钢铁行业脱碳的短中长期路径
【谷腾环保网讯】中国是世界钢铁第一大消费国和第一大生产国。根据世界钢铁协会数据，2022年中国大陆粗钢产量和成品钢表观消费量分别约10.18亿吨、9.21亿吨，占全球总量的54%、51.7%。
作为重要的“工业粮食”，钢铁是国之基石，支撑着中国经济的快速发展。但与此同时，钢铁行业也是国内碳排放的主要来源，其排放仅次于电力行业，占全国排放总量的15%以上。2022年，中国钢铁行业碳排放超过18亿吨。如果要实现本世纪末全球平均气温上升不超过1.5℃的目标，到2050年中国钢铁行业需减排约100%。
当前，钢铁行业在内、在外都面临巨大的减排压力。2020年，中国提出“双碳”目标，作为工业领域排名第一的碳排放来源，钢铁行业首当其冲。与此同时，发达国家正在设置“绿色贸易壁垒”，中国钢铁企业将面临出口成本上升、价格优势缩小、产品竞争力下降的挑战。
钢铁行业自身迫切需要减碳。此外，钢铁是基础设施建设、汽车制造、装备制造、建筑等领域的主要原材料，从产品生命周期的角度来看，钢铁行业实现低碳转型，对于带动制造业、建筑业等为主的全社会减碳行动具有重要意义。
以煤炭为主的能源结构和长流程为主的工艺结构，导致中国吨钢碳排放高于世界平均水平。短期来看，以产能产量双控、节能技改等手段推动钢铁行业存量优化，是达峰阶段的优先减排路径；中期来看，优化工艺结构、推动能源结构转型是巩固达峰基础，迈向碳中和的有效手段；长期来看，突破性氢冶金技术是钢铁行业未来实现碳中和的核心，CCUS（二氧化碳捕集、利用与封存）技术则将为最终实现碳中和托底。
深化供给侧改革、深化去产能、压产量、推进存量优化，是钢铁行业的发展基调。图/视觉中国
短期：节能技改，压减产量
2010年至2020年间，中国钢铁行业吨钢综合能耗累计下降了17.9%，但对比发达国家仍有差距，能耗强度尚有15%-20%的下降潜力。至2020年底，国内高炉和转炉工序能效低于基准水平的产能均约占30%，优于标杆水平的产能分别仅占4%和6%，行业整体有较大的提升空间。
节能降耗对钢铁行业长期整体减碳的贡献并不多，但由于具有经济效益，更容易被钢铁企业所接受。
中创碳投“钢铁行业边际减排成本模型”研究显示，强化减排情景下，到“十五五”（2026年-2030年）末期，钢铁行业碳排放总量将下降3.9亿吨，其中节能减排技术的应用将带来约1700万吨减排量。虽然减排贡献仅占12.22%，但得益于技术成熟度高，生产增效带来的经济效益要高于综合技术成本，平均减排成本为-348.47元/tCO2，较其他减排技术有明显的经济效益优势。
在壳牌集团和《财经》杂志2022年7月联合举办的“赋能进步”高峰论坛上，宝山钢铁股份有限公司副总经理傅建国也表示：“节能优先是国家的战略，随着能源的价格上升，钢铁产品里能源的价格和成本接近达到50%，我们非常有动力开展这项活动。”
宝武钢铁集团（以下简称“宝武”）是全球规模最大的钢铁企业，由宝钢股份、中南钢铁、马钢集团、太钢集团、八一钢铁组成。宝武在其《绿色低碳发展报告》中提到，将聚焦余热余能资源化、提升界面能效的创新与应用，实现全流程能源效率提升，挑战极致能效，其减排潜力为减碳3%-5%。
由于钢铁行业粗钢产量仍处高位，即使不断提升能效水平，钢铁行业碳排放规模依旧巨大。因此，深化供给侧改革，严格控制产能产量，推进存量优化是钢铁行业中短期内减碳最直接、有效的手段。
2021年，工信部出台新版《钢铁行业产能置换实施办法》，进一步提高产能置换比例，要求扩大强管控区域，并鼓励企业兼并重组，提高产业集中度，随后发布的《“十四五”原材料工业发展规划》中也明确要求，到2025年粗钢产能只减不增，产能利用率保持在合理水平。碳达峰碳中和“1+N”政策中，同样强调了钢铁行业深化供给侧改革、深化去产能、压产量、推进存量优化的行业发展基调。
宝武集团自2016年启动“压减”工作。宝武提出，将通过化解产能每年减少二氧化碳排放约4000万吨，通过能效提升每年减少二氧化碳排放约1100万吨。
中期：优化工艺结构、推动能源结构转型
钢铁行业主要有三种生产工艺:“高炉+转炉”工艺流程、“氢基直接还原+电炉”工艺流程、“废钢+电炉”工艺流程，其中“废钢+电炉”工艺流程碳排放强度最低。
以传统长流程（高炉+转炉）为主的工艺结构，很大程度上决定了中国钢铁行业高能耗、高排放的特征。据测算，中国每吨粗钢的碳排放约为2.35吨二氧化碳，高于世界约1.91吨的平均水平。而短流程（废钢+电炉）工艺直接以还原铁为原料、通过电解还原，碳排放强度仅0.87-1.25吨CO2/吨。
短流程不仅有助于减少碳排放，还能够促进资源循环利用，保障资源安全。废钢是节能降碳的绿色资源，也是唯一可以替代铁矿石的铁素来源。中国铁矿石的对外依存度高达80%以上，2021年铁矿石进口11.2亿吨左右，占全世界铁矿石出口量的70%。充分利用废钢资源，有助于缓解对外资源依赖。
然而，2021年，中国大陆电炉钢产量占比仅约10.6%，远低于美国69.2%、欧盟43.9%、 日本25.3%的水平。此外，电炉钢产能利用率不足60%。宝武集团报告显示，其电炉钢产量仅占粗钢产量6.5%左右。
废钢资源量不足，价格过高，阻碍了当前电炉炼钢的进一步发展。电炉短流程的吨钢生产成本高于长流程约300元-600元，其中废钢占短流程炼钢成本超75%，电力成本约占6%-15%。据测算，在目前市场情况下，当废钢价格在1600元/吨时，电炉钢才有竞争力，而目前废钢价格仍在2500元/吨的高位。
电力与废钢的资源错配也是电炉钢发展的一大困境。电力约占短流程能源消耗总量的80%，用电成本对短流程影响较大。以“胡焕庸线”为界，钢铁企业、用电需求以及废钢资源主要集中在中东部地区，而低廉电力、可再生资源则主要分布在西北部地区。从产能分布来看，电炉产能主要集中在华东和华南地区，两者约占电炉总产能的54.3%，而电力能源丰富的西南、西北地区地区的产能分布仅为12.3%和3.7%。
宝武计划在新疆巴州钢铁建设占地4.7平方公里的世界首条钢铁短流程“零碳工厂”示范产线，形成“光伏绿电+电炉+薄带连铸连轧”绿色零碳钢铁短流程示范项目。该项目由八钢建设，产线将通过使用光伏绿电和林业碳汇，实现碳排放为零。
长期：突破氢冶金技术，以CCUS托底
氢冶金的基本原理就是以氢气作为还原剂，代替碳将铁氧化物还原为金属铁。由于氢还原的过程中没有碳元素的参与，不产生二氧化碳等温室气体，也就从根本上减少了冶炼过程的碳排放。
氢冶金是实现钢铁工业零碳发展最关键的解决方案，目前世界各大钢铁龙头企业都在积极进行氢冶金技术攻关和产能布局，逐渐形成了以富氢高炉、氢基竖炉为核心的两大氢冶金技术路线。据中创碳投行业减排模型测算，在钢铁行业碳达峰阶段，氢冶金技术可以实现0.71亿吨的减碳量。
宝武在报告中提到，高炉是极高效率的反应器，能为炼钢提供最洁净的原料，其效率和地位在很长一段时间内都很难被其他工艺完全替代。以富氢碳循环为手段，以降低高炉还原剂比为方向，重构高炉流程，最大程度利用碳的化学能，以工业绿色电气化取代碳进行加热，可以实现高炉流程的大幅减碳。
傅建国亦表示，宝钢股份有大量长流程的资产，这个资产如果放弃，对钢铁行业意味着巨大的损失，目前正积极投入一些新的冶金技术，在传统的长流程冶金工艺中进行变革。
2022年7月，全球首个400立方米工业级别的富氢碳循环氧气高炉HyCROF在八钢公司正式亮相、点火投运。
该项目历时多年：2019年，中国宝武启动对八钢公司已废弃的430立方米高炉的改造；2020年底，其成为全球首个实现35%富氧冶炼目标的高炉；2021年6月，实现风口喷吹脱碳煤气和焦炉煤气，是全球高炉首次实现脱碳煤气循环利用的案例，减碳效果15%以上。
除了已经实施的全氧富氢煤气循环之外，该项目还将规划光电制氢和CO2的资源化利用产线建设，形成一个完整的430立方米级工业化的高炉低碳冶金示范产线和试验工厂。
根据宝武的规划，2035年前后，富氢循环高炉技术将开始助力减碳，预计减碳潜力30%-50%，氢基竖炉紧随其后，预计减碳潜力50%-90%。
理想状态下，氢基竖炉工艺方案可以使用清洁能源制取氢气，使用氢气还原铁矿石炼铁，有望实现钢铁冶炼过程的近零碳排放。
宝钢湛江钢铁、中晋太行、河钢张宣科技等企业都在尝试推进氢基竖炉项目。
以宝钢湛江钢铁的项目为例，该项目计划建设一套绿氢全流程零碳工厂，其中百万吨级竖炉工程已于2021年底奠基，预计2023年底建成，投产后对比传统铁前全流程高炉炼铁工艺同等规模铁水产量，每年可减少二氧化碳排放50万吨以上。
根据规划，未来该项目将利用南海的天然气，乃至利用南海地区光伏、风能制氢，形成与钢铁冶金工艺相匹配的全循环、封闭的流程，产线碳排放较长流程降低90%以上，并通过碳捕集、森林碳汇等实现绿氢全流程零碳工厂。
低碳冶金技术是缺乏模仿对象的“无人区”，需要加快创新，推进技术攻关。2021年11月，宝武倡议并联合全球钢铁业及生态圈伙伴单位，共同发起成立“全球低碳冶金创新联盟”。
同时，宝武面向全社会设立低碳冶金创新基金，提供每年3500万元以内的资金，重点资助低碳冶金领域基础和应用基础研究。
根据国际能源署（IEA）发布的2020年钢铁行业技术路线图，预计到2050年，钢铁行业通过工艺改进、效率提升、能源和原料替代等常规减排手段后，仍将剩余34%的碳排放，即使氢冶金技术取得突破性进展，剩余碳排放也将超过8%。因此，CCUS将是最终实现碳中和的托底技术。
当前，中国CCUS示范项目整体规模较小，成本较高，且布局主要集中在发电、石化等行业，个别钢铁企业也是刚刚开始探索。
2022年11月，宝钢股份与中石油、壳牌、巴斯夫签署合作谅解备忘录，四家企业将合作在华东地区共同启动我国首个开放式千万吨级CCUS项目。同月，包钢集团200万吨CCUS项目一期50万吨示范项目岩土工程勘察工作全面完成，该项目是钢铁行业首个CCUS全产业链示范工程，将分为三期建设。
结语
作为仅次于发电行业的第二大碳排放来源，钢铁行业的减排对实现碳达峰碳中和目标至关重要。但与任何一个行业的减碳一样，这并不是仅凭行业自身就能够实现的事，需要下游用户、政府、金融机构等多方共同推进，形成合力。
一位钢铁行业高层在与《财经》交流时提到，欧洲用户群明确提出了减碳要求，政府也搭建了相对完善的交易机制，因此欧洲钢铁企业减碳更有动力，路线也更清晰。而中国很多下游行业仍在观望，汽车行业的需求相对明确，但大部分制造业、建筑行业等，并没有明确的需求。此外，钢铁行业目前仍未被纳入全国碳市场，对行业而言，何时投入、投入后能否得到回报，仍然是模糊的疑问。“尽快明确路线，企业可以尽早谋划，这涉及大量资金，也涉及现有资产要在何时结束生命周期、长流程向短流程切换进程等等，是否能掌握好时机，对行业来说生死攸关。”
（作者陈梦梦、潘聪超为中创碳投研究院高级分析师、郑慧为《财经》杂志产业研究中心研究员；编辑：马克。更详细的分析请见中创碳投即将发布的《钢铁企业低碳发展路径白皮书》）
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