供稿：同丹，清华大学（本文版权归作者所有，如需转载请联系作者。）
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。近几十年来，城市化和工业化进程导致全球钢铁需求激增，推动全球范围内新建大量钢铁生产设施，对全球钢铁行业减排带来巨大挑战。目前钢铁行业排放主要来自于长流程炼钢工艺，其工序繁复，涉及多个排放环节，减排技术尚不成熟。因此，钢铁行业是公认的最难减排部门之一，其排放特征及减排路径是碳中和研究领域高度关注的前沿问题。
2023年9月20日，清华大学关大博教授课题组、同丹助理教授课题组和张强教授课题组开展合作研究，以背靠背论文形式分别在Nature和Nature Climate Change在线发表了题为Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon neutrality pathways和Plant-by-plant decarbonization strategies for global steel industry的文章，在自主研发的全球钢铁行业设施级别碳排放数据库基础上，详细剖析了全球钢铁行业碳排放特征，构建了全球钢铁行业逐厂级脱碳策略，提出了高度差异化的全球钢铁行业碳中和路径。
研究首先搜集整理了包含炼焦、烧结、球团、炼铁和炼钢等主要工序的全球钢铁行业设施级别基础信息，通过构建排放动态表征算法，建立了包含一万多个设施的全球钢铁行业碳排放数据库。在此基础上，研究发现全球不同国家的钢铁行业设施在规模、技术、服役年限和碳排放方面存在巨大差异。钢铁厂的能源消耗效率往往随着运营寿命的增长而不断下降，全球有43%的钢铁厂通过升级、加装装置进行了改造，以达到提升能效和延长运营寿命的目的。改造时间节点与设施技术水平和老化程度相关，一般在设施服役 15-25 年之后（即改造窗口期）。从生产工艺角度分析，燃煤高炉-氧气顶吹转炉长流程工艺的二氧化碳排放量占全球钢铁行业碳排放总量的70%以上，这一工艺流程的低碳转型是实现全球钢铁行业碳中和的关键。
图1. 2019年全球钢铁厂分布及其服役年限-产能比例和碳排放强度异质性
在排放特征精细分析基础上，研究设计出碳排放强度（定义为单位粗钢产量的碳排放）和服役年限-产能比（定义为钢铁厂设备平均服役年限和粗钢产能的比例）两个靶向指标，分别从减排潜力和经济性两方面出发识别长流程钢铁厂的脱碳优先序，对逐个钢铁厂的脱碳潜力和成本效益进行了精细化评估，揭示出全球和重点区域兼顾减排“量”与“效”的厂级脱碳策略。
研究发现，发展中国家钢铁厂平均能耗较高，采用碳排放强度指标确定脱碳优先序可实现更高减排潜力，而发达国家钢铁厂平均服役年限较长，采用服役年限-产能比指标则更有效。在发展中国家，能效提升和短流程改造的成本接近，近期可优先考虑能效提升，中长期逐步推动短流程改造。而发达国家钢铁厂的能效水平较高，能效提升减排潜力较小，短流程改造的减排成本显著低于能效提升，应将短流程改造作为主要脱碳策略。由于淘汰老旧工厂无需承担搁浅资本，进一步考虑过剩产能优先淘汰可显著提升脱碳成本效益。通过综合服役年限-产能比和碳排放强度两个靶向指标，研究提出了成本效益最高的全球钢铁行业厂级脱碳策略。
研究提出，及早推广低碳和零碳技术是实现全球钢铁工业深度减排的关键。全球钢铁行业如按现状运营，其2020-2050年间的累积二氧化碳排放将高达1063亿吨。如在设施改造窗口期期间对其进行低碳和零碳技术升级，2020-2050年间全球钢铁行业累积碳排放将减少到477亿吨。如在设施改造窗口期之前五年进行技术升级，全球钢铁行业2020-2050年累积碳排放将进一步减少到368亿吨。
图2. 不同减排情景和脱碳策略组合下全球钢铁厂2020~2050年间累计二氧化碳排放量，以及其与2°C 和 1.5°C 温控目标下的剩余二氧化碳排放预算对比。
研究成果表明开展“一厂一策”靶向治理是实现全球钢铁行业低碳转型的关键，为下一步制定全球钢铁行业减排路线图提供了重要科学依据。
清华大学地球系统科学系博士生雷天扬和徐若翀分别为两篇论文的第一作者，关大博教授和同丹助理教授分别为两篇论文的通讯作者。论文主要合作者包括清华大学地球系统科学系张强教授，清华大学环境学院教授、碳中和研究院院长贺克斌院士。
Nature | DOI: 10.1038/ s41586-023-06486-7
Nature Climate Change | DOI: 10.1038/ s41558-023-01808-z
扫码查看论文原文Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon-neutrality pathways
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