基于区域废钢与能源可用性的中国电弧炉炼钢扩展路径定制

《iScience》：Tailoring electric arc furnace steelmaking expansion pathways based on regional scrap and energy availability in China

　　

电弧炉（EAF）炼钢是中国低碳钢铁转型的基础，而不均衡的区域资源和能源条件极大地制约了其低碳发展。本研究采用省级物质流分析-产能整合框架并结合多情景建模，探索针对性的区域脱碳路径。尽管全国废钢供应总体能满足国内EAF需求，但各省之间存在严重错配：主要生产省份（包括河北36.3 Mt和广东32.0 Mt）严重依赖跨省废钢调运。低碳电力富集区与核心EAF枢纽在空间上分离，导致省级电力碳强度差异显著（到2060年为0.101–0.171 kg CO₂ kWh^?1），以及各情景下EAF排放的异质性（69.6–92.7 Mt）。本研究强调动态废钢循环、可再生能源匹配和差异化省级政策，以协调全国钢铁脱碳。

全球钢铁行业约占CO₂排放总量的7%，是净零排放目标面临的重大挑战。中国作为世界最大产钢国，2024年粗钢产量占全球54%以上，且以碳密集型的高炉-转炉（BF-BOF）路线为主。电弧炉（EAF）炼钢的吨钢排放仅0.70 t CO₂，远低于BF-BOF路线的2.32 t CO₂/t钢，因此推广EAF被广泛视为钢铁业深度脱碳的关键策略。然而，EAF扩张的可行性从根本上取决于上游废钢与电力资源的供需匹配。中国各省在资源禀赋、电力结构、产业基础和废钢可用性上存在高度异质性，导致EAF部署潜力差异显著，而“一刀切”政策难以奏效。已有研究多聚焦于全国尺度或单一因素（如废钢量或电力碳强度），鲜有将废钢供应链、电力系统转型与EAF产能演化置于统一省级框架下进行系统耦合分析。为此，研究人员构建了省级物质流分析（MFA）-产能整合框架，结合多情景建模，量化了2025–2060年中国31个省级行政区（不含港澳台）的EAF产能与产量、废钢供需平衡、电力结构演变及CO₂排放轨迹，进而提出差异化区域发展路径。该研究成果发表于《iScience》。

研究采用的主要技术方法包括：①利用层次分析法（AHP）与熵权法（EWM）组合赋权，结合TOPSIS模型计算各省EAF发展潜力得分，并以此为基础通过逻辑增长函数和Weibull分布模拟EAF产能扩张与退役的动态过程；②基于存量驱动的动态MFA，分别估算钢厂自产废钢、加工废钢，以及建筑、机械、电力、家电、汽车五大部门的报废（EOL）废钢，并按质量分级建模回收过程；③以最小化省级间接碳排放为目标函数，在电力供需平衡、可再生能源渗透率上限和能源安全约束下，构建省级电力发展路径模型，计算逐年电力碳强度；④按EAF技术代际分别核算直接排放（化石燃料燃烧）和间接排放（电力消费）。所有数据均来自公开统计资料。

在结果部分，研究首先揭示“中国EAF的省级分布”特征。2013至2022年全国EAF钢产量由74.0 Mt增至96.7 Mt，但设备高度集中于东部和中部省份，如广东、四川、湖北、江苏；废钢资源则更多分布于河北、山东等传统长流程大省，清洁电力富集区如内蒙古、四川、云南又与EAF主产区错位，形成空间不匹配。

其次，“EAF扩张的废钢资源错配模式”显示，到2060年三种情景下EAF钢产量为375–381 Mt，废钢需求为408–411 Mt，全国废钢供应量356–422 Mt总体可满足需求，但省级层面呈现四种类型：持续盈余区（如江苏、山东）、持续赤字区（如吉林、新疆）、先盈后亏区（如河北、山西、内蒙古）和先亏后盈区（如广东、四川、湖北）。研究据此提出分阶段“北-南”与“东-西”动态废钢循环走廊，并辅以差异化的省级废钢管理政策。

第三，“电力结构的区域部署与利用”表明，2060年基准、加速和雄心情景下全国电力碳强度分别为0.171、0.121和0.101 kg CO₂ kWh^?1。各省碳强度总体持续下降，但下降速率和时间序列因资源禀赋、可再生能源部署节奏及跨省电力流动而显著不同，甚至出现基准情景下某省碳强度低于加速情景的反直觉现象，说明跨区电力竞争和输电依赖对省级碳强度有重要影响。

第四，“区域脱碳路径与政策选择”指出，全国EAF总排放随产量增长而上升，但加速和雄心情景可有效抑制增幅，2060年分别降至74.6和69.6 Mt，而基准情景为92.7 Mt。排放集中在广东、江苏等产量大省，北京、海南因不设EAF产能而排放为零。研究将各省划分为传统钢铁基地（如河北、山西）、可再生能源富集区（如内蒙古、云南、四川）和废钢盈余制造区（如江苏、广东）三类，并分别提出淘汰落后产能、绿电优先配置、建设高标准废钢回收体系等政策组合，同时强调建立全国性废钢质量认证与跨省交易平台以支撑资源互补。

讨论部分强调，废钢供需失衡将随时间动态演变而非静态固定，废钢循环体系应设计为分阶段、自适应的过程。电力系统发展受国家政策导向（如西藏新建水电站）和区域竞争的共同影响，钢铁脱碳高度依赖省级电力低碳转型进度。该MFA-产能整合框架虽然基于中国国情构建，但其识别的废钢供应与生产活动的空间错配、产能扩张与资源可得性的时间错位、工业电气化与电力系统转型的耦合等核心机制，对欧盟、美国、日本等主要产钢经济体同样具有可迁移的参考价值。

研究结论部分指出：本研究对中国EAF炼钢扩张进行了全面的省级评估，整合MFA、产能评估和情景建模，将废钢供需动态、电力可用性和区域脱碳潜力联系起来。结果证实，虽然全国废钢供应总体足以支持未来EAF扩张，但废钢可用性、EAF产能分布和低碳电力获取之间存在显著空间错配。各省EAF炼钢的CO₂排放表现出不同模式，这种差异受各地区生产规模、电力结构以及废钢供需平衡的影响。为使区域EAF发展与中国的钢铁脱碳目标相一致，必须制定适合各省特点的协调国家战略。关键政策重点包括建立动态的跨省废钢循环系统以解决空间错配，将EAF部署与可再生能源丰富的电力资源相结合，以及根据当地资源禀赋和产业结构实施差异化省级路径。本研究提供了空间明确的框架和可操作见解，用于平衡区域差异，确保EAF炼钢作为实现中国碳中和目标的核心路径能够可持续且公平地扩张。