以生物碳作为还原剂以及采用碳捕获与封存技术进行铁锰生产的生命周期评估

《Environmental Impact Assessment Review》：Life-cycle assessment of ferromanganese production using biocarbon as reductant and carbon capture and storage

本研究评估挪威铁锰合金生产中生物碳替代焦炭的环境效益，结合碳捕获与封存（CCS）。结果显示，50%生物碳替代可降低碳排放23%，100%替代达57.3%，配合CCS可实现负排放。生物质需求方面，50%替代需25-38%挪威森林残渣或7.8%圆木，100%替代需52-79%。主要挑战包括生物质供应的可持续性和技术优化，如提高生物碳固定碳含量和减少颗粒物排放。研究为短期能源结构优化和长期碳中和目标提供依据。

　　本研究聚焦于挪威的冶金行业，特别是对铁锰合金（FeMn）生产过程中的碳排放问题进行分析。铁锰合金在钢铁制造中扮演着关键角色，主要用来改善钢材的机械性能和整体质量。然而，其生产过程中依赖于冶金焦炭作为还原剂，这导致了难以减少的二氧化碳排放。因此，探索替代性的生物碳作为还原剂，以及结合碳捕集与封存（CCS）技术，成为减少FeMn生产碳足迹的关键策略。尽管这些方法在理论上具有一定的减排潜力，但其实际的环境表现尚未被系统评估。

研究指出，FeMn的生产对气候的影响为每吨合金产生2312±110千克二氧化碳当量（kg CO?eq）。如果完全用生物碳替代冶金焦炭，减排可达57±3.0%，而在一个更为现实的50%替代率下，减排为29±3.7%。单独使用CCS技术可使排放减少53±4.8%。当生物碳替代率超过78%时，生物碳与CCS的结合可实现负排放。为了最大化气候效益，提高整个价值链中的材料和能源使用效率至关重要。然而，主要的权衡点在于陆地酸化和颗粒物形成，这些主要是由于生物质气化过程带来的影响。

为了全面评估生物碳的环境影响，研究设计了八个不同的场景，包括基于化石碳和生物碳的参考系统，以及结合CCS的替代方案。其中，生物碳的生产考虑了两种主要的生物质原料：树干木材（SW）和森林残余物（FR）。这些原料的可持续供应潜力与FeMn行业预计的年度生物质需求进行了比较。研究采用蒙特卡洛模拟方法，基于1000次模拟，考虑了各种数据不确定性和假设，以确保结果的稳健性和可靠性。研究结果以所有模拟输出的聚合统计分数形式呈现。

生物碳的生产过程包括森林活动、木材采伐、气化、成型和煅烧等步骤。其中，SW和FR在不同的优化条件下，其生产流程存在差异。优化的场景在材料和能源效率方面表现更好，而非优化的场景则因较低的效率而产生更高的环境负担。研究还考虑到生物碳在炉中使用时的细粉损失、热能需求和碳消耗，这些因素在不同的替代率下会有所变化。此外，生物碳的运输距离和方式对环境影响也有显著影响，特别是在考虑颗粒物排放时，由于缺乏具体的细粉粒径分布数据，这些影响的评估存在一定的不确定性。

研究进一步探讨了生物碳与CCS技术的结合使用。结果显示，当生物碳替代率达到78%以上时，结合CCS可以实现负排放，从而对气候产生积极影响。然而，单独使用生物碳或CCS，其减排效果仍存在局限性。CCS技术的实施虽然能显著减少排放，但其成本和技术障碍仍然存在，需要进一步的优化和改进。同时，生物碳的使用也可能带来一些其他环境影响，如陆地酸化和颗粒物形成，这些影响需要通过更详细的环境影响评估来识别和量化。

研究还分析了生物碳的经济可行性，指出生物碳的供应成本和生产成本是其大规模应用的重要制约因素。通过使用不同类型的生物质原料，如树干木材和森林残余物，以及优化的生产流程，可以降低这些成本。然而，即使如此，生物碳的使用仍然需要大量的资源投入和合理的供应链管理。挪威的森林资源相对丰富，可以满足部分生物碳的生产需求，但具体的可持续供应策略和管理实践仍需进一步研究和制定。

总的来说，本研究为挪威FeMn行业提供了生物碳和CCS技术在环境影响方面的初步量化分析，揭示了其潜在的减排效益和可能的权衡点。研究强调了提高材料和能源使用效率的重要性，同时也指出了在实施过程中需要克服的技术和经济障碍。此外，研究还指出，为了实现真正的可持续发展，生物碳的使用必须与可持续的森林管理实践相结合，以确保资源的合理利用和环境的长期保护。未来的研究应进一步探讨不同替代率下的经济和技术可行性，以及如何高效部署这些技术，以实现最大的环境效益。