雙碳背景下中國電爐流程發(fā)展戰(zhàn)略研究

上官方欽 崔志峰 周繼程 倪冰 李濤

關(guān)鍵詞：電爐流程;鋼鐵行業(yè);碳達峰;碳中和;發(fā)展路線圖

0 引言

鋼鐵工業(yè)是技術(shù)、資本、資源、能源密集型行業(yè)，也是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。改革開放以來，中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。自1996年起，中國粗鋼產(chǎn)量已連續(xù)27年位居全球第一。特別是近年來，中國粗鋼產(chǎn)量在全球中的比例超過了50%，2022年粗鋼產(chǎn)量更是達到10.13億t。鋼鐵產(chǎn)業(yè)涉及面廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高，在國家經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展、財政稅收、國防建設(shè)以及穩(wěn)定就業(yè)等方面扮演著重要角色，是國家經(jīng)濟水平和綜合國力的重要標志，有效地支撐了國家GDP的快速增長。

但同時，大規(guī)模的鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程也造成了大量CO2等溫室氣體的排放，一定程度上加劇了全球氣候變暖等系列生態(tài)環(huán)境問題。對此，在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上，習近平總書記代表中國發(fā)表重要講話，提出中國CO2排放量力爭于2030年達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。為積極響應(yīng)黨中央號召，近年來，各部委也陸續(xù)發(fā)布《工業(yè)領(lǐng)域碳達峰實施方案》《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導意見》等一系列政策文件，為鋼鐵工業(yè)全面、協(xié)調(diào)、綠色、可持續(xù)和高質(zhì)量發(fā)展提出了明確的指導意見，其中有序引導全廢鋼電爐流程的發(fā)展是一大重要方向。因此，在這一“雙碳”背景下，本文就未來中國電爐短流程發(fā)展面臨的困難挑戰(zhàn)、所需的資源-能源保障、發(fā)展模式、技術(shù)結(jié)構(gòu)以及低碳發(fā)展路線圖展開系統(tǒng)研究。

1 中國鋼鐵行業(yè)碳排放現(xiàn)狀

據(jù)國際能源署（IEA）發(fā)布的《2022年CO2排放量》（即“CO2 Emissions in 2022”）報告顯示，受Covid-19及俄烏沖突等國際形勢的影響，2022年全球因能源消耗引起的CO2排放總量較2021年增長了0.9%，達到了368億t， 為歷史新高。而中國2022年因化石燃料燃燒引起的CO2排放總量較2021年略有下降，減少了約0.2%。其中，工業(yè)部門（鋼鐵、水泥、化工等行業(yè)）引起的CO2排放量相較于上年減少了1.61億t，為全國CO2排放總量的降低作出了巨大貢獻。但由于中國鋼鐵行業(yè)歷史粗鋼產(chǎn)量及CO2排放量基數(shù)較大，因此仍面臨著較嚴峻的碳減排壓力。

作者曾在《鋼鐵行業(yè)“碳達峰”“碳中和”實施路徑研究》一文中，對1991—2018年中國鋼鐵行業(yè)CO2排放總量及噸鋼CO2排放強度進行詳細測算，在此基礎(chǔ)上，本文參考歷年《中國能源統(tǒng)計年鑒》中統(tǒng)計的黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)消耗的各類終端能源數(shù)據(jù)，對1991—2021年中國鋼鐵工業(yè)引起的直接碳排放量（化石燃料燃燒引起的CO2排放、生產(chǎn)過程引起的CO2排放）、間接碳排放量以及產(chǎn)品固碳抵扣量展開詳細測算，具體結(jié)果如圖1所示。

通過圖1可以發(fā)現(xiàn)，中國鋼鐵行業(yè)的CO2排放主要是由煤、焦炭等化石能源消耗引起的，由外購電力消耗引起的間接排放、熔劑/電極消耗引起的過程排放相對較少。這一結(jié)果也與目前中國鋼鐵行業(yè)以煤炭消耗為主的能源結(jié)構(gòu)相吻合。

大量的煤炭資源消耗也與中國鋼鐵行業(yè)當前的流程結(jié)構(gòu)有著密不可分的關(guān)系。中國鋼鐵工業(yè)長期以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主，其煤炭耗量的比例高達能源總耗量的89%。為深入探究長流程和短流程在CO2排放方面的差異，本文選取國內(nèi)2家典型鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)，以生產(chǎn)1 t粗鋼為例，分別對其造成的CO2排放量進行對比計算，分析結(jié)果如圖2所示。

通過結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐長流程生產(chǎn)1 t粗鋼引起的CO2排放量約為1 951.8 kg，高于電爐短流程的453.3 kg；同時，長流程CO2排放主要是由化石燃料燃燒引起的，短流程CO2排放主要是由外購電力消耗引起的。因此，在嚴峻的“雙碳”背景下，合理有序地發(fā)展電爐短流程具備較大的降碳潛力，分析研究電爐短流程的發(fā)展戰(zhàn)略對鋼鐵行業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義。

2 電爐流程發(fā)展面臨的困難及挑戰(zhàn)

雖然電爐流程相較于傳統(tǒng)長流程而言，會給企業(yè)帶來巨大的減碳效益，但就目前鋼鐵行業(yè)的發(fā)展形勢來看，未來中國電爐流程的發(fā)展道路依然困難重重，主要挑戰(zhàn)有以下幾點。

1）電爐鋼生產(chǎn)成本較高，企業(yè)利潤空間不足。

李偉堅等綜合考慮金屬料（廢鋼、鐵水）、電力、電極、耐火材料、輔料（石灰、白云石）、燃氣（氬氣、氧氣、天然氣）等因素，對長、短流程噸鋼生產(chǎn)成本進行計算分析；阮清華等通過對國內(nèi)廢鋼供需情況及煉鋼原料價格統(tǒng)計分析后，對比計算了2類流程噸鋼的生產(chǎn)成本。上述研究工作得到相似的結(jié)論，即電爐煉鋼生產(chǎn)成本主要受廢鋼、電力、電極等價格波動的影響，當前中國電爐煉鋼的平均生產(chǎn)成本比轉(zhuǎn)爐煉鋼成本高500～600元/t， 當廢鋼價格低于鐵水價格350～500元/t時，電爐煉鋼生產(chǎn)成本才能低于轉(zhuǎn)爐煉鋼。

2）電爐鋼比偏低。

圖3所示為2001—2021年間世界主要產(chǎn)鋼國電爐鋼比的變化情況。可見，近20年間，中國電爐鋼比例均保持在10%上下波動；2021年，中國電爐鋼比為10.6%，相較于世界平均水平28.9%、美國69.2%、德國30.2%、韓國31.8%、日本25.3%、印度55.2%的電爐鋼比而言，差距顯著。因此，中國電爐短流程的發(fā)展還有很長的路要走。

3）廢鋼資源短缺，廢鋼流向不合理。

近年來，雖然中國廢鋼資源量逐年升高，但由于粗鋼產(chǎn)量基數(shù)巨大，導致鋼鐵行業(yè)廢鋼比（約20%）處于較低水平，與世界平均水平（約40%）存有一定差距。同時，在廢鋼資源緊缺的情況下，鋼鐵行業(yè)可用廢鋼資源大部分流向了高爐-轉(zhuǎn)爐長流程，使得電爐流程所需的廢鋼資源無法保證供給，進一步限制了電爐流程發(fā)展。中國2016—2021年間廢鋼資源流向情況見表1。

4）諸多電爐流程優(yōu)化技術(shù)及低碳制造技術(shù)待研發(fā)。

當前中國電爐流程生產(chǎn)工藝技術(shù)的研發(fā)重點多集中在單體技術(shù)方面，如廢鋼預熱、電爐連續(xù)加料等，而忽視電爐流程優(yōu)化及設(shè)計方面的研究。除此之外，電爐流程在生產(chǎn)過程中也存有許多環(huán)境污染問題，如廢鋼加工過程中造成的二次污染、電爐冶煉過程中造成的二英排放、原料/產(chǎn)品運輸過程中引起的間接排放以及電爐渣等固體廢棄物造成的環(huán)境污染等。因此，若想實現(xiàn)電爐流程“近零碳”冶煉，還需諸多低碳工藝作為技術(shù)支撐。

3 電爐流程發(fā)展趨勢預測

3.1 廢鋼資源保障

廢鋼資源保障供應(yīng)是電爐短流程高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)，根據(jù)作者在《2022—2060年中國廢鋼資源量分析預測》一文中的預測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，未來中國的廢鋼資源總量是充足的；預計2030年中國廢鋼資源量有望超過3億t， 2035年突破4億t， 2045年有望達到5億t， 隨后會有小幅波動。因此，未來中國的廢鋼資源可以為電爐流程的發(fā)展提供必需的資源保障。

為了保證充足的廢鋼資源合理穩(wěn)定地流向電爐鋼鐵企業(yè)，國家及行業(yè)還需在頂層設(shè)計上出臺相應(yīng)政策。如：1）明確廢鋼回收企業(yè)所得稅核算方法，補充并完善財稅征管條例，促進資源再生業(yè)健康發(fā)展；2）堅決取締“稅收洼地”，明確“違法違規(guī)”財政返還的范圍，查處地方政府各種變相的財政返還政策，引導企業(yè)脫虛向?qū)崳貧w真實交易；3）著力培育廢鋼加工配送的龍頭企業(yè)，重點打造一批示范標桿企業(yè)，進一步提高廢鋼加工企業(yè)集中度的同時，形成可示范、可推廣的商業(yè)模式。

3.2 電力能源保障

根據(jù)國家統(tǒng)計局相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，近20年來，中國電力總發(fā)電量由2000年的1.36×1012 kW·h增長至2021年的8.39×1012 kW·h。其中，黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)（鋼鐵行業(yè)+鐵合金行業(yè)）的電力消費量隨著粗鋼產(chǎn)量增長也呈現(xiàn)逐年緩慢增長的趨勢，由2000年的1.12×1011 kW·h增長至2021年的6.36×1011 kW·h（含鋼鐵企業(yè)自發(fā)電量），占全社會用電總量的8%～10%。具體數(shù)據(jù)如圖4所示。

舒印彪院士團隊綜合考慮經(jīng)濟增長、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等諸多影響因素，建立了未來電力資源需求量預測模型，對中國2023—2060年間全社會用電需求量進行預測計算。研究結(jié)果顯示，未來中國電力需求量將逐年增加，預計2030年全社會用電量可達1.18×1013 kW·h， 2060年達1.57×1013 kW·h。在相同的社會及經(jīng)濟發(fā)展假設(shè)背景下，本文建立了鋼鐵行業(yè)能源結(jié)構(gòu)預測模型，該模型充分考慮未來鋼鐵行業(yè)粗鋼產(chǎn)量削減、生產(chǎn)流程結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能降碳技術(shù)應(yīng)用等多方面因素，對2021—2060年中國鋼鐵行業(yè)雙碳進程中能源結(jié)構(gòu)變化情況進行了預測展望，預測結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，未來40年間，中國鋼鐵行業(yè)隨著粗鋼產(chǎn)量的削減，對電力的需求量將保持在3×1011～5×1011 kW·h， 鋼鐵行業(yè)電力需求量在整個社會電力需求量中的比例也將由當前的8.7%逐步下降至3%～4%。由此可見，未來中國的電力資源量完全能夠滿足鋼鐵行業(yè)流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中所需的電力資源量，將為電爐流程的發(fā)展提供堅實的電力能源保障。

3.3 電爐流程比例測算

根據(jù)未來中國鋼鐵行業(yè)可用廢鋼資源量，本文構(gòu)建流程結(jié)構(gòu)測算模型，對2060年前中國3類鋼鐵制造流程（即高爐-轉(zhuǎn)爐流程、全廢鋼電爐流程、氫還原-電爐流程）的比例進行簡要測算，計算結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)模型的測算結(jié)果，隨著廢鋼資源量的增加，未來中國鋼鐵工業(yè)的鐵素資源結(jié)構(gòu)以及制造流程結(jié)構(gòu)將會改變，全廢鋼電爐短流程比例將逐年升高，預計2030年有望達到20%左右；2035年有可能進一步提升至30%以上；2040年后將成為中國主要鋼鐵制造流程。

4 電爐流程發(fā)展模式

受鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、設(shè)備服役壽命等多重因素的影響，高爐-轉(zhuǎn)爐長流程在中國鋼鐵工業(yè)流程結(jié)構(gòu)中仍將占據(jù)主導地位，未來在推動電爐流程發(fā)展的進程中，需做到有序推進、循序漸進。對此，可以借鑒美國Minimill鋼廠的發(fā)展經(jīng)驗，以電爐流程生產(chǎn)量大面廣的螺紋鋼、線材為切入口，逐步替代并淘汰中小高爐、轉(zhuǎn)爐以及配套的焦化、燒結(jié)等生產(chǎn)設(shè)備；適當布局以“兩鏈一流”系統(tǒng)為核心的“城市鋼廠”，并根據(jù)產(chǎn)品需求形成以下3類主要的發(fā)展模式（圖7）：全廢鋼電爐流程替代中小高爐，生產(chǎn)螺紋鋼等長材；返回法與近終型制造技術(shù)結(jié)合，生產(chǎn)優(yōu)特鋼、不銹鋼、硅鋼、熱軋薄板帶等；氫還原-電爐流程生產(chǎn)國防軍工、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)等所需的特殊鋼材。

此外，考慮到電爐冶煉在產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)品種類方面存在一定局限性，中國鋼鐵工業(yè)在有序推進電爐流程發(fā)展的同時，也要關(guān)注高爐-轉(zhuǎn)爐長流程的技術(shù)革新，促進兩者協(xié)同發(fā)展，逐步將中國鋼鐵企業(yè)建成以下2類布局：1）以生產(chǎn)建筑用長材為主的全廢鋼電爐短流程鋼廠（城市鋼廠），主要是布局在廢鋼資源豐富的城市周邊，以消納城市周邊產(chǎn)生的廢鋼、棄電、城市中水等社會廢棄物，與城市和諧相處；2）以生產(chǎn)板材為主的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)（高爐-轉(zhuǎn)爐長流程），主要布局在沿海港口，以滿足中國發(fā)展過程中對部分高精尖鋼材的消費需求。

5 電爐流程技術(shù)結(jié)構(gòu)

在《冶金流程工程學》的理論指導下，中國電爐流程的技術(shù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該從只注重產(chǎn)品制造功能逐步拓展到“三個功能”上。因此，本節(jié)就從“生產(chǎn)流程設(shè)計及優(yōu)化”、“產(chǎn)品制造低碳技術(shù)”、“物流運輸綠色技術(shù)”以及“廢棄物資源化利用技術(shù)”等4方面來概述未來中國電爐短流程的技術(shù)結(jié)構(gòu)。

1）流程設(shè)計優(yōu)化技術(shù)。

在進行電爐生產(chǎn)制造流程設(shè)計時，要注意物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)、能量流網(wǎng)絡(luò)、信息流網(wǎng)絡(luò)的合理化構(gòu)建以及“三網(wǎng)”動態(tài)協(xié)同運行；要構(gòu)建易于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的簡捷的流程物理系統(tǒng)；要進一步深化時-空概念，不斷改進“煉鋼-連鑄”、“連鑄-軋鋼”等界面技術(shù)，進而建立起高效、節(jié)能、綠色的新型電爐流程。

2）產(chǎn)品制造低碳技術(shù)。

電爐生產(chǎn)流程主要由廢鋼加工、電爐冶煉、爐外精煉、連鑄、軋鋼5大工序構(gòu)成，就各工序近、中、遠期可采用的高效低碳冶煉技術(shù)進行了整理與歸納，結(jié)果見表2。

3）物流運輸綠色技術(shù)。

對于傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)而言，需要利用貨輪、火車等交通工具從澳洲、美洲等地區(qū)進口礦產(chǎn)資源，鋼鐵產(chǎn)品又需要通過火車、貨車等運輸?shù)戒摬氖袌鲞M行銷售，這一運輸過程往往會造成大量的CO2間接排放，也會增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。而電爐鋼鐵企業(yè)可利用城市內(nèi)部及周邊產(chǎn)生的廢鋼資源生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品，以此來滿足城市及周邊的鋼材消費需求。因此，相較于傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)而言，電爐鋼鐵企業(yè)（城市鋼廠）的交通運輸距離較短、任務(wù)較輕，憑借這一優(yōu)勢，未來可考慮以“氫燃重卡”替代“柴油重卡”，構(gòu)建綠色物流運輸網(wǎng)絡(luò)。

4）廢棄物資源化利用技術(shù)。

電爐鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的固體廢棄物主要以電爐渣為主，據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，冶煉生產(chǎn)1 t粗鋼會產(chǎn)生約100 kg爐渣，若不加以處理，將會對環(huán)境造成巨大的污染。但電爐渣其實是鈣、鐵、銅、硅、鎂、鋁、磷等氧化物的組合，在經(jīng)過處理加工后，可用做生產(chǎn)水泥，用做生產(chǎn)建筑中的保溫、隔熱材料，還可以用做冶煉過程中的熔劑或澆筑鋼錠的保護渣等，用途豐富，這樣也可以降低鋼渣對環(huán)境的污染。

6 電爐流程低碳發(fā)展路線圖

為了繪制中國電爐流程的低碳發(fā)展路線圖，本文構(gòu)建了雙碳分析模型，并作出如下假設(shè)：

1）中國發(fā)展電爐流程初期，其噸鋼碳排放強度基準值（以CO2計）取0.45 t/t（根據(jù)典型全廢鋼電爐流程鋼廠生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)測算得到）。

2）綜合考慮電力能源結(jié)構(gòu)調(diào)整對電爐鋼鐵企業(yè)CO2排放量的影響，根據(jù)國家電網(wǎng)測算的數(shù)據(jù)顯示，未來隨著可再生清潔能源發(fā)電比例的提升，中國電力碳排放因子將逐年降低，具體變化趨勢如圖8所示。

3）綜合考慮表2中各工序低碳生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用對電爐鋼鐵企業(yè)CO2排放量的影響，結(jié)合各工序低碳技術(shù)的降碳原理，對表2中各技術(shù)的噸鋼降碳潛力進行了簡要測算，測算結(jié)果見表2。

4）綜合考慮電爐渣等固體廢棄物資源化利用對電爐鋼鐵企業(yè)CO2排放量的影響，設(shè)定全廢鋼電爐的噸鋼爐渣產(chǎn)量為100 kg， 電爐渣用于建筑等行業(yè)帶來的降碳量（以CO2計）約為0.2 kg/t（渣），且與建筑行業(yè)均分減碳效益。

根據(jù)以上假設(shè)條件，分別從工序及時間2個層面繪制了中國電爐流程低碳發(fā)展路線圖，分別如圖9和圖10所示。

對于工序?qū)用娑裕陔姞t冶煉生產(chǎn)全流程中，電爐工序的減碳潛力（以CO2計）最大，高達178 kg/t（鋼），占整個流程降碳潛力的40.7%；其次是軋鋼工序，其減碳潛力（以CO2計）約為161 kg/t（鋼），占整個流程降碳潛力的36.7%；然后是精煉工序，其減碳潛力（以CO2計）約為54 kg/t（鋼），占整個流程降碳潛力的11.7%；除此之外，鑄軋界面、連鑄工序、爐渣利用、鋼鑄界面以及公輔也具有一定的降碳潛力，雖小但也不可忽視。

對于時間層面而言，隨著各工序節(jié)能降碳措施的落實，到2030年中國電爐流程的噸鋼碳排放強度（以CO2計）有望降低至292 kg/t（鋼），相較于2020年噸鋼碳排放強度降低35.1%；到2040年有望降低至114 kg/t（鋼），相較于2020年降低74.7%；到2050年有望實現(xiàn)電爐流程的“近零碳”冶煉。

7 結(jié)論

1）由于中國歷史粗鋼產(chǎn)量基數(shù)較大，鋼鐵行業(yè)面臨嚴峻碳減排壓力。高爐-轉(zhuǎn)爐流程是中國主要鋼鐵制造流程，其以煤炭為主要能源介質(zhì)，大規(guī)模的煤炭資源消耗成為中國鋼鐵工業(yè)最主要的CO2排放源。相比之下，以電力為主要能源介質(zhì)的電爐流程具備更大的降碳潛力，有序推進電爐流程發(fā)展對行業(yè)低碳綠色轉(zhuǎn)型意義重大。

2）未來中國廢鋼資源豐富，電力資源充足，若再配以完備的廢鋼稅收政策來引導廢鋼資源合理流向鋼鐵工業(yè)，便能夠為中國電爐流程發(fā)展提供必需的物質(zhì)-能源保障。在此基礎(chǔ)上，進行初步預測，認為中國電爐流程比例到2030年有望達到15%以上；2035年有可能進一步提升至30%以上；2040年后將成為中國主要鋼鐵制造流程。

3）考慮到當前中國多數(shù)高爐及其配套生產(chǎn)設(shè)備均未達到服役壽命，因此在推進電爐流程的發(fā)展過程中，要循序漸進，可以電爐流程生產(chǎn)螺紋鋼、線材為切入口，逐步替代中小型高爐；同時，應(yīng)根據(jù)鋼鐵產(chǎn)品需求，形成全廢鋼-電爐、氫冶金-電爐、電爐-近終形制造等3大類發(fā)展模式。

4）以《冶金流程工程學》理論為指導，未來電爐流程的技術(shù)結(jié)構(gòu)應(yīng)從產(chǎn)品制造拓展到“三個功能”上，應(yīng)加強流程優(yōu)化、低碳生產(chǎn)、綠色物流以及廢棄物消納等綠色低碳技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，進而最大程度地發(fā)揮電爐流程的降碳潛力，為鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標提供技術(shù)支撐。

5）通過對中國電爐流程低碳發(fā)展路線圖的分析，從工序?qū)用鎭砜?，電爐工序降碳潛力最大，其次是軋鋼工序，精煉、連鑄工序也具有一定的降碳潛力；從時間層面來看，隨著各類減碳技術(shù)的推廣應(yīng)用，電爐流程的噸鋼碳排放強度將大幅度降低，并于2050年左右有望實現(xiàn)“近零碳”冶煉。

本文摘自《鋼鐵》2024年第1期