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鋼鐵產(chǎn)品碳中和工藝技術(shù)創(chuàng)新與突破

鋼鐵行業(yè)是最難實(shí)現(xiàn)碳中和的行業(yè)之一。目前，業(yè)界與學(xué)界普遍認(rèn)為，傳統(tǒng)長(zhǎng)流程鋼很難實(shí)現(xiàn)碳中和，短流程鋼有實(shí)現(xiàn)碳中和的可能性。鋼鐵行業(yè)碳中和須采取特別技術(shù)或外部產(chǎn)業(yè)鏈措施，如CCUS（碳捕獲）、非化石能源脫碳技術(shù)等。主流零碳技術(shù)路線是氫能和氫還原鐵，產(chǎn)業(yè)鏈上存在氫供應(yīng)短板和生命周期碳循環(huán)缺環(huán)問題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品碳中和也很難。

中國(guó)與歐盟長(zhǎng)流程鋼碳排放強(qiáng)度差距并不大，平均分別為2-2.2tCO?e和1.9tCO?（Renetal.,2021），短流程鋼碳排放強(qiáng)度中國(guó)為0.6tCO?e（Renetal.,2021），歐盟為0.2-0.4tCO?e（Material Economics,2019）。短流程鋼實(shí)質(zhì)性脫碳流程再造、系統(tǒng)邊界擴(kuò)展、輸入輸出變革的顛覆性原創(chuàng)工藝技術(shù)，是鋼鐵產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)碳中和的重要選擇。本文提出一種全廢鋼綠電短流程鋼碳中和方案供業(yè)界參考。

一、鋼鐵產(chǎn)品碳中和工藝流程的實(shí)質(zhì)性再造

鋼本就是鐵元素與碳元素的化合物，氫還原是長(zhǎng)流程鋼減排技術(shù)，并非鋼鐵產(chǎn)品碳中和技術(shù)路線。如沒有負(fù)碳排放清除抵扣鋼鐵生產(chǎn)不可避免剩余碳排放，是無法實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)品碳中和的。

為應(yīng)對(duì)歐盟CBAM（碳邊境調(diào)節(jié)機(jī)制）對(duì)我國(guó)涉鋼產(chǎn)品設(shè)立的貿(mào)易壁壘，碳中和工藝技術(shù)突破很重要，本文提出的全廢鋼綠電短流程鋼碳中和工藝技術(shù)方案，其實(shí)質(zhì)性流程再造，突破如下：

二、氫還原鐵技術(shù)生命周期碳循環(huán)的長(zhǎng)期碳循環(huán)技術(shù)缺環(huán)

1.鋼鐵產(chǎn)品碳中和的定義與標(biāo)準(zhǔn)

文所說的碳中和鋼鐵產(chǎn)品，指鋼鐵產(chǎn)品生命周期溫室氣體清單碳足跡核算結(jié)果為凈零排放，并經(jīng)過國(guó)際公認(rèn)權(quán)威產(chǎn)品碳足跡標(biāo)簽聲明認(rèn)證的鋼鐵產(chǎn)品。

鋼鐵產(chǎn)品碳中和工藝，指鋼鐵產(chǎn)品從搖籃到大門生命周期溫室氣體清單碳足跡量化核算結(jié)果與歸因過程，實(shí)現(xiàn)凈零排放的生產(chǎn)方法。

碳中和鋼鐵產(chǎn)品及其生產(chǎn)工藝，適用以下國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及生命周期溫室氣體清單碳足跡核算標(biāo)準(zhǔn)、指南及方法學(xué)：

聯(lián)合國(guó)氣候變化組織（IPCC）2006 溫室氣體清單指南：《IPCC2006國(guó)家溫室氣體清單指南》《2019年對(duì)2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南的細(xì)化》等。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）生命周期方法、標(biāo)準(zhǔn)：《ISO14064-1組織層面溫室氣體排放量和清除量量化和報(bào)告指南規(guī)范》《ISO14064-2項(xiàng)目層面上量化、監(jiān)測(cè)和報(bào)告溫室氣體減排或清除增強(qiáng)的指南規(guī)范》《ISO14067溫室氣體-產(chǎn)品碳足跡-量化要求和指南》《IWA 42：凈零指南》《ISO20915-2018鋼鐵產(chǎn)品生命周期清單計(jì)算方法》等。

英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（BSI）標(biāo)準(zhǔn)：《PAS2050商品和服務(wù)在生命周期內(nèi)的溫室氣體排放評(píng)價(jià)規(guī)范》；世界資源研究所（WRI）溫室氣體核算體系：GHGProtocol《產(chǎn)品生命周期核算與報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)》《溫室氣體核算體系：企業(yè)核算與報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)》《溫室氣體核算體系：企業(yè)價(jià)值鏈（范圍三）核算與報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)》《溫室氣體核算體系：土地利用、土地利用變化和林業(yè)溫室氣體項(xiàng)目核算指南》《溫室氣體核算體系：項(xiàng)目核算與報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)》等。

中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)EDP標(biāo)準(zhǔn)：產(chǎn)品類別規(guī)則（PCR）《普通鋼鐵產(chǎn)品及特殊鋼產(chǎn)品》；國(guó)際生物炭協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)：IBI International Biochar Initiative：Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar That Is Used in Soil；歐洲生物炭碳證書標(biāo)準(zhǔn)：BEC European Biochar Certificate - Guidelines for a Sustainable Production of Biochar（European Biochar Foundation）等。

其中，ISO標(biāo)準(zhǔn)《IWA 42：凈零指南》所定義的相關(guān)術(shù)語如下：

碳中和或凈零碳排放：凈零溫室氣體排放是指在指定時(shí)間段和指定邊界內(nèi)，人為剩余溫室氣體排放被人為主導(dǎo)的溫室氣體清除所平衡。人為主導(dǎo)溫室氣體清除包括生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、空氣直接碳捕獲和儲(chǔ)存、再造林與綠化、增強(qiáng)風(fēng)化、生物炭和其他有效方法。 

碳中和鋼鐵產(chǎn)品，指鋼鐵產(chǎn)品生命周期溫室氣體清單碳足跡核算結(jié)果為凈零排放，并經(jīng)過國(guó)際公認(rèn)權(quán)威產(chǎn)品碳足跡標(biāo)簽聲明認(rèn)證的全廢鋼綠電生物質(zhì)燃?xì)?生物炭短流程鋼鐵產(chǎn)品。

鋼鐵產(chǎn)品碳中和工藝，指鋼鐵產(chǎn)品從搖籃到大門生命周期溫室氣體清單碳足跡量化核算結(jié)果，即工藝歸因過程實(shí)現(xiàn)凈零排放的全廢鋼綠電生物質(zhì)燃?xì)?生物炭短流程鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)方法。

鋼鐵產(chǎn)品工藝凈零溫室氣體排放，是指在指定時(shí)間段和指定邊界內(nèi)，鋼鐵生產(chǎn)不可避免剩余溫室氣體排放，被生物質(zhì)熱解氣化-生物炭負(fù)碳排放BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程技術(shù)生物炭和其他有效方法人為所生態(tài)修復(fù)，人為實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)溫室氣體的排放與清除相平衡。

溫室氣體排放：指溫室氣體釋放進(jìn)入大氣層，包括以下來源釋放的氣體：自然來源(如植物分解)，化石燃料燃燒，其他過程無意釋放(加工設(shè)備或條件缺陷造成)。不直接進(jìn)入大氣溫室氣體排放：指進(jìn)入水體或土壤的溫室氣體排放，根據(jù)水或土壤中可能發(fā)生的化學(xué)和生物過程科學(xué)證據(jù)，相關(guān)排放量是由于這種排放而導(dǎo)致大氣中溫室氣體氣體濃度增加的量。

范圍1排放：由組織擁有或直接控制的溫室氣體排放來源。使用股權(quán)份額或控制(地域、財(cái)務(wù)和運(yùn)營(yíng))概念建立范圍1排放責(zé)任，范圍1排放不包括由組織擁有或控制的、不受管理的、或保持自然狀態(tài)且未被改變的自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的排放，治理組織范圍1排放，是指位于該地區(qū)范圍內(nèi)的溫室氣體排放源排放量。

范圍2排放：購(gòu)買能源的間接溫室氣體排放，指組織購(gòu)買電力熱力冷力或蒸汽所消耗的能源所產(chǎn)生的溫室氣體排放，區(qū)域?qū)用嫔线\(yùn)作的組織范圍2排放是指范圍1排放以外的溫室氣體排放，由于在領(lǐng)土邊界內(nèi)使用電網(wǎng)供應(yīng)的電力熱力蒸汽和冷力而發(fā)生的排放。

范圍3排放：來源于不歸本組織所有或直接控制組織的活動(dòng)后果的溫室氣體間接排放，包括所有可歸因于價(jià)值鏈的不包括范圍1排放或范圍2排放在內(nèi)的溫室氣體排放。地域?qū)用孢\(yùn)作的組織的范圍3排放，是指由于在邊界內(nèi)發(fā)生的活動(dòng)引起的，完全或部分發(fā)生在領(lǐng)土邊界之外的溫室氣體排放，包括跨境運(yùn)輸。

溫室氣體源（來源）：釋放溫室氣體進(jìn)入大氣的人類活動(dòng)或過程。溫室氣體匯：指從大氣中去除溫室氣體的過程。

溫室氣體清單：在指定時(shí)間段和指定邊界內(nèi)，溫室氣體源與溫室氣體匯的匯總列表以及它們的排放量與移除量的量化。

剩余溫室氣體排放：指采取所有技術(shù)和科學(xué)上可行的可能行動(dòng)，實(shí)施減排后剩余的不可避免溫室氣體排放。

溫室氣體移除、清除與去除：指從大氣中移除、清除與去除人為的溫室氣體排放，是人類有意活動(dòng)的結(jié)果。清除類型包括植樹造林、用生物質(zhì)(建筑中使用的植物材料)建筑、直接空氣碳捕集和儲(chǔ)存、生態(tài)環(huán)境修復(fù)、土壤碳捕獲、增強(qiáng)風(fēng)化(將土壤與碎石混合)、生物質(zhì)電廠生物能源發(fā)電與碳捕集和儲(chǔ)存?！扒宄币辉~包括儲(chǔ)存，即CO?的長(zhǎng)期儲(chǔ)存，IPCC稱之為“CO?清除”。

抵消：溫室氣體抵消，是由組織之外的行動(dòng)，用來平衡組織所剩余溫室氣體排放界限的溫室氣體減排量或移除量。抵銷通常使用碳信用額度或碳信用證書進(jìn)行抵消，由尋求平衡剩余溫室氣體排放量的組織或代表該組織在登記冊(cè)額度中注銷。以實(shí)現(xiàn)凈零排放或碳中和為目的抵消，只有作為清除量的抵消，才能用來抵消剩余排放量；作為減排量的抵消碳信用，不能用來抵消剩余溫室氣體排放量。 

2.鋼鐵產(chǎn)品碳中和工藝技術(shù)

本文所說的基于負(fù)碳排放BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程碳循環(huán)的鋼鐵產(chǎn)品碳中和的工藝技術(shù)（方法），依國(guó)際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與共識(shí)，將碳循環(huán)分為百年時(shí)間尺度的長(zhǎng)期碳循環(huán)和百年以下時(shí)間尺度的短期碳循環(huán)，其碳中和工藝技術(shù)包括以下步驟：

（1）利用BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱解氣化得到生物質(zhì)燃?xì)夂蜕锾俊?

（2）以步驟（1）得到的生物質(zhì)燃?xì)馔耆娲塘鞒啼撋a(chǎn)中的化石能源，以步驟（1）得到的部分生物炭替代短流程鋼生產(chǎn)中的全部或部分化石輔助材料。

（3）以步驟（1）得到的生物炭扣除步驟（2）生物炭后剩余的生物炭進(jìn)行生物炭生態(tài)系統(tǒng)工程長(zhǎng)期碳循環(huán)，生物炭所帶來的國(guó)際公認(rèn)溫室氣體清除量，抵扣清除掉短流程鋼鐵生產(chǎn)不可避免剩余溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)短流程鋼鐵產(chǎn)品從搖籃到大門生命周期碳中和。

這里所說的短流程鋼的煉鋼工藝，其具體操作方法沒有特殊限定，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的電爐煉鋼工藝的操作方法即可。

短流程鋼從搖籃到大門生命周期碳中和的溫室氣體清單碳足跡計(jì)量核算報(bào)告與碳中和標(biāo)簽聲明認(rèn)證，采用GHGProtocol《產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》，其產(chǎn)品溫室氣體清單碳足跡模型CFP如下：

利用BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程碳循環(huán)得到生物質(zhì)燃?xì)夂蜕锾慨a(chǎn)品，生產(chǎn)過程中不可避免碳排放量屬CFP模型“（生物源）二氧化碳當(dāng)量排放”。生物炭產(chǎn)品對(duì)溫室氣體的凈清除量碳匯，屬CFP模型中的“（生物源）二氧化碳當(dāng)量清除”。

生物炭施肥并修復(fù)土壤污染所致植物產(chǎn)量增加，植物作物量增產(chǎn)碳循環(huán)吸收CO?所增加的清除量碳匯，屬CFP模型中的“（生物源）二氧化碳當(dāng)量清除（土地管理）”或“土地利用變化影響的二氧化碳當(dāng)量”。當(dāng)土地利用變化導(dǎo)致土壤碳庫增加時(shí)，表現(xiàn)為大氣碳移除量，其影響性質(zhì)為負(fù)數(shù)，即溫室氣體清除；當(dāng)土地利用變化導(dǎo)致土壤碳庫減少時(shí)，表現(xiàn)為土壤碳排放，其影響性質(zhì)為正數(shù)，即碳排放。

鋼鐵生產(chǎn)中生物質(zhì)燃?xì)?生物炭以外的非生物源不可避免碳排放與溫室氣體清除，屬CFP模型中的“（非生物源）二氧化碳當(dāng)量排放”或“（非生物源）二氧化碳當(dāng)量清除”。

對(duì)于全廢鋼綠電短流程鋼鐵產(chǎn)品中不可避免碳排放中的非生物源碳排放，以生物源的BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程長(zhǎng)期碳循環(huán)產(chǎn)品生物炭，替代非生物源化石能源及碳粉等化石輔助材料，減排其非生物源碳排放；以生物炭負(fù)碳排放BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程碳循環(huán)CO?當(dāng)量清除碳匯及生物炭施肥土地利用（管理）所增加的BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程長(zhǎng)期碳循環(huán)CO?當(dāng)量清除碳匯，抵扣清除移除全廢鋼生物質(zhì)燃?xì)?生物炭短流程鋼鐵生產(chǎn)不可避免碳排放，實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)品邊界內(nèi)產(chǎn)品系統(tǒng)碳足跡內(nèi)生清零，即實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)品碳中和。

由于生物源CO?當(dāng)量排放為0，鋼鐵產(chǎn)品碳中和工藝技術(shù)中不牽涉非生物源CO?當(dāng)量清除和土地利用變化影響的CO?當(dāng)量，而噸鋼不可避免剩余CO?當(dāng)量排放與提供碳匯的生物炭CO?當(dāng)量清除相同，根據(jù)鋼鐵生產(chǎn)不可避免剩余溫室氣體碳排放量確定的生物炭的清除量，抵扣清除了鋼鐵生產(chǎn)不可避免剩余溫室氣體碳排放，實(shí)現(xiàn)了全廢鋼綠電短流程鋼從搖籃到大門生命周期碳中和。

部分生物炭替代全部或部分化石輔助材料，如非生物源輔助材料增碳調(diào)碳劑、造渣劑及碳粉等，實(shí)現(xiàn)減排；剩余的生物炭進(jìn)行生物炭長(zhǎng)期碳循環(huán)，其國(guó)際公認(rèn)溫室氣體清除量抵扣清除掉短流程鋼鐵生產(chǎn)中不可避免剩余溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)從搖籃到大門生命周期碳中和。

生物炭替代短流程鋼生產(chǎn)中的部分非生物源化石輔助材料，能夠減少范圍1的直接碳排放，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的近零碳排放；CFP模型核算溫室氣體清單碳足跡，使生物炭的清除量直接抵扣清除鋼鐵生產(chǎn)不可避免剩余溫室氣體直接碳排放，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的近零碳排放。

以上工業(yè)過程碳排放與生物炭溫室氣體生物源凈清除，以物料的質(zhì)量平衡法恒算鋼鐵產(chǎn)品非生物源CO?當(dāng)量排放與非生物源CO?2當(dāng)量清除。煉鋼本質(zhì)上是將鐵與廢鋼在高溫中（約1600℃左右）熔化、凈化（精煉）和合金化的過程，煉鋼主要過程是通過高溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)，碳基或氫基還原鐵、脫磷、脫氮、脫碳和脫除其他雜質(zhì)，并調(diào)節(jié)鋼鐵產(chǎn)品最終碳含量，得到目標(biāo)產(chǎn)品。將廢鋼在爐中冶煉，得到不同性能的鋼，當(dāng)目標(biāo)鋼鐵產(chǎn)品及其副產(chǎn)品長(zhǎng)期穩(wěn)固的碳含量總和高于原輔材料及燃料的碳含量總和時(shí)，表現(xiàn)為鋼鐵產(chǎn)品工業(yè)過程非生物源直接溫室氣體清除，反之，則表現(xiàn)為鋼鐵產(chǎn)品工業(yè)過程非生物源溫室氣體的直接排放。 

以綠電為煉鋼提供電源，以生物燃?xì)庾鳛槿剂咸娲炕茉?，進(jìn)行電爐補(bǔ)燃、廢氣二次燃燒、廢鋼預(yù)熱、烤包、煉鋼和軋鋼等短流程鋼生產(chǎn)過程常規(guī)操作，通過生物燃?xì)馓娲茉?，?shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)與化石能源完全脫鉤，短流程鋼范圍2外購(gòu)能源的近零碳排放。

以生物基醇類燃料、油脂類燃料和綠電提供能源的運(yùn)輸工具，替代使用化石能源的運(yùn)輸工具進(jìn)行運(yùn)輸，使鋼鐵產(chǎn)品價(jià)值鏈范圍3物流及生產(chǎn)服務(wù)中的其他間接碳排放實(shí)現(xiàn)最大限度減排。

鋼鐵產(chǎn)品碳中和技術(shù)的精深之處：對(duì)以上范圍1工業(yè)過程、范圍2外購(gòu)能源和范圍3價(jià)值鏈其他間接碳排放等，經(jīng)采取盡可能的減排措施后仍不可避免的剩余碳排放，通過建立生物質(zhì)熱解氣化-生物炭負(fù)碳排放BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程碳循環(huán)抵扣清除模型，采用負(fù)碳排放BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程長(zhǎng)期碳循環(huán)生物炭CO?當(dāng)量清除碳匯，全部抵扣與清除掉，實(shí)現(xiàn)短流程鋼鐵產(chǎn)品從搖籃到大門生命周期碳中和。

鋼鐵產(chǎn)品碳中和工藝的特別之處：根據(jù)不可避免剩余溫室氣體排放量，確定BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程的溫室氣體清除量及其生物質(zhì)燃?xì)猱a(chǎn)率與生物炭產(chǎn)率，以及生物能源替代化石能源減排量與生物炭負(fù)碳排放清除量的調(diào)節(jié)機(jī)制，確保短流程鋼鐵生產(chǎn)邊界內(nèi)生物炭負(fù)碳排放抵扣清除量，不低于鋼鐵生產(chǎn)生命周期不可避免剩余碳排放量。

BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程溫室氣體清除量及其生物質(zhì)燃?xì)猱a(chǎn)率與生物炭產(chǎn)率，以及生物能源替代化石能源減排量與生物炭負(fù)碳排放清除量的調(diào)節(jié)機(jī)制：通過計(jì)算評(píng)估邊界內(nèi)用盡可能的各種節(jié)能減排措施所實(shí)現(xiàn)的減排量、不可避免剩余排放量，確定需要以生物炭抵扣的清除量及生物炭負(fù)碳排和BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程碳循環(huán)生物氣產(chǎn)率與生物炭產(chǎn)率，進(jìn)而調(diào)整BECNU生物氣產(chǎn)率及其減排量與生物炭產(chǎn)率及其負(fù)碳排放清除量，使短流程鋼鐵生產(chǎn)邊界內(nèi)生物炭負(fù)碳排放抵扣量，永遠(yuǎn)不會(huì)不低于鋼鐵生產(chǎn)生命周期不可避免剩余排放量，實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)品碳中和凈零碳排放。

BECNU生態(tài)系統(tǒng)工程碳循環(huán)包括生物質(zhì)燃?xì)庠诓蛔惆倌陼r(shí)間尺度內(nèi)的短期碳循環(huán)和生物炭在百年以上時(shí)間尺度的長(zhǎng)期碳循環(huán)兩種性質(zhì)碳循環(huán)。其中，生物質(zhì)燃?xì)馓娲塘鞒啼撋a(chǎn)中的全部化石能源，其燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳短期內(nèi)重新回到大氣中，回到大氣的時(shí)間短，聯(lián)合國(guó)IPCC規(guī)范和國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這部分短期碳循環(huán)只計(jì)量核算替代化石能源減排量，以減少不可避免剩余碳排放量，但不計(jì)入負(fù)碳排放清除量，不能用來抵扣清除所述鋼鐵生產(chǎn)不可避免剩余碳排放量；其余生物炭全部用于還田還林培肥固碳或土壤污染修復(fù)，在百年時(shí)間尺度內(nèi)，將生物質(zhì)光合作用所吸收的大氣碳物質(zhì)，大部分固定在土壤中，IPCC規(guī)范和國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這部分施入土壤的生物炭長(zhǎng)期碳循環(huán)，計(jì)量核算其溫室氣體移除與清除量，可用來抵扣不可避免剩余碳排放。

3.產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新突破：生物燃?xì)?生物炭生態(tài)系統(tǒng)工程碳循環(huán)

碳中和實(shí)體產(chǎn)業(yè)企業(yè)——深圳碳中和生物燃?xì)夤煞萦邢薰卷w光養(yǎng)晦，二十年磨一劍，碳中和鋼利劍出鞘，實(shí)現(xiàn)了鋼鐵產(chǎn)品碳中和工藝技術(shù)零的突破。

碳中和理念最早源于英國(guó)公益社會(huì)組織未來公社，1997年基于科斯產(chǎn)權(quán)理論提出的森林碳匯碳抵消(carbon offset)碳交易粗糙概念。未來公社2010年10月改為碳資產(chǎn)管理公司后進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)作，主要從事碳交易、碳抵消等虛擬碳中和業(yè)務(wù)。

由于森林碳匯所能抵消的人為碳排放不到10%（中國(guó)目前規(guī)定碳交易碳抵消的額度，不得超過人為碳排放量的5%），無法實(shí)現(xiàn)碳中和，2000年以后，從IPCC第三次氣化評(píng)估報(bào)告開始，提出基于技術(shù)的碳移除與清除等負(fù)碳排放問題，以中和人為不可避免剩余碳排放，如碳捕集利用和封存CCUS、生物質(zhì)電廠碳捕集與儲(chǔ)存BECCS、空氣直接碳捕獲與儲(chǔ)存、再造林與綠化、增強(qiáng)風(fēng)化等。

2007年，美國(guó)科學(xué)家Lehmann教授和中國(guó)科學(xué)家陳溫福院士同時(shí)發(fā)現(xiàn)生物炭培肥固碳功能，風(fēng)靡全球的carbon neutral新理念與中國(guó)傳統(tǒng)文化“致中和”系統(tǒng)整體性思維相結(jié)合，孕育出應(yīng)對(duì)氣候變化的第三代技術(shù)——碳中和生態(tài)系統(tǒng)工程碳循環(huán)解決方案，并漸成主流。

生物燃?xì)?生物炭碳中和鋼鐵產(chǎn)品工藝技術(shù)方案，是應(yīng)對(duì)氣候變化第三代技術(shù)在鋼鐵行業(yè)產(chǎn)業(yè)化突破性創(chuàng)新運(yùn)用之一，按該方案對(duì)2家短流程鋼企的全廢鋼綠電沙盤推演數(shù)據(jù)模擬，均實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品碳中和。

例如某短流程非連續(xù)加料量子電爐，實(shí)施碳中和改造前噸鋼碳排放552kgCO?e，改造后噸鋼不可避免剩余碳排放69kgCO?e（生物燃?xì)馊紵驝O?排入大氣等短期碳循環(huán)減排措施，減少484kgCO?e），使用生物炭長(zhǎng)期碳循環(huán)負(fù)碳排放清除量對(duì)溫室氣體排放進(jìn)行抵扣清除。

其碳中和工藝設(shè)計(jì)：1噸生物炭的負(fù)碳排放清除抵扣碳匯1.9噸，每噸鋼需35.8kg生物炭，再加上減排工藝的37.4kg生物炭代替碳粉，總需生物炭73.2kg，替代化石能源減排工藝需生物質(zhì)燃?xì)?65.6Nm3。1噸含碳48%的生物質(zhì)通過氣化-炭化反應(yīng)后，產(chǎn)出熱值1300kal/Nm3生物質(zhì)燃?xì)?75Nm3與含碳70%的生物炭430.8kg，該鋼鐵產(chǎn)品碳中和工藝中，每噸鋼需要169.9kg生物質(zhì)實(shí)現(xiàn)碳中和，生物炭產(chǎn)率為43.08%。

又如某短流程連續(xù)加料電爐，改造前噸鋼碳排放為911kgCO?e，改造后噸鋼不可避免剩余碳排放為87kgCO?e（短期碳循環(huán)減排824kgCO?e），使用生物炭長(zhǎng)期碳循環(huán)負(fù)碳排放清除量對(duì)溫室氣體進(jìn)行抵扣清除。

其碳中和工藝設(shè)計(jì)：1噸生物炭獲1.9噸負(fù)碳排放清除抵扣碳匯，每噸鋼需45.8kg生物炭，再加上減排工藝的23.4kg生物炭代替碳粉，總需生物炭69.2kg，替代化石能源減排工藝需生物質(zhì)燃?xì)?74Nm3。

1噸含碳48%的生物質(zhì)通過氣化-炭化反應(yīng)后，產(chǎn)出熱值1300kal/Nm3生物質(zhì)燃?xì)?683Nm3與含碳70%的生物炭245.7kg，該鋼鐵產(chǎn)品碳中和工藝，每噸鋼需要281.6kg生物質(zhì)實(shí)現(xiàn)碳中和，生物炭產(chǎn)率為24.57%。

三、鋼鐵產(chǎn)品碳中和工藝創(chuàng)新的主要技術(shù)進(jìn)步

1.邊界系統(tǒng)擴(kuò)展：將生物質(zhì)熱解氣化-生物炭生產(chǎn)納入系統(tǒng)邊界內(nèi)，全廢鋼綠電鋼工藝系統(tǒng)邊界由“從大門到大門，包括廢鋼循環(huán)”擴(kuò)展到“從搖籃到大門，包含廢鋼循環(huán)與生物質(zhì)燃?xì)馍锾浚ㄟ€田還林）碳循環(huán)”系統(tǒng)邊界，鋼鐵工業(yè)與農(nóng)林業(yè)生態(tài)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)一體化。

2.脫碳流程再造：對(duì)傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)流程改造后，鋼鐵生產(chǎn)與化石能源完全脫鉤，化石輔料碳粉等被生物炭替代，鋼鐵生產(chǎn)的搖籃從廢鋼、農(nóng)林廢棄物及綠電開始，其所新增生物質(zhì)燃?xì)?生物炭前置嵌套產(chǎn)品“門到門1”工藝流程包括生物質(zhì)燃?xì)庑履茉瓷a(chǎn)、生物炭生產(chǎn)，終點(diǎn)到生物炭肥與污染修復(fù)劑生產(chǎn)，并在邊界內(nèi)與傳統(tǒng)電爐鋼生產(chǎn)“門到門2”內(nèi)生銜接。其中，生物質(zhì)燃料及生物質(zhì)燃?xì)庑履茉赐耆娲茉?，進(jìn)行廢鋼預(yù)熱、電爐補(bǔ)燃及廢氣再燃、烤包與軋鋼加熱及石灰生產(chǎn)等，生物炭肥與污染修復(fù)劑作為最終產(chǎn)品，“從搖籃到大門”輸出到系統(tǒng)邊界外的農(nóng)林業(yè)土壤，傳統(tǒng)高碳高能耗鋼廠經(jīng)脫碳流程再造，蛻變?yōu)殇撹F工業(yè)與農(nóng)林產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)一體化的生態(tài)文明鋼廠。

3.鋼鐵產(chǎn)品碳中和顛覆性原創(chuàng)技術(shù)路線：生物質(zhì)燃?xì)?生物炭在鋼鐵產(chǎn)品碳足跡生命周期評(píng)估LCA模型中，屬典型生物源碳足跡排放與清除機(jī)制，顛覆了第二代應(yīng)對(duì)氣候變化技術(shù)方案的非生物源技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了建立在熱力學(xué)四大定律和耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)科學(xué)原理基礎(chǔ)上，基于技術(shù)（非生物源）與基于自然（生物源）的兩種碳中和機(jī)制一體化的生態(tài)系統(tǒng)工程碳循環(huán)大氣治理機(jī)制。

4.輸入輸出變革：全廢鋼綠電生物質(zhì)燃?xì)馍锾侩姞t鋼產(chǎn)品CFP工藝流程系統(tǒng)輸入，由傳統(tǒng)電爐鋼的鐵、廢鋼、高碳電、化石能源、碳粉及其他化石輔助碳材料（非生物源）輸入，轉(zhuǎn)變?yōu)槿珡U鋼、綠電、農(nóng)林業(yè)廢棄物生物質(zhì)（生物源）及少數(shù)無法替代化石碳輔助材料（非生物源）輸入，系統(tǒng)輸出產(chǎn)品包括碳中和鋼鐵產(chǎn)品、生物炭負(fù)碳排放產(chǎn)品（生物炭肥與污染修復(fù)劑等）及廢棄物等。

5.生態(tài)文明革命：生物燃?xì)?生物炭短流程鋼減污降碳擴(kuò)綠增效生態(tài)系統(tǒng)工程，探索出一條非西方傳統(tǒng)工業(yè)化、不依賴化石能源的生物源解決方案——鋼鐵產(chǎn)品碳中和中國(guó)式現(xiàn)代化鋼鐵工業(yè)生態(tài)文明之路