加拿大生物質(zhì)煉鐵技術(shù)前瞻(共10頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上加拿大生物質(zhì)煉鐵技術(shù)前瞻本文運用碳生命周期理論對未來生物質(zhì)煉鐵工藝進(jìn)行評價。預(yù)測工業(yè)規(guī)模生物質(zhì)煉鐵工藝中可能遇到的各種困難與問題，并找出相應(yīng)的解決辦法。利用生物碳代替化石碳煉鐵可使CO2總排放比傳統(tǒng)高爐降低96%。相信不久的將來，生物質(zhì)煉鐵技術(shù)將會投入工業(yè)生產(chǎn)。用生物碳代替化石碳煉鐵是減少CO2排放的有效方法之一。加拿大生物碳資源儲量十分豐富，所以，相關(guān)部門正在開展生物碳煉鐵工藝研究并取得了一些可喜成果。完成了用碳生命周期對生物碳煉鐵工藝前景評價和技術(shù)路線的可行性研究；完成了加拿大工業(yè)規(guī)模生物質(zhì)煉鐵所需生物碳資源的客觀形勢分析以及路邊林業(yè)殘余生物碳的收集、加工與運輸方

2、案確定和生物質(zhì)煉鐵的CO2排放計算。結(jié)果顯示，生物質(zhì)煉鐵的CO2排放僅為62.8kg/t鐵水，比高爐焦炭煉鐵的CO2排放1552kg/t鐵水減少了96%。研究指出，生物質(zhì)煉鐵減少CO2排放的關(guān)鍵是必須保證煉鐵生物碳來源于可再生資源，以實現(xiàn)CO2排放與生物生長過程中吸收的平衡，使溫室氣體（GHG）排放成為所謂的中性?？梢钥隙?，生物質(zhì)煉鐵一定會成為現(xiàn)實，投入工業(yè)化生產(chǎn)，一定能大幅度降低鋼鐵工業(yè)的GHG排放。 1 基本情況 作為溫室氣體排放的主要工業(yè)部門之一的加拿大鋼鐵工業(yè)，最近若干年已連續(xù)不斷，且大幅度地減少了能源消耗和CO2排放。與1990年相比，到2008年止，加拿大鋼鐵工業(yè)的能耗和GHG排放

3、已分別降低了24%和17%。每噸造船鋼的GHG排放已降低了30%。為了進(jìn)一步降低GHG排放，加拿大碳化研究協(xié)會CCRA已與Canmet ENERGY聯(lián)合開展了生物碳在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用研究。 生物碳涉及到近期生長的生物材料碳源。與其他化石碳一樣，燃燒生物碳也要排放CO2。然而，燃燒可再生資源生物質(zhì)釋放的CO2可被生長中的再生資源吸收，達(dá)到吸收與排放平衡。因為天然碳持續(xù)周期比化石燃料的碳周期短，認(rèn)為可再生生物碳源燃燒時排放的CO2不增加大氣中的GHG濃度而將其稱之所謂的中性。 由此可見，高爐使用生物碳煉鐵的優(yōu)勢是提供給鐵礦石還原和熔化的生物碳不但對生產(chǎn)工藝無負(fù)面影響，排放的CO2不增加大氣中的GH

4、G濃度，還可在保證高爐的高生產(chǎn)率的前提下大幅度降低CO2排放和節(jié)約不可再生的化石能源。 調(diào)查證明，加拿大生物資源非常豐富。森林面積約占國土面積的45%，相應(yīng)的森林面積約為417.6百萬公頃，從大西洋海岸到太平洋海岸和北極圈。其中超過造林面積的一半約234.5百萬公頃是茂密的森林。每年可收獲約100萬公頃，僅占富饒森林面積的0.4%。理論上講可以通過工業(yè)生產(chǎn)過程中留余在路邊的殘余生物碳，如收割原木的切頭切尾用于生物質(zhì)煉鐵。 已有兩方面的研究成果可用于傳統(tǒng)煉鐵工業(yè)，并在不久的將來投入工業(yè)生產(chǎn)。第一，可用生物碳部分代替混合煤用于煉焦；第二，生物碳可作為輔助燃料直接噴進(jìn)高爐爐缸。根據(jù)預(yù)測，以上兩種方法

5、用于傳統(tǒng)煉鐵可降低CO2排放約25%。 在此成果的基礎(chǔ)上可以肯定，一種完全使用生物質(zhì)煉鐵的新穎工藝一定能夠開發(fā)成功，減少CO2排放的愿望一定會成為現(xiàn)實。作為工藝開發(fā)的第一步是從碳生命周期對未來生物質(zhì)煉鐵工藝進(jìn)行評價。以實用信息為基礎(chǔ)，探索一種可行的技術(shù)路線，預(yù)測工業(yè)規(guī)模生物質(zhì)煉鐵工藝中可能遭遇到各種困難與問題并找出解決這些困難與問題的辦法。 2 原生生物質(zhì)的需求與供給 生物碳工業(yè)規(guī)模煉鐵，保證原生生物質(zhì)材料的充足供應(yīng)最為重要。為此，假設(shè)生物質(zhì)工業(yè)化煉鐵與傳統(tǒng)高爐煉鐵的碳消耗相同，對加拿大國家現(xiàn)有的生物質(zhì)儲量與生物質(zhì)煉鐵所需碳量進(jìn)行了粗略估計。結(jié)果證明，加拿大生物質(zhì)儲量完全能滿足生物質(zhì)煉鐵的需要

6、。與此同時，還對加拿大典型高爐煉鐵的熱量和質(zhì)量平衡進(jìn)行了科學(xué)計算，結(jié)果顯示，生產(chǎn)1t鐵水需要消耗碳 426kg（來自焦炭和煤炭）。在2005-2009年間，加拿大每年平均煉鐵為780萬t，因此，每年的碳消耗總量約為330萬t。 因為加拿大所有鋼鐵廠均建在安大略省南部，而可用的生物質(zhì)資源卻在安大略及其鄰省魁北克。加拿大生物質(zhì)研究網(wǎng)絡(luò)CBIN分析認(rèn)為，各種生物質(zhì)資源中，以路邊林產(chǎn)收獲后的殘余生物碳最適合工業(yè)煉鐵。 CBIN與研發(fā)機構(gòu)開展了對生物資源、生物燃料、工業(yè)生物產(chǎn)品收集與加工等其他相關(guān)問題的詳細(xì)研究。表1概括了加拿大每年產(chǎn)生的路邊林業(yè)殘余物分布。這些路邊殘余涉及到收獲期間原木的剝皮和去廢丟棄

7、物。這些路邊殘余堆集在路邊可用汽車運走。在傳統(tǒng)林業(yè)生產(chǎn)過程中，打掃收割地現(xiàn)場環(huán)境時，通常采用老辦法即焚燒去除。 如表1所示，安大略和魁北克省收割原木時每年產(chǎn)生的路邊殘余生物質(zhì)約為1100萬t。數(shù)量如此龐大的原生生物質(zhì)采用焚燒法去除不僅造成巨大浪費，而且污染環(huán)境。在這兩個省內(nèi)的主要林業(yè)產(chǎn)品是硬木木材。硬木樹皮干燥后的基本含碳量約為50.3%。由此可見，安大略和魁北克省產(chǎn)生的路邊林業(yè)殘余生物質(zhì)的總含碳量約為560萬t/a。大大超出了加拿大每年生產(chǎn)780萬t生鐵所需要的330萬t生物碳。 表1   加拿大路邊林業(yè)殘余物分布省份名稱路邊林業(yè)殘余物，Mt/a不列顛哥倫比亞13.7阿爾

8、伯大3.3薩斯喀徹溫冰川0.7馬里托巴0.3安大略4.3魁北克6.8硬質(zhì)原木樹皮路邊殘余生物質(zhì)除了適合于煉鐵，還具有如下優(yōu)勢：加拿大的所有鋼鐵廠建在安大略省南部，路邊殘余物距鋼鐵廠近，運輸費用低；路邊殘余物是森林工業(yè)的邊角料，是傳統(tǒng)意義上的廢品；樹木品種多，不同樹種的不同修剪不會造成消耗超過生長；使用邊角殘余料，可避免生物質(zhì)能源的生產(chǎn)與國家糧食生產(chǎn)爭奪土地資源。 下面將要進(jìn)行的不是生物質(zhì)煉鐵的一個完整的生命周期評價（LCA）。因為生物質(zhì)煉鐵仍在研究之中，工藝研究還不足以進(jìn)行完整生命周期評價（LCA）。在系統(tǒng)范圍內(nèi)從碳生命周期進(jìn)行分析應(yīng)該同時注意到在碳生命周期每一個階段的GHG排放。盡管研究還不

9、夠全面和詳細(xì)，但可以在傳統(tǒng)高爐煉鐵和生物質(zhì)煉鐵工藝之間進(jìn)行直接對比。 3 傳統(tǒng)高爐煉鐵的碳生命周期 傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝的碳生命周期系統(tǒng)范圍見圖1。假設(shè)工藝噴吹煤粉（PCI）為140kg/t鐵水，在此系統(tǒng)內(nèi)，碳的生命周期應(yīng)從采煤開始，至煤運到鋼鐵廠并在鋼鐵廠內(nèi)被煉成焦炭進(jìn)入高爐，粉煤則直接噴進(jìn)高爐爐缸，作為輔助燃料。焦炭和煤粉中的碳在高爐被氣化，回收殘余化學(xué)能后釋放出CO2。 以生產(chǎn)1t鐵水排放的CO2為計量單位。將系統(tǒng)分成4個子系統(tǒng)，即煤的開采、運輸、煉焦和煉鐵，見圖1。毫無疑問，煉鐵系統(tǒng)每個子系統(tǒng)都要排出GHG。煉鐵和煉焦兩個子系統(tǒng)的GHG排放，使用開發(fā)的熱量和能量平衡模型進(jìn)行計算。煤的開采和

10、運輸?shù)腉HG排放則采用與之相似的燃煤發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行計算。在燃煤發(fā)電廠，碳的生命周期也開始于煤的開采和運輸，止于煤燃燒發(fā)電直至最后將CO2排至大氣。在系統(tǒng)范圍，碳的生命周期與傳統(tǒng)高爐煉鐵極為相似。加拿大國家再生能源實驗室（NREL）對燃煤發(fā)電廠碳生命周期分析發(fā)現(xiàn)，燃煤發(fā)電排放的GHG占據(jù)了碳生命周期的絕大部分，高達(dá)97.4%，煤的開采和運輸所占比例很小，僅分別為總排放的0.9%和1.7%。 圖1 傳統(tǒng)高爐煉鐵碳生命周期系統(tǒng)因為傳統(tǒng)高爐煉鐵與燃煤發(fā)電廠的碳生命周期極其相似。所以，就總排放而言假設(shè)兩系統(tǒng)的排放比例相同是符合情理的?；诖朔N假設(shè)，以生產(chǎn)1t鐵為標(biāo)準(zhǔn)對傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝碳生命周期的4個子系統(tǒng)

11、即煤的開采、運輸、煉焦和煉鐵的CO2排放進(jìn)行了計算，CO2的排放值分別是14kg、26kg、133kg（煤耗為534kg煤/t焦）和1379kg（焦比368kg/ t鐵水+噴煤比140kg/t鐵水），詳見圖2。 圖2 傳統(tǒng)高爐煉鐵碳生命周期CO2 排放4 生物質(zhì)煉鐵的碳生命周期 分析生物質(zhì)煉鐵的碳生命周期時，使用的碳是原生生物材料即路邊林業(yè)殘余物。上面已經(jīng)提到，路邊林業(yè)殘余物是原木收割后切成商品材剩余的邊角料，因此，與樹木生長和收割有關(guān)的資源消耗和GHG排放已經(jīng)放在林業(yè)加工生產(chǎn)中進(jìn)行了計算。由此可知，路邊林業(yè)殘余材料用于生物質(zhì)煉鐵，其碳生命周期始于路邊林業(yè)殘余物現(xiàn)場收集。生物質(zhì)煉鐵碳生命周期系

12、統(tǒng)見圖3。 圖3 生物質(zhì)煉鐵碳生命周期系統(tǒng)收集路邊林業(yè)殘余物并將其加工成適合于生物質(zhì)煉鐵材料的方法有許多，下面介紹的也許是較理想的一種。即路邊林業(yè)殘余物現(xiàn)場收集現(xiàn)場切削，有利于將原生生物料運輸?shù)缴锾紲?zhǔn)備車間進(jìn)行含碳量升級處理。實測得知路邊收集的原生生物質(zhì)（干基）含碳量為50%，水分為50%。如果將含碳量如此之低而含水量卻如此之高的原生生物質(zhì)運到遙遠(yuǎn)的煉鐵廠是不經(jīng)濟的。此外，生物質(zhì)煉鐵工藝不可能接受這種含碳量低且含水量高的原生生物質(zhì)作為燃料支撐煉鐵。因此，原生生物質(zhì)必須除水增碳后才能用于生物質(zhì)煉鐵。 在這種分析中，假定原生生物質(zhì)通過緩慢熱分解轉(zhuǎn)變成木炭提高含碳量送到煉鐵廠在生物質(zhì)煉鐵過程中氣化

13、成CO2。還假設(shè)原生生物質(zhì)在高爐煉鐵中釋放的所有CO2都被正在生長中的可再生生物在光合作用過程中全部吸收。由此可知，生物質(zhì)煉鐵的煉鐵子系統(tǒng)實際上沒有CO2排放，僅其他3個子系統(tǒng)有GHG排放。下面將詳細(xì)敘述。 4.1 原生生物質(zhì)收集 為了評價排放與路邊林業(yè)殘余生物質(zhì)的收集和加工的關(guān)系，搜集了另外一些國家的相關(guān)數(shù)據(jù)。表2顯示的是日本和芬蘭的路邊林業(yè)殘余物收集、切削加工和運輸過程中的燃料消耗。假設(shè)運輸距離為80km，從表中可知，日本的燃料消耗比芬蘭高出許多。這是因為日本的原生生物資源位于高山上，重型運輸設(shè)備難以到達(dá)加工現(xiàn)場。采用輕型運輸設(shè)備的燃料效率不高導(dǎo)致燃耗增高。與日本相反，芬蘭的生物質(zhì)資源分布

14、在平原，可用重型運輸設(shè)備運輸，有利于提高燃料效率。  表2   林業(yè)殘余物加工的燃料消耗燃料消耗，L/t木屑日本芬蘭切頭運輸，80km10.223.14.41.2設(shè)備  切頭機功率，kW80300卡車載重，t437.5加拿大的情況與芬蘭相似。原生生物質(zhì)資源主要分布在平原。假設(shè)加工林業(yè)殘余物的燃料消耗與芬蘭相同，因原生生物質(zhì)含水量較高，運輸遙遠(yuǎn)（1200km）極不經(jīng)濟。為了降低運輸成本，減少燃耗和減排CO2，原生生物質(zhì)現(xiàn)場收集后運至80km外的工廠完成熱分解提升含碳量。使用加拿大國家再生能源實驗室（NREL）推薦的柴油，CO2排放標(biāo)準(zhǔn)2.64kg

15、 CO2/升，路邊林業(yè)殘余物加工和運輸?shù)腃O2排放是15kg CO2/t生物質(zhì)。 4.2 生物碳準(zhǔn)備 將收集的路邊林業(yè)殘余物通過熱分解轉(zhuǎn)換成木炭以提高含碳量。路邊林業(yè)殘余物熱分解期間通過控制加熱速度控制木炭收得率。實踐證明，加熱速度升高，木炭收得率降低且揮發(fā)物產(chǎn)量增加。只有使原生生物質(zhì)消耗量降至最低，才能將木炭收得率增至最高。所以，在這次分析中，采用較低的熱分解速度。 在巴西，木炭生產(chǎn)實現(xiàn)了工業(yè)化，故已獲得較慢的熱分解和排放。超過70%的木炭通過“Hot-Tail”窯生產(chǎn)。這種窯的結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活，但不能控制排放。木炭生產(chǎn)期間的所有廢氣和蒸汽全部直接排入大氣。加拿大因為環(huán)保條例限制特別嚴(yán)格，

16、在根本不可能采用“Hot-Tail”窯生產(chǎn)木炭的情況下，只得選擇環(huán)境友好的矩形窯。 矩形窯熱分解路邊林業(yè)殘余物所需要的熱通過外部燃料燃燒產(chǎn)生。高溫燃燒氣體直接進(jìn)入窯爐加熱生物質(zhì)材料。目前，巴西大部分鋼鐵廠使用這種矩形窯生產(chǎn)木炭，滿足自己工廠的高爐生物質(zhì)煉鐵的需要。 對巴西矩形窯生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了生產(chǎn)1kg木炭的碳平衡測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱分解時排放的GHG主要成分是CO2。因為CO2很容易被生長中的生物質(zhì)吸收。所以，如果原生生物質(zhì)來源于可再生資源，木炭制造期間排放的CO2應(yīng)屬于中性GHG。 然而，除了CO2排放以外，還要排放許多其他氣體。這些氣體在大氣中具有不同的溫室效應(yīng)。使用IPCC的全球變暖潛勢（

17、GWP）計算矩形窯生產(chǎn)木炭的GWC為7kg CO2eq/kg木炭。 仔細(xì)檢測發(fā)現(xiàn)，排出的絕大多數(shù)氣體是熱分解期間產(chǎn)生的揮發(fā)物不完全燃燒的結(jié)果。只要能對窯爐進(jìn)行合理設(shè)計，所有含碳?xì)怏w都可收集起來，完全轉(zhuǎn)變成排入大氣。進(jìn)行有效的改進(jìn)后，生產(chǎn)木炭的GWC可以降低到0.0032kg CO2eq/kg木炭。 4.3 生物碳運輸 評估GHG排放涉及到木炭運輸，也就是要考慮木炭生產(chǎn)與高爐之間的距離。因為加拿大的高爐早已建在安大略省南部。從前面討論得知，原生生物質(zhì)含碳量很低，含水量很高，為了降低運輸成本，必須在原生生物質(zhì)收集現(xiàn)場附近建立木炭生產(chǎn)廠，將原生生物質(zhì)轉(zhuǎn)變成木炭，除去原生生物質(zhì)全部水分和大幅度提高含碳

18、量，再運至高爐進(jìn)行生物質(zhì)煉鐵。 根據(jù)加拿大的實際情況，以安大略和魁北克省的高爐為中心，1200km的輻射半徑可覆蓋兩省。因此，希望木炭生產(chǎn)設(shè)備也建在離高爐1200km的范圍內(nèi)。 假設(shè)最遠(yuǎn)的木炭運輸距離為1200km，使用25t柴油載重汽車運輸木炭且空車返回，運輸車的油耗為25L/100km，柴油排放為2.6kg CO2/L。 可以計算系統(tǒng)范圍內(nèi)碳生命周期的每個階段的GHG的全部排放。為了方便，決定以生產(chǎn)1t鐵水為基礎(chǔ)，對碳生命周期內(nèi)每個階段的GHG排放進(jìn)行計算。結(jié)果表明，運輸距離為80公里時，原生生物質(zhì)收集與運輸?shù)腃O2排放為1.48kg，將436kg木炭運輸?shù)礁郀t（運輸距離為1200km）排

19、放CO2 41kg，高爐生產(chǎn)1t鐵水的CO2排放為0kg。這是因為排放的所有CO2被生長中的生物全部吸收，見圖4。 圖4 生物質(zhì)煉鐵碳生命周期CO2 排放表3顯示的是傳統(tǒng)高爐與生物質(zhì)煉鐵的GHG排放對比。由表可見，傳統(tǒng)高爐在碳生命周期內(nèi)的CO2排放總量為1552kg。然而，利用生物碳代替化石碳煉鐵可使排放降低到僅僅62.8kg/t鐵水。還可從表3中看到，原生生物質(zhì)收集加運輸?shù)腃O2排放高于煤的開采和運輸。然而，因為生物碳的GHG排放為中性，所以，生物碳煉鐵的總排放比傳統(tǒng)高爐降低了96%（即由1552kg降低到62.8kg）。加拿大傳統(tǒng)高爐每年煉鐵780萬t，用生物質(zhì)煉鐵代替?zhèn)鹘y(tǒng)高爐煉鐵，每年的

20、GHG排放可由1210萬t減少到49萬t，其減排量令人驚訝。                     表3  傳統(tǒng)高爐煉鐵與生物質(zhì)煉鐵的GHG排放比較傳統(tǒng)高爐煉鐵生物質(zhì)煉鐵項目 排放kg CO2當(dāng)量/t鐵水項目排放kg CO2當(dāng)量/t鐵水采煤14路邊林業(yè)殘余物和運輸20.3運煤26 木炭運輸（運距1200km）41煉鐵133木炭生產(chǎn)1.48煉焦1379煉鐵05 展望 5.1 可

21、再生原生生物質(zhì)供應(yīng) 分析指出，生物質(zhì)煉鐵大幅度降低GHG排放并非燃燒生物質(zhì)煉鐵不排放CO2，而是生物質(zhì)煉鐵過程中排放的CO2被生長過程中的可再生生物全部吸收，維持了CO2排放與吸收平衡，即所謂的GHG中性排放。由此可知，只有煉鐵消耗的生物質(zhì)全部來源于可再生資源，才能維持GHG中性排放。否則，生物質(zhì)煉鐵的GHG排放會高出預(yù)期值。 如果煉鐵需要的原生生物質(zhì)即木炭必須從市場上購買，煉鐵廠商將很難控制原生生物質(zhì)的長期、充足而穩(wěn)定地供應(yīng)，使生物質(zhì)煉鐵成為不可能實現(xiàn)的夢想。即使煉鐵廠商能很好地控制整個碳生命周期，仍很難確保林業(yè)殘余物來自可再生資源。因為還受制于林業(yè)生產(chǎn)的行業(yè)狀況，超出了鋼鐵行業(yè)的職權(quán)范圍。

22、為了維持原生生物質(zhì)的穩(wěn)定供應(yīng)，必須協(xié)調(diào)相關(guān)很多工業(yè)部門及政策制定者，方可保持生物質(zhì)煉鐵的環(huán)境效益。 5.2 木炭生產(chǎn)能力 調(diào)查研究證明，加拿大林業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的路邊殘余生物質(zhì)完全可以滿足本國生物質(zhì)煉鐵的需要。然而，加拿大目前的木炭生產(chǎn)能力十分薄弱。只有兩座木炭生產(chǎn)廠（位于魁北克?。磕曛荒苌a(chǎn)6000t木炭，多數(shù)用于戶外烤肉。估計木炭年產(chǎn)量要接近600萬t，才可以滿足加拿大生物質(zhì)煉鐵的需要，即木炭的生產(chǎn)能力需要擴大1000倍。 6 結(jié)論 用生物碳代替化石碳煉鐵是降低煉鐵工藝GHG排放的有效方法之一。加拿大碳化研究協(xié)會開展了傳統(tǒng)煉焦-高爐煉鐵工藝?yán)蒙镔|(zhì)煉鐵的可行性研究。可以肯定，經(jīng)長期努力，一種全新的、完全使用生物質(zhì)煉鐵工藝一定能開發(fā)成功，使GHG排放從傳統(tǒng)高爐的1552kg/t鐵水降至62.8kg/t鐵水。 要實現(xiàn)生物質(zhì)煉鐵GHG低排放，必須保證生物質(zhì)煉鐵消耗的生物碳來源于可再生資源。 要降低運輸成本和提高生物質(zhì)煉鐵生產(chǎn)率，必須將原生生物質(zhì)轉(zhuǎn)變成木炭。加拿大具有生產(chǎn)