制造業(yè)第一碳排放大戶鋼鐵行業(yè)脫碳的短中長(zhǎng)期路徑

陳夢(mèng)夢(mèng)　潘聰超　鄭慧

深化供給側(cè)改革、深化去產(chǎn)能、壓產(chǎn)量、推進(jìn)存量?jī)?yōu)化，是鋼鐵行業(yè)的發(fā)展基調(diào)。圖/視覺(jué)中國(guó)

中國(guó)是世界鋼鐵第一大消費(fèi)國(guó)和第一大生產(chǎn)國(guó)。根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2022年中國(guó)大陸粗鋼產(chǎn)量和成品鋼表觀消費(fèi)量分別約10.18億噸、9.21億噸，占全球總量的54%、51.7%。

作為重要的“工業(yè)糧食”，鋼鐵是國(guó)之基石，支撐著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。但與此同時(shí)，鋼鐵行業(yè)也是國(guó)內(nèi)碳排放的主要來(lái)源，其排放僅次于電力行業(yè)，占全國(guó)排放總量的15%以上。2022年，中國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放超過(guò)18億噸。如果要實(shí)現(xiàn)本世紀(jì)末全球平均氣溫上升不超過(guò)1.5℃的目標(biāo)，到2050年中國(guó)鋼鐵行業(yè)需減排約100%。

當(dāng)前，鋼鐵行業(yè)在內(nèi)、在外都面臨巨大的減排壓力。2020年，中國(guó)提出“雙碳”目標(biāo)，作為工業(yè)領(lǐng)域排名第一的碳排放來(lái)源，鋼鐵行業(yè)首當(dāng)其沖。與此同時(shí)，發(fā)達(dá)國(guó)家正在設(shè)置“綠色貿(mào)易壁壘”，中國(guó)鋼鐵企業(yè)將面臨出口成本上升、價(jià)格優(yōu)勢(shì)縮小、產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力下降的挑戰(zhàn)。

鋼鐵行業(yè)自身迫切需要減碳。此外，鋼鐵是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、汽車制造、裝備制造、建筑等領(lǐng)域的主要原材料，從產(chǎn)品生命周期的角度來(lái)看，鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型，對(duì)于帶動(dòng)制造業(yè)、建筑業(yè)等為主的全社會(huì)減碳行動(dòng)具有重要意義。

以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)流程為主的工藝結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致中國(guó)噸鋼碳排放高于世界平均水平。短期來(lái)看，以產(chǎn)能產(chǎn)量雙控、節(jié)能技改等手段推動(dòng)鋼鐵行業(yè)存量?jī)?yōu)化，是達(dá)峰階段的優(yōu)先減排路徑；中期來(lái)看，優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu)、推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是鞏固達(dá)峰基礎(chǔ)，邁向碳中和的有效手段；長(zhǎng)期來(lái)看，突破性氫冶金技術(shù)是鋼鐵行業(yè)未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和的核心，CCUS（二氧化碳捕集、利用與封存）技術(shù)則將為最終實(shí)現(xiàn)碳中和托底。

2010年至2020年間，中國(guó)鋼鐵行業(yè)噸鋼綜合能耗累計(jì)下降了17.9%，但對(duì)比發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距，能耗強(qiáng)度尚有15%-20%的下降潛力。至2020年底，國(guó)內(nèi)高爐和轉(zhuǎn)爐工序能效低于基準(zhǔn)水平的產(chǎn)能均約占30%，優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能分別僅占4%和6%，行業(yè)整體有較大的提升空間。

節(jié)能降耗對(duì)鋼鐵行業(yè)長(zhǎng)期整體減碳的貢獻(xiàn)并不多，但由于具有經(jīng)濟(jì)效益，更容易被鋼鐵企業(yè)所接受。

中創(chuàng)碳投“鋼鐵行業(yè)邊際減排成本模型”研究顯示，強(qiáng)化減排情景下，到“十五五”（2026年-2030年）末期，鋼鐵行業(yè)碳排放總量將下降3.9億噸，其中節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用將帶來(lái)約1700萬(wàn)噸減排量。雖然減排貢獻(xiàn)僅占12.22%，但得益于技術(shù)成熟度高，生產(chǎn)增效帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益要高于綜合技術(shù)成本，平均減排成本為-348.47元/tCO2，較其他減排技術(shù)有明顯的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。

在殼牌集團(tuán)和《財(cái)經(jīng)》雜志2022年7月聯(lián)合舉辦的“賦能進(jìn)步”高峰論壇上，寶山鋼鐵股份有限公司副總經(jīng)理傅建國(guó)也表示：“節(jié)能優(yōu)先是國(guó)家的戰(zhàn)略，隨著能源的價(jià)格上升，鋼鐵產(chǎn)品里能源的價(jià)格和成本接近達(dá)到50%，我們非常有動(dòng)力開展這項(xiàng)活動(dòng)?！?/p>

寶武鋼鐵集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱“寶武”）是全球規(guī)模最大的鋼鐵企業(yè)，由寶鋼股份、中南鋼鐵、馬鋼集團(tuán)、太鋼集團(tuán)、八一鋼鐵組成。寶武在其《綠色低碳發(fā)展報(bào)告》中提到，將聚焦余熱余能資源化、提升界面能效的創(chuàng)新與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全流程能源效率提升，挑戰(zhàn)極致能效，其減排潛力為減碳3%-5%。

由于鋼鐵行業(yè)粗鋼產(chǎn)量仍處高位，即使不斷提升能效水平，鋼鐵行業(yè)碳排放規(guī)模依舊巨大。因此，深化供給側(cè)改革，嚴(yán)格控制產(chǎn)能產(chǎn)量，推進(jìn)存量?jī)?yōu)化是鋼鐵行業(yè)中短期內(nèi)減碳最直接、有效的手段。

2021年，工信部出臺(tái)新版《鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能置換實(shí)施辦法》，進(jìn)一步提高產(chǎn)能置換比例，要求擴(kuò)大強(qiáng)管控區(qū)域，并鼓勵(lì)企業(yè)兼并重組，提高產(chǎn)業(yè)集中度，隨后發(fā)布的《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中也明確要求，到2025年粗鋼產(chǎn)能只減不增，產(chǎn)能利用率保持在合理水平。碳達(dá)峰碳中和“1+N”政策中，同樣強(qiáng)調(diào)了鋼鐵行業(yè)深化供給側(cè)改革、深化去產(chǎn)能、壓產(chǎn)量、推進(jìn)存量?jī)?yōu)化的行業(yè)發(fā)展基調(diào)。

寶武集團(tuán)自2016年啟動(dòng)“壓減”工作。寶武提出，將通過(guò)化解產(chǎn)能每年減少二氧化碳排放約4000萬(wàn)噸，通過(guò)能效提升每年減少二氧化碳排放約1100萬(wàn)噸。

鋼鐵行業(yè)主要有三種生產(chǎn)工藝：“高爐+轉(zhuǎn)爐”工藝流程、“氫基直接還原+電爐”工藝流程、“廢鋼+電爐”工藝流程，其中“廢鋼+電爐”工藝流程碳排放強(qiáng)度最低。

以傳統(tǒng)長(zhǎng)流程（高爐+轉(zhuǎn)爐）為主的工藝結(jié)構(gòu)，很大程度上決定了中國(guó)鋼鐵行業(yè)高能耗、高排放的特征。據(jù)測(cè)算，中國(guó)每噸粗鋼的碳排放約為2.35噸二氧化碳，高于世界約1.91噸的平均水平。而短流程（廢鋼+電爐）工藝直接以還原鐵為原料、通過(guò)電解還原，碳排放強(qiáng)度僅0.87-1.25噸CO2/噸。

短流程不僅有助于減少碳排放，還能夠促進(jìn)資源循環(huán)利用，保障資源安全。廢鋼是節(jié)能降碳的綠色資源，也是唯一可以替代鐵礦石的鐵素來(lái)源。中國(guó)鐵礦石的對(duì)外依存度高達(dá)80%以上，2021年鐵礦石進(jìn)口11.2億噸左右，占全世界鐵礦石出口量的70%。充分利用廢鋼資源，有助于緩解對(duì)外資源依賴。

然而，2021年，中國(guó)大陸電爐鋼產(chǎn)量占比僅約10.6%，遠(yuǎn)低于美國(guó)69.2%、歐盟43.9%、 日本25.3%的水平。此外，電爐鋼產(chǎn)能利用率不足60%。寶武集團(tuán)報(bào)告顯示，其電爐鋼產(chǎn)量?jī)H占粗鋼產(chǎn)量6.5%左右。

廢鋼資源量不足，價(jià)格過(guò)高，阻礙了當(dāng)前電爐煉鋼的進(jìn)一步發(fā)展。電爐短流程的噸鋼生產(chǎn)成本高于長(zhǎng)流程約300元-600元，其中廢鋼占短流程煉鋼成本超75%，電力成本約占6%-15%。據(jù)測(cè)算，在目前市場(chǎng)情況下，當(dāng)廢鋼價(jià)格在1600元/噸時(shí)，電爐鋼才有競(jìng)爭(zhēng)力，而目前廢鋼價(jià)格仍在2500元/噸的高位。

電力與廢鋼的資源錯(cuò)配也是電爐鋼發(fā)展的一大困境。電力約占短流程能源消耗總量的80%，用電成本對(duì)短流程影響較大。以“胡煥庸線”為界，鋼鐵企業(yè)、用電需求以及廢鋼資源主要集中在中東部地區(qū)，而低廉電力、可再生資源則主要分布在西北部地區(qū)。從產(chǎn)能分布來(lái)看，電爐產(chǎn)能主要集中在華東和華南地區(qū)，兩者約占電爐總產(chǎn)能的54.3%，而電力能源豐富的西南、西北地區(qū)地區(qū)的產(chǎn)能分布僅為12.3%和3.7%。

寶武計(jì)劃在新疆巴州鋼鐵建設(shè)占地4.7平方公里的世界首條鋼鐵短流程“零碳工廠”示范產(chǎn)線，形成“光伏綠電+電爐+薄帶連鑄連軋”綠色零碳鋼鐵短流程示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目由八鋼建設(shè)，產(chǎn)線將通過(guò)使用光伏綠電和林業(yè)碳匯，實(shí)現(xiàn)碳排放為零。

氫冶金的基本原理就是以氫氣作為還原劑，代替碳將鐵氧化物還原為金屬鐵。由于氫還原的過(guò)程中沒(méi)有碳元素的參與，不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，也就從根本上減少了冶煉過(guò)程的碳排放。

氫冶金是實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)零碳發(fā)展最關(guān)鍵的解決方案，目前世界各大鋼鐵龍頭企業(yè)都在積極進(jìn)行氫冶金技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)能布局，逐漸形成了以富氫高爐、氫基豎爐為核心的兩大氫冶金技術(shù)路線。據(jù)中創(chuàng)碳投行業(yè)減排模型測(cè)算，在鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰階段，氫冶金技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)0.71億噸的減碳量。

資料來(lái)源：寶武鋼鐵集團(tuán)《綠色低碳發(fā)展報(bào)告》

寶武在報(bào)告中提到，高爐是極高效率的反應(yīng)器，能為煉鋼提供最潔凈的原料，其效率和地位在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都很難被其他工藝完全替代。以富氫碳循環(huán)為手段，以降低高爐還原劑比為方向，重構(gòu)高爐流程，最大程度利用碳的化學(xué)能，以工業(yè)綠色電氣化取代碳進(jìn)行加熱，可以實(shí)現(xiàn)高爐流程的大幅減碳。

傅建國(guó)亦表示，寶鋼股份有大量長(zhǎng)流程的資產(chǎn)，這個(gè)資產(chǎn)如果放棄，對(duì)鋼鐵行業(yè)意味著巨大的損失，目前正積極投入一些新的冶金技術(shù)，在傳統(tǒng)的長(zhǎng)流程冶金工藝中進(jìn)行變革。

2022年7月，全球首個(gè)400立方米工業(yè)級(jí)別的富氫碳循環(huán)氧氣高爐HyCROF在八鋼公司正式亮相、點(diǎn)火投運(yùn)。

該項(xiàng)目歷時(shí)多年：2019年，中國(guó)寶武啟動(dòng)對(duì)八鋼公司已廢棄的430立方米高爐的改造；2020年底，其成為全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)35%富氧冶煉目標(biāo)的高爐；2021年6月，實(shí)現(xiàn)風(fēng)口噴吹脫碳煤氣和焦?fàn)t煤氣，是全球高爐首次實(shí)現(xiàn)脫碳煤氣循環(huán)利用的案例，減碳效果15%以上。

除了已經(jīng)實(shí)施的全氧富氫煤氣循環(huán)之外，該項(xiàng)目還將規(guī)劃光電制氫和CO2的資源化利用產(chǎn)線建設(shè)，形成一個(gè)完整的430立方米級(jí)工業(yè)化的高爐低碳冶金示范產(chǎn)線和試驗(yàn)工廠。

根據(jù)寶武的規(guī)劃，2035年前后，富氫循環(huán)高爐技術(shù)將開始助力減碳，預(yù)計(jì)減碳潛力30%-50%，氫基豎爐緊隨其后，預(yù)計(jì)減碳潛力50%-90%。

理想狀態(tài)下，氫基豎爐工藝方案可以使用清潔能源制取氫氣，使用氫氣還原鐵礦石煉鐵，有望實(shí)現(xiàn)鋼鐵冶煉過(guò)程的近零碳排放。

寶鋼湛江鋼鐵、中晉太行、河鋼張宣科技等企業(yè)都在嘗試推進(jìn)氫基豎爐項(xiàng)目。

以寶鋼湛江鋼鐵的項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目計(jì)劃建設(shè)一套綠氫全流程零碳工廠，其中百萬(wàn)噸級(jí)豎爐工程已于2021年底奠基，預(yù)計(jì)2023年底建成，投產(chǎn)后對(duì)比傳統(tǒng)鐵前全流程高爐煉鐵工藝同等規(guī)模鐵水產(chǎn)量，每年可減少二氧化碳排放50萬(wàn)噸以上。

根據(jù)規(guī)劃，未來(lái)該項(xiàng)目將利用南海的天然氣，乃至利用南海地區(qū)光伏、風(fēng)能制氫，形成與鋼鐵冶金工藝相匹配的全循環(huán)、封閉的流程，產(chǎn)線碳排放較長(zhǎng)流程降低90%以上，并通過(guò)碳捕集、森林碳匯等實(shí)現(xiàn)綠氫全流程零碳工廠。

低碳冶金技術(shù)是缺乏模仿對(duì)象的“無(wú)人區(qū)”，需要加快創(chuàng)新，推進(jìn)技術(shù)攻關(guān)。2021年11月，寶武倡議并聯(lián)合全球鋼鐵業(yè)及生態(tài)圈伙伴單位，共同發(fā)起成立“全球低碳冶金創(chuàng)新聯(lián)盟”。

資料來(lái)源：寶武鋼鐵集團(tuán)《綠色低碳發(fā)展報(bào)告》

同時(shí)，寶武面向全社會(huì)設(shè)立低碳冶金創(chuàng)新基金，提供每年3500萬(wàn)元以內(nèi)的資金，重點(diǎn)資助低碳冶金領(lǐng)域基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的2020年鋼鐵行業(yè)技術(shù)路線圖，預(yù)計(jì)到2050年，鋼鐵行業(yè)通過(guò)工藝改進(jìn)、效率提升、能源和原料替代等常規(guī)減排手段后，仍將剩余34%的碳排放，即使氫冶金技術(shù)取得突破性進(jìn)展，剩余碳排放也將超過(guò)8%。因此，CCUS將是最終實(shí)現(xiàn)碳中和的托底技術(shù)。

當(dāng)前，中國(guó)CCUS示范項(xiàng)目整體規(guī)模較小，成本較高，且布局主要集中在發(fā)電、石化等行業(yè)，個(gè)別鋼鐵企業(yè)也是剛剛開始探索。

2022年11月，寶鋼股份與中石油、殼牌、巴斯夫簽署合作諒解備忘錄，四家企業(yè)將合作在華東地區(qū)共同啟動(dòng)我國(guó)首個(gè)開放式千萬(wàn)噸級(jí)CCUS項(xiàng)目。同月，包鋼集團(tuán)200萬(wàn)噸CCUS項(xiàng)目一期50萬(wàn)噸示范項(xiàng)目巖土工程勘察工作全面完成，該項(xiàng)目是鋼鐵行業(yè)首個(gè)CCUS全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉豆こ?，將分為三期建設(shè)。

作為僅次于發(fā)電行業(yè)的第二大碳排放來(lái)源，鋼鐵行業(yè)的減排對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)至關(guān)重要。但與任何一個(gè)行業(yè)的減碳一樣，這并不是僅憑行業(yè)自身就能夠?qū)崿F(xiàn)的事，需要下游用戶、政府、金融機(jī)構(gòu)等多方共同推進(jìn)，形成合力。

一位鋼鐵行業(yè)高層在與《財(cái)經(jīng)》交流時(shí)提到，歐洲用戶群明確提出了減碳要求，政府也搭建了相對(duì)完善的交易機(jī)制，因此歐洲鋼鐵企業(yè)減碳更有動(dòng)力，路線也更清晰。而中國(guó)很多下游行業(yè)仍在觀望，汽車行業(yè)的需求相對(duì)明確，但大部分制造業(yè)、建筑行業(yè)等，并沒(méi)有明確的需求。此外，鋼鐵行業(yè)目前仍未被納入全國(guó)碳市場(chǎng)，對(duì)行業(yè)而言，何時(shí)投入、投入后能否得到回報(bào)，仍然是模糊的疑問(wèn)。“盡快明確路線，企業(yè)可以盡早謀劃，這涉及大量資金，也涉及現(xiàn)有資產(chǎn)要在何時(shí)結(jié)束生命周期、長(zhǎng)流程向短流程切換進(jìn)程等等，是否能掌握好時(shí)機(jī)，對(duì)行業(yè)來(lái)說(shuō)生死攸關(guān)?！?/p>

（作者陳夢(mèng)夢(mèng)、潘聰超為中創(chuàng)碳投研究院高級(jí)分析師、鄭慧為《財(cái)經(jīng)》雜志產(chǎn)業(yè)研究中心研究員；編輯：馬克。更詳細(xì)的分析請(qǐng)見(jiàn)中創(chuàng)碳投即將發(fā)布的《鋼鐵企業(yè)低碳發(fā)展路徑白皮書》）