通过底部吹入含碳介质与生物质衍生碳替代实现高废钢比转炉炼钢的清洁化

《Cleaner Engineering and Technology》：Cleaner high-scrap-ratio converter steelmaking through bottom-blown carbonaceous injection and biomass-derived carbon substitution

　　

提高碱性氧气转炉（basic oxygen furnace）炼钢中的废钢比（scrap ratio, SR）可降低铁水依赖与碳排放，但受限于供热不足及物质-能量流的安全调控。研究人员提出一种用于高废钢比转炉炼钢的底部吹入含碳介质（bottom-blown carbonaceous injection, BBCI）工艺，通过底部喷嘴吹入石墨、锯末生物炭或零碳生物质以补偿废钢熔化过程中的热缺额。研究人员建立了耦合生命周期评价（life cycle assessment, LCA）的综合质量-能量平衡模型，评估SR、有效CO-to-CO2二次燃烧比（effective CO-to-CO2 post-combustion ratio, ΔCCO2）、粉气比及含碳介质特性对碳排放（carbon emissions, CE）、能源利用与工艺可行性的影响。结果表明ΔCCO2是控制含碳介质消耗的主导因素：在40% SR下，ΔCCO2由20%升至30%可使碳耗降低27.76%；采用零碳生物质时转炉阶段CE为负值，达?10.68 kg CO2/t钢；对高炉（blast furnace, BF）–转炉路线，总CE降至1161 kg CO2/t钢，较基线低29.59%。BBCI因而为高安全性、资源高效且低碳的转炉炼钢提供了可行路径。

研究背景方面，全球变暖背景下钢铁工业（iron and steel industry, ISI）仍是最大工业碳排放源之一，2024年全球粗钢平均碳排放强度约1.92 t CO₂/t粗钢。高炉（BF）–转炉路线中，转炉是物质与排放密集型环节。既有转炉脱碳研究多聚焦炉气余热回收、熔渣碳化或CCUS（carbon capture, utilisation and storage），未建立底部吹入固体含碳介质在熔池内产热的物质–能量闭合平衡，亦缺乏将吹入条件、粉气比、有效碳含量与废钢熔化能力定量关联的框架，且未在统一边界下比较石墨、生物炭与零碳生物质。为此，研究人员开展底部吹入含碳介质（BBCI）辅助高废钢比转炉炼钢的过程建模与生命周期评价（LCA）研究，旨在量化ΔC_CO2、粉气比及有效碳含量对热补偿、氧耗、副产 credits、能耗与碳排放的影响，为降低铁水依赖提供理论支撑。该文发表于《Cleaner Engineering and Technology》。

关键技术方法上，研究人员基于中试数据构建高废钢比转炉熔炼多尺度模型，核心为包含原料输入、物质平衡与能量平衡三模块的质量–能量平衡模型，守恒关系满足∑M_in=∑M_out与∑E_in=∑E_out，有效碳含量定义为固定碳含量与碳利用效率之积；同时采用自下而上LCA方法，系统边界覆盖原料获取至最终处置，过程CO₂排放按PCE=∑EF_iM_i?∑EF_jD_j核算，仅计含碳原料直接排放、无碳原料与能源间接排放及产品/副产抵免，排放因子参照政府数据库与典型工业实践交叉验证。

研究结果部分，引言指出高SR受熔池供热限制，既有文献缺BBCI操作变量参数化LCA；2.1节过程建模表明，BBCI通过底部喷嘴注入石墨/生物炭实现熔池热补偿，模型以有效碳参与碳氧平衡并同步算氧耗、CO/CO₂生成与反应热，SR提升时含碳吹入量由综合计算确定，ΔC_CO2、粉气比与有效碳含量为关键驱动；2.2节碳排放与能耗评估体系表明，LCA框架下转炉工序CE由直接/间接排放减副产抵免构成，BBCI将过程创新与生物质碳替代协同纳入核算。摘要级结论显示，ΔC_CO2由20%提至30%（40% SR）碳耗降27.76%，零碳生物质使转炉阶段CE达?10.68 kg CO₂/t钢，BF–转炉总CE降至1161 kg CO₂/t钢（较基线?29.59%）。

讨论与结论翻译：底部吹入含碳介质（BBCI）工艺为转炉高废钢比冶炼提供了熔池内热补偿新路径；ΔC_CO2是含碳介质消耗的主导控制因子，提升二次燃烧比可显著降本减碳；在统一质量–能量与LCA边界下，零碳生物质替代可实现转炉段负碳排放，BF–转炉全路线总碳排放较常规基线降低近三成；该研究首次将BBCI嵌入LCA框架，定量揭示了工艺参数–物料属性–废钢熔化能力–资源消耗–能量流–碳排放的传递关系，为工业界降低铁水比、提升能源利用与过程脱碳提供可实施的定量依据。