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    鋼鐵被認為是一種能源密集型材料，在其制造過程中要排放大量的溫室氣體。20世紀90年代以來，由于連鑄、高爐噴煤、高爐長壽、轉爐濺渣護爐、綜合節能、棒線材連軋國產化等6項共性關鍵技術的突破與應用，中國鋼鐵生產流程得以優化，1990－2000年中國鋼產量增長了將近1倍，而能源消耗總量僅增加了約31％，噸鋼能耗大幅度下降，噸鋼溫室氣體等環境負荷逐年降低，目前在2t (CO2）/t（鋼）左右的排放水平（圖1)。

圖1  1990－2002年中國鋼鐵工業粗鋼產量和CO₂排放量變化

表1  不同國家和地區的主要鋼鐵企業CO₂排放強度（噸鋼CO₂排放量）

    表1列出了不同國家和地區的主要鋼鐵企業或鋼鐵工業的CO₂排放強度，可見不同國家和地區的主要鋼鐵企業／工業CO₂排放強度均不一樣，其原因主要有：

    1、計算方法和系統邊界的選取不一樣；

    2、能源結構不同，碳排放因子選取也不一樣，有的是用自己的實測值，有的則是用某一計算方法體系的默認值，有的則是選用所在國家提供的排放因子；

    3、 CO₂排放水平還和企業的流程結構、產品結構特點有關，不同企業其流程結構和產品結構不同，沒有可比性。如以天然資源為源頭的高爐一轉爐長流程的CO₂ 排放水平大約是使用再生資源廢鋼為源頭的電爐短流程的3.5倍，每個企業生產的電爐鋼比例不同，其噸鋼CO₂排放也不同，不在同一前提下的噸鋼CO₂排放量的比較是沒有意義的。

    4、不同企業實際生產中的CO₂排放水平還與該企業的裝備水平、技術水平以及管理水平有很大關系，如企業的裝備技術、工藝技術和管理技術水平高，則其用能效率高，其CO₂排放也就相對要少。

    因此，對于不同來源的噸鋼CO₂排放數據，需綜合考慮其計算方法、統計口徑和范圍、能源結構、廢鋼利用、原燃料質量及企業自身裝備、工藝技術、管理水平等各因素的影響方可客觀比較。本文將結合中國鋼鐵工業／企業的實際，進行鋼鐵制造流程的碳素流運行規律解析，對中國鋼鐵工業／企業的CO₂排放進行估算。

    一、鋼鐵制造流程的碳素流運行規律解析

    鋼鐵企業的碳素流與能源以及環境是密切相關的。碳素流既表現為物質流，也表現為能量流。從物質流角度看，鋼鐵企業中碳素能源的最終形式是CO₂排放物，這與周邊環境負荷是息息相關的；從能量流角度看，碳素能源是鋼鐵企業的主要購人能源，能量流的主體。

    對鋼鐵制造流程進行碳素流運行規律解析是為了更好地掌握鋼鐵企業生產流程中的CO₂排放源，同時也能提高企業碳素能源的利用效率。碳素能源在鋼鐵企業中的反應主要是氧化放熱反應，它的最終產物將是CO（不完全燃燒）和CO₂（完全燃燒），如果最終產物只有CO₂，則發生完全反應，碳素能量全部釋放；如果不完全反應，則能量部分釋放，燃燒產物中還貯存部分能量，但最終還是以CO₂的方式排放到周圍環境。

    本文將從直接排放和間接排放來考慮鋼鐵工業／企業的CO₂排放計算，所謂直接排放是指排放源是由報告實體所有或控制的在生產過程中排放的CO₂，即企業自身化石燃料和熔劑等消耗所產生的CO₂排放；間接排放是指報告實體活動所使用的，但是排放是發生在其它實體所控制的排放源上，如電力，其排放是由電力生產部門燃燒礦物燃料產生的，在鋼鐵企業使用外購電時計算其CO₂排放即為間接排放。此外，冶金渣用作水泥CO₂，捕集后的外賣生產啤酒等則屬于潛在的碳排放權。

    （一）鋼鐵企業碳素流分析－直接排放源

    下文將對鋼鐵企業在工序層次上進行碳素流分析，確定工序層次上的CO₂直接排放源。直接排放只考慮輸人輸出中的直觀碳含量。

    1、焦化過程的碳素流。焦化過程中的碳素流主要是指洗精煤在炭化室中加熱干餾成焦炭，同時產出焦爐煤氣、焦油和粗苯等副產物的過程。此外，加熱焦爐用煤氣（單一或混合的焦爐煤氣、高爐煤氣）對炭化室內洗精煤進行間接加熱并發生干餾的過程也包含在碳素流中（表2）。

表2  鋼鐵企業及其各工序CO₂直接排放源分析

    2、燒結過程的碳素流。燒結過程必須在一定的高溫下才能進行，而高溫是由燃料的燃燒所造成的。燒結生產所用燃料包括固體燃料（焦粉、煤粉）和氣體燃料（點火煤氣COG、BFG和BOFG），以固體燃料消耗為主。燒結混合料中的碳燃燒后最終將轉變為CO₂、CO，因固體燃料受燒結混合料中的分布、燒結工藝等因素的影響，部分燃燒不完全，形成燒結粉塵和燒結礦及返礦中的殘碳。此外，燒結礦生產中使用的熔劑中只有石灰石、白云石等含碳熔劑會帶來CO₂的直接排放（表2）。

    3、煉鐵過程的碳素流。碳素是煉鐵過程的主要還原劑，爐內以燃燒反應為主，由焦炭、噴吹煤粉中的碳轉化為CO、CO₂；在一定條件下，也發生少量的析碳反應。此外，由于鐵氧化物還原最初生成的海綿鐵具有較高的活性，以及熔鐵滴落穿過焦炭層過程具有良好的滲碳條件，因此，會有相當數量的碳發生滲碳反應而溶人鐵水。

    煉鐵過程中碳素主要來源．于焦炭和噴吹燃料（煤粉），一小部分來自于燒結礦殘碳；如添加石灰石等熔劑，則有少量來自于碳酸鹽分解產生的CO₂。碳素在爐內發生復雜的物理化學變化后，最終轉化為CO、CO₂進入到煤氣中；部分溶解于生鐵中，少量進入到煤氣粉塵中，隨煤氣逸出爐外。碳素流在爐內以氧化反應為主，大部分進入煤氣，有45～50kg/t（HM)（HM：Hot Metal)的碳素通過滲碳溶入鐵水，6kg/t (HM)左右的碳素進人到粉塵中；進入煤氣中的碳素50％～55％轉化為CO、45％～50％轉化為CO₂。此外，高爐鼓風也含有一定量的CO₂，而熱風爐也要消耗一定量的煤氣（主要是BFG和COG）來對空氣進行加熱，最終以熱風爐廢氣的形式排出（表2）。

    4、煉鋼過程碳素流。煉鋼過程中，由鐵水帶入的4.0％～4.5％的碳將在氧氣射流的作用下，快速氧化，最終鋼水中僅含有0.08％左右的碳。此外，煉鋼生產中使用的含碳熔劑有白云石、菱鎂礦等（表2）。

    5、連鑄－熱軋過程碳素流分析。連鑄－熱軋過程碳素流主要是加熱用燃料（主要是副產煤氣）的能量消耗（表2）。

綜上所述，對鋼鐵行業和企業來說鋼鐵生產過程是鐵－煤化工過程，碳素的輸人端（CO₂的排放源）主要來源于煤等化石燃料燃燒、石灰石等含碳熔劑的分解以及廢鋼等原料的消耗。碳素的輸出端主要包含鋼材等產品、焦油等副產品以及高爐渣等所含的碳量，見表2。在行業／企業層次上，其輸入端均為外購量，輸出端均為外賣量。

    （二）鋼鐵企業碳素流分析－間接排放源

    間接排放由于在工序層次上比較復雜，且在工序層次上的計算結果意義不大，不再予以分析，只對其企業層次進行分析，見表3。

表3  鋼鐵企業CO₂間接排放源分析

    二、鋼鐵工業的CO₂排放計算

    （一）鋼鐵工業CO₂排放計算原理

    根據碳平衡原理計算，采用中國鋼鐵工業的年度（或某一時期內）的能源、熔劑及含碳原料消耗數據，并扣除產品／副產品帶走碳量，即：

              鋼鐵工業CO₂排放＝（碳輸人－碳輸出）×44/12

    （二）鋼鐵工業CO₂排放計算口徑、邊界鋼鐵工業CO₂排放量的邊界如圖2所示。

圖2  鋼鐵工業CO₂排放計算邊界示意圖

    （三）中國鋼鐵工業CO₂排放計算結果分析

    基于數據的連續性與可靠性，選取《中國能源統計年鑒》中黑色金屬冶煉及壓延加工業數據作為中國鋼鐵工業CO₂排放計算的能源基礎數據，適當剔除重復計算和鐵合金部分能耗。此外，熔劑消耗的數據是通過調研對全國鋼鐵工業的平均消耗水平進行估算得到的。且在計算中，為避免與電力行業發生重復計算，不考慮外購電力的間接排放。以此，對1991－2007年的中國鋼鐵工業CO₂排放量進行估算，得到如下幾點結論。

    1、初步估算，2005年中國鋼鐵工業能耗約占全國能源消費總量的13.8％，CO₂直接排放量約為7.5億t(圖3，不含外購電力），占當年世界鋼鐵工業CO₂直接排放量（約為20億t）37. 5％；而2007年中國鋼鐵工業的能源消耗約占全國總能耗的14.39％，其CO₂直接排放量約為9.2億t。

圖3   1991－2007年中國鋼鐵工業CO₂排放情況

    2、中國鋼鐵工業噸鋼CO₂排放總體趨勢是逐年降低的，由1991年的3.22 t（CO₂）/t（鋼）下降到2007年的約1.87t（CO₂）/t（鋼），下降約42%。

    中國噸鋼CO₂排放量高于主要產鋼國家，主要有兩個先天不足：①電爐鋼比與世界平均水平相比低15%～21%（圖4)，電爐鋼比低是客觀上造成中國鋼鐵工業能耗高、溫室氣體排放量大的原因之一。②中國鋼鐵工業一次能源中煤炭占能源總量的70％以上。與世界主要產鋼國相比，煤炭比例遠高于其他主要產鋼國，而天然氣和燃料油的比重明顯低于發達國家。客觀上煤炭利用過程中的能源效率較低、污染排放嚴重、產品能源成本高。

圖4  2000－2007年中國與世界電爐鋼比的對比

    3、在鋼鐵工業總的CO₂排放量中，能源（化石燃料）消耗引起的CO₂排放量是最主要的部分，約占鋼鐵工業CO₂排放總量的90％以上（圖5)。因此，現階段中國鋼鐵工業CO₂減排的首要措施是節能。

圖5  鋼鐵工業能源消耗產生的CO₂排放量與總排放量對比

    三、鋼鐵企業由能源消耗引起的CO₂排放計算

    此處計算是對以天然資源、煤炭等為源頭的高圖5  鋼鐵工業能源消耗產生的CO₂排放量與總排放量的對比爐－轉爐“長流程”和以再生資源廢鋼為源頭的電爐“短流程”兩類流程進行估算。由能源消耗引起的CO₂排放計算主要包含化石燃料消耗引起的直接排放，動力介質消耗引起的間接排放，以及副產品（副產煤氣等）的抵扣。

    本文選擇構建的長流程是年產800萬t的平材生產流程（焦炭100％自產），短流程是年產200萬t的平材生產流程（全廢鋼〕。由于鋼鐵企業工序之間物質流、能量流錯綜復雜，導致間接排放計算在工序層次上計算繁瑣，暫且不予以考慮。

    （一）年產800萬t平材BF－BOF生產流程

    表4給出了長流程各個工序由能源消耗引起的CO₂排放水平，計算口徑包含焦化、燒結、球團、高爐、轉爐、連鑄和熱軋。長流程結果為2149.53 kg(CO2)/t(鋼），其中高爐煉鐵占64.57％，若考慮煉鐵全系統（即包含焦化、燒結和高爐煉鐵）占整個流程的86.59％；因此減少CO₂排放的重點應放在煉鐵全系統，尤其是高爐煉鐵工序。

表4  長流程各工序由能源消耗引起的CO₂排放情況