碳循环 V —— 钢铁是怎样炼成的：冶炼过程中的碳角色

碳循环 V —— 钢铁是怎样炼成的：冶炼过程中的碳角色

钢铁工业是现代经济的基石，而在其冶炼过程中，碳不仅是关键的冶金元素，也是碳排放的主要来源之一。本文将深入探讨碳在钢铁生产中的作用、化学反应、碳排放现状及减排措施。

一、碳在炼钢中的作用

在钢铁冶炼过程中，碳的主要作用包括：

1. 还原剂：用于将铁矿石（主要成分 Fe₂O₃ 或 Fe₃O₄）还原成金属铁。
2. 热源：燃烧焦炭（C）产生高温，维持高炉温度（1300-1600℃）。
3. 调节钢的性能：钢的含碳量决定了硬度、强度及韧性，低碳钢（<0.25% C）韧性好，高碳钢（>0.6% C）硬度高但脆。

冶炼主要化学方程式：

1. 焦炭燃烧提供热量：C + O₂ → CO₂
2. 一氧化碳还原铁矿石：Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
3. 碳在铁中的溶解：Fe + C → Fe-C（生铁，含碳量较高）

二、每吨钢的碳需求量及二氧化碳排放量

钢铁冶炼主要采用高炉-转炉法（BF-BOF）和电炉法（EAF），碳的需求和排放有所不同。

高炉-转炉法每吨钢排放 CO₂ 约1.8-2.2 吨，而电炉法由于使用废钢，排放大幅降低。

三、全球钢铁产量与碳排放占比

1. 全球钢铁产量（2023年）

• 全球总产量：18.5 亿吨
• 前五大生产国
• 中国：10.2 亿吨（≈55%）
• 印度：1.3 亿吨
• 日本：8700 万吨
• 美国：8000 万吨
• 俄罗斯：7300 万吨

2. 钢铁行业碳排放

• 钢铁行业占全球 CO₂ 排放量的 约7-9%（约 35 亿吨 CO₂）。
• 中国钢铁行业排放量约 18-20 亿吨 CO₂，占全国总排放 15% 以上。

四、钢铁行业的减排技术与措施

1. 低碳炼钢工艺

1. 电炉炼钢（EAF）

• 以废钢为原料，减少矿石冶炼需求，碳排放降低 70%。

2. 氢基直接还原铁（H₂ DRI）

• 以绿氢（可再生能源电解水制得）代替碳，CO₂ 排放接近 0。

图 2 The HYBRIT pilot plant in Luleå, Sweden. 瑞典非化石炼钢厂[1]

2. 低碳能源替代

• 生物炭代替焦炭：减少化石燃料依赖。
• CCUS（碳捕集、利用与封存）：将 CO₂ 捕获并储存或利用。

3. 产业升级与政策

• 提高废钢回收率，减少铁矿石冶炼需求。
• 推动碳税与碳交易，鼓励企业使用低碳技术。

五、总结

• 碳在钢铁冶炼中至关重要，但也是主要碳排放来源。
• 高炉-转炉法排放高，电炉法和氢冶炼有助于碳中和。
• 全球钢铁行业排放占比 7-9%，中国占一半以上。
• 未来的减排方向包括氢冶炼、电炉、CCUS 等低碳技术。

钢铁的未来，不仅在于更强的材料，也在于更绿色的生产方式！