近日，厂长资源 程金平长聘研究员团队在环境领域著名期刊《Environmental Science & Technology》在线发表了题为“Coupled Energy-Industrial Transitions Shape Heterogeneous Carbon-Air Pollution Cobenefits and Spatial Emission Leakage in China’s Steel Industry”的研究成果。厂长资源 2022级直博生史夏虹为论文第一作者，程金平研究员为论文共同通讯作者。论文第一作者及第一通讯单位均为厂长资源 。
研究背景
钢铁行业约占全球终端能源需求的8%和能源相关CO2排放的7%，是工业部门协同推进降碳减污的重点行业。中国粗钢产量已连续20余年位居世界首位，自2017年以来持续占全球总产量的一半以上，2024年达到10.05亿吨，占全球的53.39%。钢铁行业已成为我国仅次于电力行业的第二大煤炭消费和CO2排放部门，能源消费量和CO2排放量分别占全国总量的11%和15%以上，其排放变化对我国“双碳”目标的实现、空气质量改善及全球工业减排具有重要影响。
现有研究已建立工厂级排放数据库，并系统评估了钢铁行业低碳转型路径，以及能效提升、电气化和结构调整等措施对CO2与SO2、NOx、颗粒物等主要大气污染物的协同削减潜力。然而，相关研究更多关注特定技术路径的总体减排效果，对区域能源与产业条件如何影响协同效益及减排路径选择的系统认识仍显不足。我国钢铁生产具有明显的空间集聚特征，区域间资源禀赋、生产规模、工艺路线、能源利用、企业组织和环境约束的差异及其相互作用，可能使相同技术路径产生不同的减排效果与环境效益。基于此，本研究构建了覆盖2866家企业、约4030个生产单元的中国钢铁行业设备级排放数据库，解析2011—2022年CO2与主要大气污染物的排放演变及驱动机制，识别区域能源—产业耦合特征与差异化减排优先级；通过七类减排情景评估2023—2050年碳污协同减排潜力，进一步量化全国净减排背景下的潜在空间排放泄漏，并模拟2030年空气质量响应。研究将区域排放驱动机制与未来减排路径相衔接，为将全国减排目标落实为适应区域能源与产业条件的分阶段转型策略提供量化依据。
图1 钢铁行业碳污排放的区域能源—产业耦合影响机制
图文导读
中国钢铁行业CO2排放于2019年达到1.99 Gt峰值，2022年较峰值下降4.4%，但仍高出2011年30.9%；2011—2022年，SO2、NOx和PM排放分别下降83.6%、20.9%和80.7%。驱动分解表明，2011—2021年，产业集中度提高和能效提升是CO2减排的主要驱动因素，分别贡献1037.4 Mt和816.3 Mt的减排量；能源结构优化则主导了大气污染物减排，减排贡献累计为3.8 Mt APeq。结合排放驱动与强度特征，研究识别出规模驱动增长型、效率约束高强度型、规模—能源耦合型、产能分散型和结构调整减排型五类区域，揭示了区域能源系统、生产流程与产业重组对碳污排放的差异化作用机制。
图2 2011—2022年中国钢铁行业生产与碳污排放时空变化特征
图3 钢铁行业碳污排放驱动因素定量分解与区域能源—产业耦合特征识别
在假设不采取额外控制措施的基准情景下，中国粗钢产量预计于2050年降至868.55 Mt。在此需求变化背景下，降碳与减污的主导路径呈现分异：2023—2050年，粗钢产量约束与电炉短流程扩张预计分别贡献22.1%和19.86%的累计CO2减排量；落后产能淘汰与能源结构调整则将主导大气污染物减排，贡献分别为22.31%和21.90%。综合减排情景下，CO2排放强度预计于2030年降至1.5 t/t以下，并于2050年进一步降至约0.6 t/t。
区域能源—产业条件进一步影响减排路径的优先级：规模扩张主导地区应重点推进产量约束与生产流程转型；高排放强度地区需强化现有长流程产能重组、炼铁能效提升与炉料结构优化；规模与能源结构共同驱动的地区则需协同推进能源替代与生产结构调整。废钢供给、电力成本以及既有长流程产能的空间分布，共同制约了短期内通过短流程替代实现减排的潜力与进程。因此，相较于仅依赖扩大电炉钢占比，中国钢铁行业更需要结合区域能源—产业条件，分阶段统筹存量长流程产能升级与生产结构转型。
图4 钢铁行业多情景碳污排放预测与区域差异化减排优先级
区域差异化转型在实现全国排放总量下降的同时，可能伴随着局地增排与排放负担的空间转移。综合减排情景下，以2022年为参照，2030年局地CO2增排总量达145.29 Mt，空间泄漏率为17.39%，高于大气污染物的10.18%。这一差异与CO2排放对生产规模和长流程产能的持续依赖相一致，而在超低排放改造作用下，大气污染物排放与钢铁产量呈现更强的脱钩。增排地区主要集聚于国家大气污染防治重点区域之外，反映出区域环境约束与产能承接条件差异下的潜在排放转移效应。随着技术升级、结构调整与产能重组持续推进，2050年CO2和大气污染物空间泄漏率分别降至2.38%和1.65%，但部分地区仍持续增排，表明产能再配置与长流程产能保留所产生的规模效应，可能持续抵消当地减排措施的成效。
钢铁行业碳污协同减排能够改善环境空气质量，但不同污染物及区域间的浓度响应存在差异。综合减排情景下，2030年全国SO2、NO2、PM10和PM2.5平均浓度较同年基准情景下降6.30%—14.74%，较2022年下降5.42%—12.27%。相较2022年，华北地区SO2浓度下降20.4%，中南地区仅下降2.70%；东北地区PM浓度下降约12%，而华东地区在2022年虽贡献全国31.42%的钢铁产量，颗粒物浓度降幅仍不足1.1%。上述响应分异表明，钢铁行业减排的空气质量效益受到区域污染背景、产业结构及其在多源排放体系中相对贡献的共同制约。在产业高度集聚且经济结构多元的地区，单一行业减排对区域大气污染物平均浓度的边际改善更为有限，凸显了区域多源协同控制的必要性。
图5 钢铁行业减排对主要大气污染物环境浓度的影响及其空间响应
作者简介
史夏虹，厂长资源 2022级直博生。主要研究方向为污染源碳污排放高精度表征与协同减排路径。博士期间，以第一作者身份在Environ. Sci. Technol.（2篇）、Resour. Conserv. Recycl.等期刊发表SCI论文5篇，申请发明专利5项，作为“蓝天保卫站技术团队”领队获评2024年校学生年度人物（团体），获2026年度上海市环境科学学会生态环境科学技术奖二等奖（排名7/13）。
程金平，厂长资源 长聘研究员，博士生导师。中国环境科学学会大气环境分会第八届委员会常务委员，中国环境科学学会臭氧污染控制专业委员会委员，上海市微量元素学会副理事长，重庆市环境科学学会大气环境专业委员会副主任委员，上海市环境环保环境大数据与智能决策重点实验室副主任。近年来在大气污染防治、基于多源数据融合的污染源实时管控与预警预测、大数据驱动的非现场监管与执法辅助、在线数据自动审核以及AI在环境管理中的应用等方面形成了较好的实践积累。主持或参与包括国家自然科学基金、国家重点专项、地方生态环境局在内的科研项目200余项，发表论文100余篇，获省部级奖项5项，申请专利20余项。