深入分析：如何利用碳化生物颗粒炼钢
2025-01-06
FutureMetrics总裁威廉·施特劳斯博士（Dr. William Strauss）说，至少在10年前，当我们第一次了解到采取传统白色颗粒并对其进行改造的努力时，我们对这个想法的有效性持高度怀疑态度。
碳化木纤维时产生的质量损失约为25%至30%，这意味着颗粒的体积密度从典型的650kg/m3下降到450至500kg/m3。在这种温度下的能量损失约为12%。
即使具有更高的每吨能量密度，体积和能量密度的计算净结果是：每立方米黑颗粒的能量比传统的白色颗粒少。发明用于能源的木屑颗粒是为了最大限度地利用每立方米的能量。制粒后焙烧（TAP）的策略反而降低了物流优势。
FutureMetrics对焙烧和蒸汽爆炸技术进行了全面分析。
但是对白色颗粒进行热处理的想法已经转变
我们认为，TAP适合的市场不是在发电领域来替代煤炭，而是在钢铁制造领域。TAP低估了将铁矿石提炼成粗铁所需的高碳含量所需的热处理程度。因此，我们可以使用新的术语：“颗粒化后碳化”或称为“CAP”。
本白皮书将介绍一种为炼钢生产高碳含量产品的策略，这种产品在降低炼钢过程中将铁矿石（氧化铁）还原为铁所产生的二氧化碳净排放量方面非常有益。
钢铁行业是二氧化碳的主要排放源
2023年，全球二氧化碳排放量达到375亿吨。
全球钢铁行业的二氧化碳排放量约占全球的7%。到2024年，全球预计将排放375亿吨二氧化碳，其中约27亿吨将来自钢铁行业。
钢铁制造业的大部分二氧化碳排放来自高炉。
高炉生产了全球约73%的铁，约占全球钢铁二氧化碳排放量的80%。高炉采用铁矿石（一种氧化铁，通常是赤铁矿：Fe2O3），一些石灰石和从煤中产生的碳，称为焦炭，并从Fe2O3分子中除去氧，以生产粗铁。粗铁经过进一步加工，用于生产各种类型的钢。
将赤铁矿变成铁的反应释放出大量的二氧化碳。高炉中的碳和一氧化碳（以及高度控制的氧气）都将铁矿石还原为铁并产生二氧化碳：Fe2O3+3C⟶2Fe+3CO2和Fe2O3+3CO⟶2Fe+3CO2
高炉每生产一吨粗铁会产生约2.33吨二氧化碳。
根据全球能源监测，全球高炉跟踪，2024年4月（V1）发布的数据，全球有990个正在运行的高炉，每年铁产量约为14.5亿吨。
个别工厂的实际产能因素尚不清楚。因此，为了与近1000个运行高炉的估计二氧化碳总排放量相匹配，我们采用了65%的总容量系数。许多较新的钢厂以更高的产量水平运行。一些钢厂年久失修，产能系数可能较低。
近年来大量新建高炉是产能持续增长趋势的一部分。截至2024年年中，已宣布的新产能约为2.07亿吨/年，在建产能约为1亿吨/年。假设新工厂的产能系数为85%，那么每年的二氧化碳排放量将增加6.09亿吨。
钢铁行业脱碳对实现二氧化碳排放目标至关重要
挑战是巨大的。世界上有1848家钢铁厂，其中许多钢铁厂的原料来自近1000座高炉。
除了在高炉中精炼铁矿石外，还有另外两种主要的生产粗钢的方法：使用电弧炉（EAF）熔化回收的废料，以及使用天然气作为还原剂并使用电弧炉熔化铁。天然气工艺成本昂贵，仅占全球钢铁产量的7%左右，每吨粗钢排放约1.33吨二氧化碳（比高炉少约40%，但仍然是二氧化碳排放的重要来源）。
大约80%的废钢在电炉中回收。电弧炉产量约占全球钢铁产量的22%。电炉的二氧化碳排放量明显低于高炉；每吨粗钢约0.66吨。但随着需求的快速增长，用电炉生产回收钢无法满足不断增长的需求。
从钢铁产量的比例和绝对数量来看，主要排放者是高炉。
用生物碳代替地质碳
使用从煤中提取的焦炭中的碳作为还原剂是目前成本最低的选择。可再生氢的大规模使用即将到来，但需要几十年的时间才能崭露头角。用氢把氧从氧化铁中分离出来的排放物是H2O（水）。
然而，有几个有利于碳排放的解决方案可以将钢铁制造行业推向正确的方向。
一个容易实施的解决方案是用可持续来源的生物资源产生的碳取代煤炭产生的碳。
使用碳基还原剂的高炉在将氧原子与铁矿石分离的化学反应中总是会排放二氧化碳。但是，将典型铁矿石（Fe2O3）转变为粗铁（生铁）所需的碳原子来源对地球大气中二氧化碳浓度的净影响是重要的。
煤炭、石油和天然气（甲烷）使用的迅速增加已经使地球系统失去了平衡。
从生物资源中制造高碳含量的产品已经是一项成熟的技术。
将生物质长期暴露在缺氧反应器的高温下，以赶走挥发性物质，留下含碳量更高的物质，这一过程并不神秘。因此，绰号“黑”颗粒，这是由烘烤生产的。
对于用于发电的燃料，碳化颗粒适用于有限的场景。
更长时间或更高温度的过程产生“碳化”。该产品适合作为高炉煤/焦炭的替代品。
生物碳化每吨碳的成本高于煤制焦的成本。这个问题必须通过政策来解决，将开采矿物（煤、石油、天然气）造成的二氧化碳污染的成本及其对气候、天气和海洋的影响纳入其成本。在一些明确认识到现在和未来二氧化碳污染成本的司法管辖区，现行和不断发展的规则正在鼓励减少使用化石燃料产生的二氧化碳排放；就像目前规范其他污染空气、水和土地排放的规则一样。
使用生物碳存在安全、物流和技术方面的挑战。碳化后的材料密度低，粉尘多，长途运输成本高。致密化解决了其中的一些问题。但是，如果没有粘合剂，高度碳化的产品将无法成球，因此致密化是具有挑战性的。长途运输也有严重的处理和储存安全问题，这显著增加了每吨交货的成本。
然而，最具挑战性的是，去除大部分挥发性化合物的过程产生的“合成气”远远超过了操作反应器和预干燥原料所需的量。这意味着附近一定有一个24小时不间断使用合成气的用户。
利用生物资源衍生碳的最佳解决方案
最佳解决方案是在高炉旁边对物料进行炭化处理。碳化后的物料只需要输送很短的距离，多余的合成气就可以送到高炉或钢厂，供其在过程中使用。
木质材料碳化产生的合成气含有一系列化学物质，包括CO2、CO、CH4、乙酸、甲酸、丙酮、甲基丙酮和焦油。合成气将给高炉带来能量，并从分子中的碳和氢中提供还原性的好处。
从碳化反应器向同一位置的高炉供应碳化生物质有两种基本策略：
如果高炉附近有足够的可持续生物资源，那么生物材料可以以其原始形式送到碳化厂。对于木质生物质，这将是锯木厂的残余物，如木片和锯末，或没有更高价值利用的森林残余物。然后，剩余物可以转化为高碳含量的产品，用于将矿石还原为粗铁。更灵活和普遍适用的解决方案是将标准木屑颗粒送到碳化厂，然后将所谓的“白色”颗粒转化为高炉所需的高含碳量材料。FutureMetrics对这两种战略路径都进行了建模。
方案(1)的机会有限，因为高炉必须位于生物资源可持续供应的中心。原料的长途运输是所有林产品工业的限制因素，包括锯木厂、纸浆厂、颗粒生产商，在这种情况下，是生物碳生产商。围绕炼钢作业种植专用高产作物的潜力，可能是增加供应的可行途径。
所有的解决方案都必须遵循一个基本约束，即提供原料的生物资源中所含的净碳不能耗尽。简而言之，生长率必须等于或超过去除率，以防止二氧化碳净值进入到大气中。
方案(2)开辟了利用已经完善的工业颗粒供应生产和运输基础设施供钢铁制造商使用的潜力。颗粒已经大量运往世界各地，用作发电站的燃料，这些发电站通过用颗粒代替煤炭获得了显著的碳排放效益。
将生物基原料的供应与炭化过程的位置解耦，允许在几乎任何高炉位置使用这种炼钢脱碳策略。
成本呢？
如上所述，提炼铁矿石成本最低的碳来自地质碳。但这一指标仅基于大多数地区的高炉目前面临的生产成本。越来越多的二氧化碳污染被正式管制。
在每吨二氧化碳排放成本一定的情况下，使用地质碳的替代品成为成本较低的策略。
为煤和白色木屑颗粒生产高碳含量铁矿石还原剂的途径需要加工。这两个过程是相似的。这两种方法都是将炼焦煤或颗粒暴露在缺氧炉或反应器的高温下。
每吨的成本是相似的。但是，将氧化铁还原为生铁所用的每吨碳的成本并不相同。
将白色颗粒转化为碳化材料（~80%的固定碳含量）会导致显著的质量损失。FutureMetrics估计质量损失约为64%。因此，如果以220美元/吨的交付成本购买白色颗粒，每吨碳化固体产品的原料成本约为600美元。
FutureMetrics没有关于将炼焦煤转化为焦炭成本的数据。在此分析中，假设焦化窑的运行成本与炭化反应器的运行成本相同。因此，在这个假设下，关键的比较指标是运送含碳还原剂的成本。
以每吨为基础，白色颗粒转化为还原剂质量的投入成本约为煤转化为焦炭成本的2.55倍。但有一些考虑因素会改变这个价值。
木屑颗粒的灰分含量通常小于3%。冶金煤的灰分通常在10%左右。因此，大约97%的白色木质颗粒是碳基分子-注意颗粒不含硫。固体物料中的高含碳量和送入高炉的合成气的分子组成相结合，决定了加工后的白色颗粒的净还原能力。
假设在炭化过程中挥发的木屑颗粒中的碳水化合物材料的一定比例可用作还原剂是可行的。在这样的假设下，输送到高炉的每单位碳的实际成本将不到煤的2.55倍。可能会少很多。
需要进一步分析以量化经过处理的白色颗粒的合成气部分的净效益。然而，质量损失的很大一部分是含有碳原子的挥发物。
如果白色颗粒中的大部分质量转化为有用的还原剂，颗粒原料的成本接近煤。
计算实际值超出了FutureMetrics的专业范围（我们不是控制粗铁高温生产的复杂专家）。但简单的化学反应表明，这可能意义重大。
一座高炉每生产一吨粗铁将释放约2.33吨二氧化碳。
如果有用的还原原子的产量仅基于CAP生物基碳的固体部分，那么即使每排放一吨二氧化碳的成本为225美元，使用生物基碳也比使用煤/焦炭更昂贵。
然而，如果CAP工艺与高炉同处一处，这就不是正确的比较。
如上所述，白色颗粒的热处理产生固体碳和含有许多碳基分子的气流。
结论
钢铁行业是造成气候变化危机的一个重要因素。在将铁矿石转化为粗铁（生铁）时，有几种方法可以降低二氧化碳排放。正如本文所示，一种途径是用可持续来源的再生碳水化合物产生的碳原子替代炼油厂中使用的部分或全部地质碳。
当CAP磨机与高炉同置时，碳化后颗粒化策略不仅可以直接供应固体碳，还可以供应热处理过程的气态副产物。这种合成气含有大量的碳（和一些氢）。
使用在高炉所在地碳化白色颗粒的方法降低了生物源碳供应的风险，因为它立即打开了一个完善的多来源白色颗粒供应基地及其相应的物流系统。
这一分析表明，由白色颗粒产生的固体碳和气态碳基分子，在碳税和有效使用比例的几种可行组合下，作为白色颗粒初始质量的还原剂，可以成为降低钢铁制造行业二氧化碳污染的解决方案的一部分。
