加拿大生物质炼铁技术前瞻
世界炼铁技术现状与发展趋势1
1.3 日本
1.3.1 炼铁技术现状
2013年，日本的粗钢产量上升了3.1%，达到1亿1059万吨
图7 日本粗钢产量的变化
能源与环境：
京都行动计划：日本钢铁工业自愿建立的环境保护行动计划，目标是 2008~2012年的能耗平均值比1990年减少10%（CO2减排9%） 该目标已经实现，粗钢产量削减2.7%，单位能耗下降8.0%，CO2排放 比1990低10.5%
反应效率 在 JFE公司 Keihin 厂建了一座 30 t/d的中试工厂，生产了 2100 t铁焦，用在 JFE公司千叶厂 5153m3的5号高炉中，试验时间共100天，铁焦和传统焦炭的配比=30:70 报道说，还原剂比（即燃料比）如计划的那样减少了，但没有介绍具体数字 日本新日铁-住金公司研究采用传统的顶装焦炉工艺生产铁焦，并在一孔焦炉中做过工业性 试验，证实： - 通过控制炭化室温度，避免炉墙耐火砖被FeO侵蚀，没有发现渣化现象 - 采用N2熄焦，焦炭质量良好：CRI=48.80%，CSR=16.30% 武汉科技大学采用捣固装煤工艺，在5kg实验焦炉上生产铁焦，采用水熄焦，通过控制合理 的入炉煤堆积密度、配煤比、矿石的种类粒度与配比，以及炼焦温度制度，制得的铁焦性 能相当好： - 焦炭质量良好：CRI=64.07%，CSR=21.63%
含铁炉料：
高炉主要使用球团矿，2014年球团矿比92 %，烧结矿7 %，天然块矿1 %。其中，有17 座高炉使用100 %球团矿。球团矿60 %是熔剂性球团，剩余40 %是酸性球团。
球团矿生产能力：目前是7900万吨/年，US Steel and Essar Steel Minnesota LLC的新项目
图8 名古屋SCOPE 21炼焦厂全貌
（2）SCOPE 21 (Super Coke Oven for Productivity and Environment Enhancement toward the 21st century) 它是一个十年的国家计划（1994-2003） 主要特点： 煤料的快速预热和快速炭化 焦炭质量提高（因为快速预热和增加煤堆密度而使煤的结焦性能改进） 通过改进焦炉的加热系统减少烟道气中的NOx含量 第一座SCOPE21类型的新焦炉在Oita工厂建成，2008年投产 第二座 SCOPE21类型的新焦炉 2013年在Nagoya开始操作，焦炭年产 量100万吨
配煤中添加生物质的冶金炼焦试验
可使 焦 炭 反 应 后 强 度 （ Ｃ Ｓ Ｒ）降 低 ， 焦 炭 反 应 性 （ Ｃ Ｒ Ｉ ） 升高， 且 随着 木炭 加入 量 提 高 变化 趋 势 增强 。
当配煤 中添加 木 炭 比例 小 于 ２ ％， 并 适 量 增 大 木 炭
需原 材料 带来 新政 策 。气候 变化 的主 要原 因是 温室 气体 。炼 焦 和高炉 炼 铁 主 要 依 赖煤 、 石 油等 矿 物 燃
料， 是温 室气 体 的主 要 来 源 。 因此 炼 焦 和炼 铁 行 业 最 近着 眼于研 究用 生 物质这 种可 再生 资源 来代 替矿 物燃 料 。生物 质 除 了减 少 Ｓ Ｏ 、 Ｎ Ｏ 、 Ｃ Ｏ 排放 外 ， 其 较低 的价格 还可 以降低 原材 料成 本 。 炼铁 工业 中关 于 生物质 的研 究大 多集 中在 生物 质 作为 高炉 添加剂 在 炉 内与 焦 炭 共 同燃 烧 ， 或者 通
下降。
表２ 配煤 中添 加 热 解 木 屑 焦炉 试 验 数 据
道一致 ， 这 是 由于 热 解 木 屑 中 的灰 分 组 成 所 致 。从 外 部观 察 可看 出添 加 热 解木 屑所 产 的焦 炭 ， 木 屑 嵌 入 在焦 炭 中 ， 在 炭 化 过 程 中似 乎 未 发 生 物 理 变 化 。 显微镜 也 观测 到木 屑 并 未 被焦 炭 细胞 壁 基 质 合 并 ，
加量 大于 ５ ％时 ， 焦 炭 的机 械 强 度 降低 。巴 西 国家
Ｋ ０ ） ／ （ Ｓ ｉ Ｏ ＋Ａ １ ０ ， ） ］ 偏 高会 导致 Ｃ Ｒ Ｉ 升高和 Ｃ Ｓ Ｒ
降低 。 配 煤试 验 中用 ４ ％ 热解木 屑 替 代 少量 等 级 最 低 的煤 Ｂ 。焦 炉试 验分 ２组 进 行 ， 其 中 １组将 热 解 木
生物质在炼铁行业的应用
·应用与改造·生物质在炼铁行业的应用樊响① 王振虎（北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京１０００２９）摘 要 为了降低炼铁行业碳排放、保护环境，生物质作为存量巨大、可再生使用的绿色能源最近几年应用于炼铁工序，本文简述了生物质在炼铁行业中各个细分工艺上的应用及存在的问题，其应用包括高炉喷吹中替代部分煤粉、在烧结矿生产中替代部分焦粉、球团矿生产中替代焦粉作为还原剂和去除废水中重金属和吸附有毒气体等。
通过查询国内数据库ＣＮＫＩ最近十年关于生物质研究的相关文献和国外著名期刊的相关研究文献获得完整的生物质资料和有关实验数据。
生物质经过处理后可以在炼铁行业应用，但需要降低处理成本，生物质碳作为燃料，燃烧产物无毒无害，可以替代化石燃料在炼铁行业应用潜力巨大。
关键词 生物质 炼铁 还原剂中图法分类号 Ｐ４６７ ＴＦ０４６．４ 文献标识码 ＡＤｏｉ：１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－１２６９ ２０２３ Ｚ１ ０２２ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢｉｏｍａｓｓｉｎｔｈｅＩｒｏｎ ｍａｋｉｎｇＩｎｄｕｓｔｒｙＦａｎＸｉａｎｇ ＷａｎｇＺｈｅｎｈｕ（ＢｅｉｊｉｎｇＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９）ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｃａｒｂｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｓａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｔｈｅｉｒｏｎｍａｋｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｂｉｏｍａｓｓ，ａｓａｈｕｇｅａｎｄｒｅｎｅｗａｂｌｅｇｒｅｅｎｅｎｅｒｇｙｓｏｕｒｃｅ，ｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｉｒｏｎｍａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｂｒｉｅｆｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｂｉｏｍａｓｓｉｎｖａｒｉｏｕｓｓｕｂｐｒｏｃｅｓｓｅｓｉｎｔｈｅｉｒｏｎｍａｋｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｅｐｌａｃｉｎｇｐａｒｔｏｆｃｏａｌｐｏｗｄｅｒｉｎｈｉｇｈｆｕｒｎａｃｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｒｅｐｌａｃｉｎｇｐａｒｔｏｆｃｏｋｅｐｏｗｄｅｒｉｎｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｐｅｌｌｅｔｏｒｅ，ｒｅｐｌａｃｉｎｇｃｏｋｅｐｏｗｄｅｒａｓａｒｅｄｕｃｉｎｇａｇｅｎｔ，ｒｅｍｏｖｉｎｇｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｆｒｏｍｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，ａｎｄａｄｓｏｒｂｉｎｇｔｏｘｉｃｇａｓｅｓａｒｅｕｓｅｄ．ＳｅａｒｃｈｉｎｇｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｏｎｂｉｏｍａｓｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｄａｔａｂａｓｅＣＮＫＩａｎｄｒｅｌｅｖａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｉｎｆａｍｏｕｓｆｏｒｅｉｇｎｊｏｕｒｎａｌｓｔｏｏｂｔａｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅｂｉｏｍａｓｓｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ．Ｂｉｏｍａｓｓｃａｎｂｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｉｒｏｎｍａｋｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙａｆｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｂｕｔｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｃｏｓｔｎｅｅｄｓｔｏｂｅｒｅｄｕｃｅｄ．Ｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎｉｓｕｓｅｄａｓａｆｕｅｌ，Ｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｓａｒｅｎｏｎ ｔｏｘｉｃａｎｄｈａｒｍｌｅｓｓ，ａｎｄｈａｖｅｇｒｅａｔｐｏｔｅｎｔｉａｌｔｏｒｅｐｌａｃｅｆｏｓｓｉｌｆｕｅｌｓｉｎｔｈｅｉｒｏｎｍａｋｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ．４ＫＥＹＷＯＲＤＳ ＢｉｏｃｈａｒＩｒｏｎ ｍａｋｉｎｇＲｅｄｕｃｉｎｇａｇｅｎｔ１ 前言近年来，我国钢铁产量长期位于１０亿吨每年的规模是钢铁大国，占据世界钢铁总产量的５０％以上，我国的钢铁产量中绝大部分由高炉生产，若按照高炉炼铁焦比３２０ｋｇ／ｔＨＭ粗略计算，每年炼铁需要的焦炭量为３ ２亿吨，生产这些焦炭需要消耗大量化石能源其中主要是煤资源并向自然界排放大量含碳气体和有毒、有害气体，同时煤炭作为不可再生资源，应该控制开采量，为子孙后代着想。
生物质矿石炼铁技术初步研究
1.1.2 非高炉炼铁技术现状 高炉炼铁仍然是炼铁生产的主体，但是其对冶金焦的强烈依赖，迫使人们寻求
新的燃料来代替冶金焦，这也是开发非高炉炼铁技术的根本动力。经过数百年的发 展，至今已形成了以直接还原和熔融还原为主体的非高炉炼铁工业体系[2-4]。
非高炉炼铁（亦称炼铁清洁生产技术）是指不采用焦煤而将铁矿石直接还原成 铁或钢的方法和技术。直接还原法的产品是在熔点以下还原得到的固态金属铁，其 中夹杂着矿石中的脉石成分，称为直接还原铁（DRI）[5]。由于直接还原铁未经过熔 炼，在脱氧的过程中形成多微孔的结构，状似海绵，因此又称海绵铁。海绵铁可代 替废钢作为电炉原料，其最大的优点就是有害杂质含量低。熔融还原法与高炉的区 别在于主体燃料，高炉使用冶金焦，熔融还原则使用非焦煤。因此熔融还原的产品 类似于高炉产品的液态生铁[6]。 1.1.2.1 直接还原法
本试验构想新颖、独到，将生物质能的利用扩大到钢铁行业中，缓解钢铁工业 给环境带来的巨大压力。同时，本文为后续的生物质炼铁技术研究奠定了坚实的基 础，为其提供充分的试验数据。
关键词：生物质 燃烧特性 炼铁工艺 元素分析 成分分析
I
Abstract
生物质在钢铁冶金中的应用现状及前景
文章编号：1671-7872(2023)03-0250-11徐春保，博士，加拿大Western University终身教授、博士生导师，加拿大工程院院士，加拿大工程研究院院士，加拿大国家级工业讲座教授和林业生物质精炼首席科学家，International Journal of Chemical Reactor Engineering (IJCRE)期刊主编，AalborgUniversity讲座教授，University of Canterbury客座教授。
1993年获得华东冶金学院钢铁冶金专业工学学士学位，1998年获得北京科技大学冶金工程博士学位，2004年获得加拿大西安大略大学化学工程博士学位。
长期从事生物炼制、生物质转化、生物能源/燃料、生物基化学品及材料等方面的研究，发表学术论文300余篇(据Google Scholar统计，被引用17 000余次，H因子70)，主编/撰写学术著作3部，应邀为20余部专著撰写部分章节，申请/授权国际/美国/加拿大专利16项。
先后荣获日本能源学会优秀青年科学家奖、加拿大化学工程学会Syncrude加拿大创新奖(该奖项1年颁给仅1位在加拿大化工研究领域取得杰出贡献的40岁以下青年科学家)、加拿大新枫采创业奖专业类一等奖、加拿大化工学会工业设计和实践奖。
魏汝飞 ，北京科技大学与加拿大Western University联合培养博士，安徽工业大学副教授、博士生导师。
研究兴趣主要集中在低碳炼铁与生物质冶金、冶金固废利用与能效提升等方面，主持国家级及省部级基金项目5项、产学研合作科研项目13项，参与国际及国家级基金项目6项、产学研合作项目10项。
以第一作者或通信作者在Renewable and Sustainable Energy Reviews、Energy、Powder Technology，ISIJInternational等期刊发表论文40篇，授权发明专利10项。
生物冶金技术
生物冶金技术应用现状及发展趋势前言有记载的最早的生物冶金活动是1670 年，在西班牙的矿坑中回收细菌浸出的铜［8］。
1950 年美国开始原生硫化铜矿表外矿生物堆浸试验，并于1958年获得了生物冶金史上第一个专利。
直到1974 年，美国科学家从酸性矿水中分离得到了一种氧化亚铁杆菌。
此后美国的布利诺等又从犹他州宾厄姆峡谷矿水中分离出了氧化硫硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌，并用这两种菌浸泡硫化铜矿石，结果发现能较好的把金属从矿石中溶解出来。
至此，生物冶金技术才开始得到人们的关注并逐渐发展起来目前,世界矿产资源日渐贫杂,资源、能源、环境问题越发引起人们重视,我国矿产资源国家战略地位与日俱增。
随着矿物贫杂化和严重能源危机及环境污染的加剧,传统的冶金技术面临巨大挑战,寻求更为高效、低能、清洁的绿色资源利用途径成为研究焦点。
根据美国国家研究委员会(NRC) 2001年的研究报告,在未来20年,美国矿业最重要的革新将是采用湿法冶金工艺取代有色行业传统的熔炼工艺。
微生物湿法冶金技术是一门新兴的矿物加工技术,它包括微生物浸出技术和微生物浮选技术。
在自然界，微生物在多种元素的循环当中起着重要作用，地球上许多矿物的迁移和矿床的形成都和微生物的活动有关。
生物湿法冶金是一种很有前途的新工艺，它不产生二氧化硫，投资少，能耗低，试剂消耗少，能经济地处理低品位、难处理的矿石。
目前，这种方法仍处于发展之中，它还必须克服自身的一些局限性，如反应速度慢、细菌对环境的适应性差，超出了一定的温度范围细菌难以成活，经不起搅拌，等等。
为此，一些科学家建议应从遗传工程方面开展工作，通过基因工程得到性能优良的菌种。
摘要生物冶金技术，又称生物浸出技术，通常指矿石的细菌氧化或生物氧化，由自然界存在的微生物进行。
这些微生物被称作适温细菌，大约有0.5~2.0微米长、0.5微米宽，只能在显微镜下看到，靠无机物生存，对生命无害。
这些细菌靠黄铁矿、砷黄铁矿和其他金属硫化物如黄铜矿和铜铀云母为生。
基于生物质气基直接还原的多孔球团炼铁机理及强化还原作用机制研究(国家自然科学
基于生物质气基直接还原的多孔球团炼铁机理及强化还原作用机制研究(国家自然科学全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：首先我们需要了解什么是生物质气基直接还原技术。
生物质气基直接还原是指将生物质气与铁矿石直接接触并进行还原反应，生成高质量的铁料。
生物质气中富含的CO、H2等还原性气体具有良好的还原性能，使得其可以替代传统的煤气进行铁矿石还原。
利用生物质气进行直接还原不仅可以减少CO2排放，提高资源利用率，还可以减少对有限煤炭资源的依赖，是一种环保、可持续的新型炼铁技术。
在生物质气基直接还原的炼铁过程中，多孔球团起着重要作用。
多孔球团是由矿石与还原剂混合而成的球形颗粒，具有高强度和良好的还原性能。
在多孔球团中，铁矿石与生物质气进行接触和反应，通过直接还原生成金属铁。
多孔球团的形成和结构对炼铁过程的效率和产品质量具有至关重要的影响。
研究多孔球团的形成机制和结构特征对于优化生物质气基直接还原技术具有重要意义。
除了多孔球团的研究外，强化还原作用机制也是一个关键的研究方向。
强化还原是指通过添加某些物质，如助熔剂等，来提高还原反应的速率和程度。
在生物质气基直接还原炼铁过程中，强化还原作用可以有效地提高金属铁的回收率和产品质量，降低生产成本，是推动技术进步和工业发展的重要手段。
研究强化还原作用机制，探究添加物质对还原反应的影响，可以为生物质气基直接还原技术的应用提供更多的可能性和发展空间。
基于生物质气基直接还原的多孔球团炼铁机理及强化还原作用机制的研究具有重要的理论和实践意义。
通过深入研究和不断探索，我们可以更好地理解并利用生物质气这一清洁能源，推动炼铁工业的可持续发展，为构建绿色低碳的社会环境做出贡献。
相信在各方的共同努力下，生物质气基直接还原技术必将迎来更加美好的未来。
第二篇示例：随着工业化的发展，铁矿石资源的消耗日益增加，传统的高炉法生产钢铁过程中存在着诸多问题，如煤矿资源枯竭、污染排放等。
人们开始寻找替代品，以实现更加环保和可持续的铁矿石炼制技术。
欧洲生物质炼制技术进展及政策支持
性因素， 更 高 效 地 利 用 废 料 和 残 渣 将 会 发 挥 重 要 作用 ， 从而 促进 生物 燃料 行业 的进 一步 发展［ ６ ］ 。
１ ． ３ 欧 洲生 物质 炼 制产 业规 划及政 策
欧盟在 ２ ０ ０ ３年 就 制 定 了《 生 物燃 料 发展 指 导
１ ． ２ 欧 洲生 物燃 料 行业 概况
有 ４ ０ ０ ０ ×１ ０ ｈ ｍ 左右 的土 地 可用 于 生 物燃 料 原
油 进 口依 赖 度 在 ２ ０ １ ０年 曾达 到 ８ Hale Waihona Puke ． ２ ｌ ＿ １ ］ 。能 源
安 全 问题 不 仅 涉 及 其 民众 的切 身 利 益 ， 更 涉 及 到
欧洲 各 国政 府 经 济 政 策 的 制 定 。 同时 ， 为满足 日
计划》 （ ２ ０ ０ ３ ／ ３ ０ ／ Ｅ Ｃ） ， 旨在 促 进 欧 盟 国 家 生物 燃 料
的生 产 及 消 费 ］ 。此 后 ， 欧 盟 不 断 更 新 并 制 定 了
一
系 列 的战略 规划 及 实施 措 施 ， 如《 生 物 质 行 动计
划》 （ Ｂ ｉ ｏ ｍａ ｓ ｓ Ａｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｐ ｌ ａ ｎ ） 。基 于 以上 措 施 ， 欧 盟 委员会 于 ２ ０ ０ ６年 又 制定 了《 欧盟 生 物 燃 料 战 略规
在生物燃料消 费方面， 欧 洲 生 物 燃 料 主要 应
用 于交通 运 输 行 业 。其 中 ， 生 物 燃 料 总 消 费量 为
１ ６ ． ９ ２ Ｍｔ ， 生物柴油 １ １ ． ９ ２ Ｍｔ ， 生 物 乙醇 ４ ． ５ １
Ｍｔ 。德 国 、 法国、 西班牙、 意大利、 英 国是生 物燃 料 最 主要 的消 费 国。其 中 ， 德 国和 法 国是生 物 柴油 的 最主要 消费 国 ， 其 次为英 国、 意大利及西 班牙 。生物 乙醇最 主要 的消费 国家为法 国、 德 国及瑞 士＿ ５ ］ 。 欧 洲生 物燃 料 炼 厂 的 分 布并 不 均 衡 。在 北 海 地区， 由于 原 料 （ 棕榈油 、 豆油 等 ） 进 口运 输 便 利 ， 产能 正 在逐 年增 加 。法 国主 要 是沿 河 道 运 输 的 北 部 地 区发展 较快 。东欧 具 有 大 量 利用 不 足 和 废 弃 的农 业 土地 。据 估 算 ， 在 新 欧 盟 成员 国 和乌 克 兰 ，
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世界金属导报/2012年/11月/6日/第B08版专题研究加拿大生物质炼铁技术前瞻张化义本文运用碳生命周期理论对未来生物质炼铁工艺进行评价。
预测工业规模生物质炼铁工艺中可能遇到的各种困难与问题，并找出相应的解决办法。
利用生物碳代替化石碳炼铁可使CO2总排放比传统高炉降低96%。
相信不久的将来，生物质炼铁技术将会投入工业生产。
用生物碳代替化石碳炼铁是减少CO2排放的有效方法之一。
加拿大生物碳资源储量十分丰富，所以，相关部门正在开展生物碳炼铁工艺研究并取得了一些可喜成果。
完成了用碳生命周期对生物碳炼铁工艺前景评价和技术路线的可行性研究；完成了加拿大工业规模生物质炼铁所需生物碳资源的客观形势分析以及路边林业残余生物碳的收集、加工与运输方案确定和生物质炼铁的CO2排放计算。
结果显示，生物质炼铁的CO2排放仅为62.8kg/t铁水，比高炉焦炭炼铁的排放1552kg/t 铁水减少了96%。
研究指出，生物质炼铁减少CO2排放的关键是必须保证炼铁生物碳来源于可再生资源，以实现CO2排放与生物生长过程中吸收的平衡，使温室气体(GHG)排放成为所谓的中性。
可以肯定，生物质炼铁一定会成为现实，投入工业化生产，一定能大幅度降低钢铁工业的GHG 排放。
1基本情况作为温室气体排放的主要工业部门之一的加拿大钢铁工业，最近若干年已连续不断，且大幅度地减少了能源消耗和CO2排放。
与1990年相比，到2008年止，加拿大钢铁工业的能耗和GHG 排放已分别降低了24%和17%。
每吨造船钢的GHG排放已降低了30%。
为了进一步降低GHG 排放，加拿大碳化研究协会CCRA已与Canmet ENERGY联合开展了生物碳在钢铁工业中的应用研究。
生物碳涉及到近期生长的生物材料碳源。
与其他化石碳一样，燃烧生物碳也要排放CO2。
然而，燃烧可再生资源生物质释放的CO2可被生长中的再生资源吸收，达到吸收与排放平衡。
因为天然碳持续周期比化石燃料的碳周期短，认为可再生生物碳源燃烧时排放的CO2不增加大气中的GHG浓度而将其称之所谓的中性。
由此可见，高炉使用生物碳炼铁的优势是提供给铁矿石还原和熔化的生物碳不但对生产工艺无负面影响，排放的CO2不增加大气中的GHG浓度，还可在保证高炉的高生产率的前提下大幅度降低CO2排放和节约不可再生的化石能源。
调查证明，加拿大生物资源非常丰富。
森林面积约占国土面积的45%，相应的森林面积约为417.6百万公顷，从大西洋海岸到太平洋海岸和北极圈。
其中超过造林面积的一半约234.5百万公顷是茂密的森林。
每年可收获约100万公顷，仅占富饶森林面积的0.4%。
理论上讲可以通过工业生产过程中留余在路边的残余生物碳，如收割原木的切头切尾用于生物质炼铁。
已有两方面的研究成果可用于传统炼铁工业，并在不久的将来投入工业生产。
第一，可用生物碳部分代替混合煤用于炼焦；第二，生物碳可作为辅助燃料直接喷进高炉炉缸。
根据预测，以上两种方法用于传统炼铁可降低CO2排放约25%。
在此成果的基础上可以肯定，一种完全使用生物质炼铁的新颖工艺一定能够开发成功，减少CO2排放的愿望一定会成为现实。
作为工艺开发的第一步是从碳生命周期对未来生物质炼铁工艺进行评价。
以实用信息为基础，探索一种可行的技术路线，预测工业规模生物质炼铁工艺中可能遭遇到各种困难与问题并找出解决这些困难与问题的办法。
2原生生物质的需求与供给生物碳工业规模炼铁，保证原生生物质材料的充足供应最为重要。
为此，假设生物质工业化炼铁与传统高炉炼铁的碳消耗相同，对加拿大国家现有的生物质储量与生物质炼铁所需碳量进行了粗略估计。
结果证明，加拿大生物质储量完全能满足生物质炼铁的需要。
与此同时，还对加拿大典型高炉炼铁的热量和质量平衡进行了科学计算，结果显示，生产1t铁水需要消耗碳426kg(来自焦炭和煤炭)。
在2005-2009年间，加拿大每年平均炼铁为780万t，因此，每年的碳消耗总量约为330万t。
因为加拿大所有钢铁厂均建在安大略省南部，而可用的生物质资源却在安大略及其邻省魁北克。
加拿大生物质研究网络CBIN分析认为，各种生物质资源中，以路边林产收获后的残余生物碳最适合工业炼铁。
CBIN与研发机构开展了对生物资源、生物燃料、工业生物产品收集与加工等其他相关问题的详细研究。
表1概括了加拿大每年产生的路边林业残余物分布。
这些路边残余涉及到收获期间原木的剥皮和去废丢弃物。
这些路边残余堆集在路边可用汽车运走。
在传统林业生产过程中，打扫收割地现场环境时，通常采用老办法即焚烧去除。
如表1所示，安大略和魁北克省收割原木时每年产生的路边残余生物质约为1100万t。
数量如此庞大的原生生物质采用焚烧法去除不仅造成巨大浪费，而且污染环境。
在这两个省内的主要林业产品是硬木木材。
硬木树皮干燥后的基本含碳量约为50.3%。
由此可见，安大略和魁北克省产生的路边林业残余生物质的总含碳量约为560万t/a。
大大超出了加拿大每年生产780万t生铁所需要的330万t生物碳。
硬质原木树皮路边残余生物质除了适合于炼铁，还具有如下优势:①加拿大的所有钢铁厂建在安大略省南部，路边残余物距钢铁厂近，运输费用低；②路边残余物是森林工业的边角料，是传统意义上的废品；③树木品种多，不同树种的不同修剪不会造成消耗超过生长；④使用边角残余料，可避免生物质能源的生产与国家粮食生产争夺土地资源。
下面将要进行的不是生物质炼铁的一个完整的生命周期评价(LCA)。
因为生物质炼铁仍在研究之中，工艺研究还不足以进行完整生命周期评价(LCA)。
在系统范围内从碳生命周期进行分析应该同时注意到在碳生命周期每一个阶段的GHG排放。
尽管研究还不够全面和详细，但可以在传统高炉炼铁和生物质炼铁工艺之间进行直接对比。
3传统高炉炼铁的碳生命周期传统高炉炼铁工艺的碳生命周期系统范围见图1。
假设工艺喷吹煤粉(PCI)为140kg/t铁水，在此系统内，碳的生命周期应从采煤开始，至煤运到钢铁厂并在钢铁厂内被炼成焦炭进入高炉，粉煤则直接喷进高炉炉缸，作为辅助燃料。
焦炭和煤粉中的碳在高炉被气化，回收残余化学能后释放出CO2。
以生产1t铁水排放的CO2为计量单位。
将系统分成4个子系统，即煤的开采、运输、炼焦和炼铁，见图1。
毫无疑问，炼铁系统每个子系统都要排出GHG。
炼铁和炼焦两个子系统的GHG 排放，使用开发的热量和能量平衡模型进行计算。
煤的开采和运输的GHG排放则采用与之相似的燃煤发电系统进行计算。
在燃煤发电厂，碳的生命周期也开始于煤的开采和运输，止于煤燃烧发电直至最后将CO2排至大气。
在系统范围，碳的生命周期与传统高炉炼铁极为相似。
加拿大国家再生能源实验室(NREL)对燃煤发电厂碳生命周期分析发现，燃煤发电排放的GHG占据了碳生命周期的绝大部分，高达97.4%，煤的开采和运输所占比例很小，仅分别为总排放的0.9%和1.7%。
因为传统高炉炼铁与燃煤发电厂的碳生命周期极其相似。
所以，就总排放而言假设两系统的排放比例相同是符合情理的。
基于此种假设，以生产1t铁为标准对传统高炉炼铁工艺碳生命周期的4个子系统即煤的开采、运输、炼焦和炼铁的CO2排放进行了计算，CO2的排放值分别是14k、26kg、133kg(煤耗为534kg煤/t焦)和1379kg(焦比368kg/t铁水+喷煤比140kg/t铁水)，详见图2。
4生物质炼铁的碳生命周期分析生物质炼铁的碳生命周期时，使用的碳是原生生物材料即路边林业残余物。
上面已经提到，路边林业残余物是原木收割后切成商品材剩余的边角料，因此，与树木生长和收割有关的资源消耗和GHG排放已经放在林业加工生产中进行了计算。
由此可知，路边林业残余材料用于生物质炼铁，其碳生命周期始于路边林业残余物现场收集。
生物质炼铁碳生命周期系统见图3。
收集路边林业残余物并将其加工成适合于生物质炼铁材料的方法有许多，下面介绍的也许是较理想的一种。
即路边林业残余物现场收集现场切削，有利于将原生生物料运输到生物碳准备车间进行含碳量升级处理。
实测得知路边收集的原生生物质(干基)含碳量为50%，水分为50%。
如果将含碳量如此之低而含水量却如此之高的原生生物质运到遥远的炼铁厂是不经济的。
此外，生物质炼铁工艺不可能接受这种含碳量低且含水量高的原生生物质作为燃料支撑炼铁。
因此，原生生物质必须除水增碳后才能用于生物质炼铁。
在这种分析中，假定原生生物质通过缓慢热分解转变成木炭提高含碳量送到炼铁厂在生物质炼铁过程中气化成CO2。
还假设原生生物质在高炉炼铁中释放的所有CO2都被正在生长中的可再生生物在光合作用过程中全部吸收。
由此可知，生物质炼铁的炼铁子系统实际上没有CO2排放，仅其他3个子系统有GHG排放。
下面将详细叙述。
4.1原生生物质收集为了评价排放与路边林业残余生物质的收集和加工的关系，搜集了另外一些国家的相关数据。
表2显示的是日本和芬兰的路边林业残余物收集、切削加工和运输过程中的燃料消耗。
假设运输距离为80km，从表中可知，日本的燃料消耗比芬兰高出许多。
这是因为日本的原生生物资源位于高山上，重型运输设备难以到达加工现场。
采用轻型运输设备的燃料效率不高导致燃耗增高。
与日本相反，芬兰的生物质资源分布在平原，可用重型运输设备运输，有利于提高燃料效率。
加拿大的情况与芬兰相似。
原生生物质资源主要分布在平原。
假设加工林业残余物的燃料消耗与芬兰相同，因原生生物质含水量较高，运输遥远(1200km)极不经济。
为了降低运输成本，减少燃耗和减排CO2，原生生物质现场收集后运至80km外的工厂完成热分解提升含碳量。
使用加拿大国家再生能源实验室(NREL)推荐的柴油，CO2排放标准2.64kgCO2/升，路边林业残余物加工和运输的CO2排放是15kgCO2/t生物质。
4.2生物碳准备将收集的路边林业残余物通过热分解转换成木炭以提高含碳量。
路边林业残余物热分解期间通过控制加热速度控制木炭收得率。
实践证明，加热速度升高，木炭收得率降低且挥发物产量增加。
只有使原生生物质消耗量降至最低，才能将木炭收得率增至最高。
所以，在这次分析中，采用较低的热分解速度。
在巴西，木炭生产实现了工业化，故已获得较慢的热分解和排放。
超过70%的木炭通过“Hot-Tail”窑生产。
这种窑的结构简单、操作灵活，但不能控制排放。
木炭生产期间的所有废气和蒸汽全部直接排入大气。
加拿大因为环保条例限制特别严格，在根本不可能采用“Hot-Tail”窑生产木炭的情况下，只得选择环境友好的矩形窑。
矩形窑热分解路边林业残余物所需要的热通过外部燃料燃烧产生。
高温燃烧气体直接进入窑炉加热生物质材料。
目前，巴西大部分钢铁厂使用这种矩形窑生产木炭，满足自己工厂的高炉生物质炼铁的需要。
对巴西矩形窑生产现场进行了生产lkg木炭的碳平衡测试，结果发现，热分解时排放的GHG 主要成分是CO2。