全球钢铁厂二氧化碳排放和碳中和途径

钢铁行业二氧化碳排放量约占全球工业排放总量的25%，是工业部门中碳排放最高的行业。钢铁行业因其能源供应、生产工艺、减排技术和社会经济需求的复杂多样性，不存在简单、统一、普适的减排模式。尽管文献已在国家和全球层面对钢铁行业的脱碳潜力进行讨论，但尚未充分考虑全球钢铁厂在运营特点和排放特征上的异质性。因此，CEADs团队关大博教授课题组构建了全球钢铁行业设施级别的碳排放数据库，从设施层面研究了全球钢铁行业碳排放模式，提出了工厂级层面、高度差异化的全球钢铁行业碳中和路径。相关成果以“Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon neutrality pathways”为题发表于Nature期刊。

 

研究首先搜集整理了包含主要工序的全球钢铁行业设施级别基础信息，构建了全球钢铁厂的二氧化碳排放清单，建立了包含一万多个设施的全球钢铁行业碳排放数据库，将全球钢铁行业排放表征能力从区域和行业尺度提升到单个设施和工序尺度。其次，结合情景假设和CGE模型预测未来钢铁产量。具体而言，根据不同钢铁工厂的改造路线、最近一次改造年份、平均运营寿命、潜在低碳技术、低碳技术采用的时间窗口、改造的次数、采用低碳技术的国家的顺序、实际改造年份共8个变量制定了共360个不同情景；根据各工厂粗钢产能占全国粗钢产能的比重自上而下建模构建了CGE模型，预测了2020-2050年全球工厂级别的粗钢产量。

 

本文探索影响钢铁厂减排潜力的关键因素，从生产工艺、年龄结构和脱碳技术几个维度分析全球钢铁厂的排放模式。研究发现，目前钢铁产能大部分来自高炉-转炉（BF-BOF）长流程生产工艺，应用此技术的钢铁厂主要来自中国、日本和印度，分别占全球粗钢产量的49.4%、3.9%和2.8%。钢铁厂的能源效率随着厂龄上升而下降。全球43.2%的钢铁厂通过升级装置和整合新技术进行了改造，以延长其服役寿命。新兴地区如中国和印度的钢铁厂平均厂龄相对较新，分别为15.2和18.2年；而先进地区如欧盟、日韩及北美钢铁厂的平均厂龄较老，分别为26.5、27.4和22.6年。不同地区钢铁厂的改造窗口期因其厂龄和生产工艺而异，研究通过优化每个工厂改造的时间和方式，分析了三种不同情景下（即默认改造情景、提前5年改造情景和延迟5年改造情景）2020-2050年工厂层面的短期和长期减碳途径。总体而言，提前改造工厂可以促进钢铁行业大规模减排。在默认改造低碳情景下，2020年至2050年全球累计减碳58.7 Gt。然而，通过提前 5 年改造工厂减排量可达 16%（69.6Gt）延迟5年改造工厂将导致全球减排量减少16%（49.1Gt），从而对实现《巴黎协定》下的1.5°C温控目标构成潜在威胁。新兴地区和煤基高炉-转炉（BF-BOF）生产工艺将成为钢铁行业碳减排的重点。随着废钢利用率增加和深度脱碳技术的进步，新兴地区如中国和印度将对全球钢铁行业碳减排贡献巨大，总减排量的84%将来自这些地区。2020至2050年全球减排量贡献最大的是煤基高炉-转炉（BF-BOF）生产工艺，占全球减排总量的74%。

 

本文综合考虑钢铁行业生产工艺、运行年龄和地区经济技术发展状况，首次探索了全球钢铁行业工厂级低碳发展路径。研究成果为评估各种低碳策略对钢铁行业的减排潜力提供坚实的数据基础，同时也强调“一刀切”的方法不足以实现钢铁行业深度脱碳，表明“因地制宜”的靶向性治理对全球钢铁行业低碳转型具有重要意义。

 

原文信息：Lei, T., Wang, D., Yu, X., Ma, S., Zhao, W., Cui, C., Meng, J., Tao, S. and Guan, D., 2023. Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon-neutrality pathways. Nature, pp.1-7.