表1可以看出，仅靠小规模试验无法预测生物炭在更大规模条件下的适用性，比如，生物炭较高的反应活度最初被认为是一项优势，但在大规模试验中却发现其具有负面效果。另外，必须将生物炭压制成团块才能将其有效用作炉料炭，目前相关人员正在研究如何将其高反应活度特性应用于喷吹炭。需要通过大量材料及大规模试验，才能了解生物炭特性的适用环境及其与熔渣的相互作用情况。
