高炉煤气碳捕集对钢铁联合企业碳排放的影响

孙 凤，黄志甲，张 样，祝立萍

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032)

0 引言

由温室气体引起的气候变化已经成为了全球关注的焦点。在第75届联合国大会中，习近平主席提出中国力争在2030年前CO2排放达到峰值、2060年前实现碳中和。这就意味着，随着我国经济的增长，CO2碳排放总量要不断降低，碳中和将会引领中国走出化石能源时代[1-2]。

中国目前是世界钢铁生产最大国，中国钢铁行业的CO2排放量占世界钢铁CO2排放的14%，所以钢铁行业节能减排是至关重要的[3]。为了减少钢铁企业碳排放，可采取两条主要途径：(1)提高能源和过程效率。(2)采用碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage,CCS)过程。由于每年产生的CO2排放量远远超出了气候可持续过程的极限，采用CCS技术的钢铁联合企业具有显著的减排潜力[4]。欧盟的超低CO2排放炼钢计划(ULCOS)结合CCS技术，CO2的减排量多达80%[5]。针对于CCS技术，有学者评估了增强吸附水煤气变换(SEWGS)从高炉煤气中捕集CO2的潜力，并对这项技术进行了初步的经济评估，研究发现，SEWGS使用先进的吸附剂可以减少85%的CO2排放，捕集成本比胺技术成本低5∈/tCO2[6-7]。CCS技术将有助于实现钢铁行业急需的减排。

高炉煤气(Blast Furnace Gas，BFG)是高炉炼铁过程中的副产品，本课题组曾以钢铁联合企业为研究对象，通过对企业碳素流分析，得到高炉煤气的碳排放量占企业CO2排放总量的45.8%。李飒等[8]对钢铁BFG中CO2捕集后的技术经济性分析，结果表明碳捕集能提升BFG热值，为企业带来间接经济效益。Maria等人[11]研究的两个案例：高水平集成替代方案是从高炉煤气中捕获CO2，低水平集成替代方案是从发电厂烟气(管道末端)中捕获CO2。结果表明来自BFG的CO2捕集比烟气CO2捕集效果更好。张金星等人[9-10]以高炉煤气醇胺溶液吸收CO2捕集系统为研究对象,研究出BFG碳捕集最佳操作参数以及选择了合适的化学吸收剂。在我国还是高炉-转炉长流程钢铁生产比较多，故分析BFG碳捕集对钢铁联合企业碳排放的影响，具有典型性和代表性。

本研究通过建立钢铁联合企业的CO2排放计算模型，计算钢铁产品以及企业CO2排放量。最后用碳捕集和封存技术捕集BFG中不同比例的CO2作为不同情景进行假设，分析碳捕集对BFG物性的影响，最后分析得出在各情景下钢铁产品以及企业减排CO2的效果，展示了高炉煤气碳捕集这条碳减排路径的减排贡献。

1 研究方法

本文用生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)方法建立钢铁联合企业的CO2排放核算模型，计算钢铁产品以及企业的CO2排放量。对于企业而言，生命周期清单负荷结构可以分为企业内部和企业外部。企业内部是指企业系统边界内的生产阶段，主要可以分为自产能源、环境直接排放、各工序的中间产品以及副产品内部回用等部分；而企业外部指的是厂外运输阶段、上游阶段和副产品外部回用等阶段。本文重点研究的是钢铁企业内部CO2排放以及产品的碳排放量，简称为企业CO2排放量。

1.1 CO2排放计算模型

利用碳素守恒原理和国际钢协的碳核算方法计算，通过平衡系统内CO2的输入输出，计算出系统内的CO2排放量。建立企业边界内的CO2排放模型，如图1所示，生产单元投入的碳素流之和减去产出的碳素流之和。投入和产出的碳素流按照投入(产出)系数乘以排放系数得到。计算表达式用式(1)表示。

图1 单元CO2排放计算模型图

(1)

式中D——CO2直接排放负荷/g；

m——消耗系数/kg·m-3·(kWh)-1；

θ——物质含碳系数，以CO2计，g/kg，g/m3。

1.2 数据类型

模型的数据类型见图1，投入数据包括原料、能源和辅料三大类，产出数据包括产品、煤气和其他副产品等三类。生产单元的投入产出数据来源于现场，企业产品及副产品的排放系数来源于现场测试，外购原料和能源的排放数据均来源于数据库。

1.3 情景说明

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，热值比较低[20]，所以采用燃烧前捕集BFG中CO2，降低高炉煤气中的CO2的排放系数，来提高高炉煤气中CO及H2等可燃成份的燃烧热值。因此，BFG脱碳，不仅具有环保效益还有经济效益。

表1 BFG中各成分的体积分数

在本方案中，采用燃烧前捕集方式，由于煤气中CO2浓度较高，分离容易，但是过程复杂[21]。以BFG的CO2捕集率作为不同情景进行假设，假设碳捕集率为25%、50%、75%和100%为情景一、情景二、情景三和情景四，以无碳捕集为基准情景，首先计算出不同情景下BFG热值和CO2排放系数，再利用CO2排放计算模型得到不同情景下产品和全厂的CO2排放量，分析各情景下钢铁产品以及企业CO2的减排效果。

2 结果分析

2.1 不同情景下的BFG热值和碳排放系数

本研究采用BFG中未捕集CO2的排放情况为基准情景，假设捕集BFG中25%，50%，75%，100%作为不同情景，在分离捕集BFG中不同比例的CO2之后，其热值和CO2排放系数会有相应的改变。燃料的热值是指燃料完全燃烧时反应物与产物间的绝对焓值之差，通过燃料燃烧计算的相关原理可以计算出不同捕集情景的BFG成分和热值的变化。首先计算捕集25%、50%、75%和100%CO2后BFG干成分，然后换算成湿成分，最后根据不同情景下煤气成分计算BFG的CO2排放系数和热值。比较这四种情景与基准情景BFG热值和CO2排放系数的变化。具体结果如表2。

从表2中可以看出，与基准情景相比，情景一、二、三、四的热值随着CO2捕集率的增加而增加，这是因为将BFG中的CO2捕集之后，提升BFG中的可燃成份H2和CO的浓度，因而单位BFG的热值提高了，捕集CO2的量越多，热值增加的也越多；CO2排放系数随着捕集率的增加而降低。捕集BGF中75%的CO2，高炉煤气的热值由3 382 kJ/m3增加到3 979 kJ/m3，提高了17.6%，CO2排放系数由0.875 kg/m3降到0.658 kg/m3，CO2排放系数降低了24.8%；捕集100%的CO2，高炉煤气的热值增加到4 228 kJ/m3，热值提高了25.1%，CO2排放系数降低了35.6%。

表2 不同情景下的BFG热值和CO2排放系数

2.2 减排量的计算

不同情景下主要的钢铁产品和企业CO2减排幅度如图2所示。BFG碳减排对钢铁联合企业的影响可以从企业碳减排幅度中可以看出，钢铁产品的碳排放影响着企业的碳排放，因此研究产品碳减排幅度也是必要的，它也能够为产品市场交易提供参考。从图中能够看出，从情景一到情景四，产品和企业的CO2减排幅度依次增加，企业碳减排幅度分别为5%、9.5%、14.5%和20.2%左右。对于一个钢产量为1 400万t的钢铁联合企业，能够计算出企业CO2减排量分别为：147.5万t，280.2万t，427.8万t，595.9万t。BFG中捕集CO2的比例越高，难度越大成本越高。所以在本方案中选择情景三的条件，即捕集BFG中75%的CO2，企业全年的CO2减排量约为427.8万t。

图2 不同情景下主要钢铁产品和企业的CO2减排效果

从图2中可以看出，对于产品来说，不同情景下铁水的碳减排幅度最大，分别为5.32%，10%，15.33%，21.5%，其碳减排效果最明显，以铁水为原料的钢水及其下游产品的碳排放也有很大影响，但碳减排效果要稍低于铁水。

3 结论

通过对高炉煤气碳捕集率不同情景的假设，分析钢铁联合企业的钢铁产品和企业CO2减排效果，当BGF的碳捕集率为75%时，所得主要结论如下：

(1)高炉煤气的热值能提高17.6%，CO2排放系数减少了24.8%；热值的提高能够降低高热值混合燃料气体的使用，进而为企业带来经济效益。

(2)生产铁水过程中会产生大量CO2，而捕集BFG中的CO2会减低铁水的碳排放，其碳减排幅度高达15.33%，因此BFG碳捕集有利于高炉炼铁工序的碳减排。

(3)钢铁联合企业的CO2减排幅度约为15%，对于钢铁企业来说，减排的重点可以放在高炉工序上，特别是BFG碳捕集，能够为企业带来环保效益，对钢铁企业碳中和有着重大意义。