钢铁生产是一种能源密集型和空气污染的制造过程。2014年,钢铁行业约占中国制造业一次能源消费的28%(NBS 2015a)。2015年的钢铁产量为804 Mt(worldsteel,2016),占当年世界钢铁产量的49.5%(图1)。
2013年,中国钢铁行业贡献了中国所有主要制造业的SO2排放量的约20%,粉尘和PM排放量的27%(Wang等人,2016)。
中国还生产了世界上一半以上的水泥,2015年在中国生产了23.6亿吨(NBS 2015b)。在中国,有两种类型的窑炉用于生产水泥熟料,它们是水泥的关键成分:立窑和回转窑。立式竖窑是过时的技术,与旋转窑相比,其生产一吨熟料所消耗的能源明显更多。近年来,回转窑的水泥产量增长迅速,从2000年的116 Mt增长到2010年的1,494 Mt(图2)。
与中国水泥行业的大批量生产相一致,该行业的总CO2排放非常高,相关的空气污染物排放也很高,包括二氧化硫(SO2),氮氧化物(NOX),一氧化碳(CO)和颗粒物(下午)。这些排放物引起了重大的地区和全球环境问题。水泥行业是中国最大的PM排放源,占所有工业来源的PM排放量的40%,占全国PM排放量的27%(Lei等,2011)。
除了制定排放标准和采用管道末端排放控制技术外,中国政府的政策还着重于减少能源使用,这反过来又有助于减少温室气体(GHG)的排放。能源效率政策和计划的其他重要共同利益是通过减少空气污染物排放,减少腐蚀以及减少由地表臭氧和区域雾霾造成的农作物损失来减少对人类健康的危害。
2017年初,我和我在美国劳伦斯伯克利国家实验室的同事发表了一份研究报告,其中我们分析并预测了2010-2050年中国水泥和钢铁行业在三种不同情况下的总颗粒物(PM)和二氧化硫(SO2)排放量场景。我们使用了自下而上的排放控制技术数据来进行排放预测。制定了三种不同的方案,如下所示:
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基本方案方案:一种基准方案,该方案假定只有在2010年实施的政策才能继续生效,并且会进行自主技术改进(包括效率改进和燃料转换)。直到2050年的研究期间,管道末端排放控制技术的份额和渗透率都将保持在2010年的水平。
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先进方案:到2050年,中国将在当前具有成本效益的能源效率和可再生能源供应技术中部署最大可行份额,从而满足能源需求,并改善其能源安全和环境质量。通过研究期的2010年水平将持续到2050年。
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具有改进的管道末端(EOP) 排放控制(Advanced EOP)的高级方案:与上述高级方案类似,唯一的不同是管道末端排放控制技术的份额和贯穿研究期间的渗透率有所提高,直至2050年。
在所有这三种情况下,仅考虑大规模商业化或试用的技术。下图显示了我们的分析结果。