清華新聞網(wǎng)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(mén)中碳排放最高的行業(yè)。近幾十年來(lái)，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(lái)巨大挑戰(zhàn)。目前鋼鐵行業(yè)排放主要來(lái)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(mén)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(wèn)題。
面向這一重大前沿問(wèn)題，在國(guó)家自然科學(xué)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(xiàng)目支持下，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“地學(xué)系”）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(kāi)展合作研究，基于自主研發(fā)的全球鋼鐵行業(yè)設(shè)施級(jí)別碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)，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(chǎng)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。相關(guān)成果分別以“全球鋼鐵廠(chǎng)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(chǎng)級(jí)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(xiàn)發(fā)表。
在這一研究中，團(tuán)隊(duì)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，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建排放動(dòng)態(tài)表征算法，自主研發(fā)了包含一萬(wàn)多個(gè)設(shè)施的全球鋼鐵行業(yè)碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)，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(gè)設(shè)施和工序尺度（圖1）。在此基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)全球不同國(guó)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。例如，中國(guó)以燃煤高爐-氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐（Coal BF-BOF）為主，平均碳排放強(qiáng)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(zhuǎn)爐和煤基直接還原工藝（Coal-based DRI）為主，平均碳排放強(qiáng)度分別為2.3和2.7。
圖1. 2019年全球鋼鐵廠(chǎng)二氧化碳排放、服役年限-產(chǎn)能比和碳排放強(qiáng)度
研究指出，鋼鐵廠(chǎng)的能源消耗效率往往隨著運(yùn)營(yíng)壽命的增長(zhǎng)而不斷下降，全球有43%的鋼鐵廠(chǎng)通過(guò)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(yíng)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。
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(chǎng)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?xún)煞矫娉霭l(fā)識(shí)別長(zhǎng)流程鋼鐵廠(chǎng)的脫碳優(yōu)先序。針對(duì)長(zhǎng)流程鋼鐵廠(chǎng)設(shè)計(jì)包括過(guò)剩產(chǎn)能淘汰、能效提升和短流程改造等多種脫碳方式，對(duì)逐個(gè)鋼鐵廠(chǎng)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(chǎng)級(jí)脫碳策略。
研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)展中國(guó)家鋼鐵廠(chǎng)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(guó)家鋼鐵廠(chǎng)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(guó)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(guó)家鋼鐵廠(chǎng)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)將短流程改造做為主要脫碳策略。由于淘汰老舊工廠(chǎng)無(wú)需承擔(dān)擱淺資本，在能效提升和短流程改造基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮過(guò)剩產(chǎn)能優(yōu)先淘汰可顯著提升脫碳成本效益。在上述分析基礎(chǔ)上，研究綜合服役年限-產(chǎn)能比和碳排放強(qiáng)度兩個(gè)靶向指標(biāo)，提出了成本效益最高的全球鋼鐵行業(yè)廠(chǎng)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(yíng)，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）。
圖2.不同低碳技術(shù)演進(jìn)路徑下全球鋼鐵廠(chǎng)2020-2050年間累積二氧化碳排放
研究創(chuàng)新構(gòu)建了全球鋼鐵行業(yè)設(shè)施級(jí)別碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上提出了全球鋼鐵工業(yè)逐廠(chǎng)級(jí)脫碳策略與碳中和路徑。研究成果表明開(kāi)展“一廠(chǎng)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(xiàn)圖提供了重要科學(xué)依據(jù)。研究建立的鋼鐵行業(yè)高分辨率排放數(shù)據(jù)庫(kù)可為開(kāi)展全球全球鋼鐵行業(yè)碳排放核算、減排技術(shù)潛力評(píng)估、減排成本效益分析等相關(guān)研究工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
清華大學(xué)地學(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。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目和能源基金會(huì)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(xué)系
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
