鋼鐵工業(yè)是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的基石，而在其冶煉過程中，碳不僅是關(guān)鍵的冶金元素，也是碳排放的主要來源之一。本文將深入探討碳在鋼鐵生產(chǎn)中的作用、化學(xué)反應(yīng)、碳排放現(xiàn)狀及減排措施。

一、碳在煉鋼中的作用

在鋼鐵冶煉過程中，碳的主要作用包括：

1. 還原劑
   ：用于將鐵礦石（主要成分 Fe?O? 或 Fe?O?）還原成金屬鐵。
2. 熱源
   ：燃燒焦炭（C）產(chǎn)生高溫，維持高爐溫度（1300-1600℃）。
3. 調(diào)節(jié)鋼的性能
   ：鋼的含碳量決定了硬度、強(qiáng)度及韌性，低碳鋼（<0.25% C）韌性好，高碳鋼（>0.6% C）硬度高但脆。

冶煉主要化學(xué)方程式：

1. 焦炭燃燒提供熱量
   ：C+O2→CO2+熱量
   
   
   
2. 一氧化碳還原鐵礦石
   ：CO2+C→2CO
   
   
   Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2
   
   
   
3. 碳在鐵中的溶解
   ：Fe+C→Fe−C（生鐵，含碳量較高）
   
   
   

二、每噸鋼的碳需求量及二氧化碳排放量

鋼鐵冶煉主要采用高爐-轉(zhuǎn)爐法（BF-BOF）和電爐法（EAF），碳的需求和排放有所不同。

高爐-轉(zhuǎn)爐法每噸鋼排放 CO? 約1.8-2.2 噸，而電爐法由于使用廢鋼，排放大幅降低。

三、全球鋼鐵產(chǎn)量與碳排放占比

1. 全球鋼鐵產(chǎn)量（2023年）

• 全球總產(chǎn)量
  ：18.5 億噸
• 前五大生產(chǎn)國
  
  
  • 中國
    ：10.2 億噸（≈55%）
  • 印度
    ：1.3 億噸
  • 日本
    ：8700 萬噸
  • 美國
    ：8000 萬噸
  • 俄羅斯
    ：7300 萬噸

2. 鋼鐵行業(yè)碳排放

• 鋼鐵行業(yè)占全球 CO? 排放量的 約7-9%（約 35 億噸 CO?）。
• 中國鋼鐵行業(yè)排放量約 18-20 億噸 CO?，占全國總排放 15% 以上。

四、鋼鐵行業(yè)的減排技術(shù)與措施

1. 低碳煉鋼工藝

1. 電爐煉鋼（EAF）
   
   
   • 以廢鋼為原料，減少礦石冶煉需求，碳排放降低 70%。
2. 氫基直接還原鐵（H? DRI）
   
   
   • 以綠氫（可再生能源電解水制得）代替碳，CO? 排放接近 0。

圖 2 The HYBRIT pilot plant in Luleå, Sweden. 瑞典非化石煉鋼廠[1]

2. 低碳能源替代

• 生物炭代替焦炭
  ：減少化石燃料依賴。
• CCUS（碳捕集、利用與封存）
  ：將 CO? 捕獲并儲(chǔ)存或利用。

3. 產(chǎn)業(yè)升級與政策

• 提高廢鋼回收率，減少鐵礦石冶煉需求。
• 推動(dòng)碳稅與碳交易，鼓勵(lì)企業(yè)使用低碳技術(shù)。

五、總結(jié)

• 碳在鋼鐵冶煉中至關(guān)重要，但也是主要碳排放來源。
• 高爐-轉(zhuǎn)爐法排放高
  ，電爐法和氫冶煉有助于碳中和。
• 全球鋼鐵行業(yè)排放占比 7-9%，中國占一半以上。
• 未來的減排方向包括氫冶煉、電爐、CCUS 等低碳技術(shù)。

鋼鐵的未來，不僅在于更強(qiáng)的材料，也在于更綠色的生產(chǎn)方式！