文献阅读 | 工厂级减排战略可在 2060 年前实现碳中和，并减少中国钢铁行业的非二氧化碳排放

题目

Plant-level mitigation strategies could enable carbon neutrality by 2060 and reduce non-CO₂ emissions in China’s iron and steel sector

作者

Zhaoling Li, Tatsuya Hanaoka

期刊

One Earth

时间

2022年8月

一作

单位

Social Systems Division, National Institute for Environmental Studies, Tsukuba 305-8506, Japan

链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590332222003736

研究背景

作为最大的能源密集型行业之一，钢铁行业贡献了全球约7%左右的人为CO₂排放。近几年，中国粗钢的产量均达到了全球一半左右，大规模的生产也使钢铁行业消耗了中国总能耗的15%左右，并排放了15%的CO₂，11% 的SO₂，9% 的NO_X和29%的烟尘污染（2015年数据）。中国政府提出了多种政策方案来提高钢铁行业的能效，降低二氧化碳和空气污染物排放，如淘汰过时设备，完善节能设施，执行环境保护标准等。随着中国碳达峰和碳中和目标的提出和落实，作为碳排放的主要来源之一，钢铁行业的低碳发展转型也面临巨大挑战。

钢铁生产中主要包含两种炼钢技术路线，一种是以焦炭和铁矿石为能源和材料的高炉/碱性氧炉(Blast furnace/basic oxygen furnace, BF-BOF)生产流程，或称为长流程；另一种是以废铁和电力为材料和能源的电弧炉(electric arc furnace, EAF) 生产流程，或称为短流程。此外，目前正在开发的直接还原铁电弧炉(direct reduced iron to electric arc furnace, DRI-EAF)技术在降低能耗和排放方面具有很大潜力，该技术以铁矿石和氢能源为原材料，运用电炉完成炼钢过程（图1）。一般而言，EAF流程的能源强度是BF-BOF流程的一半左右，而且EAF流程的SO₂和烟尘排放分别比BF-BOF流程少55%和89%。因此，在以往的研究中，提高EAF流程生产比例是提高钢铁行业能源效率的一个主要建议。然而，由于中国钢铁的历史积累量和废钢回收效率较低，且市场价格较高，以及工业用电成本较高等不确定性因素，限制了中国EAF流程的发展，使得BF-BOF流程持续在中国钢铁生产中占据主导地位。此外，从行业整体而言，中国钢铁行业的能源强度仍高于日本、德国等发达国家，因此，中国钢铁行业的能源效率和污染排放控制仍有待提高。

除生产结构转变外，推广普及先进生产技术有助于减少钢铁行业能源消耗和空气污染物排放，促进废能废热的回收，我国也发布了一系列的技术指南来推动钢铁行业的生产技术升级。此外，环境政策，如碳税、碳交易和清洁发展机制等，也是减少能源消耗和空气污染物排放的一个重要驱动力。

以往的研究多着眼于中国钢铁行业的整体发展趋势，较少考虑区域资源禀赋差异。本研究将现有研究尺度从行业级别细化到工厂级别，以工厂源信息为基础，评估2015到2060年钢铁产能的分布情况及每个钢铁厂的环境影响，进而分析区域低碳发展潜力。我们重点分析了先进生产技术和环境政策的普及实施情况，及其节能降碳效果，例如碳捕获与储存技术（CCS）、DRI-EAF和碳税政策等；并分析了这些减排措施对减少11种空气污染物和1种重金属排放方面的协同效应。

本研究创新点在于运用工厂尺度的详细信息分析不同减排措施的实施效果，使研究更具有现实指导意义。在方法论创新方面，研究将AIM/Enduse模型与排放降维模型相结合，扩展了模型的应用范围。研究设计了12个情景来分析不同减排路径的实施效果，主要包含以下几个方面：1. 通过提高EAF流程（含DRI-EAF）的比例，促进生产结构改变，实现节能减排；2. 推动能源结构改变，提高可再生能源占比及新能源电力的使用；3. 评估CCS、碳排放税和化石能源消费税等技术和政策的实施潜力及减排效果；4. 评估先进生产技术和节能技术的普及情况，核算各技术的减排成本；5. 构建工厂级别的未来区域排放图。通过综合分析上述因素，评价中国钢铁行业对实现碳中和目标的贡献。

图1 中国钢铁行业的生产流程及各环节实施的节能减排技术

研究方法

研究采用日本国立环境研究所AIM课题组研发的AIM/Enduse模型模拟和评估生产过程中的技术迭代，以及能源和材料流动，包括从一次能源和材料的供应开始，通过二次能源和材料的转换，最终生产出满足需求的能源和材料服务。该模型是一个动态递归的局部均衡模型。

本研究共包含12个情景，根据EAF流程的比例分为对照情景（BaU）、低EAF比例（Low，维持现有生产结构）、中EAF比例（Medium，根据政策规定的设备更新淘汰情况增加EAF比例）和雄心勃勃的高EAF比例（High，将EAF最高比例达成时间提前至2030年左右，即EAF比例快速增长情景），为了分析碳税对钢铁行业节能减排的影响，在中EAF比例情景和高EAF比例情景基础上分别添加碳排放税和化石能源消耗税情景（Tax）。由于电力是EAF的重要能量来源，随着EAF比例的提高，钢铁行业电力消耗所造成的间接排放也不容忽视。因此本研究根据IEA对2度情景下新能源电力增加比例的预测分析，探讨了清洁电力对钢铁行业的影响及其相应的环境效益，因此在上述6个情景的基础上增加相应的低碳电力情景（2）。每个情景的详细参数设定见表1。

本研究根据各地区工业发展特征及不同的环境政策制度，将中国划分成三个代表性区域：钢铁生产中心区域(COC, 贡献了中国钢铁产量的61%)、中国中部(MOC，贡献了钢铁产量的20%)和中国其他地区(ROC，贡献了钢铁产量的19%)。

表1 情景参数设置

“EFE”, 电力行业排放因子; “RE”, 可再生能源; “Ref”, 基准年情景，电力排放因子和可再生能源比例保持在2015年水平；“2d”, 基于IEA报告中的2度目标情景下的电力排放因子假设；“NDC”, “国家自主贡献” 中新能源比例设定，即到2020年和2030年，非化石能源占一次能源消费总量的比例分别为15%和20%；“Share of BF-BOF” 及 “Share of EAF”代表BF-BOF和EAF的比例约束。

研究结果

未来粗钢需求及产能分布

粗钢需求量将在2030年达到1060Mton的峰值（比2015年增加32%），之后逐渐下降至2060年的724Mton（比2015年下降10%）。相应的，各工厂的粗钢生产产能将在2030年达到1179Mton，然后在2060年下降到869Mton。随着需求量的下降及旧BF-BOF设备的逐渐淘汰，EAF流程比例将在2060年达到约78%（用于中EAF比例情景），而碳税是促进生产结构转型的重要驱动力。

钢铁行业的能量消耗

本研究将钢铁行业能量消耗划分为煤炭、天然气、石油、生物质能、热力和氢能源（本研究中氢能源全部由可再生电力为能源生产，因此没有额外的电力间接排放）六大类。在BaU情景下，三个研究区的总能耗将分别从2015年的183Mtoe、59Mtoe和55Mtoe下降至2060年的109Mtoe、61Mtoe和36Mtoe。随着BF-BOF流程比例的下降及节能技术的普及，在低EAF情景下，三个区域2060年的能耗将比BaU情景减少7%-11%，而在中EAF情景和高EAF情景下，能耗下降比例分别为42%-46%和46%-47%。碳税政策将进一步减少3%-6%的能源消耗。综合各减排措施，在最优情景下可比BaU情景减少49%的能耗。

能量节约和回收效果及能源结构

由于钢铁行业中的节能先进技术多用于BF-BOF流程，因此，随着BF-BOF流程比例在BaU情景下逐年增加，三个研究区域废能废热的回收量分别由2015年的63、20和19Mtoe增加到了2060年的94、53和31Mtoe。但在减排情景下BF-BOF流程的比例逐渐降低，废能废热的回收也相应比BaU情景下降了9%-77%。在碳税政策的促进作用下，废能废热的回收率比无碳税情景下提高了约1%。 

本研究中定义外部能量输入为总能耗减去废能废热回收，在两个变量双重作用下，EAF比例越高，所需的外部能量越多。但煤炭的使用比例逐渐减少，可再生能源比例增加，生物质能和热量的使用比例最高可达到66%，氢能源的比例最高可达到32%。

煤炭消费

部分焦炭在钢铁生产过程中除提供热量以外还承担着还原剂的重要角色，很难被其他能源所替代，因此本部分对焦炭消耗单独讨论。由于粗钢需求下降，即使BF-BOF流程的比例在BaU情景下有所升高，焦炭消耗在COC和ROC地区仍将分别下降20%和14%。由于MOC地区BF-BOF产量大幅增加，该地区的焦炭消耗上升了41%。在减排情景中，随着EAF流程比例的增加，焦炭消耗在低EAF情景、中EAF情景和高EAF情景中分别比BaU情景减少了9%-15%，70%-79%和79%。在此基础上，碳税政策又进一步减少了14%-30%的焦炭消耗。

电力消耗

电力是EAF流程的重要能量来源，随着EAF比例的提高，钢铁行业电力消耗所造成的间接排放也将对环境带来重要影响。以COC地区为例，2060年的电力消耗量在低EAF情景、中EAF情景和高EAF情景下将分别比BaU情景增加5.6%、22.2%和22.2%，达到了19，22和22Mtoe。碳税政策使电力消耗比非碳税情景下降低3%左右。

同能源回收一样，节电和废能发电设备主要依赖于BF-BOF流程中的先进技术。因此，随着EAF流程比例的上升和BF-BOF流程比例的下降，三个区域的节电效果在低EAF情景、中EAF情景和高EAF情景下分别比BaU情景下降5%~7%、25%~39%和40%~46%。但由于碳税政策使先进技术的普及率上升，碳税情景下的节电效果比非碳税情景提高了48%。

中国钢铁行业的能耗强度分析

本研究定义钢铁行业的能耗强度为6大能耗种类、焦炭和电力的外部输入量总和（不包含回收量）除以粗钢产量。在2015年，三个研究区生产1000吨粗钢分别需要592、588和582toe，BaU情景下，钢铁行业的能耗在2060年下降为约390toe/1000吨。低EAF情景、中EAF情景和高EAF情景的能耗强度分别比BaU情景减少6~10%、 39~43%和44%。碳税政策可进一步降低9%-14%的能耗强度。综上所述，生产结构升级所带来的能耗强度下降效果优于税收政策。到2060年，在所有节能减排政策措施的共同作用下能耗强度最高可比BaU情景水平下降49%（图2）。

图2 三个研究区的能耗强度变化

A：COC; B: MOC; C:ROC

CO₂ 和大气污染物减排

CO₂排放的变化趋势在BaU情景下和粗钢产量一致，在2030年达到顶峰后呈缓慢下降趋势。而在EAF流程比例增加的三种情景中，2060年CO₂排放量将分别比2015年水平减少35%、61%和64%。碳税政策将进一步减少26%-39%的CO₂排放。低碳电力的发展也将比常规火电为主导的电力生产减少13%-36%的CO₂排放。CCS贡献了最高61Mton的CO₂减排。综合上述减排政策措施，CO₂最高可比2015年水平减少83%，CO₂排放强度最低可达到0.6ton CO₂/t粗钢，比2015年水平下降了80.6%（图3）。 

本研究分析了11中大气污染物排放和1中重金属排放，分别为CH₄、 N₂O、SO₂、NO_X、 black carbon (BC)、PM_2.5、PM₁₀、organic carbon (OC)、(CO)、ammonia (NH₃)、volatile organic compound (VOC)和Hg。总体而言这些大气污染物排放呈下降趋势，但由于生物质能消耗比例逐渐增高，以生物质能燃烧为主要来源的大气污染物，如CH₄、OC和VOC，在减排情景下的排放下降率低于BaU情景；另外，由于汞排放来源主要依赖于EAF流程，因此，随着EAF生产比例上升，汞排放的减排量在减排情景下低于BaU情景。这些问题也将是我们未来发展过程中需要重点关注并提前预防的。

图3 钢铁行业在CME2MT情景下的点源排放变化

A: 温室气体 (Mton CO₂eq); B: SO₂ (1000 ton); C: black carbon (ton); D: Hg (kg)

编辑：李照令

编排：肖逸龙

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