生物炭替代煤粉/焦炭高爐煉鐵碳減排技術(shù)研究進(jìn)展

楊夢(mèng)茹，彭琴，常玉龍，2，邱淑興，張濺波，江霞，2

（1 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；2 四川大學(xué)碳中和未來(lái)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610065；3 攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵研究院有限公司，四川 攀枝花 617000）

中國(guó)力爭(zhēng)2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這無(wú)疑給鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。目前源自鋼鐵的直接CO2排放占全球能源系統(tǒng)碳排放量的7%～9%[2]。2021 年，我國(guó)碳排放總量為119億噸，其中鋼鐵行業(yè)碳排放量占全國(guó)碳排放總量的15%～17%[3-5]。從鋼鐵生產(chǎn)工藝流程來(lái)看，高爐煉鐵消耗大量焦炭和煤粉，CO2排放量占整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)碳排放總量的70%以上[6]。因此，尋找高爐的替代碳源對(duì)鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展至關(guān)重要。

目前我國(guó)生物質(zhì)資源年產(chǎn)量約35億噸[7]，開(kāi)發(fā)利用前景廣闊，將生物質(zhì)資源能源化不僅能避免資源浪費(fèi)，創(chuàng)造增量?jī)r(jià)值[8-9]，還有助于建設(shè)宜居宜業(yè)的美麗鄉(xiāng)村[10]。生物質(zhì)是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式存儲(chǔ)的一種能量載體，通過(guò)光合作用固定大氣中的CO2[11]，因此具有零碳屬性，在煉鐵中利用可再生生物質(zhì)可減少20%～80%的CO2排放量[12]。生物炭是生物質(zhì)經(jīng)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制得[13-15]，與鋼鐵工業(yè)化石原料有相似的組成成分及理化特性[16]，具備成為替代碳源的潛力。

因此，不管是從環(huán)境改善、能源可持續(xù)發(fā)展的角度，還是從國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，鄉(xiāng)村建設(shè)行動(dòng)的角度出發(fā)，生物質(zhì)資源在煉鐵領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用必然會(huì)受到廣泛關(guān)注。本文圍繞生物炭替代煉鐵領(lǐng)域化石原料以達(dá)碳減排的目標(biāo)，介紹了生物炭在煉鐵領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)梳理了生物炭替代煤粉/焦炭高爐煉鐵所需具備的理化性質(zhì)要求。通過(guò)比較生物炭和煤的組成成分、生物炭替代煤粉/焦炭高爐煉鐵的CO2減排潛力及目前仍面臨的挑戰(zhàn)，以促進(jìn)生物炭替代煤粉/焦炭在高爐實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

1 生物炭在煉鐵領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景

傳統(tǒng)煉鐵技術(shù)的發(fā)展受到資源環(huán)境的限制，新能源新技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是煉鐵技術(shù)改革的關(guān)鍵[16]。生物炭原料生物質(zhì)來(lái)源和分布廣、種類(lèi)繁多、年再生量和價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定，適宜就地收集處理和消納利用。同時(shí)，生物炭氮硫含量低，將其作為燃料或還原劑用于煉焦、燒結(jié)、高爐等工序，有助于實(shí)現(xiàn)綠色低碳煉鐵。

1.1 生物炭用于煉焦

生物炭替代焦炭不僅能節(jié)約煉焦煤用量，還能緩解能源和環(huán)境壓力。混煤煉焦的關(guān)鍵在于共熱解技術(shù)，原料類(lèi)型、添加量、反應(yīng)條件等均會(huì)影響焦炭最終質(zhì)量[17-18]，由于生物質(zhì)和煤理化性質(zhì)的差異，許多研究人員對(duì)兩者共熱解時(shí)可能發(fā)生的協(xié)同作用進(jìn)行了大量研究[19-21]。例如，Pattanayak等[21]研究了生物質(zhì)和煤的共熱解行為，發(fā)現(xiàn)樣品在不同混合比和升溫速率下協(xié)同效應(yīng)存在且還有正負(fù)之分，這表明工藝條件對(duì)共熱解的協(xié)同作用有很大影響。關(guān)于生物質(zhì)與煤共熱解時(shí)產(chǎn)生協(xié)同作用的原因，Chen 等[22]進(jìn)行了總結(jié)，首先生物質(zhì)H/C 比高于煤，反應(yīng)時(shí)氫會(huì)阻止自由基重組和交聯(lián)，未重組和交聯(lián)的自由基能使煤分解出更多揮發(fā)性物質(zhì)；其次，生物質(zhì)蘊(yùn)含的堿金屬會(huì)催化共熱解時(shí)氣相反應(yīng)的活性；此外，共熱解時(shí)生物質(zhì)與煤之間的傳熱也可能是協(xié)同作用產(chǎn)生的原因。雖然目前普遍認(rèn)為生物質(zhì)與煤共熱解存在協(xié)同作用[23-25]，但也有說(shuō)法持相反意見(jiàn)[26]，未來(lái)應(yīng)用還需進(jìn)一步加強(qiáng)生物質(zhì)混煤煉焦對(duì)焦炭質(zhì)量的研究。

1.2 生物炭用于燒結(jié)

鐵礦石燒結(jié)工藝的CO2及能耗主要來(lái)自燒結(jié)固體燃料的消耗[27]，利用生物炭替代部分焦粉或煤粉用于鐵礦燒結(jié)有望降低燒結(jié)過(guò)程眾多污染物的排放。例如，Niesler等[28]研究了生物炭替代焦粉后對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量和污染物排放的影響，結(jié)果表明使用10%的生物炭替代有利于降低燒結(jié)礦中氧化鐵的含量，并能降低SOx含量。類(lèi)似地，Ji 等[29]發(fā)現(xiàn)用木炭替代40%的焦粉后燒結(jié)性能不會(huì)改變，且NOx、SOx和CO2排放量均有所下降。很多研究都提出當(dāng)生物炭替代比例超過(guò)一定量后，燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量指標(biāo)會(huì)大幅度惡化[30-31]，這可能是由于生物炭燃燒速度快，難以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定燃燒，在實(shí)際燃燒過(guò)程中難與化石燃料同步燃燒，導(dǎo)致料層燃燒區(qū)域變寬，高溫區(qū)成礦溫度降低[32]。上述研究情況表明，合理控制生物炭替代燒結(jié)燃料的比例是保證燒結(jié)礦品質(zhì)的重要手段。

1.3 生物炭用于高爐煉鐵

許多研究已經(jīng)對(duì)生物炭部分替代煤粉應(yīng)用于高爐進(jìn)行工業(yè)實(shí)踐和理論計(jì)算，證實(shí)其具有安全性和較好的碳減排效果[33-35]。Ye 等[34]計(jì)算了秸稈炭混入噴煤進(jìn)行高爐噴吹的碳減排效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)秸稈炭的混合比為60%時(shí)，CO2減排量分別可達(dá)143.2kg/t和145.7kg/t。王朋[33]探究了3 種生物炭的性能，發(fā)現(xiàn)棕櫚殼炭可以替代部分噴吹煤粉，并且當(dāng)棕櫚殼炭的噴吹量為30kg/t 時(shí)，可減排CO284.65kg/t。王穎鈺等[35]采用熱分析和角錐法比較了幾種秸稈炭，并考察了可替代煙煤的比例，結(jié)果表明棉桿炭可以部分替代高爐噴吹用的煙煤，其噴吹量為11.37kg/t時(shí)，CO2減排量可達(dá)65.7kg/t。但生物炭中堿金屬含量往往偏高，會(huì)減少高爐使用壽命[36]，這限制了生物炭對(duì)煤粉的完全替代，如何降低生物炭堿金屬對(duì)高爐煉鐵過(guò)程的影響還有待進(jìn)一步研究。此外，有學(xué)者認(rèn)為一些具備高強(qiáng)度性能的生物炭還能直接替代部分焦炭進(jìn)入高爐[37]。但焦炭性質(zhì)復(fù)雜，需同時(shí)在高爐中起到充當(dāng)發(fā)熱劑、還原劑、支撐爐料、改善透氣性等作用，目前關(guān)于此方面的研究還不足以實(shí)現(xiàn)生物炭對(duì)焦炭的直接替代。

生物炭在綜合鋼鐵廠(chǎng)應(yīng)用十分廣泛[38]，可用于煉焦、燒結(jié)、高爐煉鐵等，圖1為生物炭應(yīng)用于煉鐵的工藝路線(xiàn)，表1總結(jié)了煉鐵過(guò)程中生物炭利用情況及預(yù)期CO2減排量[27]，對(duì)比各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，可以發(fā)現(xiàn)將生物炭用于高爐噴吹原料的CO2凈減排量最高，為25%，而生物炭應(yīng)用于整個(gè)煉鐵過(guò)程CO2凈減排量則可達(dá)28%～52%。

表1 鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中生物炭利用情況及預(yù)期CO2減排量[27]

圖1 在煉鐵過(guò)程中利用生物炭的潛在途徑

2 生物炭替代煤粉/焦炭高爐煉鐵的理化性質(zhì)要求

煤粉和焦炭的主要成分均為固定碳、揮發(fā)物，灰分較少，通常規(guī)定煤粉/焦炭含硫量≤1%，熱值則越高越好。煤粉粒度對(duì)燃燒性有很大影響，粒度越小燃燒速度越快。高爐噴吹用煤粉粒度一般要求小于7.4×10-5m 的比例高達(dá)70%[39]，但燃燒性好的煤可磨得粗一些，即小于7.4×10-5m 占比相對(duì)少。對(duì)于焦炭，粒度則要求在25mm以上，抗碎強(qiáng)度大于74%，耐磨強(qiáng)度小于10.5%。生物炭要作為高爐煉鐵的替代原料，一方面需具有與煤粉或焦炭相似的化學(xué)成分和燃燒特性；另一方面生物炭替代煤粉必須粉碎并篩分到適合噴吹的粒度，替代焦炭則需具備足夠強(qiáng)度[40]。不同種類(lèi)生物炭理化性質(zhì)差異較大，經(jīng)不同炭化方法所制備的生物炭也存在較大差異[41-42]。為進(jìn)一步評(píng)估生物炭作高爐原料的可行性，有必要對(duì)不同類(lèi)型的生物炭進(jìn)行比較。生物炭的基本性質(zhì)可以通過(guò)工業(yè)分析、元素分析和熱值來(lái)衡量[33]。表2 歸納了部分文獻(xiàn)中生物炭及煤的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)生物炭的組成成分及熱值與煤接近，具備應(yīng)用于高爐的基礎(chǔ)條件。高爐應(yīng)用生物炭除了需達(dá)到基本的工業(yè)分析、元素組成、熱值上的要求以外，還需符合其他技術(shù)要求，如原料的堿金屬含量、強(qiáng)度、粒度等。

表2 生物炭與煤的基本性質(zhì)比較

2.1 工業(yè)分析

對(duì)比表2小麥秸稈炭和玉米秸稈炭可以發(fā)現(xiàn)熱解炭化脫除揮發(fā)分的效果優(yōu)于水熱炭化，但熱解會(huì)導(dǎo)致生物炭灰分含量更高[43]。秸稈類(lèi)生物質(zhì)熱解后灰分普遍高于煤，相比之下，楊木炭、樺木炭和花生殼炭的固定碳、灰分和揮發(fā)分含量與煤相比都較為適當(dāng)，是替代高爐原料較為優(yōu)越的生物炭類(lèi)型。總而言之，原料種類(lèi)及炭化方法的選擇對(duì)生物炭是否適用于高爐至關(guān)重要。

2.2 元素分析

生物炭和煤的元素組成種類(lèi)相同，均主要由C、H、O、N、S構(gòu)成[44]。表2中秸稈炭和甜菜漿炭C 元素含量偏低，而無(wú)花果炭、楊木炭、樺木炭、花生殼炭C含量達(dá)到了80%以上。生物炭O含量高于無(wú)煙煤，H含量因原料及炭化方式有所不同。多數(shù)生物炭N、S 含量較低，作燃料燃燒時(shí)排放的NOx、SOx低于煤[33]。雖然生物炭因原料類(lèi)型和炭化方法在元素組成上存在一定差異，但總體而言與煤具有一致性。

2.3 熱值

相比熱解炭化，水熱炭化提升熱值的效果更顯著（表2）。具體表現(xiàn)為水熱后的小麥秸稈炭熱值為28.32MJ/kg，而熱解后的小麥秸稈炭熱值僅20.71MJ/kg；同樣地，水熱后的玉米秸稈炭熱值為29.78MJ/kg，高于熱解的玉米秸稈炭（21.64MJ/kg）。熱解炭化雖然在提升熱值上稍遜色于水熱炭化，但表2 中熱解炭化的棉花秸稈炭、無(wú)花果炭、楊木炭、樺木炭、核桃殼炭和花生殼炭熱值都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)煤29.3MJ/kg 的水平，其中棉花秸稈炭、無(wú)花果炭、楊木炭和樺木炭熱值甚至高于無(wú)煙煤。因此，對(duì)于特定的生物炭類(lèi)型而言，熱解炭化是更理想的方法。

2.4 堿金屬

生物質(zhì)熱解炭化會(huì)導(dǎo)致灰分富集，進(jìn)而導(dǎo)致K、Na 含量增大[48-50]。堿金屬會(huì)催化焦炭的氣化反應(yīng)從而導(dǎo)致焦炭強(qiáng)度降低，進(jìn)而破壞冶金質(zhì)量[51-52]。Wang 等[53]利用非等溫?zé)嶂胤治龇ㄑ芯苛薑和Na 催化焦炭氣化反應(yīng)的行為，發(fā)現(xiàn)隨著焦炭對(duì)堿金屬吸附量的增加，氣化曲線(xiàn)向低溫區(qū)移動(dòng)，反應(yīng)速率峰值增大；這表明堿金屬能顯著加快焦炭的氣化過(guò)程，從而減弱焦炭的高溫冶金性能。Dastidar 等[54]通過(guò)堿浸方法研究堿金屬元素對(duì)焦炭反應(yīng)性的影響機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)外源添加K 和Na 均會(huì)使焦炭的反應(yīng)性指數(shù)增加、反應(yīng)后強(qiáng)度降低、磨損值增加，上述指標(biāo)的變化都表明堿金屬的存在對(duì)焦炭性能有不利影響。

為消除生物炭在熱利用過(guò)程中堿金屬的負(fù)面影響，眾多研究嘗試用不同種類(lèi)的溶劑對(duì)生物質(zhì)或生物炭進(jìn)行脫礦處理，溶劑包含去離子水、各種酸溶液和堿溶液[49-55]。Lee 等[56]將食物垃圾堆肥（FWC）和食物垃圾原料（FWF）在不同溫度進(jìn)行熱解處理，再用水、CO2飽和水溶液兩種溶液進(jìn)行脫礦處理，處理后FWC、FWF的Na、K去除率在23.71%～92.79%，見(jiàn)表3。此外還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)WC的Na、K去除率隨熱解溫度升高而降低，F(xiàn)WF 的Na、K 去除率則隨熱解溫度升高呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，熱解溫度不僅影響生物炭的組成成分，還會(huì)影響不同來(lái)源生物炭的脫礦效果。因此，在將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭應(yīng)用時(shí)，熱解溫度和原料類(lèi)型都是需要考慮的重要因素。

表3 不同熱解溫度及脫礦方法下生物炭的Na、K脫除情況[56]

2.5 強(qiáng)度

焦炭在高爐中除作還原劑和提供熱量外，還有支撐爐料、增強(qiáng)井筒內(nèi)的氣體分布和氣體滲透性、鐵水滲濾和粉塵吸附等物理作用。迄今還沒(méi)有其他材料能夠在高爐中達(dá)到焦炭的這種良好性能。高爐煉鐵對(duì)碳裝料很強(qiáng)的強(qiáng)度要求導(dǎo)致生物炭的替代還存在困難。

田妍[57]結(jié)合焦炭微觀結(jié)構(gòu)模型及焦炭壓縮過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變化從分子基礎(chǔ)上解釋了焦炭強(qiáng)度特性的來(lái)源，起褶皺碳層的堆垛層錯(cuò)結(jié)構(gòu)是焦炭產(chǎn)生強(qiáng)度的主要微觀原因，褶皺碳層能分散外力，而堆垛層錯(cuò)結(jié)構(gòu)能抑制碳層的相對(duì)滑移。此外，不同溫度下外力作用對(duì)焦炭結(jié)構(gòu)的影響會(huì)呈現(xiàn)不同特征，高溫更有利于破裂碳層結(jié)構(gòu)的重構(gòu)[57-58]，因此高溫環(huán)境可能會(huì)使焦炭具有更高的強(qiáng)度。以上關(guān)于焦炭強(qiáng)度的微觀理論能為提升焦炭強(qiáng)度提供思路。

將粉煤或炭質(zhì)粉料（焦粉、石油焦粉等）配或不配黏結(jié)劑加壓成型，再經(jīng)炭化制備成型焦，型焦具有一定強(qiáng)度，可用于高爐煉鐵替代部分焦炭[59]。鑒于此，可以對(duì)生物質(zhì)或生物炭進(jìn)行成型處理從而提高強(qiáng)度，增加替代焦炭的可能性，且成型燃料熱效率高、燃燒性能好，是理想的燃料[60]。相比炭化前壓縮成型，炭化后的生物炭壓縮成型所得產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu)[61]。通常在成型過(guò)程中使用黏結(jié)劑不僅能提高成型產(chǎn)品的強(qiáng)度和耐久性，使其黏結(jié)得更加密實(shí)，還能降低成型壓力和能耗[62-63]。胡強(qiáng)[64]研究了黏結(jié)劑對(duì)成型炭強(qiáng)度性能及成型能耗的影響，采用了NaOH、Ca(OH)2、木質(zhì)素和淀粉4 種黏結(jié)劑，并在木炭的成型過(guò)程中添加不同含量，結(jié)果表明黏結(jié)劑的使用會(huì)使生物炭具有更強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度，并能降低成型能耗。焦炭強(qiáng)度的衡量方式包括冷態(tài)強(qiáng)度和熱態(tài)強(qiáng)度兩個(gè)方面，雖然成型處理有助于提高焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度[65]，但更為重要的熱態(tài)強(qiáng)度目前還缺乏相關(guān)研究。

2.6 粒度與比表面積

混煤煉焦時(shí)生物炭對(duì)焦炭質(zhì)量有負(fù)面影響，如焦炭的流動(dòng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度等性質(zhì)變差[66]，其中流動(dòng)性是配煤理論中控制焦炭強(qiáng)度的最關(guān)鍵因素[67]。Guerrero 等[68]研究了木炭不同粒度及加入量對(duì)3 種具有不同流變特性的煉焦煤的影響，發(fā)現(xiàn)木炭的加入會(huì)降低煉焦煤的吉澤勒最大流動(dòng)度，且木炭粒度越小對(duì)流動(dòng)性的抑制作用越強(qiáng)。這是由于生物炭的比表面積比煉焦煤大，比表面積越大，粒子間就越容易吸附而聚集成團(tuán)，黏結(jié)性增強(qiáng)[69]，因此具有很強(qiáng)的物理吸附能力，可以吸附煤中的分解產(chǎn)物，導(dǎo)致煤的軟化溫度升高，最終抑制流動(dòng)性及焦炭的產(chǎn)生。粒度對(duì)粉煤流動(dòng)性也具有重要影響，隨著粒度減小，粉煤流動(dòng)性會(huì)降低。這是因?yàn)榧?xì)粉顆粒會(huì)填充在大顆粒之間的間隙中，使整體呈現(xiàn)壓實(shí)狀態(tài)，導(dǎo)致壓縮率增大，顆粒相互的黏合增強(qiáng)[67]。此外，細(xì)粉顆粒增多還會(huì)減小整體的毛細(xì)孔徑[70]，加強(qiáng)顆粒對(duì)水汽的吸附，使整體的液橋力變大，顆粒間分子引力增大，粉煤流動(dòng)性降低。Ye 等[66]研究表明，生物炭添加量限制在2%以下以及將生物炭的粒徑范圍控制在2.4～3.4mm可以消除生物炭的添加對(duì)焦炭的負(fù)面影響。為消除生物炭對(duì)焦炭流動(dòng)性的影響，需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況嚴(yán)格控制生物炭的添加量及粒度。

3 生物炭替代煤粉/焦炭高爐煉鐵存在的挑戰(zhàn)

3.1 生物炭替代煤粉高爐煉鐵存在的挑戰(zhàn)

目前生物質(zhì)收儲(chǔ)運(yùn)困難和熱解炭化成本較高的問(wèn)題還沒(méi)有較好的解決方案[71]，因此僅少數(shù)國(guó)家將高爐噴吹生物炭進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，如巴西利用木炭部分替代煤粉用于高爐噴吹，是煉鐵行業(yè)中使用生物炭最多的國(guó)家[72]，歐洲一些國(guó)家也在積極開(kāi)發(fā)木質(zhì)生物炭用于高爐噴吹[73]，中國(guó)則對(duì)秸稈類(lèi)生物炭的制備開(kāi)展了大量研究，為生物質(zhì)的利用提供了理論依據(jù)，同時(shí)也在積極探索將生物炭用于高爐噴吹的工業(yè)應(yīng)用[74-75]。表4 為國(guó)內(nèi)外生物炭替代噴吹煤粉的研究情況。高爐噴吹生物炭具有很大的優(yōu)勢(shì)，但目前仍存在一些問(wèn)題，除收儲(chǔ)運(yùn)困難、熱解炭化成本較高以外，部分生物質(zhì)可磨性差，會(huì)進(jìn)一步增加處理成本，另外有些生物炭堿金屬含量也較高，并不適用于高爐噴吹。

表4 生物炭替代噴吹煤粉研究情況

3.2 生物炭替代焦炭高爐煉鐵存在的挑戰(zhàn)

表5列舉了生物炭替代焦炭的應(yīng)用情況及理論CO2減排量，目前研究中生物炭焦炭替代量還較低，生物炭種類(lèi)也都限制在木炭之中。在高爐中，焦炭燃燒放出熱量，使?fàn)t內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng)能夠順利進(jìn)行，焦炭中的固定碳與其燃燒后產(chǎn)生的CO 等還原性物質(zhì)能與鐵礦石反應(yīng)從而將鐵還原，而當(dāng)鐵礦石和熔劑軟化熔融時(shí)，焦炭可以作為骨架起到支撐爐料的作用，并因其多孔特性而具有改善透氣性的作用。生物炭要替代焦炭入爐就需同時(shí)滿(mǎn)足以上性能要求，目前僅就強(qiáng)度而言還難以達(dá)到，亟待開(kāi)發(fā)更多生物炭種類(lèi)及改性手段。

表5 生物炭替代焦炭研究情況

3.3 生命周期評(píng)價(jià)

生命周期評(píng)價(jià)（LCA）是一種用于評(píng)估產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期中（即從原材料的獲取、產(chǎn)品的生產(chǎn)直至產(chǎn)品使用后的處置）對(duì)環(huán)境所造成的影響的技術(shù)和方法[87]。LCA能夠量化產(chǎn)品的影響，從而能將整個(gè)工藝過(guò)程所帶來(lái)的環(huán)境影響清晰地呈現(xiàn)出來(lái)。若能將其用于替煤代焦的生物炭的開(kāi)發(fā)制備，勢(shì)必會(huì)大力促進(jìn)廢棄生物質(zhì)資源化利用技術(shù)的發(fā)展與優(yōu)化，及鋼鐵行業(yè)的綠色發(fā)展。

將LCA 用于評(píng)估生物炭替煤代焦高爐煉鐵的碳足跡，首先需要明確目標(biāo)和范圍，劃分出清晰的系統(tǒng)邊界。系統(tǒng)邊界不僅要參考實(shí)際的生產(chǎn)單元流程，還需考慮相應(yīng)上游流程及運(yùn)輸過(guò)程。Liang等[88]在評(píng)價(jià)某鋼鐵廠(chǎng)生物炭替代煤粉/焦炭的環(huán)境影響時(shí)，將燒結(jié)、高爐、轉(zhuǎn)爐、電爐、連鑄、熱軋等多個(gè)單元工藝均包含在系統(tǒng)邊界中，如圖2(a)所示，由于焦炭為外部煉焦廠(chǎng)提供因而煉焦工序不包含在內(nèi)。遺憾的是，該研究并未將生物質(zhì)炭化過(guò)程的碳排放評(píng)估納入其中。涵蓋鋼鐵廠(chǎng)所有單元過(guò)程的評(píng)價(jià)可以指出影響程度最大的工序，但這也加大了操作難度。因此，進(jìn)一步從評(píng)價(jià)目的出發(fā)，包含重點(diǎn)單元過(guò)程的系統(tǒng)邊界會(huì)更具針對(duì)性。為評(píng)價(jià)生物炭噴吹前后高爐煉鐵對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，Liang 等[89]設(shè)定系統(tǒng)邊界時(shí)僅包含了傳統(tǒng)的煉焦、燒結(jié)、球團(tuán)、高爐4個(gè)工序以及新設(shè)定的生物質(zhì)炭化工序，如圖2(b)所示。他們LCA的結(jié)果表明，生物炭替代60%的煤粉煉鐵后對(duì)全球變暖的影響是2054.00kg CO2，比傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝少420.61kg CO2。這意味著在冶金工藝中使用生物炭有利于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。但是目前生物炭在替代煤粉/焦炭煉鐵方面的LCA數(shù)據(jù)清單還很缺乏，需進(jìn)一步拓展數(shù)據(jù)來(lái)源。

圖2 煉鐵系統(tǒng)邊界[88-89]

4 結(jié)語(yǔ)與展望

高爐煉鐵能耗高、污染大，是鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排的重點(diǎn)。生物炭具有碳中性特點(diǎn)，可同時(shí)做燃料和還原劑替代煤粉和焦炭用于高爐煉鐵。目前，眾多學(xué)者圍繞生物炭的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化及成分性能進(jìn)行了一系列理論研究，但要將生物炭高爐煉鐵進(jìn)一步發(fā)展到工業(yè)應(yīng)用，還需展開(kāi)更多的工作，本文作者提出以下幾個(gè)方面。

（1）我國(guó)生物質(zhì)資源種類(lèi)豐富、產(chǎn)量龐大，是鋼鐵工業(yè)潛在的替代碳庫(kù)。從文獻(xiàn)研究結(jié)果看，慢速熱解和水熱炭化是最適宜制備生物炭的方法。其中，低灰分含量的生物質(zhì)最有望通過(guò)慢速熱解制備成高爐噴吹煤粉的100%替代原料。但目前國(guó)內(nèi)生物炭制備局限于秸稈類(lèi)單一生物質(zhì)炭化研究，未來(lái)可對(duì)更多類(lèi)型的生物質(zhì)展開(kāi)研究，并開(kāi)發(fā)復(fù)合生物質(zhì)利用。

（2）焦炭所要求的物理性能比煤粉更復(fù)雜，但目前多數(shù)生物炭還難以與焦炭媲美。為促進(jìn)成型生物炭對(duì)冶金焦炭的替代，一方面亟需開(kāi)發(fā)定向生產(chǎn)廉價(jià)、無(wú)雜質(zhì)的高性能黏結(jié)劑的精細(xì)化工技術(shù)，探明黏結(jié)劑對(duì)炭質(zhì)材料成型的作用機(jī)制；另一方面，還需更加深入地探索生物炭成型工藝技術(shù)。

（3）生物炭作為高爐煉鐵煤粉的替代原料是可行的，能有效減少CO2排放和二次污染物，具有巨大環(huán)境效益，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能減排有深遠(yuǎn)意義。但是目前生物質(zhì)的前端收儲(chǔ)運(yùn)還面臨困難，再者生物炭的制備成本較高，共同導(dǎo)致其工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展緩慢，未來(lái)碳稅交易機(jī)制可能會(huì)給生物炭的經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)新的轉(zhuǎn)機(jī)。

（4）亟需完善統(tǒng)一生物炭替代煤粉及焦炭高爐煉鐵碳減排量核算評(píng)價(jià)體系，用于生物炭的評(píng)估篩選及工業(yè)應(yīng)用研究。