2020年我国提出了“双碳”目标，作为全球最大的钢铁生产国，中国钢铁行业产生的碳排放量约占全国碳排放量的15%。钢铁工业实现“双碳”，任重而道远，根本的解决途径在于低碳技术进步，核心是技术创新。山东大学一直致力于节能减排技术的研发，旨在能源行业与冶金行业的学科交叉技术创新，提出了生物质低温热解制备生物质炭技术、煤/生物质三段富氢气化技术、三级协同还原短流程冶金技术，助力钢铁行业“双碳”目标的实现。

　　1 生物质低温热解制备生物质炭技术介绍

　　面向国家“双碳目标”和钢铁行业低碳转型发展的需求，山东祥桓环境科技有限公司联合山东大学燃煤污染物减排国家工程实验室，研发了生物质低温热解炭化制备生物质炭技术与装备，该技术将低能量密度、难以经济运输的生物质资源经低温热解炭化，转化成高热值生物质炭。生物质炭质量得率51~55%(以干基生物质计)，能量得率约73%，热值23-24MJ/kg。生物质炭与煤的性质、成分接近，具有热值高、易破碎制粉的优势，可作为烧结、高炉喷吹等工序中燃料替代，实现煤炭减量替代，为低碳冶金提供技术支持。

　　1.1 装备、工艺技术简介

　　针对现有热解炭化装备存在的易结团结焦、传热/热解效率低、装备庞大、跑冒滴漏严重等工业化水平不高问题，祥桓进行了工业化/智能化/模块化完善，结构上创新性地采用工质(热解炭)循环、蓄热球体循环的内外筒结构或多筒并联结构两种基本形式，工艺上实施梯级热利用、多途径提升热效、产能、生物质炭品质和安全性，形成了整套回热回质式热解炭化技术与装备，如图1.1所示。

1.2 技术特色与优势

（1）采用工质回热循环、载热球回热循环，提高了物料传热效率和热解效率，解决了热解过程中的结团结焦问题；

（2）热解过程中，通过蓄热球的碰撞及磨制，出炭成粉度高，密度提高。

（3）采用多筒并联结构，在耗材相当情况下换面积提高近一倍，产能显著提高，适于大型工业化应用；

（4）系统方面集成方面，以热解炭化炉排出的中温烟气为热源，实现生物质的干燥，实现了余热的梯级利用，提高热解炭化效率；

（5）物料干燥后筛分，减少原料杂质含量，降低热解炭灰分，提高热解炭热值和含碳量；

（6）采用氮气密封，解决运行过程中的跑冒滴漏问题；同时出炭冷却、充填惰性气体，防止热解炭再燃，提高系统安全稳定性。

1.3适应物料

适应物料广，包括农业秸秆、果木枝条、木业下脚料、废旧家具、农产品加工废料等生物质废弃物，生活垃圾、废弃橡胶、废旧塑料等有机废弃物，污泥、油泥、油页岩等有机无机混合物料，电子垃圾、轮胎等有机和金属混合物料。

1.4应用途径：

（1）各类废弃生物质，制备生物质炭实现燃煤电厂、水泥、钢铁等行业燃料替代；也可生产生物质炭复合肥、生物质土壤改良剂，改良土壤生态，实施土壤碳汇；

（2）废旧垃圾、废旧橡胶、塑料等，热解处理生产炭黑、油，或作为燃料替代燃料；

（3）高热值热解气、气化气、热解炭，高温水蒸气富氢气化，可生产绿色合成气、绿氢，并可进一步合成绿色甲醇。

2 煤/生物质三段富氢气化技术介绍

2.1技术简介

山东大学开发了煤/生物质粉三段富氢气化工艺及装置，主设备装置如图2.1。主体设备分为低温段、高温段和熔渣段（渣池）三段，三段一体炉。富氢气体可用于冶金、化工、发电等众多领域。

低温段为热解重整段，原料采用四角切圆方式喷入高温煤气中，发生热解和部分气化反应，同时煤气重整富氢，原料热解产生的高温粉焦经过旋风分离器分离后返送高温段。高温段为气化段，采用高温空气、富氧或纯氧和水蒸气为气化剂，高温粉焦和除尘灰为气化料，多喷嘴向下射流，在高温段内形成“W”型火焰，气化反应强度高，气化温度高于灰熔点50-100℃，高温煤气在炉内反折回上部出口，熔渣贴壁下流入底部渣池，未完全反应的残碳颗粒也落入渣池。低温段在高温段上部，两段之间采用缩径喉口连接，在高温段出口或连接喉口处喷入低温循环煤气或水，调整进入低温段的煤气温度。渣池在高温段的下部，在紧贴渣池液面上方的侧壁以四角切圆方式喷入高温空气/氧气和/或蒸汽，未反应完的残碳由于密度较轻漂浮在液渣表面，旋转气流搅动渣池液面强化残碳气化反应深度脱碳。物料输送介质为循环煤气或氮气。

2.2技术优势

（1）设备先进：原料热解、气化、富氢重整、熔渣降碳多个过程在同一个炉内完成。

（2）煤种适应性好：理论上适用所有煤种。热焦循环，气化剂高温预热1200℃，气化温度高，保证液态排渣，大大提高煤种适应性；水冷壁内衬，“以渣抗渣”。

（3）碳转化率高：原料经过低温热解重整、高温熔融气化、熔渣深度降碳等三级反应，气化效率高，碳转化率≥99%，熔渣含碳低便于利用；W型对冲和四角切圆给粉喷嘴，强化气固混合，利于提高气化效率和碳转化率。

（4）富氢可调：高温段为煤焦水蒸气气化，产生高温合成气；低温段为煤粉热解气化重整，H2等有效气含量高；煤/焦采用煤气输送，减少无效气含量，进一步提高H2含量；多段联动，可调整H2/CO比。