钢铁行业二氧化碳排放量约占全球工业排放总量的25%，是工业部门中碳排放最高的行业。近几十年来，城市化和工业化进程导致全球钢铁需求激增，推动全球范围内新建大量钢铁生产设施，对全球钢铁行业减排带来巨大挑战。目前钢铁行业排放主要来自于长流程炼钢工艺，其工序繁复，涉及多个排放环节，减排技术尚不成熟。因此，钢铁行业是公认的最难减排部门之一，其排放特征及减排路径是碳中和研究领域高度关注的前沿问题。此外，钢铁行业因其能源供应、生产工艺和经济需求的复杂多样性，不存在简单、统一、普适的减排模式。因此，充分考虑全球钢铁厂运营特点和排放特征的异质性，提出定制化低碳发展路径，对于实现钢铁行业高效、精准减碳发展十分关键。
面向这一重大前沿问题，CEADs团队关大博教授课题组和同丹助理教授课题组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，创新性的构建了全球钢铁行业设施级别碳排放数据库，并从设施层面详细剖析了全球钢铁行业碳排放模式，研制了全球钢铁行业逐厂级脱碳策略，提出了工厂级层面、高度差异化的全球钢铁行业碳中和路径。相关成果分别以“Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon neutrality pathways”（全球钢铁厂二氧化碳排放与碳中和路径）和“Plant-by-plant decarbonization strategies for global steel industry”（全球钢铁行业工厂级脱碳策略）为题，与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，重点突破基于生产过程和运营模式的排放核算，开发可充分表征钢铁厂运营细节和整体工业产出的二氧化碳排放核算体系，首次构建了全球钢铁厂的二氧化碳排放清单，建立了包含一万多个设施的全球钢铁行业碳排放数据库，将全球钢铁行业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。
在此基础上，论文集进一步剖析了全球长流程钢铁厂在能效、技术水平和碳排放等维度的显著差异性，从生产流程、年龄结构和运营状态等维度解析了全球钢铁厂的排放模式，探索影响钢铁厂减排潜力的关键因素。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[1]（图1）。例如，中国以煤基高炉-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煤基高炉-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。煤基钢铁厂是全球钢铁工业最大二氧化碳排放者，贡献了总排放量的75%。同时，全球长流程钢铁工厂的服役年限-产能比例（定义为钢铁厂设备平均服役年限和粗钢产能的比例）和碳排放强度存在显著差异（图2）。以碳排放强度为例，生产全球3%粗钢的长流程钢铁厂造成了全球长流程炼钢9.3%的碳排放[2]。
图1. 2019年全球钢铁厂分布及其生产流程（17种）
和二氧化碳排放量
图2. 2019年全球钢铁企业分布及其服役年限-产能比例和碳排放强度异质性
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，改造现有钢铁厂已经成为提高效率、延长服役寿命、推动钢铁行业发展的关键策略。结果显示，全球43%的钢铁厂通过升级装置，整合新技术进行了改造，以延长钢铁厂的服役寿命（即工厂可以在其服役寿命之外继续生产），其改造频率取决于所采用的技术和设备的老化程度，但通常在服役15至25年间进行（即改造窗口期）。由于钢铁行业的发展和当地经济状况密切交织，不同地区钢铁厂改造窗口期各不相同[1]。从生产工艺角度分析，煤基高炉-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。
在对排放模式开展精细分析的基础上，研究团队综合考虑设施层面的钢铁厂运营模式和排放特征，行业层面的技术发展潜力，以及国家层面的钢铁需求变迁与相关气候目标，开发设施层面的钢铁行业二氧化碳减排预测体系，设计包括过剩产能淘汰、能效提升、燃料转化、生产流程升级等短期减排策略以及实施CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage，碳捕集、利用与封存）技术等长期深度脱碳策略的减排方案。研究从设施层面出发，精细化评估每个钢铁厂的脱碳潜力，探索了全球和重点区域兼顾减排“量”与“效”的钢铁行业工厂级脱碳策略。
研究设计了碳排放强度和服役年限-产能比例两个靶向指标，分别从减排潜力和经济性两方面出发识别中短期内长流程工厂的脱碳优先级[2]。研究发现，印度等发展中国家钢铁厂平均能耗较高，碳排放强度指标具有更大减排潜力，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[2]。研究指出，不同脱碳策略的减排潜力亦存在巨大差异（图3）。在发展中国家，能效提升和短流程改造的成本效益接近，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，能效提升的减排潜力较小，短流程改造的减排成本效益显著高于能效提升，应将短流程改造作为主要脱碳策略。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-产能比例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[2]。
图3. 不同靶向指标和脱碳策略组合下全球及各区域长流程工厂单位减排成本效益
研究指出，及时进行低碳改造和推广CCUS等深度减碳技术是实现全球钢铁行业大规模减排的关键[1]。从2020年到2050年，如果按照历史方式运营，全球钢铁行业的累积二氧化碳排放将高达1063亿吨。在推迟5年进行低碳改造的情景下，钢铁厂的剩余累积二氧化碳排放仍将高达572亿吨，几乎耗尽了国际能源署（International Energy Agency，简称IEA）根据可持续发展情景计算出的全球钢铁行业剩余碳预算（606亿吨），对实现《巴黎协定》下的1.5°C温控目标构成潜在威胁。相比之下，如果提前采用低碳技术进行低碳改造，将极大的减少现有钢铁厂的剩余碳排放量（碳锁定），增大其碳减排潜力。在提前5年进行低碳改造的情景下，2020年至2050年钢铁厂的累积排放可以压缩到368亿吨，减少了约55%的累计碳排放量（图4）。煤基高炉-转炉综合钢铁厂将是钢铁工业最重要的减排贡献者，可贡献2020~2050年间全球减排量的74%左右。
图4. 不同减排情景和脱碳策略组合下全球钢铁厂2020~2050年间累计二氧化碳排放量，以及其与2°C 和 1.5°C 温控目标下的剩余二氧化碳排放预算对比
CEADs团队首次从钢铁厂层面，分地理位置、生产工艺、年龄和运营年限，解析了当前全球钢铁行业二氧化碳排放模式，并综合考虑低碳技术发展趋势，探索了全球钢铁行业工厂级低碳发展路径。研究揭示了中短期内全球长流程钢铁厂脱碳策略及其成本效益，探索了长期内全球钢铁行业技术驱动下，高效、有序的工厂级减排路径。研究成果为评估各种低碳策略对钢铁行业的减排潜力提供坚实的数据基础，为未来精准减少钢铁厂的二氧化碳排放、制定全球钢铁行业减排路线图、投资低碳钢铁冶炼技术提供了科学依据。研究结果强调，“一刀切”的方法不足以实现钢铁行业深度脱碳。研究综合考虑生产流程、运营年限、改造周期和地区经济技术发展状况、气候变化政策等因素，表明了“因地制宜”的靶向性治理对全球钢铁行业低碳转型具有重要意义，可为全球钢铁行业实现零碳未来和可持续发展注入动力。
清华大学地球系统科学系雷天扬为“Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon neutrality pathways”论文第一作者，关大博为论文通讯作者。论文合作者包括北京大学陶澍，中国社会科学院生态文明研究所禹湘，伦敦大学学院孟靖、马仕君、赵伟辰，伦敦大学国王学院王道平，及苏黎世联邦理工学院崔璨。
清华大学地球系统科学系徐若翀为“Plant-by-plant decarbonization strategies for global steel industry”论文第一作者，同丹为论文通讯作者。论文合作者包括清华大学环境学院、碳中和研究院院长贺克斌、王化璇，地球系统科学系张强，程静、施沁人、刘洋、闫柳，覃馨莹、陈翠红、严禧哲和郑栋升，及加州大学欧文分校史蒂夫·戴维斯（Steven J. Davis）。
[1] 原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06486-7
[2] 原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41558-023-01808-z