钢铁工业是国民经济的重要基础产业，也是实现 “双碳” 目标的关键领域。以农林废弃物为原料的生物炭，凭借绿色低碳、可持续循环的独特优势，成为替代化石碳源、推动钢铁行业深度脱碳的重要新材料。《世界金属导报》特别推出本专题，聚焦生物炭在高炉、转炉、电弧炉等冶炼流程中的创新应用，系统解析其制备工艺、性能特性与工业化实践，深入探讨低密度、高反应活性等技术瓶颈的破解路径，全面挖掘废弃生物质高值化利用潜力，为我国钢铁行业实现高效、绿色、低碳高质量发展提供前沿参考与实践指引。
生物炭的制备为钢铁行业践行循环经济理念提供了绝佳契机。通过利用木屑、农业废弃物等生物质废料生产生物炭，并将其应用于钢铁生产环节，不仅能降低废弃物与残渣的处理成本，还可优化资源利用效率，推动可持续经济模式发展。 钢铁行业对化石基碳源的依赖使其易受资源枯竭、价格波动引发的供应中断与行业波动影响。而将生物炭作为替代碳源纳入碳输入体系，能够显著增强行业对上述风险的抵御能力。 生物炭的物理化学特性直接影响钢铁生产过程的效率。与煤炭、焦炭相比，生物炭的挥发分（VM）含量更高，但其灰分（AC）含量更低、杂质更少，这些特性对炼铁过程十分有利。生物炭还具备吸收杂质的能力，可使反应更清洁，有效降低熔融金属中部分杂质的含量。这种净化作用不仅能提升钢的品质，还能优化加工流程。此外，生物炭的应用可改善反应动力学与工艺条件，进而减少电弧炉的能源消耗——因为反应更高效、更迅速时，仅需更低的能量投入即可达到预期效果。这将降低吨钢能耗，从而削减生产成本。 生物炭在多项性质上与煤炭、焦炭存在显著相似性，使其成为钢铁冶炼过程中极具吸引力的替代品，这些相似性详见表1。 通常，生物炭的含水量（MC）为1%-5%，处于焦炭含水量（1%-10%）的范围内，且明显低于煤炭（10%-15%）。低含水量可保障燃烧效率，减少加工过程中的能量损失。其挥发分（VM）含量约为10%-12%，高于焦炭（1%-2%），但低于煤炭（15%-30%）。适中的挥发分含量可提升生物炭的可燃性与能量产出。此外，生物炭的固定碳（FC）含量较高，为85%-87%，与焦炭（85%-88%）相近，且显著高于煤炭（50%-55%）。较高的固定碳含量可确保稳定的能源供应，助力钢铁制造过程中的高效还原反应。如表1所示，生物炭的灰分（AC）含量较低，约为1%-2%，显著低于煤炭（10%）和焦炭（8%-12%）。极低的灰分率可减少生产过程中的杂质与残留物，有助于实现更清洁、高效的生产。生物炭的矿物质含量相对较低，范围在1%-2%之间，低于焦炭（8%-12%）和煤炭（10%）。较低的矿物质含量有助于提升生物炭在工业应用中的纯度与质量。 此外，生物炭的堆积密度为180-240kg/m3，低于煤炭（800-850kg/m3）和焦炭（400-500kg/m3）。尽管较低的堆积密度可能对运输与装卸环节带来一定影响，但在孔隙率与反应性方面却具有明显优势。生物炭的高位热值（HHV）为30-32MJ/kg，与焦炭（30MJ/kg）相近，且高于煤炭（23-28MJ/kg），这一较高的热值体现了其高能量特性，使其成为钢铁制造过程中高效的燃料来源。生物炭的孔隙率约为58%，显著高于煤炭（10%）和焦炭（2%）。这种高孔隙率为还原剂与铁氧化物的接触提供了充足的表面积，从而促进反应动力学的提升。同时，生物炭的表面能够吸附二氧化碳、一氧化碳等气体，进一步增强其在还原过程中的反应活性。此外，生物炭的比表面积约为113m2/g，远高于煤炭和焦炭（均为4m2/g）。 生物炭与煤炭在轧制加工方面均满足标准要求，这使其易于加工且可兼容现有基础设施。生物炭与煤炭的运输成本均处于中等水平，反映出两者在物流配送环节具有类似的考量；相比之下，焦炭因堆积密度较高，运输成本通常较低。 3.1 生物炭在焦化工序中的应用 在高炉炼铁过程中，焦炭发挥着至关重要的作用。在高炉内，焦炭的主要作用是提供燃料，以产生化学反应及熔化所需的热能，同时作为还原剂与碳化剂。此外，它还能为含铁炉料提供支撑介质，形成可供液态炉渣与铁水流通的多孔结构。 在煤混合物中添加15%的生物炭，可生产出质量合格的焦炭。流动性是衡量焦炭质量的关键指标，它反映了煤形成可塑相的能力，其数值范围为1-5000ddpm。由于生物炭在热解过程中不会转变为塑性相，因此将其与煤混合时，通常会降低体系的最大流动性。 生物炭的热分解温度与煤相近，发生在从半焦到焦炭的转变阶段。在熔化过程中，生物炭相对不发生反应，但能起到粘结各种可塑相的关键作用；其加入煤混合物会影响焦炭基质的形成与稳定性。 焦炭强度通过落下强度试验和转鼓强度试验评定，反应后强度则采用焦炭反应后强度（CSR）指标测定，该指标与焦炭反应性指数（CRI）相关联。较高的CSR值有助于提升焦炭的耐久性、气体与液体的渗透性及生产效率，从而减少高炉中焦炭的直接消耗量。高炉对CRI和CSR的要求通常分别为20-30和58-65。将生物炭加入煤混合物会影响焦炭的反应性，其反应性通常随生物炭含量的增加而提高。不过，一项研究显示，添加高达5%的松木锯末炭可将CRI值控制在30以下，而添加1%-5%的栗木或松木锯末炭则会导致CRI值上升、CSR值下降。若要满足工业上CRI和CSR的可行范围，生物炭的添加量需低于2%。 3.2 生物炭在烧结工序中的应用 在铁矿石烧结过程中，通常配加3%-5%的焦粉，并搭配白云石、石灰石、二氧化硅等熔剂制备烧结球团。生物炭燃料可部分替代焦粉，但因其孔隙率和比表面积较高、反应活性更强，可能对烧结过程及产品质量产生影响。Ooi等人研究了向日葵壳炭对烧结用焦炭的替代效果，测试多种生物炭作为烧结燃料后发现，木炭的应用表现较为理想。用生物炭替代焦炭可加快烧结速度，但会降低产量和生产效率，尤其在替代比例较高时。此外，生物炭会降低烧结料的体积密度，使燃烧温度更快达到峰值，并导致高炉内燃烧和烧结区域变窄，进而造成烧结强度下降。因此，生物炭在铁矿石烧结中的占比通常限制在25%以下。 3.3 生物炭在炼铁工序中的应用 关于生物炭在高炉中的喷吹研究，主要聚焦于物料处理和研磨特性。Gil等人针对240-300℃条件下栗木、杨木和松木生物炭的可研磨性展开研究，发现处理温度越高、停留时间越长，生物炭的可研磨性越佳；其中松木生物炭的表现与煤炭相近，因此在混合物料中添加该生物炭不会产生不良影响。Pohlmann等人对比了不同温度下压缩桉树生物炭与高炉喷吹常用煤粉（挥发分含量相近）的可燃性，结果显示生物炭的燃尽率高于煤炭。工业试验与模型分析表明，向高炉喷吹粉状生物炭颗粒可显著减少二氧化碳排放，但用生物炭替代煤炭可能会增加运营成本。 3.4 生物炭在炼钢工序中的应用 生物炭在电弧炉中的应用比在高炉中更为直接，这得益于电弧炉的批量生产模式和较快的周转速度。生物炭可单独或与焦炭混合用作炉渣发泡剂。固定碳（FC）、活性碳（AC）、挥发分（VM）、热值及反应活性是生物炭在钢铁制造中的关键参数。高反应活性的生物炭能增强炉渣发泡效果，但可能需要压制成块以确保足够的碳转移至炉渣中。工厂试验表明，使用生物炭细粉不会对钢的质量或炉渣发泡产生负面影响，但由于生物炭燃烧速度快，铁液渗碳效果并不理想。电弧炉的工业规模试验显示，生物炭应用下的炉渣和金属质量与煤炭应用时无显著差异；不过试验过程中也观察到一些问题，如低密度粉末散落、火焰辐射集中，且由于生物炭的渗透作用，熔渣泡沫化程度较为有限。 澳大利亚主要钢铁企业——阿瑞姆钢铁与博思格钢铁，联合联邦科学与工业研究组织（CSIRO）参与奥地利钢铁工业二氧化碳突破计划，开发出两项关键技术：铁矿石冶炼用生物炭及加热回收干炉渣造粒技术。这些技术的实验室试验已取得令人鼓舞的二氧化碳减排效果。通过生物炭替代煤基焦炭，低碳钢铁生产成为可能。澳大利亚的资源条件可支撑生物炭年产量达100万吨，且成本与煤炭/焦炭相当。通过高炉风口注入等方式，有望实现32%-58%的显著二氧化碳减排。不过，澳大利亚丰富的炼焦煤资源及其相对生物炭的成本优势，构成了生物炭推广的挑战。 在高炉炼铁中用生物炭替代煤炭/焦炭具有多重优势，包括减少二氧化碳排放、降低炉渣产量及提升生铁质量。研究显示，使用特定特性的生物炭（体积质量＜10%、粒度＜1mm、密度＞700kg/m3），可使炼焦过程二氧化碳排放量减少1%-5%；替代高炉烟煤时，采用体积质量＜7%、密度＞700kg/m3、粒度20-25mm的生物炭，预计可减排3%-7%；在铁矿石烧结环节，使用体积质量低、密度＞700kg/m3、粒度0.3-3mm的生物炭，可实现5%-15%的减排；而作为高炉注入剂时，体积质量10%-20%、灰分＜5%且碱含量低的生物炭，有望达成19%-25%的减排效果。 Meng等人针对某钢铁厂碳排放展开研究，结果表明：高炉-转炉（BF-BOF）工艺路线的全球变暖潜能值（GWP100）高于电弧炉（EAF）工艺路线——每生产1t粗钢，BF-BOF路线排放2tCO2e，EAF路线仅为0.1t。BF-BOF路线排放较高的原因在于工序更复杂、材料投入更多，尤其是自产焦炭的使用。EAF路线以电力驱动，尽管间接用电产生的温室气体排放较高（6kgCO2e/t粗钢），但总排放量仍低于BF-BOF路线（1kgCO2e/t粗钢）。BF-BOF工艺的排放主要来自高炉（占GWP100的72%），其中二氧化碳是主要温室气体（占99%），这主要源于化石燃料（焦炭与煤炭）的消耗。尽管存在排放问题，焦炭与煤炭仍是钢铁生产不可或缺的原料。对于长期低碳转型，Meng等人建议推广电弧炉工艺。 不同类型生物炭的减排能力存在差异。GWP100的变化趋势与二氧化碳排放趋势相似，甲烷和氧化亚氮对GWP100影响相对较小。其中，稻草基生物炭的GWP100排放量为0.4tCO2e/t生物炭，高于木材基生物炭的0.1tCO2e/t生物炭。尽管秸秆基生物炭因生物气产量较高可多产生约1MWh的电能，但其碳抵消效果并不显著。若采用可收集并回用生物气供暖的现代生物炭生产设备，更有利于木质生物炭的应用——此时木质生物炭的二氧化碳减排量约为-0.5tCO2e/t生物炭，秸秆基生物炭的减排量同样约为-0.5tCO2e/t生物炭。 木质生物炭因木质素结构具有更高的碳密度，生产效率更优。因此，在钢铁生产全流程中，木质生物炭的减排效果比秸秆基生物炭更为显著。 Meng等人进一步分析了中国与欧盟排放交易体系（ETS）的碳排放交易价格：2021年中国碳排放交易的平均价格为0.04元/kgCO2e，远低于欧盟ETS的0.4元/kgCO2e。由于生物炭价格高于煤炭和焦炭，其在钢铁行业的应用受到抑制——中国钢铁用炼焦煤与煤炭的成本约为1322元/t，而木质生物炭、稻草基生物炭的成本分别为3500元/t、3787元/t。研究显示，在无排放交易体系的情况下，生物炭替代方案缺乏经济优势；引入中国排放交易体系后，6种减排方法具备经济效益，但未包含生物炭方案；而在欧盟排放交易体系下，由于监管更严格、碳价更高，12种技术（含2种生物炭替代方案）具有经济优势。研究报告指出，木质基生物炭因成本更低、温室气体减排量更高，经济表现优于稻草基生物炭；炼焦环节使用生物炭的方案在经济上不可行，而烧结环节使用木质基生物炭曾是最经济的选择，2021年该方案实现了201万吨二氧化碳当量的减排。 将生物炭纳入现有工业流程虽为创新与可持续发展创造了诸多机会，但在技术准备度、准入门槛及适应性等方面仍需克服诸多障碍。生物炭在钢铁工业中的技术成熟度、进入壁垒与适应性挑战总结见表2，生物炭在钢铁工业生产与使用过程中面临的挑战及潜在解决方案则列于表3。 钢铁生产领域面临的资金壁垒源于生物炭生产的高能耗，以及生物炭在生产、加工与运输环节的成本压力。这些壁垒也对煤炭向生物基燃料的转型进程产生影响。Mathieson等人强调，建立与生物质收集、转化及交付环节相匹配的等效供应链至关重要。不过，使用生物质制成的木炭在降低钢铁生产温室气体排放方面具有显著潜力。 要实现生物炭在现有钢铁工业流程中的成功应用，需攻克监管、物流与技术层面的多重障碍。技术挑战包括维持生物炭质量的稳定性，以及优化热解技术以提升生物炭的生产效率。
