中國鋼鐵行業(yè)碳排放源頭治理分析與策略研究

田勇，田中明，王念軍，李亞娜，呂金秋，寧生龍，馬俊堯，呂寶棟，李澤安

（鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

中國鋼鐵行業(yè)是能源消耗和碳排放的大戶，能耗占比達到全國的11%，碳排放量占總量的15%，在制造業(yè)31個門類中位居首位[1]。傳統(tǒng)的高爐-轉(zhuǎn)爐長流程粗鋼冶煉工藝以化石燃料煤炭為主，應(yīng)用廣泛；而低碳工藝的電弧爐短流程冶煉受廢鋼成本高等因素制約未得到大量普及，占比僅有9.02%；氫冶金技術(shù)不成熟，也未得到實質(zhì)性應(yīng)用；碳交易推動鋼鐵減碳作用不明顯，我國鋼鐵行業(yè)在降低碳排放強度和碳排放總量上遇到瓶頸。因此有必要分析影響降低中國鋼鐵行業(yè)碳排放制約因素，統(tǒng)籌全局，在完善原料及碳交易市場體系，低碳關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用，優(yōu)化行業(yè)布局等方面，制定相應(yīng)的優(yōu)化措施，突破“碳”束縛，從根本上解決中國鋼鐵行業(yè)碳排放存在的突出問題。

1 中國鋼鐵行業(yè)碳排放現(xiàn)狀

1991-2020年中國粗鋼產(chǎn)量和CO2排放趨勢見圖1。由圖1看出，與1991年相比，2020年噸鋼CO2排放量下降幅度約58%，但由于粗鋼產(chǎn)量迅速增長，鋼鐵行業(yè)CO2排放總量由1991年的2.78億t增加到2020年的歷史最高值17.56億t[2]。

圖1 1991-2020年中國粗鋼產(chǎn)量和CO2排放趨勢Fig.1 Raw Steel Output and CO2Emission Trend in China from 1991 to 2020

可見，鋼鐵行業(yè)的碳中和是一項龐大的戰(zhàn)略性、系統(tǒng)性工程，涉及到政策[3]、市場[4]、供應(yīng)鏈[5]、產(chǎn)業(yè)布局[6]、工藝流程[7]等諸多環(huán)節(jié)，是雙碳戰(zhàn)略中的焦點。

2 中國鋼鐵行業(yè)碳排放的突出問題分析

2.1 產(chǎn)能結(jié)構(gòu)問題突出，碳排放總量巨大

世界主要國家與地區(qū)粗鋼產(chǎn)量、人均產(chǎn)量[8]、碳達峰時間及達峰年鋼產(chǎn)量[9]統(tǒng)計見表1。由表1看出，大部分國家與地區(qū)實現(xiàn)碳達峰后均降低了粗鋼產(chǎn)量。根據(jù)國家統(tǒng)計局公布數(shù)字，2021年中國粗鋼產(chǎn)量10.33億t，較2020年同比下降3%，產(chǎn)能利用率為79.2%，基本處在合理區(qū)間[10]。相比產(chǎn)能總量，能源消耗的結(jié)構(gòu)性問題更突出，2001-2018年中國鋼鐵行業(yè)各類能源消耗、碳排放情況及占比見圖2[11]。

表1 世界主要國家與地區(qū)粗鋼產(chǎn)量、人均產(chǎn)量、碳達峰時間及達峰年鋼產(chǎn)量Table 1 Raw Steel Output,Per Capita Output,Emission Peak Time and Steel Output in Peak Year of Main Countries and Regions in the World

圖2 2001-2018年中國鋼鐵行業(yè)各類能源消耗、碳排放情況及占比Fig.2 Various Energy Consumption,Carbon Emissions by Iron&Steel Industry in China from 2001 to 2018 and Their Percentages

圖2直觀表明中國鋼鐵行業(yè)能源資源消耗仍以焦炭和煤炭為主。圖3為2001-2020年中國粗鋼產(chǎn)量及電爐鋼占比，圖4為2020年世界主要鋼產(chǎn)國粗鋼產(chǎn)量及電爐鋼占比的對比。

圖3 2001-2020年中國粗鋼產(chǎn)量及電爐鋼占比Fig.3 Raw Steel Output and Percentage of EAF Steel in China from 2001 to 2020

圖4 2020年世界主要鋼產(chǎn)國粗鋼產(chǎn)量及電爐鋼占比的對比Fig.4 Comparison of Raw Steel Output and Percentage of EAF Steel in Main Steel-producing Countries in World in 2020

由圖 3、4看出，2020年中國電爐鋼產(chǎn)量為9 600萬t，只占總產(chǎn)量的9.02%，遠(yuǎn)低于世界平均水平，產(chǎn)能結(jié)構(gòu)帶來的碳排放問題突出。

2.2 短流程工序成本高，企業(yè)缺乏轉(zhuǎn)型動力

2019年，工信部發(fā)布的《關(guān)于引導(dǎo)電弧爐短流程煉鋼發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》提出，力爭到“十四五”末，電爐鋼產(chǎn)量占粗鋼總產(chǎn)量的比例提升至20%左右；2022年，工信部、國家發(fā)改委和生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于推動鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》再次明確要有序引導(dǎo)短流程煉鋼。

當(dāng)前制約短流程工序發(fā)展的主要因素是經(jīng)濟問題。以鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司為例，短流程和長流程冶煉成本對比見表2所示。

表2 朝陽鋼鐵短流程和長流程冶煉成本對比Table 2 Comparison of Steel-smelting Cost between Short Flow Process and Long Flow Process in Chaoyang Steel Branch

由表2可以看出，電爐冶煉要比轉(zhuǎn)爐冶煉成本高309.4元，分析主要原因有：① 廢鋼價格高，相較高爐鐵水沒有成本優(yōu)勢；②電爐冶煉熔劑、電能和其他介質(zhì)消耗高；③電爐無法實現(xiàn)負(fù)能煉鋼。成本因素制約了企業(yè)工藝轉(zhuǎn)型的內(nèi)生驅(qū)動力，短流程煉鋼長期處于占比低、產(chǎn)能利用率低的局面，導(dǎo)致了中國鋼鐵行業(yè)碳排放量居高不下。

2.3 氫冶金技術(shù)不成熟，尚不具備產(chǎn)業(yè)化條件

2020年中國鋼鐵行業(yè)鐵前工序的能耗占比達到81.74%，因此降低鐵前能耗占比是降低鋼鐵行業(yè)總能耗和總碳排放量的關(guān)鍵。

考慮節(jié)能和降碳綜合效應(yīng)，采用氫基還原煉鐵將是最直接、最有效的方式。但氫氣冶金熱平衡和反應(yīng)過程控制難度極大，盡管世界各國進行了大量研究，仍未取得突破性進展[12]。氫基冶煉另一個突出問題是低成本氫氣制取。目前，主要制氫方法對比見表3[13]。電解水制氫和新型制氫法可從根本上消除碳排放，但成本很高，難以產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

表3 主要制氫方法的對比Table 3 Comparison of Main Methods for Hydrogen Preparing

2.4 產(chǎn)業(yè)布局偏重沿海，距內(nèi)陸能源基地遠(yuǎn)

進入21世紀(jì)，隨著中國鋼鐵產(chǎn)能的激增，對海外原料和消費市場依賴程度不斷加大，中國鋼鐵行業(yè)布局由內(nèi)陸近礦型逐步轉(zhuǎn)向沿海近港型。2005年7月出臺的《鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》明確指出：從礦石、能源、資源、水資源、運輸條件和國內(nèi)外市場考慮，大型鋼鐵企業(yè)應(yīng)主要分布在沿海地區(qū)[14]。從那時起至今，中國鋼鐵行業(yè)基本形成了沿海及沿長江水道布局，2021年中國大陸各省區(qū)市粗鋼產(chǎn)量分布見圖5。

圖5 2021年中國大陸各省區(qū)市粗鋼產(chǎn)量分布（萬t）Fig.5 Contribution of Raw Steel Output in Various Provinces,Districts and Cities in Chinese Mainland in 2021

未來鋼鐵行業(yè)低碳化轉(zhuǎn)型勢必對進口鐵礦石的依賴度降低，而對廢鋼供應(yīng)和非化石能源電力的依賴度將明顯提升，因此中國鋼鐵行業(yè)過于偏重沿海布局，距離內(nèi)陸新能源基地較遠(yuǎn)的問題也日益突出。

2.5 碳交易步伐滯后，交易價格推動力不足

2021年統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，全國已參與碳排放權(quán)交易試點的鋼鐵企業(yè)粗鋼產(chǎn)量僅約占全國的1/7，大多數(shù)鋼鐵企業(yè)還處于研究政策、制定路線圖、初步核查等準(zhǔn)備工作階段，整個行業(yè)參與碳交易步伐滯后[15]。

另外，中國碳交易均價僅為23.5元/t，而歐盟碳市場交易價格已突破50歐元/t，顯然國內(nèi)碳交易價格不足以彌補短流程與長流程成本差距，對鋼鐵行業(yè)碳減排推動力不足[16]。

根據(jù)上述分析，可以確定中國鋼鐵行業(yè) “雙碳”發(fā)展面臨的主要矛盾是：鋼鐵產(chǎn)能和工藝流程結(jié)構(gòu)問題帶來的超大規(guī)模碳排放總量與碳中和路徑不完善不成熟之間的矛盾，矛盾的關(guān)鍵是碳排放源頭問題。因此，鋼鐵行業(yè)必須多措并舉強化源頭治理，有效降低CO2排放強度和排放總量。

3 推進鋼鐵行業(yè)碳排放源頭治理的策略

3.1 統(tǒng)籌再生鋼鐵原料市場體系

（1）加快建設(shè)全國統(tǒng)一的再生鋼鐵原料大市場

據(jù)測算，未來10年左右中國廢鋼資源總量將增加50%，電爐煉鋼產(chǎn)能比例將接近40%[17]。日益增加的廢鋼蓄積量和需求量與當(dāng)前廢鋼加工流通渠道小、散、亂的現(xiàn)狀存在著巨大矛盾。大力推動可再生鋼鐵原料全國統(tǒng)一大市場建設(shè)，規(guī)范廢鋼等可再生鋼鐵原料的市場交易，改變鋼鐵原料市場的價格亂象，為短流程工藝推廣創(chuàng)造先決條件。

（2）探索推動廢鋼期貨上市交易

推動廢鋼期貨上市交易，有助于發(fā)揮衍生品功能，服務(wù)廢鋼產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)持續(xù)發(fā)展。未來應(yīng)加快廢鋼期貨品種上市進程，為實體企業(yè)提供有效的避險平臺。在期貨交割質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上可借鑒國標(biāo)與行標(biāo)，并參考重點鋼廠采購標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)貨貿(mào)易習(xí)慣搭建分類指標(biāo)，利于企業(yè)參與期貨交易，進一步提高期貨市場服務(wù)實體經(jīng)濟的作用。

3.2 加速推動氫基冶煉產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

（1）行業(yè)內(nèi)部加快實現(xiàn)氫基冶煉技術(shù)突破

目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)主要氫冶金示范項目進展情況如表4所示。

表4 國內(nèi)鋼鐵企業(yè)主要氫冶金示范項目進展情況Table 4 Progress on Main Demonstration Projects for Hydrogen Metallurgy in Iron and Steel Enterprises at Home

應(yīng)該看到，作為世界頭號鋼鐵生產(chǎn)大國，這些項目從基礎(chǔ)的深度和應(yīng)用的廣度上遠(yuǎn)不能滿足雙碳戰(zhàn)略的要求。鋼鐵行業(yè)應(yīng)發(fā)揮我國集中力量辦大事的體制優(yōu)勢，將氫基冶煉作為重要戰(zhàn)略方向，匯聚全行業(yè)科研創(chuàng)新力量，力爭早日實現(xiàn)突破。

（2）加強行業(yè)間協(xié)同，積極融入氫能產(chǎn)業(yè)鏈

鋼鐵行業(yè)應(yīng)搶抓氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展契機，積極融入氫能產(chǎn)業(yè)鏈，利用國家先期發(fā)展優(yōu)惠政策，拓展新業(yè)務(wù)新領(lǐng)域，加快推動低碳轉(zhuǎn)型。

一是積極介入制氫環(huán)節(jié)。目前，鋼鐵企業(yè)用氫來源主要為焦?fàn)t煤氣。資料表明，10 000 m3/h焦?fàn)t煤氣制氫、制LNG和發(fā)電的年效益分別約為2 500、1 000 和 800 萬元，制氫效益可觀[18]。 未來，鋼鐵企業(yè)要全面提升氫產(chǎn)率，實現(xiàn)“藍(lán)氫”的制備。

二是在儲氫環(huán)節(jié)加快探索開展氫氣儲運服務(wù)。積極規(guī)劃建設(shè)配套液氫工廠，完善氫氣液態(tài)運輸管道、槽車、自備加氫站等設(shè)備設(shè)施，實現(xiàn)“綠氫”的大量使用。

3.3 構(gòu)建多層次低碳化產(chǎn)業(yè)布局

（1）微觀層面：布局氫基煉鐵-短流程煉鋼工廠

2021年新版《鋼鐵產(chǎn)能置換實施辦法》規(guī)定，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)轉(zhuǎn)電爐生產(chǎn)時可等量置換。鋼鐵企業(yè)應(yīng)利用好這一政策，加速完善氫基煉鐵-短流程煉鋼工廠設(shè)計、建設(shè)與運行。具體分以下兩步：

首先在廢鋼資源富集區(qū)域引入先進的電爐工藝裝備，逐步置換轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能，同時為未來氫基煉鐵預(yù)留實施空間。

隨著氫基煉鐵技術(shù)的突破，因地制宜地發(fā)展氫基豎爐、富氫高爐、氫基熔融還原等工藝，實現(xiàn)與廢鋼互補的原料體系，最終形成氫基煉鐵-短流程煉鋼的低碳工廠。

（2）中觀層面：布局鋼鐵-非化石能源發(fā)電-化工聯(lián)合體

低碳模式下的鋼鐵企業(yè)離不開“綠氫”、非化石能源電力的供應(yīng)，鋼鐵流程自身也不斷產(chǎn)生可再生能源介質(zhì)。因此在中觀層面的產(chǎn)業(yè)布局上，應(yīng)本著優(yōu)勢互補、資源互用原則，形成鋼鐵-能源-化工產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體布局如圖6所示，實現(xiàn)能源介質(zhì)優(yōu)化利用。

圖6 鋼鐵-能源-化工產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體布局Fig.6 Layout of Iron and Steel-Energy-Chemical Industry Association

（3）宏觀層面：重構(gòu)中國鋼鐵行業(yè)整體布局

考慮到低碳發(fā)展和下游行業(yè)對鋼鐵產(chǎn)品要求的差異，中國鋼鐵行業(yè)在宏觀層面應(yīng)形成新的布局模式，即：① 使用鐵礦石為主，生產(chǎn)高品質(zhì)、高純凈度產(chǎn)品，適應(yīng)高端要求的長流程鋼廠仍保持沿海沿江布局；② 使用廢鋼、直接還原鐵為主，生產(chǎn)普通產(chǎn)品，適應(yīng)中低端需求的短流程產(chǎn)能逐步轉(zhuǎn)向內(nèi)陸，并構(gòu)成鋼鐵-能源-化工產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體。

以2021年中國大陸地區(qū)各省區(qū)市GDP總量（與鋼鐵消費量和廢鋼積蓄量相關(guān)）和非化石能源發(fā)電量分布為依據(jù)，如圖7所示，綜合考慮非化石能源發(fā)電量、廢鋼蓄積量與消費市場的因素，中國西南部川、滇、桂，東南粵、閩，華中鄂、湘，北方內(nèi)蒙、遼寧地區(qū)應(yīng)該成為未來短流程鋼廠布局的優(yōu)先區(qū)域。

圖7 2021年中國大陸各省區(qū)市GDP總量和非化石能源發(fā)電量分布Fig.7 Distribution of Total GDP and Non-fossil Energy Power Generation in Various Provinces,Districts and Cities in Chinese Mainland in 2021

3.4 強化交易杠桿，撬動源頭治理

2021年6月，生態(tài)環(huán)境部向中鋼協(xié)發(fā)布《關(guān)于委托中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會開展鋼鐵行業(yè)碳排放權(quán)交易相關(guān)工作的函》，標(biāo)志著鋼鐵行業(yè)成為繼電力和建材后第三個被納入全國碳市場的重點行業(yè)。

（1）打造更加完善的碳交易市場

目前，中國的碳交易市場已初步形成了以配額為核心，涉及資產(chǎn)交易、減排創(chuàng)新、氣候投融資的多方位市場體系，試點地區(qū)鋼企碳排放效率平均提升了12.6%[19]。在可預(yù)見的未來，不斷完善的碳交易政策和碳市場將通過促進技術(shù)創(chuàng)新、降低能源強度、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局等方式，有效促進鋼鐵行業(yè)碳排放源頭治理。

（2）促進全行業(yè)建立碳資產(chǎn)管理理念和模式

全行業(yè)應(yīng)盡快適應(yīng)加入全國碳交易市場的形勢，加快以碳管理為核心的產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整，更加積極主動構(gòu)建內(nèi)部碳資產(chǎn)管理體系，切實提升企業(yè)綠色發(fā)展領(lǐng)域的競爭力。一是搭建平臺，以最基本的數(shù)據(jù)統(tǒng)計報送為基礎(chǔ)；二是配備和培養(yǎng)掌握碳交易特殊標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的專業(yè)人才隊伍；三是全面構(gòu)建涵蓋數(shù)據(jù)采集、分析、控制到報送，從內(nèi)部管理能力到外部交易實務(wù)各環(huán)節(jié)完整的碳資產(chǎn)體系；四是圍繞企業(yè)整體的戰(zhàn)略目標(biāo)制定相應(yīng)的碳資產(chǎn)管理策略，及時掌握政策趨勢，隨時優(yōu)化調(diào)整。

（3）完善鋼鐵行業(yè)環(huán)境產(chǎn)品聲明平臺建設(shè)

2022年5月19日，鋼鐵行業(yè)環(huán)境產(chǎn)品聲明（EPD）平臺首發(fā)上線，并發(fā)布了首份報告。初步實現(xiàn)了按國家統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，對包括產(chǎn)品碳足跡在內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進行披露，是鋼鐵企業(yè)體現(xiàn)減碳責(zé)任、開展國際貿(mào)易的重要資質(zhì)。鋼鐵企業(yè)要共同嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范做好平臺發(fā)布工作；加強溝通交流，盡快推動EPD互認(rèn)；進一步加強平臺的治理架構(gòu)建設(shè)，確保平臺的獨立性和第三方屬性。努力把EPD平臺打造成行業(yè)參與、政府支持、用戶認(rèn)可、市場采信、國際公認(rèn)的平臺，推進鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展從“點”的突破向“面”的轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)語

“雙碳”戰(zhàn)略是中國鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展面臨的首要任務(wù)和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，也是實現(xiàn)跨越式進步的重大契機。要遵循“先立后破、穩(wěn)中求進”的總基調(diào)，在宏觀政策層面，構(gòu)建全國統(tǒng)一、運行有序的碳交易、碳金融、鋼鐵原料市場體系和融資平臺；在基礎(chǔ)研發(fā)領(lǐng)域，發(fā)揮舉國體制優(yōu)勢，打通關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，推進產(chǎn)業(yè)應(yīng)用；在行業(yè)布局方面，打破地區(qū)、行業(yè)、企業(yè)間壁壘，統(tǒng)籌產(chǎn)業(yè)格局、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和碳素流向，中國鋼鐵行業(yè)一定能夠突破“碳”束縛，為實現(xiàn)鋼鐵強國夢、為建設(shè)全人類美好生活家園做出歷史性、開創(chuàng)性貢獻！