钢铁被认为是高耗能材料，在其制造过程中会排放大量温室气体。20世纪90年代以来，由于连铸、高炉喷煤、高炉长寿、转炉溅渣护炉、综合节能、棒线材连轧国产化等6项共性关键技术的突破和应用，我国钢铁生产工艺得到优化。从1990年到2000年，中国的钢产量增长了近一倍，而能源消耗总量仅增长了31%左右。吨钢能耗大幅下降，吨钢温室气体等环境负荷逐年下降。目前，中国的钢铁产量已经大大减少。
图1 1990-2002年中国钢铁工业粗钢产量和二氧化碳排放量的变化
表1不同国家和地区主要钢铁企业二氧化碳排放强度(吨钢二氧化碳排放量)
1.计算方法不同于系统边界的选择；
2.不同的能源结构，碳排放因子的选择是不同的。有的用自己的实测值，有的用某个计算方法体系的默认值，有的选择东道国提供的排放因子；
3.CO2排放水平还与企业的工艺结构和产品结构特征有关。不同企业的流程结构和产品结构不同，不具有可比性。例如，以自然资源为来源的高炉-转炉长流程的CO2排放水平约为以废钢为来源的电炉短流程的3.5倍。每个企业生产的每吨钢的CO2排放量是不一样的，在相同的前提下比较每吨钢的CO2排放量是没有意义的。
4.不同企业实际生产中的CO2排放水平也与企业的装备水平、技术水平和管理水平密切相关。例如，如果企业的设备技术、工艺技术和管理技术水平高，其能源消耗效率就会高，其二氧化碳排放量就会相对较少。
因此，对于吨钢不同来源的CO2排放数据，需要综合考虑计算方法、统计口径和范围、能源结构、废钢利用、原燃料质量、企业自身设备、工艺技术、管理水平等多种因素的影响。才能进行客观的比较。基于中国钢铁行业/企业的实际，本文将分析钢铁制造过程中碳流的运行规律，并对中国钢铁行业/企业的CO2排放量进行估算。
1.钢铁制造过程中碳流运行规律分析
钢铁企业的碳流与能源和环境密切相关。碳流既表现物质流，也表现能量流。从物质流的角度来看，钢铁企业碳能源的最终形式是CO2排放，与周围环境负荷密切相关。从能量流动的角度来看，碳能源是钢铁企业的主要采购能源，是能量流动的主体。
分析钢铁制造过程中碳流的运行规律，是为了更好地掌握钢铁企业生产过程中的CO2排放源，同时提高企业碳能源的利用效率。钢铁企业中碳能的反应主要是放热氧化反应，其最终产物会是CO(不完全燃烧)和CO2(完全燃烧)。如果最终产物仅仅是CO2，将发生完全反应，所有碳能量将被释放。如果反应不完全，能量部分释放，部分能量仍储存在燃烧产物中，但最终以CO2的形式排放到周围环境中。
本文将从直接排放和间接排放两个方面考虑钢铁工业/企业CO2排放量的计算。所谓直接排放，是指排放源为申报主体拥有或控制的生产过程中排放的CO2，即企业自身消耗化石燃料和通量产生的CO2排放。间接排放是指报告实体使用的活动，但排放发生在其他实体控制的排放源上，如电力。它的排放是由电力生产部门燃烧化石燃料产生的。钢铁企业使用外购电时，CO2排放量按间接排放量计算。此外，冶金渣用作水泥CO2，捕集后产生的啤酒是潜在的碳排放权。
(一)钢铁企业碳流分析——直接排放源
下面将从工艺层面对钢铁企业的碳流进行分析，以确定工艺层面的直接CO2排放源。直接排放只考虑输入输出中直观的碳含量。
1.炼焦过程中的碳流动。炼焦过程中的碳流主要是指精煤在炭化室加热干馏成焦炭，同时产生焦炉煤气、焦油和粗苯的过程。此外，通过加热焦炉煤气(单一或混合焦炉煤气和高炉煤气)在炭化室间接加热和干馏精煤的过程也包含在碳流中(表2)。
表2钢铁企业及其工艺CO2直接排放源分析
3.炼铁过程中的碳流动。碳是炼铁过程中的主要还原剂。燃烧反应是炉内的主要反应，焦炭和煤粉中的碳转化为CO和CO2。在一定条件下，还会发生少量的碳析出反应。此外，由于氧化铁还原最初生成的海绵铁活性较高，加上铁水通过焦层滴落过程中的渗碳条件有利，会有相当数量的碳发生渗碳反应，溶解到铁水中。
炼铁碳的主要来源是焦炭和喷吹燃料(煤粉)，少部分来自烧结矿的残碳。如果加入石灰石等助熔剂，少量的CO2来自碳酸盐的分解。在熔炉中经过复杂的物理和化学变化后，碳最终转化为一氧化碳和二氧化碳，进入气体中。一部分溶解在生铁中，一小部分进入煤气粉尘中，随煤气逸出炉外。碳在炉内流动主要是通过氧化反应，大部分进入气体。45 ~ 50 kg/t (hm) (hm:铁水)碳通过渗碳溶解到铁水中，约6kg/t (HM)碳进入粉尘中。气体中50% ~ 55%的碳转化为CO，45% ~ 50%转化为CO2。此外，高炉鼓风中还含有一定量的CO2，热风炉消耗一定量的煤气(主要是BFG和焦炉煤气)加热空煤气，最终作为热风炉废气排出(表2)。
4.炼钢过程中的碳流动。在炼钢过程中，铁水带入的4.0% ~ 4.5%的碳会在氧气射流的作用下被迅速氧化，最终钢水中仅含0.08%左右的碳。此外，炼钢用的含碳熔剂还有白云石和菱镁矿(表2)。
5.连铸-热轧过程中碳的流动分析。连铸-热轧过程中碳流量主要是加热燃料(主要是副产煤气)的能耗(表2)。
综上所述，对于钢铁行业和企业来说，钢铁生产过程是一个铁煤化工过程，碳输入端(CO2排放源)主要来自煤炭等化石燃料的燃烧、石灰石等含碳熔剂的分解和废钢等原材料的消耗。碳的产出主要包括钢铁等产品、焦油等副产品和高炉渣的含碳量，如表2所示。在行业/企业层面，它的投入都是外包量，它的产出都是外卖量。
(2)钢铁企业碳流分析-间接排放源
间接排放由于工艺层面的复杂性，不做分析，工艺层面的计算结果意义不大。只分析企业级别，如表3所示。
表3钢铁企业间接CO2排放源分析
(一)钢铁行业二氧化碳排放量的计算原则
根据碳平衡原理，采用我国钢铁工业能源、熔剂和含碳原料的年度(或一定时期)消耗数据，扣除产品/副产品带走的碳量，即:
钢铁行业CO2排放量=(碳输入-碳输出)×44/12
(二)钢铁行业CO2排放的计算口径和边界钢铁行业CO2排放的边界如图2所示。
图2钢铁行业二氧化碳排放计算边界示意图
(3)中国钢铁行业CO2排放计算结果分析
基于数据的连续性和可靠性，选取《中国能源统计年鉴》中的黑色金属冶炼和压延加工业数据作为中国钢铁工业CO2排放计算的基础能源数据，并适当剔除铁合金的重复计算和部分能源消耗。此外，熔剂消耗数据是通过调查全国钢铁工业的平均消耗水平来估算的。并且在计算中，为了避免与电力行业重复计算，不考虑购电的间接排放。因此，对1991-2007年中国钢铁工业的CO2排放量进行了估算，并得出以下结论。
1.据初步估算，2005年中国钢铁工业能源消耗占全国能源消耗总量的13.8%，直接排放CO2约7.5亿吨(图3，不含外购电)，占当年世界钢铁工业直接排放CO2(约20亿吨)的37.5%；2007年，中国钢铁工业能耗约占全国总能耗的14.39%，直接排放二氧化碳约9.2亿吨。
图3 1991-2007年中国钢铁工业二氧化碳排放量
2.中国钢铁工业吨钢CO2排放总体趋势是逐年下降，从1991年的3.22 t(CO2)/t(钢)下降到2007年的1.87t(CO2)/t(钢)左右，降幅约为42%。
中国吨钢CO2排放量高于主要产钢国，主要存在两个先天不足:①电炉钢比低于世界平均水平15% ~ 21%(图4)。电炉钢比例低，客观上是中国钢铁工业能耗高、温室气体排放量大的原因之一。②煤炭占中国钢铁工业一次能源总量的70%以上。与世界主要产钢国相比，煤炭比重远高于其他主要产钢国，而天然气和燃料油比重明显低于发达国家。客观上，煤炭利用能源效率低，污染排放严重，产品能源成本高。
图4 2000-2007年中国与世界电炉钢比对比
3.在钢铁工业CO2排放总量中，能源(化石燃料)消耗导致的CO2排放是最重要的部分，占钢铁工业CO2排放总量的90%以上(图5)。因此，目前中国钢铁行业CO2减排的首要措施是节能。
图5钢铁行业能源消耗CO2排放量与总排放量的对比
三。钢铁企业能源消耗导致的CO2排放量计算
这里的计算是基于钢铁工业能源消耗产生的二氧化碳排放量和总排放量与自然资源、煤炭等的比较。估计了两种工艺:炉-转炉“长工艺”和以废钢作为可再生资源来源的电炉“短工艺”。能源消耗导致的CO2排放量的计算主要包括化石燃料消耗导致的直接排放量、电力介质消耗导致的间接排放量以及副产品(副产品气体等)的扣除。).
本文选取的长流程为年产800万吨(100%自产焦炭)的平炉生产流程，短流程为年产200万吨(全为废钢)的平炉生产流程。由于钢铁企业工序间物质流和能量流的复杂性，间接排放量的计算在工序层面较为复杂，暂不考虑。
(1)年产800万吨扁平材的高炉-转炉生产工艺
表4显示了长流程中每个流程的能耗导致的CO2排放水平。计算口径包括炼焦、烧结、球团、高炉、转炉、连铸、热轧。长流程的结果是2149.53 kg(CO2)/t(钢)，其中高炉炼铁占64.57%，整个炼铁系统(包括炼焦、烧结和高炉炼铁)占整个流程的86.59%。因此，降低CO2排放的重点应放在整个炼铁系统，尤其是高炉炼铁过程。
表4长流程各工序能耗导致的CO2排放量
(2)转炉炼钢CO2排放比例小，因为其能量主要来自热铁水，不计算在内；
(3)采用的CO2排放系数取自世界钢铁协会。
(2)年产200万吨扁平材电炉生产工艺
表5显示了短流程各工序能耗导致的CO2排放水平。计算口径包括电炉、连铸、热轧，结果只有585.59 kg (CO2)/t(钢)。
表5短流程各工序能耗造成的CO2直接排放
1.20世纪90年代以来，中国钢铁工业在节能减排方面取得了很大进展。虽然工业CO2排放总量在增加，但吨钢CO2排放量从1991年的3.22t(CO2)/t(钢)下降到2007年的约1.87 t (CO2)/t(钢)，降幅约为42%。
2.钢铁行业的CO2排放主要是由能源消耗引起的，占钢铁行业CO2的20%。总排放量的90%以上。因此，目前我国钢铁行业CO2减排的重点也应该是节能，即提高钢铁企业的能源利用效率。
3.传统BF-BOF长流程因能耗造成的CO2排放量约为2149.53 kg(CO2) /t钢)，其中整个炼铁系统占整个流程的86.59%；而全废钢电炉短流程能耗造成的CO2排放量约为585.59kg (CO2 )/t(钢)。
4.对于不同来源的吨钢CO2数据，需要综合考虑计算方法、统计口径和范围、能源结构、废钢利用、原燃料质量等多种因素的影响，然后进行客观比较。
