在全球碳中和的浪潮下，歐洲面臨產業的三難：在實現氣候中和的同時，確保其戰略自主權和產業競爭力。冶金工業作為歐洲工業的支柱，每年消耗約50萬至60萬噸冶金煤。該產業的二氧化碳排放量約佔歐盟溫室氣體排放總量的8%。因此，該產業的脫碳是實現歐洲氣候目標的關鍵。在此背景下，生物炭作為一種可再生碳源，在歐洲冶金工業中展現出獨特的價值和巨大的潛力。
生物炭的生產與應用
生物炭是透過對永續生物質進行受控熱解而產生的，其透過土壤應用去除碳的潛力已獲得認可。近年來，其工業應用不斷擴展，尤其是在鋼鐵和金屬冶煉領域。生物炭已成為工業製程中可靠的煤炭替代品。它滿足冶金工業對元素碳的化學和結構要求，同時從源頭減少化石碳排放。
作為還原劑的作用
- 提高冶金品質： 生物炭作為還原劑，能有效促進礦石中鐵、鋁、銅、鋅等金屬氧化物的還原，進而提高產品品質及純度，減少雜質。
- 減少碳排放： 與傳統焦炭相比，生物炭在還原過程中釋放的二氧化碳更少，燃燒更清潔，從而顯著減少冶煉過程中的碳排放，減輕溫室氣體的影響。
作為再生能源的作用
- 減少化石燃料的使用： 在冶金業，生物炭可以部分或全部取代煤和焦炭，作為冶煉、加熱和熔爐操作中的高溫燃料，從而減少對不可再生能源的依賴。
- 支持碳中和： 生物炭源自永續生物質，在使用過程中會釋放一定量的碳。它可以作為碳中和策略的一部分，幫助各行各業實現減排目標。
生物炭在歐洲煉鋼的應用：全鏈脫碳
矽
矽在光伏電池、半導體、高性能合金和有機矽中發揮核心作用。在歐洲，傳統的矽冶煉依賴進口硬煤，而硬煤的固定碳含量相對較低，約55%，且反應性不如生物炭。因此，
- 生產1.6噸矽通常需要1噸煤，而1.1噸優質生物炭就足夠了。
- 以生物炭取代煤炭可以將直接二氧化碳排放量從 4.5 噸二氧化碳/噸矽減少到 0.5 噸二氧化碳/噸矽。
目前，歐洲的矽生產仍依賴進口木炭和煤炭，這種模式無法持續。發展在地化的現代化生物炭生產可以保障供應，降低上游排放，並鞏固歐洲在全球低碳冶金市場的地位。
鐵合金
歐洲鐵合金產業是歐洲大陸冶金價值鏈的核心，為鋼鐵和鑄造業提供矽鐵、矽錳、錳鐵和鉻鐵等關鍵投入。這些合金在鋼鐵精煉過程中發揮獨特的作用，包括脫氧、脫硫和增強特定材料性能。所有合金在高溫電弧爐冶煉過程中都需要使用碳基還原劑。這使得該產業與利用生物炭減少化石排放尤為相關。
| 鐵合金 （名稱） |
化石參考資料數據 | 生物炭替代材料數據 | 生物炭替代電台 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 類型 | 價格（歐元/噸） | 消費 | 類型 | 替代率 | 消費 | 2030 | 2040 | 2050 | |
| 矽鐵 | 洗選煤 | 350 | 1,2 | 塊 | 0,71 | 0,85 | |||
| 矽錳 | 可樂 | 340 | 0,47 | 煤球/塊狀 | 1,11 | 0,52 | |||
| 錳鐵 | 可樂 | 340 | 0,462 | 煤餅 | 1,2 | 0,55 | |||
| 鉻鐵 | 可樂 | 340 | 0,511 | 煤餅 | 1,2 | 0,61 | |||
鋼鐵
鋼鐵是現代經濟的基石。元素碳在所有鋼鐵生產過程中依然至關重要。生物炭作為一種可再生、活性的碳載體，支持過渡和未來製程鏈中的脫碳，如下所述。預計到620,000年，歐洲鋼鐵業對生物炭的需求將達到2030萬噸，到4.1年將增加約2050萬噸，並在隨後幾年保持穩定。
路線1：高爐-鹼性氧氣轉爐（BF-BOF）-過渡用例
在逐步淘汰傳統BF-BOF製程路線的過渡階段（至2050年），生物炭可以透過三種方式促進減排：
- 可樂替代品： 生物焦仍處於開發階段，替代潛力有限，但可以為產業提供寶貴的過渡時間。
- 可樂微風替代品： 燒結每生產一噸鋼需消耗50公斤焦粉，可依1：1的比例直接以生物炭取代。
- 煤粉噴射替代： 透過對植物進行微小的改造，生物炭幾乎可以立即以 1:1 的替代比例大量應用。
路線二：電弧爐煉鋼：優先考慮早期替代
在未來主流的電爐路線中，生物炭將扮演更關鍵的角色：
- 支援基於廢料的電弧爐操作： 此類電弧爐每噸鋼需要12至24公斤碳，以確保電弧穩定性、能源效率和爐渣控制。生物炭因其低灰分和高反應性而特別具有吸引力。
- 支持氫能煉鋼： 氫基直接還原鐵也必須在電弧爐中熔煉，但碳需求增加30-40公斤/噸。除了上述功能外，生物炭還能最大限度地提高鐵產量和製程效率。
生物炭的品質及其在冶金中的應用
為了滿足冶金製程的嚴格操作要求，生物炭必須達到較高的固定碳含量（>75%），並在多個物理和化學參數中保持穩定的品質。生物炭通常具有較低的灰分含量以及較低的硫、鐵、磷、硼等微量元素含量，這使其成為一種優勢。在粒度、密度和機械強度方面，生物炭可以根據不同用途的特定需求進行設計或燒結。
| 產品分類 | 產品說明 | 尺寸 | FC（％） | 應用情境 |
|---|---|---|---|---|
| 生物碳塊 | Si/FeSi 反應性高 | 10–60毫米 | 80-82％ | 矽/矽鐵 |
| 中等揮發性 | 10–60毫米 | 82-85％ | 鐵合金，電弧爐（半開放式） | |
| 封閉式爐 | 10–60毫米 | > 85％ | 鐵合金，電弧爐（已關閉） | |
| 生物炭細粉 | 用於注射或團聚 | 3–8毫米 | 80-90％ | 電爐、高爐、噴吹 |
| 煤球 | 滾壓或沖壓 | 多樣看板 | 75-85％ | 常規流程 |
| 小球 | 用黏合劑擠壓 | <20毫米 | 75-85％ | 專為製程相容性設計 |
| 擠壓塊 | 高密度工程格式 | > 20毫米 | > 85％ | 閉式爐鐵合金 |
| 電子可樂 | 生物炭-無菸煤混合物 | 多樣看板 | > 85％ | 電爐/高爐/轉爐轉型 |
| H-焦炭 | 可口可樂與生物炭份額 | 多樣看板 | > 85％ | 與傳統可樂混合 |
歐洲生物炭需求前景
歐洲冶金產業對生物炭的需求正進入快速成長階段。這種成長不會自動發生。為了充分發揮生物炭的潛力，歐洲必須立即採取行動，驗證其用途，簡化監管途徑，並支持工業規模生產的投資。整體而言，到2040年，生物炭產能需要達到 20.6百萬噸 滿足冶金產業對再生碳的需求，產生的淨碳效應相當於 400億噸二氧化碳 （即生物炭的循環碳效益）。下圖總結了所有工業應用的預測，包括矽和鐵合金、鋼鐵（高爐-轉爐和電爐路線），以及其他冶金和化學過程以及負責任的碳使用。
結語
生物炭在歐洲冶金產業的應用，不僅是一次技術替代，更是產業範式轉變，旨在將回收和氣候友善的碳排放機制制度化，使其成為歐洲產業政策的基石，對未來的永續發展具有深遠而持久的意義。