鋼鐵行業(yè)是繼電力行業(yè)之后我國第二大排放行業(yè)，鋼鐵行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型對我國長期達(dá)成3060雙碳目標(biāo)至關(guān)重要。2020年，鋼鐵產(chǎn)業(yè)二氧化碳排放量占我國碳排放總量的16%左右。
2020年我國鋼產(chǎn)量為10.65億噸，其中轉(zhuǎn)爐法鋼鐵產(chǎn)量是9.54億噸，占89.6%；而電爐法產(chǎn)量是1.11億噸，占10.4%。2010年之后，我國轉(zhuǎn)爐法鋼鐵產(chǎn)量大約占總鋼鐵產(chǎn)量的90%左右。我國鋼鐵生產(chǎn)以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主，嚴(yán)重依賴煤基化石能源，是導(dǎo)致碳排放量較高的首要因素。
國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)量增速在2015年見底后持續(xù)回升。2020年國內(nèi)粗鋼產(chǎn)量10.65億噸，同比7%；2021年1-5月份粗鋼產(chǎn)量47310萬噸，同比增長13.9％。2020年國內(nèi)鐵水產(chǎn)量8.88億噸，同比4.3%；2021年1-5月份生鐵產(chǎn)量37990萬噸，同比增長5.4％。整體來看國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)量增速在2015年見底后，持續(xù)回升。2015年以后鋼鐵行業(yè)能源消耗強(qiáng)度有下降趨勢。2018年，黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)能源消耗總量62279萬噸標(biāo)煤，占國內(nèi)總量的比重為13.2%。2015-2018年黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)能源消耗總量增速分別是-7.77%、-2.89%、-1.88%、2.21%；從粗鋼產(chǎn)量增速、鐵水增速、能源消耗總量增速來看，2015年以后鋼鐵行業(yè)能耗增速低于粗鋼和鐵水增速，意味著鋼鐵行業(yè)能源消耗強(qiáng)度有下降趨勢。
2015年以后鋼鐵行業(yè)碳排放強(qiáng)度有下降趨勢。2017年，黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)碳排放量達(dá)到167702萬噸，占國民經(jīng)濟(jì)總體排放量的比重17.96%，2020年預(yù)計碳排放量占比約15%。行業(yè)碳排放量在2014年達(dá)到高點(diǎn)后持續(xù)下行；2015年-2017年，行業(yè)碳排放量同比分別是-6.24%、-0.38%、-0.41%。從粗鋼產(chǎn)量和碳排放量同比增速對比來看，碳排放量增速整體低于粗鋼產(chǎn)量增速，意味著鋼鐵行業(yè)碳排放強(qiáng)度有下降趨勢。
根據(jù)《中國鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南》，鋼鐵生產(chǎn)過程中的碳排放主要有四大類來源：化石燃料燃燒排放、工業(yè)生產(chǎn)過程排放、凈購入使用的電力、固碳產(chǎn)品隱含的碳排放。根據(jù)文旭林等在《鋼鐵企業(yè)碳排放核算及減排研究》對長流程鋼廠碳排放研究：燃料燃燒碳排放約占94%；凈購入電力碳排放占約6%。在燒結(jié)、煉鋼工序中，需消耗石灰石、白云石、電極、生鐵、鐵合金等含碳原料，以及生產(chǎn)熔劑過程的分解和氧化產(chǎn)生的CO2排放，約占總排放量的6%。生產(chǎn)過程中部分碳固化在企業(yè)生產(chǎn)外銷的粗鋼、粗苯和焦油中，相應(yīng)部分的二氧化碳排放應(yīng)予扣除，約占總排放量的4%。
① 化石燃料燃燒排放中，焦炭占據(jù)較大比重。
鋼鐵生產(chǎn)過程中凈消耗的化石燃燒產(chǎn)生的CO2排放，包括焦?fàn)t、燒結(jié)機(jī)、高爐等爐窯燃燒的洗精煤、無煙煤、煙煤、焦炭的排放，以及廠內(nèi)用于生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)幕疖嚒⑵囉闷裼彤a(chǎn)生的排放。由于鋼鐵生產(chǎn)過程的實(shí)質(zhì)是將鐵從礦石中還原的過程，同時需要大量能源。我國鋼鐵行業(yè)燃料燃燒排放具有以下特點(diǎn)：
焦炭是鋼鐵行業(yè)直接消耗的第一大化石燃料。從統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，2018年國內(nèi)消費(fèi)焦炭量37152萬噸，消耗煤炭29308萬噸，消耗原油0萬噸，消耗汽油3萬噸，消耗天然氣110億立方米。
焦炭消費(fèi)比高與國內(nèi)高爐工藝占比高有密切關(guān)系。焦炭作為高爐煉鐵的主原料，既是燃料、又是還原劑，同時在高爐中還起到骨架、穩(wěn)定爐料透氣性。2020年國內(nèi)高爐生鐵產(chǎn)量88752萬噸，高爐生鐵與粗鋼比為0.833，2019年比值為0.812，遠(yuǎn)高于同期的全球0.684的水平。較高的生鐵占比導(dǎo)致國內(nèi)鋼鐵行業(yè)對焦炭的消費(fèi)依賴重。
化石燃料燃燒碳排放約64.7%來自于焦炭、33.9%來自煤炭。根據(jù)易碳家給出的不同燃料燃燒釋放的CO2強(qiáng)度進(jìn)行測算；2018年國內(nèi)黑色金屬冶煉及加工行業(yè)，燃料燃燒的碳排放有64.7%來自于焦炭燃燒，有33.9%來自于煤炭，1.4%來自于天然氣。
②外購電力碳排放受電力供給結(jié)構(gòu)決定；電力系統(tǒng)深度脫碳直接降低鋼鐵行業(yè)外購電力碳排量。
鋼企外購電力占比低。從統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，2018年黑色金屬冶煉加工業(yè)電力消費(fèi)6142億千瓦時，占行業(yè)總能耗比重12.12%。從趨勢來看，1995年以來行業(yè)電力消費(fèi)比重持續(xù)上升，由6%上升到12.12%。從重點(diǎn)鋼企的數(shù)據(jù)來看，2020年噸鋼耗電量456.9千瓦/噸，相當(dāng)于噸鋼總能耗的8.4%。重點(diǎn)鋼企的電力占總能耗的比重也在提升，由7.5%上升到8.4%。根據(jù)冶金規(guī)劃院在《中國鋼鐵工業(yè)節(jié)能低碳發(fā)展報告(2020)》發(fā)布數(shù)據(jù)，國內(nèi)鋼企2019年自發(fā)電量比例為53%。測算鋼企外購電力占總能耗的比重約5%-6%。
碳排放來自電力供應(yīng)端。2020年國內(nèi)發(fā)電結(jié)構(gòu)中，以煤炭、油氣為主的火電發(fā)電占比71%，核電占比5%，水電占比16%，風(fēng)、光伏、生物質(zhì)發(fā)電占比8%。整體來看，上游電力供應(yīng)端中化石能源占比超70%，這是外購電力碳排放的主要來源。
電力系統(tǒng)深度脫碳直接降低鋼鐵行業(yè)外購電力碳排量。未來隨著風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)容量的進(jìn)一步提升，2030年國內(nèi)實(shí)現(xiàn)一次能源中非化石占比25%，電力系統(tǒng)對化石能源消耗將進(jìn)一步降低，電力系統(tǒng)的深度脫碳將直接帶動鋼鐵行業(yè)外購電力碳排放量。
3、鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的路徑
鋼鐵行業(yè)碳中和是非常復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，不是簡單的節(jié)能環(huán)保問題，而是發(fā)展方式的問題，需要在冶煉技術(shù)、生產(chǎn)原料、配套設(shè)施等諸多方面對原有生產(chǎn)方式進(jìn)行革新。
（一）由高爐—轉(zhuǎn)爐法轉(zhuǎn)向電弧爐冶煉法
推廣使用電弧爐冶煉法可以顯著降低煉鋼過程的CO2排放量，我國目前電弧爐冶煉法產(chǎn)量占比有很大的提升空間，因此可以通過將鋼廠現(xiàn)有的大量高爐—轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線轉(zhuǎn)為電弧爐生產(chǎn)線來實(shí)現(xiàn)減碳。工信部在2020年12月31日發(fā)布《關(guān)于推動鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》，要求我國到2025年電爐鋼產(chǎn)量比例提升至15%以上，力爭達(dá)到20%。
但是電弧爐冶煉法并不可能完全替代高爐—轉(zhuǎn)爐法等使用鐵礦石為原料的煉鋼工藝。電弧爐冶煉法使用廢鋼為原料，而鋼材在使用過程中會有鐵元素的損耗流失，全社會產(chǎn)生的廢鋼也不可能全部都得到回收。因此鋼鐵行業(yè)必須要通過開采冶煉鐵礦石才能補(bǔ)充鋼材使用產(chǎn)生的折舊，以鐵礦石為原料的冶煉工藝仍將持續(xù)存在。
無論鋼廠采用何種煉鋼工藝，生產(chǎn)過程中都需要消耗大量電力。目前我國發(fā)電仍以消耗化石能源的火電為主，在2020年火電占比就達(dá)69%，水電、光伏發(fā)電、風(fēng)電及核電的占比仍較低。為了降低耗電導(dǎo)致的CO2排放，鋼鐵企業(yè)可以通過布局余熱余能發(fā)電系統(tǒng)、利用工廠空間建設(shè)光伏電站或風(fēng)電站等方式提高自發(fā)電比例，也可以盡可能地利用水電資源來生產(chǎn)，例如電爐煉鋼企業(yè)可以將生產(chǎn)線建設(shè)在水電資源豐富的西南地區(qū)。
對于傳統(tǒng)煉鋼過程中要用到的煤、天然氣或石油，未來可以逐步用可再生的氫能予以替代。目前瑞典鋼鐵行業(yè)是全球第一個實(shí)現(xiàn)“無化石燃料鋼鐵制造”價值鏈的國家，其采用的就是新一代氫還原冶煉技術(shù)，國內(nèi)也有部分鋼企也已采用氫能煉鋼。氫氣可以通過不消耗化石能源的方式制取，例如電解水、收集其他化工生產(chǎn)中的副產(chǎn)氫。對于以鐵礦石為原料的煉鋼工藝來說，使用氫能是解決化石能源碳排放問題最可行的路徑。
（三）提升生產(chǎn)配套設(shè)施綠色水平
鋼鐵生產(chǎn)是復(fù)雜的系統(tǒng)過程，其中既涉及到鋼的冶煉，也涉及到物流運(yùn)輸、庫存管理等配套服務(wù)。因此要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，同時也要提升鋼鐵生產(chǎn)配套設(shè)施的綠色水平。
例如，在綠色物流體系建設(shè)方面，以鐵礦石為原料的鋼鐵產(chǎn)能應(yīng)該布局在沿江沿海地區(qū)，充分利用水運(yùn)的低碳優(yōu)勢，在鐵礦石等原料的運(yùn)輸環(huán)節(jié)降低碳排放水平。而且目前我國的鋼鐵消費(fèi)也主要分布在沿海地區(qū)，通過布局可以減少鋼材銷售環(huán)節(jié)不必要的物流運(yùn)輸，從而降低碳排放。
此外，在生產(chǎn)全流程管理方面，鋼鐵企業(yè)可以通過數(shù)字化、智能化改造全面提升節(jié)能和能效水平。比如寶鋼就在可持續(xù)發(fā)展報告中披露，公司在四大基地推進(jìn)行業(yè)最新節(jié)能減排技術(shù)的全流程覆蓋，在過程提標(biāo)及領(lǐng)先減排技術(shù)、工藝源頭節(jié)能減排技術(shù)、節(jié)能低碳流程銜接技術(shù)、系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)等方向?qū)ιa(chǎn)流程進(jìn)行低碳改造。
（四）針對鋼鐵生產(chǎn)特點(diǎn)開發(fā)應(yīng)用CCUS技術(shù)
所謂CCUS（Carbon Capture, Utilization and Storage）即碳捕獲、利用與封存，通過CCUS技術(shù)可以把生產(chǎn)過程中排放的CO2進(jìn)行提純，繼而投入到新的生產(chǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用。鋼鐵行業(yè)在實(shí)現(xiàn)碳中和的過程中如果完全消除對化石能源的消耗，不僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)難度很大，而且在經(jīng)濟(jì)上也會極大地增加鋼鐵生產(chǎn)成本。因此保留一定程度的化石能源使用可能才是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和最現(xiàn)實(shí)的情景。在這種情景下，鋼鐵行業(yè)就需要使用CCUS技術(shù)對這部分碳排放進(jìn)行處理。
但目前CCUS技術(shù)的發(fā)展尚處于起步階段，已得到應(yīng)用的部分技術(shù)如二氧化碳降解塑料的生產(chǎn)成本很高，離大規(guī)模應(yīng)用還有很長距離。未來鋼鐵行業(yè)可以根據(jù)鋼材的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)開發(fā)新型的CCUS技術(shù)，新技術(shù)可以結(jié)合化工、能源等鋼鐵相關(guān)產(chǎn)業(yè)，在更長的產(chǎn)業(yè)鏈條上實(shí)現(xiàn)CO2的收集利用。例如東北大學(xué)研發(fā)的鋼鐵-化工-氫能一體化網(wǎng)絡(luò)集成CCUS技術(shù)（圖4），通過鋼鐵、化工協(xié)同，為我國以高爐—轉(zhuǎn)爐法為主的鋼鐵產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳凈零排放提供了創(chuàng)新解決方案。這種技術(shù)下鋼鐵生產(chǎn)過程所排放的CO2可以最終制成多種化工產(chǎn)品。
圖4：鋼鐵-化工-氫能一體化網(wǎng)絡(luò)集成智能制造
資料來源：東北大學(xué)鋼鐵前沿技術(shù)研究院，遠(yuǎn)東資信整理
在鋼鐵行業(yè)僅依靠自身改造無法完全實(shí)現(xiàn)CO2凈零排放的情況下，購買“森林碳匯”也是一個實(shí)現(xiàn)碳中和的可行路徑。所謂“森林碳匯”是指通過植樹造林、植被恢復(fù)等措施，吸收大氣中的二氧化碳，從而實(shí)現(xiàn)“碳”的捕獲和固定。非經(jīng)濟(jì)林所有者可以對外出售“森林碳匯”，作為一種可交易的碳排放權(quán)。鋼鐵企業(yè)可以針對無法完全消除的CO2排放量購買“森林碳匯”，從而在全社會整體的層面實(shí)現(xiàn)碳中和。但購買“森林碳匯”將會給鋼鐵行業(yè)企業(yè)額外增加成本，且未來“森林碳匯”資產(chǎn)價格還可能出現(xiàn)大幅上漲。
冶金工業(yè)規(guī)劃研究院黨委書記、總工程師李新創(chuàng)在“2021‘碳中和·零碳中國’峰會暨第四界中國能源投資發(fā)展論壇”發(fā)表了題為《鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)》的演講，提出了鋼鐵行業(yè)五大低碳發(fā)展路徑。李新創(chuàng)指出，目前中國鋼產(chǎn)量占全球的產(chǎn)量57%，但中國鋼鐵行業(yè)占全球鋼鐵行業(yè)碳排放的65-70%。無論是從國內(nèi)、國際來看，鋼鐵行業(yè)都是重點(diǎn)碳排放攻堅(jiān)目標(biāo)之一。我們規(guī)劃院配合發(fā)改委、工信部，初步完成了鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的行動方案，根據(jù)我們的研究成果，認(rèn)為鋼鐵行業(yè)具備提前達(dá)峰條件，將力爭在2025年前達(dá)峰。
