高爐煤氣碳捕集對鋼鐵聯(lián)合企業(yè)碳排放的影響

孫 鳳，黃志甲，張 樣，祝立萍

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

由溫室氣體引起的氣候變化已經(jīng)成為了全球關(guān)注的焦點。在第75屆聯(lián)合國大會中，習(xí)近平主席提出中國力爭在2030年前CO2排放達到峰值、2060年前實現(xiàn)碳中和。這就意味著，隨著我國經(jīng)濟的增長，CO2碳排放總量要不斷降低，碳中和將會引領(lǐng)中國走出化石能源時代[1-2]。

中國目前是世界鋼鐵生產(chǎn)最大國，中國鋼鐵行業(yè)的CO2排放量占世界鋼鐵CO2排放的14%，所以鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排是至關(guān)重要的[3]。為了減少鋼鐵企業(yè)碳排放，可采取兩條主要途徑：(1)提高能源和過程效率。(2)采用碳捕集與封存(Carbon Capture and Storage,CCS)過程。由于每年產(chǎn)生的CO2排放量遠遠超出了氣候可持續(xù)過程的極限，采用CCS技術(shù)的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)具有顯著的減排潛力[4]。歐盟的超低CO2排放煉鋼計劃(ULCOS)結(jié)合CCS技術(shù)，CO2的減排量多達80%[5]。針對于CCS技術(shù)，有學(xué)者評估了增強吸附水煤氣變換(SEWGS)從高爐煤氣中捕集CO2的潛力，并對這項技術(shù)進行了初步的經(jīng)濟評估，研究發(fā)現(xiàn)，SEWGS使用先進的吸附劑可以減少85%的CO2排放，捕集成本比胺技術(shù)成本低5∈/tCO2[6-7]。CCS技術(shù)將有助于實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)急需的減排。

高爐煤氣(Blast Furnace Gas，BFG)是高爐煉鐵過程中的副產(chǎn)品，本課題組曾以鋼鐵聯(lián)合企業(yè)為研究對象，通過對企業(yè)碳素流分析，得到高爐煤氣的碳排放量占企業(yè)CO2排放總量的45.8%。李颯等[8]對鋼鐵BFG中CO2捕集后的技術(shù)經(jīng)濟性分析，結(jié)果表明碳捕集能提升BFG熱值，為企業(yè)帶來間接經(jīng)濟效益。Maria等人[11]研究的兩個案例：高水平集成替代方案是從高爐煤氣中捕獲CO2，低水平集成替代方案是從發(fā)電廠煙氣(管道末端)中捕獲CO2。結(jié)果表明來自BFG的CO2捕集比煙氣CO2捕集效果更好。張金星等人[9-10]以高爐煤氣醇胺溶液吸收CO2捕集系統(tǒng)為研究對象,研究出BFG碳捕集最佳操作參數(shù)以及選擇了合適的化學(xué)吸收劑。在我國還是高爐-轉(zhuǎn)爐長流程鋼鐵生產(chǎn)比較多，故分析BFG碳捕集對鋼鐵聯(lián)合企業(yè)碳排放的影響，具有典型性和代表性。

本研究通過建立鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的CO2排放計算模型，計算鋼鐵產(chǎn)品以及企業(yè)CO2排放量。最后用碳捕集和封存技術(shù)捕集BFG中不同比例的CO2作為不同情景進行假設(shè)，分析碳捕集對BFG物性的影響，最后分析得出在各情景下鋼鐵產(chǎn)品以及企業(yè)減排CO2的效果，展示了高爐煤氣碳捕集這條碳減排路徑的減排貢獻。

1 研究方法

本文用生命周期評價(Life Cycle Assessment, LCA)方法建立鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的CO2排放核算模型，計算鋼鐵產(chǎn)品以及企業(yè)的CO2排放量。對于企業(yè)而言，生命周期清單負荷結(jié)構(gòu)可以分為企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)外部。企業(yè)內(nèi)部是指企業(yè)系統(tǒng)邊界內(nèi)的生產(chǎn)階段，主要可以分為自產(chǎn)能源、環(huán)境直接排放、各工序的中間產(chǎn)品以及副產(chǎn)品內(nèi)部回用等部分；而企業(yè)外部指的是廠外運輸階段、上游階段和副產(chǎn)品外部回用等階段。本文重點研究的是鋼鐵企業(yè)內(nèi)部CO2排放以及產(chǎn)品的碳排放量，簡稱為企業(yè)CO2排放量。

1.1 CO2排放計算模型

利用碳素守恒原理和國際鋼協(xié)的碳核算方法計算，通過平衡系統(tǒng)內(nèi)CO2的輸入輸出，計算出系統(tǒng)內(nèi)的CO2排放量。建立企業(yè)邊界內(nèi)的CO2排放模型，如圖1所示，生產(chǎn)單元投入的碳素流之和減去產(chǎn)出的碳素流之和。投入和產(chǎn)出的碳素流按照投入(產(chǎn)出)系數(shù)乘以排放系數(shù)得到。計算表達式用式(1)表示。

圖1 單元CO2排放計算模型圖

(1)

式中D——CO2直接排放負荷/g；

m——消耗系數(shù)/kg·m-3·(kWh)-1；

θ——物質(zhì)含碳系數(shù)，以CO2計，g/kg，g/m3。

1.2 數(shù)據(jù)類型

模型的數(shù)據(jù)類型見圖1，投入數(shù)據(jù)包括原料、能源和輔料三大類，產(chǎn)出數(shù)據(jù)包括產(chǎn)品、煤氣和其他副產(chǎn)品等三類。生產(chǎn)單元的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場，企業(yè)產(chǎn)品及副產(chǎn)品的排放系數(shù)來源于現(xiàn)場測試，外購原料和能源的排放數(shù)據(jù)均來源于數(shù)據(jù)庫。

1.3 情景說明

如表1所示，BFG中N2含量最多，占比55%～57%，CO含量次之，占比23%～27%，CO2占比15%～23%，H2和CH4含量最少。由于BFG中CO2和N2是不可燃成分，熱值比較低[20]，所以采用燃燒前捕集BFG中CO2，降低高爐煤氣中的CO2的排放系數(shù)，來提高高爐煤氣中CO及H2等可燃成份的燃燒熱值。因此，BFG脫碳，不僅具有環(huán)保效益還有經(jīng)濟效益。

表1 BFG中各成分的體積分數(shù)

在本方案中，采用燃燒前捕集方式，由于煤氣中CO2濃度較高，分離容易，但是過程復(fù)雜[21]。以BFG的CO2捕集率作為不同情景進行假設(shè)，假設(shè)碳捕集率為25%、50%、75%和100%為情景一、情景二、情景三和情景四，以無碳捕集為基準情景，首先計算出不同情景下BFG熱值和CO2排放系數(shù)，再利用CO2排放計算模型得到不同情景下產(chǎn)品和全廠的CO2排放量，分析各情景下鋼鐵產(chǎn)品以及企業(yè)CO2的減排效果。

2 結(jié)果分析

2.1 不同情景下的BFG熱值和碳排放系數(shù)

本研究采用BFG中未捕集CO2的排放情況為基準情景，假設(shè)捕集BFG中25%，50%，75%，100%作為不同情景，在分離捕集BFG中不同比例的CO2之后，其熱值和CO2排放系數(shù)會有相應(yīng)的改變。燃料的熱值是指燃料完全燃燒時反應(yīng)物與產(chǎn)物間的絕對焓值之差，通過燃料燃燒計算的相關(guān)原理可以計算出不同捕集情景的BFG成分和熱值的變化。首先計算捕集25%、50%、75%和100%CO2后BFG干成分，然后換算成濕成分，最后根據(jù)不同情景下煤氣成分計算BFG的CO2排放系數(shù)和熱值。比較這四種情景與基準情景BFG熱值和CO2排放系數(shù)的變化。具體結(jié)果如表2。

從表2中可以看出，與基準情景相比，情景一、二、三、四的熱值隨著CO2捕集率的增加而增加，這是因為將BFG中的CO2捕集之后，提升BFG中的可燃成份H2和CO的濃度，因而單位BFG的熱值提高了，捕集CO2的量越多，熱值增加的也越多；CO2排放系數(shù)隨著捕集率的增加而降低。捕集BGF中75%的CO2，高爐煤氣的熱值由3 382 kJ/m3增加到3 979 kJ/m3，提高了17.6%，CO2排放系數(shù)由0.875 kg/m3降到0.658 kg/m3，CO2排放系數(shù)降低了24.8%；捕集100%的CO2，高爐煤氣的熱值增加到4 228 kJ/m3，熱值提高了25.1%，CO2排放系數(shù)降低了35.6%。

表2 不同情景下的BFG熱值和CO2排放系數(shù)

2.2 減排量的計算

不同情景下主要的鋼鐵產(chǎn)品和企業(yè)CO2減排幅度如圖2所示。BFG碳減排對鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的影響可以從企業(yè)碳減排幅度中可以看出，鋼鐵產(chǎn)品的碳排放影響著企業(yè)的碳排放，因此研究產(chǎn)品碳減排幅度也是必要的，它也能夠為產(chǎn)品市場交易提供參考。從圖中能夠看出，從情景一到情景四，產(chǎn)品和企業(yè)的CO2減排幅度依次增加，企業(yè)碳減排幅度分別為5%、9.5%、14.5%和20.2%左右。對于一個鋼產(chǎn)量為1 400萬t的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，能夠計算出企業(yè)CO2減排量分別為：147.5萬t，280.2萬t，427.8萬t，595.9萬t。BFG中捕集CO2的比例越高，難度越大成本越高。所以在本方案中選擇情景三的條件，即捕集BFG中75%的CO2，企業(yè)全年的CO2減排量約為427.8萬t。

圖2 不同情景下主要鋼鐵產(chǎn)品和企業(yè)的CO2減排效果

從圖2中可以看出，對于產(chǎn)品來說，不同情景下鐵水的碳減排幅度最大，分別為5.32%，10%，15.33%，21.5%，其碳減排效果最明顯，以鐵水為原料的鋼水及其下游產(chǎn)品的碳排放也有很大影響，但碳減排效果要稍低于鐵水。

3 結(jié)論

通過對高爐煤氣碳捕集率不同情景的假設(shè)，分析鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的鋼鐵產(chǎn)品和企業(yè)CO2減排效果，當(dāng)BGF的碳捕集率為75%時，所得主要結(jié)論如下：

(1)高爐煤氣的熱值能提高17.6%，CO2排放系數(shù)減少了24.8%；熱值的提高能夠降低高熱值混合燃料氣體的使用，進而為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。

(2)生產(chǎn)鐵水過程中會產(chǎn)生大量CO2，而捕集BFG中的CO2會減低鐵水的碳排放，其碳減排幅度高達15.33%，因此BFG碳捕集有利于高爐煉鐵工序的碳減排。

(3)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的CO2減排幅度約為15%，對于鋼鐵企業(yè)來說，減排的重點可以放在高爐工序上，特別是BFG碳捕集，能夠為企業(yè)帶來環(huán)保效益，對鋼鐵企業(yè)碳中和有著重大意義。