EAF粉尘负载稻秸生物炭的协同催化机制及其在电弧炉炼钢中高效泡沫化应用研究

针对电弧炉(EAF)炼钢中生物炭利用率低、传统发泡剂碳排放高的问题，研究人员通过稻秸与EAF粉尘共热解制备高密度改性生物炭(D-CSC)，系统比较了其与普通稻秸生物炭(CSC)的理化特性及与炉渣的还原行为。结果表明，EAF粉尘催化热解提升了生物炭产率，D-CSC具有更高密度(1.43 g/cm3)、粗糙度和反应活性，与炉渣还原速率显著优于CSC，为绿色低碳炼钢提供了新技术路径。

　　

在追求碳中和目标的背景下，电弧炉(EAF)炼钢作为短流程工艺备受关注，但其生产过程中泡沫渣的形成依赖传统碳基发泡剂，导致碳排放居高不下。更棘手的是，生物炭虽被视为潜在替代品，却因密度低、反应活性不足导致利用率低下，严重制约其工业化应用。与此同时，每吨EAF钢产生10-20公斤富含铁锌的粉尘，传统处理方式成本高且污染重。如何将这两大难题协同解决，成为钢铁行业绿色转型的关键突破口。

北京科技大学的研究团队独辟蹊径，提出将EAF粉尘与稻秸共热解制备改性生物炭(D-CSC)的创新策略。通过系统比较D-CSC与普通稻秸生物炭(CSC)的理化特性及与炉渣的相互作用，发现EAF粉尘中的金属成分在热解过程中发挥催化作用，显著提升生物炭的密度和反应活性。相关研究成果发表于《Fuel》，为生物炭在EAF炼钢中的高效利用提供了理论依据和技术支撑。

研究采用多尺度表征技术：通过SEM-EDS(扫描电镜-能谱联用)分析微观形貌与元素分布，FTIR(傅里叶变换红外光谱)和Raman光谱解析官能团与碳结构，TG-MS(热重-质谱联用)动态监测还原反应气体产物，XRD(X射线衍射)追踪物相演变。实验样本包括中国河南省稻秸及国内某EAF厂的炉渣与粉尘，生物炭与炉渣按1:5质量比混合研究相互作用。

碳化率与密度分析
EAF粉尘使D-CSC碳化率提升至44.93%，密度达1.43 g/cm³，较CSC提高34%。粗糙度分析显示D-CSC表面形成更多活性位点，这归因于粉尘中Fe₂O₃等成分催化分解生物质大分子，促进孔隙发育。

结构特性表征
Raman光谱中D-CSC的I_D/I_G值(1.03)高于CSC(0.91)，表明石墨化程度降低，无序碳结构增多。FTIR检测到D-CSC中醇羟基和烷基特征峰增强，证实粉尘催化促进了含氧官能团转化，这与TG-MS检测到更多CO/CO₂释放的现象相互印证。

炉渣还原行为
在1400℃还原实验中，D-CSC的峰值反应速率达0.58%/min，是CSC的1.6倍。XRD显示D-CSC组炉渣中FeO含量更低，说明其能更高效还原渣中铁氧化物。动力学分析表明D-CSC将反应活化能降低21%，显著加速界面传质过程。

该研究证实EAF粉尘通过双重机制提升生物炭性能：一方面催化热解优化碳结构，增加活性位点；另一方面金属氧化物参与还原反应，形成"粉尘-生物炭-炉渣"协同作用链。这种改性策略不仅使生物炭具备更强的渣层穿透能力（密度提升），还确保其在有限停留时间内完成充分反应（活性增强），破解了注入效率低的核心瓶颈。更值得注意的是，该技术实现了固体废弃物(EAF粉尘)的高值化利用，形成"以废治废"的循环经济模式，为钢铁行业碳减排提供了兼具环境效益与经济效益的解决方案。研究团队指出，未来需进一步优化粉尘添加比例，并探索不同生物质原料的适配性，以推动该技术走向规模化应用。