清華新聞網9月21日電 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%，是全球工業(yè)部門中碳排放最高的行業(yè)。近幾十年來，城市化和工業(yè)化進程導致全球鋼鐵需求激增，推動全球范圍內新建大量鋼鐵生產設施，對全球鋼鐵行業(yè)減排帶來巨大挑戰(zhàn)。目前鋼鐵行業(yè)排放主要來自于長流程煉鋼工藝，其工序繁復，涉及多個排放環(huán)節(jié)，減排技術尚不成熟。因此，鋼鐵行業(yè)是公認的最難減排部門之一，其排放特征及減排路徑是碳中和研究領域高度關注的前沿問題。
面向這一重大前沿問題，在國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體 “大氣成分變化及氣候環(huán)境影響” 項目支持下，清華大學地球系統(tǒng)科學系（以下簡稱“地學系”）關大博教授課題組、同丹助理教授課題組和張強教授課題組開展合作研究，基于自主研發(fā)的全球鋼鐵行業(yè)設施級別碳排放數(shù)據(jù)庫，詳細剖析了全球鋼鐵行業(yè)碳排放特征，構建了全球鋼鐵行業(yè)逐廠級脫碳策略，提出了高度差異化的全球鋼鐵行業(yè)碳中和路徑。相關成果分別以“全球鋼鐵廠二氧化碳排放與碳中和路徑”（Global iron and steel plant CO2emissions and carbon neutrality pathways）和“全球鋼鐵行業(yè)工廠級脫碳策略”（Plant-by-plant decarbonization strategies for global steel industry）為題，于9月20日以背靠背論文形式分別在《自然》（Nature）和《自然·氣候變化》（Nature Climate Change）在線發(fā)表。
在這一研究中，團隊首先搜集整理了包含煉焦、燒結、球團、煉鐵和煉鋼等主要工序的全球鋼鐵行業(yè)設施級別基礎信息，在此基礎上構建排放動態(tài)表征算法，自主研發(fā)了包含一萬多個設施的全球鋼鐵行業(yè)碳排放數(shù)據(jù)庫，將全球鋼鐵排放表征能力從區(qū)域和行業(yè)尺度提升到單個設施和工序尺度（圖1）。在此基礎上，研究發(fā)現(xiàn)全球不同國家的鋼鐵行業(yè)設施在規(guī)模、技術、服役年限和碳排放方面存在巨大差異。例如，中國以燃煤高爐-氧氣頂吹轉爐（Coal BF-BOF）為主，平均碳排放強度約為1.6（t CO2/t粗鋼，下同），低于全球平均水平（1.7）；而印度鋼鐵行業(yè)主要以燃煤高爐-氧氣頂吹轉爐和煤基直接還原工藝（Coal-based DRI）為主，平均碳排放強度分別為2.3和2.7。
圖1. 2019年全球鋼鐵廠二氧化碳排放、服役年限-產能比和碳排放強度
研究指出，鋼鐵廠的能源消耗效率往往隨著運營壽命的增長而不斷下降，全球有43%的鋼鐵廠通過升級、加裝裝置進行了改造，以達到提升能效和延長運營壽命的目的。改造時間節(jié)點與設施技術水平和老化程度相關，一般在設施服役15-25 年之后（即改造窗口期）。從生產工藝角度分析，燃煤高爐-氧氣頂吹轉爐長流程工藝的二氧化碳排放量占全球鋼鐵行業(yè)碳排放總量的70%以上，這一工藝流程的低碳轉型是實現(xiàn)全球鋼鐵行業(yè)碳中和的關鍵。
在排放特征精細分析基礎上，研究設計出碳排放強度（定義為單位粗鋼產量的碳排放）和服役年限-產能比（定義為鋼鐵廠設備平均服役年限和粗鋼產能的比例）兩個靶向指標，分別從減排潛力和經濟性兩方面出發(fā)識別長流程鋼鐵廠的脫碳優(yōu)先序。針對長流程鋼鐵廠設計包括過剩產能淘汰、能效提升和短流程改造等多種脫碳方式，對逐個鋼鐵廠的脫碳潛力和成本效益進行了精細化評估，揭示出全球和重點區(qū)域兼顧減排“量”與“效”的廠級脫碳策略。
研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)展中國家鋼鐵廠平均能耗較高，采用碳排放強度指標確定脫碳優(yōu)先序可實現(xiàn)更高減排潛力，而發(fā)達國家鋼鐵廠平均服役年限較長，采用服役年限-產能比指標則更有效。在發(fā)展中國家，能效提升和短流程改造的成本接近，近期可優(yōu)先考慮能效提升，中長期逐步推動短流程改造。而發(fā)達國家鋼鐵廠的能效水平較高，能效提升減排潛力較小，短流程改造的減排成本顯著低于能效提升，應將短流程改造做為主要脫碳策略。由于淘汰老舊工廠無需承擔擱淺資本，在能效提升和短流程改造基礎上，進一步考慮過剩產能優(yōu)先淘汰可顯著提升脫碳成本效益。在上述分析基礎上，研究綜合服役年限-產能比和碳排放強度兩個靶向指標，提出了成本效益最高的全球鋼鐵行業(yè)廠級脫碳策略。
研究提出，及早推廣低碳和零碳技術是實現(xiàn)全球鋼鐵工業(yè)深度減排的關鍵。全球鋼鐵行業(yè)如按現(xiàn)狀運營，其2020-2050年間的累積二氧化碳排放將高達1063億噸。如在設施改造窗口期期間對其進行低碳和零碳技術升級，2020-2050年間全球鋼鐵行業(yè)累積碳排放將減少到477億噸。如在設施改造窗口期之前五年進行技術升級，全球鋼鐵行業(yè)2020-2050年累積碳排放將進一步減少到368億噸（圖2）。
圖2.不同低碳技術演進路徑下全球鋼鐵廠2020-2050年間累積二氧化碳排放
研究創(chuàng)新構建了全球鋼鐵行業(yè)設施級別碳排放數(shù)據(jù)庫，并在此基礎上提出了全球鋼鐵工業(yè)逐廠級脫碳策略與碳中和路徑。研究成果表明開展“一廠一策”靶向治理是實現(xiàn)全球鋼鐵行業(yè)低碳轉型的關鍵，為下一步制定全球鋼鐵行業(yè)減排路線圖提供了重要科學依據(jù)。研究建立的鋼鐵行業(yè)高分辨率排放數(shù)據(jù)庫可為開展全球全球鋼鐵行業(yè)碳排放核算、減排技術潛力評估、減排成本效益分析等相關研究工作提供數(shù)據(jù)基礎。
清華大學地學系博士生雷天揚和徐若翀分別為兩篇論文的第一作者，關大博教授和同丹助理教授分別為兩篇論文的通訊作者。研究得到了國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體項目和能源基金會的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06486-7
https://www.nature.com/articles/s41558-023-01808-z
供稿：地學系
題圖設計：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
