文献阅读 | 碳中和目标下的中国钢铁行业综合分析
题目
An integrated analysis of China’s iron and steel industry towards carbon neutrality
作者
Xiaoyang Wang, Biying Yu, Runying An, Feihu Sun, Shuo Xu
期刊
Applied Energy
时间
2022年9月
一作
单位
Center for Energy and Environmental Policy Research, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261922007814
研究背景
如今，气候变化是人类社会面临的一个重大挑战，应对气候变化已成为全球共识。巴黎协定》确立了控制温度的长期目标，以维持地球、人类和生态系统的稳定。为此，它要求世界在2050年左右实现净零排放。到目前为止，已有130多个国家制定了碳中和的目标。中国承诺在2030年前实现二氧化碳排放峰值，在2060年前实现碳中和。对于这样一项繁重的任务，中国的时间安排很紧。钢铁行业约占中国二氧化碳排放量的15%，实现中国的碳中和，将给钢铁行业带来巨大的减排压力。因此，探索中国钢铁行业的碳中和之路迫在眉睫。
钢铁业如何实现碳中和？现有的部分研究已经确定了具体可行的措施，包括提高能源效率、生产结构转变、节能技术改造、燃料转换、氢气炼钢、CCUS（碳捕获、利用和储存）等。这些措施大大减少了二氧化碳的排放。随着技术的革新，氢气冶金加上CCUS使得钢铁行业实现净零排放成为可能，如HYBRIT项目的先进证据。尽管上述措施能有效地减少二氧化碳的排放，但何时做什么，实现碳中和目标的成本是多少，仍然不清楚。
一方面，中国现有的钢铁设备大多只使用了20年左右，具有碳锁定效应，立即进行全面改造面临着高成本。另一方面，不同的减排措施的实施会对原材料的使用产生不同的影响，这方面的研究可能是不够的。例如，在改变生产结构的措施中，从BF-BOF（高炉到碱性氧气炉）转向EAF生产会减少铁矿石开采，但会增加废钢需求。未来国内废钢的供应是否能支持EAF的发展，仍然是不确定的。另一个例子是，发展非高炉炼铁技术（如冶炼还原铁，SRI；直接还原铁，DRI）将增加铁矿石的使用。而中国的铁矿石正面临着资源安全的巨大挑战，2020年的对外依存度为82.31%。目前，中国正在加快推进钢铁行业低碳发展的相关举措，但缺乏对其经济和资源安全的考虑。在碳中和的目标下，需要综合考虑减排、资源安全、成本效益等因素，优化钢铁行业的低碳发展路径，从而为政策制定者和企业提供更加可行的安全策略。
研究方法
本研究建立了一个成本最小化模型，C3IAM/NET-IS模型，描述了钢铁生产链中各项技术选择的决策过程，然后分析各项减排措施的减排潜力、能源消耗和资源利用情况。纳入11项措施，确定最佳低碳组合，其中包括推广节能技术、调整原料结构、改变生产结构、改用清洁燃料、发展氢气炼钢、加快CCUS应用、实施碳排放税政策、调整原料进出口贸易等。以钢铁行业供给侧的减排措施为重点，设定了11种未来发展情景。情景设置采用递进关系，既可以比较单一措施的实施效果，也可以直观地展示联合措施的综合效益。
图1 C3IAM/NET-IS模型框架
研究结果
CO2排放路径
随着钢铁需求的变化，中国钢铁行业的二氧化碳排放量呈现整体下降的趋势（图2a）。可以发现，无论采取什么措施，2060年中国钢铁行业的二氧化碳排放量都将高于零。换句话说，仅仅依靠现有的低碳措施是很难实现钢铁行业2060年的碳中和目标的，它仍然需要森林和海洋碳汇来吸收剩余的二氧化碳排放。具体来说，在11种情景下，钢铁行业的二氧化碳排放量将在2021-2023年达到峰值，约为15.14-15.31亿吨。在可行的技术路径下，最大的二氧化碳减排量，钢铁行业在2060年将排放约7278万吨的二氧化碳，这需要由除CCUS以外的其他碳汇来吸收。
图2 2020-2060年间中国钢铁行业的二氧化碳排放
能源消耗
图3a展示了所有11种情景下的年度最终能源消耗，包括一次能源（煤、石油、天然气和生物质）和二次能源（电、氢等）。在淘汰落后产能的有效政策下，大型设备将逐渐取代小型和落后的生产设备，导致每年最终能源消耗降低。与2020年相比，2060年钢铁行业的最终能源消耗将下降51.62%-75.51%，达到165.76-327.46 Mtce。比较BAU方案和综合实施10项措施（IM）后的燃料结构，可以看出电力将逐渐取代煤炭成为钢铁行业的主要能源（图3b）。受价格和供应的影响，石油、天然气和生物质不会成为钢铁行业的主要燃料来源。在IM情景下，钢铁工业的电气化率在2060年将达到93.85%，与BAU情景相比，电气化率增加了29.78%。通过比较各种措施的耗电量（图3c），可以看出，当把电炉的炉料输入调整为一半DRI和一半废钢（YSS0方案）时，2020-2060年期间的累计耗电量为20.11PWh，而把电炉炉料结构改为全废钢输入（YSS1方案），与YSS0方案相比，累计节电3.76PWh。
图3 中国钢铁行业终端能源消耗总量（a），燃料结构（b），以及电力消耗（c）
原材料消耗
图4展示了与原材料结构变化有关的情景下的原材料使用情况。可以看出，随着钢铁需求和生产工艺的变化，与2020年相比，2060年对铁矿石的需求将减少7.4-12亿吨，对废钢的需求将增加1.47-5.83亿吨。如果EAF的原料结构重组为一半DRI和一半废钢（YSS0方案），2020-2060年对铁矿石的高需求（累计343.5亿吨）将保持，因为DRI使用铁矿石作为原料。而与BAU相比，废钢需求将累计减少5883万吨。如果在EAF炼钢中完全使用废钢（YSS1方案），与YSS0方案相比，将需要累计增加29.2亿吨废钢的使用。
图4 2020-2060年期间中国钢铁行业的铁矿石和废钢需求
碳减排成本
在评估钢铁行业的二氧化碳减排潜力时，必须考虑到相应的成本变化。随着原材料和能源市场价格的波动，以及新技术的不断发展，未来的钢铁生产成本有很大的不确定性。图5说明了2020-2060年期间不同情景下累积成本的差异。比较不同方案的成本，可以看出，实施100%废钢的EAF炼钢将大大降低生产成本，是最经济的最优选择。
图5 中国钢铁行业11种情景下的累计减排成本
技术发展路径
图6展示了IM情景（综合情景）下不同节能技术的发展路径。可以看出，从2020年到2030年，煤调湿和烧结余热回收技术将成为年平均增长率最高的技术（22.82%，17.13%）。而烧结过程中的其他节能技术（小球烧结、降低烧结漏风率、低温烧结、厚料层烧结）将在2030年后得到全面应用，2035年的市场份额将达到85%以上。焦炉和BF-BOF工艺将在2030年后逐步发展CCUS，2060年在钢铁生产过程中加装CCUS的份额将高达85.35%。2050年后，氢基冶炼还原技术的发展将加速，在2060年达到65.87%。未来DRI炼铁的发展受制于成本。在中国钢铁工业的未来发展中，基于废钢的EAF生产将是最经济的选择。
图6 IM情景下的节能技术推广
研究结论与政策建议
本研究从成本最小化的角度，在资源-技术-排放的多重约束下，定量绘制钢铁行业实现碳中和目标的排放和技术路径。基于自下而上的理论，为钢铁行业开发了C3IAM/NET-IS技术优化模型。从CO2减排潜力、能源消耗、原材料使用、减排成本、技术发展路径等方面，全面阐述了钢铁行业实现碳中和目标面临的选择和挑战。下面给出一些主要结论。
（1）仅靠能源系统的低碳转型不足以实现中国钢铁行业的碳中和，需要碳汇来吸收或其他行业提供负排放。
（2）面向碳中和，钢铁行业应当在一次资源，铁矿石和二次资源，废钢之间的保持使用平衡。
（3）钢铁行业实现碳中和的各种减缓措施的累积成本差异很大，其中对总成本影响最大的是原材料结构的调整。
（4）钢铁行业为实现低成本的CO2减排，需要有序部署各种生产技术。
基于对结果的分析和讨论，本研究提出以下两个建议。
（1）为实现碳中和目标，需要制定行动路线图。同时，采用市场手段，将钢铁行业纳入碳市场，可以进一步促进创新，实现低碳发展。
（2）钢铁行业要协调好碳中和目标与原料保障的关系，加快形成国内外原料双循环体系。形成完整的废钢再利用产业链，提高废钢回收率，对于实现碳中和目标十分重要。
编辑：朱衍磊
排版：朱衍磊
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