供稿：同丹，清華大學(xué)（本文版權(quán)歸作者所有，如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。）

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)。近幾十年來，城市化和工業(yè)化進(jìn)程導(dǎo)致全球鋼鐵需求激增，推動(dòng)全球范圍內(nèi)新建大量鋼鐵生產(chǎn)設(shè)施，對(duì)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(zhǎng)流程煉鋼工藝，其工序繁復(fù)，涉及多個(gè)排放環(huán)節(jié)，減排技術(shù)尚不成熟。因此，鋼鐵行業(yè)是公認(rèn)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(lǐng)域高度關(guān)注的前沿問題。

2023年9月20日，清華大學(xué)關(guān)大博教授課題組、同丹助理教授課題組和張強(qiáng)教授課題組開展合作研究，以背靠背論文形式分別在Nature和Nature Climate Change在線發(fā)表了題為Global iron and steel plant CO₂ emissions and carbon neutrality pathways和Plant-by-plant decarbonization strategies for global steel industry的文章，在自主研發(fā)的全球鋼鐵行業(yè)設(shè)施級(jí)別碳排放數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，詳細(xì)剖析了全球鋼鐵行業(yè)碳排放特征，構(gòu)建了全球鋼鐵行業(yè)逐廠級(jí)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。

研究首先搜集整理了包含煉焦、燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵和煉鋼等主要工序的全球鋼鐵行業(yè)設(shè)施級(jí)別基礎(chǔ)信息，通過構(gòu)建排放動(dòng)態(tài)表征算法，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。在此基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)全球不同國家的鋼鐵行業(yè)設(shè)施在規(guī)模、技術(shù)、服役年限和碳排放方面存在巨大差異。鋼鐵廠的能源消耗效率往往隨著運(yùn)營壽命的增長(zhǎng)而不斷下降，全球有43%的鋼鐵廠通過升級(jí)、加裝裝置進(jìn)行了改造，以達(dá)到提升能效和延長(zhǎng)運(yùn)營壽命的目的。改造時(shí)間節(jié)點(diǎn)與設(shè)施技術(shù)水平和老化程度相關(guān)，一般在設(shè)施服役 15-25 年之后（即改造窗口期）。從生產(chǎn)工藝角度分析，燃煤高爐-氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)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(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)全球鋼鐵行業(yè)碳中和的關(guān)鍵。

圖1. 2019年全球鋼鐵廠分布及其服役年限-產(chǎn)能比例和碳排放強(qiáng)度異質(zhì)性

在排放特征精細(xì)分析基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)出碳排放強(qiáng)度（定義為單位粗鋼產(chǎn)量的碳排放）和服役年限-產(chǎn)能比（定義為鋼鐵廠設(shè)備平均服役年限和粗鋼產(chǎn)能的比例）兩個(gè)靶向指標(biāo)，分別從減排潛力和經(jīng)濟(jì)性兩方面出發(fā)識(shí)別長(zhǎng)流程鋼鐵廠的脫碳優(yōu)先序，對(duì)逐個(gè)鋼鐵廠的脫碳潛力和成本效益進(jìn)行了精細(xì)化評(píng)估，揭示出全球和重點(diǎn)區(qū)域兼顧減排“量”與“效”的廠級(jí)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(qiáng)度指標(biāo)確定脫碳優(yōu)先序可實(shí)現(xiàn)更高減排潛力，而發(fā)達(dá)國家鋼鐵廠平均服役年限較長(zhǎng)，采用服役年限-產(chǎn)能比指標(biāo)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(zhǎng)期逐步推動(dòng)短流程改造。而發(fā)達(dá)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(yīng)將短流程改造作為主要脫碳策略。由于淘汰老舊工廠無需承擔(dān)擱淺資本，進(jìn)一步考慮過剩產(chǎn)能優(yōu)先淘汰可顯著提升脫碳成本效益。通過綜合服役年限-產(chǎn)能比和碳排放強(qiáng)度兩個(gè)靶向指標(biāo)，研究提出了成本效益最高的全球鋼鐵行業(yè)廠級(jí)脫碳策略。

研究提出，及早推廣低碳和零碳技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全球鋼鐵工業(yè)深度減排的關(guān)鍵。全球鋼鐵行業(yè)如按現(xiàn)狀運(yùn)營，其2020-2050年間的累積二氧化碳排放將高達(dá)1063億噸。如在設(shè)施改造窗口期期間對(duì)其進(jìn)行低碳和零碳技術(shù)升級(jí)，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(shè)施改造窗口期之前五年進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，全球鋼鐵行業(yè)2020-2050年累積碳排放將進(jìn)一步減少到368億噸。

圖2. 不同減排情景和脫碳策略組合下全球鋼鐵廠2020~2050年間累計(jì)二氧化碳排放量，以及其與2°C 和 1.5°C 溫控目標(biāo)下的剩余二氧化碳排放預(yù)算對(duì)比。

研究成果表明開展“一廠一策”靶向治理是實(shí)現(xiàn)全球鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)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(xué)依據(jù)。

清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系博士生雷天揚(yáng)和徐若翀分別為兩篇論文的第一作者，關(guān)大博教授和同丹助理教授分別為兩篇論文的通訊作者。論文主要合作者包括清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系張強(qiáng)教授，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、碳中和研究院院長(zhǎng)賀克斌院士。

Nature | DOI: 10.1038/ s41586-023-06486-7

Nature Climate Change | DOI: 10.1038/ s41558-023-01808-z

掃碼查看論文原文Global iron and steel plant CO₂ emissions and carbon-neutrality pathways

掃碼查看論文原文Plant-by-plant decarbonization strategies for the global steel industry