《Resources Policy》：Projections of steel sector emissions to 2100: Different metallurgical technology pathways and resource constraints
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摘要：钢材是现代社会不可或缺的基础材料，但其生产过程碳排放强度高。研究人员按国家收集历史数据，对至2100年的钢铁及废钢消费、钢铁产量及相关CO?当量(CO?e)排放进行建模，设定四种工艺情景展开分析——情景1（现状基准）：直接还原铁(Directly Red
摘要：钢材是现代社会不可或缺的基础材料，但其生产过程碳排放强度高。研究人员按国家收集历史数据，对至2100年的钢铁及废钢消费、钢铁产量及相关CO?当量(CO?e)排放进行建模，设定四种工艺情景展开分析——情景1（现状基准）：直接还原铁(Directly Reduced Iron, DRI)占全球钢产量8%，氧气顶吹转炉(Oxygen Blown Converter, OBC)占71%，其余为电弧炉(Electric Arc Furnace, EAF/EF)产钢；情景2：DRI占比升至15%，EF占比随可回收废钢比例浮动，余量由OBC补足；情景3：EF与DRI占比同情景2，25%生铁通过电熔炉(Electric Smelting Furnace, ESF)生产；情景4：DRI升至占全球产量65%（结合废钢增大EF比重），余量由OBC补足。结果表明，相比现状基准，情景3与情景4的CO?e排放降低约20%；情景3强调在非选矿（non?beneficiated）矿石的ESF与OBC流程中生产生铁，情景4依赖选矿高品位矿石供应链制取适用于EF流程的DRI。高品位DRI?EF流程（情景4）铁矿石冶炼链的铁损失率（28%）显著高于非选矿DRI?ESF流程（情景3，13%）。研究表明最大化废钢回收对最小化CO?e排放有利，但未来废钢回收受残余元素累积制约。
研究背景与意义
钢铁工业贡献了全球能源部门约7%的CO?当量(CO?e)排放，其关键原料铁铁矿属不可再生资源，同时面临减排与资源枯竭双重压力。理论上全废钢电弧炉(Electric Arc Furnace, EAF/EF)炼钢可大幅降碳并节约铁矿，但实际受两大约束：(1)废钢循环过程中铜等残余元素(Residual Elements)累积，预计2030—2100年间引发质量危机，需保留一定比例原生(primary)钢稀释；(2)冶金技术持续演变，如传统开放式炉膛被氧气顶吹转炉(Oxygen Blown Converter, OBC/BF?BOF)取代，未来可能出现直接还原铁(Directly Reduced Iron, DRI)—EF或电熔炉(Electric Smelting Furnace, ESF)等新流程。现有研究多聚焦短中期单一区域且忽略铁矿资源上限及废钢残余约束，缺乏至本世纪末跨国动态模型。本文发表于《Resources Policy》，旨在量化不同技术路径、最低原生钢比例(MinPrimary)及铁矿可采储量(Ultimately Recoverable Resources, URR)下，全球分国钢铁物质流、铁矿需求及CO?e排放，为低碳转型与资源管理提供参照。
研究人员用Python 3.10编写分国动态物质流模型（附电子附录），关键方法如下：(1)搜集1920—2021年各国铁矿（含Fe量计）、生铁(Pig Iron)、DRI、粗钢(Crude Steel)、废钢进出口及消费历史数据，统一折算为含铁量(Fe basis)，按表假定各物料Fe含量（DRI 92%、生铁94%、粗钢98.5%、废钢93%）及工序损失率（DRI产制5%、生铁2%、EF 9%、ESF 5%、OBC 9%、选矿(Beneficiation) 30%）；(2)基于共享社会经济路径(Shared Socio?economic Pathways, SSP)人口与人均GDP投影，拟合分国人均—钢消费S型曲线得粗钢消费量，再据历史各国产量占比指数衰减推演全球分国产粗钢总量；(3)计算旧废钢(Old Scrap, 服役期假定35年)、新废钢(New Scrap)及返回废钢(Home Scrap)，设定四种最低原生钢比例MinPrimary＝0%/25%/50%/70%控制废钢替代上限；(4)定义四情景分配EF/OBC/DRI/ESF比例（情景1：EF≈29%、DRI 8%不变；情景2：EF随废钢/粗钢比线性变动，DRI线性增至15%；情景3：同情景2＋ESF生铁比Sigmoid增至25%；情景4：EF随废钢比＋额外DRI?EF使DRI最终达65%），用GeRS?DeMo模型按国别URR模拟铁矿产量约束下铁矿需求量；(5)依IEA(2020)等文献给定单位排放因子（采矿0.0119 tCO?e/t铁矿、选矿0.1、废钢熔炼0.3、DRI?EF 1.4、DRI?ESF?OBC 1.06、生铁?OBC 2.2 tCO?e/t钢）核算六类源CO?e。
研究结果
4. Results—粗钢产量投影
基于SSP情景，全球粗钢产量2050年为2.4—3.5 Gt Fe，2100年为1.3—4.1 Gt Fe，多数路径先升后降。证明模型结果与已有至2100年全球预测范围吻合。
4. Results—铁矿产量投影
在MinPrimary＝0%（理想全废钢）各情景均可满足至2100铁矿需求；MinPrimary＝25%基本可满足；MinPrimary＝50%在低URR高需求下情景4因高选矿损失无法维持最低原生钢比致被迫降原生钢占比；MinPrimary＝70%（近似现状）多数组合于后期无法满足需求。表明高选矿DRI路线对铁矿损耗敏感。
4. Results—原生钢比例变化
MinPrimary＝0%时2100年多数路径趋近100%废钢炼钢；MinPrimary提高则原生钢占比相应抬升，印证废钢残余约束对工艺结构的反向驱动。
4. Results—铁损失率投影
情景4（高品位DRI?EF）全流程铁损失约28%，情景3（非选矿DRI?ESF）约13%，其余情景介于二者间。说明追求深度选矿增DRI?EF虽降碳但显著放大资源折耗。
4. Results—废钢堆场(Stockpile)变化
MinPrimary＝0%下2100年全球废钢堆场相当于1—2年供应量；MinPrimary＝50%可达约50 Gt Fe（≈15年用量）。暗示远期需专门废钢储存与残余处理设施。
4. Results—CO?e排放
2100年均比排放(tCO?e/t Fe粗钢)：MinPrimary＝0%时情景1—2≈0.4、情景3≈0.4、情景4≈0.4；MinPrimary＝70%时情景1≈1.5、情景2≈1.4、情景3≈1.3、情景4≈1.2。情景3、4较情景1—2降约20%。最低MinPrimary可使排放降62%—68%（由3.5 Gt CO?e降至约1.1 Gt CO?e）。排放构成显示EF废钢与DRI?EF/DRI?ESF替代OBC生铁为主降碳来源。
讨论与结论翻译
模型受限于早期废钢历史数据缺失需估算、进出口平衡微调引入不确定、技术渗透速率假定及MinPrimary高度未知。预测区间与Keramidas et al.(2024)、Ryberg et al.(2018)等文献一致，废钢增排减碳结论与Zhang et al.(2021)等相符，残余元素约束引用Jones(2020)。未来需完善历史统计并深化残余去除技术研发以细化MinPrimary合理取值。
结论：基于人口与人均GDP增长的钢铁需求将持续上升。若要求高最低原生钢占比并结合估算URR，部分SSP下铁矿供给2050年后不能满足需求。引入ESF（情景3）或扩大选矿制DRI供EF（情景4）可比基准情景降CO?e约20%，但后者铁损失加倍(28% vs 13%)。无论一次炼钢工艺如何，最大化废钢回收（须解决残余累积或稀释用原生铁单元）是最有效减排途径。当废钢残余脱除前景有限时，以原生铁/DRI稀释将是产业可行方案，工艺具备原料灵活性对未来情景至关重要。
