前言
减少CO2排放是当前和未来钢铁工业发展的重要任务。国际能源署（IEA）在其2℃情景（2DS）下，为2050年的钢铁行业设定了CO2排放较2011年减少28%的目标，而预计同期钢产量将增长51%。本文研究了在钢产量增长的背景下减排CO2以实现气候变化减缓目标的可能性。
2 减排CO2的方法 不同钢铁生产路线的CO2排放强度差异很大。因此优化钢铁生产路线可以减排CO2。此外，通过采用最佳可行技术（BAT）提高能源效率、采用创新技术（例如炼铁允许逐步淘汰炼焦和使用粉矿）、采用碳捕获与封存（CCS）技术等也可以达到减排CO2的目的。
2.1通过优化钢铁生产路线减排CO2 提高以废钢为原料的粗钢产量占比可以减少钢铁行业CO2排放量。2DS的目标是到2025年使用废钢的电炉钢比例达到37%。2017年，电炉钢产量仅占全球粗钢总产量的28.0%。鉴于现有的生产基础设施使用寿命、废钢获得情况和钢的质量问题，在短短八年内电炉钢所占份额从目前的状态跃升至37%几乎是不可能的。目前没有转炉中添加废钢比例的可靠数据，对于不同生产商而言，这些数据在很大范围内变化，通常为15%-30%。假设在钢铁生产中电炉钢增加的份额将消耗大部分可用废钢，因而在本文的废钢装载量模型中，转炉中废钢添加比例固定为20%。此外，本文假设到2050年逐步淘汰煤基直接还原铁，基于天然气的直接还原铁的市场份额保持不变。
2.2通过采用最佳可行技术减排CO2 自1960年以来，钢铁生产的实际能耗下降了60%。对于许多钢铁企业来说，在降低能耗方面仍然存在很大的改进空间。在本文的模型中，使用国际能源署（IEA）通过采用最佳可行技术（BAT）估算减少CO2排放量的方法，即2050年与2010年相比减少19%。假设最佳可行技术的推广使用遵循S曲线，并在2025年开始快速增长。国际能源署假定届时用于电炉生产的电力将仅有20%由化石燃料提供，而2011年这一比例为70%。基于此，假设由于电力脱碳和采用最佳可行技术，电炉的CO2排放量在2050年将比目前的水平下降70%。
2.3通过采用突破性技术减排CO2 截至目前，世界范围内开发了许多新技术，旨在实现脱碳的突破，本文简要介绍了几项关键技术。
1）炉顶煤气回收高炉 炉顶煤气回收高炉概念意味着从顶部煤气中分离出CO2，并将剩余的煤气混合物注入高炉，这对新设备和经改造的设备而言是可行性的。在瑞典LKAB公司位于Lul eo的试验高炉上进行的试验表明，90%的再循环率使焦炭消耗减少25%，相当于减少24%的CO2排放。在炉顶煤气循环比有限的情况下，将CO2排放强度降低15%更为可行。 2015年，安赛乐米塔尔法国弗洛朗日（Fl orange）钢厂计划实施炉顶煤气回收中试试验，但由于资金问题暂搁。尽管目前该项目的重新启动还没有提上日程，但本文假设从2025年开始实施，2030年开始快速增长，到2050年达到饱和。
2）COURSE50项目 日本开发的COURSE50项目，其关键核心技术是氢还原炼铁法，即用氢作为还原剂，置换一部分焦炭，以减少高炉的CO2排放。该项目使用废热分离以及回收高炉煤气中的CO2等措施，可以减少CO2排放约30%。COURSE50项目已经完成了两个研发阶段，计划在2030年之后开始实际应用和推广。本文假设该项目在2030年开始实施，从2035年开始快速增长，到2050年达到饱和。
3）HIsarna 项目 HIsarna项目采用了旋风转炉（CCF）和熔融还原炉（SRV）的组合。自20世纪90年代以来，霍高文公司开发了CCF，用于在1450℃下熔融还原铁矿石。SRV支持HIsmel t技术，而2005-2008年在澳大利亚奎那那（Kwinana）运营了一家采用该技术的产能为80万吨/年的示范工厂，该技术是由力拓、纽柯、三菱等公司合作主导的。在金融危机期间，HIsmel t设施被重新安置到中国，目前没有找到有关该项目现状的可靠信息。 HIsarna是CCF设备和HIsmel t技术的混合体，由印度塔塔钢铁公司在荷兰埃默伊登钢厂与力拓集团和其他一些炼钢和工程公司合作开发。2012-2015年，在中试工厂（8t/h）进行了一系列试验，长期结果达到设计生产率的88%。HIsarna比高炉产生更多的CO2，但由于逐步淘汰炼焦和烧结，CO2排放总量降低了20%。计划于2018年实施试生产，2020年后扩大规模并实现商业化。本文假设HIsarna可以在2025年开始实施，2030年快速增长，到2050年达到饱和。
4）Finex技术 Finex是韩国浦项钢铁公司与西门子奥钢联合作开发的炼铁技术，其基于在南非和印度商业化的Corex原型。Finex技术用一系列流化床反应器替代Corex的竖炉，加热和预还原铁矿石，并通过压块机使用低品位块矿或粉矿为原料。2003年建立了一个示范工厂（60万吨/年），随后于2007年在浦项厂投产商业工厂（150万吨/年）。2014年推出了更先进的设计简化装置（200万吨/年）。获得的最佳结果相当于高炉平均燃料消耗的97%（与炼焦和烧结相结合），而更好的过程控制应该能够将这个数字降低到90%。基于此，CO2排放量可减少10%。基于市场的接受程度，本文假设该技术从2025年开始在全球范围内采用，从2030年开始快速增长，到2050年达到饱和。 2.4通过CCS减少CO2排放量 TGR和COURSE50将采用CCS（碳捕获与封存）技术作为项目的一部分。本文乐观地假设： 1）在世界范围内取得的实质性进展将足以确保成本效益； 2）全球的法律不会阻碍CCS的大规模采用。
3 结果与讨论 建模。
全球最佳可行技术的采用允许大幅减少CO2排放，甚至将它们与2025-2035年的粗钢增长脱钩。然而，这项措施的潜力已经耗尽。如果电炉钢的份额将按计划增长，并同时采用最佳可行技术，它将在2033年之前将CO2排放量引入IEA途径，但仅持续几年。 除了最佳可行技术和电炉钢比例提高的累积效应之外，还可以应用上述四项关键突破性技术。例如，用Finex技术逐步替代所有剩余的高炉有助于更早地将CO2排放带入可持续道路，甚至将其保持在IEA确定的指标线以下近十年，但随后市场变得饱和，导致在2050年以后CO2排放量将超过IEA目标线；TGR的碳减排潜力比Finex更大，在此成就期超过三年；而对于HIsarna而言，自2045年以后排放量偏离了IEA的设计；
最后，如果成功，COURSE50项目是使CO2排放量与IEA计划的2033年至本世纪中期排放量保持一致的唯一选择。 由于技术准备水平不足，所有情景中的薄弱环节都无法在2030年之前减少CO2排放。如果在规定的时间范围内实施，只有COURSE50会超额完成IEA确定的减排CO2目标（图2）。不过，HIsarna选项看起来也非常具有吸引力，不仅因为累积CO2排放量略高于IEA目标（该技术不需要碳捕获与封存，这必须被视为一个很大的优势），而且对于缺乏炼焦和铁矿石加工基础设施但粗钢增长潜力非常高的发展中地区，HIsarna技术是新建钢厂的一个很好的选择。 显然，所有情景都将不可避免地遇到实施方面的一些障碍：缺乏资金、技术转让障碍、成本效益，法律基础等。此外，目前的一些高炉到2025年仍然在使用，一直未能拆除或进行现代化改造，这将不可避免地导致过量的CO2排放，使得全球气温升高限制在2℃以内的目标无法实现。