钢铁行业要实现碳中和必须依赖众多创新技术，如CCUS、生物质能源、电解氢与可负担的清洁电力等。目前许多促进减排的技术还未商业化，大规模转向近零排放技术存在较大的不确定性。未来10年的加速创新对中长期近零排放技术的部署至关重要，加快配套设施和相关产业的协同发展也十分关键。
背景
钢铁行业是社会经济发展的重要支柱，在全球工业化进程中起到了不可替代的作用。同时，钢铁行业能源高度密集的特点使其产生了大量的碳排放，对全球气候变暖造成了不容忽视的影响。据IEA预计，要实现全球气候目标，2050年钢铁行业直接碳排放必须比2019年减少50%以上。2020年9月，中国提出了2030年前碳排放达峰、2060年实现碳中和的宏伟目标。未来几十年，我国钢铁行业将面临巨大的低碳转型压力。
一我国钢铁行业发展现状
01发展规模
我国钢铁行业粗钢产量自2009年以来保持年均5.61%的增速，高于全球平均增速4.2%，2019年产量达到9.96亿吨。我国粗钢产量在全球的比重从2009年的46%提高至2019年的53%，自2017年起连续3年超过全球的一半。
2019年粗钢产量排名前10的钢铁企业中，中国钢铁企业占据6席，依次是宝武集团、河钢集团、沙钢集团、鞍钢集团、建龙集团和首钢集团。其中国内排名第一的宝武集团粗钢产量与全球排名第一的安塞尔米塔尔十分接近。
数据来源：世界钢铁协会
02能源消费与碳排放
钢铁行业是能源消耗高度密集型行业。2019年全球钢铁行业能源消费量约占最终能源消费的8%，产生直接二氧化碳排放2.6Gt，约占能源直接碳排放的7%；在我国，钢铁行业是能源消费总量最大的制造业行业。自2008年以来，我国钢铁行业能源消费总量呈现出先上升后下降的变化趋势。2014年增长至峰值6.93亿吨标煤，随后逐步下降，2017年下降至6.09亿吨标煤。钢铁行业占全社会能源消费的比重在近年来缓慢下降，到2017年约占全社会能源消费总量的13.6%。
数据来源：国家统计局
钢铁行业消费的能源主要是煤炭，用作还原剂和燃料，其次是电力和天然气。2019年全球钢铁行业煤炭消费量占其能源消费总量的75%左右。根据国家统计局最新数据，2017年我国钢铁行业能源消费中煤炭占比接近90%，大幅超过全球平均水平，低碳能源渗透率很低。
我国钢铁行业碳排放量占全球钢铁行业碳排放总量的60%以上，占全国碳排放总量的15%左右，是我国碳排放最高的制造业行业。2018年，我国钢铁行业碳排放达18.84亿吨，粗钢产量9.28亿吨，吨钢二氧化碳排放2.03吨（文献6），高于2018年全球平均排放强度1.85吨。从全球平均吨钢碳排放的变化来看，近年来并未出现突破性进展，钢铁行业的脱碳进程缓慢而艰难。
数据来源：世界钢铁协会
03工艺路线
粗钢是钢铁行业最重要的中间产品，粗钢生产是钢铁行业最关键的生产环节。根据原料的不同，全球主要粗钢生产工艺可分为两类：第一类是将铁矿石还原为粗钢的工艺，具体包括高炉-转炉法（BF-BOF）、熔融还原法（SR-BOF）和直接还原法（DRI）；第二类是将废钢重新冶炼为粗钢的工艺，即基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF）。
高炉-转炉法（BF-BOF）是在高炉中投入焦炭、洗精煤等化石燃料作为还原剂和燃料，将球团矿或烧结矿熔化、还原为铁水，铁水进入转炉吹炼，除去杂质和多余的碳，产出粗钢；直接还原法（DRI）是利用煤炭或天然气制备的还原剂将固态的铁矿石直接还原为铁，还原出的铁通常会在电弧炉中冶炼为粗钢，这一工艺称为直接还原铁-电弧炉法（DRI-EAF）；基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF）是以钢铁生产过程中产生的边角料和从社会回收的废钢作为原料在电弧炉中冶炼生产粗钢。
图：粗钢主要生产工艺路线∣来源：世界钢铁协会
在所有粗钢生产工艺中，高炉-转炉法（BF-BOF）、直接还原铁-电弧炉法（DRI-EAF）和基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF）三种工艺生产的粗钢占全球粗钢产量的95%，其中又以高炉-转炉法（BF-BOF）最为常见，其产量约占全球粗钢产量的70%。
不同工艺路线的能源投入结构存在较大区别。高炉-转炉法约89%的能源投入来自煤炭；而电弧炉法（包括直接还原铁-电弧炉法和基于废钢的电弧炉法）仅有11%的能源投入来自煤炭，相比高炉-转炉法具有更加低碳的能源结构。在电弧炉法中，煤炭、天然气主要由直接还原铁-电弧炉法消耗，用于制备还原剂；基于废钢的电弧炉法基本只消耗电力。
数据来源：世界钢铁协会
三种工艺不同的能源投入结构对于其生产粗钢的碳排放强度有着决定性影响。据IEA和世界钢铁协会研究，吨钢碳排放从高到低依次为高炉-转炉法（BF-BOF）、基于天然气的直接还原铁-电弧炉法（Natural gas-based DRI-EAF）和基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF），分别为2.2tCO2/t、1.4tCO2/t和0.3tCO2/t。
数据来源：IEA
我国钢铁行业主要的两类工艺路线为高炉-转炉法（BF-BOF）和基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF）。2019年，我国电炉生产的粗钢产量占比10.4%，远低于全球平均水平27.7%。在2019年粗钢产量排名前10的国家中，中国是电炉钢占比最低的国家。有研究表明，我国不同粗钢生产工艺的能效并不落后，吨钢碳排放高于全球平均水平主要由粗钢的生产工艺结构不均衡，电炉钢比例过低所致。电炉钢在我国的发展受到废钢资源供应不足和炼钢成本偏高的制约。一方面，相比世界发达国家我国过去一段时期钢铁产量较少使得现阶段钢铁蓄积量较低，废钢回收量不能满足经济快速发展对钢铁生产的需要；另一方面，废钢资源本身紧张的供需关系与非法“地条钢”生产企业对废钢资源的竞争使废钢价格高于铁水价格、我国较高的工业电价使电炉钢工艺的用能成本也居高不下，共同导致电炉钢相比转炉钢经济效益欠佳。
数据来源：世界钢铁协会
二钢铁行业的减排路径
01世界钢铁协会
据世界钢铁协会研究，现代化钢厂正在非常接近热力学定律理论极限的状况下运行，已经节约了大量的能源，使用目前的技术不可能实现进一步大规模减排。《巴黎协定》制定的温升目标要求钢铁行业必须通过创新和探索新的生产工艺，开发具有突破性的技术。当前世界各地都在探索开发具有一定应用前景的项目，主要探索方向包括低碳技术、氢还原技术和电解技术三大类。
图 实现钢铁行业脱碳的三类技术∣来源：世界钢铁协会
氢取代碳作为还原剂：利用氢还原铁矿石，最终排放物是水，意味着彻底地零排放；
碳捕获与封存（CCS）技术：生成清洁、浓缩的二氧化碳，并被捕获、存储；
碳捕获与利用（CCU）技术：利用现有工艺生产的共生产品中的气体成分，生产化工行业需要的燃料或原料；
采用生物质能作为还原剂：利用生物质能部分替代煤炭；
采用电解技术：利用电能还原铁矿石。
未来每一项技术都将在钢铁行业二氧化碳减排方面发挥重要作用，成为低碳社会的重要推动力量。然而大范围的技术实施需要大量经济的氢、生物质能和电能，完善的二氧化碳运输网络，意味着全球能源系统将发生根本性转变。
02国际能源署
IEA设定的可持续发展情景中，2020-2050年钢铁行业的减排量主要来源于以下几个方面。
材料使用效率：提高钢铁材料的使用效率（钢铁终端产品在设计和使用方面的改进）可以在提供相同服务、实现同等效用的条件下减少全社会对钢铁产量的需求；
能效提升：在指定工艺路线下进行技术改造，提高能源使用效率，尽可能降低指定工艺路线的吨钢能耗；
电气化：使用碳密集程度较低的能源，如天然气完全或部分替代煤炭和其他化石燃料，以及短流程电炉炼钢工艺替代长流程高炉-转炉炼钢工艺；
氢能：用氢气替代炭和一氧化碳作为还原剂；
生物质能源：用生物质能源替代化石燃料；
CCUS：在高炉-转炉工艺和直接还原铁工艺中，使用CCUS技术，清除化石燃料产生的碳排放。
图 IEA可持续发展情景下各因素对钢铁行业的减排贡献
来源：IEA
各类减排方向中，材料使用效率的改进、能效提升、传统工艺下各种形式的能源替代贡献了2020-2050年累计减排量的75%，主要在短期和中期内发挥作用。近零排放技术（CCUS和氢能）的减排贡献则在中长期迅速扩大。
03安塞尔米塔尔
安塞尔米塔尔（ArcelorMittal）是全球最大的钢铁企业，在应对气候变化领域也走在行业前列，承诺到2030年比2018年减排30%，到2050年实现碳中和。为确保这一极具雄心的目标顺利实现，安塞尔米塔尔一直在探索以碳中和方式生产钢铁的技术，在2019年发布的《气候行动报告》中提出了不同的技术途径，并于2020年公布了实现碳中和的减排路线图。其实现碳中和目标主要依赖两种突破性的技术路线：智能碳（Smart Carbon）路线和基于直接还原铁（DRI）的路线。
智能碳（Smart Carbon）路线应用在传统的高炉-转炉（BF-BOF）工艺中，结合使用生物能源、CCS、氢能等技术实现全过程零排放。在初期以生物能源作为燃料和还原剂，捕获产生的碳排放加以再利用或存储。此外还可以使用天然气制取氢气，并辅以CCS技术清除在氢气制取过程和高炉炼铁过程产生的碳排放；随着氢能经济性和适用性的提高，将过渡到使用来自清洁电力制取的氢炼铁的阶段。
直接还原铁（DRI）路线是非高炉炼铁工艺。直接还原铁路线的最终形态是基于氢气的直接还原铁-电弧炉工艺（Hydrogen-based DRI-EAF），在初期将采用基于天然气的直接还原铁-电弧炉工艺（Natural gas-based DRI-EAF），两种技术的过渡仍取决于氢能技术的进展。为实现完全的碳中和，这一路线中使用的燃料也都来自生物能源。
图：实现碳中和依赖的两条技术路线∣来源：安塞尔米塔尔
安塞尔米塔尔在其碳中和减排路线图中指出，钢铁行业向碳中和过渡的最大障碍，除了必要的技术实现商业化应用之外，还需要公平的市场环境。碳中和钢的成本比传统的二氧化碳密集型钢高30%-80%，如果当前市场环境不改变，将无法在全球范围内实施减排措施，欧洲钢铁工业的市场竞争力也会受损。安塞尔米塔尔认为，有四个方面需要加以完善。
（1）碳边界调整。设计政策机制使欧盟钢铁企业与进口钢铁企业承担同样的碳成本，创造公平的竞争环境。
（2）为低排放炼钢技术的研究示范提供可持续融资。
（3）获得充足的、可负担的清洁能源。
（4）加快向循环经济的转型。欧盟气候与材料领域的政策应加强协同，从全生命周期的角度出发，确保材料尽可能以循环的方式生产和使用。
三我国钢铁行业低碳转型面临的挑战与机遇
2019年9月，国内15家大型钢铁企业联合签署并共同发布《中国钢铁企业绿色发展宣言》，明确要将生产低碳、绿色和生态友好的钢铁产品作为发展目标，并指出了具体的行动措施。
（1）钢铁制造更低碳。主动应对人类面临的全球气候变化的共同挑战，争做生态文明建设的先锋。引领低碳工艺、低碳技术的发展，降低温室气体排放。
（2）绿色钢铁更广泛。基于全生命周期理念开展生态产品设计，开发优质、高强、长寿命、可循环的绿色钢铁产品，发布产品环境声明，公布核心产品环境绩效，倡导环保型绿色钢铁推广应用。
（3）绿色生态更完善。促进资源共享、产业共生、技术统一、生产协同，发展循环经济，打造绿色物流体系，开展绿色采购绿色营销，畅通钢厂与相关产业绿色生态链，实现合作共赢绿色发展。
在国际贸易局势不明、国内应对气候变化行动快速推进的外部环境下，国内大型钢铁企业积极规划、主动承担，表现出了很强的低碳转型决心。我国社会经济发展对钢铁行业的持续需要，钢铁行业自身的排放特点以及其他有关政策的颁布和行动的实施，使我国钢铁行业在低碳转型过程中面临巨大挑战的同时也蕴含着发展机遇。
我国钢铁行业的国际竞争力恐受影响。在我国2060年碳中和长期目标的驱动下，短期内钢铁行业即将纳入全国碳市场。从国际碳市场的运行经验来看，碳排放成本可能会对钢铁企业的生产经营造成一定的影响。我国钢铁行业在经过“十三五”时期化解过剩产能的改革，经营情况有所改善，但随即又面临超低排放改造行动，未来增加碳市场带来的履约成本或减排成本，钢铁企业的成本与收益存在较大的不确定性。
我国钢铁行业工艺结构造成的“碳锁定”效应显著。工艺路线的占比对钢铁行业吨钢碳排放强度的决定作用明显。现代钢铁行业先进技术的应用带来了能源效率的最大化，并且使二氧化碳排放降至很低的水平，能源效率提升贡献的减排效果远不如工艺路线替代。钢铁行业要实现深度减排，重点在于工艺的逐步替代。2019年，中国电炉钢占比约10%，远低于全球平均27.7%、欧盟60%的比重，高碳工艺占比很高。我国高炉的寿命一般在10-20年，这意味着在中期来看这些资产的碳排放几乎被“锁定”，对全行业减排是很大的挑战。
净零排放技术的创新和部署有待推进。从世界钢铁协会、IEA和安塞尔米塔尔提出的钢铁行业减排路径来看，钢铁行业要实现近零排放必须依赖于众多创新技术，如CCUS、生物质能源、电解氢、可负担的清洁电力等。目前许多促进减排的技术还未商业化，大规模转向近零排放技术存在较大的不确定性。未来10年的加速创新对实现碳中和目标中后期的近零排放技术部署至关重要，加快配套设施和相关产业的协同发展也十分关键。
短流程电炉钢将迎来稳步增长。钢材从投入使用到变为废钢通常需要8-30年，按我国历史时期的钢铁产量推算，到2030年将会产生3.2亿吨-3.5亿吨废钢。随着废钢资源紧缺的局面被打破，供需关系的改变会对会使废钢价格处于合理水平。这对于解决我国短流程电炉钢发展遇到的瓶颈将起到十分重要的推动作用。电炉钢不仅碳排放强度低，还拥有占地面积小、污染物排放少等优点。除了碳约束对电炉钢的需求，钢铁行业关于产能置换的政策对于电炉钢的鼓励也非常明显。在多种政策的协同作用下，电炉钢在未来将逐步增长，促进钢铁行业实现更加均衡、低碳的工艺结构。
