封面文章 | 水热与热解交叉炭化生物质制备高品质高炉喷吹燃料：理化特性和气化动力学分析
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封面故事
“双碳”战略的提出彰显了我国对于改善全球气候变化的决心。生物质在其生长过程中通过光合作用吸收二氧化碳，当作为能源利用时释放出之前吸收的二氧化碳，因此被公认为唯一的碳中性可再生能源。我国是农林大国，有着丰富的生物质资源优势，如果能够将大量的生物质资源应用于钢铁制造，不仅可以实现农林废弃资源的能源化高值利用，还可以缓解传统钢铁冶金对化石煤炭的依赖，对我国钢铁行业的大幅降碳具有重要的现实意义。
近日，北京科技大学张建良教授科研团队在Int. J. Miner. Metall. Mater. 上发表了题为“Cross-upgrading of biomass hydrothermal carbonization and pyrolysis for high quality blast furnace injection fuel production: Physicochemical characteristics and gasification kinetics analysis”的研究型文章，创新开发了一种生物质“水热炭化+热解炭化”复合预处理工艺，定向制备高品质的高炉喷吹燃料，同时提出了生物质预处理与高炉喷吹联产工艺路线。本工作为钢铁冶金大规模应用可再生生物质能提供了一种路径，助力我国钢铁工业的绿色转型和“双碳”战略的实施。
文章信息
水热与热解交叉炭化生物质制备高品质高炉喷吹燃料：理化特性和气化动力学分析(点击查看原文)
党晗，徐润生
引用本文：Han Dang, Runsheng Xu, Jianliang Zhang, Mingyong Wang, and Jinhua Li, Cross-upgrading of biomass hydrothermal carbonization and pyrolysis for high quality blast furnace injection fuel production: Physicochemical characteristics and gasification kinetics analysis, Int. J. Miner. Metall. Mater., 31(2024), No. 2, pp. 268-281.
https://doi.org/10.1007/s12613-023-2728-0
封面文章首次提出了高品质生物质炭制备与高炉喷吹联产工艺流程。
02重点研究了高品质生物质炭制备最佳工艺路线及工艺参数。
03系统揭示了生物质在交叉处理过程中的组织结构转化机制。
文章导读
作为一种可再生的碳中性能源，生物质被认为具有极大的潜力实现对于化石燃料的替代。针对生物质水分高、能量密度低、灰分碱金属等问题，本研究创新开发了一种生物质“水热炭化+热解炭化”复合预处理工艺。首先，选择玉米秸秆（MS）作为原料，通过水热炭化和热解的初步处理，分别获得了初级水热炭（HC）和热解炭（PC）。随后，对初级样品进行了二次交叉升级处理，以获得HC的热解产物（P-HC）和 PC的水热炭化产物（H-PC）。对所得生物炭的成分、理化结构、安全性能和气化特性进行了系统研究。同时，还比较了交叉升级生物炭与传统高炉喷吹用神华烟煤（SH）和阳泉无烟煤（YQ）之间的差异。最后，提出了高品质生物质炭制备与高炉喷吹联产工艺流程，并计算了该技术对高炉炼铁带来的环境和经济效益。该研究旨在确定适用于高炉喷吹的高品质生物炭制备方法，为生物质能源在钢铁生产、发电及其他相关领域的应用提供理论指导。
图1. 不同样品的微观形貌: (a) MS; (b) HC; (c) PC; (d) H-PC; (e) P-HC; (f) SH; (g) YQ。
由图1可知，MS的表面相对光滑，边缘具有明显的纤维结构；HC显示出许多小孔，表面组织略有破碎且边缘变得尖锐；P-HC表面有大量孔洞，表明热解过程中HC的挥发被进一步清除。
图2. (a)–(b) 不同生物质炭与煤的气化特性曲线图; (c)–(d)不同生物质炭与煤的气化动力学模型拟合结果。
由图2可知，二次生物炭的气化反应比 YQ 容易，二次生物炭的气化性能符合高炉的要求。同时，体积模型与实验数据的拟合度较高，拟合度 R2 值基本在 0.95 以上，说明体积模型的选择是正确的。此外，样品的前指数因子（A）与 E 呈明显的正线性关系，称之为 "补偿效应"，是由于样品的碳结构不均匀造成的。
图3. (a)不同样品的红外光谱对比; (b)-(h)不同样品的拉曼分峰光谱: (b) MS; (c) HC; (d) PC; (e) H-PC; (f) P-HC; (g) YQ; (h) SH; (i)不同样品的拉曼光谱对比。
由红外光谱可知，与MS相比，HC和PC的官能团吸收峰数量减少，光谱变得更平滑，这表明HTC和热解都能去除MS中的官能团。HC的光谱与MS相似，说明HC在MS中仍然保留了大量的官能团。在P-HC的光谱中，C=C的吸收峰明显，光谱曲线与SH和YQ相似，说明P-HC的品质与烟煤接近。由拉曼光谱可知，在高温分解过程中，HC芳香核中某些碳原子的化学键会断裂，导致它们与氢原子结合或形成烷烃侧环。二次加工处理使生物质中的碳质结晶更大，石墨化程度更高，最终使生物炭中的碳质结构更紧凑、有序和稳定。
图4. (a)不同样品的红外光谱对比; (b)–(h)不同样品的拉曼分峰光谱: (b) MS; (c) HC; (d) PC; (e) H-PC; (f) P-HC; (g) YQ; (h) SH; (i)不同样品的拉曼光谱对比。
研究结果表明P-HC 比 H-PC 更适合替代煤用于高炉喷吹，如图4所示，生物质首先经过 HTC 处理，然后在储料仓中加入MS和水，混合和预热后被输送到HTC高压反应器中制备初级生物炭。获得的生物质炭将进一步热解，得到P-HC。经称重后，P-HC与原煤一起运至原煤仓。研磨至200目后，用布袋收集到煤粉仓，经充分混合后由高压氮气均匀输送各个高炉风口进行燃烧。在这一集成系统中，水热炭化、热解炭化和高炉生产可实现系统间物质和能量的循环。P-HC 路线的减排潜力最大，可代替40%的喷煤，减少CO2 96.04 kg/tHM，具有显著的环境效益。
北京科技大学张建良教授科研团队长期从事生物质冶金相关研究，探索了生物质在高炉喷吹、烧结、炼焦、含碳球团、欧冶炉等多个工业场景的应用基础理论和工艺路线。同时聚焦炼铁过程优化控制新技术、氢冶金与低碳冶金、直接还原与熔融还原和资源综合利用等方面，目前团队成员中有教授6人，副教授7人；在读全日制研究生62人，其中博士研究生17人、硕士研究生45人。
研究团队带头人张建良教授现任北京科技大学冶金与生态工程学院院长，中国金属学会炼铁分会主任委员，世界钢铁发展研究院秘书长，冶金工业安全风险防控应急管理部重点实验室主任等职。研究团队先后多次与国内70多家知名钢铁企业合作开展科研项目，同时与美钢联、韩国浦项制铁、俄罗斯利佩茨克钢铁公司、印度塔塔钢铁公司、加拿大力拓、美国AP公司、瑞典国家冶金研究院、德国亚琛工业大学、加拿大多伦多大学、日本东北大学等均保持良好合作关系。研究团队近十年主持或参与科研课题200余项，科研经费总和超1亿元，共获得国家级奖励2项，省、部级奖励22项。研究团队在国内外核心期刊发表学术论文500多篇；获得国家授权专利17项；出版专著8部；已毕业博士研究生50余人，硕士研究生150余人。
封面文章供稿 | 徐润生
排版 | 许欢欢
编辑 | 陈佩仙
审核 | 黄冬华
《矿物冶金与材料学报（英文）》(InternationalJournal of Minerals, Metallurgy and Materials，IJMMM)是由教育部主管、北京科技大学主办、Springer Nature合作出版的英文学术期刊，1994年创刊，月刊。主要刊载矿物、冶金和材料领域的原创研究论文和特约综述等。被SCIE，EI，CAS，Scopus，ProQuest，OCLC，INSPEC等国际著名文摘或检索系统作为文献源期刊收录。入选中科院期刊分区二区。2021 JCR影响因子为4.8，在冶金与冶金工程学科和矿业工程与矿物加工学科位于Q1区, 在材料科学综合学科位于Q2区。2022 CiteScore为6.8，在金属与合金类、材料力学类、材料化学类等类别中均位于Q1区。入选《有色金属领域高质量科技期刊分级目录》T1级别；《冶金工程技术领域高质量科技期刊分级目录》T1级别。
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