加拿大生物质炼铁技术前瞻.doc

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加拿大生物质炼铁技术前瞻

本文运用碳生命周期理论对未来生物质炼铁工艺进行评价。

预测工业规模生物质炼铁工艺中可能遇到的各种困难与问题，并找出相应的解决办法。

利用生物碳代替化石碳炼铁可使CO2总排放比传统高炉降低96%。

相信不久的将来，生物质炼铁技术将会投入工业生产。

用生物碳代替化石碳炼铁是减少CO2排放的有效方法之一。

加拿大生物碳资源储量十分丰富，所以，相关部门正在开展生物碳炼铁工艺研究并取得了一些可喜成果。

完成了用碳生命周期对生物碳炼铁工艺前景评价和技术路线的可行性研究；完成了加拿大工业规模生物质炼铁所需生物碳资源的客观形势分析以及路边林业残余生物碳的收集、加工与运输方案确定和生物质炼铁的CO2排放计算。

结果显示，生物质炼铁的CO2排放仅为62.8kg/t铁水，比高炉焦炭炼铁的CO2排放1552kg/t铁水减少了96%。

研究指出，生物质炼铁减少CO2排放的关键是必须保证炼铁生物碳来源于可再生资源，以实现CO2排放与生物生长过程中吸收的平衡，使温室气体（GHG）排放成为所谓的中性。

可以肯定，生物质炼铁一定会成为现实，投入工业化生产，一定能大幅度降低钢铁工业的GHG排放。

1基本情况

作为温室气体排放的主要工业部门之一的加拿大钢铁工业，最近若干年已连续不断，且大幅度地减少了能源消耗和CO2排放。

与1990年相比，到2008年止，加拿大钢铁工业的能耗和GHG排放已分别降低了24%和17%。

每吨造船钢的GHG排放已降低了30%。

为了进一步降低GHG排放，加拿大碳化研究协会CCRA已与CanmetENERGY联合开展了生物碳在钢铁工业中的应用研究。

生物碳涉及到近期生长的生物材料碳源。

与其他化石碳一样，燃烧生物碳也要排放CO2。

然而，燃烧可再生资源生物质释放的CO2可被生长中的再生资源吸收，达到吸收与排放平衡。

因为天然碳持续周期比化石燃料的碳周期短，认为可再生生物碳源燃烧时排放的CO2不增加大气中的GHG浓度而将其称之所谓的中性。

由此可见，高炉使用生物碳炼铁的优势是提供给铁矿石还原和熔化的生物碳不但对生产工艺无负面影响，排放的CO2不增加大气中的GHG浓度，还可在保证高炉的高生产率的前提下大幅度降低CO2排放和节约不可再生的化石能源。

调查证明，加拿大生物资源非常丰富。

森林面积约占国土面积的45%，相应的森林面积约为417.6百万公顷，从大西洋海岸到太平洋海岸和北极圈。

其中超过造林面积的一半约234.5百万公顷是茂密的森林。

每年可收获约100万公顷，仅占富饶森林面积的0.4%。

理论上讲可以通过工业生产过程中留余在路边的残余生物碳，如收割原木的切头切尾用于生物质炼铁。

已有两方面的研究成果可用于传统炼铁工业，并在不久的将来投入工业生产。

第一，可用生物碳部分代替混合煤用于炼焦；第二，生物碳可作为辅助燃料直接喷进高炉炉缸。

根据预测，以上两种方法用于传统炼铁可降低CO2排放约25%。

在此成果的基础上可以肯定，一种完全使用生物质炼铁的新颖工艺一定能够开发成功，减少CO2排放的愿望一定会成为现实。

作为工艺开发的第一步是从碳生命周期对未来生物质炼铁工艺进行评价。

以实用信息为基础，探索一种可行的技术路线，预测工业规模生物质炼铁工艺中可能遭遇到各种困难与问题并找出解决这些困难与问题的办法。

2原生生物质的需求与供给

生物碳工业规模炼铁，保证原生生物质材料的充足供应最为重要。

为此，假设生物质工业化炼铁与传统高炉炼铁的碳消耗相同，对加拿大国家现有的生物质储量与生物质炼铁所需碳量进行了粗略估计。

结果证明，加拿大生物质储量完全能满足生物质炼铁的需要。

与此同时，还对加拿大典型高炉炼铁的热量和质量平衡进行了科学计算，结果显示，生产1t铁水需要消耗碳426kg（来自焦炭和煤炭）。

在2005-2009年间，加拿大每年平均炼铁为780万t，因此，每年的碳消耗总量约为330万t。

因为加拿大所有钢铁厂均建在安大略省南部，而可用的生物质资源却在安大略及其邻省魁北克。

加拿大生物质研究网络CBIN分析认为，各种生物质资源中，以路边林产收获后的残余生物碳最适合工业炼铁。

CBIN与研发机构开展了对生物资源、生物燃料、工业生物产品收集与加工等其他相关问题的详细研究。

表1概括了加拿大每年产生的路边林业残余物分布。

这些路边残余涉及到收获期间原木的剥皮和去废丢弃物。

这些路边残余堆集在路边可用汽车运走。

在传统林业生产过程中，打扫收割地现场环境时，通常采用老办法即焚烧去除。

如表1所示，安大略和魁北克省收割原木时每年产生的路边残余生物质约为1100万t。

数量如此庞大的原生生物质采用焚烧法去除不仅造成巨大浪费，而且污染环境。

在这两个省内的主要林业产品是硬木木材。

硬木树皮干燥后的基本含碳量约为50.3%。

由此可见，安大略和魁北克省产生的路边林业残余生物质的总含碳量约为560万t/a。

大大超出了加拿大每年生产780万t生铁所需要的330万t生物碳。

表1  加拿大路边林业残余物分布

省份名称

路边林业残余物，Mt/a

不列颠哥伦比亚

13.7

阿尔伯大

3.3

萨斯喀彻温冰川

0.7

马里托巴

0.3

安大略

4.3

魁北克

6.8

硬质原木树皮路边残余生物质除了适合于炼铁，还具有如下优势：

①加拿大的所有钢铁厂建在安大略省南部，路边残余物距钢铁厂近，运输费用低；②路边残余物是森林工业的边角料，是传统意义上的废品；③树木品种多，不同树种的不同修剪不会造成消耗超过生长；④使用边角残余料，可避免生物质能源的生产与国家粮食生产争夺土地资源。

下面将要进行的不是生物质炼铁的一个完整的生命周期评价（LCA）。

因为生物质炼铁仍在研究之中，工艺研究还不足以进行完整生命周期评价（LCA）。

在系统范围内从碳生命周期进行分析应该同时注意到在碳生命周期每一个阶段的GHG排放。

尽管研究还不够全面和详细，但可以在传统高炉炼铁和生物质炼铁工艺之间进行直接对比。

3传统高炉炼铁的碳生命周期

传统高炉炼铁工艺的碳生命周期系统范围见图1。

假设工艺喷吹煤粉（PCI）为140kg/t铁水，在此系统内，碳的生命周期应从采煤开始，至煤运到钢铁厂并在钢铁厂内被炼成焦炭进入高炉，粉煤则直接喷进高炉炉缸，作为辅助燃料。

焦炭和煤粉中的碳在高炉被气化，回收残余化学能后释放出CO2。

以生产1t铁水排放的CO2为计量单位。

将系统分成4个子系统，即煤的开采、运输、炼焦和炼铁，见图1。

毫无疑问，炼铁系统每个子系统都要排出GHG。

炼铁和炼焦两个子系统的GHG排放，使用开发的热量和能量平衡模型进行计算。

煤的开采和运输的GHG排放则采用与之相似的燃煤发电系统进行计算。

在燃煤发电厂，碳的生命周期也开始于煤的开采和运输，止于煤燃烧发电直至最后将CO2排至大气。

在系统范围，碳的生命周期与传统高炉炼铁极为相似。

加拿大国家再生能源实验室（NREL）对燃煤发电厂碳生命周期分析发现，燃煤发电排放的GHG占据了碳生命周期的绝大部分，高达97.4%，煤的开采和运输所占比例很小，仅分别为总排放的0.9%和1.7%。

图1传统高炉炼铁碳生命周期系统

因为传统高炉炼铁与燃煤发电厂的碳生命周期极其相似。

所以，就总排放而言假设两系统的排放比例相同是符合情理的。

基于此种假设，以生产1t铁为标准对传统高炉炼铁工艺碳生命周期的4个子系统即煤的开采、运输、炼焦和炼铁的CO2排放进行了计算，CO2的排放值分别是14kg、26kg、133kg（煤耗为534kg煤/t焦）和1379kg（焦比368kg/t铁水+喷煤比140kg/t铁水），详见图2。

图2传统高炉炼铁碳生命周期CO2排放

4生物质炼铁的碳生命周期

分析生物质炼铁的碳生命周期时，使用的碳是原生生物材料即路边林业残余物。

上面已经提到，路边林业残余物是原木收割后切成商品材剩余的边角料，因此，与树木生长和收割有关的资源消耗和GHG排放已经放在林业加工生产中进行了计算。

由此可知，路边林业残余材料用于生物质炼铁，其碳生命周期始于路边林业残余物现场收集。

生物质炼铁碳生命周期系统见图3。

图3生物质炼铁碳生命周期系统

收集路边林业残余物并将其加工成适合于生物质炼铁材料的方法有许多，下面介绍的也许是较理想的一种。

即路边林业残余物现场收集现场切削，有利于将原生生物料运输到生物碳准备车间进行含碳量升级处理。

实测得知路边收集的原生生物质（干基）含碳量为50%，水分为50%。

如果将含碳量如此之低而含水量却如此之高的原生生物质运到遥远的炼铁厂是不经济的。

此外，生物质炼铁工艺不可能接受这种含碳量低且含水量高的原生生物质作为燃料支撑炼铁。

因此，原生生物质必须除水增碳后才能用于生物质炼铁。

在这种分析中，假定原生生物质通过缓慢热分解转变成木炭提高含碳量送到炼铁厂在生物质炼铁过程中气化成CO2。

还假设原生生物质在高炉炼铁中释放的所有CO2都被正在生长中的可再生生物在光合作用过程中全部吸收。

由此可知，生物质炼铁的炼铁子系统实际上没有CO2排放，仅其他3个子系统有GHG排放。

下面将详细叙述。

4.1原生生物质收集

为了评价排放与路边林业残余生物质的收集和加工的关系，搜集了另外一些国家的相关数据。

表2显示的是日本和芬兰的路边林业残余物收集、切削加工和运输过程中的燃料消耗。

假设运输距离为80km，从表中可知，日本的燃料消耗比芬兰高出许多。

这是因为日本的原生生物资源位于高山上，重型运输设备难以到达加工现场。

采用轻型运输设备的燃料效率不高导致燃耗增高。

与日本相反，芬兰的生物质资源分布在平原，可用重型运输设备运输，有利于提高燃料效率。

 表2  林业残余物加工的燃料消耗

燃料消耗，L/t木屑

日本

芬兰

切头运输，80km

10.2

23.1

4.4

1.2

设备

切头机功率，kW

80

300

卡车载重，t

4

37.5

加拿大的情况与芬兰相似。

原生生物质资源主要分布在平原。

假设加工林业残余物的燃料消耗与芬兰相同，因原生生物质含水量较高，运输遥远（1200km）极不经济。

为了降低运输成本，减少燃耗和减排CO2，原生生物质现场收集后运至80km外的工厂完成热分解提升含碳量。

使用加拿大国家再生能源实验室（NREL）推荐的柴油，CO2排放标准2.64kgCO2/升，路边林业残余物加工和运输的CO2排放是15kgCO2/t生物质。

4.2生物碳准备

将收集的路边林业残余物通过热分解转换成木炭以提高含碳量。

路边林业残余物热分解期间通过控制加热速度控制木炭收得率。

实践证明，加热速度升高，木炭收得率降低且挥发物产量增加。

只有使原生生物质消耗量降至最低，才能将木炭收得率增至最高。

所以，在这次分析中，采用较低的热分解速度。

在巴西，木炭生产实现了工业化，故已获得较慢的热分解和排放。

超过70%的木炭通过“Hot-Tail”窑生产。

这种窑的结构简单、操作灵活，但不能控制排放。

木炭生产期间的所有废气和蒸汽全部直接排入大气。

加拿大因为环保条例限制特别严格，在根本不可能采用“Hot-Tail”窑生产木炭的情况下，只得选择环境友好的矩形窑。

矩形窑热分解路边林业残余物所需要的热通过外部燃料燃烧产生。

高温燃烧气体直接进入窑炉加热生物质材料。

目前，巴西大部分钢铁厂使用这种矩形窑生产木炭，满足自己工厂的高炉生物质炼铁的需要。

对巴西矩形窑生产现场进行了生产1kg木炭的碳平衡测试，结果发现，热分解时排放的GHG主要成分是CO2。

因为CO2很容易被生长中的生物质吸收。

所以，如果原生生物质来源于可再生资源，木炭制造期间排放的CO2应属于中性GHG。

然而，除了CO2排放以外，还要排放许多其他气体。

这些气体在大气中具有不同的温室效应。

使用IPCC的全球变暖潜势（GWP）计算矩形窑生产木炭的GWC为7kgCO2eq/kg木炭。

仔细检测发现，排出的绝大多数气体是热分解期间产生的挥发物不完全燃烧的结果。

只要能对窑炉进行合理设计，所有含碳气体都可