1、第 卷 第期 年月钢铁 ，：典型钢铁制造流程碳排放及碳中和实施路径张琦，沈佳林，籍杨梅（东北大学国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁 沈阳 ；东北大学低碳钢铁前沿技术研究院，辽宁 沈阳 ；低碳钢铁前沿技术教育部工程研究中心，辽宁 沈阳 ）摘要：高炉转炉钢铁生产流程是典型的钢铁制造流程，也是典型的铁煤化工过程，能耗高、碳排放量大，是中国钢铁行业实现碳中和目标的重点领域。年，由该流程生产的钢产量占全国粗钢产量的 以上，是钢铁行业重要的 排放源，因此，以典型高炉转炉钢铁流程为主的企业碳排放计算和碳中和路径研究引起重视。目前国内外有多种针对钢铁企业碳排放的计算方法，但不同 计算边界和方法对企业 排放结
2、果差异较大，影响因素也不同。剖析了钢铁生产流程的碳排放特征，以典型高炉转炉制造流程为例，从系统边界、碳排放核算方法以及影响因素等角度全方位分析了钢铁制造流程碳排放，核算了不同方法下 万和 万钢铁企业的碳排放量，并对比了不同核算方法的差异性。结果表明，企业和 企业铁前工序的 排放占总碳排放的比例分别为 和 ，减少钢铁制造流程 排放应优先考虑焦化、烧结和炼铁工序；影响钢铁制造流程减排的因素主要包括化石燃料的消耗、能源的回收率、自发电的比例和碳排放因子的选取，其中化石燃料的消耗是钢铁制造流程中最大的 排放源，消耗产生的 排放占总碳排放的 以上。同时，以钢铁全流程碳中和为目标，分析了不同降碳技术、措施
3、的应用效果和减碳路径，以期为钢铁企业实现碳达峰碳中和目标提供实施依据，为企业制定碳中和路线图和行动方案提供有用参考。关键词：钢铁生产流程；排放；节能；低碳技术；碳中和文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）基金项目：“兴辽英才计划”资助项目（）；中央高校基本科研业务费资助项目（）作者简介：张琦（），男，博士，教授；：；收稿日期：（），钢铁第 卷 ，：；气候变化是人类面临的重大而紧迫的全球性挑战。重视气候变化，坚持绿色发展、循环发展、低碳发展，是中国促进高质量可持续发展的重要战略举措。实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局做出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束
4、突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺。国务院 年前碳达峰行动方案指出，工业领域要加快绿色低碳转型和高质量发展，力争率先实现碳达峰。钢铁工业是中国国民经济重要部门之一，也是典型的资源、能源密集型行业，在能耗“双控”和“双碳”的目标下，钢铁工业面临巨大压力。年中国粗钢产量达到 亿，占全球粗钢产量的 ，能源消耗占全国能源消耗总量的，碳排放占全国碳排放总量的。因此，钢铁工业绿色低碳转型发展是中国实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑。当前中国钢铁行业的 排放核算方法较多，核算边界和范围不一致，尚未形成统一的核算标准。刘宏强等使用 省级温室气体清单编制指南、钢铁碳排放指南
5、和基于 标准的钢铁产品生命周期计算方法对某钢铁长流程企业的 排放量进行核算，由于核算范围的不同，得到的吨钢 排放研究结果也不同，分别为 、和 。李肖 如 等系 统 梳 理 了 政 府 间 气 候 专 门 委 员 会（）及中国国家和地方层面（上海市、天津市）的钢铁行业碳核算方法，分析了方法特点、核算边界及排放因子的选择。结果显示，由于排放因子的差异，使用 法得到的工业生产过程 排放量明显高于其他种核算方法所得 排放量。卢中强等根据 中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）方法和碳平衡法计算 钢铁公司（包含炼焦工序）和 钢铁公司（不包含炼焦工序）排放量，结果显示使用前者方法得到的钢铁
6、企业 排放量较低。围绕钢铁生产碳减排、碳达峰碳中和问题，国内外研 究 机 构 和 学 者 开 展 了 大 量 的 研 究 工 作。发布报告称在可持续发展情景下，通过提高材料效率、技术性能改进、采用创新技术（包含碳捕集利用与封存、氢冶金）等措施可分别为钢铁行业贡献、和 的减排量。殷瑞钰院士等指出钢铁行业要实现碳达峰碳中和，需要实行总量消减、淘汰落后，要走节能、减排、脱碳等绿色发展道路以及进行流程结构优化等措施，到 年，粗钢产量下降因素累计碳减排贡献所占比例约为，全废钢电炉流程钢厂发展的因素所占比例所占比例约为，氢冶金因素所占比例约为，节能、界面技术、智能化等因素所占比例约为。本文作者使用动态物质
7、流方法，预测了中国到 年的钢铁需求量和废钢量，综合考虑生产结构、能效提升和技术普及率等因素进一步分析了中国钢铁行业未来的碳排放趋势和节能减排潜力。等 使用了对数平均迪氏指数分解法，量化分析了不同因素对中国钢铁行业过去和未来的能源消耗趋势的影响。薛英岚等 提出实现钢铁行业的控煤降碳工作应重点关注长流程节能降碳技术应用、全废钢电炉短流程等，面向碳中和目标，氢冶金将逐渐取代高炉转炉长流程，成为与基于废钢的电炉短流程并重的钢铁生产工艺。邵远敬等 探讨并提出了以“氢基竖炉直接还原铁电炉炼钢方案”为主、以“高炉转炉长流程工艺减碳技术碳捕集与封存方案”和“全废钢电炉炼钢方案”为补充的中国钢铁生产“碳中和”解
8、决方案。综上所述，从钢铁行业层面开展碳减排研究较多，但针对流程和企业层面的研究较少，实际上不同钢铁生产流程、不同企业规模其碳排放差异较大，碳中和路径和行动方案也不同。本文基于国内外常用的碳排放计算和评价方法，围绕不同流程结构、不同规模企业实际生产过程，分析碳排放构成、低碳技术应用以及碳减排影响因素。尝试对不同计算边界和第期张琦，等：典型钢铁制造流程碳排放及碳中和实施路径影响因素进行比较，以期分析不同因素对碳排放的影响，试图建立一套可行性方法，指导企业开展 排放计算和降碳工作，为企业开展碳核算、碳评价和碳中和路径设置提供理论基础和分析工具。钢铁生产流程及碳排放特征目前钢铁生产主要有以下种流程：高
9、炉转炉流程、废钢电炉流程和直接还原铁电炉流程，如图所示。高炉转炉流程在钢铁生产中占主导地位，尤其在中国，该流程生产的钢产量占全国钢产量的比例为 。高炉转炉流程的能源结构明显高碳化，煤、焦炭占能源投入约 以上，且该流程的工艺更复杂、排放节点更多、物料来源更广，这导致了以高炉转炉流程为主的中国钢铁行业产生大量 排放。图主要钢铁生产流程 采用不同钢铁生产工艺流程、不同技术路线产生的碳排放水平存在较大差距。高炉转炉流程（通常也称为长流程）：涉及多个能量转换过程，包括焦化、烧结、球团、炼铁、炼钢、连铸和轧钢等工序，该流程的平均吨钢 排放量为 左右（法），这主要是因为高炉转炉长流程以天然铁矿石和煤炭资源为
10、主，能源消耗大，排放量高。表为案例 企业和 的能源消耗结构占比，由表可以看出，煤和焦炭是钢铁企业的主要能源来源。表企业和企业的能源消耗结构占比 案例企业煤和焦炭占比洗精煤无烟煤烟煤焦炭外购焦炭汽柴油电其他企业 企业 废钢电炉流程（通常也称为短流程）：是一种以电力为热源、废钢为原料冶炼钢铁的生产流程。废钢电炉流程的平均吨钢 排放量约为 （法）。增加废钢的回收和利用，降低钢铁比，可以大幅减少钢铁行业的 排放。由于电炉炼钢技术的进步，这种短流程在投资和能效方面展示出其优势，特别是在绿色生产方面。由于历史和资源禀赋原因，年中国电炉钢产量占比仅为。钢铁第 卷与世界平均水平 左右、美国 相比，仍有较大差距
11、。年月日，三部委印发 工业领域碳达峰实施方案，指出到 年，短流程炼钢占比达 以上。到 年，富氢碳循环高炉冶炼、氢基竖炉直接还原铁、碳捕集利用封存等技术取得突破应用，短流程炼钢占比达 以上。直接还原铁电炉流程：由还原剂直接将铁矿石还原得到的海绵铁，可以取代铁矿石用作电炉冶炼的原料，相比传统长流程，直接还原铁电炉流程具有能耗低、环境负荷小的优势，这样的流程能有效减少碳排放，平均吨钢 排放量为 。从长远来看，中国钢铁行业需促进直接还原、熔融还原等低碳冶炼技术逐步实现规模化、工业化。中国氢冶金发展的两大方向主要是高炉富氢冶炼和富氢气基竖炉。高炉富氢冶炼是指利用喷吹天然气、焦炉煤气等富氢气体，进行炼铁过
12、程。氢基竖炉冶炼技术使用与 混合气体作为还原剂，将铁矿石直接还原得到直接还原铁，然后投入电炉进一步冶炼，这一冶炼技术相较于高炉富氢冶炼技术的减碳力度更大。钢铁全流程碳排放计算方法及结果比较钢铁企业生产过程中的 排放量以及 排放的影响因素成为目前关注的焦点。针对这一问题，本文基于高炉转炉生产流程，采用不同的 排放计算方法，对 万和 万规模钢铁企业的 排放量进行了计算和分析，以期说明钢铁全流程碳排放和影响因素，为企业节能降碳提供重要参考。计算边界及方法围绕钢铁企业二氧化碳排放计算方法，目前主要有以下几类方法，分别为 国家温室气体清单指南（以下简称 ），基于国际钢铁协会的计算（以下简称 ），温室气体
13、排放核算与报告要求 第部分：钢铁生产企业（以下简称国标）和 中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南试行（以下简称指南）等方法。基于排放系数法的 核算方法计算钢铁企业的 排放量相对简单，易于统计，其碳排放计算公式见式（）。（）（）式中：为 排放量，；为不同燃料类型；为燃料消耗量，；为燃料种类；为燃料消耗碳排因子，（）。是基于“从摇篮到大门”的生命周期的核算方法。核算包括原燃料的开采、运输、钢厂内产品的生产过程以及固碳产品的抵扣，不包括下游产品的制造、使用和废钢的回收，计算公式见式（）。钢铁工业各工序的碳排放为输入工序的物料和能源的碳含量之和与输出工序碳含量的差值。各工序碳排包括厂内的直接
14、碳排，间接碳排和碳排放抵扣。直接碳排是由直接含碳物料或由 直接构成的气体导致的排放，如化石燃料的燃烧和烟气。间接排放是企业使用的原料或能源在生产过程中的上游排放。碳排放抵扣包括回收高炉渣、转炉渣等。由于本文的目的是为了分析对比各核算方法，选出更适合中国钢铁企业的核算方法，因此本文在采用 核算方法计算时不考虑原燃料的开采和运输。，（，）（）式中：为钢铁生产流程中的第个工序，如焦化、烧结、球团、炼铁、炼钢、轧钢、自发电应用工序；为工序总数；为第个工序中使用的第种物料，为第个工序的碳排放，；和 分别为碳载体的输入流和输出流，；为物料的碳排因子（以 计，下同），。国标的方法基于投入产出的思想，从企业宏
15、观层面上核算钢铁生产过程中的 排放。按照 温室气体排放核算与报告要求 要求，钢铁生产企业的二氧化碳排放总量等于核算边界内所有的化石燃料燃烧排放量、过程排放量及企业购入的电力和热力所对应的二氧化碳排放量之和，同时扣除固碳产品隐含的二氧化碳排放量以及输出的电力和热力所对应的二氧化碳排放量，具体计算过程见式（）。（）式中：为二氧化碳排放总量，；为由于燃料燃烧造成的碳排放量，；为过程碳排放量，；为由于购入电力造成的间接碳排放量，；为由于购入热量造成的间接碳排放量，；为企业固碳产品隐含的碳排放量，；为输出的电力对应的碳排放量，；为输出的热量对应的碳排放量，。指南与国标的方法类似，都是基于投入产出的思想从
16、钢铁企业宏观层面核算钢铁生产过程的 排放量，排放源包括燃料燃烧产生的 排放量，工业生产过程的碳排放，电力热力产生的碳排放以及固碳产品隐含的 排放量。计算公式见式（）。第期张琦，等：典型钢铁制造流程碳排放及碳中和实施路径 （）式中：为二氧化碳排放总量，；为所有净消耗化石燃料燃烧活动产生的二氧化碳排放量，；为工业生产过程产生的二氧化碳排放量，；为净购入电力产生的二氧化碳排放量，；为净购入热力产生的二氧化碳排放量，；为固碳产品隐含的二氧化碳排放量，。各核算方法的计算边界见表。表国内外钢铁行业 排放计算方法及计算边界 计算方法化石燃料动力原料产品上游间接排放排放抵扣 仅含碳载体仅含化石燃料国标仅含碳载体指南仅含碳载体注：表示包含该项；表示不包含该项。实例计算 企业基本情况本文基于个高炉转炉长流程实际生产企业为例进行分析，其中，企业生产规模为 万钢，使用外购焦炭，企业生产规模为 万钢，使用自有焦化厂生产的焦炭，其他生产工序均包括烧结、球团、炼铁、炼钢、轧钢和自备电厂等。企业的电力消耗情况见表。表案例企业的电力消耗情况 企业企业企业购电比例 自备电厂发电比例 余热余能发电比例 风能发电比例 发电规
