中国钢铁工业碳达峰及低碳转型路径

浏览数量:1     作者:本站编辑     发布时间: 2021-09-08      来源:本站

 

    要:2020年中国宣布将提高国家自主贡献力度,二氧化碳排放力争在2030年前达峰。钢铁工业作为典型的资源、能源密集型行业,是率先落实碳达峰的重要行业。本文分析了钢产量、生产结构、节能减排技术和碳税等因素对中国钢铁工业碳排放的影响程度。研究表明,不同的钢产量达峰时间将对钢铁工业的碳达峰产生不同影响,技术和生产结构因素也将对中国钢铁工业产生重要影响。地方区域是落实国家碳达峰任务的责任主体,对京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原和两广地区4个具有不同钢铁生产特点的重点区域碳排放进行研究,并分析了区域达峰方案。加快调整产业结构、推广低碳技术、改变能源结构、推进产业间耦合和加强碳资产管理等方面制定钢铁工业低碳转型路径,对实现中国钢铁工业碳排放早日达峰和碳中和有重要意义。

关键词:钢铁工业;钢产量;碳达峰;低碳转型;重点区域

2020年,习近平总书记在第75届联合国大会一般性辩论上宣布中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的措施,二氧化碳排放力争在2030年前达峰,努力争取2060年实现碳中和。这充分体现了中国应对气候变化的力度,彰显了中国积极应对气候变化、走绿色低碳发展道路的坚定决心。

钢铁工业是典型的资源、能源密集型行业,也是实现绿色低碳发展的关键性领域。2020年,中国粗钢产量突破10亿t大关,达到10.65亿t,占全球粗钢产量的56.76%。中国钢铁工业碳排放占全国碳排放总量的15%,在国内所有工业行业中位居首位。随着全国碳排放权交易管理办法的实施,钢铁工业将面临巨大任务和挑战。绿色低碳是中国钢铁工业实现转型升级高质量发展的关键,是提高行业竞争力的重要引擎。钢铁工业实现低碳转型发展是落实中国生态文明建设目标的主要途径,也是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑。

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告显示,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 ℃目标则到2070年应实现碳中和。目前发达国家均选择了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。截至目前,全球已有一百多个国家承诺2050年实现碳中和,其中欧盟2019年年底发布了《欧洲绿色新政》并承诺于2050年前实现碳中和。20206月,美国众议院发布的《气候危机行动计划》报告也表示要将应对气候变化作为国家的首要任务,要实现2050年温室气体排放比2010年减少88%CO2净零排放的目标。

中国始终高度关注气候变化问题,坚持绿色、循环、低碳的发展理念,钢铁工业作为高排放行业之一,其节能减排研究工作也得到了国内学者们的广泛关注。袁晓玲等研究了中国工业部门碳排放峰值预测及减排潜力,指出在低碳情境下各行业均能在2030年前达峰,而在高耗能情境下在2040年前后才能达峰。张琦等采用动态物质流分析方法构建了钢需求量和废钢回收量预测模型,并基于重点节能减排技术,分析了中国钢铁工业节能减排潜力和能效提升途径。Elzen M D等研究了中国工业到2030年的碳排放水平,研究表明,当前政策不足以在2030年实现碳达峰,而如果改善政策措施将实现2030年碳达峰。李新创等从降低需求、能效提升、创新工艺3个方面剖析了全球温控目标下中国钢铁工业低碳转型路径。王国栋、储满生从低碳减排角度讨论了绿色钢铁冶金技术。这些研究对中国钢铁工业绿色低碳转型发展提供了理论、技术支撑,对碳达峰目标实现有重要参考。

当前现有的研究工作为钢铁工业的节能减排做出了卓越贡献,但是仍然存在一些需要解决的问题。尽管工业部门对全球温室气体排放影响巨大,但对工业部门的碳达峰给予具体的路径指导的研究很少,特别是对钢铁工业如何基于碳达峰等特定目标给予指导的研究更少。因此,本文结合目前中国钢铁工业碳排放现状及面临的挑战,分析中国钢铁工业碳达峰的路线及趋势,提出钢铁工业低碳转型路径,为实现钢铁工业绿色低碳、可持续发展提供重要依据。

1 钢铁工业碳排放现状及面临的挑战

中国钢铁工业的典型特点:一是以高炉-转炉生产流程为主的生产模式2020年由该流程生产的粗钢产量占全国总产量的91.01%(图1);二是以煤为主的能源结构,钢铁工业的能源消耗占全国能源消耗总量的16%,其中,煤炭占钢铁工业能源消耗比例高达70%,是碳排放量的主要来源。以铁矿石为原料生产的转炉钢每吨排放CO22.0 t,其中铁前工序CO2排放占整个流程的87%以上(图2),而以废钢为原料的电炉钢每吨排放CO20.35~0.50 t,因此增加废钢回收,降低铁钢比,能够大幅降低钢铁工业CO2排放量。面对气候变化、碳达峰、碳中和目标给钢铁工业可持续发展带来的新压力,中国钢铁工业必须要走一条低碳绿色发展之路。

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1 1990—2020年中国钢产量

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某大型钢铁联合企业各工序CO2排放占比

当前,钢铁的低碳化生产有两大方向:一是改变生产方式,推广以氢冶金为代表的低碳技术生产工艺;二是改变钢铁生产的原料结构,提高废钢比,发挥短流程工艺的低碳绿色优势。中国短期内不具备大范围推广氢冶金的可能性,因此根据中国资源条件,应尽快改变国内钢铁工业的原料结构,实现钢铁工业的节能、低碳、绿色发展。

2 中国钢铁工业碳达峰路线及趋势分析

钢铁工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者们研究的热点和焦点问题。目前对碳排放达峰问题的研究大都针对的是中国整体工业部门,而针对钢铁工业碳排放达峰的研究和报道较少。特别是中国政府提出2030年碳排放达峰的目标之后,围绕中国钢铁工业碳排放的峰值问题展开研究是非常有必要的。作为中国经济发展重要支撑产业和碳排放重点行业,钢铁工业应站在高质量发展的高度,加大应对碳减排共识的低碳发展研究,实现高质量发展。

2.1 中国钢铁工业碳达峰路线图

在前期研究中,自下而上地分析了钢产量、电炉钢比例、电炉吃铁水比和节能减排技术应用等因素对中国钢铁工业能源消耗和碳排放的贡献程度。研究表明,钢产量是影响碳达峰的主要因素,节能减排技术和生产结构调整因素将在不同时间和区域对中国钢铁工业节能减排产生重要影响。

2.1.1 钢产量数据

诸多学者就中国粗钢产量的达峰时间和峰值进行了研究,尽管大部分学者认为中国钢产量将在2030年前达到峰值,但针对具体何时钢产量能够达峰的科学性和合理性尚存在比较大的争议。本文参考两种钢产量预测结果,一种是来自某文献的数据,显示中国钢产量将在2030年后达峰;另一种数据来自本课题组前期的研究,即钢产量在2020年达到峰值。引入两种钢产量的预测数据目的是为比较钢产量因素对中国钢铁工业碳达峰的影响。本文将围绕中国钢铁工业碳达峰展开分析,采用动态物质流分析方法,结合目前钢铁工业实际发展,对碳达峰进行分析,采用的钢产量预测结果见表1

1 钢产量预测结果(单位:万吨)

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2.1.2 情景设置及结果分析

为了更好地分析钢铁工业碳减排潜力及碳达峰路径,本文将设置4个情景:基准情景reference scenarioREF),代表钢铁生产的技术水平和生产结构保持不变;生产结构调整情景adjustment of production structure scenarioAPS),代表生产结构调整而技术水平保持不变;能源技术升级情景energy technology upgrading scenarioETA),代表技术水平提高而生产结构不变;综合情景integrated scenarioINT),代表生产技术水平提高且生产结构也调整情景。4个情景的具体参数设置见表2。所采用的钢铁工业节能减排技术见表3

情景描述

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注:2015年电炉铁水比和电炉钢比例来自中国钢铁工业年鉴。

钢铁工业低碳技术

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   低碳技术的应用是钢铁工业实现碳减排的重要手段,根据国家发改委发布的节能低碳技术目录和前人的研究,选取已商业化的37项技术作为本文计算对象展开。

2.1.3 结果分析

3所示为不同钢产量达峰情景下的中国钢铁工业CO2排放变化趋势。若使用2020年钢产量达峰的数据进行预测,REFETAAPSINT4个情景的碳排放都呈现先增后减的趋势并都将在2020年达到峰值。若使用2030年后钢产量达峰的数据进行预测,REF情景的碳排放将一直呈现增长的趋势,而ETAAPSINT其他3个情景都呈现先增后减的趋势并将在2025年达到峰值。通过使用2种不同达峰时间的钢产量数据进行预测,得到的碳排放结果存在明显差异。2REF情景下,因为使用的钢产量数据不同,碳排放的达峰时间出现了明显的差异,钢产量2030年后达峰将导致钢铁工业碳排放在2030年后达峰,而钢产量2020年达峰将会使钢铁工业碳排放在2020年达峰并且峰值显著降低,这说明粗钢产量是影响钢铁工业碳排放的决定性因素。2030年达峰情景下,ETAAPSINT3个情景在2025年后是呈现下降趋势的,这是因为在这3个情景中考虑了节能减排技术普及和生产结构调整等碳减排影响因素,这也说明节能减排技术和生产结构是钢铁工业未来节能减排发展的重要影响因素。

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不同钢产量情景下的中国钢铁工业CO2排放变化趋势

深入分析钢铁工业CO2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。本文基于对数平均迪氏指数分解法(logarithmic mean divisia indexLMDI)来分解各因素对未来中国钢铁工业碳减排潜力的贡献程度。图4所示为不同钢产量达峰情景下钢铁工业碳排放的LMDI分解结果。研究显示,钢产量因素是影响钢铁工业碳排放量的决定性因素。在2030年钢产量达峰情景下,钢产量一直是正相关的影响因素,且其影响能力逐年降低,2025年后钢产量对碳排放的影响能力变得非常微弱,而生产结构成为碳减排重要的影响因素。在2020年钢产量达峰情景下,钢产量因素在2020年前处于决定性地位,而在2020年后结构调整和技术普及将成为碳减排的重要因素。

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不同钢产量情景下的LMDI分解结果

影响钢铁工业碳排放达峰的因素主要有粗钢产量、生产结构、节能减排技术和碳税等。

1粗钢产量。粗钢产量是钢铁工业碳达峰的重要影响因素,它对碳达峰具有决定性的作用。李新创也介绍,在行业达峰目标上,如果2025年前钢铁工业实现碳排放达峰;到2030年钢铁工业碳排放量将较峰值降低30%。所以,基于当前的碳达峰目标和本研究的预测结果,钢产量早日达到峰值对2030年国家实现碳达峰有积极的作用,当然钢产量的变化还取决于市场的需求变化。

2生产结构。2020年钢产量达峰情景下,生产结构调整一直是钢铁工业碳减排的重要贡献者。长期来看,除了控制钢铁产能外,中国钢铁工业的生产结构调整将是减轻钢铁工业碳排放负担的关键手段。

3节能减排技术。2020年钢产量达峰情景的分解结果可知,低碳技术的普及对钢铁工业的减排工作呈现积极作用。钢铁工业不仅要加快当前已商业化技术的普及,还应该尽快推动氢冶金、CCS等具有突破性的低碳技术,实现大幅度的CO2减排,这对实现钢铁工业的碳达峰至关重要。

4碳税。建立健全碳税这一公认的广义减排价格机制,是实现碳达峰、碳中和目标的必然选择。在理清碳达峰、碳中和理论基础的前提下,应该借鉴欧洲驱动2050年实现碳中和等国际经验,总结中国碳交易市场机制的发展模式,为实现碳达峰、碳中和贡献力量。

2.2 重点区域钢铁工业碳达峰分析

中国幅员辽阔,不同区域在发展阶段、经济实力、资源禀赋等方面有较大差距,应坚持共同而有区别的责任原则。根据经济产业政策、环境保护、市场需求、生产原料及能源供给、水资源压力、交通条件和历史因素7项区域特征并结合工信部2020年最新发布的《钢铁行业产能置换实施办法(征求意见稿)》选择京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原和以珠三角为核心的两广地区的钢铁工业发展为研究对象。

2.2.1 产量分布

工信部发布的《钢铁行业产能置换实施办法(征求意见稿)》指出,在空气污染控制的主要领域(京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原和两广地区),严禁增加钢铁产能,钢铁产能和重点企业的置换比率需控制在1.511.251。本文根据中国2020年粗钢产能利用率来补充描述京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原和两广地区等重点区域的钢铁产能。由于当前国家并未对2020—2030年重点区域的粗钢产量做出规划和部署,根据各区域当前工信部发布的钢铁工业规范及各区域的钢铁工业规划,设置重点区域粗钢产量的参数并对各重点区域的钢产量进行预测。图5所示为重点区域钢产量分布的预测结果。

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重点区域的钢产量分布

2.2.2 情景参数设置

为了分析重点区域钢铁工业的节能减排潜力,考虑到数据的可用性,以2015年为基准年,根据上文列举的影响因素设置了与节能减排技术普及和生产结构调整有关的4种情景,其中节能减排技术可以降低工序能耗和排放,生产结构调整则可以改变钢比系数。其中REF情景为基准情景,该情景维持2015年的节能减排技术普及率和生产结构不变。与REF情景相比,ETA情景中各区域钢铁工业节能减排技术普及率升高,电炉铁水比和电炉钢比保持基准年的水平不变。APS情景与ETA情景相反,各区域钢铁工业生产技术的普及率保持基准年不变,电炉铁水比和电炉钢比发生变化,见表4INT情景是一个综合情景,为了探究多个因素影响下各区域钢铁工业的节能减排潜力。

表4 重点区域钢铁生产结构调整情景设定

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注:2015年电炉铁水比数据来源于《中国钢铁工业年鉴》,电炉钢比的数据根据各地电炉钢产能及产能利用率估算。

2.2.3 结果分析

4个情景下重点区域钢铁工业CO2排放变化趋势如图6所示。2015—2030年间,该地区钢铁工业CO2排放量随粗钢产量变化呈现先升高后降低的趋势。REFETAAPSINT情景下,京津冀及周边地区钢铁工业CO2排放量由2015年的604.48 Mt分别上升至2020年的749.58722.31737.84711.24 Mt2020—2025年间,与ETA情景相比,APS情景下该地区CO2排放量下降速度更快,至2025APS情景下CO2排放量已低于ETA情景。

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重点区域钢铁工业CO2排放变化趋势

20304个情景的CO2排放量分别为524.45490.14432.05402.64 MtREFETAAPSINT情景下,长三角地区钢铁工业CO2排放量随粗钢产量的增加而增加,由2015年的349.35 Mt分别上升至2020年的388.66374.40374.10360.45 Mt。至2030年,REFETAAPSINT情景下该地区钢铁工业的CO2排放量分别降至296.36276.84209.01193.70 MtREF情景和APS情景下汾渭平原钢铁工业CO2排放量于2020年达到92.09 MtETAINT情景下CO2排放量为88.65 Mt2020年后,APS情景下汾渭平原钢铁工业CO2排放量降低幅度比ETA情景大,ETA情境下的CO2排放量于2025-2030年间超过APS情景。2030REFETAAPSINT情景下该地区的CO2排放量分别下降至83.9678.5574.8669.72 Mt。由于两广地区钢铁工业CO2排放量随粗钢产量的增长而增长。REFETAAPSINT情景下该地区钢铁工业CO2排放量由2015年的79.29 Mt分别上升至2025年的185.04174.97162.39152.98 Mt2030REFETAAPSINT情景下CO2排放量分别为175.99164.84134.51124.74 Mt

地方区域是落实国家碳达峰任务的责任主体,要加快制定碳达峰方案,开展达峰行动。不同区域的钢铁生产特点各有不同,应在国家层面加强统筹协调,提出不同区域分阶段达峰路线图,明确各地达峰时限和重点任务。十四五期间,经济发展水平高、绿色发展基础好、生态文明创建积极性高的地区应争当领头羊,率先实现碳达峰。京津冀及周边地区、长三角地区以及国家生态文明试验区、美丽中国创建示范区等应积极主动作为,率先提出并实现碳达峰。区域碳达峰是国家碳达峰的重要单元和载体,各区域应以制定碳排放达峰行动方案为契机,结合区域钢铁工业发展特点,统筹推动产业结构和能源结构调整,以低碳环保引领推动高质量发展。

3 钢铁工业低碳转型路径

作为中国国民经济发展的重要支撑产业和高排放行业,钢铁工业应加快低碳转型,统筹谋划目标任务,科学制定低碳转型方案。这不仅是实现碳达峰、碳中和目标的重要方向,也是落实全球应对气候变化目标的重要途径。

3.1 调整钢铁工业结构,提升废钢利用水平

为继续深化钢铁工业供给侧结构性改革,切实推动钢铁工业由大到强转变,工业和信息化部研究编制了《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见(征求意见稿)》,指出优化调整产业布局、加快推进兼并重组、有序引导短流程炼钢、深入推进绿色低碳等建议,电炉钢产量占粗钢总产量比例提升至15%以上,力争达到20%;废钢比达到30%,中国钢铁工业力争2025年率先实现碳排放达峰。不同的钢铁生产流程,其CO2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2/3CO2排放,见表5。加大废钢的回收和利用,提高电炉钢的使用比例是实现碳减排的有效途径。

表5 不同钢铁生产流程参数

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3.2 实现低碳冶金技术突破,推动钢铁工业低碳技术创新

国外钢铁工业已不同程度地对具有突破性的低碳技术项目进行研究,并已取得了一定进展和成效,比如欧盟的超低二氧化碳排放项目(ULCOS)、日本钢铁工业的COURSE50、韩国浦项的全氢高炉炼铁技术、美国的AISI项目等。中国目前也在氢冶金技术方面开展了深入的研究和合作。20191月,中核集团、宝钢集团和清华大学三方签订了氢能炼钢合作框架协议,将核能制氢技术带入了大众的视野。201911月,河钢集团组建氢能技术与产业创新中心,并与意大利特诺恩集团在氢冶金技术方面开展深入合作,建设全球首例120t规模的氢冶金示范工程。氢冶金技术可以与碳捕集与封存(CCS)技术结合使用,这将增加钢铁工业的二氧化碳减排潜力。CCS技术是一项具有大规模CO2减排潜力的技术,有望实现化石能源的低碳利用。CCS项目的应用相当广泛,在钢铁工业的无碳化过程中可以起到过渡衔接作用,最后发展成完全无碳的清洁炼钢,用氢气炼钢。

3.3 改变能源结构模式,实现节能提效

钢铁生产的能源利用效率对其CO2排放有直接影响,提升能效水平是未来十年内钢铁工业节能减排的重点。钢铁工业是长流程高耗能行业,以吨钢综合能耗600 kgce计算每年消耗煤炭6亿t以上,在中国钢铁产量持续增加的情形下碳排放将继续增加。目前,各钢铁企业面临着巨大的减排压力。而根据中国资源条件,尽快提高钢铁企业能源利用效率,并改变国内钢铁工业的原料结构,如增加废钢的用量等,才是实现节能减排迫在眉睫的发展目标和实现碳达峰的有力保障。钢铁工业应该从根本上改善能源消费结构,减少煤炭消耗,提升可再生能源利用技术,实现能源结构低碳化发展,从源头解决以煤炭为主要能源结构所导致的碳排放问题。国际能源署(IEA)对钢铁行业的能源结构做出预测,如图7所示。能源管控系统是国家工信部推出的节能先进适用技术之一,也是企业实现能源精细化管理的重要措施。对智慧能源系统进行进一步开发,大力发展智能制造,是提升钢铁工业绿色化、智能化水平的重要手段。

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7 2050年钢铁行业的能源结构

3.4 推进产业间耦合发展,构建跨资源循环利用体系

《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见(征求意见稿)》指出,推进产业间耦合发展,构建跨资源循环利用体系,力争率先实现碳排放达峰。钢铁生产不仅可以制造钢铁产品,还具备能源转换和社会大宗固体废弃物的消纳处理功能。钢铁生产的副产品如高炉渣可以制水泥,蒸汽和副产煤气可以用于发电或化工行业。推进产业间耦合发展,加强钢化联产可以实现钢铁生产中副产品的高附加值利用,是实现钢铁工业碳达峰的重要实施途径。

3.5 积极开展碳达峰及降碳行动,加强碳资产管理

《关于切实做好全国碳排放交易权交易市场启动重点工作的通知》指出,201712月中国碳排放权交易体系正式开启,全国统一运行,钢铁工业应该做好参与碳资产管理的相关工作,核心企业应发挥示范引领作用。碳资产包括政府分配的碳排放指标、通过CDM认证获得的减排量和通过交易获得的碳资产,这些资产本身就能给钢铁企业带来直接收益,还包括钢铁企业的碳管理技术和理念等。钢铁企业应对自身进行全面碳核查,加强碳预算管理和构建碳预算框架,并构建碳资产管理绩效评价体系,指导企业碳资产管理运行。上海宝钢作为第一批试点企业,配合上海市制定了钢铁企业碳排放量核算方法。通过实行碳资产管理,可以清晰地发现减排指标、技术指标、财务绩效等因素之间的关系,从而更加科学地管理钢铁企业的碳资产,提高产品的竞争力。

4 结论

1)对两种不同钢产量达峰情景下的中国钢铁工业碳达峰进行分析,结果表明,结合当前的钢铁工业碳达峰目标,钢产量早日达到峰值对实现2030年国家总体碳达峰有积极的作用。

2)从对2020年钢产量达峰情景的CO2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;而2020年钢产量达到峰值后,结构调整和技术普及将成为CO2减排的重要因素。

3)区域碳达峰是国家碳达峰的重要单元和载体。本研究对京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原和两广地区4个重点区域的碳排放进行了预测,各区域应制定碳排放达峰行动方案,为实现国家碳达峰任务贡献力量。

4)加快调整产业结构、推广低碳技术、改变能源结构、推进产业间耦合、加强碳资产管理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碳达峰、碳中和有重要意义。

作者简介:张琦(1977—),男,博士,教授;E-mailzhangqi@mail.neu.edu.cn

来源:钢铁

 


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