重磅！《中国钢铁工业节能低碳发展报告(2020)》
天津市中重科技工程有限公司
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钢铁行业是继电力行业之后我国第二大排放行业，钢铁行业的低碳转型对我国长期达成3060双碳目标至关重要。2020年，钢铁产业二氧化碳排放量占我国碳排放总量的16%左右。
2020年我国钢产量为10.65亿吨，其中转炉法钢铁产量是9.54亿吨，占89.6%；而电炉法产量是1.11亿吨，占10.4%。2010年之后，我国转炉法钢铁产量大约占总钢铁产量的90%左右。我国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主，严重依赖煤基化石能源，是导致碳排放量较高的首要因素。
钢铁行业是继电力行业之后我国第二大排放行业，钢铁行业的低碳转型对我国长期达成3060双碳目标至关重要。2020年，钢铁产业二氧化碳排放量占我国碳排放总量的16%左右。
2020年我国钢产量为10.65亿吨，其中转炉法钢铁产量是9.54亿吨，占89.6%；而电炉法产量是1.11亿吨，占10.4%。2010年之后，我国转炉法钢铁产量大约占总钢铁产量的90%左右。我国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主，严重依赖煤基化石能源，是导致碳排放量较高的首要因素。
1.钢铁工业碳排放现状
国内钢铁产量增速在2015年见底后持续回升。2020年国内粗钢产量10.65亿吨，同比7%；2021年1-5月份粗钢产量47310万吨，同比增长13.9％。2020年国内铁水产量8.88亿吨，同比4.3%；2021年1-5月份生铁产量37990万吨，同比增长5.4％。整体来看国内钢铁产量增速在2015年见底后，持续回升。2015年以后钢铁行业能源消耗强度有下降趋势。2018年，黑色金属冶炼及压延加工业能源消耗总量62279万吨标煤，占国内总量的比重为13.2%。2015-2018年黑色金属冶炼及压延加工业能源消耗总量增速分别是-7.77%、-2.89%、-1.88%、2.21%；从粗钢产量增速、铁水增速、能源消耗总量增速来看，2015年以后钢铁行业能耗增速低于粗钢和铁水增速，意味着钢铁行业能源消耗强度有下降趋势。
图一：中国钢产量与类型
数据来源: wind
2015年以后钢铁行业碳排放强度有下降趋势。2017年，黑色金属冶炼及压延加工业碳排放量达到167702万吨，占国民经济总体排放量的比重17.96%，2020年预计碳排放量占比约15%。行业碳排放量在2014年达到高点后持续下行；2015年-2017年，行业碳排放量同比分别是-6.24%、-0.38%、-0.41%。从粗钢产量和碳排放量同比增速对比来看，碳排放量增速整体低于粗钢产量增速，意味着钢铁行业碳排放强度有下降趋势。
图二：中国钢铁产量与碳排放测算
数据来源: wind
2.钢铁行业的主要碳排放来源
图2：粗钢主要生产工艺路线
资料来源：国际钢铁协会，远东资信整理
根据《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》，钢铁生产过程中的碳排放主要有四大类来源：化石燃料燃烧排放、工业生产过程排放、净购入使用的电力、固碳产品隐含的碳排放。根据文旭林等在《钢铁企业碳排放核算及减排研究》对长流程钢厂碳排放研究：燃料燃烧碳排放约占94%；净购入电力碳排放占约6%。在烧结、炼钢工序中，需消耗石灰石、白云石、电极、生铁、铁合金等含碳原料，以及生产熔剂过程的分解和氧化产生的CO2排放，约占总排放量的6%。生产过程中部分碳固化在企业生产外销的粗钢、粗苯和焦油中，相应部分的二氧化碳排放应予扣除，约占总排放量的4%。
① 化石燃料燃烧排放中，焦炭占据较大比重。
钢铁生产过程中净消耗的化石燃烧产生的CO2排放，包括焦炉、烧结机、高炉等炉窑燃烧的洗精煤、无烟煤、烟煤、焦炭的排放，以及厂内用于生产运输的火车、汽车用汽柴油产生的排放。由于钢铁生产过程的实质是将铁从矿石中还原的过程，同时需要大量能源。我国钢铁行业燃料燃烧排放具有以下特点：
焦炭是钢铁行业直接消耗的第一大化石燃料。从统计局发布的数据来看，2018年国内消费焦炭量37152万吨，消耗煤炭29308万吨，消耗原油0万吨，消耗汽油3万吨，消耗天然气110亿立方米。
焦炭消费比高与国内高炉工艺占比高有密切关系。焦炭作为高炉炼铁的主原料，既是燃料、又是还原剂，同时在高炉中还起到骨架、稳定炉料透气性。2020年国内高炉生铁产量88752万吨，高炉生铁与粗钢比为0.833，2019年比值为0.812，远高于同期的全球0.684的水平。较高的生铁占比导致国内钢铁行业对焦炭的消费依赖重。
化石燃料燃烧碳排放约64.7%来自于焦炭、33.9%来自煤炭。根据易碳家给出的不同燃料燃烧释放的CO2强度进行测算；2018年国内黑色金属冶炼及加工行业，燃料燃烧的碳排放有64.7%来自于焦炭燃烧，有33.9%来自于煤炭，1.4%来自于天然气。
②外购电力碳排放受电力供给结构决定；电力系统深度脱碳直接降低钢铁行业外购电力碳排量。
钢企外购电力占比低。从统计局发布的数据来看，2018年黑色金属冶炼加工业电力消费6142亿千瓦时，占行业总能耗比重12.12%。从趋势来看，1995年以来行业电力消费比重持续上升，由6%上升到12.12%。从重点钢企的数据来看，2020年吨钢耗电量456.9千瓦/吨，相当于吨钢总能耗的8.4%。重点钢企的电力占总能耗的比重也在提升，由7.5%上升到8.4%。根据冶金规划院在《中国钢铁工业节能低碳发展报告(2020)》发布数据，国内钢企2019年自发电量比例为53%。测算钢企外购电力占总能耗的比重约5%-6%。
碳排放来自电力供应端。2020年国内发电结构中，以煤炭、油气为主的火电发电占比71%，核电占比5%，水电占比16%，风、光伏、生物质发电占比8%。整体来看，上游电力供应端中化石能源占比超70%，这是外购电力碳排放的主要来源。
电力系统深度脱碳直接降低钢铁行业外购电力碳排量。未来随着风电、光伏等新能源装机容量的进一步提升，2030年国内实现一次能源中非化石占比25%，电力系统对化石能源消耗将进一步降低，电力系统的深度脱碳将直接带动钢铁行业外购电力碳排放量。
3、钢铁行业实现碳中和的路径
钢铁行业碳中和是非常复杂的系统性工程，不是简单的节能环保问题，而是发展方式的问题，需要在冶炼技术、生产原料、配套设施等诸多方面对原有生产方式进行革新。
（一）由高炉—转炉法转向电弧炉冶炼法
推广使用电弧炉冶炼法可以显着降低炼钢过程的CO2排放量，我国目前电弧炉冶炼法产量占比有很大的提升空间，因此可以通过将钢厂现有的大量高炉—转炉生产线转为电弧炉生产线来实现减碳。工信部在2020年12月31日发布《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见（征求意见稿）》，要求我国到2025年电炉钢产量比例提升至15%以上，力争达到20%。
但是电弧炉冶炼法并不可能完全替代高炉—转炉法等使用铁矿石为原料的炼钢工艺。电弧炉冶炼法使用废钢为原料，而钢材在使用过程中会有铁元素的损耗流失，全社会产生的废钢也不可能全部都得到回收。因此钢铁行业必须要通过开采冶炼铁矿石才能补充钢材使用产生的折旧，以铁矿石为原料的冶炼工艺仍将持续存在。
（二）在冶炼过程中使用可再生能源
无论钢厂采用何种炼钢工艺，生产过程中都需要消耗大量电力。目前我国发电仍以消耗化石能源的火电为主，在2020年火电占比就达69%，水电、光伏发电、风电及核电的占比仍较低。为了降低耗电导致的CO2排放，钢铁企业可以通过布局余热余能发电系统、利用工厂空间建设光伏电站或风电站等方式提高自发电比例，也可以尽可能地利用水电资源来生产，例如电炉炼钢企业可以将生产线建设在水电资源丰富的西南地区。
对于传统炼钢过程中要用到的煤、天然气或石油，未来可以逐步用可再生的氢能予以替代。目前瑞典钢铁行业是全球第一个实现“无化石燃料钢铁制造”价值链的国家，其采用的就是新一代氢还原冶炼技术，国内也有部分钢企也已采用氢能炼钢。氢气可以通过不消耗化石能源的方式制取，例如电解水、收集其他化工生产中的副产氢。对于以铁矿石为原料的炼钢工艺来说，使用氢能是解决化石能源碳排放问题最可行的路径。
（三）提升生产配套设施绿色水平
钢铁生产是复杂的系统过程，其中既涉及到钢的冶炼，也涉及到物流运输、库存管理等配套服务。因此要实现碳中和目标，同时也要提升钢铁生产配套设施的绿色水平。
例如，在绿色物流体系建设方面，以铁矿石为原料的钢铁产能应该布局在沿江沿海地区，充分利用水运的低碳优势，在铁矿石等原料的运输环节降低碳排放水平。而且目前我国的钢铁消费也主要分布在沿海地区，通过布局可以减少钢材销售环节不必要的物流运输，从而降低碳排放。
此外，在生产全流程管理方面，钢铁企业可以通过数字化、智能化改造全面提升节能和能效水平。比如宝钢就在可持续发展报告中披露，公司在四大基地推进行业最新节能减排技术的全流程覆盖，在过程提标及领先减排技术、工艺源头节能减排技术、节能低碳流程衔接技术、系统节能技术等方向对生产流程进行低碳改造。
（四）针对钢铁生产特点开发应用CCUS技术
所谓CCUS（Carbon Capture, Utilization and Storage）即碳捕获、利用与封存，通过CCUS技术可以把生产过程中排放的CO2进行提纯，继而投入到新的生产过程中，实现CO2资源化利用。钢铁行业在实现碳中和的过程中如果完全消除对化石能源的消耗，不仅在技术上实现难度很大，而且在经济上也会极大地增加钢铁生产成本。因此保留一定程度的化石能源使用可能才是钢铁行业实现碳中和最现实的情景。在这种情景下，钢铁行业就需要使用CCUS技术对这部分碳排放进行处理。
但目前CCUS技术的发展尚处于起步阶段，已得到应用的部分技术如二氧化碳降解塑料的生产成本很高，离大规模应用还有很长距离。未来钢铁行业可以根据钢材的生产工艺特点开发新型的CCUS技术，新技术可以结合化工、能源等钢铁相关产业，在更长的产业链条上实现CO2的收集利用。例如东北大学研发的钢铁-化工-氢能一体化网络集成CCUS技术（图4），通过钢铁、化工协同，为我国以高炉—转炉法为主的钢铁产业实现碳净零排放提供了创新解决方案。这种技术下钢铁生产过程所排放的CO2可以最终制成多种化工产品。
图4：钢铁-化工-氢能一体化网络集成智能制造
资料来源：东北大学钢铁前沿技术研究院，远东资信整理
（五）购买“森林碳汇”
在钢铁行业仅依靠自身改造无法完全实现CO2净零排放的情况下，购买“森林碳汇”也是一个实现碳中和的可行路径。所谓“森林碳汇”是指通过植树造林、植被恢复等措施，吸收大气中的二氧化碳，从而实现“碳”的捕获和固定。非经济林所有者可以对外出售“森林碳汇”，作为一种可交易的碳排放权。钢铁企业可以针对无法完全消除的CO2排放量购买“森林碳汇”，从而在全社会整体的层面实现碳中和。但购买“森林碳汇”将会给钢铁行业企业额外增加成本，且未来“森林碳汇”资产价格还可能出现大幅上涨。
冶金工业规划研究院党委书记、总工程师李新创在“2021‘碳中和·零碳中国’峰会暨第四界中国能源投资发展论坛”发表了题为《钢铁行业实现碳中和目标的机遇与挑战》的演讲，提出了钢铁行业五大低碳发展路径。李新创指出，目前中国钢产量占全球的产量57%，但中国钢铁行业占全球钢铁行业碳排放的65-70%。无论是从国内、国际来看，钢铁行业都是重点碳排放攻坚目标之一。我们规划院配合发改委、工信部，初步完成了钢铁行业碳达峰、碳中和的行动方案，根据我们的研究成果，认为钢铁行业具备提前达峰条件，将力争在2025年前达峰。
冶金工业规划研究院党委书记、总工程师 李新创
以下为演讲PPT:
文章来源:微能网、 远东资信研发部等
1.钢铁工业碳排放现状
国内钢铁产量增速在2015年见底后持续回升。2020年国内粗钢产量10.65亿吨，同比7%；2021年1-5月份粗钢产量47310万吨，同比增长13.9％。2020年国内铁水产量8.88亿吨，同比4.3%；2021年1-5月份生铁产量37990万吨，同比增长5.4％。整体来看国内钢铁产量增速在2015年见底后，持续回升。2015年以后钢铁行业能源消耗强度有下降趋势。2018年，黑色金属冶炼及压延加工业能源消耗总量62279万吨标煤，占国内总量的比重为13.2%。2015-2018年黑色金属冶炼及压延加工业能源消耗总量增速分别是-7.77%、-2.89%、-1.88%、2.21%；从粗钢产量增速、铁水增速、能源消耗总量增速来看，2015年以后钢铁行业能耗增速低于粗钢和铁水增速，意味着钢铁行业能源消耗强度有下降趋势。
图一：中国钢产量与类型
数据来源: wind
2015年以后钢铁行业碳排放强度有下降趋势。2017年，黑色金属冶炼及压延加工业碳排放量达到167702万吨，占国民经济总体排放量的比重17.96%，2020年预计碳排放量占比约15%。行业碳排放量在2014年达到高点后持续下行；2015年-2017年，行业碳排放量同比分别是-6.24%、-0.38%、-0.41%。从粗钢产量和碳排放量同比增速对比来看，碳排放量增速整体低于粗钢产量增速，意味着钢铁行业碳排放强度有下降趋势。
图二：中国钢铁产量与碳排放测算
数据来源: wind
2.钢铁行业的主要碳排放来源
图2：粗钢主要生产工艺路线
资料来源：国际钢铁协会，远东资信整理
根据《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》，钢铁生产过程中的碳排放主要有四大类来源：化石燃料燃烧排放、工业生产过程排放、净购入使用的电力、固碳产品隐含的碳排放。根据文旭林等在《钢铁企业碳排放核算及减排研究》对长流程钢厂碳排放研究：燃料燃烧碳排放约占94%；净购入电力碳排放占约6%。在烧结、炼钢工序中，需消耗石灰石、白云石、电极、生铁、铁合金等含碳原料，以及生产熔剂过程的分解和氧化产生的CO2排放，约占总排放量的6%。生产过程中部分碳固化在企业生产外销的粗钢、粗苯和焦油中，相应部分的二氧化碳排放应予扣除，约占总排放量的4%。
① 化石燃料燃烧排放中，焦炭占据较大比重。
钢铁生产过程中净消耗的化石燃烧产生的CO2排放，包括焦炉、烧结机、高炉等炉窑燃烧的洗精煤、无烟煤、烟煤、焦炭的排放，以及厂内用于生产运输的火车、汽车用汽柴油产生的排放。由于钢铁生产过程的实质是将铁从矿石中还原的过程，同时需要大量能源。我国钢铁行业燃料燃烧排放具有以下特点：
焦炭是钢铁行业直接消耗的第一大化石燃料。从统计局发布的数据来看，2018年国内消费焦炭量37152万吨，消耗煤炭29308万吨，消耗原油0万吨，消耗汽油3万吨，消耗天然气110亿立方米。
焦炭消费比高与国内高炉工艺占比高有密切关系。焦炭作为高炉炼铁的主原料，既是燃料、又是还原剂，同时在高炉中还起到骨架、稳定炉料透气性。2020年国内高炉生铁产量88752万吨，高炉生铁与粗钢比为0.833，2019年比值为0.812，远高于同期的全球0.684的水平。较高的生铁占比导致国内钢铁行业对焦炭的消费依赖重。
化石燃料燃烧碳排放约64.7%来自于焦炭、33.9%来自煤炭。根据易碳家给出的不同燃料燃烧释放的CO2强度进行测算；2018年国内黑色金属冶炼及加工行业，燃料燃烧的碳排放有64.7%来自于焦炭燃烧，有33.9%来自于煤炭，1.4%来自于天然气。
②外购电力碳排放受电力供给结构决定；电力系统深度脱碳直接降低钢铁行业外购电力碳排量。
钢企外购电力占比低。从统计局发布的数据来看，2018年黑色金属冶炼加工业电力消费6142亿千瓦时，占行业总能耗比重12.12%。从趋势来看，1995年以来行业电力消费比重持续上升，由6%上升到12.12%。从重点钢企的数据来看，2020年吨钢耗电量456.9千瓦/吨，相当于吨钢总能耗的8.4%。重点钢企的电力占总能耗的比重也在提升，由7.5%上升到8.4%。根据冶金规划院在《中国钢铁工业节能低碳发展报告(2020)》发布数据，国内钢企2019年自发电量比例为53%。测算钢企外购电力占总能耗的比重约5%-6%。
碳排放来自电力供应端。2020年国内发电结构中，以煤炭、油气为主的火电发电占比71%，核电占比5%，水电占比16%，风、光伏、生物质发电占比8%。整体来看，上游电力供应端中化石能源占比超70%，这是外购电力碳排放的主要来源。
电力系统深度脱碳直接降低钢铁行业外购电力碳排量。未来随着风电、光伏等新能源装机容量的进一步提升，2030年国内实现一次能源中非化石占比25%，电力系统对化石能源消耗将进一步降低，电力系统的深度脱碳将直接带动钢铁行业外购电力碳排放量。
3、钢铁行业实现碳中和的路径
钢铁行业碳中和是非常复杂的系统性工程，不是简单的节能环保问题，而是发展方式的问题，需要在冶炼技术、生产原料、配套设施等诸多方面对原有生产方式进行革新。
（一）由高炉—转炉法转向电弧炉冶炼法
推广使用电弧炉冶炼法可以显着降低炼钢过程的CO2排放量，我国目前电弧炉冶炼法产量占比有很大的提升空间，因此可以通过将钢厂现有的大量高炉—转炉生产线转为电弧炉生产线来实现减碳。工信部在2020年12月31日发布《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见（征求意见稿）》，要求我国到2025年电炉钢产量比例提升至15%以上，力争达到20%。
但是电弧炉冶炼法并不可能完全替代高炉—转炉法等使用铁矿石为原料的炼钢工艺。电弧炉冶炼法使用废钢为原料，而钢材在使用过程中会有铁元素的损耗流失，全社会产生的废钢也不可能全部都得到回收。因此钢铁行业必须要通过开采冶炼铁矿石才能补充钢材使用产生的折旧，以铁矿石为原料的冶炼工艺仍将持续存在。
（二）在冶炼过程中使用可再生能源
无论钢厂采用何种炼钢工艺，生产过程中都需要消耗大量电力。目前我国发电仍以消耗化石能源的火电为主，在2020年火电占比就达69%，水电、光伏发电、风电及核电的占比仍较低。为了降低耗电导致的CO2排放，钢铁企业可以通过布局余热余能发电系统、利用工厂空间建设光伏电站或风电站等方式提高自发电比例，也可以尽可能地利用水电资源来生产，例如电炉炼钢企业可以将生产线建设在水电资源丰富的西南地区。
对于传统炼钢过程中要用到的煤、天然气或石油，未来可以逐步用可再生的氢能予以替代。目前瑞典钢铁行业是全球第一个实现“无化石燃料钢铁制造”价值链的国家，其采用的就是新一代氢还原冶炼技术，国内也有部分钢企也已采用氢能炼钢。氢气可以通过不消耗化石能源的方式制取，例如电解水、收集其他化工生产中的副产氢。对于以铁矿石为原料的炼钢工艺来说，使用氢能是解决化石能源碳排放问题最可行的路径。
（三）提升生产配套设施绿色水平
钢铁生产是复杂的系统过程，其中既涉及到钢的冶炼，也涉及到物流运输、库存管理等配套服务。因此要实现碳中和目标，同时也要提升钢铁生产配套设施的绿色水平。
例如，在绿色物流体系建设方面，以铁矿石为原料的钢铁产能应该布局在沿江沿海地区，充分利用水运的低碳优势，在铁矿石等原料的运输环节降低碳排放水平。而且目前我国的钢铁消费也主要分布在沿海地区，通过布局可以减少钢材销售环节不必要的物流运输，从而降低碳排放。
此外，在生产全流程管理方面，钢铁企业可以通过数字化、智能化改造全面提升节能和能效水平。比如宝钢就在可持续发展报告中披露，公司在四大基地推进行业最新节能减排技术的全流程覆盖，在过程提标及领先减排技术、工艺源头节能减排技术、节能低碳流程衔接技术、系统节能技术等方向对生产流程进行低碳改造。
（四）针对钢铁生产特点开发应用CCUS技术
所谓CCUS（Carbon Capture, Utilization and Storage）即碳捕获、利用与封存，通过CCUS技术可以把生产过程中排放的CO2进行提纯，继而投入到新的生产过程中，实现CO2资源化利用。钢铁行业在实现碳中和的过程中如果完全消除对化石能源的消耗，不仅在技术上实现难度很大，而且在经济上也会极大地增加钢铁生产成本。因此保留一定程度的化石能源使用可能才是钢铁行业实现碳中和最现实的情景。在这种情景下，钢铁行业就需要使用CCUS技术对这部分碳排放进行处理。
但目前CCUS技术的发展尚处于起步阶段，已得到应用的部分技术如二氧化碳降解塑料的生产成本很高，离大规模应用还有很长距离。未来钢铁行业可以根据钢材的生产工艺特点开发新型的CCUS技术，新技术可以结合化工、能源等钢铁相关产业，在更长的产业链条上实现CO2的收集利用。例如东北大学研发的钢铁-化工-氢能一体化网络集成CCUS技术（图4），通过钢铁、化工协同，为我国以高炉—转炉法为主的钢铁产业实现碳净零排放提供了创新解决方案。这种技术下钢铁生产过程所排放的CO2可以最终制成多种化工产品。
图4：钢铁-化工-氢能一体化网络集成智能制造
资料来源：东北大学钢铁前沿技术研究院，远东资信整理
（五）购买“森林碳汇”
在钢铁行业仅依靠自身改造无法完全实现CO2净零排放的情况下，购买“森林碳汇”也是一个实现碳中和的可行路径。所谓“森林碳汇”是指通过植树造林、植被恢复等措施，吸收大气中的二氧化碳，从而实现“碳”的捕获和固定。非经济林所有者可以对外出售“森林碳汇”，作为一种可交易的碳排放权。钢铁企业可以针对无法完全消除的CO2排放量购买“森林碳汇”，从而在全社会整体的层面实现碳中和。但购买“森林碳汇”将会给钢铁行业企业额外增加成本，且未来“森林碳汇”资产价格还可能出现大幅上涨。
冶金工业规划研究院党委书记、总工程师李新创在“2021‘碳中和·零碳中国’峰会暨第四界中国能源投资发展论坛”发表了题为《钢铁行业实现碳中和目标的机遇与挑战》的演讲，提出了钢铁行业五大低碳发展路径。李新创指出，目前中国钢产量占全球的产量57%，但中国钢铁行业占全球钢铁行业碳排放的65-70%。无论是从国内、国际来看，钢铁行业都是重点碳排放攻坚目标之一。我们规划院配合发改委、工信部，初步完成了钢铁行业碳达峰、碳中和的行动方案，根据我们的研究成果，认为钢铁行业具备提前达峰条件，将力争在2025年前达峰。
冶金工业规划研究院党委书记、总工程师 李新创
以下为演讲PPT:
钢铁工业碳排放占到社会总体碳排放的15%以上，钢铁行业碳排放不仅是钢铁行业自己关心，同时钢铁上下游行业及整个社会都十分关注。为更全面介绍钢铁行业碳减排的整体情况，本文按照提出问题，分析问题，解决问题的逻辑结构，先是按照钢铁工业碳排放主要来源；各主要工艺流程和设备碳排放机理和特点；中国钢铁工业与碳排放相关的整体性和结构性的特点这三个部分来分析中国钢铁工业碳排放的基本特点，并在上述分析基础上提出钢铁碳减排的基本思路；最后收集整理行业专家和机构的减排建议和当前主要节能减排技术。希望能对各位读者有所帮助！
01
我们为什么要对钢铁工业进行碳减排呢？
习近平总书记在第七十五届联合国大会指出，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
《2030年前碳达峰行动方案》中规定“十四五”期间，到2025年，非化石能源消费比重达到20%左右，单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5%，单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%，为实现碳达峰奠定坚实的基础。
要想实现国家制定上述碳达峰，碳中和目标，作为中国碳排放的主要贡献者的中国钢铁工业，根据权威数据，2020年中国钢铁工业碳排放总量为18亿吨，贡献了全球钢铁碳排放总量的60%以上，和本国碳排放总量的15%左右。平均每吨粗钢的碳排放量为1.7-1.8吨左右。无论是从全生命周期的角度，高质量发展的角度，更好应对欧美国家碳边界税制度下的产品竞争角度，在未来碳排放过程中，无疑将扮演积极参与者和践行者的重要角色，承担极其重要的碳减排责任。
02
钢铁工业二氧化碳的主要来源是什么？
钢铁工业碳排放主要来源是燃料燃烧和外购电力碳排放。
根据研究显示，钢铁生产过程中的碳排放主要有四大类来源：化石燃料燃烧排放、工业生产过程排放、净购入使用的电力、固碳产品隐含的碳排放。
长流程钢厂碳排放中：燃料燃烧碳排放约占94%；净购入电力碳排放占约6%。化石燃料燃烧碳排放约64.7%来自于焦炭、33.9%来自煤炭。
化石能源发电占比高是外购电力是外购电力碳排放的主要来源。从重点钢企的数据来看，2020年吨钢耗电量456.9千瓦时/吨，相当于吨钢总能耗的8.4%。根据冶金规划院在《中国钢铁工业节能低碳发展报告(2020)》发布数据，国内钢企2019年自发电量比例为53%。测算钢企外购电力占总能耗的比重约5%-6%。而国内发电结构中，以煤炭、油气为主的化石能源发电占比71%，是外购电力碳排放的主要来源。
03
钢铁工业碳排放主要来自哪些
工序和设备？
3.1长流程工艺碳排放多于全废钢电炉短流程
对于钢铁两种不同工艺流程来说，高炉-转炉长流程吨钢二氧化碳排放1.8-2吨左右，而全废钢电炉短流程吨钢碳排放仅有0.5-0.7吨，仅为长流程排放量的五分之一。
图1.不同工序流程工艺及吨钢碳排放对比图
3.2长流程钢铁企业CO₂排放主要由燃煤产生
用煤炭的生产工序主要是炼焦、炼铁、烧结、球团等工序。2021年前10个月累计重点钢铁企业高炉燃料比为529.75kg/t，烧结固体燃耗为51.31kg/t，部分链箅机—回转窑生产球团用煤粉。生产过程产生CO₂排放量可参考表1
德国蒂森克虏伯钢铁公司提出的钢铁工业各工序CO₂排放所占比重，见表1。联合国气象组织（简称IPCC）发布《2006年国家温室气体清单指南》，提出钢铁行（企）业CO₂排放系数（强度），见表2。
3.2.1焦化工序碳排放：主要焦炉加热用的煤气燃烧。
焦化工序中洗精煤经过粉碎后被推入到焦炉中进行干馏，此时为焦炉加热的燃料主要来自焦炉煤气或高炉煤气的燃烧，这是焦化过程中主要的CO₂排放。
大型钢铁联合企业自建焦化厂的碳排放要高于独立焦化企业。这是因为两部分焦炉加热的燃料不同。钢铁企业自产焦炭部分焦炉的加热燃料采用高炉煤气和焦炉煤气混合气体，且以副产高炉煤气为主；外购自独立焦企的焦炉加热燃料采用焦炉煤气。两种煤气的燃料特性和成份不同：高炉煤气热值较低，惰性气体成分约占60%，可燃成分（CH4+CO）较少仅占30%；焦炉煤气热值较高，约为高炉煤气的5倍，主要是由H₂和CH4构成，可燃成分占比较高约90%以上。
合理调整企业能源消费结构，高效合理利用高能质的原燃料，可大幅减少企业碳排放。提高焦化产品和焦炉煤气回收利用水平，采用干熄焦余热发电和煤调湿技术是焦化行业碳排放的重要举措。
3.2.2烧结工序二氧化碳主要来自固体烧结燃碳。
烧结固体燃耗占烧结工序能耗的75%~80%。固体燃耗就烧结燃碳，会产生CO₂排放。烧结固体燃耗水平决定了烧结工序CO₂排放量的水平。在同等原燃料质量条件下，大型烧结机的固体燃耗要比小烧结机低。不同冶金性能的铁矿石，烧结所需的热量是不同的。含结晶水的褐铁矿等需要的热量多，CO₂排放也会多。操作水平对固体燃耗也有影响。
3.2.3高炉炼铁工序碳排放：主要体现为热风炉废气中CO₂排放。
高炉生产本身不产生CO₂排放，高炉煤气（1400m3/t~1800m3/t）供给煤气管网，有45%的高炉煤气去烧热风炉，体现为热风炉废气中的CO₂排放。燃煤和用副产煤气的炉窑会产生CO₂排放。
高炉炼铁工序的燃料比（包括焦炭和煤粉）水平，决定了CO₂排放强度。影响炼铁燃料比的主要影响因子有：入炉矿品位、焦炭质量（特别是M10水平）、热风温度、高炉操作水平等。小高炉的CO₂排放强度肯定要比大高炉高。小高炉的CO₂一般高炉吨铁煤气发生量在1400m3/t~1800m³/t，正常情况下，高炉消耗1t碳素，需要2400m³的风量。小高炉采用大风量（吨铁风量比大高炉高200m³以上）、高冶炼强度的操作方针，所以小高炉燃料比高，消耗风量就要多，煤气量也大。虽然小高炉煤气中的含量比大高炉低4％，但总体来讲，小高炉的CO₂排放强度肯定要比大高炉高。
3.2.4转炉碳排放分析：主要转炉煤气的使用。
转炉生产的脱碳反应（脱除生铁中的碳），会产生17%左右的CO₂、75%的CO，转炉煤气会回收，转炉煤气是重要的二次能源，其热值高，可以单独或是和焦炉煤气、高炉煤气混合成不同热值的混合煤气使用，转炉煤气中不含硫，含氢量也很少。发热量6280-7536KJ/m³，是加热炉、混铁炉、钢包烘烤、回转窑的理想燃料。煤气作为燃料去简单燃烧将会产生二氧化碳。也是对化学能和煤气各种成份气一种浪费。
3.3电炉的碳排放特点
工业发达国家以短流程电炉为主，用电较多，用煤炭量少，这是在优化生产条件下组织生产的，企业CO₂排放少。全废钢电炉碳排放主要来自于电耗，占比电炉炼钢总排放的71.6%。如何降低电耗是电炉碳减排的重中之重。更重要的是要想实现更高的碳中和目标，使用风电、光伏等新能源电力为电炉供电是更彻底的减排方式。
表3.电炉炼钢-精炼工序的吨钢碳排放
04
中国钢铁工业运行特点：
1、中国钢铁产能产量规模大，碳排放总量大。
2020年粗钢产量为10.65亿吨，占世界粗钢产量的56.8%。按照每吨粗钢碳排放1.7-1.8吨计算，2020年中国钢铁工业碳排放总量为18亿吨，贡献了全球钢铁碳排放总量的60%以上，和本国碳排放总量的15%左右。2015-2018年间经过4年去产能之后，产能存量数达到近期低点，过去2019-2020年产能连续增加。根据国家统计局统计年鉴数据显示，2020年粗钢产能为10.86亿吨；钢材产能15.99亿吨；2015-2018年连降4年之后，2019-2020年产能两连增。
２、1000立方以下中小高炉占比接近50%，整体碳排放强度较高。
据2020年调研数据显示：在完全样本高炉中1000立方以下高炉占比48.5%，1000-2000立方高炉占比37%，2000-3000立方高炉占比8.7%，大于3000立方高炉占比5.8%。据统计，2015年中国拥有炼铁高炉近1500座，平均炉容仅770m³；但是，1990年至2008年，西欧高炉平均炉容由1690m³扩大到2063m³，日本高炉平均炉容由1558m³扩大到4157m³。
3、年产300万吨以下小钢厂产量占比超过24%。碳排放相对较高。
年度产量达到500万吨经济规模的钢厂（集团）数量超过40个，2020年度产量超过7.15亿吨，占全部粗钢产量的67%。低于500万吨超过300万吨的企业有23家，产量合计0.9342亿吨，占比8.77%。年产300万吨以下的中小钢厂占到24.23%，数量可能达到上百家。我国重点大中型钢铁企业由能源消耗引起的吨钢CO₂排放量比全国钢铁行业由能源消耗引起的吨钢CO₂排放量低22%-28%，而重点大中型企业通常深加工程度、产品附加值等都高于国内平均水平。而规模较小的长流程普碳钢厂设备条件，技术能力都相对落后，碳排放强度较高。
4、钢铁生产以长流程为主，铁钢比更高。长流程碳排放是短流程的5倍。
2020年我国长流程钢铁产量占到接近90%，电炉钢产量占比仅10.4%，与世界平均水平30%左右、美国近70%、中国以外其他地区50%左右；因为长流程生产占比高，使得铁水与粗钢产量比高，2017年中国的铁钢比为0.854；世界平均为0.7014，扣除中国后为0.5504，美国为0.2735，德国为0.6526，法国为0.6886。铁钢比降低0.1，吨钢综合能耗降低约50kgce/t。我国铁钢比高，是我国能耗高、CO₂排放多的主要原因。
5、中国钢铁工业能源消耗以煤炭和焦炭为主，占能耗消耗总量的85%以上。
根据世界钢协出版的《钢铁行业的能源使用情况说明书》数据：长流程炼钢（高炉-转炉）大约89%的能源输入来自煤炭，7%来自电力，3%来自天然气，1%来自其他气体和来源。在EAF路线的情况下，煤炭输入的能源占11%，电力占50%，天然气占38%，其他来源占1%。
我们国家生产长流程工艺占比绝大多数，而以废钢+电炉和非高炉+电炉工艺流程的能耗水平相对较低。
根据2021年度国家统计局统计年鉴的数据，2019年度黑色金属冶炼和压延加工业共消耗能源6.53亿吨标准煤，占全部能耗消耗的13.4%。（我国国家统计局的统计口径除钢铁生产企业外，还涵盖了铁合金、一些小型轧钢厂等，统称为“黑色金属及压延”）。能源消耗主要构成：焦炭和煤炭占比超过86%。其余是电力11%和天燃气3%。
6、中国式电炉生产加入热铁水，工序碳排放明显高于全废钢电炉。
我们国家电炉分为独立电炉、长流程钢厂配电炉，还有特钢企业电炉三种情况。独立电炉企业电炉和特钢企业电炉通常以全部废钢为原料；长流程钢铁企业内部所配电炉会以热铁水+废钢为原料。
电力资源的紧张和优质废钢资源的短缺，导致部分电弧炉短流程炼钢工序中加入铁水，采用热装铁水的“中国式”炼钢工艺；还有部分电弧炉炼钢装备及工艺老旧，仍采用传统冶炼方式，未采用更节能环保的全废钢连续加料电弧炉冶炼工艺。由于生产流程及生产工艺的不同，其碳排放量有较大差异。
我国钢协重点统计钢铁企业2021年电炉平均使用574.54kg/t的热铁水进行电炉冶炼，占到全部电炉钢铁料消耗的55.4%，废钢和生铁块的占比才只有44.6%。总体来讲，我国目前长流程钢厂所配备的电炉已不是单纯的短流程电炉生产。我国电炉工序CO₂排放，要将我国电炉工序分解为高炉和电炉2个部分再具体分析。除废钢冶炼碳排放之外，还有铁水脱碳所产生的CO₂排放。一般来讲，我国电炉工序CO₂排放系数要远高于国际平均水平。而独立电炉企业和特钢企业以废钢、生铁块为主要铁原料属于单纯的短流程电炉生产，排放量低于使用部分铁水原料的电炉。
“中国式”电弧炉短流程承载了部分上游炼铁系统碳排放量，导致其吨钢碳排放量与高炉一转炉长流程相当，排放量均较大“中国式”电弧炉短流程不具备钢铁工业“脱碳化”的优势。全废钢连续加料电弧炉短流程吨钢碳排放量相比于传统全废钢电弧炉短流程减少77%的碳排放，具有良好减排效果，是钢铁工业实现“脱碳化”的重要途径。
05
国家和钢铁行业碳排放的计划和目标
1、习近平总书记在第七十五届联合国大会指出，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
2、《2030年前碳达峰行动方案》“十四五”期间，到2025年，非化石能源消费比重达到20%左右，单位国内生产总值能源消耗比2020年下降13.5%，单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年下降18%，为实现碳达峰奠定坚实基础。
“十五五”期间，到2030年，非化石能源消费比重达到25%左右，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上，顺利实现2030年前碳达峰目标。
3、中国工程院原副院长、中国工程院院士干勇表示我国钢铁行业碳排放已进入峰值平台区，碳达峰可能在2024年或“十四五”前实现，峰值约为17亿-18亿吨，且相关有效措施如均被采纳实施，2060年钢铁行业可能会趋近碳中和。
06
钢铁碳减排的总体思路
碳减排，就是减少二氧化碳的排放。而钢铁工业面二氧化碳的绝大部分来自于煤炭和焦炭等一次能源和煤气等二次能源的燃烧。所以作为最直接的减排思路就是少用煤炭和用好煤炭，减少含碳物质的简单燃烧制热利用方式；减少煤炭使用就包括提高能源利用率，降低能耗水平；还有长流程减少燃料比，铁水比，增加废钢用量；提高全废钢短流程炼钢比例；富氧或全氧高炉减少煤气的产量和深度回收和利用煤气，用电力和微波加热代替煤气燃烧加热等等。如果上面这些属于小修小补的改良派的话，那么氢气竖炉替代高炉，氢元素代表碳元素还原铁矿石，再加电炉炼钢的同时用新能源电力供电，将是未来最为革命性的降碳技术方向。
6.1方案中列明的推动钢铁行业碳达峰措施：
6.1.1深化钢铁行业供给侧结构性改革，严格执行产能置换，严禁新增产能，推进存量优化，淘汰落后产能。
6.1.2推进钢铁企业跨地区、跨所有制兼并重组，提高行业集中度。
6.1.3优化生产力布局，以京津冀及周边地区为重点，继续压减钢铁产能。
6.1.4促进钢铁行业结构优化和清洁能源替代，大力推进非高炉炼铁技术示范，提升废钢资源回收利用水平，推行全废钢电炉工艺。
6.1.5推广先进适用技术，深挖节能降碳潜力，鼓励钢化联产，探索开展氢冶金、二氧化碳捕集利用一体化等试点示范，推动低品位余热供暖发展。
6.2干勇院士指出碳减排路线图
从钢铁行业低碳冶金技术路线来看，主要包括八个方面：一是政策支持，淘汰落后产能；二是加强信息化建设，运用数字化转型赋能；三是优化钢铁布局，鼓励短流程工艺；四是节能和降碳同步；五是用全生命周期理论研发产品；六是开发利用CCUS技术；七是研究推进氢能新技术；八是进行技术创新体系改革。其中，氢冶金担负着将高碳排放的钢铁业改变为零碳排放的重任。
07
钢厂碳减排的主要技术路径和减排效果
表4.钢铁行业低碳技术
表5.电炉炼钢-精炼工序的吨钢碳排放
08
国际知名机构对钢铁行业碳减排
的研究建议：
8.1干勇：2021-2060年对钢铁碳减排贡献比例
粗钢产量下降因素约占45%，全废钢电炉流程钢厂发展的因素约占39%，氢冶金因素约占9%，以及节能、界面技术、智能化等因素约占7%。干勇表示，一直以来，我国电炉钢发展受到废钢资源短缺的制约，经过21世纪初的高速发展，到2018年我国钢铁积蓄量达到90亿吨。随着钢材制品报废周期的到来，我国废钢资源短缺现象将得到改善。中国工程院《黑色金属矿产资源强国战略》项目研究表明，到2025年，我国钢铁积蓄量将达到120亿吨，废钢资源年产量将达到2.7亿-3亿吨，2030年，我国钢铁积蓄量将达到132亿吨，废钢资源年产量将达到3.2亿-3.5亿吨。届时，我国废钢资源将会供应充足，短流程炼钢的优势将逐渐体现出来。
根据当前粗钢产量计算，当电炉粗钢比例达到25%的时候，我国钢铁行业的碳排放量将减低10.2%，年减排1.94亿吨CO2，应合理发展电弧炉短流程城市钢厂。
图2.钢铁工业碳减排技术路线的贡献
8.2麦肯锡对中国钢铁碳减排的研究结论
综合考量成本、技术成熟度和资源可用性，我们认为需求减少、能效提升，以及废钢再利用、碳捕集利用与封存（CCUS）、氢气直接还原炼钢（H2-DRI-EAF）等技术的加速推动是中国钢铁行业碳中和的重要抓手。据此，我们绘制了中国钢铁行业从2020年到2030和2050年的减排路径图（见图3）。
图3.中国钢铁行业2020-2050年CO2排放变化
8.3IEA钢铁工业碳减排路线图
2020年10月，国际能源署发布了钢铁技术路线图。该文件分析了不同减排技术选择所带来的影响和利弊，以及针对本行业制定的、符合《巴黎协定》的政策目标。在国际能源署的可持续发展情景下，2050年钢铁行业直接排放总量比2019年降低50%以上。按照相同的路径，粗钢生产的排放强度必须降低58%。国际能源署认为钢铁对现代经济至关重要，但指出，在支撑钢铁需求量预期增长的同时减少排放，这将带来巨大挑战。虽然提高材料使用效率的措施有助于行业的减排，钢铁行业仍需进一步开发和部署一系列突破性技术方案和配套的基础设施，以实现长期、深度减排。另外，国际能源署还指出，各国政府必须发挥关键性作用，确保本行业的可持续转型。最后，国际能源署呼吁各国政府、钢铁行业、科研机构和非政府组织群体以及其他利益相关方采取行动。
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