原文标题：Tracking Carbon Flows in China’s Iron and Steel Industry
发表期刊：Environmental Science & Technology
作者：Kun Wang, Shuhan Liu, Kaiyun Liu, Mo Dan, Xiaohui Ji, Yajing Lu, Yi Xing
第一作者机构：Institute of Urban Safety and Environmental Science, Beijing Academy of Science and Technology, Beijing 100054, China
发表年份：2023
ISI中复杂的物质和能源流动，包括采矿、运输、消费和回收，以及钢铁需求和生产的各省差异，为绘制ISI的碳流图景带来了挑战。同时，中国的省级碳转移加剧了排放权初始分配的不公平。为了将减排责任从国家分配到各省，需要准确和最新的从矿山到钢铁用户的碳流，以捕获排放的二氧化碳当量（包括CH4和CO2）的时间、地点和数量。煤/钢贸易增加导致的省际碳流有助于确定从沿海发达地区向炼钢基地的排放转移。
研究建立了一个跨过程的物质-能量流分析模型，并追踪了2020年中国从煤炭/矿产到最终钢铁用户的碳流。收集超过10,000个点源的过程信息，以获得ISI过程之间的质量和能量流动。使用省际/国际煤炭和钢铁贸易数据集来跟踪从煤炭/矿山到钢铁用户的碳流。特别纳入了ISI内煤矿的甲烷泄漏和废热和废气回收的CO2排放。然后利用ISI系统的碳流来重新评估不同生产过程的CO2，并探索碳排放的空间变化。基于情景分析，进一步评估了中国ISI低碳路径的生命周期减排潜力。
ISI系统包括矿物/煤炭开采和洗选（MING）、焦化、石灰窑、烧结/球团、BF-BOF、EAF、轧制以及原材料和轧钢的国内运输。用户方面包括六个主要部门的钢铁使用（即机械设备、汽车、家用电器、金属产品和电气设备）、基础设施（例如建筑物、铁路和管道）以及轧钢和钢铁应用的出口以区域和钢铁应用为单位对钢铁需求驱动的碳排放进行了评估，以确定用户侧碳排放的主要驱动因素和空间转移。二氧化碳排放分为直接排放和间接排放。直接排放包括燃料燃烧、石灰石煅烧、甲烷排放和原料分解。间接排放量是根据从公共发电厂购买的电力和从废气和回收热产生的现场电力来估计的。
综合评估框架如图所示。运输的二氧化碳排放量是根据货运距离和运载能力计算的。参考WSA关于钢铁间接贸易的方法和Cullen等人关于钢铁从炼钢到终端产品的流动的研究，该研究在省级层面上评估了汽车、冰箱等含钢产品对中间钢材的消耗。利用省级基础设施用钢和中间用钢生产建立钢铁贸易。使用区域钢铁贸易矩阵对用户端的区域驱动排放进行了评估。
根据国际能源署和中国钢铁工业协会的《钢铁技术路线图》，研究根据既定政策情景（SP）和可持续发展情景（SD）对2020-2060年中国粗钢产量进行了预测。利用钢铁产品生命周期法预测2020-2060年的废钢资源，在2045年之前呈现快速增长趋势，之后趋于稳定。脱碳技术场景（DT）假设的应用碳捕获和储存（CCS）和氢动力直接还原铁（DRI）可能达到总数的近一半主要炼钢。
2020年，中国ISI的总碳输入为760 Tg，如图1所示。其中735 Tg来自能量流，25 Tg来自物质流。更具体地说，煤炭、石油、购买电力和石灰石分别占总碳输入的88.6、0.2、7.9和3.3%。在用户方面，来自基础设施的排放量为451 Tg，来自产品的排放量为87 Tg，来自出口的排放量为53 Tg。通过回收废热和废气，中国的ISI节省了2.4亿吨的煤炭投入，这可能会在2020年减少75 Tg的煤炭开采二氧化碳当量以及244 Tg的燃烧排放。
用户侧的产品驱动型和区域驱动型碳排放可以确定ISI碳排放的主要驱动因素。2020年，国内钢铁使用造成了用户侧91%的碳排放，而9%的碳排放来自钢铁产品出口。碳排放的主要驱动因素是基础设施建设，占钢材总使用量的76%，碳排放量为449 Tg。建筑占基础设施建设碳排放的最大比例，占71%。钢铁应用占钢铁总使用量的20%，并贡献了114 Tg的碳排放。机械、汽车和金属零部件是主要的钢铁应用，分别占钢铁应用碳排放量的50%、15.6%和15.6%。
2020年二氧化碳当量排放量达到2288 Tg，基于工艺的二氧化碳当量排放量如图2所示。由于煤矿泄漏CH4的不确定性和焦炉煤气的复杂利用，煤矿和焦炉过程的不确定性分别达到- 62.2 ~ 62.6%和- 62.9 ~ 1135%。其他过程的不确定性在- 20 ~ 20%之间，导致中国ISI生命周期排放的不确定性为- 14.4 - 20.4%。MING，BF-BOF，EAF和轧制占总co2当量的80%。研究量化了MING和TRANS的排放量，它们在以前的研究中经常被忽视，占总排放量的15%（344 Tg）。电力使用产生的间接二氧化碳当量排放量为630 Tg，占28%。
由于高炉、焦炭和转炉中的脱碳反应产生了大量的碳排放，因此废气的使用对于减少ISI的二氧化碳当量排放至关重要。废气的使用占二氧化碳当量总排放量的59%，在焦炉和热风炉中回收废气分别导致50 Tg和381 Tg二氧化碳当量的排放，占废气使用二氧化碳当量排放量的32%。而在石灰窑、烧结/球团、轧制和发电中使用的废气分别占废气使用总二氧化碳排放量的11%、3%、19%和30%。
由于用钢区和产钢区在空间上的异质性，生产者侧和用户侧二氧化碳当量排放的空间分布发生了巨大变化，如图3a-c所示。由于进口铁矿石的使用比例高（近80%），加上当地铁矿的分布、运输能力等因素，钢铁厂及其相应的CO2排放主要集中在河北和江苏两省。洗煤、焦炭、铁矿石、钢铁和废料等40多亿吨的物资通过铁路、公路和水路在各省之间运输。由于空间变化以及运输这些材料和轧制钢材的需求，运输贡献了51 Tg二氧化碳当量的排放量。2020年，大约49%的二氧化碳当量排放是由从用户侧到生产者侧的显著空间转移产生的。二氧化碳排放主体由河北（522 Tg）转变为江苏（221 Tg）。
图3d-g显示了原煤、洗煤、焦炭和钢铁的CO2当量排放的省际变化。山西、陕西、贵州、河南、黑龙江和内蒙古分别占洗煤和焦炭总产量的74%和48%。这些省份从其他从事钢铁生产的省份转移了199 Tg的二氧化碳当量排放量。山西、贵州和陕西通过省域洗煤交易分别转移了33 Tg、16 Tg和10 Tg的CO2当量排放量。此外，山西、陕西和内蒙古通过焦炭省域贸易分别转移了73 Tg、17 Tg和13 Tg的CO2当量排放量。生产碳的主要空间流为山西向河北转移，分别通过洗煤和焦炭交易转移17 Tg和29 Tg。然而，当考虑碳空间流动时，江苏取代山西成为第二大二氧化碳当量排放地区，达到237 Tg，仅次于河北的522 Tg。省际碳转移也改变了省际生产者和使用者的CO2排放强度。
该研究进一步研究了2020-2060年期间的累积二氧化碳当量减少潜力。在减少钢铁需求、节约材料、增加废料利用和推广脱碳技术的协同作用下，2020-2060年全生命周期排放量将下降77%（图4a）。在可持续发展的目标下，减少钢铁需求和节约材料可以减少中国ISI总二氧化碳排放量的44%。钢铁生产区的主要选址是依赖原材料资源、靠近消费区域和靠近港口。在炼钢基地，大规模钢铁生产设施的长期经济寿命和新时代表明，快速淘汰是不现实的。因此，主要钢铁用户减少需求、节约材料所带来的减排潜力，仍将通过钢铁生产基地的省际钢铁贸易表现出来。值得注意的是，华北是最大的产钢地区，通过减少钢铁需求和节约材料，可以实现56%的二氧化碳当量减排，其中48%的减排归功于空间转移，8%的减排归功于当地钢铁消费的减缓（图4b）。
CCS和氢直接还原铁等脱碳技术的推广在ISI中长期深度脱碳中发挥着越来越重要的作用。这些技术预计将在2020年至2060年期间显著减少约11%的二氧化碳当量排放，主要集中在华北和华东地区。
2024-11-08
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