全球鋼鐵廠二氧化碳排放和碳中和途徑

鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放量約占全球工業(yè)排放總量的25%，是工業(yè)部門中碳排放最高的行業(yè)。鋼鐵行業(yè)因其能源供應(yīng)、生產(chǎn)工藝、減排技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求的復(fù)雜多樣性，不存在簡(jiǎn)單、統(tǒng)一、普適的減排模式。盡管文獻(xiàn)已在國(guó)家和全球?qū)用鎸?duì)鋼鐵行業(yè)的脫碳潛力進(jìn)行討論，但尚未充分考慮全球鋼鐵廠在運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)和排放特征上的異質(zhì)性。因此，CEADs團(tuán)隊(duì)關(guān)大博教授課題組構(gòu)建了全球鋼鐵行業(yè)設(shè)施級(jí)別的碳排放數(shù)據(jù)庫，從設(shè)施層面研究了全球鋼鐵行業(yè)碳排放模式，提出了工廠級(jí)層面、高度差異化的全球鋼鐵行業(yè)碳中和路徑。相關(guān)成果以“Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon neutrality pathways”為題發(fā)表于Nature期刊。

 

研究首先搜集整理了包含主要工序的全球鋼鐵行業(yè)設(shè)施級(jí)別基礎(chǔ)信息，構(gòu)建了全球鋼鐵廠的二氧化碳排放清單，建立了包含一萬多個(gè)設(shè)施的全球鋼鐵行業(yè)碳排放數(shù)據(jù)庫，將全球鋼鐵行業(yè)排放表征能力從區(qū)域和行業(yè)尺度提升到單個(gè)設(shè)施和工序尺度。其次，結(jié)合情景假設(shè)和CGE模型預(yù)測(cè)未來鋼鐵產(chǎn)量。具體而言，根據(jù)不同鋼鐵工廠的改造路線、最近一次改造年份、平均運(yùn)營(yíng)壽命、潛在低碳技術(shù)、低碳技術(shù)采用的時(shí)間窗口、改造的次數(shù)、采用低碳技術(shù)的國(guó)家的順序、實(shí)際改造年份共8個(gè)變量制定了共360個(gè)不同情景；根據(jù)各工廠粗鋼產(chǎn)能占全國(guó)粗鋼產(chǎn)能的比重自上而下建模構(gòu)建了CGE模型，預(yù)測(cè)了2020-2050年全球工廠級(jí)別的粗鋼產(chǎn)量。

 

本文探索影響鋼鐵廠減排潛力的關(guān)鍵因素，從生產(chǎn)工藝、年齡結(jié)構(gòu)和脫碳技術(shù)幾個(gè)維度分析全球鋼鐵廠的排放模式。研究發(fā)現(xiàn)，目前鋼鐵產(chǎn)能大部分來自高爐-轉(zhuǎn)爐（BF-BOF）長(zhǎng)流程生產(chǎn)工藝，應(yīng)用此技術(shù)的鋼鐵廠主要來自中國(guó)、日本和印度，分別占全球粗鋼產(chǎn)量的49.4%、3.9%和2.8%。鋼鐵廠的能源效率隨著廠齡上升而下降。全球43.2%的鋼鐵廠通過升級(jí)裝置和整合新技術(shù)進(jìn)行了改造，以延長(zhǎng)其服役壽命。新興地區(qū)如中國(guó)和印度的鋼鐵廠平均廠齡相對(duì)較新，分別為15.2和18.2年；而先進(jìn)地區(qū)如歐盟、日韓及北美鋼鐵廠的平均廠齡較老，分別為26.5、27.4和22.6年。不同地區(qū)鋼鐵廠的改造窗口期因其廠齡和生產(chǎn)工藝而異，研究通過優(yōu)化每個(gè)工廠改造的時(shí)間和方式，分析了三種不同情景下（即默認(rèn)改造情景、提前5年改造情景和延遲5年改造情景）2020-2050年工廠層面的短期和長(zhǎng)期減碳途徑。總體而言，提前改造工廠可以促進(jìn)鋼鐵行業(yè)大規(guī)模減排。在默認(rèn)改造低碳情景下，2020年至2050年全球累計(jì)減碳58.7 Gt。然而，通過提前 5 年改造工廠減排量可達(dá) 16%（69.6Gt）延遲5年改造工廠將導(dǎo)致全球減排量減少16%（49.1Gt），從而對(duì)實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》下的1.5°C溫控目標(biāo)構(gòu)成潛在威脅。新興地區(qū)和煤基高爐-轉(zhuǎn)爐（BF-BOF）生產(chǎn)工藝將成為鋼鐵行業(yè)碳減排的重點(diǎn)。隨著廢鋼利用率增加和深度脫碳技術(shù)的進(jìn)步，新興地區(qū)如中國(guó)和印度將對(duì)全球鋼鐵行業(yè)碳減排貢獻(xiàn)巨大，總減排量的84%將來自這些地區(qū)。2020至2050年全球減排量貢獻(xiàn)最大的是煤基高爐-轉(zhuǎn)爐（BF-BOF）生產(chǎn)工藝，占全球減排總量的74%。

 

本文綜合考慮鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)工藝、運(yùn)行年齡和地區(qū)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，首次探索了全球鋼鐵行業(yè)工廠級(jí)低碳發(fā)展路徑。研究成果為評(píng)估各種低碳策略對(duì)鋼鐵行業(yè)的減排潛力提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)“一刀切”的方法不足以實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)深度脫碳，表明“因地制宜”的靶向性治理對(duì)全球鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義。

 

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.