Оптимизация координации MAF‑ENF‑CO2 на металлургических заводах: моделирование системы и сценарии снижения выбросов

Почему сталь и изменение климата важны для всех

Сталь присутствует почти во всём вокруг нас — в зданиях, автомобилях, бытовой технике, мостах и железных дорогах. Но производство стали также является одной из самых углеродоёмких деятельностей на планете и отвечает за значительную долю глобальных выбросов парниковых газов. В этом исследовании рассматривается современный китайский металлургический завод и ставится простой, но ключевой вопрос: если изменить пути движения материалов и энергии внутри предприятия, насколько можно сократить его углеродный след без остановки производства или полного обновления?

Отслеживая потоки материалов, энергии и дыма

Авторы строят детальную карту того, как железная руда, лом, уголь, газ, электроэнергия и отработанные газы перемещаются через типичное сочетание доменной печи и кислородно-конвертерного производства стали. Они одновременно отслеживают три вещи: потоки материалов (как движутся сырьё и продукция), потоки энергии (как используются и восстанавливаются топлива и энергия) и потоки диоксида углерода (как образуются выбросы и куда они идут). Объединив эти три взаимосвязанных потока в единую математическую модель, исследователи видят, как изменение в одной части завода — например, увеличение доли переработанного лома — отражается на всех остальных этапах и в конечном итоге меняет общий объём выбросов.

Новая карта трёхсторонней координации

Вместо поэлементного анализа выбросов исследование рассматривает завод как плотную сетевую систему. Новая «трёхмерная» модель связывает цеховые операции, среднеуровневые технологические процессы и национальную климатическую политику в одну картину. Для учёта используется матричный подход — большие таблицы чисел фиксируют, сколько материалов входит и выходит из каждого процесса, сколько топлива сжигается или восстанавливается и какое количество диоксида углерода производит каждая единица энергии. С такой структурой исследователи могут быстро проверять множество сценариев «что если», например «что произойдёт при увеличении доли лома?» или «насколько упадут выбросы, если электростанция перейдёт с угля на природный газ?»

Проверка пяти путей озеленения завода

Команда применяет модель к реальному интегрированному сталеплавильному заводу в Китае, который в 2022 году произвёл около 8,9 млн тонн стали и выбросил примерно 18,5 млн тонн диоксида углерода — около двух тонн CO₂ на каждую тонну стали. Затем они моделируют пять последовательных путей улучшений. Сначала удваивают долю лома, используемого в конвертере, до 30 %, что само по себе сокращает выбросы почти на 2 млн тонн в год. Затем снижают количество стального шлака — побочного продукта, уносящего ценные металлы — чтобы меньше свежего железа приходилось выплавлять, что дополнительно уменьшает выбросы. Третий шаг заменяет часть агломерированной руды более качественными пеллетами, что немного уменьшает расход топлива и выбросы в таких передовых звеньях, как агломерация и коксование.

Превращение тепловых потерь и более чистых видов топлива в снижение эмиссии

Последние два сценария сосредоточены на энергии. В одном случае завод перестаёт сжигать избыточные газы в открытых факелах и вместо этого подаёт их на выработку электроэнергии на площадке и на установки по использованию тепловых потерь. Хотя это повышает выбросы в самом энергетическом цехе, оно предотвращает ещё большие выбросы, которые возникли бы при покупке электроэнергии у углерод-intensive сети, давая чистый эффект сокращения. Финальный сценарий заменяет угольную электростанцию завода на высокоэффективную систему на природном газе. Благодаря как более высокой эффективности, так и более низкому углеродному содержанию газа, эта одна мера сокращает выбросы примерно на 4,66 млн тонн в год — больше, чем любое другое отдельное вмешательство.

Что это значит для низкоуглеродного будущего

В целом комбинированный пакет из изменения материалов, настройки процессов и более чистой энергии сокращает выбросы завода на 6,66 млн тонн в год, при этом более чистая энергия и увеличенная доля лома обеспечивают более четырёх пятых общего сокращения. Для неспециалистов вывод прост: нет единого волшебного решения — глубокие сокращения достигаются за счёт координации того, что поступает на завод, насколько эффективно это превращается в сталь и чем питается производство. Модель даёт менеджерам и политиками прозрачный инструмент, чтобы увидеть, какие рычаги важны в первую очередь и в каком порядке их следует задействовать. Она также служит шаблоном, который другие энергоёмкие отрасли могут адаптировать по мере того, как страны движутся к пику и нейтральности по углероду.

Цитирование: Lu, B., Hu, M., Chen, D. et al. Optimizing MAF-ENF-CO₂ coordination in steel mills: system modeling and emission reduction scenarios. Sci Rep 16, 12150 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41172-4

Ключевые слова: декарбонизация стали, промышленные выбросы, энергоэффективность, переработанная ломовая сталь, переход на чистую энергию