双碳”目标下 , 我国钢铁工业发展现状与展望

人类的文明史与材料、能源、信息的发展史相伴而行，自从进入铁器时代，钢铁制造技术被发现发明之后，就一直成为人类的好工具与好材料，并随着时代的发展变得愈发重要。作为世界上应用最为广泛的金属材料，钢铁已成为现代工业的粮食，并因其具有的独特优势 -可回收性（磁性）及方便循环利用的特点，从全生命周期绿色低碳角度，在“双碳”背景下凸显新的重要意义，并将进一步扩大应用。长期以来，传统钢铁生产以高碳化石原燃料为主，具有高能耗、高排放的本质和特点，随着全球气候变化问题成为焦点，引发全社会对钢铁生产所造成的环境影响的担忧。经过持续的努力，钢铁工业节能减排取得巨大成效，以我国为例，钢铁工业作为能源密集型行业，同时也是碳排放重点行业，近30年，取得吨钢二氧化碳排放下降幅度约为50%的卓越成绩，但进一步下降逐步趋缓。行业专家普遍认为，若无工艺及能源结构的革新，吨钢二氧化碳排放进一步下降将极为有限。当前，中国钢铁行业的碳排放量约占全国总排放量的16%左右，居制造业首位，减碳压力巨大。2021年，中国钢铁行业价格出现大幅波动，上半年大幅度上涨，下半年显著下跌，出现40多年来少有的粗钢产量下降。业内认为，“双碳”倒逼下的国内外钢铁行业将在未来数十年发生巨变。在这个过程中，中国钢铁行业要持续发展，在规模引领的基础上，逐步实现装备引领、绿色引领和科技引领至关重要。2022年2月7日，国家工业和信息化部、国家发展和改革委员会、生态环境部三部委联合印发《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》（工信部联原〔2022〕6号，以下简称《指导意见》），设定的主要目标之一就是“绿色低碳深入推进”，并给出具体指标“构建产业间耦合发展的资源循环利用体系，80%以上钢铁产能完成超低排放改造，吨钢综合能耗降低2%以上，水资源消耗强度降低10%以上，确保2030年前碳达峰”，同时也在主要任务中指出“深入推进绿色低碳。落实钢铁行业碳达峰实施方案，统筹推进减污降碳协同治理”，并对氢冶金、低碳冶炼技术应用、绿色能源使用比例，与建材、电力、化工、有色等产业耦合发展进行阐述。指导意见从整体和顶层设计上,为我国钢铁行业绿色低碳高质量发展指明方向，并作出具体安排和部署。在“双碳”战略下，国内外先进钢铁企业纷纷发布低碳路线图，以新能源为驱动的“绿色再生钢铁 - 新钢铁”计划已启程，绿色钢厂、绿色钢材逐步涌现，全球零碳钢铁发展大赛已起步。可以预见，在能源与资源的双重挑战下，以绿色为底色的新钢铁将成为青春依旧的新材料，得到广泛应用。

一、钢铁行业的减碳对全球意义重大

根据IEA（国际能源署）的《钢铁技术路线图》，从全球范围来看，钢铁行业每年直接排放约为26亿吨二氧化碳（其中，中国钢铁碳排放占到60%以上），占全球能源系统排放总量的7%，钢铁行业的减碳，对全球碳达峰碳中和意义重大。同时，作为最重要的基础工业，钢铁工业本身的绿色低碳发展，可以带动整个工业乃至全社会的低碳技术进步，从而促成低碳社会的构建。钢铁可用于人类生活的方方面面，如汽车、建筑、电冰箱、洗衣机、货船和外科手术刀等。因此，钢铁工业与基础设施、交通运输、工业制造、农业和能源供应等多种产业深度耦合，绿色钢铁原料、绿色能源、绿色制造、绿色产品等,对我国经济绿色低碳发展起着基础性、决定性的作用。

（一）中国钢铁工业碳排放溯源

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》的具体内容，在钢铁生产过程中，主要碳排放来源，分别为：①化石燃料燃烧排放；②工业生产过程排放；③净购入使用的电力、热力；④固碳产品隐含的碳排放四个方面。钢铁形成产品流程中，从消耗物料的角度看，焦油、炼焦原煤等原料碳排放量最大；从生产流程角度看，炼铁工序为碳排放量最高的工序。据相关研究，针对长流程钢厂碳排放，主体碳排放来自钢铁生产中的燃料燃烧，这个部分约占 90% 以上；第二部分来自外购电能，碳排放约占 5% 以上；除此之外，在生产过程中，需要消耗含碳原料，如石灰石、白云石、电极、生铁、铁合金等，这些碳排放约占 3% ～ 4%。而对于短流程钢厂，碳排放则相对长流程钢厂可以降低 50% 以上。因其输入能源电力大量提升，相应的电力排放占比也大大提升，这可以通过绿电的供应来降低碳排放。由此可见，钢铁生产工艺是碳排放的决定因素。目前，中国钢铁行业是中国制造业31个门类中碳排放量最高的行业，面临巨大节能降碳的压力。因此，钢铁工业碳排放情况对全国实现“双碳”目标影响较大，直接关系到最终目标是否能够如期实现。中国钢铁企业以长流程为主，2021年中国粗钢产量10.35亿吨，连续25年世界第一，占世界粗钢产量的52.9%。钢铁工业是能源资源消耗密集型产业，以长流程为主的钢铁制造流程，决定了煤焦是我国钢铁企业的主要能源介质，占能源结构比例达90%，这是造成钢铁行业碳排放量大的最主要原因。

（二）钢铁制造与碳紧密关联：钢铁制造工艺过程与碳紧密关联。高炉炼铁过程的化学公式为：

从化学公式可以看出，长流程钢铁生产的碳排放不可避免，每使用铁矿石生成1吨铁，平均要释放2.21吨二氧化碳。这是长流程钢铁生产碳排放高的本质原因。根据我国钢铁发展现状特点，为实现低碳发展，冶金工艺流程首先需进行变革。从目前技术发展来看，主要类型包括：相对而言投资强度最低的低碳长流程-氧富氢高炉、投资强度居中的仅零碳短流程-电炉+绿电、投资强度最高的零碳短流程-新型氢冶金、以及作为辅助措施的碳捕获、利用与封存 (CCUS)。从工艺大类来说，有以下几个方面：

1. 废钢回收与电炉工艺采用短流程炼钢，加大资源回收，利用废钢直接对降碳产生效果。相比转炉炼钢，电炉炼钢具有多重优势，如工序简短、投资节省、建设快速、节能减排效果突出等，更符合绿色钢厂的模块方向和满足钢铁工业绿色发展的要求。推进钢铁生产流程结构调整，提高电炉钢比例被认为是钢铁行业实现“双碳”目标的重要路径。我国《2030年前碳达峰行动方案》指出“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”。按照国家《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，力争到2025年，电炉钢产量占粗钢总产量比例提升至15%以上，钢铁工业利用废钢资源量达到3亿吨以上。可以预见，基于生命周期（LCA）的废钢利用，将在新的“双碳”时期发挥越来越大的作用。废钢回收与电炉工艺应协同发展，需通过多种手段来促进这种协同，如从产能置换、产业布局角度，引导优势地区发展电炉炼钢；从财政、税收等角度，鼓励钢铁企业发展电炉炼钢；从完善产业链条角度，加大对废钢铁加工配送行业的扶持力度等。

2. 再电气化钢铁联合企业每道工序能源转换的效率只有60%至70%，从能量转换效率来说，直接采用电加热效率最高。不用或少用化石燃料，实现轧钢全产线的电气化。通过提升绿电比例，可有效降低间接碳排放。中国钢铁工业电能占终端能源消费比重约为 10%，电气化仍存在较大发展空间，应持续提升电气化水平，拓宽电能替代领域。钢铁冶炼全流程电气化，是低碳冶金的重要技术方向。

3. 氢冶金当下碳基能源仍在钢铁流程中占决定地位，而氢能和可再生能源正在快速发展。氢能具备高能量密度、无污染排放的典型优势，并基于氢能的特点，可以有效耦合传统化石能源和可再生能源，从而成为构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系不可或缺的组成部分。氢能在能源转换与资源环境中将越来越活跃，并将主导未来钢铁的技术走向。因此，以氢冶金作为终极形态，以氢代替碳，将促进钢铁行业向绿色低碳、高质量发展。研发氢基竖炉－电炉短流程新工艺技术，实现钢铁工艺流程革新和驱使能源结构化，将为低碳或无碳钢铁生产提供全新的途径。未来，全新的氢冶金钢铁产业是新产业链的重要中枢节点。国外许多钢铁企业已经纷纷开发利用氢能进行钢铁生产，国内先进钢铁企业也率先实践，如高炉富氢冶金、富氢熔融还原、氢基竖炉直接还原等氢冶金项目，目标是逐渐用氢气来替代碳，大幅度减少钢铁冶金流程的温室气体排放，并进一步实现钢铁冶金生产过程的碳中和。再如河北钢铁集团也开展了氢能源开发和利用工程，氢冶金相关工作正式启动建设.

4. 资源循环与副产品、碳捕集及利用基于碳捕集与利用（CCU），研发应用钢铁－化工－氢能一体化网络集成 CCU 技术，通过钢铁、化工协同，为中国高炉－转炉长流程为主的钢铁产业实现碳净零排放提供最合理、最彻底的解决方案。对无法减排的二氧化碳，可以通过产业协同、回收利用变成一种资源，从而实现碳排放向碳资源转变。钢铁工业提取的二氧化碳作为化工原料，制备甲醇、乙醇等化工产品，焦炉煤气提取氢气供给氢能交通物流。

（三）全球钢铁企业转型的趋势

在全球应对气候变化的大形势下，全球钢铁企业纷纷进行转型发展，尽管具体工艺路线不完全相同，但总体而言，主要是通过工艺革新增加绿色能源使用从而降碳。如德国蒂森克虏伯钢铁公司设立二氧化碳减排目标：“到 2030 年减排 30%，到 2050年实现碳中和”。其低碳发展路线图：提高铁冶炼效率减少煤 ( 焦炭、粉煤 ) 使用的工艺( 如高炉序列脉冲氧气喷吹工艺的应用 ) →氢还原炼铁 ( 在高炉中以氢气替代煤，减少煤的使用 ) →碳捕捉和使用→氢气气基融熔还原炼铁 ( 建立以氢气为还原剂的还原炉生产海绵铁 - 直接碳避免技术），实现二氧化碳零排放。再如， SSAB( 瑞典钢铁集团）的二氧化碳减排目标：到 2032 年将其温室气体排放量基于2018年减少35％，2035年前建成无化石燃料钢铁制造流程，2045年完全实现无化石燃料钢铁制造。低碳发展路线图:新型非化石燃料钢铁生产工艺——氢气突破炼铁技术，即以氢替代焦炭和煤炭作为还原剂，并结合电弧炉（EAF）直接还原氧化铁/矿石（H-DR）。奥地利的奥钢联、韩国浦项、印度塔塔、日本 JFE（日本钢铁工程控股公司）等也纷纷提出企业自身路线图，通过工艺革新，绿电、绿氢的使用成为共同选择。

二、2035展望——挑战与机遇并存

钢铁行业是我国碳达峰碳中和目标实现的重点领域和责任主体，其绿色低碳发展进程直接事关国家碳中和承诺能否按期实现。在这个过程中，挑战与机遇并存。

(一）挑战从能源结构看，钢铁工业煤炭占比更高，降碳压力大。我国的资源禀赋一直是“富煤缺油少气”。虽然我国煤炭占一次能源消费比例持续降低，但在钢铁工业能源消费结构中煤炭占比达到83%, 远高于美国、英国和法国等其他发达国家30% 以下的比例。从碳排放总量看，钢铁属重点行业，降碳责任大。按国际能源署（IEA）数据显示，2021年全球碳排放达363亿吨，钢铁碳排放约占全球的10%。在我国，钢铁碳排放占比更高。从产能集中度看，钢铁行业集中度低，降碳协同弱。我国钢铁行业企业达500家以上，按照十大钢铁企业粗钢累计产量计算，2019年我国钢铁产业集中度低于37%，远低于欧美发达国家 70%~100%。产业集中度过低，不利于相互协同、相互支撑、统筹推进。从碳减排难度看，钢铁属高难行业，降碳难度大。据统计，钢铁行业约35%碳排放难以通过常规手段削减，氢冶金是全世界探讨的共同课题，我国与欧美发达国家正在积极探索。钢铁工业碳排放“总量大、能力弱、挑战多”，构成多重叠加压力，使得我国钢铁工业的碳达峰碳中和目标的实现更加复杂、更加艰巨。

(二）机遇：钢铁工业作为我国经济建设的基础性产业，经过多年快速和全面的发展，部分先进企业已达到世界领先的水平，并已拥有世界规模最大，流程最完整的工业体系。钢铁工业“双碳”目标的实现将为我国贯彻新发展理念、实现经济高质量发展提供新的历史机遇。我国经济社会正在处于转型发展期，处于开创生态文明新时代，倒逼钢铁行业必须推进自身高质量发展，促进能源结构、产业结构和经济结构转型升级；建立可持续发展模式，转变传统的低效污染发展模式为绿色、低碳和可持续模式。首先，建立新能源安全观，要求钢铁行业促进能源体系向清洁、低碳、高效和智能方向转型升级，改变传统的能源格局。其次，深化供给侧改革，实现高质量发展的契机，要求钢铁工业构建供需动态平衡、优化工艺流程结构、推动行业技术革命促进行业智能化升级、加快推动多产业协同、促进系统环境治理。第三，提高国家治理能力的目标，钢铁行业需不断提升国际综合实力和国际事务话语权。为实现社会主义现代化强国目标，在未来的大国博弈中占据绿色低碳竞争优势贡献力量。第四，碳达峰碳中和战略目标的实现，更要求钢铁工业进入一个新的变革期，需突破低碳冶金工艺路线，构建清洁能源空间与生态空间，调整资源布局。这给钢铁工业及延伸产业链带来了巨大的发展机遇。

三、绿色低碳转型发展路径的探索

（一）国内钢铁集团转型路线与国际同步，我国部分钢铁企业也纷纷制定“双碳”目标并发布低碳路线图。基于中国宝武钢铁集团的低碳技术路线图，钢铁低碳发展路径为：低碳工艺全面加速改造，近零碳工艺规模替代和零碳工艺引领逐步扩大，碳捕集和补偿适时引进，最终在 2050年实现碳短流程占比 50%，低碳长流程占比 30%，近零碳短流程占比 20%，配置大于30%CCUS 辅助。此低碳路径工艺流程最终趋向于“氢还原、绿电制氢和电气化”，而从能源视角出发，钢铁企业的最终方向是实现“电、氢、碳”耦合，即“绿电 - 绿氢 - 碳循环”的零碳冶金工厂。具体来说，以“碳”为根本，作为能源原燃料向产品原材料的转型及碳元素的循环利用是低碳钢铁的根本命题；以“氢”为核心，低碳冶金工厂将氢作为最重要的能量载体和脱碳原材料；以“电”为驱动、枢纽，低碳冶金工厂的“电气化”以清洁电力为能源的结构基础，将清洁电力作为多种能源高效、低碳转换的纽带。同时，对比河钢集团提出的低碳发展五大路径、鞍钢集团提出的六大降碳技术路径、以及建龙集团提出的六大低碳发展路径，可以看出“用能结构优化”为钢铁企业低碳发展的重要路径之一，该路径主要包括布局新能源产业、调整能源结构，发展储能技术、构建源网荷储、多能互补的能源体系和绿电应用与绿色物流等。

（二）转型过程的关键问题：探索钢铁行业作为制造业中最大的耗能单元，充分发挥钢厂作为能源消费侧的消纳兼具储能缓冲特性，深度融合冶金工厂能源特性，打造冶金清洁能源产业具有多重优势，体现在加速钢铁单元自身能源结构清洁化、钢铁能源系统为区域能源系统提供安全、稳定、绿色的正向作用，助力国家能源革命等方面。冶金能源产业正在成为国家能源产业负荷端的重要补充，有利于能源企业深度脱碳。当前，全国各地政府和相关企业都在争先恐后布局绿能资源，充分发挥钢厂优势，源网荷储一体化，构建与低碳钢铁及先进材料制造体系相适应的新能源保障体系，必须抢占先机、立足长远、统筹谋划、产业协同，充分发挥钢铁生态圈产业集聚的带动优势，通过产业投资换取绿能资源。将当地风光水等绿能资源开发作为企业可持续发展目标进行布局，并从钢铁主业层面进行汇总和统筹，做好多产业的协同，实现多产业项目规模化与地方政府集中沟通绿能资源保障的条件，才能确保绿色能源保障工程的落地。

（三）展望：把握机遇、直面挑战，是整个钢铁行业共同面对的问题。需要在产业结构调整和工艺变革中扎实做好工作；同时结合可再生能源的分布，做好钢铁基地的空间布局及可再生能源的资源获取。在 2035 年实现以上调整，为后续碳中和奠定坚实的基础。

四、结语

绿色低碳发展是钢铁企业实现可持续发展的必由之路，也是新时期我国实现经济、社会高质量发展的重要目标。钢铁工业碳达峰碳中和是一场新的征程，是一场硬仗、更是一场大考，需审时度势、积极应对，扎实推进钢铁行业绿色低碳发展。把握机遇、直面挑战，认真做好钢铁行业碳中和的时间表、路线图和施工图。可以预见，在钢铁业未来的碳中和进程中，除了冶金工艺本身的变革，清洁能源行业作为重要的保障将越来越重要，以有力支撑钢铁行业减碳目标的实现。这个保障是以钢铁工业制造基地为负荷中心，按照源网荷储一体化运行来解决的系统工程。