通過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年通過對(duì)生產(chǎn)、應(yīng)用DRI和HBI過程中CO2的減排量的追蹤調(diào)查，研究了鋼鐵領(lǐng)域碳排放問題。本文再次討論這一問題，并通過“碳收集封存”（CCS）進(jìn)一步討論減少CO2排放的問題。碳截存和碳收集封存的應(yīng)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減輕對(duì)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的提高，但是隨著人口持續(xù)增長，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。在過去的幾年間，該行業(yè)對(duì)CO2的排放給予了極度的重視。為了應(yīng)對(duì)不久會(huì)出臺(tái)的法律法規(guī)，鋼鐵行業(yè)正在竭力采取措施以減少C02的排放量。通過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(yīng)用并不太現(xiàn)實(shí)。

    日益突出的全球性問題——CO2

    導(dǎo)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：通過自然的碳循環(huán)、各種人類活動(dòng)（如燃燒化石燃料）等。美國環(huán)境保護(hù)局2005年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球現(xiàn)今大氣中CO2的含量要比工業(yè)革命前高出35%。

    導(dǎo)致CO2含量升高的直接因素為人類活動(dòng)。如果不加以約束的話CO2的排放量將會(huì)繼續(xù)增加，這會(huì)對(duì)日益增加的人口帶來不利影響。2006年度國際能源信息管理部門提供的數(shù)據(jù)顯示，大型的工業(yè)化國家對(duì)對(duì)溫室氣體排放有著不可推卸的責(zé)任。

    由于溫室氣體的排放產(chǎn)生了全球性的影響，對(duì)這一問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(tái)。
 
    由于減少溫室氣體的排放對(duì)各個(gè)領(lǐng)域來說造價(jià)較高，在各方未就減排達(dá)成一致的情況下，并不是所有國家或相關(guān)領(lǐng)域同意就減排問題提高造價(jià)。這一問題的解決在過去的十年間一直處于瓶頸狀態(tài)。歐盟已經(jīng)通過增加稅收及限制碳排放等手段全力應(yīng)對(duì)碳問題。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“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(yīng)的獎(jiǎng)懲制度。這一辦法能夠激勵(lì)各行業(yè)尋求新技術(shù)來減少排放量。而針對(duì)這一措施，各界反應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)有些變化。

    雖然歐盟已經(jīng)采取了一些措施來抑制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(xiàng)堅(jiān)決限制新煤電廠CO2排放的立法建議。根據(jù)法國路透社的報(bào)道，奧巴馬政府的這一建議是號(hào)召新煤電廠截流其60%的CO2的排放量并將其永久性沉于地下。盡管評(píng)論認(rèn)為這一建議象征性意義較大，但是如果其成功立法的話，這有望對(duì)不久有關(guān)方面更為嚴(yán)厲的法律法規(guī)的出臺(tái)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

    鋼鐵行業(yè)CO2的排放問題

    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(jié)果的主要原因是全球大部分的鐵產(chǎn)出是通過使用可產(chǎn)生大量CO2碳基燃料。

    目前全球超過90%的鐵產(chǎn)品都是通過焦炭高爐產(chǎn)出的，通過天然氣產(chǎn)出的只占全球鐵產(chǎn)量的5%，通過煤產(chǎn)出的只占全球鐵產(chǎn)量的1%，甚至更少。通過高爐煉鐵技術(shù)，每生產(chǎn)1噸鐵就會(huì)有1.8噸的CO2產(chǎn)生。資源類型不同導(dǎo)致CO2的排放量從1.6噸到2.2噸不等。舉例來說，如果焦?fàn)t煤氣用來產(chǎn)電的話，CO2的排放量不會(huì)超過鐵的量。因此，2012年高爐煉鐵技術(shù)產(chǎn)出的近9億噸鐵就意味著，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也會(huì)產(chǎn)出CO2，但是其產(chǎn)出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)生成鐵（Fe）和二氧化碳（CO2）。由此看來，為了產(chǎn)出一份鐵，需要三份氧和三份碳，進(jìn)而CO2也在此過程中形成。

     如果使用甲烷（CH4），一份甲烷首先轉(zhuǎn)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(yīng)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，本過程CO2的產(chǎn)出量僅為三分之一。

    從眼下實(shí)行的嚴(yán)格的CO2排放標(biāo)準(zhǔn)來看，最有效地應(yīng)對(duì)措施是利用天然氣，即氣基直接換原這種新技術(shù)來代替對(duì)煤料的燃燒。此外，全球范圍內(nèi)對(duì)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幾十年里得到應(yīng)用。

    “碳收集封存”（CCS）和 還原產(chǎn)物CO2的應(yīng)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)氣體中分離出來并存儲(chǔ)，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的可能性來減免其排放量。但是相關(guān)方案仍在試驗(yàn)階段，并且其對(duì)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題，因?yàn)樘烊粴饣苯舆€原的兩種主要技術(shù)都可以吸收CO2。

    CO2一但被吸收，就必須通過疏導(dǎo)永久性的貯藏起來。永久性存儲(chǔ)CO2的方法是將其深藏于地底或海底。如果碳收集系統(tǒng)最終無處存儲(chǔ)吸收來的CO2而又將其排放至大氣中，這就說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(chǔ)研究所有限公司于2011年年底稱，全球有8個(gè)大型碳收集封存項(xiàng)目（CSS）正在運(yùn)行，另外有6個(gè)項(xiàng)目正在籌建中。然而，其中在鋼鐵領(lǐng)域?qū)嵤┑腃SS項(xiàng)目為零。

    現(xiàn)行CSS的主要目標(biāo)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(chǔ)設(shè)施的支持，因此很多企業(yè)正在通過潛在收益流來降低啟動(dòng)CSS項(xiàng)目的費(fèi)用。雖然現(xiàn)階段有幾個(gè)潛在的市場和通過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(yīng)用，但是現(xiàn)階段的市場還不足以處理鋼產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的大量CO2。近年來人們一直在設(shè)法應(yīng)用收集來的CO2，但是各個(gè)方案的可行性都不大。碳酸飲料確實(shí)對(duì)CO2的利用提供了平臺(tái)，但該產(chǎn)業(yè)每年CO2的需求量只有100-200萬噸。

    理論上，一個(gè)年產(chǎn)直接還原鐵200萬噸的天然氣基還原廠每年產(chǎn)生的CO2就有100萬噸。而世界范圍內(nèi)直接還原廠的產(chǎn)能為5000萬噸。顯然CO2的應(yīng)用市場還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

   CO2形成的潛在收集趨勢（第二部分）

    對(duì)于收集的CO2來說，只有一種可能獲利的應(yīng)用：燃料回收業(yè)。燃料回收業(yè)的市場足夠大到支撐鋼鐵業(yè)排放的CO2量，而且也提供了一種儲(chǔ)存CO2的方式。有三個(gè)領(lǐng)域可以滿足上述要求：原油強(qiáng)力回收（EOR）、強(qiáng)力氣回收（EGR）和強(qiáng)力煤層氣回收（ECBM）。其中，原有強(qiáng)力回收是收益率最大且現(xiàn)階段唯一可行的途徑。

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

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

    結(jié)論

     可以預(yù)見，全球范圍內(nèi)對(duì)于CO2產(chǎn)生的政府性干預(yù)即將展開。迫于法律和經(jīng)濟(jì)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(shè)備來吸收CO2是可行的，但是為了增加碳信用，運(yùn)輸和存儲(chǔ)CO2的環(huán)節(jié)也要考慮在內(nèi)。

    二氧化碳利用（EOR）可以在存儲(chǔ)CO2的同時(shí)，開辟一條可能的收入流。另外其他領(lǐng)域也在開發(fā)利用這些機(jī)會(huì)。對(duì)鋼鐵業(yè)來說，在短期內(nèi)將碳收集封存看作是無需取得碳信用的快速盈利項(xiàng)目是不太現(xiàn)實(shí)的。原油強(qiáng)力回收項(xiàng)目需要基礎(chǔ)設(shè)施方面的投資和進(jìn)一步研究。

     碳問題是一個(gè)緊急而又復(fù)雜的問題，隨著政府干預(yù)的升級(jí)，相信對(duì)碳問題的討論將會(huì)更加熱烈。