概括
实现零排放的未来在很大程度上取决于钢铁生产如何在有限的时间内脱碳。 研究表明，生产零排放钢铁是可能的，但钢铁的数量和质量可能会受到废钢回收的限制。 以日本为例，研究分析表明，目前大部分废钢被回收制成建筑材料，从而将废钢限制在汽车用钢总量的20%以内，而建筑用钢比例为60%。 在严格的碳预算下，即使生产技术按照路线图发展，这种降级循环方法也可能会在 2050 年将汽车钢产量限制在当前水平的 40% 左右。 结果表明，在零排放的未来，钢铁用户不应将当前的钢铁供应水平视为理所当然。 因此，钢铁行业的脱碳不仅取决于钢铁行业个体的努力，更需要与钢铁用户的共同行动，减少钢材的使用，实现废钢的升级利用和服务提供。
研究背景
为了避免气候变化的破坏性影响，所有主要部门的排放必须迅速降至零，关键问题是如何实现这一目标。 对于占全球二氧化碳排放量约 7% 的钢铁行业来说，这样的关键解决方案尚不存在。 炼钢过程涉及使用焦炭还原氧化铁矿石并燃烧化石燃料产生高温，使其成为最难脱碳的行业之一。 因此钢材抗拉强度单位，实现零排放未来的一个关键挑战集中在如何在有限的时间内实现该行业的脱碳。
钢铁行业探索可能的技术组合和政策选择模型，然而这些模型在应用于钢铁行业评估时面临两大挑战。 首先，由于模型结构的原因，该解决方案在很大程度上依赖于创新的生产技术，包括碳捕获与封存（CCS）和氢基炼钢。 然而，这些技术仍然面临严峻的技术、经济和社会挑战，尚未大规模实施。 其次，这些模型将钢材视为单一商品，没有考虑不同钢材产品的质量。 目前尚不清楚在碳预算范围内可以生产和使用多少钢材以及其质量如何，因此很难为创新生产技术无法及时充分扩大规模的情况做好准备。
基于物流分析的研究试图通过探索不同的脱碳方案来缩小这些知识差距，而不需要大规模的创新生产技术或将质量问题纳入钢铁回收系统。 然而，废钢中的杂质将限制未来的全球钢铁回收，而且仍然缺少与零排放背景的联系。 目前尚不清楚严格的气候政策将如何影响未来的钢铁生产及其质量，也不清楚库存使用和需求增长已稳定的工业化国家何时以及会在多大程度上出现具体挑战。
本研究通过使用一系列质量平衡方程汇总和协调每个流程中生产、贸易和产出的零散数据，构建了当前钢铁流量的详细情况，并系统地评估了实施碳预算对未来钢铁流量的影响。 当前钢铁流程图。 碳预算下的未来钢铁流量是使用新构建的“材料预算模型”计算的，该模型将优化技术与一组质量平衡方程相结合。 由于日本是世界第五大排放国和世界第三大钢铁生产国，因此本文以日本为案例研究，分析了排放量、库存饱和趋势以及建模所需数据集的可用性。
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当前的钢流和下行循环实践
目前的钢铁流向清晰地呈现出大规模进口、大规模出口的产业结构，铁矿石全部进口，钢材大量出口（图1）。 其中，国内生产的钢板和汽车类产品分别有约60%和50%出口海外。 这种产业结构严重依赖以矿石为基础的高炉/转炉（BF/BOF）路线，该路线比以废钢为基础的电弧炉（EAF）路线的碳密集程度要高得多。 目前，高炉/转炉路线约占粗钢总产量的75%，而电弧炉路线约占25%。 然而，大约 90% 的电弧炉碳钢被加工成长材产品，例如主要用于建筑和基础设施的型材和棒材。 因此，电炉钢占高等级钢总产量的<10%，例如汽车常用的板材和高抗拉强度钢。 这种由废物加工而成的材料的价值低于原始材料的现象被称为降级回收。
采用这种向下循环做法是因为在当前的炼钢工艺中很难去除废钢中混入的杂质元素（铜和锡）。 钢中杂质元素和氮含量的增加会导致各种问题，包括高温下更容易开裂、钢的质量恶化和应变时效，这使得通过电弧炉工艺生产高等级钢具有挑战性。 建筑、基础设施和汽车行业的电炉钢用量差异很大，建筑和基础设施行业占40-60%，而电炉钢占汽车行业所有钢材投入量的不到20%，凸显对碳的影响 对精钢的高度依赖。 这一现象表明汽车行业对高等级钢材的高要求以及与废钢降级循环相关的排放密集型性质。
图1：2019年日本从原材料到最终使用
商品钢流程图
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碳预算下的未来钢铁流动
如果按照目前的下行循环模型，钢铁行业在碳预算下可以生产和使用多少钢、什么质量的钢？ 本研究假设钢铁行业的排放量受到碳预算的控制，该预算基于到 2030 年（相对于 2013 年）减排 46% 并到 2050 年实现碳中和的国家目标。在这种情况下，2050 年碳预算源自深入的国家模型研究的结果，考虑到森林和其他汇的碳吸收，并用作边界值，以确保与全球承诺的一致性。 生产技术和循环经济的进步可能表现为两种情况：第一种情况是无策略情况，即场景期间所有建模参数保持不变； 第二个案例是生产技术和循环经济的变革。 雄心勃勃的变革、实施速度和水平基于行业路线图和科学文献。 具体干预措施包括电力供应脱碳、提高能源效率、利用CCS在高炉中用氢气替代焦炭、生产氢基直接还原铁（H2-DRI）、提高国内回收能力和延长产品寿命，但不包括使用任何碳抵消计划。 该模型解决了钢铁流动结构的问题，该结构在规定的碳预算内最大限度地利用可用钢铁库存，同时考虑一系列质量平衡约束。 模型结果显示，碳预算下的可用钢铁产量将比当前产能更加有限（见图2），反映了资源可用性的限制。 目前业界追求的零排放兼容生产技术主要是H2-DRI和废弃物电弧炉，因此在零排放的未来，钢铁生产基本上取决于电力、氢气和废弃物三种资源的可用性。
图2：2010年至2050年日本碳预算下的粗钢和成品钢
和最终用途产品的生产
如果没有生产技术和循环经济的进步钢材抗拉强度单位，将钢铁行业的排放控制在碳预算范围内将需要逐步淘汰高炉/转炉路线，并将粗钢产量限制在当前水平的约10%（见图2a）。 因此，到 2050 年，成品钢和最终用途产品的产量也将限制在当前水平的 10% 左右。如果生产技术按照行业路线图发展，可用粗钢产量可能会增加到当前水平的 35% 左右。到 2050 年达到这一水平（见图 2b）。 然而，绿色氢对钢铁行业的可用性并不是无限的。 即使 H2-DRI/EAF 路线的部署规模能够增加工业和燃料生产部门可用的非排放电力，产能仍将远低于当前水平。 这些结果清楚地表明，期望 H2-DRI/EAF 路线到 2050 年覆盖所有现有产能是困难的。与其将废料出口到海外，提高国内回收能力更为实际。 到 2050 年，可用产量将增加至目前水平的约 45%，即约 4500 万吨（见图 2c）。 由于可用废钢有限（部分是由于产品寿命延长），可用产能远不及目前约 1 亿吨的规模，或 2050 年约 8600 万吨的规模。 总而言之，这些结果表明，在碳预算下，将目前的钢铁产能水平维持到 2050 年将具有挑战性。 虽然零排放钢铁生产是可能的，但相对于当前的生产水平，数量有限。
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使用中钢材库存的演变
由于这种供应限制，到 2050 年，作为产品和基础设施（在用库存）的钢铁在社会中的积累可能会远低于当前水平（图 3）。 如果生产技术和循环经济没有进步，碳预算下可用的钢铁库存可能会从目前的人均 10 吨左右下降到 2050 年的人均 7 吨左右（图 3a）。 根据工业路线图，生产技术的进步和循环经济可以缓解向钢铁库存紧张社会的过渡。 然而，这里的关键点是最终用途产品类型所施加的限制程度的差异。 仔细研究特定最终用途的人均库存水平表明，即使在碳预算下，建筑物和基础设施也可以维持在与当前水平相似的水平（图 3b）。 相比之下，根据生产技术的进步和循环经济的发展，到2050年，汽车单位人均钢材库存量可能下降到目前水平的40-80%。这是因为对高等级钢材的要求更高。与建筑应用相比，产品寿命较短。 研究结果表明，在零排放的未来，我们对商品和服务的需求，特别是与汽车相关的需求，将需要使用比目前更少的钢材来满足。
图 3：2010-2050 年日本碳预算下可用的在用钢铁库存
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讨论与结论
总体而言，虽然通过钢铁行业的努力有可能生产零排放钢铁，但如果当前的降级循环做法继续下去，则只能以有限的数量和一定的质量实现。 这种观点并非日本独有，随着废钢降级周期的增加，这种观点可能在全球范围内变得明显。 尽管在零排放的未来可能会出现这种钢铁供应限制，但日本政府和工业界目前将该行业的脱碳潜力完全依赖于创新的生产技术。 在零排放的未来，他们应该寻找使用更少的物理投入提供相同服务的方法。 因此，钢铁行业的脱碳不仅取决于钢铁行业的个体努力，更需要钢铁用户的共同行动。
1. 应开发一种商业模式，通过提高材料效率，以更少的材料使用提供相同的服务。 实现这一目标的技术和系统包括延长产品寿命（通过再利用、维修和再制造）、商品共享、轻量化设计、材料替代和工艺产量提高。 正如本研究指出的那样，钢铁供应在数量和质量上都受到限制，这紧急强化了之前的信息，即材料效率必须成为缓解策略的基本组成部分。 尤其是汽车行业，可能会受到严重的钢铁供应限制，需要重新考虑其当前的商业模式。 在这种情况下，考虑到缓解和适应气候变化所需的技术（例如可再生电力、铁路和防洪基础设施）的钢铁密集型性质，平衡的计划对于建设和管理这些关键基础设施至关重要，同时减少钢铁总量使用至关重要。
2.推动升级改造，利用废钢电弧炉路线生产高等级钢。 这一举措从两个角度来看尤为重要：一是增加对高钢品依赖行业的钢材供应，二是在总体产量下降的情况下保持钢铁行业的盈利能力。 钢铁行业和钢铁用户迫切需要采取集体行动，实施解决杂质问题所需的技术和系统； 这些流程可能包括产品设计、高级分类、替代粉碎和加工以及成分操作的变化。 鉴于创新型矿石炼钢可能会受到非排放电力和绿色氢供应有限的限制，钢铁行业和钢铁用户之间的联合行动对于促进升级循环至关重要。
3、日本钢铁行业目前大进口、大出口的产业结构与零排放的未来不相适应。 这是因为目前进口矿石为主的高炉/转炉路线几乎占据了所有高等级钢的产量，这与零排放的未来不一致。 因此，如果政府和行业坚持当前的脱碳计划，日本可能会因零排放钢铁需求的增长而失去国际竞争力。 相反，应考虑转向以生产高等级再生钢为基础的产业结构，利用大量废钢供应和回收基础设施。 这一转变的一个关键前提是重新考虑创新的生产技术将自动减少行业的碳排放，并将升级回收置于未来产业战略的核心。 日本比其他国家更容易受到铜污染的影响，因此建立了升级改造计划。 循环系统尤为重要和紧迫。
总体而言，研究分析确定了钢铁行业脱碳计划中目前未被充分重视的两个关键创新机会：（1）提高材料效率，以减少钢铁使用并提供相同水平的服务； (2)通过废钢电弧炉(EAF)路线升级生产优质钢材。 研究分析并不否定对氢基炼钢或CCS等创新生产技术进行投资的必要性。 相反，这项研究强调，钢铁行业脱碳的努力应该包括更多的战略选择，而不是仅仅依靠生产技术的改进。 将提高材料效率和升级回收作为脱碳计划的核心将减少过度依赖创新生产技术的可能性，并使我们能够为未能及时全面扩大这些技术的风险做好准备。
文章信息
原标题：零中的钢铁
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过去的选择
结尾
内容：王伟
