重点研究型大学是什么（钢铁节能减排重点研究 | 中国钢铁工业应该如何碳减排？)

引言

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！

一、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。

二、钢铁工业二氧化碳是主要来源是什么？

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。

三、钢铁工业碳排放主要来自那些工序和设备？

3.1、高炉-转炉长流程工艺碳排放明显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排放主要由燃煤所产生。

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四、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770m 3 ；但是，1990年至2008年，西欧高炉平均炉容由1690m 3 扩大到2063m 3 ，日本高炉平均炉容由1558m 3 扩大到4157m 3 。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。五、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。六、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《2030年前碳达峰行动方案》中列明的推动钢铁行业碳达峰的具体措施：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。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。七、钢厂碳减排的主要技术和路径和减排效果

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八、国际知名机构对钢铁行业碳减排的研究建议：8.1、干勇给出2021-2060年累计将对于钢铁行业的碳减排贡献比例：

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8.3、IEA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。

图4.IEA钢铁行业碳减排路径图