中国钢铁行业碳排放源头治理分析与策略研究

田勇，田中明，王念军，李亚娜，吕金秋，宁生龙，马俊尧，吕宝栋，李泽安

（鞍钢集团朝阳钢铁有限公司，辽宁 朝阳 122000）

中国钢铁行业是能源消耗和碳排放的大户，能耗占比达到全国的11%，碳排放量占总量的15%，在制造业31个门类中位居首位[1]。传统的高炉-转炉长流程粗钢冶炼工艺以化石燃料煤炭为主，应用广泛；而低碳工艺的电弧炉短流程冶炼受废钢成本高等因素制约未得到大量普及，占比仅有9.02%；氢冶金技术不成熟，也未得到实质性应用；碳交易推动钢铁减碳作用不明显，我国钢铁行业在降低碳排放强度和碳排放总量上遇到瓶颈。因此有必要分析影响降低中国钢铁行业碳排放制约因素，统筹全局，在完善原料及碳交易市场体系，低碳关键技术研发及应用，优化行业布局等方面，制定相应的优化措施，突破“碳”束缚，从根本上解决中国钢铁行业碳排放存在的突出问题。

1 中国钢铁行业碳排放现状

1991-2020年中国粗钢产量和CO2排放趋势见图1。由图1看出，与1991年相比，2020年吨钢CO2排放量下降幅度约58%，但由于粗钢产量迅速增长，钢铁行业CO2排放总量由1991年的2.78亿t增加到2020年的历史最高值17.56亿t[2]。

图1 1991-2020年中国粗钢产量和CO2排放趋势Fig.1 Raw Steel Output and CO2Emission Trend in China from 1991 to 2020

可见，钢铁行业的碳中和是一项庞大的战略性、系统性工程，涉及到政策[3]、市场[4]、供应链[5]、产业布局[6]、工艺流程[7]等诸多环节，是双碳战略中的焦点。

2 中国钢铁行业碳排放的突出问题分析

2.1 产能结构问题突出，碳排放总量巨大

世界主要国家与地区粗钢产量、人均产量[8]、碳达峰时间及达峰年钢产量[9]统计见表1。由表1看出，大部分国家与地区实现碳达峰后均降低了粗钢产量。根据国家统计局公布数字，2021年中国粗钢产量10.33亿t，较2020年同比下降3%，产能利用率为79.2%，基本处在合理区间[10]。相比产能总量，能源消耗的结构性问题更突出，2001-2018年中国钢铁行业各类能源消耗、碳排放情况及占比见图2[11]。

表1 世界主要国家与地区粗钢产量、人均产量、碳达峰时间及达峰年钢产量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

图2 2001-2018年中国钢铁行业各类能源消耗、碳排放情况及占比Fig.2 Various Energy Consumption,Carbon Emissions by Iron&Steel Industry in China from 2001 to 2018 and Their Percentages

图2直观表明中国钢铁行业能源资源消耗仍以焦炭和煤炭为主。图3为2001-2020年中国粗钢产量及电炉钢占比，图4为2020年世界主要钢产国粗钢产量及电炉钢占比的对比。

图3 2001-2020年中国粗钢产量及电炉钢占比Fig.3 Raw Steel Output and Percentage of EAF Steel in China from 2001 to 2020

图4 2020年世界主要钢产国粗钢产量及电炉钢占比的对比Fig.4 Comparison of Raw Steel Output and Percentage of EAF Steel in Main Steel-producing Countries in World in 2020

由图 3、4看出，2020年中国电炉钢产量为9 600万t，只占总产量的9.02%，远低于世界平均水平，产能结构带来的碳排放问题突出。

2.2 短流程工序成本高，企业缺乏转型动力

2019年，工信部发布的《关于引导电弧炉短流程炼钢发展的指导意见（征求意见稿）》提出，力争到“十四五”末，电炉钢产量占粗钢总产量的比例提升至20%左右；2022年，工信部、国家发改委和生态环境部联合下发的《关于推动钢铁行业高质量发展的指导意见》再次明确要有序引导短流程炼钢。

当前制约短流程工序发展的主要因素是经济问题。以鞍钢集团朝阳钢铁有限公司为例，短流程和长流程冶炼成本对比见表2所示。

表2 朝阳钢铁短流程和长流程冶炼成本对比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，电炉冶炼要比转炉冶炼成本高309.4元，分析主要原因有：① 废钢价格高，相较高炉铁水没有成本优势；②电炉冶炼熔剂、电能和其他介质消耗高；③电炉无法实现负能炼钢。成本因素制约了企业工艺转型的内生驱动力，短流程炼钢长期处于占比低、产能利用率低的局面，导致了中国钢铁行业碳排放量居高不下。

2.3 氢冶金技术不成熟，尚不具备产业化条件

2020年中国钢铁行业铁前工序的能耗占比达到81.74%，因此降低铁前能耗占比是降低钢铁行业总能耗和总碳排放量的关键。

考虑节能和降碳综合效应，采用氢基还原炼铁将是最直接、最有效的方式。但氢气冶金热平衡和反应过程控制难度极大，尽管世界各国进行了大量研究，仍未取得突破性进展[12]。氢基冶炼另一个突出问题是低成本氢气制取。目前，主要制氢方法对比见表3[13]。电解水制氢和新型制氢法可从根本上消除碳排放，但成本很高，难以产业化应用。

表3 主要制氢方法的对比Table 3 Comparison of Main Methods for Hydrogen Preparing

2.4 产业布局偏重沿海，距内陆能源基地远

进入21世纪，随着中国钢铁产能的激增，对海外原料和消费市场依赖程度不断加大，中国钢铁行业布局由内陆近矿型逐步转向沿海近港型。2005年7月出台的《钢铁产业发展政策》明确指出：从矿石、能源、资源、水资源、运输条件和国内外市场考虑，大型钢铁企业应主要分布在沿海地区[14]。从那时起至今，中国钢铁行业基本形成了沿海及沿长江水道布局，2021年中国大陆各省区市粗钢产量分布见图5。

图5 2021年中国大陆各省区市粗钢产量分布（万t）Fig.5 Contribution of Raw Steel Output in Various Provinces,Districts and Cities in Chinese Mainland in 2021

未来钢铁行业低碳化转型势必对进口铁矿石的依赖度降低，而对废钢供应和非化石能源电力的依赖度将明显提升，因此中国钢铁行业过于偏重沿海布局，距离内陆新能源基地较远的问题也日益突出。

2.5 碳交易步伐滞后，交易价格推动力不足

2021年统计数据表明，全国已参与碳排放权交易试点的钢铁企业粗钢产量仅约占全国的1/7，大多数钢铁企业还处于研究政策、制定路线图、初步核查等准备工作阶段，整个行业参与碳交易步伐滞后[15]。

另外，中国碳交易均价仅为23.5元/t，而欧盟碳市场交易价格已突破50欧元/t，显然国内碳交易价格不足以弥补短流程与长流程成本差距，对钢铁行业碳减排推动力不足[16]。

根据上述分析，可以确定中国钢铁行业 “双碳”发展面临的主要矛盾是：钢铁产能和工艺流程结构问题带来的超大规模碳排放总量与碳中和路径不完善不成熟之间的矛盾，矛盾的关键是碳排放源头问题。因此，钢铁行业必须多措并举强化源头治理，有效降低CO2排放强度和排放总量。

3 推进钢铁行业碳排放源头治理的策略

3.1 统筹再生钢铁原料市场体系

（1）加快建设全国统一的再生钢铁原料大市场

据测算，未来10年左右中国废钢资源总量将增加50%，电炉炼钢产能比例将接近40%[17]。日益增加的废钢蓄积量和需求量与当前废钢加工流通渠道小、散、乱的现状存在着巨大矛盾。大力推动可再生钢铁原料全国统一大市场建设，规范废钢等可再生钢铁原料的市场交易，改变钢铁原料市场的价格乱象，为短流程工艺推广创造先决条件。

（2）探索推动废钢期货上市交易

推动废钢期货上市交易，有助于发挥衍生品功能，服务废钢产业平稳持续发展。未来应加快废钢期货品种上市进程，为实体企业提供有效的避险平台。在期货交割质量标准上可借鉴国标与行标，并参考重点钢厂采购标准和现货贸易习惯搭建分类指标，利于企业参与期货交易，进一步提高期货市场服务实体经济的作用。

3.2 加速推动氢基冶炼产业应用

（1）行业内部加快实现氢基冶炼技术突破

目前，国内钢铁企业主要氢冶金示范项目进展情况如表4所示。

表4 国内钢铁企业主要氢冶金示范项目进展情况Table 4 Progress on Main Demonstration Projects for Hydrogen Metallurgy in Iron and Steel Enterprises at Home

应该看到，作为世界头号钢铁生产大国，这些项目从基础的深度和应用的广度上远不能满足双碳战略的要求。钢铁行业应发挥我国集中力量办大事的体制优势，将氢基冶炼作为重要战略方向，汇聚全行业科研创新力量，力争早日实现突破。

（2）加强行业间协同，积极融入氢能产业链

钢铁行业应抢抓氢能产业发展契机，积极融入氢能产业链，利用国家先期发展优惠政策，拓展新业务新领域，加快推动低碳转型。

一是积极介入制氢环节。目前，钢铁企业用氢来源主要为焦炉煤气。资料表明，10 000 m3/h焦炉煤气制氢、制LNG和发电的年效益分别约为2 500、1 000 和 800 万元，制氢效益可观[18]。 未来，钢铁企业要全面提升氢产率，实现“蓝氢”的制备。

二是在储氢环节加快探索开展氢气储运服务。积极规划建设配套液氢工厂，完善氢气液态运输管道、槽车、自备加氢站等设备设施，实现“绿氢”的大量使用。

3.3 构建多层次低碳化产业布局

（1）微观层面：布局氢基炼铁-短流程炼钢工厂

2021年新版《钢铁产能置换实施办法》规定，转炉生产转电炉生产时可等量置换。钢铁企业应利用好这一政策，加速完善氢基炼铁-短流程炼钢工厂设计、建设与运行。具体分以下两步：

首先在废钢资源富集区域引入先进的电炉工艺装备，逐步置换转炉产能，同时为未来氢基炼铁预留实施空间。

随着氢基炼铁技术的突破，因地制宜地发展氢基竖炉、富氢高炉、氢基熔融还原等工艺，实现与废钢互补的原料体系，最终形成氢基炼铁-短流程炼钢的低碳工厂。

（2）中观层面：布局钢铁-非化石能源发电-化工联合体

低碳模式下的钢铁企业离不开“绿氢”、非化石能源电力的供应，钢铁流程自身也不断产生可再生能源介质。因此在中观层面的产业布局上，应本着优势互补、资源互用原则，形成钢铁-能源-化工产业联合体布局如图6所示，实现能源介质优化利用。

图6 钢铁-能源-化工产业联合体布局Fig.6 Layout of Iron and Steel-Energy-Chemical Industry Association

（3）宏观层面：重构中国钢铁行业整体布局

考虑到低碳发展和下游行业对钢铁产品要求的差异，中国钢铁行业在宏观层面应形成新的布局模式，即：① 使用铁矿石为主，生产高品质、高纯净度产品，适应高端要求的长流程钢厂仍保持沿海沿江布局；② 使用废钢、直接还原铁为主，生产普通产品，适应中低端需求的短流程产能逐步转向内陆，并构成钢铁-能源-化工产业联合体。

以2021年中国大陆地区各省区市GDP总量（与钢铁消费量和废钢积蓄量相关）和非化石能源发电量分布为依据，如图7所示，综合考虑非化石能源发电量、废钢蓄积量与消费市场的因素，中国西南部川、滇、桂，东南粤、闽，华中鄂、湘，北方内蒙、辽宁地区应该成为未来短流程钢厂布局的优先区域。

图7 2021年中国大陆各省区市GDP总量和非化石能源发电量分布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 强化交易杠杆，撬动源头治理

2021年6月，生态环境部向中钢协发布《关于委托中国钢铁工业协会开展钢铁行业碳排放权交易相关工作的函》，标志着钢铁行业成为继电力和建材后第三个被纳入全国碳市场的重点行业。

（1）打造更加完善的碳交易市场

目前，中国的碳交易市场已初步形成了以配额为核心，涉及资产交易、减排创新、气候投融资的多方位市场体系，试点地区钢企碳排放效率平均提升了12.6%[19]。在可预见的未来，不断完善的碳交易政策和碳市场将通过促进技术创新、降低能源强度、调整能源结构和产业布局等方式，有效促进钢铁行业碳排放源头治理。

（2）促进全行业建立碳资产管理理念和模式

全行业应尽快适应加入全国碳交易市场的形势，加快以碳管理为核心的产业布局调整，更加积极主动构建内部碳资产管理体系，切实提升企业绿色发展领域的竞争力。一是搭建平台，以最基本的数据统计报送为基础；二是配备和培养掌握碳交易特殊标准和规范的专业人才队伍；三是全面构建涵盖数据采集、分析、控制到报送，从内部管理能力到外部交易实务各环节完整的碳资产体系；四是围绕企业整体的战略目标制定相应的碳资产管理策略，及时掌握政策趋势，随时优化调整。

（3）完善钢铁行业环境产品声明平台建设

2022年5月19日，钢铁行业环境产品声明（EPD）平台首发上线，并发布了首份报告。初步实现了按国家统一的标准体系，对包括产品碳足迹在内的环境数据进行披露，是钢铁企业体现减碳责任、开展国际贸易的重要资质。钢铁企业要共同严谨规范做好平台发布工作；加强沟通交流，尽快推动EPD互认；进一步加强平台的治理架构建设，确保平台的独立性和第三方属性。努力把EPD平台打造成行业参与、政府支持、用户认可、市场采信、国际公认的平台，推进钢铁行业低碳发展从“点”的突破向“面”的转变。

4 结语

“双碳”战略是中国钢铁行业高质量发展面临的首要任务和严峻挑战，也是实现跨越式进步的重大契机。要遵循“先立后破、稳中求进”的总基调，在宏观政策层面，构建全国统一、运行有序的碳交易、碳金融、钢铁原料市场体系和融资平台；在基础研发领域，发挥举国体制优势，打通关键技术瓶颈，推进产业应用；在行业布局方面，打破地区、行业、企业间壁垒，统筹产业格局、优化能源结构和碳素流向，中国钢铁行业一定能够突破“碳”束缚，为实现钢铁强国梦、为建设全人类美好生活家园做出历史性、开创性贡献！