1.山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，燃煤污染物減排國家工程實(shí)驗(yàn)室
2.山東祥桓環(huán)境科技有限公司
2020年我國提出了“雙碳”目標(biāo)，作為全球最大的鋼鐵生產(chǎn)國，中國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生的碳排放量約占全國碳排放量的15%。鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”，任重而道遠(yuǎn)，根本的解決途徑在于低碳技術(shù)進(jìn)步，核心是技術(shù)創(chuàng)新。山東大學(xué)一直致力于節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)，旨在能源行業(yè)與冶金行業(yè)的學(xué)科交叉技術(shù)創(chuàng)新，提出了生物質(zhì)低溫?zé)峤庵苽渖镔|(zhì)炭技術(shù)、煤/生物質(zhì)三段富氫氣化技術(shù)、三級協(xié)同還原短流程冶金技術(shù)，助力鋼鐵行業(yè)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
1 生物質(zhì)低溫?zé)峤庵苽渖镔|(zhì)炭技術(shù)介紹
面向國家“雙碳目標(biāo)”和鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的需求，山東祥桓環(huán)境科技有限公司聯(lián)合山東大學(xué)燃煤污染物減排國家工程實(shí)驗(yàn)室，研發(fā)了生物質(zhì)低溫?zé)峤馓炕苽渖镔|(zhì)炭技術(shù)與裝備，該技術(shù)將低能量密度、難以經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸?shù)纳镔|(zhì)資源經(jīng)低溫?zé)峤馓炕?，轉(zhuǎn)化成高熱值生物質(zhì)炭。生物質(zhì)炭質(zhì)量得率51~55%(以干基生物質(zhì)計(jì))，能量得率約73%，熱值23-24MJ/kg。生物質(zhì)炭與煤的性質(zhì)、成分接近，具有熱值高、易破碎制粉的優(yōu)勢，可作為燒結(jié)、高爐噴吹等工序中燃料替代，實(shí)現(xiàn)煤炭減量替代，為低碳冶金提供技術(shù)支持。
1.1 裝備、工藝技術(shù)簡介
針對現(xiàn)有熱解炭化裝備存在的易結(jié)團(tuán)結(jié)焦、傳熱/熱解效率低、裝備龐大、跑冒滴漏嚴(yán)重等工業(yè)化水平不高問題，祥桓進(jìn)行了工業(yè)化/智能化/模塊化完善，結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新性地采用工質(zhì)(熱解炭)循環(huán)、蓄熱球體循環(huán)的內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)或多筒并聯(lián)結(jié)構(gòu)兩種基本形式，工藝上實(shí)施梯級熱利用、多途徑提升熱效、產(chǎn)能、生物質(zhì)炭品質(zhì)和安全性，形成了整套回?zé)峄刭|(zhì)式熱解炭化技術(shù)與裝備，如圖1.1所示。
1.2 技術(shù)特色與優(yōu)勢
（1）采用工質(zhì)回?zé)嵫h(huán)、載熱球回?zé)嵫h(huán)，提高了物料傳熱效率和熱解效率，解決了熱解過程中的結(jié)團(tuán)結(jié)焦問題；
（2）熱解過程中，通過蓄熱球的碰撞及磨制，出炭成粉度高，密度提高。
（3）采用多筒并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在耗材相當(dāng)情況下?lián)Q面積提高近一倍，產(chǎn)能顯著提高，適于大型工業(yè)化應(yīng)用；
（4）系統(tǒng)方面集成方面，以熱解炭化爐排出的中溫?zé)煔鉃闊嵩?，?shí)現(xiàn)生物質(zhì)的干燥，實(shí)現(xiàn)了余熱的梯級利用，提高熱解炭化效率；
（5）物料干燥后篩分，減少原料雜質(zhì)含量，降低熱解炭灰分，提高熱解炭熱值和含碳量；
（6）采用氮?dú)饷芊?，解決運(yùn)行過程中的跑冒滴漏問題；同時(shí)出炭冷卻、充填惰性氣體，防止熱解炭再燃，提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性。
1.3適應(yīng)物料
適應(yīng)物料廣，包括農(nóng)業(yè)秸稈、果木枝條、木業(yè)下腳料、廢舊家具、農(nóng)產(chǎn)品加工廢料等生物質(zhì)廢棄物，生活垃圾、廢棄橡膠、廢舊塑料等有機(jī)廢棄物，污泥、油泥、油頁巖等有機(jī)無機(jī)混合物料，電子垃圾、輪胎等有機(jī)和金屬混合物料。
1.4應(yīng)用途徑：
（1）各類廢棄生物質(zhì)，制備生物質(zhì)炭實(shí)現(xiàn)燃煤電廠、水泥、鋼鐵等行業(yè)燃料替代；也可生產(chǎn)生物質(zhì)炭復(fù)合肥、生物質(zhì)土壤改良劑，改良土壤生態(tài)，實(shí)施土壤碳匯；
（2）廢舊垃圾、廢舊橡膠、塑料等，熱解處理生產(chǎn)炭黑、油，或作為燃料替代燃料；
（3）高熱值熱解氣、氣化氣、熱解炭，高溫水蒸氣富氫氣化，可生產(chǎn)綠色合成氣、綠氫，并可進(jìn)一步合成綠色甲醇。
2 煤/生物質(zhì)三段富氫氣化技術(shù)介紹
2.1技術(shù)簡介
山東大學(xué)開發(fā)了煤/生物質(zhì)粉三段富氫氣化工藝及裝置，主設(shè)備裝置如圖2.1。主體設(shè)備分為低溫段、高溫段和熔渣段（渣池）三段，三段一體爐。富氫氣體可用于冶金、化工、發(fā)電等眾多領(lǐng)域。
低溫段為熱解重整段，原料采用四角切圓方式噴入高溫煤氣中，發(fā)生熱解和部分氣化反應(yīng)，同時(shí)煤氣重整富氫，原料熱解產(chǎn)生的高溫粉焦經(jīng)過旋風(fēng)分離器分離后返送高溫段。高溫段為氣化段，采用高溫空氣、富氧或純氧和水蒸氣為氣化劑，高溫粉焦和除塵灰為氣化料，多噴嘴向下射流，在高溫段內(nèi)形成“W”型火焰，氣化反應(yīng)強(qiáng)度高，氣化溫度高于灰熔點(diǎn)50-100℃，高溫煤氣在爐內(nèi)反折回上部出口，熔渣貼壁下流入底部渣池，未完全反應(yīng)的殘?zhí)碱w粒也落入渣池。低溫段在高溫段上部，兩段之間采用縮徑喉口連接，在高溫段出口或連接喉口處噴入低溫循環(huán)煤氣或水，調(diào)整進(jìn)入低溫段的煤氣溫度。渣池在高溫段的下部，在緊貼渣池液面上方的側(cè)壁以四角切圓方式噴入高溫空氣/氧氣和/或蒸汽，未反應(yīng)完的殘?zhí)加捎诿芏容^輕漂浮在液渣表面，旋轉(zhuǎn)氣流攪動渣池液面強(qiáng)化殘?zhí)細(xì)饣磻?yīng)深度脫碳。物料輸送介質(zhì)為循環(huán)煤氣或氮?dú)狻?/font>
2.2技術(shù)優(yōu)勢
（1）設(shè)備先進(jìn)：原料熱解、氣化、富氫重整、熔渣降碳多個(gè)過程在同一個(gè)爐內(nèi)完成。
（2）煤種適應(yīng)性好：理論上適用所有煤種。熱焦循環(huán)，氣化劑高溫預(yù)熱1200℃，氣化溫度高，保證液態(tài)排渣，大大提高煤種適應(yīng)性；水冷壁內(nèi)襯，“以渣抗渣”。
（3）碳轉(zhuǎn)化率高：原料經(jīng)過低溫?zé)峤庵卣?、高溫熔融氣化、熔渣深度降碳等三級反?yīng)，氣化效率高，碳轉(zhuǎn)化率≥99%，熔渣含碳低便于利用；W型對沖和四角切圓給粉噴嘴，強(qiáng)化氣固混合，利于提高氣化效率和碳轉(zhuǎn)化率。
（4）富氫可調(diào)：高溫段為煤焦水蒸氣氣化，產(chǎn)生高溫合成氣；低溫段為煤粉熱解氣化重整，H2等有效氣含量高；煤/焦采用煤氣輸送，減少無效氣含量，進(jìn)一步提高H2含量；多段聯(lián)動，可調(diào)整H2/CO比。
2.3 Aspen Plus軟件模擬
