中國鋼鐵行業碳排放源頭治理分析與策略研究

田勇，田中明，王念軍，李亞娜，呂金秋，寧生龍，馬俊堯，呂寶棟，李澤安

（鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

中國鋼鐵行業是能源消耗和碳排放的大戶，能耗占比達到全國的11%，碳排放量占總量的15%，在制造業31個門類中位居首位[1]。傳統的高爐-轉爐長流程粗鋼冶煉工藝以化石燃料煤炭為主，應用廣泛；而低碳工藝的電弧爐短流程冶煉受廢鋼成本高等因素制約未得到大量普及，占比僅有9.02%；氫冶金技術不成熟，也未得到實質性應用；碳交易推動鋼鐵減碳作用不明顯，我國鋼鐵行業在降低碳排放強度和碳排放總量上遇到瓶頸。因此有必要分析影響降低中國鋼鐵行業碳排放制約因素，統籌全局，在完善原料及碳交易市場體系，低碳關鍵技術研發及應用，優化行業布局等方面，制定相應的優化措施，突破“碳”束縛，從根本上解決中國鋼鐵行業碳排放存在的突出問題。

1 中國鋼鐵行業碳排放現狀

1991-2020年中國粗鋼產量和CO2排放趨勢見圖1。由圖1看出，與1991年相比，2020年噸鋼CO2排放量下降幅度約58%，但由于粗鋼產量迅速增長，鋼鐵行業CO2排放總量由1991年的2.78億t增加到2020年的歷史最高值17.56億t[2]。

圖1 1991-2020年中國粗鋼產量和CO2排放趨勢Fig.1 Raw Steel Output and CO2Emission Trend in China from 1991 to 2020

可見，鋼鐵行業的碳中和是一項龐大的戰略性、系統性工程，涉及到政策[3]、市場[4]、供應鏈[5]、產業布局[6]、工藝流程[7]等諸多環節，是雙碳戰略中的焦點。

2 中國鋼鐵行業碳排放的突出問題分析

2.1 產能結構問題突出，碳排放總量巨大

世界主要國家與地區粗鋼產量、人均產量[8]、碳達峰時間及達峰年鋼產量[9]統計見表1。由表1看出，大部分國家與地區實現碳達峰后均降低了粗鋼產量。根據國家統計局公布數字，2021年中國粗鋼產量10.33億t，較2020年同比下降3%，產能利用率為79.2%，基本處在合理區間[10]。相比產能總量，能源消耗的結構性問題更突出，2001-2018年中國鋼鐵行業各類能源消耗、碳排放情況及占比見圖2[11]。

表1 世界主要國家與地區粗鋼產量、人均產量、碳達峰時間及達峰年鋼產量Table 1 Raw Steel Output,Per Capita Output,Emission Peak Time and Steel Output in Peak Year of Main Countries and Regions in the World

圖2 2001-2018年中國鋼鐵行業各類能源消耗、碳排放情況及占比Fig.2 Various Energy Consumption,Carbon Emissions by Iron&Steel Industry in China from 2001 to 2018 and Their Percentages

圖2直觀表明中國鋼鐵行業能源資源消耗仍以焦炭和煤炭為主。圖3為2001-2020年中國粗鋼產量及電爐鋼占比，圖4為2020年世界主要鋼產國粗鋼產量及電爐鋼占比的對比。

圖3 2001-2020年中國粗鋼產量及電爐鋼占比Fig.3 Raw Steel Output and Percentage of EAF Steel in China from 2001 to 2020

圖4 2020年世界主要鋼產國粗鋼產量及電爐鋼占比的對比Fig.4 Comparison of Raw Steel Output and Percentage of EAF Steel in Main Steel-producing Countries in World in 2020

由圖 3、4看出，2020年中國電爐鋼產量為9 600萬t，只占總產量的9.02%，遠低于世界平均水平，產能結構帶來的碳排放問題突出。

2.2 短流程工序成本高，企業缺乏轉型動力

2019年，工信部發布的《關于引導電弧爐短流程煉鋼發展的指導意見（征求意見稿）》提出，力爭到“十四五”末，電爐鋼產量占粗鋼總產量的比例提升至20%左右；2022年，工信部、國家發改委和生態環境部聯合下發的《關于推動鋼鐵行業高質量發展的指導意見》再次明確要有序引導短流程煉鋼。

當前制約短流程工序發展的主要因素是經濟問題。以鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司為例，短流程和長流程冶煉成本對比見表2所示。

表2 朝陽鋼鐵短流程和長流程冶煉成本對比Table 2 Comparison of Steel-smelting Cost between Short Flow Process and Long Flow Process in Chaoyang Steel Branch

由表2可以看出，電爐冶煉要比轉爐冶煉成本高309.4元，分析主要原因有：① 廢鋼價格高，相較高爐鐵水沒有成本優勢；②電爐冶煉熔劑、電能和其他介質消耗高；③電爐無法實現負能煉鋼。成本因素制約了企業工藝轉型的內生驅動力，短流程煉鋼長期處于占比低、產能利用率低的局面，導致了中國鋼鐵行業碳排放量居高不下。

2.3 氫冶金技術不成熟，尚不具備產業化條件

2020年中國鋼鐵行業鐵前工序的能耗占比達到81.74%，因此降低鐵前能耗占比是降低鋼鐵行業總能耗和總碳排放量的關鍵。

考慮節能和降碳綜合效應，采用氫基還原煉鐵將是最直接、最有效的方式。但氫氣冶金熱平衡和反應過程控制難度極大，盡管世界各國進行了大量研究，仍未取得突破性進展[12]。氫基冶煉另一個突出問題是低成本氫氣制取。目前，主要制氫方法對比見表3[13]。電解水制氫和新型制氫法可從根本上消除碳排放，但成本很高，難以產業化應用。

表3 主要制氫方法的對比Table 3 Comparison of Main Methods for Hydrogen Preparing

2.4 產業布局偏重沿海，距內陸能源基地遠

進入21世紀，隨著中國鋼鐵產能的激增，對海外原料和消費市場依賴程度不斷加大，中國鋼鐵行業布局由內陸近礦型逐步轉向沿海近港型。2005年7月出臺的《鋼鐵產業發展政策》明確指出：從礦石、能源、資源、水資源、運輸條件和國內外市場考慮，大型鋼鐵企業應主要分布在沿海地區[14]。從那時起至今，中國鋼鐵行業基本形成了沿海及沿長江水道布局，2021年中國大陸各省區市粗鋼產量分布見圖5。

圖5 2021年中國大陸各省區市粗鋼產量分布（萬t）Fig.5 Contribution of Raw Steel Output in Various Provinces,Districts and Cities in Chinese Mainland in 2021

未來鋼鐵行業低碳化轉型勢必對進口鐵礦石的依賴度降低，而對廢鋼供應和非化石能源電力的依賴度將明顯提升，因此中國鋼鐵行業過于偏重沿海布局，距離內陸新能源基地較遠的問題也日益突出。

2.5 碳交易步伐滯后，交易價格推動力不足

2021年統計數據表明，全國已參與碳排放權交易試點的鋼鐵企業粗鋼產量僅約占全國的1/7，大多數鋼鐵企業還處于研究政策、制定路線圖、初步核查等準備工作階段，整個行業參與碳交易步伐滯后[15]。

另外，中國碳交易均價僅為23.5元/t，而歐盟碳市場交易價格已突破50歐元/t，顯然國內碳交易價格不足以彌補短流程與長流程成本差距，對鋼鐵行業碳減排推動力不足[16]。

根據上述分析，可以確定中國鋼鐵行業 “雙碳”發展面臨的主要矛盾是：鋼鐵產能和工藝流程結構問題帶來的超大規模碳排放總量與碳中和路徑不完善不成熟之間的矛盾，矛盾的關鍵是碳排放源頭問題。因此，鋼鐵行業必須多措并舉強化源頭治理，有效降低CO2排放強度和排放總量。

3 推進鋼鐵行業碳排放源頭治理的策略

3.1 統籌再生鋼鐵原料市場體系

（1）加快建設全國統一的再生鋼鐵原料大市場

據測算，未來10年左右中國廢鋼資源總量將增加50%，電爐煉鋼產能比例將接近40%[17]。日益增加的廢鋼蓄積量和需求量與當前廢鋼加工流通渠道小、散、亂的現狀存在著巨大矛盾。大力推動可再生鋼鐵原料全國統一大市場建設，規范廢鋼等可再生鋼鐵原料的市場交易，改變鋼鐵原料市場的價格亂象，為短流程工藝推廣創造先決條件。

（2）探索推動廢鋼期貨上市交易

推動廢鋼期貨上市交易，有助于發揮衍生品功能，服務廢鋼產業平穩持續發展。未來應加快廢鋼期貨品種上市進程，為實體企業提供有效的避險平臺。在期貨交割質量標準上可借鑒國標與行標，并參考重點鋼廠采購標準和現貨貿易習慣搭建分類指標，利于企業參與期貨交易，進一步提高期貨市場服務實體經濟的作用。

3.2 加速推動氫基冶煉產業應用

（1）行業內部加快實現氫基冶煉技術突破

目前，國內鋼鐵企業主要氫冶金示范項目進展情況如表4所示。

表4 國內鋼鐵企業主要氫冶金示范項目進展情況Table 4 Progress on Main Demonstration Projects for Hydrogen Metallurgy in Iron and Steel Enterprises at Home

應該看到，作為世界頭號鋼鐵生產大國，這些項目從基礎的深度和應用的廣度上遠不能滿足雙碳戰略的要求。鋼鐵行業應發揮我國集中力量辦大事的體制優勢，將氫基冶煉作為重要戰略方向，匯聚全行業科研創新力量，力爭早日實現突破。

（2）加強行業間協同，積極融入氫能產業鏈

鋼鐵行業應搶抓氫能產業發展契機，積極融入氫能產業鏈，利用國家先期發展優惠政策，拓展新業務新領域，加快推動低碳轉型。

一是積極介入制氫環節。目前，鋼鐵企業用氫來源主要為焦爐煤氣。資料表明，10 000 m3/h焦爐煤氣制氫、制LNG和發電的年效益分別約為2 500、1 000 和 800 萬元，制氫效益可觀[18]。 未來，鋼鐵企業要全面提升氫產率，實現“藍氫”的制備。

二是在儲氫環節加快探索開展氫氣儲運服務。積極規劃建設配套液氫工廠，完善氫氣液態運輸管道、槽車、自備加氫站等設備設施，實現“綠氫”的大量使用。

3.3 構建多層次低碳化產業布局

（1）微觀層面：布局氫基煉鐵-短流程煉鋼工廠

2021年新版《鋼鐵產能置換實施辦法》規定，轉爐生產轉電爐生產時可等量置換。鋼鐵企業應利用好這一政策，加速完善氫基煉鐵-短流程煉鋼工廠設計、建設與運行。具體分以下兩步：

首先在廢鋼資源富集區域引入先進的電爐工藝裝備，逐步置換轉爐產能，同時為未來氫基煉鐵預留實施空間。

隨著氫基煉鐵技術的突破，因地制宜地發展氫基豎爐、富氫高爐、氫基熔融還原等工藝，實現與廢鋼互補的原料體系，最終形成氫基煉鐵-短流程煉鋼的低碳工廠。

（2）中觀層面：布局鋼鐵-非化石能源發電-化工聯合體

低碳模式下的鋼鐵企業離不開“綠氫”、非化石能源電力的供應，鋼鐵流程自身也不斷產生可再生能源介質。因此在中觀層面的產業布局上，應本著優勢互補、資源互用原則，形成鋼鐵-能源-化工產業聯合體布局如圖6所示，實現能源介質優化利用。

圖6 鋼鐵-能源-化工產業聯合體布局Fig.6 Layout of Iron and Steel-Energy-Chemical Industry Association

（3）宏觀層面：重構中國鋼鐵行業整體布局

考慮到低碳發展和下游行業對鋼鐵產品要求的差異，中國鋼鐵行業在宏觀層面應形成新的布局模式，即：① 使用鐵礦石為主，生產高品質、高純凈度產品，適應高端要求的長流程鋼廠仍保持沿海沿江布局；② 使用廢鋼、直接還原鐵為主，生產普通產品，適應中低端需求的短流程產能逐步轉向內陸，并構成鋼鐵-能源-化工產業聯合體。

以2021年中國大陸地區各省區市GDP總量（與鋼鐵消費量和廢鋼積蓄量相關）和非化石能源發電量分布為依據，如圖7所示，綜合考慮非化石能源發電量、廢鋼蓄積量與消費市場的因素，中國西南部川、滇、桂，東南粵、閩，華中鄂、湘，北方內蒙、遼寧地區應該成為未來短流程鋼廠布局的優先區域。

圖7 2021年中國大陸各省區市GDP總量和非化石能源發電量分布Fig.7 Distribution of Total GDP and Non-fossil Energy Power Generation in Various Provinces,Districts and Cities in Chinese Mainland in 2021

3.4 強化交易杠桿，撬動源頭治理

2021年6月，生態環境部向中鋼協發布《關于委托中國鋼鐵工業協會開展鋼鐵行業碳排放權交易相關工作的函》，標志著鋼鐵行業成為繼電力和建材后第三個被納入全國碳市場的重點行業。

（1）打造更加完善的碳交易市場

目前，中國的碳交易市場已初步形成了以配額為核心，涉及資產交易、減排創新、氣候投融資的多方位市場體系，試點地區鋼企碳排放效率平均提升了12.6%[19]。在可預見的未來，不斷完善的碳交易政策和碳市場將通過促進技術創新、降低能源強度、調整能源結構和產業布局等方式，有效促進鋼鐵行業碳排放源頭治理。

（2）促進全行業建立碳資產管理理念和模式

全行業應盡快適應加入全國碳交易市場的形勢，加快以碳管理為核心的產業布局調整，更加積極主動構建內部碳資產管理體系，切實提升企業綠色發展領域的競爭力。一是搭建平臺，以最基本的數據統計報送為基礎；二是配備和培養掌握碳交易特殊標準和規范的專業人才隊伍；三是全面構建涵蓋數據采集、分析、控制到報送，從內部管理能力到外部交易實務各環節完整的碳資產體系；四是圍繞企業整體的戰略目標制定相應的碳資產管理策略，及時掌握政策趨勢，隨時優化調整。

（3）完善鋼鐵行業環境產品聲明平臺建設

2022年5月19日，鋼鐵行業環境產品聲明（EPD）平臺首發上線，并發布了首份報告。初步實現了按國家統一的標準體系，對包括產品碳足跡在內的環境數據進行披露，是鋼鐵企業體現減碳責任、開展國際貿易的重要資質。鋼鐵企業要共同嚴謹規范做好平臺發布工作；加強溝通交流，盡快推動EPD互認；進一步加強平臺的治理架構建設，確保平臺的獨立性和第三方屬性。努力把EPD平臺打造成行業參與、政府支持、用戶認可、市場采信、國際公認的平臺，推進鋼鐵行業低碳發展從“點”的突破向“面”的轉變。

4 結語

“雙碳”戰略是中國鋼鐵行業高質量發展面臨的首要任務和嚴峻挑戰，也是實現跨越式進步的重大契機。要遵循“先立后破、穩中求進”的總基調，在宏觀政策層面，構建全國統一、運行有序的碳交易、碳金融、鋼鐵原料市場體系和融資平臺；在基礎研發領域，發揮舉國體制優勢，打通關鍵技術瓶頸，推進產業應用；在行業布局方面，打破地區、行業、企業間壁壘，統籌產業格局、優化能源結構和碳素流向，中國鋼鐵行業一定能夠突破“碳”束縛，為實現鋼鐵強國夢、為建設全人類美好生活家園做出歷史性、開創性貢獻！