当前，钢铁行业脱碳任务艰巨且紧迫。在此形势下，生物质资源的合理利用为钢铁行业带来了新希望。生物质具有碳中和特性，将其融入钢铁生产流程，能显著降低对高碳能源的依赖，削减碳排放。世界金属导报特推出“生物质的钢铁脱碳价值”专题报道，旨在全面展示生物质在钢铁脱碳中的应用现状、技术突破与发展前景。通过深入分析和案例呈现，为钢铁行业绿色转型提供有益参考，助力行业早日实现低碳发展目标。
由欧洲资助的“BioCoDe”项目（RFCS协议编号：101112264）致力于解决钢铁行业脱碳这一关键挑战，钢铁行业是工业二氧化碳排放的主要来源之一。
该项目旨在用来自当地农林业或木材行业的高达10%C的中性生物质或生物炭部分替代目前用于炼焦生产过程的化石煤。BioCoDe旨在展示首次在工业规模上用生物质/生物炭替代化石原料（技术成熟度等级TRL7），包括从实验室筛选到大规模试点实验活动，以及在意大利阿塞里塔兰托炼焦厂进行的工业测试验证。因此，BioCoDe旨在将生物质确立为一种可靠、绿色、便捷的低排放炼焦生产原料，推广循环经济原则，促进当地和欧洲农业和工业之间的协同作用。BioCoDe项目始于2023年7月，为钢铁行业开辟了一条更可持续的发展道路，验证了这种循环方式对钢铁生产过程脱碳的益处，同时考虑了当地生物质供应的主要关键方面及其对焦炭质量的影响。
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前言
BioCoDe项目目前正在研究用植物基生物质替代部分炼焦煤混合物的可能性。该项目于2023年7月启动，由欧洲项目“煤炭与钢铁研究基金”（RFCS）资助。该项目由意大利钢铁公司（IT）、蒂森克虏伯公司（DE）、保罗·沃尔特公司（IT）和RINA-CSM（IT）公司合作开展，涉及对炼焦过程中生物质的多尺度研究，从实验室规模开始，逐步推进到工业规模（图1）。
具体而言，试验的核心将集中在60kg和300kg的中试规模炼焦试验上，在此过程中，将选定的生物质以不同比例替代掺入到化石混合物中，以生产质量符合工业要求的焦炭。为此，该研究还将探索生物质的机械和热预处理的效果，包括在应用于炼焦之前研磨成不同粒度、造粒、压块以及在不同温度下进行热解（如烘焙和碳化）等操作。焦炭在高炉工艺中的重要性很好地证明了所计划的大量实验是合理的。因此，从选择煤混合物的原材料开始，必须仔细监测焦炭的化学和物理特性。
同样的考虑也适用于用作煤炭部分替代品的生物质。定义炼焦煤和混合物质量的参数对于分类和选择最适合该工艺的生物质类型至关重要。BioCoDe项目的第一阶段涉及生物质的选择与特性分析，进而进行了实际的炼焦试验。因此，第一阶段测试的结果为项目的后续开展和本文主题提供了实验基础。
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生物质供应量
近期的欧洲钢铁工业协会（EUROFER）报告指出，2023年，通过高炉-转炉（BF-BOF）工艺流程生产了近7000万吨钢，7300万吨铁水，这需要约2400万吨焦炭，或折合3200万吨化石煤混合物。根据近期的数据，用生物炭替代5%的炼焦混合物将导致化石燃料消耗减少160万吨（考虑到化石煤和生物炭的焦炭产量相同），从而导致每年直接二氧化碳排放量减少480万吨（考虑到化石煤的排放因子为2963tCO2/t煤）。生产如此数量的生物炭需要1200万-2000万吨的原始生物质，具体取决于各种工艺的转化率以及生物质本身的特性。这些数量完全在欧洲边境可用于能源用途的生物质资源范围内。
在这方面，图2报告了伦敦帝国理工学院对2030年和2050年欧盟和英国可持续生物质的潜在供应量的估计。该研究仅考虑了来自农业、林业和废弃物来源的国内原材料（欧盟27国和英国），并分析了三种不同的供应情景：低——低生物质资源的利用量；中——通过在选定国家改进农业和林业实践来提高资源利用量；高——通过研究与创新（R&I）措施来提高供应量，以及通过改进农业和林业实践来提高资源利用量。
考虑到意大利的社会经济特点，尤其是塔兰托联合钢铁厂所在的阿普利亚地区，该项目所研究的生物质来源主要集中在葡萄酒、橄榄油和谷物行业所产生的生物质上。该地区种植了大量的谷物、葡萄和橄榄，其中以秸秆和修剪枝形式存在的生物质的潜在供应量估计分别为每年120万吨和80万吨，足以满足在工厂实施该项目方法所需的数量（考虑到每年铁水产量为400万吨，每年消耗炼焦煤160万吨，且以生物炭替代率为5%估算，每年需要50万吨的原始生物质）。关于橄榄油行业，橄榄压榨过程中产生的副产品橄榄果渣的产量也很大，估计每年超过25万吨。
因此，秸秆、橄榄树干和树枝、葡萄藤修剪枝以及橄榄果渣是研究项目中选择的初始生物质。随后，又添加了从废弃托盘和水果箱的处理中获得的木材，这两种木材在农产品收集、加工和配送的地方很容易获得。最后，选择松木是因为它是城市绿地维护和沿海森林管理活动中产生的最容易获得的生物质之一。
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材料
所分析的生物质样本中有一半来自塔兰托省的农场。秸秆是在测试期前的那个季节从小麦脱粒过程中收集的，随后被捆扎并存放在遮蔽处，直至采样。橄榄木和树枝是直接从田间采集的，采集时间是在测试期前约六个月进行的一次秋季修剪时。葡萄藤修剪枝也是从田间采集的，其来源是植物休眠期的冬季修剪。橄榄果渣由一家配备有橄榄酱冷榨生产线的油厂以湿态形式提供。水果箱和托盘是通过塔兰托钢铁厂内专门的木制废弃物回收服务获得。为了评估线索或其他非木材成分的影响，对完全由木材制成的箱体和带有纤维板的箱体进行了区分。在采样前几个月内进行的绿地维护作业中，还从工厂内回收了松木。除了橄榄果渣外，所有样本都在切割机中被切成约40mm的大小。随后，将一部分切碎的生物质进一步用杯式磨机研磨，以满足后续分析方法的要求。作为表征结果的参考，使用了一种由40%中等挥发分煤和60%高挥发分煤组成的双组分混合物。
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结果与讨论
图3展示了该项目中所构想的从已识别的生物质中选择生物质的决策方案。除了设定硫、磷和灰分含量的限制外，某些参数还按照重要性排序，以评估已识别生物质的质量。这些参数依次包括原始生物质中的碱含量、热值、固定碳含量和水分含量。
在选择生物质时，首先要考虑的因素是其当地供应量。来自农林废弃物产生的生物质受到该地区领土、气候、农业传统、季节性以及农工业发展的严重影响。因此，它们的特点是种类繁多，在意大利和欧洲地区的供应情况不同。此外，由于其能量密度低且缺乏大规模的本地生产中心，所以确保其来源尽可能靠近最终使用地点以最大限度地降低运输成本和相关碳排放至关重要。同时，可用生物质的数量必须足以维持高工业生产过程的需求。
对选定生物质的首次分析包括水分含量的测定。这项分析是在大量样本上进行的，以考虑到生物质固有的高度异质性（不均匀性）。直接对切碎材料进行分析，以避免因更精细的研磨过程而导致的重量损失。
所有生物质样本均进行了元素分析（硫、碳、氧、氢、氯、氮）和最终分析（水分、灰分、挥发分、固定碳）、灰分化学成分、磷含量、碱含量、热值（高位热值）等方面的检测。
表1仅提供了根据图3中所示的选择标准比较生物质所需的特性值。在九种已确定的生物质中，只有托盘、松木、橄榄树干和木箱的灰分和磷含量符合规定的限值。
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结论
因此，使用这些生物质来替代化石煤可能会导致炼焦过程的产量下降，部分原因是它们的含水量较高。所以，建议进行诸如烘烤或碳化等热预处理，这将是BioCoDe项目即将进行的研究重点。除了秸秆之外，所有测试的生物质的灰分含量都低于化石混合物。然而，当考虑到固定碳含量时，这两种材料的灰分含量是相当的。关于灰分化学成分，有明显的碱元素（Na2O和K2O）存在。生物质的一个积极方面是它们的硫含量低，尽管在许多情况下磷含量高于化石混合物，特别是在橄榄树枝、果渣、葡萄藤枝和秸秆中。根据图3中概述的决策框架，在九种已确定的生物质中，只有四种（托盘、松木、橄榄树干和木箱）被认为适合于进一步的试验。其中，托盘的碱含量最低，这是影响焦炭反应性的关键参数。然而，根据从已确定的生物质中获得的数据，人们认为在现阶段，选择有限数量的生物质并不能完全解释这些生物质在炼焦过程中的行为。这可能导致某些类型的生物质被排除在外，这些生物质在塔兰托钢铁厂附近的供应量更高。因此，BioCoDe项目的下一步将侧重于评估生物质的预处理对混合物炼焦能力的影响，包括诸如流动性与膨胀性等技术参数。
