钢铁企业二氧化碳减排路径分析及展望

□ 程茉莉

一、研究背景

面对气候变化的全球挑战，2015年通过的《巴黎协定》将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内，作为全球应对气候变化的长期目标。2020年9月22日，习近平总书记宣布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。

在这一形势下，钢铁工业作为国民经济和社会发展的重要基础产业，也是我国重要的二氧化碳排放源，减碳任务艰巨。根据世界钢铁协会统计数据，2010—2021年，中国粗钢产量占全球粗钢产量的比例从2010年的43.69%逐步增长到2020年的56%，2021年中国钢产量为10.33亿吨，占世界钢产量19.5亿吨的比例为52.97%，钢产量占比有所回落（见图1）；2010—2021年，中国碳排放量占世界碳排放量的比例稳中有升，在25%～32%之间徘徊（见图2）。

图1 2010—2021年中国粗钢产量与全球粗钢产量对比

图2 2010—2021年中国二氧化碳排放量与全球二氧化碳排放量对比

根据世界钢协公布的数据，2020年全球平均每生产1 t钢排放二氧化碳1.89 t，占全球人类活动碳排放总量约10%。从世界钢协统计的2017—2020年数据可以看出，吨钢二氧化碳排放量呈波动上升趋势，详见表1。

表1 2017—2020年世界钢协统计全球吨钢二氧化碳排放量情况

二、钢铁企业碳排放结构分析

钢铁行业作为我国仅次于电力行业的碳排放大户，碳排放量约占我国碳排放总量的15%[1]。绿色低碳作为钢铁工业高质量发展的重要组成部分，推动产业转型升级、绿色低碳发展是钢铁工业未来发展的必由之路，也是践行“绿水青山就是金山银山”的有利抓手，同时也是实现双碳目标的有利保证。

2020年在电炉钢产量占粗钢总产量9.1%的情况下[2]，我国钢铁行业二氧化碳总排放量为18.1亿吨，折合吨钢二氧化碳排放量为1.7 t[3]。

根据相关研究表明，从生产工序贡献度看，钢铁行业二氧化碳排放主要来自高炉炼铁、烧结、转炉炼钢、炼焦等环节，这些工序的二氧化碳排放占比分别为72%、13%、9%、5%，其中铁前工艺产生的二氧化碳排放量占钢铁企业总排放量的比重约为90%。

按照《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》的计算方法，选取有代表性的产能在1 000万吨左右，涵盖焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢等工序的5家长流程钢铁企业进行碳排放量核算。通过计算，钢铁企业生产过程中化石燃料燃烧排放量平均占企业总二氧化碳排放量的87.3%，工业生产过程二氧化碳排放量占比7.2%；在考虑自发电率情况下净购入电力、热力二氧化碳排放量占比4.7%，在不考虑自发电率的情况下电力消耗等间接排放二氧化碳占比大约为10%；固碳产品隐含二氧化碳排放量占比0.8%，占比情况见图3。

图3 企业碳排放量占比情况

基于钢铁企业碳排放结构分析情况，铁前工序及化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量占比最大。近中期减碳路径将围绕铁前各工序及涉及能够减少化石燃料消耗的工序展开减碳路径分析；远期将从冶炼流程变革、大幅减少化石燃料消耗的角度展开减碳路径展望。

三、减碳路径分析

钢铁企业的减碳路径与原料结构、用能结构、钢铁制造流程、钢产量变化及突破性低碳技术的应用有直接关系。结合钢铁工业粗钢产量及长流程钢铁制造流程无法短时间内发生较大改变的现状，近中期钢铁企业主要从原料结构调整、用能低碳化及现有工艺技术改造降碳层面进行减碳路径分析。展望钢铁工业远期，主要从钢铁制造流程变革、粗钢产量发生较大变化、能源结构发生较大变化及突破性低碳技术应用等方面统筹考量减碳路径的实施。

1.长流程冶炼主要节能降碳措施

（1）球团代替烧结入炉

这一路径主要基于长流程为主的钢铁冶炼流程，实现高炉精料入炉。根据重点统计钢铁企业烧结和球团工序能耗指标可知，球团工序能耗仅为烧结工序能耗的1/2左右，详见表2。按照国家发改委公布的《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》计算获得的球团工序的吨产品二氧化碳排放量约为烧结工序的20%～45%[4]。

表2 重点统计钢铁企业烧结和球团工序能耗指标 单位/kgce·t-1

（2）转炉提高废钢比

转炉提高废钢比主要基于以长流程为主的钢铁冶炼流程。与用铁矿石生产1 t钢相比，用废钢生产1 t钢，大约可节约铁矿石1.65 t，降低能源消耗350 kgce，减少近2/3的二氧化碳排放[5]。可见，转炉冶炼提高废钢比，可有效降低二氧化碳排放。

（3）高炉喷吹焦炉煤气

为实现绿色低成本炼铁，梅钢等多家企业利用厂内富余焦炉煤气进行高炉风口喷吹。与未喷吹焦炉煤气相比，喷吹50 m3/t焦炉煤气，炉内还原气浓度增加，炉料还原速度加快；日产量增至4 740 t，增幅30.12%；焦比降至321.80 kg/t，降幅14.43%；碳排放减至355.93 kg/t，减幅8.61%[6]。

（4）工序其他节能降碳措施

焦化工序采用干熄焦、焦炉煤气上升管余热回收、导热油代替蒸汽等节能技术；烧结工序采用高品位精矿、厚料层、烧结烟气内循环、料面喷吹焦气、严格控制系统漏风率、严格控制燃料粒度、冷却段热能回收等节能改造技术；高炉工序采用高富氧鼓风、焦炭烘干、高风温等节能技术；炼钢采用一包到底、铁水包加盖、废钢合金烘烤等技术；轧钢采用加热炉智能化节能改造、无头连铸连轧、铸轧一体化、数字化轧制、热装热送等技术均可进一步降低工序能耗，从而实现节能降碳。

（5）产业集成，降低碳排

研发和应用钢铁-化工联产技术，通过钢铁-化工协同，为以高炉-转炉长流程为主的钢铁企业实现降碳排放提供合理适用的解决方案。

2.用电低碳化

从全球发展的大趋势看，世界能源正在全面加快转型，推动能源和工业体系形成新格局，绿色低碳发展提速，能源生产逐步向集中式与分散式并重转变，全球能源发展呈现出明显的低碳化、智能化、多元化、多极化趋势。2020年，我国可再生能源利用规模达到6.8亿吨标准煤，相当于替代煤炭近10亿吨，减少二氧化碳排放量约达17.9亿吨[7]。

按照《“十四五”现代能源体系规划》中提到的，到2025年非化石能源消费比重提高到20%，考虑到非化石能源主要以电的形式利用，为了支撑非化石能源消费比重到2025年达到20%的目标，到2025年非化石能源发电量比重要达到39%。据2022年1月底国家能源局披露数据，我国可再生能源发电量稳步增长，2021年全国可再生能源发电量达2.48万亿千瓦时，占全社会用电量的29.8%。

电力也是钢铁企业间接用能的主要形式，提高电力来源低碳化，尤其结合未来电炉短流程冶炼工艺及突破性技术的实施，将有效降低钢铁企业二氧化碳排放量。

电力低碳化主要通过光伏、风电、水电、太阳能发电、生物质发电、核电等方式提高非化石能源发电比例，从而实现钢铁企业用电低碳化。用电低碳化将有利于近中期长流程企业及远期短流程钢铁企业的碳减排。

3.废钢资源支撑电炉短流程发展

随着中国钢铁生产和废钢资源量的不断蓄积，未来废钢资源的变化将改变钢铁工业铁素资源构成，废钢资源将成为中国钢铁工业可持续发展的有力支撑，同时将对钢铁企业生产流程结构的调整产生重大影响。2020年我国废钢铁消耗总量达到2.3亿吨，《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》中指出2025年钢铁工业利用废钢资源量达到3亿吨。根据相关研究预测结果，中国未来人均废钢利用量将不断增加，2025年、2030年和2035年人均废钢的利用量将分别达到213 kg、275 kg和293 kg，废钢利用总量将分别达到30 300万吨、38 400万吨和41 800万吨[8]。

根据世界钢铁协会立场文件的预测，中国废钢资源到2050年预计可达到5亿～6亿吨（见图4），为远期电炉短流程大规模实施提供了有利的资源支撑。

图4 废钢资源量发展及展望

4.氢冶金技术应用

2022年3月国家发展改革委和国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》中指出，氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，氢能是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。氢能产业是战略性新兴产业和未来产业的重点发展方向。

氢基竖炉项目作为钢铁行业重要的低碳冶金方式，面对废钢资源不足、产品质量要求高等问题，氢基竖炉可以进行有效补充。对于近中期项目实施以稳慎示范为主，首先充分利用钢铁企业副产氢优势，避免钢铁企业焦炉煤气用来发电或出售的价值错配问题，充分利用好焦炉煤气所制氢气；远期在充分开发可再生能源制氢项目基础上，有效推进钢铁企业能源结构调整，实现绿氢冶炼。

近中期实施的氢基竖炉项目适用于包含焦化的长流程企业或独立建设的短流程钢铁企业，该项目受制于废钢资源制约小、弱化废钢冶炼带来的钢水纯净度问题；对长流程钢铁企业来说，可充分利用企业现有煤气资源，以焦炉煤气制氢及补充部分天然气为氢基竖炉主要气源，进行氢基竖炉项目的示范性实践。目前，国内宝武集团、河钢集团正在进行相关试点探索。对于独立建设的短流程企业，需要有经济丰富的气体资源，如焦炉煤气、炼化干气、化工伴生气等[9]，作为竖炉气体能源。

本文选取某长流程企业氢基竖炉示范性工程——建设1套年产100万吨氢基竖炉——代表目前国内大型钢企探索采用氢基竖炉进行低碳项目应用的状况，计算分析氢基竖炉铁前与长流程铁前工序降碳能力的差异。

该氢基竖炉以焦炉煤气制氢气、焦炉煤气及天然气为主要燃料，以球团矿为主要原料进行竖炉冶炼。球团和氢基竖炉铁前工序二氧化碳排放量与该企业高炉炼铁铁前工序二氧化碳排放量对比情况见表3。

表3 某示范性氢基竖炉项目与高炉炼铁铁前工序二氧化碳排放量对比 单位/tCO2·t产-1品

根据计算结果可知，该氢基竖炉项目铁前工序吨产品二氧化碳排放量为0.540 3 t，相较于该企业现有高炉炼铁铁前工序吨产品二氧化碳排放量1.318 8 t，降低了59.03%，二氧化碳减排效果明显。

对远期氢冶金技术进行展望，可以预见，随着可再生能源成本不断降低、可再生能源电解水制氢技术不断成熟，使用绿氢作为还原剂进行氢基竖炉冶炼，实现全产业链绿氢冶金，对于拥有丰富绿色电力和水资源、可能实现低成本绿氢生产的区域非常适合。

四、情景分析

为更好分析钢铁企业减碳路径，本文对企业所处时期、钢铁冶炼流程、每期末钢铁产量进行了设定，在这一前提下对减碳方向、减碳路径、适用条件进行探讨及展望，详见表4。

表4 近中期及远期钢铁企业减碳路径分析及展望

2022—2030年设定为近中期，按照汪旭颖等人的研究结果，我国粗钢产量当前已经在高位徘徊，预计将在“十四五”时期达峰，之后将逐步下降，在高需求-强化控产情景设置下，2030年粗钢产量将为年产10亿吨，近中期期末粗钢产量选取这一数值；对于钢铁流程结构，按照以长流程为主、到2025年电炉钢产量占粗钢产量提升至15%进行设定，与国家对于钢铁工业高质量发展的指导意见目标相一致。

2031—2060年设定为远期，随着新型城镇化建设逐渐完成，届时粗钢产量按照目前世界已完成城镇化进程国家人均钢产量与中国人口数量进行估算，为年产4亿～6亿吨，本文保守估计，远期末选取预计钢产量为6亿吨；远期进入深度减碳及碳中和阶段，设定以短流程冶炼为主。在这一前提下设置3种情景：

——情景1：考虑到中国目前电炉钢占比较低的现状，以目前国际上除中国外49个国家统计电炉占比45%进行设定，2060年预估电炉钢占比为45%，兼顾长流程冶炼；

——情景2：以废钢资源不能完全满足6亿吨钢产量为前提，设定以建设绿氢氢基竖炉和电炉短流程相结合的方式为主；

——情景3：以废钢资源完全满足电炉短流程生产为前提条件进行展望。

六、结束语

钢铁企业作为二氧化碳减排重点，实施碳减排任重道远，企业应结合生产实际，系统稳步推进碳减排工作。

（1）近中期阶段，钢铁企业应立足当前，节能优先，逐步提高电炉钢比例。以降低化石燃料消耗为核心，关注烧结球团、炼铁及炼钢工序，通过增加球团比，提高入炉精矿比例，实施高炉高富氧喷吹，降低铁前工序碳排放量；增加转炉利用废钢量，合理控制煤气回收，降低炼钢工序碳排放量；适度增加电炉钢比例；各工序工艺技术改造节能降碳，提高低碳电力比例，进行新技术示范应用，探索产业协同降碳。

（2）远期阶段，可再生能源大力发展，废钢资源不断蓄积，钢铁冶炼流程由长流程为主转变为以短流程及突破性低碳技术成熟应用为主，产业升级，工艺提升，能源低碳化，实现钢铁行业深度脱碳，钢铁企业绿色低碳高质量发展为国家实现双碳目标提供有利支撑。