直接還原與碳排放

2012-04-19   作者：佚名   網(wǎng)友評論 0 條

    通過(guò)直接還原和碳收集封存減少世界鋼鐵產(chǎn)業(yè)碳排放量

    Midrex 公司在2009年通過(guò)對生產(chǎn)、應用DRI和HBI過(guò)程中CO2的減排量的追蹤調查，研究了鋼鐵領(lǐng)域碳排放問(wèn)題。本文再次討論這一問(wèn)題，并通過(guò)“碳收集封存”（CCS）進(jìn)一步討論減少CO2排放的問(wèn)題。碳截存和碳收集封存的應用在鋼鐵領(lǐng)域已十分普遍，而且也是進(jìn)一步減少溫室氣體排放的有效途徑。

    介紹

    全球各領(lǐng)域正在盡最大努力來(lái)減輕對環(huán)境的影響。工業(yè)化使得人們的生活水平和富裕程度得到了顯著(zhù)的提高，但是隨著(zhù)人口持續增長(cháng)，工業(yè)化也加劇了溫室氣體的排放。因此，如何減少溫室氣體，特別是CO2的排放已經(jīng)受到廣泛關(guān)注并提到了立法日程。

    鋼鐵行業(yè)是溫室氣體排放的主要源頭。在過(guò)去的幾年間，該行業(yè)對CO2的排放給予了極度的重視。為了應對不久會(huì )出臺的法律法規，鋼鐵行業(yè)正在竭力采取措施以減少C02的排放量。通過(guò)天然氣氣基還原鐵技術(shù)最終避免CO2的排放，依舊是到目前為止減少鋼鐵業(yè)碳排放的最有效措施。然而，碳收集封存技術(shù)的高投入使得這一技術(shù)的應用并不太現實(shí)。

    日益突出的全球性問(wèn)題——CO2

    導致全球性氣候變暖的溫室氣體中，其主要作用的是CO2。CO2 的排放途徑有很多種：通過(guò)自然的碳循環(huán)、各種人類(lèi)活動(dòng)（如燃燒化石燃料）等。美國環(huán)境保護局2005年發(fā)布的數據顯示，全球現今大氣中CO2的含量要比工業(yè)革命前高出35%。

    導致CO2含量升高的直接因素為人類(lèi)活動(dòng)。如果不加以約束的話(huà)CO2的排放量將會(huì )繼續增加，這會(huì )對日益增加的人口帶來(lái)不利影響。2006年度國際能源信息管理部門(mén)提供的數據顯示，大型的工業(yè)化國家對對溫室氣體排放有著(zhù)不可推卸的責任。

    由于溫室氣體的排放產(chǎn)生了全球性的影響，對這一問(wèn)題的處理就涉及到了政治層面。盡管困難重重，相關(guān)的措施已經(jīng)出臺。
 
    由于減少溫室氣體的排放對各個(gè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)造價(jià)較高，在各方未就減排達成一致的情況下，并不是所有國家或相關(guān)領(lǐng)域同意就減排問(wèn)題提高造價(jià)。這一問(wèn)題的解決在過(guò)去的十年間一直處于瓶頸狀態(tài)。歐盟已經(jīng)通過(guò)增加稅收及限制碳排放等手段全力應對碳問(wèn)題。最近，歐盟向航空業(yè)征收碳排放稅的措施引起了廣泛影響。然而，為了維持各行業(yè)的發(fā)展，歐盟也通過(guò)“總量控制與交易制度”促進(jìn)企業(yè)減少排放。該政策給出了一個(gè)排放CO2的最高額度和與之相應的獎懲制度。這一辦法能夠激勵各行業(yè)尋求新技術(shù)來(lái)減少排放量。而針對這一措施，各界反應不一。另外措施實(shí)施的非全球性特點(diǎn)使得相關(guān)的價(jià)格標準有些變化。

    雖然歐盟已經(jīng)采取了一些措施來(lái)抑制CO2 的排放，而且這些措施也得到了美國等大型工業(yè)化國家的支持和承諾，但就全球范圍來(lái)講，這些措施不可能一步到位。今年二月初美國政府宣布了一項堅決限制新煤電廠(chǎng)CO2排放的立法建議。根據法國路透社的報道，奧巴馬政府的這一建議是號召新煤電廠(chǎng)截流其60%的CO2的排放量并將其永久性沉于地下。盡管評論認為這一建議象征性意義較大，但是如果其成功立法的話(huà)，這有望對不久有關(guān)方面更為嚴厲的法律法規的出臺奠定堅實(shí)的基礎。

    鋼鐵行業(yè)CO2的排放問(wèn)題

    煉鐵業(yè)是世界主要碳排放源之一。全球五分之一的CO2排放量源于工業(yè)，而煉鐵業(yè)排放的CO2就占整個(gè)工業(yè)排放總量的25%-----年產(chǎn)近18億噸。造成這一結果的主要原因是全球大部分的鐵產(chǎn)出是通過(guò)使用可產(chǎn)生大量CO2碳基燃料。

    目前全球超過(guò)90%的鐵產(chǎn)品都是通過(guò)焦炭高爐產(chǎn)出的，通過(guò)天然氣產(chǎn)出的只占全球鐵產(chǎn)量的5%，通過(guò)煤產(chǎn)出的只占全球鐵產(chǎn)量的1%，甚至更少。通過(guò)高爐煉鐵技術(shù)，每生產(chǎn)1噸鐵就會(huì )有1.8噸的CO2產(chǎn)生。資源類(lèi)型不同導致CO2的排放量從1.6噸到2.2噸不等。舉例來(lái)說(shuō)，如果焦爐煤氣用來(lái)產(chǎn)電的話(huà)，CO2的排放量不會(huì )超過(guò)鐵的量。因此，2012年高爐煉鐵技術(shù)產(chǎn)出的近9億噸鐵就意味著(zhù)，每噸鐵的產(chǎn)出就會(huì )產(chǎn)生1.8噸甚至更多的CO2。天然氣基直接還原廠(chǎng)也會(huì )產(chǎn)出CO2，但是其產(chǎn)出量遠遠要低：每生產(chǎn)1噸鋼CO2的產(chǎn)出量為0.5噸。

    為了減少鐵中氧的含量，鐵礦石中的氧成分需要等量的碳。在高爐生產(chǎn)中，鐵礦石中的碳首先被O2氧化成CO，再與Fe2O3反應生成鐵（Fe）和二氧化碳（CO2）。由此看來(lái)，為了產(chǎn)出一份鐵，需要三份氧和三份碳，進(jìn)而CO2也在此過(guò)程中形成。

     如果使用甲烷（CH4），一份甲烷首先轉化成一份CO和兩份H2。每份CO從Fe2O3中獲得一份氧（O），此還原反應最后生成兩份鐵(Fe)、兩份水（H2O）和一份二氧化碳（CO2）。與之前方法相比較，本過(guò)程CO2的產(chǎn)出量?jì)H為三分之一。

    從眼下實(shí)行的嚴格的CO2排放標準來(lái)看，最有效地應對措施是利用天然氣，即氣基直接換原這種新技術(shù)來(lái)代替對煤料的燃燒。此外，全球范圍內對新能源的不斷探尋有望使價(jià)格更加低廉的天然氣在未來(lái)幾十年里得到應用。

    “碳收集封存”（CCS）和 還原產(chǎn)物CO2的應用

     碳收集封存是將碳成分從大氣中移除并確保其不再排放到大氣中。而此過(guò)程中碳的移除是以CO2的形式進(jìn)行的。在煉鋼業(yè)，指的是將CO2從流動(dòng)氣體中分離出來(lái)并存儲，永久性的阻止其再回到碳循環(huán)中。一些公司正在尋找吸收高爐中CO2的可能性來(lái)減免其排放量。但是相關(guān)方案仍在試驗階段，并且其對CO2的吸收率也不明確。在天然氣基直接還原領(lǐng)域，相關(guān)吸收CO2的方案并不是主要問(wèn)題，因為天然氣基直接還原的兩種主要技術(shù)都可以吸收CO2。

    CO2一但被吸收，就必須通過(guò)疏導永久性的貯藏起來(lái)。永久性存儲CO2的方法是將其深藏于地底或海底。如果碳收集系統最終無(wú)處存儲吸收來(lái)的CO2而又將其排放至大氣中，這就說(shuō)明碳收集封存是失敗的。

    CO2形成的潛在收集趨勢（第一部分）

    全球碳捕獲和存儲研究所有限公司于2011年年底稱(chēng)，全球有8個(gè)大型碳收集封存項目（CSS）正在運行，另外有6個(gè)項目正在籌建中。然而，其中在鋼鐵領(lǐng)域實(shí)施的CSS項目為零。

    現行CSS的主要目標是減少CO2的產(chǎn)出或是增加其碳信用。由于CSS的建立需要必要基礎設施的支持，因此很多企業(yè)正在通過(guò)潛在收益流來(lái)降低啟動(dòng)CSS項目的費用。雖然現階段有幾個(gè)潛在的市場(chǎng)和通過(guò)CSS利用CO2，但是都與實(shí)際不太符合。

    盡管已經(jīng)考慮到了CO2的可能性應用，但是現階段的市場(chǎng)還不足以處理鋼產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的大量CO2。近年來(lái)人們一直在設法應用收集來(lái)的CO2，但是各個(gè)方案的可行性都不大。碳酸飲料確實(shí)對CO2的利用提供了平臺，但該產(chǎn)業(yè)每年CO2的需求量只有100-200萬(wàn)噸。

    理論上，一個(gè)年產(chǎn)直接還原鐵200萬(wàn)噸的天然氣基還原廠(chǎng)每年產(chǎn)生的CO2就有100萬(wàn)噸。而世界范圍內直接還原廠(chǎng)的產(chǎn)能為5000萬(wàn)噸。顯然CO2的應用市場(chǎng)還是遠遠不夠的。

   CO2形成的潛在收集趨勢（第二部分）

    對于收集的CO2來(lái)說(shuō)，只有一種可能獲利的應用：燃料回收業(yè)。燃料回收業(yè)的市場(chǎng)足夠大到支撐鋼鐵業(yè)排放的CO2量，而且也提供了一種儲存CO2的方式。有三個(gè)領(lǐng)域可以滿(mǎn)足上述要求：原油強力回收（EOR）、強力氣回收（EGR）和強力煤層氣回收（ECBM）。其中，原有強力回收是收益率最大且現階段唯一可行的途徑。

    其中，原油強力回收被政府部門(mén)認定為永久性存儲CO2的可行性技術(shù)。原油強力回收技術(shù)正在全世界范圍內推廣，然而要想在該領(lǐng)域發(fā)展獲利，需要在基礎設施上進(jìn)行投資才能使產(chǎn)品得到利用。另外，原油強力回收是否能夠在沒(méi)有碳信用庇佑的鋼鐵領(lǐng)域獲利目前還不得而知。由于現已開(kāi)發(fā)的項目并未公開(kāi)其具體費用，所以為原油強力回收領(lǐng)域服務(wù)的基礎設施所需經(jīng)費不詳。

    利用碳收集封存產(chǎn)品的原油強力回收項目目前為止有五個(gè)，而這五個(gè)項目都位于北美地區。

    結論

     可以預見(jiàn)，全球范圍內對于CO2產(chǎn)生的政府性干預即將展開(kāi)。迫于法律和經(jīng)濟制裁的壓力，鋼鐵行業(yè)正在尋找更好的解決辦法和措施來(lái)減少CO2的產(chǎn)生。天然氣基直接煉鐵技術(shù)依舊是最終避免CO2產(chǎn)生的最有效途徑；碳收集封存雖然有進(jìn)一步減少CO2產(chǎn)生的潛力，但是目前該技術(shù)還不是收集高爐里產(chǎn)生CO2的有效解決辦法；利用天然氣基直接還原設備來(lái)吸收CO2是可行的，但是為了增加碳信用，運輸和存儲CO2的環(huán)節也要考慮在內。

    二氧化碳利用（EOR）可以在存儲CO2的同時(shí)，開(kāi)辟一條可能的收入流。另外其他領(lǐng)域也在開(kāi)發(fā)利用這些機會(huì )。對鋼鐵業(yè)來(lái)說(shuō)，在短期內將碳收集封存看作是無(wú)需取得碳信用的快速盈利項目是不太現實(shí)的。原油強力回收項目需要基礎設施方面的投資和進(jìn)一步研究。

     碳問(wèn)題是一個(gè)緊急而又復雜的問(wèn)題，隨著(zhù)政府干預的升級，相信對碳問(wèn)題的討論將會(huì )更加熱烈。