《Journal of Cleaner Production》：Designing carbon allowance allocation for blast furnace decarbonization in China: Impacts on retirement and low-carbon transition
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摘要钢铁行业是全球减排工作中的关键领域之一。近年来，中国建立了中国碳排放权交易体系（CCETE）。按照现行的运行规则，该体系在推动钢铁行业减排方面的激励作用仍有提升空间。本研究对CCETE进行了优化，并建立了炉级高炉碳排放数据库。随后确定了不同的碳排放权分配方案与利润阈值，以此模
摘要
钢铁行业是全球减排工作中的关键领域之一。近年来，中国建立了中国碳排放权交易体系（CCETE）。按照现行的运行规则，该体系在推动钢铁行业减排方面的激励作用仍有提升空间。本研究对CCETE进行了优化，并建立了炉级高炉碳排放数据库。随后确定了不同的碳排放权分配方案与利润阈值，以此模拟到2050年的二氧化碳减排效果。研究结果表明，现行方案共分配了约29.2亿吨的碳排放权。由于碳排放权过剩或不足所导致的合规成本在-11至9元人民币/吨热金属之间。优化后的方案可使总碳排放权量减少1.8至2.7亿吨。在优化方案下，通过淘汰高排放高炉可实现的碳减排量约为0.7至9.8亿吨。那些以高炉生产为主的地区贡献了总减排量的47%至49%。不同分配方案预计可淘汰313至868百万吨的高排放产能，同时还能加速高排放高炉的低碳改造。低碳技术的减排效果会受到碳排放权分配方案的影响，总减排量在0.3至12.4亿吨之间。这些研究结果可为设计中国钢铁行业及其他领域的碳排放权分配方案提供依据，从而助力整个社会的深度脱碳。
引言
钢铁行业是全球碳减排的关键领域之一（国际能源署，2021；辛等人，2023）。目前钢铁生产仍主要依赖高炉-转炉工艺，而这一工艺的深度脱碳难度较大，制约了整个行业的减排进程（王等人，2021）。作为炼铁的核心设备，高炉既是大量的二氧化碳排放源，又是资金密集型资产，因此很容易出现碳锁定现象（Seto等人，2016）。所以，高炉减排不仅依赖于低碳技术，还取决于现有高炉的退役时间或改造时机（Johnson等人，2025；吴等人，2025）。
国际经验表明，排放交易体系已成为碳密集型工业领域减少排放的重要政策工具，其中欧盟排放交易体系及其与碳边境调节机制的协同设计尤为具有代表性（欧盟委员会，2024；Rübbelke等人，2022）。欧盟排放交易体系通过总量控制与交易机制对钢铁等能源密集型行业施加碳约束，同时长期以来一直采用免费分配碳排放权的方式，以减轻企业的合规负担（Vogl等人，2021a）。随着欧盟气候政策的不断收紧，欧盟排放交易体系与碳边境调节机制正在共同改变钢铁行业的政策环境与转型预期（Li等人，2025）。免费分配的碳排放权正在逐步减少，边境碳约束则不断加强，报告与合规要求也愈发严格。碳价格的影响不再仅仅体现在提高行业的平均成本上，还会进一步影响不同企业及设施的减排激励、投资决策以及技术替代的速度（Harpprecht等人，2022）。这些经验表明，评估钢铁行业中的碳市场政策效应时，不能仅考虑碳价格水平，还需兼顾碳排放权分配规则以及政策逐步收紧的过程（Zhang等人，2026）。
在钢铁行业向低碳转型的背景下，现有的研究大多着眼于全球或国家层面的深度脱碳路径，重点比较氢冶金、碳捕集与封存、电弧炉工艺等技术的减排潜力、成本及应用限制（Fan和Friedmann，2021；Wei等人，2022；Xue等人，2024）。这些研究还指出，能源供应、基础设施以及区域资源条件可能会制约相关技术的应用（Wang等人，2025；Yang等人，2022）。钢铁生产设施的使用寿命、大修投资及退役方式，以及设备更新的时间节点，都会显著影响钢铁行业的脱碳成效，并决定减排量最大的出现时段（Lei等人，2023；Seto等人，2016）。此外，在碳市场机制下，免费分配碳排放权、设定基准标准以及保护企业竞争力之间存在明显的权衡关系，不同的分配规则既会影响减排激励的强度，也会影响低碳投资的导向（欧洲议会，2023）。
近年来，中国不断完善中国碳排放权交易体系，为钢铁行业的减排提供了重要的市场化手段（中华人民共和国生态环境部，2021、2024；2025b）。与直接的减排监管要求不同，中国碳排放权交易体系通过免费分配碳排放权、开展排放核算以及处理合规问题，将碳约束转化为企业实际需要承担的成本。随着钢铁等行业被纳入国家碳市场，相关的碳排放权分配规则也逐渐明确，这为在设施层面探讨碳排放权分配与合规成本问题奠定了制度基础。近期的一些研究从碳排放权分配、行业层面的减排效果、企业竞争力以及钢铁行业的区域溢出效应等方面对中国碳排放权交易体系进行了分析（Jin等人，2020；Li和Hanaoka，2022；Quan和Duan，2023）。这些研究表明，碳市场的设计会影响到中国钢铁行业的减排激励与合规成本。不过，现有的分析大多停留在行业、区域或企业层面，较少关注碳排放权分配规则是如何通过碳排放权缺口与合规成本传导到单个高炉的，以及这些信号又如何影响高炉的退役时机与低碳改造的窗口期。对于高炉而言，即便在同一企业内部，不同设备的排放强度、产能规模及运营状况也存在差异，这会导致其碳排放权出现不同程度的过剩或不足。因此，仍需要一个全国范围的设施级分析框架，以便充分考虑高炉之间的差异、不同的免费碳排放权分配规则以及由此带来的成本变化，进而系统地分析碳排放权收紧策略与不同碳价格情景对高炉减排路径的影响。
本研究建立了针对单个高炉的设施级排放与产能数据库，以此反映不同高炉在排放强度与产能规模上的差异。在此基础上，将中国碳排放权交易体系的免费碳排放权分配规则与碳排放权上缴规则纳入高炉层面的成本核算中，使得实际排放量与分配到的碳排放权之间的差距能够转化为每台高炉的合规成本。通过进一步整合基准排放强度方案、碳排放权收紧路径、碳价格走势以及利润阈值，本研究分析了碳市场信号如何影响高炉的退役决策、二氧化碳减排效果以及退役后的低碳改造潜力。这种设施级的分析视角为评估以高炉为基础的钢铁行业在碳市场驱动下的脱碳路径提供了更为详细的依据。
章节要点
数据来源
初始数据由中国钢铁工业协会提供。此外，依托研究团队与国内钢铁企业的长期合作，通过实地调研与沟通获得了更多信息。该数据集主要涵盖了基准年份前后三年的最新运营数据。在数据处理过程中，去除了重复记录以及包括停产、大修、试运行在内的异常运营数据。
高炉的碳排放量与地理分布
本研究整理了高炉的位置、容积等级以及二氧化碳排放水平等相关信息。图1(a)显示，2025年的二氧化碳总排放量约为1.44亿吨。由于数据获取的限制，本研究的高炉数据集仅覆盖了中国28个省份。根据高炉的容积大小，这些高炉被分为四类：276座小型高炉（容积小于1000立方米）、479座中型高炉（容积在1000至3000立方米之间）、49座大型高炉（容积在3000至5000立方米之间），以及9座特大型高炉。
讨论
从政策实施的角度来看，碳排放权分配的影响是由分配的严格程度、碳价格以及钢铁行业的盈利能力共同决定的。更为严格的分配规则可以通过增加碳排放权缺口与合规成本，促使高排放强度的高炉提前退役，而碳价格与利润阈值则进一步决定了退役的压力大小。因此，碳排放权收紧的节奏需要合理把握。
局限性与未来工作
本研究构建了一个设施级分析框架，用于评估在碳排放权分配约束下的高炉退役与低碳转型路径。需要注意的是，该研究存在若干不确定性因素与局限性。首先，设施级数据库本身可能存在不确定性。尽管该数据库涵盖了中国28个省份的813座高炉，且基本包含了所有以高炉为主的炼铁区域，但其中仍有一些规模较小、刚投入运行、处于闲置状态的高炉未被纳入统计。
结论
本研究建立了设施级高炉数据库，并系统分析了在中国碳排放权交易体系下，不同的碳排放权分配方案设计对高排放强度高炉的退役以及低碳转型所产生的影响。研究结果表明，不同严格程度的分配方案可以通过改变各高炉之间的碳排放权缺口与合规成本，进而调整高排放强度高炉的退役顺序，进而对相关减排进程产生进一步影响。
CRediT作者贡献说明
黄正华：概念构思、数据整理、定量分析、研究调查、方法设计、结果可视化、初稿撰写。焦克新：概念构思、资金筹集、方法设计、研究指导、论文审阅与修改。张建亮：概念构思、项目管理、资源协调、研究指导、论文审阅与修改。范晓月：定量分析、结果可视化、论文审阅与修改。张健：研究调查、资源协调、论文审阅与修改。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金的财政支持（项目编号：52174296）。
Zhenghua Huang|Kexin Jiao|Jianliang Zhang|Xiaoyue Fan|Jian Zhang
