加拿大生物质炼铁技术前瞻

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 Canmet ENERGY 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 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 路边残余物是 森林工业的边角料 是传统意义上的废品 树木品种多 不同树种的不同修剪不会 造成消耗超过生长 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 80km10 2 23 1 4 4 1 2 设备 切头机功率 kW80300 卡车载重 t437 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 64kg CO2 升 路边林业残余物加工和运输的 CO2排放是 15kg CO2 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 7kg CO2eq 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 所有含碳气体都可收集起来 完全转变成排入大气 进行有效的改进后 生产木炭的 GWC 可以降低到 0 0032kg CO2eq kg 木炭 4 3 生物碳运输 评估 GHG 排放涉及到木炭运输 也就是要考虑木炭生产与高炉之间的距离 因为 加拿大的高炉早已建在安大略省南部 从前面讨论得知 原生生物质含碳量很低 含 水量很高 为了降低运输成本 必须在原生生物质收集现场附近建立木炭生产厂 将 原生生物质转变成木炭 除去原生生物质全部水分和大幅度提高含碳量 再运至高炉 进行生物质炼铁 根据加拿大的实际情况 以安大略和魁北克省的高炉为中心 1200km 的辐射半径 可覆盖两省 因此 希望木炭生产设备也建在离高炉 1200km 的范围内 假设最远的木炭运输距离为 1200km 使用 25t 柴油载重汽车运输木炭且空车返回 运输车的油耗为 25L 100km 柴油排放为 2 6kg CO2 L 可以计算系统范围内碳生命周期的每个阶段的 GHG 的全部排放 为了方便 决定 以生产 1t 铁水为基础 对碳生命周期内每个阶段的 GHG 排放进行计算 结果表明 运输距离为 80 公里时 原生生物质收集与运输的 CO2排放为 1 48kg 将 436kg 木炭运 输到高炉 运输距离为 1200km 排放 CO2 41kg 高炉生产 1t 铁水的 CO2排放为 0kg 这是因为排放的所有 CO2被生长中的生物全部吸收 见图 4 图 4 生物质炼铁碳生命周期 CO2 排放 表 3 显示的是传统高炉与生物质炼铁的 GHG 排放对比 由表可见 传统高炉在碳 生命周期内的 CO2排放总量为 1552kg 然而 利用生物碳代替化石碳炼铁可使排放降 低到仅仅 62 8kg t 铁水 还可从表 3 中看到 原生生物质收集加运输的 CO2排放高于 煤的开采和运输 然而 因为生物碳的 GHG 排放为中性 所以 生物碳炼铁的总排放 比传统高炉降低了 96 即由 1552kg 降低到 62 8kg 加拿大传统高炉每年炼铁 780 万 t 用生物质炼铁代替传统高炉炼铁 每年的 GHG 排放可由 1210 万 t 减少到 49 万 t 其减排量令人惊讶 表 3 传统高炉炼铁与生物质炼铁的 GHG 排放比较 传统高炉炼铁生物质炼铁 项目 排放 kg CO2当量 t 铁水项目排放 kg CO2当量 t 铁水 采煤14路边林业残余物和运输20 3 运煤26 木炭运输 运距 1200km 41 炼铁133木炭生产1 48 炼焦1379炼铁0 5 展望展望 5 1 可再生原生生物质供应 分析指出 生物质炼铁大幅度降低 GHG 排放并非燃烧生物质炼铁不排放 CO2 而 是生物质炼铁过程中排放的 CO2被生长过程中的可再生生物全部吸收 维持了 CO2排 放与吸收平衡 即所谓的 GHG 中性排放 由此可知 只有炼铁消耗的生物质全部来源 于可再生资源 才能维持 GHG 中性排放 否则 生物质炼铁的 GHG 排放会高出预期 值 如果炼铁需要的原生生物质即木炭必须从市场上购买 炼铁厂商将很难控制原生 生物质的长期 充足而稳定地供应 使生物质炼铁成为不可能实现的梦想 即使炼铁 厂商能很好地控制整个碳生命周期 仍很难确保林业残余物来自可再生资源 因为还 受制于林业生产的行业状况 超出了钢铁行业的职权范围 为了维持原生生物质的稳 定供应 必须协调相关很多工业部门及政策制定者 方可保持生物质炼铁的环境效益 5 2 木炭生产能力 调查研究证明 加拿大林业生产产生的路边残余生物质完全可以满足本国生物质 炼铁的需要 然而 加拿大目前的木炭生产能力十分薄弱 只有两座木炭生产厂 位 于魁北克省 每年只能生产 6000t 木炭 多数用于户外烤肉 估计木炭年产量要接近 600 万 t 才可以满足加拿大生物质炼铁的需要 即木炭的生产能力需要扩大 1000 倍 6 结论结论 用生物碳代替化石碳炼铁是降低炼铁工艺 GHG 排放的有效方法之一 加拿大碳化 研究协会开展了传统炼焦 高炉炼铁工艺利用生物质炼铁的可行性研究 可以肯定 经 长期努力 一种全新的 完全使用生物质炼铁工艺一定能开发成功 使 GHG 排放从传 统高炉的 1552kg t 铁水降至 62 8kg t 铁水 要实现生物质炼铁 GHG 低排放 必须保证生物质炼铁消耗的生物碳来源于可再生