中国钢铁行业先进技术的节能、二氧化碳与污染物减排及成本效益

《Environmental Impact Assessment Review》：Energy conservation, CO 2 and pollutant abatement, and cost performance of advanced technologies in China's iron and steel sector

　　

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  研究了2项现有技术和12项新兴技术，用于钢铁冶炼过程的清洁化处理。
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  分析了来自工业案例的工程数据（能耗、燃料消耗和经济参数）。
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  评估了14项技术的节能量、CO₂、SO₂、NO_x、PM_2.5减排量及减排成本。

引言

全球CO₂排放量从2011年的34.50 Gt增加到2024年的38.60 Gt。与此同时，中国2024年的CO₂排放量为12.29 Gt（图1(a)），占全球总量的31.84%。同年，全球累计CO₂排放量约为1849.124 Gt，中国累计排放量为285.087 Gt（图1(a)），表明中国对全球累计排放总量的贡献为15.42%。在《国家自主贡献》框架下，将全球平均气温升幅控制在2°C以内，要求2011-2030年期间的累计CO₂排放量大致维持在750-800 Gt以内。然而，Rogelj等人（2016）估计的全球累计CO₂排放量为750-1400 Gt。同时，Rumsa等人（2025）指出，钢铁冶炼排放的最后10%（0.2 tCO₂/t-cs）最难削减，这反映了文献中的全球共识。因此，降低大气中的CO₂含量仍是各国面临的艰巨挑战。

中国承诺在2030年前实现CO₂排放达峰，并在2060年前实现碳中和。基于中国最新的双碳目标计算，中国2030年前的碳排放量理论上不得超过15.918 Gt（补充材料（SM）：表S1和S2）。值得注意的是，中国是全球最大的钢铁生产国，2025年粗钢产量为0.96 Gt。其在全球钢铁产量中的份额从2006年的33%上升到2023年的54%，2025年略有下降至52%（图1(b)）。钢铁工业（ISI）占中国全国碳排放量的15%，占全球能源相关CO₂排放量的7%-9%（Zhang等，2022；Fan等，2025）。鉴于如此庞大的生产规模和钢铁市场，能源转型和深度脱碳已成为中国钢铁行业的紧迫任务。此外，已发布多项针对钢铁行业的政策以削减CO₂排放。例如，2022年的《钢铁行业碳中和愿景与低碳技术路线图》提出了"双碳"技术路线图，并为实施"双碳"项目划分了四个阶段。进一步地，2023年的《重点行业能效标杆水平和基准水平》明确规定了高炉（BF）炼铁工序的标杆和基准能耗水平分别为361和435 kgce/t-铁。对于转炉（BOF）炼钢工序，相应的水平分别为-30和-10 kgce/t-粗钢（cs：粗钢）。此外，2024年的《重点行业设备更新和技术改造指南》为设备升级和低碳技术转型提供了指导，包括CO₂捕集、资源利用和氢冶金。与此同时，电弧炉（EAF）的产能份额随着废钢利用率的提高而增加。提高高炉煤气（BFG）、焦炉煤气（COG）和低品位废热的综合利用率仍是节能领域活跃的研究课题。鉴于低碳政策推动了大气污染的协同治理（Shao等，2023；Shu等，2023）。本文选取了受超低排放政策支持的技术进行研究，并在CO₂减排之外还计算了大气污染物减排量。

钢铁冶炼领域节能减碳的措施主要包括调整生产结构（Hasanbeigi等，2014；Hu等，2026；Wen等，2024）；采用节能技术（Tang等，2023）；实施碳捕集、利用与封存（CCUS）；以及使用直接还原铁-电弧炉（DRI-EAF）生产路线（Shen等，2024；Yu和Tan，2022）。此前，Karali等人（2017）利用学习曲线法和综合能源与排放模型框架，动态计算了美国24项节能技术的投资成本。He和Wang（2017）估计中国的节能潜力约为6.4 GJ/t-cs。Zhang等人（2023）得出结论，实施节能和减排技术可将全球钢铁行业的能耗减少5.4 EJ，其中中国约占65%。一些研究（Ren等，2021；Yu和Tan，2022）表明，25项减排技术的减排潜力可达898 kg CO₂/t-cs，29项节能技术可实现20%的减排量。能效升级对碳减排的贡献从2022年的2.68%增加到2030年的4.13%，而技术突破的贡献从2030年的9.75%增加到2040年的24.14%（Gu等，2025）。基于氢的钢铁冶炼技术可使中国钢铁工业实现80%-95%的温室气体减排（Ren等，2021）。包括过程气回收和CCUS在内的信用排放持续减少了CO₂排放（Wang和Sun，2024）。CCUS技术可削减该行业约8.4%的排放量（Su等，2025）。然而，目前仍缺乏包含间接排放的综合评估。

Li和Zhu（2014）对2014年前的节能技术进行了节能量、脱碳和减排成本研究；Zhang等人（2014）对第十一个和第十二个五年计划期间的相关工作进行了研究；Ma等人（2015）利用节能供给曲线（CSC）研究了未来CO₂和大气污染物排放趋势及投资。An等人（2018）和Zhang等人（2019）基于物质流分析方法计算了CO₂减排潜力。Che等人（2025）讨论了实施自循环或环形冷却热风烧结技术的环境效益（即减碳和NO_x减排）。与现有研究相比的更详细总结表见补充材料（表S3）。上述研究的一个显著局限是研究焦点的碎片化。一些研究基于2013-2017年《低碳节能技术目录》，另一些则仅考察突破性技术的碳核算（如氢冶金），使得选择性烟气循环烧结技术（FGR）、高球团比冶炼、中低温或低温选择性催化还原脱硝（SCR）等超低排放技术存在知识空白。此外，净减排量的核算已纳入末端治理措施的评估框架中。同时，除CO₂排放外，大气污染物减排日益受到公众关注。对因额外能源或燃料输入引起的排放的详细核算是必不可少的。

目前针对钢铁工业超低排放技术在污染和减碳方面的研究需要系统性地加以改进。因此，本研究基于能源和物质流分析，针对现有钢铁工业技术研究的碎片化问题、末端治理措施缺乏间接排放考量以及大气污染物研究不足等问题开展研究。本文引入了14项响应超低排放政策的技术。这些技术不仅按源头减量、过程控制和末端治理三个维度进行分类，还按减碳和大气污染物减排进行了分类。本文量化了超低排放技术的净减排量，为节能减排潜力的核算和技术库的建立提供了基础数据。同时，技术评估对指导工业实践的价值也将有所帮助。

表1列出了这14项技术的代码，表S4提供了详细信息。本文其余部分组织如下：第2节概述了14项技术及国内钢铁行业的现状。第3节描述了数据和方法。第4节讨论了节能量、CO₂和大气污染物减排以及技术成本。最后，第5节给出了主要结论。

章节摘要

国内粗钢年产量

单位综合能耗下降了20.22%，从2006年的671 kg/t-cs降至2020年的535.32 kg/t-cs（图2）。具体而言，2023年，高炉在钢铁生产过程中消耗的能量最多（约387.43 kg/t-铁），占单位综合能耗的72.38%。然而，这仍未达到361 kgce/t-铁的标杆水平。电弧炉工艺是第二耗能最高的工序，消耗56.66 kg/t-cs。转炉工艺的能耗最低。

方法与数据

本研究基于详细的工程数据，分析了14项此前尚未评估其污染物减排和碳核算潜力的节能技术和末端治理措施。末端治理措施的间接减排量进行了核算。T01和T02属于源头减量技术。T03和T04属于过程控制技术。T05-T14属于末端治理措施。采用排放因子和节约供给曲线法进行……

结果与讨论

基于主要物质流，研究了钢铁工业中12项新兴技术和2项现有技术（更新或应用）的节能、减碳和大气污染物减排绩效。利用资本成本、运营支出和环境效益评估了减排成本的经济指标。

结论

综上所述，我们进行了技术经济评估，以评估14项技术的节能潜力、减排量和减排成本。得出以下主要结论：

• 1)
  两项源头减量技术（T01-T02）、两项过程控制技术（T03-T04）以及两项具有转炉气回收功能的末端治理措施（T13-T14）通过节能强烈抑制了排放；其余末端治理措施则消耗能源。T01的技术节能量最大，范围从……

局限性与展望

所研究的大多数技术仍处于推广的早期阶段。它们在减少CO₂和大气污染物排放方面具有巨大潜力，并可实现低于每千克标准煤或污染物5元的减排成本，且有可能降至零以下。然而，仍需进行更详细的动态评估，考虑未来钢铁生产结构、经济状况和渗透率的变化。部分技术，如高球团比冶炼……

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由京津冀区域协同治理国家科技重大专项（2024ZD1200400）和中国有色金属学会科技专项计划（2025ZXA05）资助。

张永乐|许文清|王一熙|杨洋|张依丹|王刚|何坤|朱庭宇