面向这一重大前沿问题，在国家自然科学基金委创新研究群体 “大气成分变化及气候环境影响” 项目支持下，清华大学地球系统科学系（以下简称“地学系”）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，基于自主研发的全球钢铁行业设施级别碳排放数据库，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。相关成果分别以“全球钢铁厂二氧化碳排放与碳中和路径”（Global iron and steel plant CO2emissions and carbon neutrality pathways）和“全球钢铁行业工厂级脱碳策略”（Plant-by-plant decarbonization strategies for global steel industry）为题，于9月20日以背靠背论文形式分别在《自然》（Nature）和《自然·气候变化》（Nature Climate Change）在线发表。
在这一研究中，团队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，在此基础上构建排放动态表征算法，自主研发了包含一万多个设施的全球钢铁行业碳排放数据库，将全球钢铁排放表征能力从区域和行业尺度提升到单个设施和工序尺度（图1）。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。例如，中国以燃煤高炉-氧气顶吹转炉（Coal BF-BOF）为主，平均碳排放强度约为1.6（t CO2/t粗钢，下同），低于全球平均水平（1.7）；而印度钢铁行业主要以燃煤高炉-氧气顶吹转炉和煤基直接还原工艺（Coal-based DRI）为主，平均碳排放强度分别为2.3和2.7。
图1. 2019年全球钢铁厂二氧化碳排放、服役年限-产能比和碳排放强度
研究指出，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。
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。针对长流程钢铁厂设计包括过剩产能淘汰、能效提升和短流程改造等多种脱碳方式，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，应将短流程改造做为主要脱碳策略。由于淘汰老旧工厂无需承担搁浅资本，在能效提升和短流程改造基础上，进一步考虑过剩产能优先淘汰可显著提升脱碳成本效益。在上述分析基础上，研究综合服役年限-产能比和碳排放强度两个靶向指标，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）。
图2.不同低碳技术演进路径下全球钢铁厂2020-2050年间累积二氧化碳排放
研究创新构建了全球钢铁行业设施级别碳排放数据库，并在此基础上提出了全球钢铁工业逐厂级脱碳策略与碳中和路径。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。研究建立的钢铁行业高分辨率排放数据库可为开展全球全球钢铁行业碳排放核算、减排技术潜力评估、减排成本效益分析等相关研究工作提供数据基础。
清华大学地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。研究得到了国家自然科学基金委创新研究群体项目和能源基金会的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06486-7
https://www.nature.com/articles/s41558-023-01808-z
供稿：地学系
题图设计：赵存存
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年09月21日 10:07:36
