钢铁产品碳中和工艺技术创新与突破

钢铁行业是最难实现碳中和的行业之一。目前，业界与学界普遍认为，传统长流程钢很难实现碳中和，短流程钢有实现碳中和的可能性。钢铁行业碳中和须采取特别技术或外部产业链措施，如CCUS（碳捕获）、非化石能源脱碳技术等。主流零碳技术路线是氢能和氢还原铁，产业链上存在氢供应短板和生命周期碳循环缺环问题，实现产品碳中和也很难。

中国与欧盟长流程钢碳排放强度差距并不大，平均分别为2-2.2tCO₂e和1.9tCO₂（Renetal.,2021），短流程钢碳排放强度中国为0.6tCO₂e（Renetal.,2021），欧盟为0.2-0.4tCO₂e（Material Economics,2019）。短流程钢实质性脱碳流程再造、系统边界扩展、输入输出变革的颠覆性原创工艺技术，是钢铁产品实现碳中和的重要选择。本文提出一种全废钢绿电短流程钢碳中和方案供业界参考。

一、钢铁产品碳中和工艺流程的实质性再造

钢本就是铁元素与碳元素的化合物，氢还原是长流程钢减排技术，并非钢铁产品碳中和技术路线。如没有负碳排放清除抵扣钢铁生产不可避免剩余碳排放，是无法实现钢铁产品碳中和的。

为应对欧盟CBAM（碳边境调节机制）对我国涉钢产品设立的贸易壁垒，碳中和工艺技术突破很重要，本文提出的全废钢绿电短流程钢碳中和工艺技术方案，其实质性流程再造，突破如下：

二、氢还原铁技术生命周期碳循环的长期碳循环技术缺环

1.钢铁产品碳中和的定义与标准

文所说的碳中和钢铁产品，指钢铁产品生命周期温室气体清单碳足迹核算结果为净零排放，并经过国际公认权威产品碳足迹标签声明认证的钢铁产品。

钢铁产品碳中和工艺，指钢铁产品从摇篮到大门生命周期温室气体清单碳足迹量化核算结果与归因过程，实现净零排放的生产方法。

碳中和钢铁产品及其生产工艺，适用以下国际、国内标准及生命周期温室气体清单碳足迹核算标准、指南及方法学：

联合国气候变化组织（IPCC）2006 温室气体清单指南：《IPCC2006国家温室气体清单指南》《2019年对2006年IPCC国家温室气体清单指南的细化》等。

国际标准化组织（ISO）生命周期方法、标准：《ISO14064-1组织层面温室气体排放量和清除量量化和报告指南规范》《ISO14064-2项目层面上量化、监测和报告温室气体减排或清除增强的指南规范》《ISO14067温室气体-产品碳足迹-量化要求和指南》《IWA 42：净零指南》《ISO20915-2018钢铁产品生命周期清单计算方法》等。

英国标准协会（BSI）标准：《PAS2050商品和服务在生命周期内的温室气体排放评价规范》；世界资源研究所（WRI）温室气体核算体系：GHGProtocol《产品生命周期核算与报告标准》《温室气体核算体系：企业核算与报告标准》《温室气体核算体系：企业价值链（范围三）核算与报告标准》《温室气体核算体系：土地利用、土地利用变化和林业温室气体项目核算指南》《温室气体核算体系：项目核算与报告标准》等。

中国钢铁工业协会EDP标准：产品类别规则（PCR）《普通钢铁产品及特殊钢产品》；国际生物炭协会标准：IBI International Biochar Initiative：Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar That Is Used in Soil；欧洲生物炭碳证书标准：BEC European Biochar Certificate - Guidelines for a Sustainable Production of Biochar（European Biochar Foundation）等。

其中，ISO标准《IWA 42：净零指南》所定义的相关术语如下：

碳中和或净零碳排放：净零温室气体排放是指在指定时间段和指定边界内，人为剩余温室气体排放被人为主导的温室气体清除所平衡。人为主导温室气体清除包括生态系统修复、空气直接碳捕获和储存、再造林与绿化、增强风化、生物炭和其他有效方法。 

碳中和钢铁产品，指钢铁产品生命周期温室气体清单碳足迹核算结果为净零排放，并经过国际公认权威产品碳足迹标签声明认证的全废钢绿电生物质燃气-生物炭短流程钢铁产品。

钢铁产品碳中和工艺，指钢铁产品从摇篮到大门生命周期温室气体清单碳足迹量化核算结果，即工艺归因过程实现净零排放的全废钢绿电生物质燃气-生物炭短流程钢铁产品的生产方法。

钢铁产品工艺净零温室气体排放，是指在指定时间段和指定边界内，钢铁生产不可避免剩余温室气体排放，被生物质热解气化-生物炭负碳排放BECNU生态系统工程技术生物炭和其他有效方法人为所生态修复，人为实现钢铁产品生产温室气体的排放与清除相平衡。

温室气体排放：指温室气体释放进入大气层，包括以下来源释放的气体：自然来源(如植物分解)，化石燃料燃烧，其他过程无意释放(加工设备或条件缺陷造成)。不直接进入大气温室气体排放：指进入水体或土壤的温室气体排放，根据水或土壤中可能发生的化学和生物过程科学证据，相关排放量是由于这种排放而导致大气中温室气体气体浓度增加的量。

范围1排放：由组织拥有或直接控制的温室气体排放来源。使用股权份额或控制(地域、财务和运营)概念建立范围1排放责任，范围1排放不包括由组织拥有或控制的、不受管理的、或保持自然状态且未被改变的自然生态系统产生的排放，治理组织范围1排放，是指位于该地区范围内的温室气体排放源排放量。

范围2排放：购买能源的间接温室气体排放，指组织购买电力热力冷力或蒸汽所消耗的能源所产生的温室气体排放，区域层面上运作的组织范围2排放是指范围1排放以外的温室气体排放，由于在领土边界内使用电网供应的电力热力蒸汽和冷力而发生的排放。

范围3排放：来源于不归本组织所有或直接控制组织的活动后果的温室气体间接排放，包括所有可归因于价值链的不包括范围1排放或范围2排放在内的温室气体排放。地域层面运作的组织的范围3排放，是指由于在边界内发生的活动引起的，完全或部分发生在领土边界之外的温室气体排放，包括跨境运输。

温室气体源（来源）：释放温室气体进入大气的人类活动或过程。温室气体汇：指从大气中去除温室气体的过程。

温室气体清单：在指定时间段和指定边界内，温室气体源与温室气体汇的汇总列表以及它们的排放量与移除量的量化。

剩余温室气体排放：指采取所有技术和科学上可行的可能行动，实施减排后剩余的不可避免温室气体排放。

温室气体移除、清除与去除：指从大气中移除、清除与去除人为的温室气体排放，是人类有意活动的结果。清除类型包括植树造林、用生物质(建筑中使用的植物材料)建筑、直接空气碳捕集和储存、生态环境修复、土壤碳捕获、增强风化(将土壤与碎石混合)、生物质电厂生物能源发电与碳捕集和储存。“清除”一词包括储存，即CO₂的长期储存，IPCC称之为“CO₂清除”。

抵消：温室气体抵消，是由组织之外的行动，用来平衡组织所剩余温室气体排放界限的温室气体减排量或移除量。抵销通常使用碳信用额度或碳信用证书进行抵消，由寻求平衡剩余温室气体排放量的组织或代表该组织在登记册额度中注销。以实现净零排放或碳中和为目的抵消，只有作为清除量的抵消，才能用来抵消剩余排放量；作为减排量的抵消碳信用，不能用来抵消剩余温室气体排放量。 

2.钢铁产品碳中和工艺技术

本文所说的基于负碳排放BECNU生态系统工程碳循环的钢铁产品碳中和的工艺技术（方法），依国际规范标准与共识，将碳循环分为百年时间尺度的长期碳循环和百年以下时间尺度的短期碳循环，其碳中和工艺技术包括以下步骤：

（1）利用BECNU生态系统工程对生物质进行热解气化得到生物质燃气和生物炭。

（2）以步骤（1）得到的生物质燃气完全替代短流程钢生产中的化石能源，以步骤（1）得到的部分生物炭替代短流程钢生产中的全部或部分化石辅助材料。

（3）以步骤（1）得到的生物炭扣除步骤（2）生物炭后剩余的生物炭进行生物炭生态系统工程长期碳循环，生物炭所带来的国际公认温室气体清除量，抵扣清除掉短流程钢铁生产不可避免剩余温室气体排放，实现短流程钢铁产品从摇篮到大门生命周期碳中和。

这里所说的短流程钢的炼钢工艺，其具体操作方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的电炉炼钢工艺的操作方法即可。

短流程钢从摇篮到大门生命周期碳中和的温室气体清单碳足迹计量核算报告与碳中和标签声明认证，采用GHGProtocol《产品标准》，其产品温室气体清单碳足迹模型CFP如下：

利用BECNU生态系统工程碳循环得到生物质燃气和生物炭产品，生产过程中不可避免碳排放量属CFP模型“（生物源）二氧化碳当量排放”。生物炭产品对温室气体的净清除量碳汇，属CFP模型中的“（生物源）二氧化碳当量清除”。

生物炭施肥并修复土壤污染所致植物产量增加，植物作物量增产碳循环吸收CO₂所增加的清除量碳汇，属CFP模型中的“（生物源）二氧化碳当量清除（土地管理）”或“土地利用变化影响的二氧化碳当量”。当土地利用变化导致土壤碳库增加时，表现为大气碳移除量，其影响性质为负数，即温室气体清除；当土地利用变化导致土壤碳库减少时，表现为土壤碳排放，其影响性质为正数，即碳排放。

钢铁生产中生物质燃气-生物炭以外的非生物源不可避免碳排放与温室气体清除，属CFP模型中的“（非生物源）二氧化碳当量排放”或“（非生物源）二氧化碳当量清除”。

对于全废钢绿电短流程钢铁产品中不可避免碳排放中的非生物源碳排放，以生物源的BECNU生态系统工程长期碳循环产品生物炭，替代非生物源化石能源及碳粉等化石辅助材料，减排其非生物源碳排放；以生物炭负碳排放BECNU生态系统工程碳循环CO₂当量清除碳汇及生物炭施肥土地利用（管理）所增加的BECNU生态系统工程长期碳循环CO₂当量清除碳汇，抵扣清除移除全废钢生物质燃气-生物炭短流程钢铁生产不可避免碳排放，实现钢铁产品边界内产品系统碳足迹内生清零，即实现钢铁产品碳中和。

由于生物源CO₂当量排放为0，钢铁产品碳中和工艺技术中不牵涉非生物源CO₂当量清除和土地利用变化影响的CO₂当量，而吨钢不可避免剩余CO₂当量排放与提供碳汇的生物炭CO₂当量清除相同，根据钢铁生产不可避免剩余温室气体碳排放量确定的生物炭的清除量，抵扣清除了钢铁生产不可避免剩余温室气体碳排放，实现了全废钢绿电短流程钢从摇篮到大门生命周期碳中和。

部分生物炭替代全部或部分化石辅助材料，如非生物源辅助材料增碳调碳剂、造渣剂及碳粉等，实现减排；剩余的生物炭进行生物炭长期碳循环，其国际公认温室气体清除量抵扣清除掉短流程钢铁生产中不可避免剩余温室气体排放，实现从摇篮到大门生命周期碳中和。

生物炭替代短流程钢生产中的部分非生物源化石辅助材料，能够减少范围1的直接碳排放，实现工业过程的近零碳排放；CFP模型核算温室气体清单碳足迹，使生物炭的清除量直接抵扣清除钢铁生产不可避免剩余温室气体直接碳排放，实现工业过程的近零碳排放。

以上工业过程碳排放与生物炭温室气体生物源净清除，以物料的质量平衡法恒算钢铁产品非生物源CO₂当量排放与非生物源CO₂2当量清除。炼钢本质上是将铁与废钢在高温中（约1600℃左右）熔化、净化（精炼）和合金化的过程，炼钢主要过程是通过高温热化学反应，碳基或氢基还原铁、脱磷、脱氮、脱碳和脱除其他杂质，并调节钢铁产品最终碳含量，得到目标产品。将废钢在炉中冶炼，得到不同性能的钢，当目标钢铁产品及其副产品长期稳固的碳含量总和高于原辅材料及燃料的碳含量总和时，表现为钢铁产品工业过程非生物源直接温室气体清除，反之，则表现为钢铁产品工业过程非生物源温室气体的直接排放。 

以绿电为炼钢提供电源，以生物燃气作为燃料替代全部化石能源，进行电炉补燃、废气二次燃烧、废钢预热、烤包、炼钢和轧钢等短流程钢生产过程常规操作，通过生物燃气替代化石能源，实现钢铁生产与化石能源完全脱钩，短流程钢范围2外购能源的近零碳排放。

以生物基醇类燃料、油脂类燃料和绿电提供能源的运输工具，替代使用化石能源的运输工具进行运输，使钢铁产品价值链范围3物流及生产服务中的其他间接碳排放实现最大限度减排。

钢铁产品碳中和技术的精深之处：对以上范围1工业过程、范围2外购能源和范围3价值链其他间接碳排放等，经采取尽可能的减排措施后仍不可避免的剩余碳排放，通过建立生物质热解气化-生物炭负碳排放BECNU生态系统工程碳循环抵扣清除模型，采用负碳排放BECNU生态系统工程长期碳循环生物炭CO₂当量清除碳汇，全部抵扣与清除掉，实现短流程钢铁产品从摇篮到大门生命周期碳中和。

钢铁产品碳中和工艺的特别之处：根据不可避免剩余温室气体排放量，确定BECNU生态系统工程的温室气体清除量及其生物质燃气产率与生物炭产率，以及生物能源替代化石能源减排量与生物炭负碳排放清除量的调节机制，确保短流程钢铁生产边界内生物炭负碳排放抵扣清除量，不低于钢铁生产生命周期不可避免剩余碳排放量。

BECNU生态系统工程温室气体清除量及其生物质燃气产率与生物炭产率，以及生物能源替代化石能源减排量与生物炭负碳排放清除量的调节机制：通过计算评估边界内用尽可能的各种节能减排措施所实现的减排量、不可避免剩余排放量，确定需要以生物炭抵扣的清除量及生物炭负碳排和BECNU生态系统工程碳循环生物气产率与生物炭产率，进而调整BECNU生物气产率及其减排量与生物炭产率及其负碳排放清除量，使短流程钢铁生产边界内生物炭负碳排放抵扣量，永远不会不低于钢铁生产生命周期不可避免剩余排放量，实现钢铁产品碳中和净零碳排放。

BECNU生态系统工程碳循环包括生物质燃气在不足百年时间尺度内的短期碳循环和生物炭在百年以上时间尺度的长期碳循环两种性质碳循环。其中，生物质燃气替代短流程钢生产中的全部化石能源，其燃烧所产生的二氧化碳短期内重新回到大气中，回到大气的时间短，联合国IPCC规范和国际公认标准对这部分短期碳循环只计量核算替代化石能源减排量，以减少不可避免剩余碳排放量，但不计入负碳排放清除量，不能用来抵扣清除所述钢铁生产不可避免剩余碳排放量；其余生物炭全部用于还田还林培肥固碳或土壤污染修复，在百年时间尺度内，将生物质光合作用所吸收的大气碳物质，大部分固定在土壤中，IPCC规范和国际公认标准对这部分施入土壤的生物炭长期碳循环，计量核算其温室气体移除与清除量，可用来抵扣不可避免剩余碳排放。

3.产业技术创新突破：生物燃气-生物炭生态系统工程碳循环

碳中和实体产业企业——深圳碳中和生物燃气股份有限公司韬光养晦，二十年磨一剑，碳中和钢利剑出鞘，实现了钢铁产品碳中和工艺技术零的突破。

碳中和理念最早源于英国公益社会组织未来公社，1997年基于科斯产权理论提出的森林碳汇碳抵消(carbon offset)碳交易粗糙概念。未来公社2010年10月改为碳资产管理公司后进行商业化运作，主要从事碳交易、碳抵消等虚拟碳中和业务。

由于森林碳汇所能抵消的人为碳排放不到10%（中国目前规定碳交易碳抵消的额度，不得超过人为碳排放量的5%），无法实现碳中和，2000年以后，从IPCC第三次气化评估报告开始，提出基于技术的碳移除与清除等负碳排放问题，以中和人为不可避免剩余碳排放，如碳捕集利用和封存CCUS、生物质电厂碳捕集与储存BECCS、空气直接碳捕获与储存、再造林与绿化、增强风化等。

2007年，美国科学家Lehmann教授和中国科学家陈温福院士同时发现生物炭培肥固碳功能，风靡全球的carbon neutral新理念与中国传统文化“致中和”系统整体性思维相结合，孕育出应对气候变化的第三代技术——碳中和生态系统工程碳循环解决方案，并渐成主流。

生物燃气-生物炭碳中和钢铁产品工艺技术方案，是应对气候变化第三代技术在钢铁行业产业化突破性创新运用之一，按该方案对2家短流程钢企的全废钢绿电沙盘推演数据模拟，均实现了产品碳中和。

例如某短流程非连续加料量子电炉，实施碳中和改造前吨钢碳排放552kgCO₂e，改造后吨钢不可避免剩余碳排放69kgCO₂e（生物燃气燃烧后CO₂排入大气等短期碳循环减排措施，减少484kgCO₂e），使用生物炭长期碳循环负碳排放清除量对温室气体排放进行抵扣清除。

其碳中和工艺设计：1吨生物炭的负碳排放清除抵扣碳汇1.9吨，每吨钢需35.8kg生物炭，再加上减排工艺的37.4kg生物炭代替碳粉，总需生物炭73.2kg，替代化石能源减排工艺需生物质燃气165.6Nm³。1吨含碳48%的生物质通过气化-炭化反应后，产出热值1300kal/Nm³生物质燃气975Nm³与含碳70%的生物炭430.8kg，该钢铁产品碳中和工艺中，每吨钢需要169.9kg生物质实现碳中和，生物炭产率为43.08%。

又如某短流程连续加料电炉，改造前吨钢碳排放为911kgCO₂e，改造后吨钢不可避免剩余碳排放为87kgCO₂e（短期碳循环减排824kgCO₂e），使用生物炭长期碳循环负碳排放清除量对温室气体进行抵扣清除。

其碳中和工艺设计：1吨生物炭获1.9吨负碳排放清除抵扣碳汇，每吨钢需45.8kg生物炭，再加上减排工艺的23.4kg生物炭代替碳粉，总需生物炭69.2kg，替代化石能源减排工艺需生物质燃气474Nm³。

1吨含碳48%的生物质通过气化-炭化反应后，产出热值1300kal/Nm³生物质燃气1683Nm³与含碳70%的生物炭245.7kg，该钢铁产品碳中和工艺，每吨钢需要281.6kg生物质实现碳中和，生物炭产率为24.57%。

三、钢铁产品碳中和工艺创新的主要技术进步

1.边界系统扩展：将生物质热解气化-生物炭生产纳入系统边界内，全废钢绿电钢工艺系统边界由“从大门到大门，包括废钢循环”扩展到“从摇篮到大门，包含废钢循环与生物质燃气生物炭（还田还林）碳循环”系统边界，钢铁工业与农林业生态产业实现一体化。

2.脱碳流程再造：对传统钢铁生产流程改造后，钢铁生产与化石能源完全脱钩，化石辅料碳粉等被生物炭替代，钢铁生产的摇篮从废钢、农林废弃物及绿电开始，其所新增生物质燃气-生物炭前置嵌套产品“门到门1”工艺流程包括生物质燃气新能源生产、生物炭生产，终点到生物炭肥与污染修复剂生产，并在边界内与传统电炉钢生产“门到门2”内生衔接。其中，生物质燃料及生物质燃气新能源完全替代化石能源，进行废钢预热、电炉补燃及废气再燃、烤包与轧钢加热及石灰生产等，生物炭肥与污染修复剂作为最终产品，“从摇篮到大门”输出到系统边界外的农林业土壤，传统高碳高能耗钢厂经脱碳流程再造，蜕变为钢铁工业与农林产业生态系统一体化的生态文明钢厂。

3.钢铁产品碳中和颠覆性原创技术路线：生物质燃气-生物炭在钢铁产品碳足迹生命周期评估LCA模型中，属典型生物源碳足迹排放与清除机制，颠覆了第二代应对气候变化技术方案的非生物源技术路线，实现了建立在热力学四大定律和耗散结构系统科学原理基础上，基于技术（非生物源）与基于自然（生物源）的两种碳中和机制一体化的生态系统工程碳循环大气治理机制。

4.输入输出变革：全废钢绿电生物质燃气生物炭电炉钢产品CFP工艺流程系统输入，由传统电炉钢的铁、废钢、高碳电、化石能源、碳粉及其他化石辅助碳材料（非生物源）输入，转变为全废钢、绿电、农林业废弃物生物质（生物源）及少数无法替代化石碳辅助材料（非生物源）输入，系统输出产品包括碳中和钢铁产品、生物炭负碳排放产品（生物炭肥与污染修复剂等）及废弃物等。

5.生态文明革命：生物燃气-生物炭短流程钢减污降碳扩绿增效生态系统工程，探索出一条非西方传统工业化、不依赖化石能源的生物源解决方案——钢铁产品碳中和中国式现代化钢铁工业生态文明之路