直接还原与碳排放

2012-04-19   作者：佚名   网友评论 0 条

    通过直接还原和碳收集封存减少世界钢铁产业碳排放量

    Midrex 公司在2009年通过对生产、应用DRI和HBI过程中CO2的减排量的追踪调查，研究了钢铁领域碳排放问题。本文再次讨论这一问题，并通过“碳收集封存”（CCS）进一步讨论减少CO2排放的问题。碳截存和碳收集封存的应用在钢铁领域已十分普遍，而且也是进一步减少温室气体排放的有效途径。

    介绍

    全球各领域正在尽最大努力来减轻对环境的影响。工业化使得人们的生活水平和富裕程度得到了显著的提高，但是随着人口持续增长，工业化也加剧了温室气体的排放。因此，如何减少温室气体，特别是CO2的排放已经受到广泛关注并提到了立法日程。

    钢铁行业是温室气体排放的主要源头。在过去的几年间，该行业对CO2的排放给予了极度的重视。为了应对不久会出台的法律法规，钢铁行业正在竭力采取措施以减少C02的排放量。通过天然气气基还原铁技术最终避免CO2的排放，依旧是到目前为止减少钢铁业碳排放的最有效措施。然而，碳收集封存技术的高投入使得这一技术的应用并不太现实。

    日益突出的全球性问题——CO2

    导致全球性气候变暖的温室气体中，其主要作用的是CO2。CO2 的排放途径有很多种：通过自然的碳循环、各种人类活动（如燃烧化石燃料）等。美国环境保护局2005年发布的数据显示，全球现今大气中CO2的含量要比工业革命前高出35%。

    导致CO2含量升高的直接因素为人类活动。如果不加以约束的话CO2的排放量将会继续增加，这会对日益增加的人口带来不利影响。2006年度国际能源信息管理部门提供的数据显示，大型的工业化国家对对温室气体排放有着不可推卸的责任。

    由于温室气体的排放产生了全球性的影响，对这一问题的处理就涉及到了政治层面。尽管困难重重，相关的措施已经出台。
 
    由于减少温室气体的排放对各个领域来说造价较高，在各方未就减排达成一致的情况下，并不是所有国家或相关领域同意就减排问题提高造价。这一问题的解决在过去的十年间一直处于瓶颈状态。欧盟已经通过增加税收及限制碳排放等手段全力应对碳问题。最近，欧盟向航空业征收碳排放税的措施引起了广泛影响。然而，为了维持各行业的发展，欧盟也通过“总量控制与交易制度”促进企业减少排放。该政策给出了一个排放CO2的最高额度和与之相应的奖惩制度。这一办法能够激励各行业寻求新技术来减少排放量。而针对这一措施，各界反应不一。另外措施实施的非全球性特点使得相关的价格标准有些变化。

    虽然欧盟已经采取了一些措施来抑制CO2 的排放，而且这些措施也得到了美国等大型工业化国家的支持和承诺，但就全球范围来讲，这些措施不可能一步到位。今年二月初美国政府宣布了一项坚决限制新煤电厂CO2排放的立法建议。根据法国路透社的报道，奥巴马政府的这一建议是号召新煤电厂截流其60%的CO2的排放量并将其永久性沉于地下。尽管评论认为这一建议象征性意义较大，但是如果其成功立法的话，这有望对不久有关方面更为严厉的法律法规的出台奠定坚实的基础。

    钢铁行业CO2的排放问题

    炼铁业是世界主要碳排放源之一。全球五分之一的CO2排放量源于工业，而炼铁业排放的CO2就占整个工业排放总量的25%-----年产近18亿吨。造成这一结果的主要原因是全球大部分的铁产出是通过使用可产生大量CO2碳基燃料。

    目前全球超过90%的铁产品都是通过焦炭高炉产出的，通过天然气产出的只占全球铁产量的5%，通过煤产出的只占全球铁产量的1%，甚至更少。通过高炉炼铁技术，每生产1吨铁就会有1.8吨的CO2产生。资源类型不同导致CO2的排放量从1.6吨到2.2吨不等。举例来说，如果焦炉煤气用来产电的话，CO2的排放量不会超过铁的量。因此，2012年高炉炼铁技术产出的近9亿吨铁就意味着，每吨铁的产出就会产生1.8吨甚至更多的CO2。天然气基直接还原厂也会产出CO2，但是其产出量远远要低：每生产1吨钢CO2的产出量为0.5吨。

    为了减少铁中氧的含量，铁矿石中的氧成分需要等量的碳。在高炉生产中，铁矿石中的碳首先被O2氧化成CO，再与Fe2O3反应生成铁（Fe）和二氧化碳（CO2）。由此看来，为了产出一份铁，需要三份氧和三份碳，进而CO2也在此过程中形成。

     如果使用甲烷（CH4），一份甲烷首先转化成一份CO和两份H2。每份CO从Fe2O3中获得一份氧（O），此还原反应最后生成两份铁(Fe)、两份水（H2O）和一份二氧化碳（CO2）。与之前方法相比较，本过程CO2的产出量仅为三分之一。

    从眼下实行的严格的CO2排放标准来看，最有效地应对措施是利用天然气，即气基直接换原这种新技术来代替对煤料的燃烧。此外，全球范围内对新能源的不断探寻有望使价格更加低廉的天然气在未来几十年里得到应用。

    “碳收集封存”（CCS）和 还原产物CO2的应用

     碳收集封存是将碳成分从大气中移除并确保其不再排放到大气中。而此过程中碳的移除是以CO2的形式进行的。在炼钢业，指的是将CO2从流动气体中分离出来并存储，永久性的阻止其再回到碳循环中。一些公司正在寻找吸收高炉中CO2的可能性来减免其排放量。但是相关方案仍在试验阶段，并且其对CO2的吸收率也不明确。在天然气基直接还原领域，相关吸收CO2的方案并不是主要问题，因为天然气基直接还原的两种主要技术都可以吸收CO2。

    CO2一但被吸收，就必须通过疏导永久性的贮藏起来。永久性存储CO2的方法是将其深藏于地底或海底。如果碳收集系统最终无处存储吸收来的CO2而又将其排放至大气中，这就说明碳收集封存是失败的。

    CO2形成的潜在收集趋势（第一部分）

    全球碳捕获和存储研究所有限公司于2011年年底称，全球有8个大型碳收集封存项目（CSS）正在运行，另外有6个项目正在筹建中。然而，其中在钢铁领域实施的CSS项目为零。

    现行CSS的主要目标是减少CO2的产出或是增加其碳信用。由于CSS的建立需要必要基础设施的支持，因此很多企业正在通过潜在收益流来降低启动CSS项目的费用。虽然现阶段有几个潜在的市场和通过CSS利用CO2，但是都与实际不太符合。

    尽管已经考虑到了CO2的可能性应用，但是现阶段的市场还不足以处理钢产业产生的大量CO2。近年来人们一直在设法应用收集来的CO2，但是各个方案的可行性都不大。碳酸饮料确实对CO2的利用提供了平台，但该产业每年CO2的需求量只有100-200万吨。

    理论上，一个年产直接还原铁200万吨的天然气基还原厂每年产生的CO2就有100万吨。而世界范围内直接还原厂的产能为5000万吨。显然CO2的应用市场还是远远不够的。

   CO2形成的潜在收集趋势（第二部分）

    对于收集的CO2来说，只有一种可能获利的应用：燃料回收业。燃料回收业的市场足够大到支撑钢铁业排放的CO2量，而且也提供了一种储存CO2的方式。有三个领域可以满足上述要求：原油强力回收（EOR）、强力气回收（EGR）和强力煤层气回收（ECBM）。其中，原有强力回收是收益率最大且现阶段唯一可行的途径。

    其中，原油强力回收被政府部门认定为永久性存储CO2的可行性技术。原油强力回收技术正在全世界范围内推广，然而要想在该领域发展获利，需要在基础设施上进行投资才能使产品得到利用。另外，原油强力回收是否能够在没有碳信用庇佑的钢铁领域获利目前还不得而知。由于现已开发的项目并未公开其具体费用，所以为原油强力回收领域服务的基础设施所需经费不详。

    利用碳收集封存产品的原油强力回收项目目前为止有五个，而这五个项目都位于北美地区。

    结论

     可以预见，全球范围内对于CO2产生的政府性干预即将展开。迫于法律和经济制裁的压力，钢铁行业正在寻找更好的解决办法和措施来减少CO2的产生。天然气基直接炼铁技术依旧是最终避免CO2产生的最有效途径；碳收集封存虽然有进一步减少CO2产生的潜力，但是目前该技术还不是收集高炉里产生CO2的有效解决办法；利用天然气基直接还原设备来吸收CO2是可行的，但是为了增加碳信用，运输和存储CO2的环节也要考虑在内。

    二氧化碳利用（EOR）可以在存储CO2的同时，开辟一条可能的收入流。另外其他领域也在开发利用这些机会。对钢铁业来说，在短期内将碳收集封存看作是无需取得碳信用的快速盈利项目是不太现实的。原油强力回收项目需要基础设施方面的投资和进一步研究。

     碳问题是一个紧急而又复杂的问题，随着政府干预的升级，相信对碳问题的讨论将会更加热烈。