1、简介：

中国是世界上最大的钢铁和化学品生产国，这两个行业都非常依赖煤炭。钢铁和煤化工行业分别占中国2020年温室气体排放量的14%和9%。钢铁和煤化工行业的温室气体排放主要来自使用化石燃料作为原料和燃烧供热。减少这些排放的挑战在于其生产过程中不可或缺的碳密集型化学反应，包括铁矿石还原用于炼钢和煤基制氢用于化学合成。由于大规模发电产生高温热量的技术在短期内不可行，仅依靠提高电气化率的方法不足以降低这些部门的排放。为了使这两个行业脱碳，中国提高了生产效率，并开始部署新兴技术，如绿氢和碳捕集、利用和储存（CCUS）。然而，通过提高效率措施减少碳排放的潜力有限，而绿氢和CCUS预计到2040年仍将耗资巨大。因此在不久的将来，钢铁和化学品的联合生产将成为削减难以减少的排放的关键战略。

在钢铁和化学品的联合生产过程中，炼钢废气（包括焦炉煤气（COG）、高炉煤气（BFG）和碱性氧气炉煤气（BOFG））中的H₂和CO被提取和纯化，以生产化学品，如甲醇和烯烃（图1）。中国的钢铁厂每年产生约1.2万亿立方米的废气，主要由CO、H₂、CH₄、CO₂和N₂组成。具体而言，COG具有高浓度的H₂（55-60%），而BFG和BOFG富含CO（分别为23-27%和50-70%）。目前，约50%的炼钢废气被送回炼钢工艺，用作还原剂和燃料，其余用于现场发电。用废气发电会产生大量碳排放，因为废气的主要成分CO的发电碳强度为1940 gCO₂eq kWh⁻¹，高于中国电力平均碳排放因子（590  gCO₂eq kWh⁻¹），甚至是燃煤发电碳强度（930 gCO₂eq kWh⁻¹）。此外，使用炼钢废气发电忽视了使用废气衍生的H₂和CO取代煤基H₂和CO的机会。在煤化工厂生产H₂时，首先将煤气化产生CO，然后将一部分CO进行水煤气变换反应以产生H₂。2020年，这一过程约占中国煤化工行业温室气体排放总量的三分之一。因此，通过避免将碳密集型CO转化为电力和煤炭基H₂生产，将炼钢废气重新用于化工生产可以大大减少钢铁和化工部门的温室气体排放。中国于2021年发布的《2030年前碳达峰行动方案》也提出鼓励钢化联产。因此，探索如何广泛且经济高效地部署钢铁和化学品的联合生产是至关重要的。

图1  化工厂的不同生产工艺：（a）当前的化学工业依赖化石资源作为能源和原料。将化石原料转化为平台化合物、中间体和最终产品会排放二氧化碳，化学反应过程还需要主要由化石燃料产生的能源，这会导致额外的碳排放。此外，在最终使用阶段，大多数化学品在垃圾填埋场降解或燃烧，从而将其化石碳作为二氧化碳释放到大气中；（b）该研究提出的将钢铁和化学品生产整合起来，通过使用富含CO和H₂的煤炭炼钢产生的过量废气作为化学品生产的原料来减少二氧化碳排放，从而降低总体碳足迹和成本；（c）从长远来看，可持续化学品生产需要通过可再生能源和碳（即捕获的二氧化碳、生物质和回收的化学产品）取代化石资源来闭合碳循环。

已有的钢化联产研究揭示了其环境和经济效益，但主要关注个别案例，不能为国家或区域层面的政策制定提供支撑。这些研究还忽略了联合生产中的一些关键过程，如气体净化和运输，这些过程会对可行性和成本效益产生重大影响。更重要的是，现有的研究聚焦于在钢铁厂周围建造新的化工厂，而不是连接现有的工厂。该研究通过分析中国钢铁和煤化工生产的工厂级特征，在现有钢铁厂和化工厂之间建立连接，评估了在中国部署钢铁和化学品联合生产的碳和成本影响。

2、方法：

地理数据库开发：该研究开发了中国地理数据库，包括272家从高炉-转炉炼钢路线产生废气的钢铁厂和187家需要H₂和/或CO进行化学合成的煤化工厂（2022年数据）。地理数据库的钢铁厂粗钢总产量为8.3亿吨/年（编者按：约占2022年中国粗钢产量的82%）。煤化工厂的总产能为9000万吨/年，总产量约7500 万吨/年，包括以煤为原料的甲醇、石油、天然气、烯烃、乙二醇和乙醇生产（编者按：约占2022年相关煤化工产量的78%）。随后，该研究从全球钢铁厂跟踪器（Global Steel Plant Tracker）和百度地图中收集了钢铁厂和煤化工厂的地理坐标，通过地理技术计算了每一座钢铁厂到煤化工厂的道路距离（272 × 187矩阵）。该研究使用道路距离代替天然气管道长度，因为管道通常根据国家指南沿道路部署。

优化模型：该研究采用反事实方法，将2022年的数据用于基准情景和联合生产情景。在基准情景中，钢铁和化学品分开生产：多余的炼钢废气在钢铁厂燃烧发电，并使用煤炭为煤化工厂生产H₂和CO。在联合生产情景中，H₂和CO从炼钢废气中提纯，然后通过管道输送到煤化工厂进行化学合成。研究使用生命周期评价（LCA）来量化与基准情景相比，联合生产情景的温室气体排放变化（图2）。该研究开发了一个优化模型，匹配钢铁厂和煤化工厂之间的H₂和CO的供需。该模型可以推导出具有成本效益的厂级连接方案，该方案以最大化联合生产情景相对于基准情景的温室气体减排量为目标函数，同时将相对于基准情景不增加任何连接成本作为约束条件。

图2  基准情景和联合生产情景下LCA的系统边界和系统组成

3、结果：

图3展示了H₂或CO用于联合生产后带来的温室气体排放和成本变化。利用来自COG的H₂、来自BFG的CO和来自BOFG的CO可以带来18.3吨CO₂eq/吨H₂、1.1吨CO₂eq/吨CO和1.2吨CO₂eq/吨CO的减排效益。使用H₂进行联合生产的温室气体减排主要来自代替煤基H₂（−22.0吨CO₂eq/吨H₂），以及相关的能源消耗下降。使用CO进行联合生产的温室气体减排主要来自避免的CO燃烧发电碳排放（−1.57吨CO₂eq/吨CO）。然而，使用H₂和CO进行联合生产会造成电网碳排放增加（7.9吨CO₂eq/tH₂和0.47吨CO₂eq/tCO）。此外，气体净化和气体压缩（用于运输）也将增加碳排放。成本变化结果表明，利用来自COG的H₂可以减少1278元/吨H2的成本；然而，利用来自BFG的CO和来自BOFG的CO将使成本分别增加251元/吨CO和134元/吨CO。由于替代了煤基H₂和CO，成本下降主要来自于化学原料的煤炭消耗量下降（8540元/吨H₂和502元/吨CO）。然而，购买额外的电网电力导致每吨H₂和每吨CO的成本分别增加7410元和444元。

图3 相对于独立生产，用于联合生产的每吨H₂或CO的温室气体排放量和成本的变化：（a）温室气体排放变化；（b）成本变化。成本使用2022年人民币。

图4展示了中国钢铁行业厂级H₂和CO的供应以及煤化工行业厂级H₂和CO的需求。钢铁和煤化工厂的空间接近性表明，炼钢尾气中净化的H₂和CO可以通过短距离管道输送到煤化工厂，尤其是在山东、河北、山西、江苏和新疆。中国的钢铁厂每年可以供应350万吨来自炼钢废气的净化H₂，相当于煤化工厂H₂需求的19%。钢铁厂每年可以供应218 万吨的CO（85%来自BFG，15%来自BOFG），相当于煤化工厂CO需求的180%。

图4  中国钢铁厂H₂和CO的供应以及煤化工厂H₂和CO的需求：（a）H₂供应和需求（b）CO供应和需求。

随后，该研究应用优化模型来确定工厂级的联合生产场景。图5显示了不同管道长度限制和碳价格下的温室气体减排率和成本降低率。更高的管道长度限制或更高的碳价格可以带来更大的温室气体减排和成本下降。随着管道长度限制从100公里增加到500 公里，温室气体减排率从3.1–6.9%上升到7.2–22%，成本降低率从0.4–3.4%上升到0.6–9.8%。当钢铁和化工行业碳价为0时，温室气体减排率将为3.1–7.2%，成本降低率仅为0.4–0.6%。每吨二氧化碳350元的碳价格将使温室气体减排率提高到6.9-22%，成本降低率提高到3.4-9.8%。

图5  在不同碳价和管道长度限制范围内，相对于独立生产，联合生产的温室气体减排率和成本降低率：（a）温室气体减排率；（b）成本降低率。

为了进一步分析，该研究使用500公里的管道长度限制和每吨二氧化碳350元的碳价格。在这些条件下，联合生产情景带来温室气体减排总量为1.13亿吨CO₂eq/年（−22%），总成本减少255亿元/年（−9.8%）。该研究进一步将这些变化按国家和省级的工业过程进行分解，如图6所示。在国家尺度上，联合生产导致电网发电和气体净化产生的温室气体排放分别增加0.47亿吨CO₂eq/年和0.2亿吨CO₂eq/年。然而，这些额外的温室气体排放可以被CO发电（−0.85亿吨CO₂eq/年）和H₂生产（−0.58亿吨CO₂eq/年）的减排所抵消。用于煤气化和/或水煤气变换反应的煤、O₂、蒸汽和电力生产的碳排放总共减少了0.43 亿吨CO₂eq/年。成本变化也有相似的模式。

在所研究的31个省份中，与基准情景相比，21个省份在联合生产情景中实现了温室气体净减排，16个省份实现了净成本减排。山西、河北、内蒙古和山东共占温室气体减排总量的67%。成本下降主要发生在山东、陕西、内蒙古和安徽。一些钢铁密集型省份在联合生产情景下净成本增加，尽管它们的温室气体排放量显著下降，例如河北和江苏。这意味着供需双方的成本效益分配不平衡。因此，需要双赢的成本效益分配来促进联合生产。具体而言，钢铁厂可以根据使用废气发电所获得的收入对副产品H₂和CO进行定价。通过这种方式，煤化工厂可以与其配对的钢铁厂分享煤炭成本节约和碳交易收益。

图6  相对于独立生产，联合生产中工业过程的温室气体排放和成本变化：（a）国家温室气体排放变化；（b）国家层面成本变化；（c）省级温室气体排放变化。（d）省级成本变化。使用500公里的管道长度限制，碳价格为350元/吨二氧化碳。成本使用2022年人民币。

该研究确定了从钢铁厂到煤化工厂成本有效的H₂和CO供应的省级流量，如图7所示。钢铁厂成本有效的供应量为280万吨H₂/年和5400万吨CO/年，分别相当于煤化工厂H₂和CO总需求的14%和43%。河北、山西、内蒙古、江苏、山东和河南提供了66%和74%的H₂和CO供应。山西、内蒙古、安徽、山东、河南和陕西获得了61%和78%的H₂和CO供应。大多数省份都有省内流动，分别占H₂和CO供应总量的48%和42%。省际流量分别占H₂和CO供应总量的52%和58%。河北和江苏等拥有密集钢铁厂的省份向周边省份供应H₂和CO。

图7  从来源省份（行）到目的省份（列）的联合生产中成本有效的H₂和CO的供应：（a）H₂流向；（b）CO流向。

基于优化模型，该研究在现有钢铁厂和煤化工厂之间获得了599个成本有效的联合生产连接。图8显示了由于燃料燃烧和化学反应减少而带来的直接温室气体减排所在的地理位置。结果表明，与H₂链接相比，CO连接带来的直接温室气体减排在全国范围内更为广泛。河北、山西、山东和河南是联合生产的重点省份，分别占所有供应和需求连接的54%和49%。此外，该研究根据温室气体减排程度从高到低对所有成本有效的连接进行了排名，发现24%的连接可以实现60%的温室气体减排和总成本降低。这突出了优先考虑这些关键连接以获得大部分碳减排和成本节约的重要性。通过将工厂级地理数据库与该研究的优化模型相结合，这项研究为决策者提供了对这些关键连接的精细见解。

图8  相对于独立生产，联合生产中H₂和CO连接带来的直接温室气体减排：（a）H₂连接；（b）CO连接。直接温室气体减排来源于燃料燃烧和化学反应的减少，以0.25°分辨率网格框表示。

4、启示：

该研究对钢铁-化工联合生产的碳和成本影响进行了系统分析。结果证明，联合生产是减少钢铁和化工部门温室气体排放的可行方式。研究还强调了优先推广钢铁厂和化工厂之间具有成本有效性的高温室气体减排和成本节约连接的重要性，以实现大部分碳排放和成本削减。研究还强调，需要在钢铁和煤炭化工厂之间建立平衡的成本效益分配机制，以激励联合生产。

该研究利用反事实情景设定，探究了联合生产的环境和经济效益。通过这种方式，研究规避了预测未来经济和技术发展水平的不确定性，但也相应地未充分考虑外生变量变化对系统的潜在影响。虽然文章在最后一部分对不确定性进行了详尽分析，但是产业共生措施在实现双碳和美丽中国目标中扮演的角色及其作用机制，仍是有待研究的问题。此外，该研究在LCA中，根据火电、煤炭和粗钢的分省产量，将电网电力、煤炭生产和管道相关的温室气体排放变化分配到省级层面，没有考虑电力、煤炭和钢铁的实际省间传输情况。