热溶解碳富集生物质提取物在焦化应用中的低碳冶金创新实践

为解决钢铁行业高CO2排放问题，研究人员通过热溶解碳富集（TDCE）技术将生物质转化为具有热塑性的提取物（Extract），替代10-20%粘结煤用于冶金焦生产。实验表明，焦炭反应后强度（CSR）提升至44.80%，反应性指数（CRI）降至30.56%，同时降低灰分和硫含量。该研究为生物质资源化利用和绿色冶金提供了新策略，兼具环境与经济效益。

　　

钢铁工业作为全球CO₂排放的主要来源之一，其核心环节——冶金焦生产长期依赖不可再生的粘结煤（如焦煤、肥煤），不仅面临资源枯竭压力，还加剧碳排放。中国“双碳”目标的提出，进一步倒逼行业寻求绿色替代方案。尽管生物质因其碳中性被视为潜在选项，但传统生物质炭直接掺入会劣化焦炭质量，如增加焦炭反应性指数（CRI）、降低反应后强度（CSR）。如何破解这一矛盾，成为行业技术革新的关键瓶颈。

针对这一挑战，国内某研究团队创新性地提出热溶解碳富集（Thermal-dissolution based carbon enrichment, TDCE）技术，通过非极性有机溶剂（如1-甲基萘）在350°C下处理锯末等生物质，将其转化为高芳香性、低灰分的提取物（Extract）。该提取物具有与粘结煤相似的热塑性，软化点低至251.5°C，碳含量高达88.32%，且硫含量仅为0.42%。研究团队通过中试规模试验验证了Extract替代10%焦煤或20%肥煤的可行性，相关成果发表于《Carbon Resources Conversion》。

研究采用¹³C核磁共振（¹³C NMR）分析Extract的芳香结构，热机械分析（TMA）测定其热塑性，并通过2 kg焦炉模拟工业焦化过程。焦炭性能通过CSR、CRI、光学组织指数等指标综合评价。

3.1. 原料与提取物特性
TDCE处理使生物质的氧含量从46.18%骤降至3.08%，芳香度（T_a）达59.11%，与煤基提取物结构高度相似。Extract的胶质层指数（G值）达90.89，优于所有试验用煤，证实其优异粘结能力。

3.2. 配煤与焦炭性能
替代10%焦煤时，焦炭CSR从41.72%提升至44.80%，CRI从35.24%降至30.56%；灰分和硫含量分别降低至12.69%和1.00%。扫描电镜显示焦炭微观结构致密，孔隙分布均匀。但过量替代（15%）会导致细镶嵌组织增加，反而削弱强度。

3.3. 作用机制与前景
Extract的低温软化特性扩展了配煤的塑性温度区间，促进胶质体（metaplast）形成。其低灰分（1.65%）和可再生属性可减少31-57%的CO₂排放。经济性分析表明，Extract成本（约1500元/吨）低于焦煤（2000元/吨），叠加碳税政策后将更具竞争力。

该研究首次实现生物质提取物对粘结煤的高比例替代，且同步提升焦炭质量，突破了传统生物质利用的技术天花板。未来需优化提取工艺以平衡产率与性能，并探索规模化应用的工程路径。这一成果为钢铁行业低碳转型提供了兼具科学性和实用性的解决方案。