碳中和下钢铁工业的低碳转型路径

　　摘    要：　中国政府明确提出在2060年前实现碳中和的目标。钢铁行业作为高排放行业之一，其节能减排工作的开展是实现全球温升目标的重要路线之一。分别从基准情景、技术普及、生产结构调整和综合情景的4个情景的剖析了中国钢铁行业的碳排放值，并基于预测结果提出了钢铁行业的低碳转型路径。碳中和目标的实现将对钢铁工业发展带来深远影响，钢铁行业需要从淘汰落后产能、严格控制钢产量、普及突破性技术、调整生产结构等方面进一步努力。

　　关键词 :     碳中和;钢铁行业;节能减排;低碳转型;

　　气候变化是当今人类面临的重大挑战，应对气候变化已经成为全球共识。2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会提出了我国力争于2030年前二氧化碳排放达峰的目标与2060年前实现碳中和的愿景，并在国内外重要会议上多次强调该目标落实的重要性[1]。要实现1.5℃目标，则到2050年全球将要实现碳中和；而若要实现2℃目标则需要到2050年全球温室气体排放比2010年减少70%，到2070年应实现碳中和[2]。

　　截至目前，全球已有100多个国家承诺2050年实现碳中和，其中欧盟2019年底发布了《欧洲绿色新政》并承诺于2050年前实现碳中和[3]。目前，发达国家在碳排放已持续下降的过程中，均选择了将2050年作为时间节点，而中国在尚未达到碳排放高峰的情况下做出了2060年前达到碳中和的政治承诺[3]。

　　钢铁行业是国民经济的重要关键行业，是高排放和高 耗能的行业之一，同时也是实现国家碳中和的低碳发展关键领域。2020年，中国粗钢产量达到10.65亿吨，首次突破了10亿吨大关，占全球粗钢产量的56.76%[5]。目前，中国钢铁行业碳排放和能耗均占全国的15%[6,7]。钢铁行业的绿色低碳转型是国家实现碳达峰和碳中和的有效手段和重要支撑。

　　一、钢铁行业二氧化碳排放预测模型

　　1.二氧化碳排放模型

　　钢铁行业作为碳排放量最多的行业之一，其节能减排问题一直是学界研究的热点和焦点问题，学者们对其进行了广泛的研究[8]。目前，对于碳中和问题的研究大都针对的是中国整体工业部门，而针对钢铁行业碳中和的研究和报道较少。特别是中国政府提出2060年碳中和目标之后，围绕中国钢铁行业碳中和问题展开研究是非常有必要的。

　　在二氧化碳排放模型中，能源消耗分为燃料能耗和电力消耗，分别计算产生的二氧化碳排放量[9]：

　　式中：为第τ年工序k的单位碳排，kgCO2/t产品；为第τ年工序k的燃料消耗，GJ/t产品；为第τ年工序k的电力消耗，k Wh/t产品；EFF为燃料的碳排因子，kgCO2/GJ;EFE为电力的碳排因子，kgCO2/k Wh。

　　未来钢铁工业工序层面二氧化碳排放量预测：

　　式中：为第τ年通过技术 j 带来的二氧化碳减排潜力，kgCO2/t产品；为第τ年低碳技术普及率；

　　为基准年低碳技术普及率。

　　钢铁行业的总二氧化碳排放强度为：

　　式中：为第τ年钢铁行业总二氧化碳排放强度，kgCO2/t钢；为第τ年工序 k 的钢比系数，t产品/t钢；为第τ年钢产量，t。

　　2.LMDI分解方法

　　本文应用对数平均迪氏指数分解法(Logarithmic Mean Divisia Index,LMDI)[9]，分析钢产量、生产结构、技术普及等因素对未来中国钢铁行业碳减排潜力的贡献程度。为使分解结果更加明显，便于分析与讨论，将模型时间分为5个时间段：2015—2020年、2020—2030年、2030—2040年、2040—2050年和2050—2060年。二氧化碳排放量的分解方法为：

　　式中：为总二氧化碳排放变化量，MtCO2；

　　为钢产量的减排贡献程度，MtCO2；为电炉钢比例的减排贡献程度，MtCO2；为电炉铁水比的减排贡献程度，MtCO2；为技术普及的减排贡献程度，MtCO2。

　　3.情景设置

　　为分析碳中和目标下钢铁行业的碳排放趋势，本文将设置4个情景：BAU (Business as usual)情景，表示钢铁生产的技术水平和生产结构保持不变；TP (Technology popularization)情景，表示钢铁生产的技术水平将得到极大的提高；PSA (Production structure adjustment)情景，表示钢铁生产将从改善电炉钢比例、电炉铁水比、铁钢比等方面对生产结构进行调整；CS (Comprehensive scenario)情景，是综合了TP和PSA的情景。4个情景的具体参数设置如表1所示。所采用的钢铁行业低碳技术如表2所示。

　　表1  情景参数设置

　　注：2015年电炉铁水比和电炉钢比例来自《中国钢铁工业年鉴》。

　　表2 钢铁行业低碳技术

　　低碳技术的应用是钢铁工业节能减排的重要手段，根据国家发改委和工信部发布的低碳技术目录[11]和前人的研究[12,13]，选取已商业化的37项措施作为本文计算对象展开。

　　二、钢铁行业碳排放的趋势分析

　　图1显示了4个不同情景下2015—2060年中国钢铁行业二氧化碳排放的变化趋势。除CS情景外的3个情景均呈现了先增后减的趋势并在2020年左右达到峰值。CS情景将一直呈现下降的趋势，且在2020年下降较慢，2020年后先处于快速下降阶段再进入缓慢下降阶段。TP和PSA情景相较于BAU情景有大幅度的减排潜力，这是因为在TP情景中考虑了37项已经商业化的低碳技术帮助钢铁行业实现有效的低碳转型，而在PSA情景中，不仅改善了电炉钢比例和电炉铁水比，还有效地改善了铁钢比等生产结构因素，这都将会使钢铁行业的二氧化碳排放大幅度降低。从该预测趋势可知，钢铁行业的低碳转型在短期内应该普及低碳技术，而从长期看应该重点关注生产结构调整。

　　图1 不同情景下2015—2060年中国钢铁行业二氧化碳排放的变化趋势

　　深入分析影响钢铁工业二氧化碳排放的影响因素，对钢铁工业节能减排工作的发展具有重要意义。本文基于LMDI方法来分解各因素对未来中国钢铁行业碳减排潜力的贡献程度。图2显示了CS情景下的钢铁行业二氧化碳排放的LMDI分解结果。研究显示，钢产量因素是影响钢铁行业碳排放量的决定性因素。在2020年以前，钢产量一直是正相关的影响因素，在2020年后钢产量开始变为负相关因素，其对碳排放的影响能力也开始减弱。技术普及和生产结构调整因素始终是钢铁行业低碳发展的重要影响因素，在2040年以前技术普及的影响程度较大，而从长期来看，钢铁行业的二氧化碳减排更依赖生产结构调整。

　　图2 CS情景下中国钢铁行业二氧化碳排放的LMDI分解

　　三、碳中和下的钢铁工业低碳转型路径

　　综合考虑情景分析、LMDI分解结果和钢铁行业向碳中和转型的可行性，中国钢铁行业应重点关注淘汰落后产能、严格控制钢产量、普及创新性技术、调整生产结构等方面的减排措施。

　　1.淘汰落后产能、严格控制钢产量

　　与先进的生产能力相比，落后产能在生产技术、技术设备、能源消耗和环境保护水平等方面均具有明显的弊端。因此，供给侧改革是低碳发展的重要动力。中国钢铁行业在减少产能过剩方面取得了令人瞩目的成就，“十二五”期间，中国淘汰了超过9 000万吨的落后产能[14]。中国钢铁行业已经进入“高质量减量化”的发展阶段，不仅要淘汰落后产能，还要严格控制钢产量。提高产品附加值，构建高效、循环的发展体系是钢铁行业未来发展的主要方向[14]。

　　2.创新性技术普及

　　加快突破性冶炼技术的开发和应用，是最终实现碳中和目标的关键。目前，全球钢铁行业已研究和开发了许多低碳冶炼技术，以实现减碳和脱碳方面的重大突破。表3显示了现阶段国际上主要低碳冶炼技术的研发和应用进展[16]。

　　表3 低碳冶炼技术

　　3.调整生产结构

　　不同的钢铁生产流程，其二氧化碳排放强度的差异较大。使用废钢的电炉短流程相较于长流程吨钢可减少2/3的二氧化碳排放[17]。不同钢铁生产流程参数如表4所示。同时，提高废钢比也可以降低钢铁生产过程的铁钢比，从而实现钢铁工业的碳减排。可见，加大废钢的回收和利用，提高电炉钢的使用比例是实现二氧化碳减排的有效途径。

　　表4 不同钢铁生产流程参数 

　　四、结论

　　(1)采用动态物质流分析方法，对碳中和目标下中国钢铁工业2015—2060年的二氧化碳排放趋势进行分析，结果表明到2060年4个不同情景的二氧化碳排放都将不同程度的下降。

　　(2)从对CS情景的二氧化碳排放LMDI分解结果可知，粗钢产量是钢铁工业碳达峰的决定性因素；钢铁行业的低碳发展，在短期内应该普及低碳技术，而从长期来看应该重点关注生产结构调整。

　　(3)加快从淘汰落后产能、严格控制钢产量、普及突破性技术、调整生产结构等方面制定钢铁工业的低碳转型路径，对实现中国钢铁工业的碳中和有着十分重要的意义。

　　参考文献

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　　[2] IPCC. Fith assessment report[R]IPCC,2013.

　　[3]聂海亮关于推进钢铁行业绿色高质量发展的建议[J]中国能源, 2021 , 43(1).

　　[4]张雅欣,罗荟霖,王灿.碳中和行动的国际趋势分析[J].气候变化研究进展， 2021 , 17(1).

　　[5] World Steel Association .Steel Statistical Yearbook 2020[R]. World Steel Association , 2021.

　　[6]冶金工业规划研究院中国钢铁工业节能低碳发展报告(2020)[R]冶金I业规划研究院, 2020.

　　[7]中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴[M]北京:中国统计出版社, 2000.

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　　[11]国家发展与改革委员会国家重点节能低碳技术推广目录: 2016年本[R].北京:国家发改委, 2016.

　　[12]张琦,王小壮,许立松,等钢铁流程资源能源碳排放耦合关系及分析[J].钢铁, 2020 , 55(10).

　　[13] Zhang Q,Wang Y,Zhang W,et al.Energy and resource conservation and air pollution abatement in China's iron and steel industry[J]. Resources,Conservation and Recycling.2019,147.

　　[14]李新创，李冰全球温控目标下中国钢铁工业低碳转型路径[J]钢铁, 2019, 54(8).

　　[15]李新创新时代钢铁工业高质量发展之路[J.钢铁, 2019 , 54(1).

　　[16]严珺洁超低二氧化碳排放炼钢项目的进展与未来[J]中国冶金, 2017 , 27(2).

　　[17].上官方钦,郦秀萍,周继程,等中国废钢资源发展战略研究[J]钢铁, 2020 , 55(6).