水热预处理-蒸汽爆破耦合热解技术提升生物炭品质及其在钢铁工业中的应用研究

为解决生物炭在钢铁工业应用中存在的低密度、高碱金属含量和高反应活性等问题，研究人员通过水热预处理-蒸汽爆破(HTP-SE)结合热解技术对芒草等生物质进行处理，显著提升了生物炭的碳氢含量(分别提高10%和8%)和热值(最高增加5 MJ/kg)，同时降低灰分含量达45%。该研究首次证实预处理纤维的燃烧特性增强，所得生物炭在碱金属去除、磷含量控制及反应活性降低等方面表现出色，为钢铁工业实现化石燃料替代提供了新思路。

　　

钢铁工业作为全球碳排放的重要来源，面临着严峻的脱碳挑战。传统高炉-转炉(BF-BOF)工艺中，煤炭不仅是能源载体更是关键还原剂，而电弧炉(EAF)同样依赖化石燃料。尽管生物炭被视为潜在替代品，但其固有的低能量密度、高碱金属/磷含量以及与煤炭的物化性质差异，始终制约着实际应用。英国塔塔钢铁公司(Tata Steel UK Ltd.)的研究团队创新性地将水热预处理-蒸汽爆破(Hydrothermal Pretreatment-Steam Explosion, HTP-SE)与热解技术结合，系统评估了桦木、芒草和小麦秸秆等生物质经处理后的性能提升效果，相关成果发表在《Bioresource Technology》。

研究采用HTP-SE在192°C/1.3 MPa条件下处理生物质，通过热重分析(TGA)测定反应动力学，使用扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征微观结构，并结合高炉热质平衡模型评估工业适用性。关键发现包括：

3.1 HTP-SE对生物质组成的影响

预处理使生物质中半纤维素含量显著降低（桦木、芒草和秸秆分别减少45.1%、37.2%和2.7%灰分），木质素相对富集。元素分析显示碳氢含量提升而氧含量下降，为后续热解创造了有利条件。

3.2 HTP-SE对生物炭生产的改善

在300-550°C热解温度范围内，预处理使生物炭的CO₂气化反应时间延长2000秒以上，挥发分降低4.8-7.4%，高热值(HHV)提升达5 MJ/kg。特别是桦木衍生生物炭的焦炭替代比(RR)达0.87，优于多数工业用煤。

3.3 反应活性降低的机制

动力学模型显示HTP-SE生物炭活化能提高（随机孔模型测算桦木样品从148增至203 kJ/mol），FTIR证实芳香环结构和C=C键增加，而SEM观察到木质素熔融重构现象，共同解释了反应活性趋近煤炭的原因。

3.4 工业应用验证

热质平衡模型表明，以175 kg/t_HM的HTP-SE桦木生物炭完全替代煤粉，可使高炉碱金属负荷从4.0降至2.4 kg/t_HM，磷负荷降低38%，同时每年减少170万吨CO₂排放。

这项研究开创性地证明了HTP-SE技术能同步解决生物炭能量密度低、灰分高、反应活性强等核心问题。通过将生物质精炼与钢铁生产工艺耦合，不仅为钢铁行业脱碳提供了可行路径，还通过半纤维素提取创造了额外经济价值（预估木寡糖市场价值1.45亿美元）。该技术已具备工业化应用基础，相关设备由Valmet等公司商业化供应，为全球钢铁企业转型提供了重要技术支撑。