Nature：全球钢铁厂二氧化碳排放与碳中和之路
Nature：全球钢铁厂二氧化碳排放与碳中和之路
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传播国家2030年碳达峰/2060年碳中和的政策、知识、技术与优良做法
以下文章来源于双碳情报 ，作者双碳情报
2023年4月28日，由中国科学院文献情报系统双碳战略研究团队运营的“双碳情报”公众号正式上线！重点跟踪报道主要国家和重要组织双碳相关战略规划、政策法规、发展路线图、重大计划、重点项目等动态讯息，监测分析双碳领域国际前沿科技热点和发展态势。
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Nature：全球钢铁厂二氧化碳排放与碳中和之路
钢铁行业减排对减缓气候变化至关重要，2019年钢铁行业CO 2 排放量约占全球总排放量的25%。以往的钢铁行业减排潜力和路径研究大多局限于国家层面和全球层面，或者针对具有特定工艺的假想工厂作为例，缺乏适用于特定生产工艺的CO 2 减排潜力分析，这导致了对全球钢铁行业特定区域和工厂的CO 2 排放量和减排潜力的评估存在不确定性。2023年9月20日，来自清华大学、伦敦大学、伦敦国王学院等机构的研究人员开发了一个包含4883家钢铁企业的二氧化碳排放清单，以及包括加工路线和运营细节（状态、年龄、运营年份等）在内的技术特征信息的数据集。根据该数据集可为每家工厂确定并匹配合适的特定减排技术。最后研究人员基于该数据集，确定了有助于实现区域减排目标的不同工厂层面可能的减排路线。主要内容如下：
2019年的粗钢总产能为2592Mt，其中63%来自碱性氧气炼钢炉（BOF），36%来自于电弧炉（EAF），剩余1%来自平炉（OHF）。在2019年，高达74.3%的粗钢产量来自煤基钢铁厂。其中煤基高炉-碱性氧炉（BF-BOF）工厂主要集中在中国、日本和印度，分别占全球粗钢产量的49.4%、3.9%和2.8%；煤基直接还原铁（DRI）工厂主要集中在印度，占全球采用煤基直接还原铁工艺粗钢产量的67.0%；中东和北美地区主要采用基于气体的DRI以及煤炭和天然气混合喷射高炉生产工艺。每个国家的钢铁工厂具有不同的冶炼过程和产品输出，因此减排路径将有所不同。总体而言，在2020年至2050年期间，全球范围内减排最显著的是煤基BF-BOF工厂，CO 2 减排可高达36041.6 - 51790.3Mt，占同期全球所有钢铁工厂总减排量的74%。
研究发现，全球57%的电厂有8-24年的运营年限，这正是低碳技术的改造窗口期。按照工厂的运行特点进行低碳改造是将升温限制在2℃以内的关键，而提前改造将可能有助于将升温控制在1.5℃。研究人员基于工艺类型、最新改造年份和运行寿命三个关键参数分析了不同工厂的减排路径。如对于中国包头钢铁厂，其是一家燃煤BF-BOF工厂，最近一次改造是2015年，参照BF-BOF炼钢工艺钢铁厂平均14年改造周期，在默认低碳排放情景下（钢铁厂将在计划改造年度采用低碳技术进行升级），包头钢铁厂下次改造日期为2029年。假设2030年之前我国废钢储备仍然不足。因此，包头钢铁厂可首先采用长流程BF-BOF向气体基DRI-EAF短流程的改造，以完成其低流程化，改造后包头钢铁厂的碳排放量将比不干预的基准线减少20%。DRI-EAF短流程炼钢工艺的钢铁厂平均改造周期为11年，因此包头钢铁厂默认情景下第二次改造日期为2040年，第二次低碳改造将在天然气直接还原电炉短流程的基础上增加CCUS技术，与没有干预的基线相比，碳排放量可减少 95%。而另一方面，对于比利时安赛乐米塔尔根特钢铁厂，其也是一家2015年最新改造过的燃煤BF-BOF工厂。由于欧盟国家废钢积累充足，2029年，它将从长流程燃煤BF-BOF工厂转变为短流程路线废钢为基础的EAF工厂，实现减排97%。全废钢电弧炉（EAF）短流程炼钢厂平均改造周期为12年，因此在2041年将进行第二次改造。由于废料式电弧炉、短流程炼钢的碳排放总量接近于零，因此，第二次改造仅需要更新钢铁冶炼装置，工艺保持不变。
总体来说，工厂应根据其工艺路线、最新改造时间、使用寿命、所有者所在国等采取不同的策略。与国家层面或全球行业层面的总体减排相比，根据工厂的具体特点，有针对性地退役或及时采用低碳技术进行改造，将更适合钢铁厂的运营。此外，研究预测，在默认低碳排放情景下，从2020年到2050年，全球累积二氧化碳排放量将减少58.7 Gt。如果提前五年进行工厂改造，减排量可增加16%，减排量达到69.6 Gt。如果推迟五年进行工厂改造，减排量将减少16%，仅减排49.1 Gt，这将使实现碳中和的目标面临风险。因此钢铁厂的早期低碳改造是实现1.5℃目标和钢铁行业碳减排未来之路。
2020年至2030年，中国的CO 2 减排量将占全球总减排量的36%左右（536.6Mt-2837.9Mt），其中90%以上的减排量来自于煤基高炉设施，因此将燃料从煤炭转向天然气并部署基于商业天然气的 DRI低碳改造是我国短期内的减排路径。2031年至2050年，中国钢铁企业仍然是减排的最大贡献者。为了实现钢铁行业长期所需的CO 2 减排，有必要将原材料与基于废钢的电弧炉相结合，同时为现有基础设施部署CCUS技术。
来源： Nature. Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon-neutrality pathways [1]
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-023-06486-7
（ 秦阿宁 ）
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