生物炭赋能钢铁冶金
钢铁工业是国民经济的重要基础产业，也是实现 “双碳” 目标的关键领域。以农林废弃物为原料的生物炭，凭借绿色低碳、可持续循环的独特优势，成为替代化石碳源、推动钢铁行业深度脱碳的重要新材料。《世界金属导报》特别推出本专题，聚焦生物炭在高炉、转炉、电弧炉等冶炼流程中的创新应用，系统解析其制备工艺、性能特性与工业化实践，深入探讨低密度、高反应活性等技术瓶颈的破解路径，全面挖掘废弃生物质高值化利用潜力，为我国钢铁行业实现高效、绿色、低碳高质量发展提供前沿参考与实践指引。
基于稻秆替代煤炭的炼铁温室气体减排效果分析 本文提出一种将稻秆制备为生物质炭用于炼铁的温室气体减排新方案，可同步削减稻田甲烷与钢铁行业二氧化碳排放，减排效果显著优于常规生物质替代煤炭方式。基于 DNDC‑Rice 模型定量核算稻秆还田与非还田情景下的甲烷减排量，并结合煤炭燃烧碳排放开展评估。结果表明，按 GWP‑100 计，每替代 1 t煤炭可减少相当于 2.6-3.8 t煤炭的温室气体排放；按 GWP‑20 计可达 5.7-9.3 t。同时，改变秸秆还田翻耕比例与炼铁替代用量，其单位减排效益保持稳定。 为了缓解全球变暖，各国及其工业部门都在大力地推进温室气体减排工作。依据《巴黎协定》，全球平均气温的上升幅度需要控制在比工业化前水平高2℃以内，并且应尽力将气温上升幅度控制在1.5℃以下。 钢铁行业的二氧化碳排放量预计全球每年达24亿吨，在日本每年为1亿吨。为实现碳中和，必须削减这些排放量。因此，各类研究与开发工作正在开展，尤其聚焦于炼铁工艺，以减少二氧化碳排放。 生物质燃料被视为具备碳中和特性，因其在生长过程中会吸收二氧化碳，而且它还是一种可再生资源。所以，考虑使用生物质燃料对实现钢铁行业的碳中和目标至关重要。 例如，Norgate等人运用生命周期评估方法，评估了在钢铁生产中使用生物质燃料（特别是木炭）替代化石燃料的潜在二氧化碳减排效果，同时考虑了副产品减排信用。报告称，在长流程（即包含高炉工艺）工艺中，二氧化碳排放量最多可减少74%。Vitikka等人研究了用于高炉的含碳球团矿，结果表明添加生物质衍生的碳材料提升了还原性。Rozhan等人研究了利用废弃生物质非食用部分，特别是油棕空果串的高效生产技术。他们报告称，在热解过程中产生的焦油蒸汽被吸附到生物炭中，增加了其碳含量，从而能够生产出更高附加值的生物质燃料。 学者们一直在研究一种能显著减少温室气体（GHG）排放的方案。若能整体减少这些温室气体排放，那么减排的是二氧化碳还是其他温室气体其实并无紧要。 在本方案中，主要关注的温室气体是甲烷（CH4），它由有机物厌氧分解产生。甲烷的温室效应比二氧化碳更强，其100年全球变暖潜势（GWP-100）是非化石燃料甲烷的27倍，20年全球变暖潜势（GWP-20）为79.7倍。因此，减少甲烷排放等同于减少大量的二氧化碳。 需注意，甲烷的辐射强迫效应远大于二氧化碳。换言之，每个甲烷分子的温室效应比二氧化碳分子更大。然而，甲烷在大气中的寿命约为9年。所以，在如20年全球变暖潜势这样的短期时间内，甲烷的温室影响较大；而在如100年全球变暖潜势这样的长期时间段内，这种影响则较小。 近年来，日本的甲烷排放量（以二氧化碳当量计算）约为2700万吨/年，是日本第二大常见的温室气体。此外，其中44%的排放源自水稻种植过程。甲烷由无氧环境中的微生物活动产生。因此，被水淹的稻田土壤为甲烷的生成提供了理想条件。在日本约80%的稻田中，稻秆会被犁入稻田土壤作为有机肥料。 日本的稻秆产量估计为747万吨，全球则为7.3亿吨，表明其数量颇为可观。此外，作为一种一年生植物，稻秆可以持续供应。而且，在日本，它于平原地区种植，比在山区种植的木材更易收集。 本研究重点关注目前被犁入稻田并释放甲烷的稻秆作为生物质，然后评估其作为钢铁生产中煤炭替代品使用时对温室气体的减排效果。 2.1 方案概念 本研究提出的方案聚焦于稻秆有机物。方案将稻田与钢铁厂均视为温室气体排放源。当前，稻田中稻秆降解产生的甲烷、钢铁厂燃煤产生的二氧化碳均处于排放状态。若将稻秆生物质替代煤炭应用于钢铁生产，而非直接还田翻耕，可同时减少甲烷与二氧化碳的排放量——相比使用不产生甲烷的普通生物质，该方案在温室气体减排方面更为高效。 2.2 甲烷排放估算方法 稻田甲烷排放量的评估采用基于反硝化-分解-水稻模型（DNDCRice模型）推导的甲烷排放通量回归公式。 DNDC模型是一款基于过程的生物地球化学模型，旨在模拟土壤碳氮循环；DNDC-Rice模型作为其改进版本，可更精准地预测稻田甲烷排放。该模型涵盖以下生物地球化学传输过程：有机肥料分解与土壤溶解有机碳（DOC）生成，DOC、氢、氮等物质的扩散，二氧化碳、甲烷等气体通过氧化还原反应的产生与消耗，大气氧气的吸收，以及甲烷、二氧化碳等气体向大气的排放。 还田翻耕的稻秆与有机肥料经生物反应分解后，成为土壤中DOC、CO2等物质的来源，其中部分稻秆会转化为甲烷并释放至大气。 基于DNDC-Rice模型的甲烷排放通量回归公式已被日本《国家温室气体清单报告》采用，用于稻田甲烷排放量的计算。该公式针对日本不同地区、排水比例及水管理方式，建立了甲烷排放量与肥料碳含量的关联。甲烷排放系数通过以下公式来表示。 EFc=aX+b 式中，EFc为甲烷排放系数，X为有机物含量。 本文针对日本稻田展开评估。依据日本各地区稻田的排水特征及水循环类型，为甲烷排放通量相关参数匹配了对应数据。计算各地区面积平均甲烷通量时，采用日本《国家温室气体排放量报告》引用的统计数据，包括有机物施用量、稻田面积、排水比例、水循环情况及有机物管理情况等。 2.3 用稻秆替代煤炭 在本研究中，将1kg湿煤的热值设定为24.8MJ，二氧化碳排放量设定为2.32kg，总含水量设定为13.7%。据此计算得出其干燥基热值为28.4MJ，二氧化碳排放量为2.66kg。此外，1kg干稻秆的热值设定为15.0MJ；参考相关文献，其碳含量比例按质量百分比40%假设。尽管稻秆替代煤炭燃烧时会排放二氧化碳，但由于稻秆属于生物质，因此本文认为该过程无新增二氧化碳排放。 同时，本研究假定在热量等效的条件下，煤炭使用量会随稻秆替代比例相应减少。经计算，1.9kg干稻秆可替代1kg干煤。 3.1 水稻田的甲烷排放量 通过公式计算得出的当前稻田的甲烷排放量如图1所示。北海道、东北地区及北陆地区的排放量约为其他地区的2.5倍，这种差异被认为由耕作时间不同所致。在日本温暖地区，稻秆于秋收后被犁入土壤；由于秋季至冬季稻秆在土壤中进行有氧分解，春季水淹时产生的甲烷量相对较少。而在北海道、东北地区及北陆地区等多雪区域，稻秆在春季积雪融化后才被犁入土壤，并随即进行水淹处理，由此形成了强厌氧环境，导致甲烷产量较高。鉴于甲烷排放通量趋势相似，本文将北海道、东北地区及北陆地区划分为日本北部地区，其余地区则归为日本南部地区。 未进行犁耕的甲烷排放量如图2所示。即使未额外施加有机物，稻田仍会产生甲烷排放，只是排放量相对较低。这一现象可能源于收割后残留在土壤中的根系、茎秆等有机残留物。 图1和图2之间的差异表示在不进行耕作的情况下甲烷的减排量。 3.2 每替换1t煤炭实现的温室气体减排量 在本提议方案中，每吨煤炭被替换所减少的温室气体排放量如图3所示。当前的温室气体排放量涵盖煤炭燃烧产生的二氧化碳排放量，以及稻田中稻草分解产生的甲烷排放量。此处选取1.9t干稻秆进行分析，是因其热值与1t煤炭相当，故需同时考量该部分稻秆产生的甲烷排放量。 结果显示，使用1t干煤燃烧产生的二氧化碳排放量为2.66t。1.9t干稻秆在不同地区分解产生的甲烷排放量估计为173-339kg，采用GWP-100换算为二氧化碳当量后，总计达4.7-9.1t二氧化碳当量。据此，当前方案的温室气体排放量评估值为7.3-11.8t二氧化碳当量。 若稻秆用于替代煤炭而非回填至土壤，一方面可消除煤炭燃烧产生的二氧化碳排放，另一方面稻秆相关的甲烷排放量将降至15.9-62.4kg，经GWP-100换算为二氧化碳当量后，总计仅0.43-1.7t二氧化碳当量。因此，采用稻秆替代方案后的温室气体排放总量为0.43-1.7t二氧化碳当量。 上述排放量的差异即为稻秆替代煤炭实现的温室气体减排量，具体而言，每吨被替代的煤炭可减少约6.9-10.1t二氧化碳当量的排放。 若使用常规生物质（如木质生物质，其分解过程不产生甲烷）替代煤炭，每吨被替代煤炭可减少2.7t二氧化碳当量的排放；而本方案的减排效果更显著，每吨被替代煤炭对应的减排量相当于减少2.6-3.8t煤炭的温室气体当量。 使用GWP-20进行模拟估算的结果如图4所示。由于GWP-20的数值大于GWP-100，甲烷排放量减少带来的温室气体减排效果更为突出，此时每吨被替代煤炭的减排量可达15.2-24.7t二氧化碳当量。换言之，从温室气体减排角度看，替代1t煤炭的效果相当于减少5.7-9.3t煤炭的温室气体排放。 这意味着，若采用GWP-100标准，钢铁厂仅需将煤炭用量减少1/2.6-1/3.8即可实现碳中和；而采用GWP-20标准时，煤炭用量减少1/5.7-1/9.3便无需完全停用煤炭。 然而，由于煤炭与稻秆的燃料特性存在差异，稻秆替代煤炭的方案仍需进一步研究。例如，据报道，稻秆的干燥基灰分含量约为10%-15%，在热值等效的条件下，其灰分含量约为煤炭的两倍。因此，在炼铁过程中使用稻秆时，需考虑采取针对性措施，如提升灰分处理能力、探索降低灰分的预处理方法，以及调整其他原材料成分以缓解灰分增加带来的影响。 3.3 翻耕量变化评估 前一节中，稻秆替代煤炭场景未考虑翻耕操作。实际上，稻秆常作为肥料的一部分翻耕还田，因此相比假设所有稻秆均用于炼铁而无还田情况，更合理的假设是部分有机物翻耕还田、其余用于炼铁。基于此，针对秸秆翻耕量变化对温室气体减排量的影响展开评估。 图5展示了日本东北地区排水4h且采用间歇性灌溉的稻田中，甲烷减排量随秸秆翻耕比例变化的评估结果。翻耕量以相对于当前实际情况的比例表示，水平轴的0点代表无翻耕还田（所有稻秆均用于炼铁），1点则代表当前现状（所有稻秆均翻耕还田，未用于工业）。通过本研究采用的评估公式计算可知，甲烷减排量与翻耕比例呈线性递减关系。 需要说明的是，收集1t稻秆所需的稻田面积会随翻耕比例的增加而扩大。这是因为单位稻田面积可用于替代煤炭的稻秆产量会相应降低。图6呈现了翻耕比例与收集1t稻秆所需稻田面积的关系。稻秆当前产量的估算方式为：将碳基上施用的有机物量除以稻秆的碳含量——前文假设稻秆碳含量为40%。尽管不同地区的情况存在差异，但估算结果大致为每年每公顷5t。 每吨稻秆收集过程中实现的甲烷减排量，是通过将单块稻田的甲烷减排量与收集1t稻秆所需的稻田面积相乘计算得出的。图7呈现了耕作比例与每吨收集稻秆对应的甲烷减排量间的关系。研究结果表明，无论耕作比例如何变化，每吨收集稻秆所减少的甲烷量均保持稳定。基于这一发现，用稻秆替代每吨煤炭所产生的温室气体减排效果也未发生改变。 目前，稻田中可清除的稻秆比例尚未有明确界定。需进一步开展研究，以确定在保障水稻产量与质量的前提下，可清除稻秆比例的合理范围。 本文提出了一种利用稻秆（当前稻秆通常被犁入稻田并释放甲烷）替代煤炭的高效温室气体减排方案，结论如下： 1）采用GWP-100评估时，该方案每替代1t干煤可减少6.9-10.1t二氧化碳当量的温室气体，相当于减少2.6-3.8t煤燃烧产生的温室气体排放量。 2）采用GWP-20评估时，减排效果更为显著，温室气体减少量达15.2-24.7t二氧化碳当量；从温室气体减排角度看，替代1t煤的效果相当于减少5.7-9.3t煤的排放量。 3）钢铁厂应用该方案可实现碳中和：采用GWP-100评估时，仅需替代1/2.6-1/3.8比例的煤炭即可达成目标；采用GWP-20评估时，则需替代1/5.7-1/9.3比例的煤炭，无需完全停用煤炭。 4）对部分稻秆犁入场景下的甲烷减排量评估显示：采用本文应用的评估公式时，每吨收集稻秆的减排量保持稳定。因此，每替代1t煤炭所实现的温室气体减排量未发生变化。
