通過直接還原和碳收集封存減少世界鋼鐵產業碳排放量

    Midrex 公司在2009年通過對生產、應用DRI和HBI過程中CO2的減排量的追蹤調查，研究了鋼鐵領域碳排放問題。本文再次討論這一問題，并通過“碳收集封存”（CCS）進一步討論減少CO2排放的問題。碳截存和碳收集封存的應用在鋼鐵領域已十分普遍，而且也是進一步減少溫室氣體排放的有效途徑。

    介紹

    全球各領域正在盡最大努力來減輕對環境的影響。工業化使得人們的生活水平和富裕程度得到了顯著的提高，但是隨著人口持續增長，工業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的排放已經受到廣泛關注并提到了立法日程。

    鋼鐵行業是溫室氣體排放的主要源頭。在過去的幾年間，該行業對CO2的排放給予了極度的重視。為了應對不久會出臺的法律法規，鋼鐵行業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最終避免CO2的排放，依舊是到目前為止減少鋼鐵業碳排放的最有效措施。然而，碳收集封存技術的高投入使得這一技術的應用并不太現實。

    日益突出的全球性問題——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：通過自然的碳循環、各種人類活動（如燃燒化石燃料）等。美國環境保護局2005年發布的數據顯示，全球現今大氣中CO2的含量要比工業革命前高出35%。

    導致CO2含量升高的直接因素為人類活動。如果不加以約束的話CO2的排放量將會繼續增加，這會對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據顯示，大型的工業化國家對對溫室氣體排放有著不可推卸的責任。

    由于溫室氣體的排放產生了全球性的影響，對這一問題的處理就涉及到了政治層面。盡管困難重重，相關的措施已經出臺。
 
    由于減少溫室氣體的排放對各個領域來說造價較高，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領域同意就減排問題提高造價。這一問題的解決在過去的十年間一直處于瓶頸狀態。歐盟已經通過增加稅收及限制碳排放等手段全力應對碳問題。最近，歐盟向航空業征收碳排放稅的措施引起了廣泛影響。然而，為了維持各行業的發展，歐盟也通過“總量控制與交易制度”促進企業減少排放。該政策給出了一個排放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尋求新技術來減少排放量。而針對這一措施，各界反應不一。另外措施實施的非全球性特點使得相關的價格標準有些變化。

    雖然歐盟已經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堅決限制新煤電廠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，這有望對不久有關方面更為嚴厲的法律法規的出臺奠定堅實的基礎。

    鋼鐵行業CO2的排放問題

    煉鐵業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，而煉鐵業排放的CO2就占整個工業排放總量的25%-----年產近18億噸。造成這一結果的主要原因是全球大部分的鐵產出是通過使用可產生大量CO2碳基燃料。

    目前全球超過90%的鐵產品都是通過焦炭高爐產出的，通過天然氣產出的只占全球鐵產量的5%，通過煤產出的只占全球鐵產量的1%，甚至更少。通過高爐煉鐵技術，每生產1噸鐵就會有1.8噸的CO2產生。資源類型不同導致CO2的排放量從1.6噸到2.2噸不等。舉例來說，如果焦爐煤氣用來產電的話，CO2的排放量不會超過鐵的量。因此，2012年高爐煉鐵技術產出的近9億噸鐵就意味著，每噸鐵的產出就會產生1.8噸甚至更多的CO2。天然氣基直接還原廠也會產出CO2，但是其產出量遠遠要低：每生產1噸鋼CO2的產出量為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，為了產出一份鐵，需要三份氧和三份碳，進而CO2也在此過程中形成。

     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，本過程CO2的產出量僅為三分之一。

    從眼下實行的嚴格的CO2排放標準來看，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來代替對煤料的燃燒。此外，全球范圍內對新能源的不斷探尋有望使價格更加低廉的天然氣在未來幾十年里得到應用。

    “碳收集封存”（CCS）和 還原產物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。而此過程中碳的移除是以CO2的形式進行的。在煉鋼業，指的是將CO2從流動氣體中分離出來并存儲，永久性的阻止其再回到碳循環中。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域，相關吸收CO2的方案并不是主要問題，因為天然氣基直接還原的兩種主要技術都可以吸收CO2。

    CO2一但被吸收，就必須通過疏導永久性的貯藏起來。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處存儲吸收來的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）

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

    現行CSS的主要目標是減少CO2的產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，因此很多企業正在通過潛在收益流來降低啟動CSS項目的費用。雖然現階段有幾個潛在的市場和通過CSS利用CO2，但是都與實際不太符合。

    盡管已經考慮到了CO2的可能性應用，但是現階段的市場還不足以處理鋼產業產生的大量CO2。近年來人們一直在設法應用收集來的CO2，但是各個方案的可行性都不大。碳酸飲料確實對CO2的利用提供了平臺，但該產業每年CO2的需求量只有100-200萬噸。

    理論上，一個年產直接還原鐵200萬噸的天然氣基還原廠每年產生的CO2就有100萬噸。而世界范圍內直接還原廠的產能為5000萬噸。顯然CO2的應用市場還是遠遠不夠的。

   CO2形成的潛在收集趨勢（第二部分）

    對于收集的CO2來說，只有一種可能獲利的應用：燃料回收業。燃料回收業的市場足夠大到支撐鋼鐵業排放的CO2量，而且也提供了一種儲存CO2的方式。有三個領域可以滿足上述要求：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認定為永久性存儲CO2的可行性技術。原油強力回收技術正在全世界范圍內推廣，然而要想在該領域發展獲利，需要在基礎設施上進行投資才能使產品得到利用。另外，原油強力回收是否能夠在沒有碳信用庇佑的鋼鐵領域獲利目前還不得而知。由于現已開發的項目并未公開其具體費用，所以為原油強力回收領域服務的基礎設施所需經費不詳。

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

    結論

     可以預見，全球范圍內對于CO2產生的政府性干預即將展開。迫于法律和經濟制裁的壓力，鋼鐵行業正在尋找更好的解決辦法和措施來減少CO2的產生。天然氣基直接煉鐵技術依舊是最終避免CO2產生的最有效途徑；碳收集封存雖然有進一步減少CO2產生的潛力，但是目前該技術還不是收集高爐里產生CO2的有效解決辦法；利用天然氣基直接還原設備來吸收CO2是可行的，但是為了增加碳信用，運輸和存儲CO2的環節也要考慮在內。

    二氧化碳利用（EOR）可以在存儲CO2的同時，開辟一條可能的收入流。另外其他領域也在開發利用這些機會。對鋼鐵業來說，在短期內將碳收集封存看作是無需取得碳信用的快速盈利項目是不太現實的。原油強力回收項目需要基礎設施方面的投資和進一步研究。

     碳問題是一個緊急而又復雜的問題，隨著政府干預的升級，相信對碳問題的討論將會更加熱烈。