权利要求

1.一种低硫低氮绿色增碳剂，其特征在于：所述增碳剂由木质纤维素类废弃物经多级梯度热解、定向催化裂解及惰性气氛冷却工序制得;所述增碳剂中固定碳含量≥95.0%，硫含量≤0.05%，氮含量≤200ppm，灰分≤2.0%，挥发分≤1.5%;所述增碳剂的微观结构呈层状石墨微晶排列，X射线衍射图谱中(002)晶面衍射峰半高宽≤0.45°;所述木质纤维素类废弃物为果壳、秸秆、木屑、竹屑中的一种或多种混合物，其初始含水率为8%至12%，粒径为3mm至8mm。

2.根据权利要求1所述的低硫低氮绿色增碳剂，其特征在于：所述增碳剂的粒径为1mm至5mm，且采用双层防潮铝塑复合膜真空包装，所述复合膜内层为聚乙烯热封层，外层为铝箔阻隔层，水蒸气透过率≤0.5g/(m2·24h)，氧气透过率≤5cm3/(m2·24h·0.1MPa)。

3.一种应用于权利要求1至2任一所述的低硫低氮绿色增碳剂的低硫低氮绿色增碳剂生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，原料预处理：将木质纤维素类废弃物干燥至含水率8%至12%，破碎筛分至粒径3mm至8mm，得到初级碳质颗粒;

步骤S2，一级低温热解：将初级碳质颗粒在300℃至400℃、氮气氛围下保温60分钟至90分钟，使半纤维素与部分纤维素发生脱水脱羧反应;

步骤S3，二级中温热解：将一级热解产物在500℃至600℃、氮气氛围下保温40分钟至70分钟，促使木质素主链断裂并脱除部分结合态氮、硫化合物;

步骤S4，三级高温石墨化：将二级热解产物在1200℃至1400℃、氩气氛围下保温30分钟至60分钟，诱导碳原子重排形成局部石墨微晶结构，并促使残余C–N、C–S化学键断裂;

步骤S5，定向催化裂解：在三级高温石墨化阶段同步引入CeO2–ZrO2/γ-Al2O3催化剂，所述催化剂中CeO2与ZrO2摩尔比为3:1，总负载量为γ-Al2O3载体质量的8%，催化剂颗粒粒径为0.5mm至1.2mm，以固定床形式置于热解气流通道中，通过氧空位机制活化H2O和CO2生成活性氧物种，选择性裂解噻吩、吡啶类杂环化合物;

步骤S6，惰性气氛冷却与筛分：将催化裂解后的高温碳料在氩气保护下以≤5℃/min速率冷却至80℃以下，再经筛分获得1mm至5mm粒径的增碳剂成品;

步骤S7，闭环式尾气净化与资源回收：将各级热解及催化裂解产生的混合尾气依次通过旋风除尘器、碱液喷淋塔、活性炭吸附柱及冷凝回收单元，其中碱液喷淋塔采用5%NaOH溶液且pH值维持在10.5至11.5，活性炭吸附柱填充碘值≥900mg/g的椰壳基活性炭，冷凝回收单元运行温度为-10℃至5℃，回收的焦油回用于催化剂再生助燃，冷凝水经中和后回用于碱液配制。

4.根据权利要求3所述的低硫低氮绿色增碳剂生产方法，其特征在于：所述一级低温热解、二级中温热解与三级高温石墨化工序分别在第一、第二、第三连续式回转窑中进行，各回转窑炉体倾斜角度为3°至5°，转速为0.5rpm至2.0rpm，物料停留时间通过调节转速与进料速率控制;各窑之间通过气密性旋转阀连接，确保惰性气氛连续贯通;炉体外壁包裹厚度为150mm、导热系数≤0.020W/(m·K)的纳米气凝胶隔热层。

5.根据权利要求4所述的低硫低氮绿色增碳剂生产方法，其特征在于：所述第一、第二、第三连续式回转窑的加热系统采用电加热与生物质燃气耦合供能模式，所述生物质燃气来源于尾气净化系统中不可冷凝可燃气体经脱硫脱硝处理后的回收气体，燃烧热效率≥85%，能源自给率不低于60%。

6.根据权利要求3所述的低硫低氮绿色增碳剂生产方法，其特征在于：所述CeO2–ZrO2/γ-Al2O3催化剂在首次使用前经550℃空气气氛焙烧4小时以稳定晶相结构;使用周期达120小时后，在450℃下通入含5%O2的氮气再生2小时以恢复氧空位浓度;再生废气导入碱液喷淋塔处理;催化剂失活后整体更换，废催化剂经酸浸回收稀土元素，残渣作为陶瓷釉料添加剂资源化利用。

7.根据权利要求3所述的低硫低氮绿色增碳剂生产方法，其特征在于：所述一级低温热解中氮气流量为60Nm3/h至80Nm3/h，所述二级中温热解中氮气流量为50Nm3/h至70Nm3/h，所述三级高温石墨化中氩气流量为40Nm3/h至60Nm3/h。

8.根据权利要求3所述的低硫低氮绿色增碳剂生产方法，其特征在于：所述定向催化裂解所用催化剂的CeO2与ZrO2摩尔比为2:1至3:1，总负载量为γ-Al2O3载体质量的8%至10%。

9.根据权利要求3所述的低硫低氮绿色增碳剂生产方法，其特征在于：所述惰性气氛冷却中冷却速率控制在3℃/min至5℃/min，冷却终点温度为70℃至80℃。

10.根据权利要求3所述的低硫低氮绿色增碳剂生产方法，其特征在于：所述闭环式尾气净化中的冷凝回收单元运行温度为-5℃至0℃，碱液喷淋塔pH值精确控制在11.0±0.5。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及冶金材料技术领域，尤其涉及一种低硫低氮绿色增碳剂及其生产方法。

背景技术

[0002]在现代高端冶金工业体系中，特种钢材与高性能铸铁件的制造对原材料纯净度提出了前所未有的严苛要求。作为关键冶金辅料之一，增碳剂在钢水或铁水精炼过程中承担着调节碳含量、优化组织性能的核心功能。然而，传统增碳剂普遍含有较高水平的硫、氮等有害杂质元素，这些元素一旦进入熔融金属体系，极易引发热脆、时效脆化、气孔缺陷及夹杂物聚集等冶金质量问题，严重制约高端金属材料的力学性能、加工性能与服役寿命。因此，开发兼具超低硫、超低氮含量与高碳收得率的绿色增碳剂，已成为支撑洁净钢冶炼技术升级和实现战略目标的关键环节。在此背景下，“绿色增碳剂”不仅需满足成分纯净的基本要求，更应贯穿原料可再生性、生产过程低碳化、污染物近零排放及资源高效循环利用等全生命周期环保理念，从而真正契合现代冶金工业对可持续、高质量发展的内在需求。

[0003]当前技术体系在应对超低硫、超低氮绿色增碳剂需求时，陷入两难困境：物理提纯路径受限于原理瓶颈，无法深度脱除化学态硫氮杂质;而冶炼协同路径则忽视材料本体的绿色制造内涵，难以支撑可持续发展目标。更深层次的技术矛盾在于，若要实现硫≤0.05%、氮≤200ppm的超净控制，必须突破单一物理或单一化学处理的局限，构建一种能够精准识别并高效裂解碳基体中C–N、C–S化学键的深度净化机制;与此同时，该机制还需与低碳原料体系、节能型热工制度及闭环式污染防控系统有机融合，方能在保障极致纯净度的同时，实现生产过程的绿色化与规模化。这一矛盾的本质，是材料纯净度极限提升与制造过程环境负荷降低之间的协同难题，亦是现有技术范式难以逾越的理论与工程鸿沟。因此，如何通过原料-工艺-环保三位一体的创新设计，开发一种既能实现硫、氮杂质超深度脱除，又具备全生命周期绿色属性的增碳剂及其可工业化生产方法，已成为本领域技术人员当前面临的关键挑战和亟待解决的技术难题。

发明内容

[0004]本发明的目的是提供一种低硫低氮绿色增碳剂及其生产方法，以解决现有技术中增碳剂硫、氮杂质高及制备过程高碳排的问题。

[0005]为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一方面，一种低硫低氮绿色增碳剂，包括：

所述增碳剂由生物质基碳源经多级梯度热解、定向催化裂解及惰性气氛冷却工序制得;所述增碳剂中固定碳含量≥95.0%，硫含量≤0.05%，氮含量≤200ppm，灰分≤2.0%，挥发分≤1.5%;所述生物质基碳源为木质纤维素类废弃物，包括但不限于果壳、秸秆、木屑、竹屑中的一种或多种混合物，其初始含水率控制在8%至12%，粒径范围为3mm至8mm;所述增碳剂的微观结构呈层状石墨微晶排列，X射线衍射图谱中(002)晶面衍射峰半高宽≤0.45°，表明其具备高度有序的碳骨架结构，有利于在熔融金属中快速溶解并提高碳收得率。

[0006]另一方面，一种低硫低氮绿色增碳剂生产方法，包括以下步骤：

步骤S1，原料预处理：将生物质基碳源经干燥、破碎、筛分后，得到粒径均匀、含水率稳定的初级碳质颗粒;

步骤S2，一级低温热解：将初级碳质颗粒送入第一热解炉，在300℃至400℃温度区间、氮气氛围下保温60分钟至90分钟，使半纤维素与部分纤维素发生脱水、脱羧反应，释放出以CO2、H2O及少量有机酸为主的初级挥发分，同时保留木质素骨架结构;

步骤S3，二级中温热解：将一级热解产物转移至第二热解炉，在500℃至600℃温度区间、氮气氛围下保温40分钟至70分钟，促使木质素主链断裂，生成芳香族焦油前驱体，并同步脱除部分结合态氮、硫化合物;

步骤S4，三级高温石墨化：将二级热解产物送入第三热解炉，在1200℃至1400℃温度区间、氩气氛围下保温30分钟至60分钟，诱导碳原子重排形成局部石墨微晶结构，同时促使残余C–N、C–S化学键发生热力学不稳定性断裂;

步骤S5，定向催化裂解：在三级高温石墨化阶段同步引入负载型金属氧化物催化剂，所述催化剂为CeO2–ZrO2复合氧化物负载于γ-Al2O3载体上，其中CeO2与ZrO2摩尔比为3:1，总负载量为催化剂载体质量的8%，催化剂颗粒粒径为0.5mm至1.2mm，以固定床形式置于热解气流通道中;该催化剂通过氧空位机制活化热解气中的H2O和CO2，原位生成活性氧物种，选择性攻击碳基体表面及孔隙内的噻吩、吡啶类杂环化合物，使其裂解为H2S、NH3等小分子气体并随气相排出;

步骤S6，惰性气氛冷却与筛分：将催化裂解后的高温碳料在氩气保护下以≤5℃/min的速率冷却至80℃以下，防止二次氧化及氮吸附，随后经振动筛分去除粒径小于1mm的细粉，得到目标粒径为1mm至5mm的增碳剂成品;

步骤S7，闭环式尾气净化与资源回收：将各级热解及催化裂解过程中产生的混合尾气依次通过旋风除尘器、碱液喷淋塔、活性炭吸附柱及冷凝回收单元;其中，旋风除尘器用于捕集大于10μm的颗粒物;碱液喷淋塔采用浓度为5%的NaOH溶液，pH值维持在10.5至11.5，用于吸收H2S、SO2及有机酸蒸气;活性炭吸附柱填充碘值≥900mg/g的椰壳基活性炭，用于吸附残留的焦油蒸气及挥发性有机物;冷凝回收单元在-10℃至5℃温度区间运行，回收液态焦油及水分，其中焦油回用于催化剂再生助燃，水分经中和处理后回用于碱液配制，实现水资源内部循环。

[0007]作为本发明的一种优选实施方式，所述第一热解炉、第二热解炉与第三热解炉均为连续式回转窑结构，炉体倾斜角度为3°至5°，转速为0.5rpm至2.0rpm，物料停留时间通过调节转速与进料速率精确控制;各炉段之间通过气密性旋转阀连接，确保惰性气氛连续贯通，防止空气渗入导致局部燃烧或氮氧化物生成;炉体外壁包裹厚度为150mm的纳米气凝胶隔热层，导热系数≤0.020W/(m·K)，显著降低热损失;加热系统采用电加热与生物质燃气耦合供能模式，其中生物质燃气来源于尾气净化系统回收的不可冷凝可燃气体，经脱硫脱硝后进入燃烧室，热效率≥85%，实现能源自给率不低于60%。

[0008]作为本发明的一种优选实施方式，所述CeO2–ZrO2/γ-Al2O3催化剂在使用前需经550℃空气气氛下焙烧4小时以稳定晶相结构，使用周期为120小时后，通过通入含5%O2的氮气在450℃下再生2小时，恢复氧空位浓度;再生废气导入碱液喷淋塔统一处理;催化剂失活后整体更换，废催化剂经酸浸回收稀土元素，残渣作为陶瓷釉料添加剂资源化利用。

[0009]作为本发明的一优选实施方式，所述增碳剂成品包装采用双层防潮铝塑复合膜，内层为聚乙烯热封层，外层为铝箔阻隔层，水蒸气透过率≤0.5g/(m2·24h)，氧气透过率≤5cm3/(m2·24h·0.1MPa)，确保产品在储存运输过程中不吸湿、不氧化、不吸附环境氮气。

[0010]本发明所述一种低硫低氮绿色增碳剂生产方法，其核心创新在于将生物质原料的本征低碳属性、多级梯度热解的结构调控能力、定向催化裂解的化学键精准断裂机制与闭环式污染防控系统深度融合，形成“原料-结构-杂质-排放”四维协同的绿色制造范式。具体而言，木质纤维素类生物质本身不含化石硫、氮污染物，其氮主要以蛋白质形式存在，硫含量极低(通常<0.1%)，从源头规避了石油焦、无烟煤等传统碳源固有的高硫高氮缺陷;多级梯度热解通过分阶段控制温度与气氛，避免剧烈热解导致的碳结构坍塌与杂质包埋，为后续深度脱杂创造有利孔隙通道;定向催化裂解则利用CeO2–ZrO2复合氧化物的强氧化还原能力，在非燃烧条件下选择性裂解顽固C–N、C–S键，而非依赖高温焚烧或强酸强碱处理，既避免二次污染，又保留碳骨架完整性;闭环式尾气净化系统则确保所有工艺废气、废水、固废均被有效捕集与资源化，实现近零外排。

[0011]进一步地，本发明所述增碳剂在实际冶金应用中表现出优异的冶金性能。将其以0.5kg/t至2.0kg/t的添加比例加入电弧炉或感应炉中的钢水或铁水中，在1550℃至1650℃冶炼温度下，碳收得率稳定在92%至96%，显著高于市售石油焦基增碳剂(通常为85%至90%);由于硫、氮杂质极低，钢水脱硫负担减轻，LF精炼时间缩短15%至20%;铸件中气孔率下降至0.05%以下，夹杂物评级达到ASTME45标准A类≤0.5级、B类≤0.5级;力学性能测试表明，采用本发明增碳剂生产的QT600-3球墨铸铁，其抗拉强度≥620MPa，延伸率≥4.5%，冲击功≥12J，完全满足高端工程机械与风电齿轮箱部件的技术规范。

[0012]与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：

本发明通过原料可再生性、工艺梯度化、催化精准化与排放闭环化的系统集成，成功实现低硫低氮绿色增碳剂的可控制备。稳定达到低硫、低氮的技术指标，各技术要素在原料、工艺、催化剂、冷却、尾气处理等维度具有必要性和协同效应，不仅解决了高端冶金对增碳剂纯净度的极限需求，更构建了一条符合“双碳”战略的绿色制造路径，具有显著的产业应用价值与环境效益。

附图说明

[0013]图1为本发明低硫低氮绿色增碳剂生产方法的工艺流程示意图;

图2为本发明所用CeO2–ZrO2/γ-Al2O3催化剂在热解气流通道中的固定床布置及尾气闭环净化系统结构示意图。

具体实施方式

[0014]下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本发明，而不是限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

[0015]本发明提供一种低硫低氮绿色增碳剂及其生产方法，其核心在于以木质纤维素类生物质废弃物为原料，通过多级梯度热解、定向催化裂解与闭环式尾气净化三者协同作用，实现对硫、氮杂质的超净控制，并构建全生命周期低碳化、近零排放的绿色制造体系。以下将结合附图及多个实施例，对本发明的技术方案进行系统、详尽且可复现的工程化描述。

[0016]一种低硫低氮绿色增碳剂由生物质基碳源经多级梯度热解、定向催化裂解及惰性气氛冷却工序制得。该增碳剂中固定碳含量不低于95.0%，硫含量不超过0.05%，氮含量不超过200ppm，灰分含量不高于2.0%，挥发分含量不高于1.5%。其微观结构呈现层状石墨微晶排列特征，在X射线衍射(XRD)图谱中，(002)晶面衍射峰的半高宽不超过0.45°，表明碳骨架具有高度有序性，有利于在高温熔融金属中快速溶解并提升碳元素的收得效率。

[0017]生物质基碳源为木质纤维素类废弃物，具体包括果壳、秸秆、木屑、竹屑中的一种或多种混合物。原料在进入热解系统前需进行预处理，使其初始含水率精确控制在8%至12%范围内，粒径范围限定为3mm至8mm。此粒径与含水率窗口的设定，旨在确保物料在热解过程中传热均匀、挥发分析出可控，并避免因水分过高导致热解能耗剧增或因粒径过细引发流化异常。

[0018]一种低硫低氮绿色增碳剂生产方法，包含七个连续且相互耦合的工艺步骤：

步骤S1，原料预处理：将收集的生物质原料依次通过干燥、破碎与筛分工序。干燥采用间接加热滚筒干燥机，热风温度控制在120℃至140℃，使物料最终含水率稳定于目标区间;破碎采用双轴剪切式破碎机，出料粒径经振动筛分级后保留3mm至8mm颗粒，剔除过大或过细组分，确保后续热解反应的一致性与可控性。

[0019]步骤S2，一级低温热解：将预处理后的初级碳质颗粒以连续进料方式送入第一热解炉。该炉为连续式回转窑结构，炉体倾斜角度设为4°，转速调节至1.2rpm，物料停留时间约为75分钟。炉内维持氮气氛围，气体流量为80Nm3/h，炉温精确控制在300℃至400℃区间。在此条件下，半纤维素优先发生脱水、脱羧反应，释放出以CO2、H2O及少量乙酸、甲酸为主的初级挥发分，而木质素骨架因热稳定性较高得以部分保留，形成初步碳化结构。此阶段的关键在于避免温度骤升导致焦油大量生成或碳结构致密化，从而为后续深度脱杂预留孔隙通道。

[0020]步骤S3，二级中温热解：一级热解产物经气密性旋转阀自动转移至第二热解炉。该炉同样采用连续式回转窑设计，倾斜角为4.5°，转速1.0rpm，炉温升至500℃至600℃，氮气流量调整为60Nm3/h，保温时间为40至70分钟。在此阶段，木质素主链发生断裂，生成富含芳香环结构的焦油前驱体，同时部分以吡咯、吲哚等形式存在的结合态氮以及以硫醇、硫醚形式存在的有机硫化合物开始热解脱除。由于温度尚未达到剧烈裂解阈值，碳骨架仍保持一定开放性，有利于杂质分子向气相迁移。

[0021]步骤S4，三级高温石墨化：二级热解产物被输送至第三热解炉，该炉采用氩气作为保护气氛，流量为50Nm3/h，炉温升至1200℃至1400℃，保温时间为30至60分钟。在此高温下，无定形碳原子发生重排，局部形成石墨微晶结构，表现为XRD(002)峰尖锐化、半高宽收窄。同时，残余的C–N键和C–S键因热力学不稳定性而发生断裂，释放出NH3、HCN、H2S等小分子含杂气体。此阶段是实现碳结构有序化与杂质深度脱除的关键环节。

[0022]步骤S5，定向催化裂解：在三级高温石墨化阶段同步引入负载型金属氧化物催化剂。该催化剂为CeO2–ZrO2复合氧化物负载于γ-Al2O3载体上，其中CeO2与ZrO2的摩尔比为3:1，总负载量为载体质量的8%。催化剂颗粒经压片、造粒后筛分为0.5mm至1.2mm粒径，以固定床形式置于热解气流通道中，位于第三热解炉出口与冷却段之间的过渡区。催化剂通过其表面丰富的氧空位活化热解气中的H2O和CO2，原位生成·OH、O-等活性氧物种，这些活性物种选择性攻击碳基体表面及微孔内的噻吩、吡啶、喹啉等杂环化合物，促使其开环裂解为H2S、NH3等小分子，并随气相排出体系。该过程在非燃烧条件下完成，既避免了碳骨架烧损，又实现了对顽固杂原子的化学精准清除。

[0023]步骤S6，惰性气氛冷却与筛分：催化裂解后的高温碳料立即进入冷却段，在持续通入氩气的保护下，以不超过5℃/min的速率缓慢冷却至80℃以下。冷却速率的严格控制旨在防止高温碳表面在降温过程中吸附大气中的氧气或氮气，从而避免二次氧化或氰基化合物的形成。冷却完成后，物料经双层振动筛分系统处理，上层筛网孔径为5mm，下层为1mm，仅保留1mm至5mm粒径区间的产品作为成品增碳剂，小于1mm的细粉被回收用于催化剂再生助燃或作为低品位碳源回用。

[0024]步骤S7，闭环式尾气净化与资源回收：各级热解及催化裂解过程中产生的混合尾气经统一管道汇集后，依次通过四级处理单元：首先经旋风除尘器去除粒径大于10μm的固体颗粒;随后进入碱液喷淋塔，塔内循环喷淋浓度为5%的NaOH溶液，溶液pH值通过在线监测与自动加碱系统维持在10.5至11.5之间，有效吸收H2S、SO2及有机酸蒸气，生成Na2S、Na2SO3等可溶性盐;接着通过活性炭吸附柱，柱内填充碘值不低于900mg/g的椰壳基活性炭，吸附残留的焦油蒸气、苯系物及微量VOCs;最后进入冷凝回收单元，该单元采用制冷机组维持-10℃至5℃的低温环境，使可凝性组分冷凝分离。其中，可凝性组分包括水分与液态焦油，回收的焦油经滤渣后作为辅助燃料用于催化剂再生阶段的燃烧供热;冷凝水经pH中和及微量COD检测合格后，回用于碱液配制系统，实现水资源内部闭环循环。

[0025]第一、第二、第三热解炉均采用连续式回转窑结构，炉体外壁包裹厚度为150mm的纳米气凝胶隔热层，其导热系数不高于0.020W/(m·K)，显著降低辐射与对流热损失。加热系统采用电加热与生物质燃气耦合供能模式：电加热用于启动阶段及温度精细调控;生物质燃气则来源于尾气净化系统中不可冷凝可燃气体。该不可冷凝可燃气体主要成分为CH4、H2、CO，采用ZnO吸附剂脱硫、选择性非催化还原SNCR脱硝处理后送入专用燃烧室，燃烧热效率不低于85%，整体能源自给率可达60%以上，大幅降低对外部化石能源的依赖。

[0026]CeO2–ZrO2/γ-Al2O3催化剂在首次使用前需在550℃空气气氛下焙烧4小时，以促进CeO2与ZrO2形成固溶体结构并稳定γ-Al2O3载体孔道。催化剂在连续运行120小时后，其氧空位浓度因积碳覆盖而下降，此时通入含5%O2的氮气混合气，在450℃下进行2小时再生处理，使积碳氧化脱除，恢复催化活性。再生废气导入碱液喷淋塔统一处理。当催化剂经历三次再生后活性衰减超过15%，则整体更换，废催化剂经1mol/LHNO3溶液浸出，回收Ce、Zr等稀土及稀有金属，残渣因富含Al2O3与硅酸盐，可作为陶瓷釉料添加剂实现资源化利用。

[0027]增碳剂成品采用双层防潮铝塑复合膜进行真空包装。内层为聚乙烯热封层，厚度80μm，具备良好热封强度与耐穿刺性;外层为9μm厚铝箔阻隔层，复合后整体水蒸气透过率不高于0.5g/(m2·24h)，氧气透过率不高于5cm3/(m2·24h·0.1MPa)。该包装结构有效隔绝环境湿气与氧气，防止产品在储存运输过程中吸湿结块、氧化失活或吸附大气氮气，确保出厂性能长期稳定。

[0028]以下通过四个具体实施例与八个对比例，对本发明的技术效果进行量化验证。所有实验均在相同实验室中试装置上完成，设备型号、原料批次、检测标准严格统一。原料检测依据GB/T22878-2020《增碳剂》，硫含量按GB/T20124-2006即高频红外吸收法测定，氮含量按GB/T20125-2006即惰性气体熔融-热导法测定，固定碳、灰分、挥发分按GB/T212-2008工业分析方法执行，碳收得率通过钢水冶炼前后碳平衡计算得出。

[0029]实施例1

取干燥核桃壳颗粒500kg，其含水率为9.2%，粒径分布为4mm至6mm。物料首先进入第一热解炉，在350℃、氮气流量80Nm3/h条件下保温75分钟;随后转入第二热解炉，在550℃、氮气流量60Nm3/h下保温60分钟;再送入第三热解炉，在1300℃、氩气流量50Nm3/h下保温45分钟，同步引入CeO2–ZrO2/γ-Al2O3催化剂(CeO2:ZrO2=3:1，负载量8%)。高温碳料在氩气保护下以4℃/min速率冷却至70℃，经筛分得1mm至5mm颗粒。尾气依次经旋风除尘、pH=11.0的5%NaOH喷淋、椰壳活性炭吸附及0℃冷凝处理。所得增碳剂检测结果为：固定碳96.3%，硫0.032%，氮185ppm，灰分1.7%，挥发分1.2%。将其以1.2kg/t添加量加入Q235钢电弧炉冶炼，碳收得率达94.1%。

[0030]实施例2

取混合生物质原料600kg，组成为稻壳40%、竹屑30%、木屑30%，含水率10.1%，粒径3mm至7mm。第一热解炉设定400℃保温60分钟，第二热解炉600℃保温40分钟，第三热解炉1400℃保温30分钟，催化剂同实施例1。冷却速率5℃/min，筛分后得目标产品。尾气处理流程与实施例1一致。产品检测结果：固定碳95.8%，硫0.041%，氮192ppm，灰分1.9%，挥发分1.4%。用于HT250灰铸铁生产，添加量1.8kg/t，碳收得率93.5%，铸件气孔率仅为0.03%。

[0031]实施例3

取杏仁壳颗粒400kg，含水率8.5%，粒径5mm至8mm。第一热解炉300℃保温90分钟，第二热解炉500℃保温70分钟，第三热解炉1200℃保温60分钟，催化剂负载量提升至10%，其余条件同实施例1。所得产品固定碳95.1%，硫0.028%，氮178ppm，灰分2.0%，挥发分1.5%。用于45#钢电炉冶炼，添加量1.0kg/t，碳收得率95.2%，LF精炼时间较常规工艺缩短18%。

[0032]实施例4

取玉米芯颗粒700kg，含水率11.3%，粒径3mm至5mm。第一热解炉380℃保温80分钟，第二热解炉580℃保温50分钟，第三热解炉1350℃保温40分钟，催化剂中CeO2:ZrO2比例调整为2:1，负载量8%;冷却速率设为3℃/min，尾气冷凝温度为-5℃。产品检测结果：固定碳96.7%，硫0.035%，氮189ppm，灰分1.6%，挥发分1.1%。用于QT700-2球墨铸铁生产，添加量2.0kg/t，铸件抗拉强度达635MPa，延伸率4.8%。

[0033]为验证本发明各技术要素的必要性，设置以下八个对比例：

对比例1

采用CN111500819B多级物理分选工艺处理初始硫0.8%、氮450ppm的石油焦原料，经破碎、磁选、比重分选、色选后得增碳剂。产品固定碳94.2%，硫0.38%，氮380ppm，灰分2.5%，挥发分2.0%。用于Q235钢冶炼，碳收得率仅87.3%，且需额外脱硫处理。

[0034]对比例2

采用CN104498805B“微氮增碳剂”制备方法，以氮0.02%的低氮石油焦直接破碎筛分，未进行深度脱硫。产品硫含量0.45%，氮190ppm，固定碳93.5%。用于45#钢冶炼时，因硫超标导致热轧板出现边裂缺陷。

[0035]对比例3

仅进行单级高温热解，取核桃壳在1300℃直接热解2小时，无梯度控温，无催化剂。产品固定碳92.1%，硫0.12%，氮350ppm，挥发分3.8%，碳结构无序，碳收得率仅82.6%。

[0036]对比例4

在实施例1条件下，以未负载活性组分的纯γ-Al2O3填料替代CeO2–ZrO2/γ-Al2O3催化剂。所得增碳剂硫0.085%，氮290ppm，表明缺乏催化作用时C–N、C–S键难以有效断裂。

[0037]对比例5

省略尾气碱液喷淋步骤，仅保留旋风除尘与活性炭吸附。尾气中H2S未被吸收，部分回窜至冷却段，导致产品硫含量回升至0.072%。

[0038]对比例6

采用空气自然冷却替代惰性气氛冷却。高温碳料暴露于空气中冷却至室温，产品氮含量升至280ppm，系因高温碳表面吸附大气氮并形成氰基(–C≡N)等含氮官能团所致。

[0039]对比例7

使用初始硫0.6%、氮500ppm的煤基活性炭替代生物质原料，按实施例1工艺处理。最终产品硫0.15%，氮320ppm，无法达到本发明设定的超净控制阈值。

[0040]对比例8

催化剂中CeO2:ZrO2比例改为1:3，其余条件同实施例1。因ZrO2占比过高导致氧空位密度不足，催化氧化能力下降，产品硫0.068%，氮260ppm，未满足≤0.05%硫与≤200ppm氮的技术要求。

[0041]上述实施例与对比例的数据汇总如下表所示：

从表中可见，四个实施例均稳定达到硫≤0.05%、氮≤200ppm的核心指标，且固定碳含量高、挥发分低，冶金应用性能优异。而八个对比例分别在原料选择、热解路径、催化体系、冷却方式或尾气处理等单一或多个环节偏离本发明技术方案，均导致关键杂质指标超标或碳收得率显著下降，充分证明本发明所构建的“原料-结构-杂质-排放”四维协同工艺体系具有不可分割的整体性与技术必要性。

[0042]本发明通过系统集成可再生生物质原料、多级梯度热解结构调控、定向催化化学键断裂及闭环资源化排放控制，成功实现低硫低氮绿色增碳剂的规模化、可复制化生产。该技术不仅满足高端冶金对增碳剂纯净度的极限要求，更契合国家战略导向，为冶金辅料行业的绿色转型提供了切实可行的技术路径。

[0043]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

说明书附图(2)