工业固废催化热解花生壳提升生物质燃气品质的机理与应用研究

本研究针对钢铁工业固废（DA、MS、TLS）资源化利用与生物质能转化效率低的双重挑战，创新性地采用脱硫灰（DA）、轧钢氧化皮（MS）和铁尾矿浸出液（TLS）催化热解花生壳（PNS）。结果表明，TLS使热解气产率提升90.65%，DA通过促进CH4 和H2 生成将燃气热值提高至8.15 MJ/m3 ，同时Ca(OH)2 吸收CO2 优化燃气组分。该研究为工业固废高值化利用和清洁能源开发提供了新思路。

　　

随着全球能源危机和环境问题加剧，生物质能作为可再生碳中性能源备受关注。然而，传统生物质热解技术面临燃气热值低、氧含量高导致腐蚀性等问题。与此同时，钢铁工业每年产生数百万吨脱硫灰（DA）、轧钢氧化皮（MS）和铁尾矿等固体废弃物，其堆存不仅占用土地，更造成严重的土壤和地下水污染。如何实现工业固废资源化与生物质能高效转化的协同创新，成为当前研究的关键突破口。

在这项发表于《Carbon Resources Conversion》的研究中，来自鞍钢集团和合作单位的研究团队开创性地将三种钢铁固废作为催化剂，应用于花生壳（PNS）的热解过程。通过系统比较DA、MS和铁尾矿浸出液（TLS）的催化性能，发现TLS可使热解气产率提升至42.26 wt%（daf），而DA通过双重作用——催化生成高热量气体（CH₄
和H₂
）与Ca(OH)₂
吸收CO₂
，将燃气低热值（LHV）从7.43 MJ/m³
提升至8.15 MJ/m³
，增幅达1.1倍。

研究团队采用热重分析（TG-DTA/DSC）、管式炉热解实验结合气相色谱（GC）分析等关键技术，通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）揭示了催化剂的作用机制。在600°C的优化温度下，系统考察了不同催化剂配比对产物分布的影响。

3.1 热重分析
DTG曲线显示PNS主分解区间为195-430°C，而DA在400-740°C呈现多阶段分解特征，TLS中Fe₂
(SO₄
)₃
在480°C以上分解产生SO₃
，这些特性为催化热解温度选择提供了依据。

3.2 热解产物分布
当Fe₂
(SO₄
)₃
浓度达15 wt%时，TLS-PNS热解气产率最高（42.26 wt%），生物炭产率降至35.41%。DA/PNS比例为40/100时，生物油产率最低（18.86 wt%），表明催化剂促进小分子化合物形成。

3.3 燃气特性优化
DA使CH₄
和H₂
体积分别增加51.27%和77.30%，XRD证实Ca(OH)₂
转化为CaCO_{3>（式6），实现CO2
原位捕集。MS通过Fe2
O3
还原为Fe3
O4
（式7）促进CO转化，而TLS中Fe2
(SO4
)3
与CO反应（式8）导致CO2
产量激增。}

3.4 生物炭结构演变
SEM显示TLS-PNS生物炭表面形成大量晶体颗粒，孔隙结构显著增加，与热解气产率提升相印证。DA/PNS生物炭出现CaCO₃
特征峰（1433 cm^-1
），FTIR证实了CO₂
固定过程。

3.5 模型化合物解析
通过微晶纤维素（MCC）和碱性木质素（LG）模型实验，发现DA选择性裂解LG中甲氧基生成CH₄
，同时促进MCC分解产H₂
，揭示了组分特异性催化机制。

这项研究的重要意义在于：首次系统比较了三类钢铁固废对生物质热解的差异化催化效果，建立了"固废特性-催化机制-产物调控"的完整认知框架。提出的DA双重增效机制（催化改质+CO₂
捕集）为生物质燃气品质提升提供了新思路，而TLS对热解气产率的显著提升则展现了工业固废在能源转化中的巨大潜力。该成果不仅为钢铁行业固废高值化利用开辟了新途径，更为发展低成本、可持续的生物质能技术提供了重要理论支撑和实践范例。