本文针对意大利钢铁生产的主要路线（长流程冶炼、废钢回收和直接还原），提出了三种可能减少碳排放和能源消耗的未来情景，即碳捕获与存储（CCS）的使用、用绿氢替代天然气和生物甲烷的利用。利用实际工艺数据和理论假设，计算了整个钢铁生产周期（从铁矿石开采到最终钢铁产品）的碳排放和能源消耗，同时考虑了辅助排放源头（如石灰石煅烧和气体压缩）的影响。评估结果有助于了解目前意大利钢铁生产的可持续性水平，并确定了未来发展中最具前景的情景。

        1 碳减排的不同情景

        1.1 情景1：碳捕获和存储技术的使用

        表1定义了不同钢铁生产路线的CO₂捕获点。由于吸收二氧化碳的液体必须重新加热才能再次捕获二氧化碳，因此之前定义的碳排放和能耗已经被考虑进去。本研究假设，天然气锅炉用于提供单乙醇胺（MEA）再生所需的蒸汽，MEA通常用于捕获化学物。
   

        表2示出了不同情景下的碳排放和能源消耗。假设锅炉以天然气为动力，等效能量需求（以tCO2当量/tCO2捕获表示）主要与捕获CO2所用溶剂的回收有关，运输和存储排放也包含在内。如果MEA再生的蒸汽是从炉膛的烟气或炉渣中回收，那么捕获设施产生的二氧化碳量会减少。利用炉渣的余热回收，可以减少锅炉生产蒸汽所消耗的天然气和相关的二氧化碳排放，炉渣在1250℃的温度下提供61kWh/t钢的焓值。另一种可能是拦截炉膛废气，其特点是在1500℃时焓值为125kWh/t钢，或在150℃时焓值为12.5kWh/t钢。然而，炼钢领域的余热回收技术，特别是炉渣余热回收技术，仍然没有得到很好地发展。关于耗水量，假设采出淡水的5%被浪费（0.22m3H2O/tCO2捕获），考虑传统油井（不采用压裂法生产页岩油）采出过程中废水的作用，其最大值为1.2×10-4m3H2O/m3CH4。表2示出的是捕获和压缩步骤的耗电量。假设前者需要40kWh/tCO2，而CO2压缩步骤的电力消耗取决于压力。更准确地说，如果通过铁路运输二氧化碳，需要压缩到15bar（91kWh/tCO2捕获），另外，计算运输的液化二氧化碳时，必须将额外的能耗69kWh/tCO2捕获包括进去。压缩到40bar就可以将气体通过管道输送到低压矿床，耗电量为97kWh/tCO2捕获。相反，如果使用高压矿床，则需要压缩到150bar，这相当于125kWh/tCO2捕获。在这种情况下，还需要考虑通过管道输送的97kWh/tCO2捕获。对于制球机（PP）+直接还原（DR）的情况，只有DR排放的二氧化碳被认为是可捕获的，而PP排放的部分被认为是不能捕获的。
 

        开采量是通过炼铁和炼钢厂的相关消耗以及CCS设施和天然气开采的消耗之和来计算的。开采资源的价值是生产过程和开采设施所消耗资源价值的总和。炼钢的CCS案例中的二氧化碳是捕获过程后工厂排放的二氧化碳。

        1.2 情景2：使用绿氢代替天然气

        在使用可再生能源生产氢气的情况下，假设原料（表2）还原1.4tFe2O3，需要627Nm3的H2。假定可再生能源提供的淡水裂解每产生1Nm3H2的绿氢，至少相应的4.5%淡水提取量（0.81kgH2O/Nm3H2）被消耗。

        为了评估具体的土壤消耗，有必要考虑到与可再生能源有关的价值。在意大利，风力涡轮机生产的可再生能源的比例低于光伏电站生产的比例。此外，风力是不规则和微弱的，无法保证合适的电源供应，因此土壤的开发与光伏板的覆盖有关。一个峰值功率为300W的光伏板占地面积为1.6m2，在意大利，一个峰值功率为1kW、优化倾斜模块和性能比为0.75的光伏系统每年产生的太阳能电力等于1300kWh。1kW的理论峰值功率覆盖5.33m2，因此产生1kWh的能量意味着0.0041m2/kWh。假设耗电量为4.64kWh/Nm3H2，可以得到1Nm3的土壤耗电量。

        在这种情况下，认为是氢气燃烧产生的热量以及制球所需的热量用来生产CaO。

        该估算是通过用H₂代替天然气建立的。在球团生产DRI时，虽然氢气可以替代天然气加热，但不可能放弃无烟煤（或焦粉），因此需要5-10kg碳源/tDRI与铁矿石混合。

        1.3 情境3：生物甲烷的使用

        在开发使用甲烷的情形下，首先假设生物沼气的50%是甲烷形成的，其余主要是CO2形成。表2示出了一个提供500Nm3/h原料沼气的沼气厂的库存原料。

        CO2净排放量根据欧盟指令（2018/2001）附件V，在对生物废弃物和湿粪的沼气进行升级和压缩处理的假设下估算。只有在土地不用于粮食生产的情况下才需要计算土壤消耗。然而，在这种情况下，升级为生物甲烷的沼气生产是基于农业废弃物中的有机物质，来自牛、猪和家禽养殖产生的污水，因此不存在任何土壤净消耗。

        这种情况比另一种情况更复杂，因此这里提供了估计参数的简要说明。从几个来源的温室气体排放（EF）出发，可以计算出不考虑CCS贡献（NEW）的总排放（GPE）和净排放，如下所示：

        GPE=EF生物甲烷生产+EF过程+EF采矿（煤+CaO）+EFCaCO3            

        （1）  NEW=GPE-EF生物甲烷生产

        （2）  当CCS可用时，考虑捕获效率为0.9（本案例还考虑了沼气池和原始沼气生产产生的二氧化碳的捕获）。在这种情况下，GPE和NEW被标记为GPEccs和NEC，计算方法如下：

        GPEccs=EF生物甲烷生产+（1-捕获效率）EF过程+EF采矿（煤+CaO）                               

        （3）  捕获排放物=0.134×捕获效率×EF过程                              

        （4）  NEC=GPEccs+捕获排放物-EF生物甲烷生产                               

        （5）  三种情景在计算时均考虑了煤、石灰和天然气开采及生产对环境的影响，如表3所示。H2的还原能力为627Nm3，对应CH4的还原能力为270Nm3（考虑无铁渗碳是为了比较氢气效应，而氢气效应并不必然代表着铁渗碳）。管道运输是意大利内陆运输大量气体最常见的形态，对88MPa下55km的参考距离进行了氢输运评估，而天然气在4-7MPa下的参考距离为500km。此外，还针对特定的已开发的能源所消耗的能量进行了评估。
 

        结论

        针对钢铁生产过程中应用CCS、绿氢和生物甲烷的不同情景，评估和比较了CO2排放、水电消耗和土壤消耗对意大利钢铁行业当前的环境影响。此外，还对不同情景2021年和2050年的经济可行性进行了评估。

        根据估计，使用生物甲烷是最有利的情况，但因为需要大量的生物甲烷才足以支持炼铁和炼钢的需求，这种情景又是充满挑战的。另一方面，意大利对生物甲烷生产的兴趣可能会加强这种设想在未来几年的可行性，并进一步加强农业和能源之间的关系，以期实现长期的可持续性。

        与生物甲烷和天然气相比，由于其在消除二氧化碳和低运输成本方面的优势，氢气的生产和使用令人感兴趣。由于天然气的反应活性，建议在20%天然气流中运输氢气。然而，使用绿氢的不利之处是水耗的增加，以及巨大的电能消耗和土壤消耗。此外，在意大利，在当前十年中增加独家生产绿氢的可再生能源量似乎是一个严峻的挑战。因此，为了克服这一缺点，增加氢气进口被认为是一种可行的解决方案，但代价是成本更高，并因此增加了与材料运输有关的间接排放。

        天然气和CCS的使用带来了极好的结果，特别是如果与生物甲烷结合使用。这样的方案对于在电弧炉中添加直接还原铁的炼钢路线尤其有利，特别是在电弧炉预先预热的情况下。在这种情况下，根据炉子的特定特性和直接还原铁的成分，每进行100℃的直接还原铁预热，就有可能实现额外节省20-40kWh/t钢的能源。此外，考虑到二氧化碳排放成本的增加和预计在未来几年与CCS相关的成本的降低，对目前使用的生产系统进行改造似乎是减少钢铁行业对环境影响的最合理的解决方案。

        （信息来源：中国钢铁工业协会官网）