钢铁行业十四五期间面临提前达峰的压力，目前部分特大型央企陆续发布碳达峰、碳中和推进计划，2025 年之前实现碳达峰，2030 年左右降碳30%成为重要的时间节点。
在目前工艺技术中，电炉炼钢、球团制造、DRI、能效提升等成熟度高、实用性强的低碳冶金技术具备降碳潜力。
十四五期间粗钢产量进入平台区，同时伴随部分成熟度高、实用性强的低碳冶金技术运用，将更好地促进行业从总量上实现碳达峰。在达峰的基础上，行业进一步推广电炉炼钢、增加球团比、DRI 等成熟度高的实用性低碳冶金技术，带动钢铁制造流程工艺的优化，同时各工序能效提升，减少化石燃料消耗，降低碳排放强度，能够较好地实现减碳30%的目标。最终实现深度减碳、碳中和还需要全氢冶金、CCUS/CCS 等技术的突破。
从技术成熟度和减碳幅度来看，高效电炉炼钢、球团制造、直接还原铁竖炉、富氢冶炼、钢厂能效提升是未来十年实现深度减碳的重要举措，带来的投资规模将达到近万亿元级别。
1. 钢铁工业碳排放现状
国内钢铁产量增速在 2015 年见底后持续回升。2020 年国内粗钢产量 10.65 亿吨，同比 7%；2021 年 1-4 月，粗钢产量 3.75 亿吨，同比 15.8%。2020 年国内铁水产量 8.88 亿吨， 同比 4.3%；2021 年 1-4 月，铁水产量 3.07 亿吨，同比 8.7%。整体来看国内钢铁产量增速 在 2015 年见底后，持续回升。
2015 年以后钢铁行业能源消耗强度有下降趋势。2018 年，黑色金属冶炼及压延加工业 能源消耗总量 62279 万吨标煤，占国内总量的比重为 13.2%。2015-2018年黑色金属冶炼及压延加工业能源消耗总量增速分别是-7.77%、-2.89%、-1.88%、2.21%；从粗钢产量增速、 铁水增速、能源消耗总量增速来看，2015 年以后钢铁行业能耗增速低于粗钢和铁水增速，意味着钢铁行业能源消耗强度有下降趋势。
2015 年以后钢铁行业碳排放强度有下降趋势。2017 年， 黑色金属冶炼及压延加工业碳 排放量达到 167702 万吨，占国民经济总体排放量的比重 17.96%，2020 年预计碳排放量占 比约 15%。行业碳排放量在 2014 年达到高点后持续下行；2015 年-2017 年，行业碳排放量 同比分别是-6.24%、-0.38%、-0.41%。从粗钢产量和碳排放量同比增速对比来看，碳排放量 增速整体低于粗钢产量增速，意味着钢铁行业碳排放强度有下降趋势。
2. 化石燃料燃烧是钢铁行业的主要碳排放来源
钢铁生产过程中的碳排放 主要有四大类来源：化石燃料燃烧排放、工业生产过程排放、净购入使用的电力、固碳产品 隐含的碳排放。
根据文旭林等在《钢铁企业碳排放核算及减排研究》对长流程钢厂碳排放研究：燃料燃 烧碳排放约占 94%；净购入电力碳排放占约6%。在烧结、炼钢工序中，需消耗石灰石、白云石、电极、生铁、铁合金等含碳原料，以及生产熔剂过程的分解和氧化产生的 CO2 排放， 约占总排放量的 6%。生产过程中部分碳固化在企业生产外销的粗钢、粗苯和焦油中，相应部分的二氧化碳排放应予扣除，约占总排放量的 4%。
化石燃料燃烧排放中，焦炭占据较大比重。钢铁生产过程中净消耗的化石燃烧产生的 CO2 排放，包括焦炉、烧结机、高炉等炉窑燃烧的洗精煤、无烟煤、烟煤、焦炭的排放，以及厂 内用于生产运输的火车、汽车用汽柴油产生的排放。由于钢铁生产过程的实质是将铁从矿石 中还原的过程，同时需要大量能源。我国钢铁行业燃料燃烧排放具有以下特点：
焦炭是钢铁行业直接消耗的第一大化石燃料。从统计局发布的数据来看，2018 年国 内消费焦炭量 37152 万吨，消耗煤炭 29308 万吨，消耗原油 0 万吨，消耗汽油 3 万 吨，消耗天然气 110 亿立方米。
焦炭消费比高与国内高炉工艺占比高有密切关系。焦炭作为高炉炼铁的主原料，既是燃料、又是还原剂，同时在高炉中还起到骨架、稳定炉料透气性。2020 年国内高 炉生铁产量 88752 万吨，高炉生铁与粗钢比为 0.833，2019 年比值为 0.812，远高 于同期的全球 0.684 的水平。较高的生铁占比导致国内钢铁行业对焦炭的消费依赖 重。
化石燃料燃烧碳排放约 64.7%来自于焦炭、33.9%来自煤炭。根据易碳家给出的不 同燃料燃烧释放的 CO2 强度进行测算；2018 年国内黑色金属冶炼及加工行业，燃料 燃烧的碳排放有64.7%来自于焦炭燃烧，有33.9%来自于煤炭，1.4%来自于天然气。
外购电力碳排放受电力供给结构决定；电力系统深度脱碳直接降低钢铁行业外购电力碳 排量。
钢企外购电力占比低。从统计局发布的数据来看，2018 年黑色金属冶炼加工业电力 消费 6142 亿千瓦时，占行业总能耗比重 12.12%。从趋势来看，1995 年以来行业 电力消费比重持续上升，由 6%上升到 12.12%。从重点钢企的数据来看，2020 年 吨钢耗电量 456.9 千瓦/吨，相当于吨钢总能耗的 8.4%。重点钢企的电力占总能耗 的比重也在提升，由 7.5%上升到 8.4%。
碳排放来自电力供应端。2020 年国内发电结构中，以煤炭、油气为主的火电发电占 比 71%，核电占比 5%，水电占比 16%，风、光伏、生物质发电占比 8%。整体来 看，上游电力供应端中化石能源占比超 70%，这是外购电力碳排放的主要来源。
电力系统深度脱碳直接降低钢铁行业外购电力碳排量。未来随着风电、光伏等新能 源装机容量的进一步提升，2030 年国内实现一次能源中非化石占比 25%，电力系统 对化石能源消耗将进一步降低，电力系统的深度脱碳将直接带动钢铁行业外购电力 碳排放量。
3. 推进碳达峰、碳中和，钢铁行业减碳路径分析
2020 年年末工信部发布《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见》征求意见稿，明确 提出到十四五末力争全行业实现碳达峰，能源消耗总量和强度均降低 5%以上。钢铁行业面临 十四五提前达峰的要求。2021 年以来，中国宝武、河钢、鞍钢、包钢等特大型钢企陆续发布碳达峰、碳中和目标， 其中碳达峰时间点基本控制在 2025 年之前，到 2030 年左右实现减碳 30%，2050 年实现碳中和。
3.1. 十四五粗钢产量进入平台区，将更好地促进行业从总量上实现碳达峰
十四五期间粗钢产量进入平台区。2016 年以来粗钢表观消费量稳步增长，2020 年粗钢 表观消费量 102230 万吨，同比 9.55%；在强劲内需的拉动下，国内粗钢产量持续创新高， 2020 年粗钢产量 107500 万吨，同比 7%。测算 2020 年 GDP 耗钢系数达到 1150 吨/亿元。 十四五中国经济进入内循环为主的发展格局，国内钢铁内需增长放缓，同时叠加政策驱动钢 材出口回流，政策压实国内粗钢产能规模。整体来看，国内粗钢产量将进一步平台区。
十四五钢铁内需增长放缓。国民经济体系投资链条上的建筑、机械设备制造等产业 对金属产品消耗系数明显高于消费链条相关的产业。2016-2019 年，国内投资增速 低于 GDP 和消费增速，GDP 实际耗钢系数进入平台区。2020 年投资反弹，带动耗 钢系数回升。十四五中国经济进入内循环为主的发展格局，消费驱动力加码，耗钢 系数将再次回调，中国钢铁表观消费需求增长将放缓。
政策驱动钢材出口回流。自 2021 年 5 月 1 日起，国内取消大部分钢铁产品出口退 税。共涉及 146 个商品代码产品，除部分高附加值产品维持 13%的出口退税率，大部分常规性产品出口税率下调到 0%。受此政策的影响，大部分产品的出口优势将大 幅降低，进一步驱动钢材出口回流。
政策压实了国内粗钢产能规模。2021 年 5 月国家发改委和工信部先后发布《关于钢 铁冶炼项目备案管理的意见》、《钢铁行业产能置换实施办法》，明确了严格实施减量置换、 冶炼项目规范化备案的要求，从政策上进一步压实了国内粗钢产能规模，使得未来粗钢 产量缺乏大幅增长的基础。
粗钢产量进入平台区，将更好推动行业从碳排放总量上实现达峰。2015-2018 年，钢铁 行业碳排放总量同比整体低于行业粗钢产量增速，整体反映了吨钢碳排放强度有下降趋势。 十四五粗钢产量进入平台区、增长趋弱，同时伴随部分成熟度高、实用性强的低碳冶金技术 运用，将更好地推动行业从碳排放总量上实现达峰。
3.2. 成熟度高、实用性技术的进一步推广有助于从吨钢碳排放强度上实现减碳30%目标
在碳达峰的基础上，我们认为电炉炼钢、增加球团比、DRI 等成熟度高、实用性技术的进一步推广，带动钢铁制造流程工艺的优化，同时各工序能效提升，减少化石燃料消耗，降 低吨钢碳排放强度，能够较好低实现减碳 30%的目标。
1） 相比传统长流程，纯废钢的电炉短流程和 DRI—电炉流程均有大幅降碳空间
相比高 炉-转炉的长流程，电炉为主的工艺流程在能耗、碳排放上具有较大优势。随着国内经济进入 内循环周期，废钢资源加速释放为发展电炉钢提供了成本支撑。假设 2030 年前后国内粗钢产 量相比 2025 年小幅下滑，维系在 10 亿吨左右。除去转炉消纳部分废钢外，电炉钢也将会有 较大提升。低碳排放强度的工艺占比提升，将有效降低钢铁行业整体碳排放量；同时伴随着 电力能源的清洁化，通过供给端导入新能源，能够进一步降低碳排放。
目前国内电炉钢厂产量占比偏低。2019 年国内电炉钢产量占比 10.4%，长流程转炉 钢占比 89.6%。欧盟 28 国电炉钢占比 41.3%，美国占比 69.7%，日本占比 24.5%， 世界平均水平 27.9%。整体来看，国内电炉钢厂产量占比偏低。
电炉短流程工艺能耗强度低。根据世界钢铁协会的研究，电炉短流程总能耗为 2104Kwh/吨钢，高炉长流程总能耗为 5122Kwh/吨钢；电炉短流程电耗为 1561Kwh/ 吨钢，高炉长流程电耗为 972Kwh/吨钢；整体来看电炉短流程工艺在能耗强度低。
气基 DRI-电炉工艺和纯废钢短流程工艺，碳排放强度均大幅低于长流程工艺。从世界钢协发布的研究数据来看，长流工艺吨钢碳排放 2.2 吨，气基 DRI-电炉流程的碳 排放为 1.4 吨，纯废钢电炉短流程工艺碳排放在 0.3 吨左右。从安米集团发布的数据 来看，该公司电炉流程的吨钢排放为 0.6 吨 CO2/吨钢，只有同期高炉长流程的 26%； 尽管该公司有部分电炉与 DRI 工艺衔接，但碳排放仍大幅低于长流程工艺。整体来 看，无论气基 DRI-电炉流程，还是纯废钢短流程电炉工艺，碳排放强度均大幅低于 长流程工艺，电炉工艺降碳幅度在 36%-84%之间。
国内经济进入内循环周期，废钢资源持续释放为发展短流程电炉钢提供了成本支撑。 根据废钢协会测算，2020年国内废钢产量 2.6 亿吨。近二十年中国经济快速发展在 城市建设和耐用品消费上积蓄了大量钢铁资源，在进入内循环为主的周期下，汽车、 家电等耐用消费加块更新换代，废钢资源加速释放。根据测算 2030 年我国钢铁积蓄 量将达到 135 亿吨，采用钢铁积蓄量折算法，测算 2030年社会废钢产生量将达到 3.5 亿吨，废钢资源持续释放为发展短流程电炉钢提供了成本支撑。
2） 相比传统烧结，球团制造工序碳排放低、同时能间接带动高炉降碳
相比目前的国内 主流矿物加工工艺--烧结，球团在制造环节上具有工序能耗低、污染物排放少、节能减排效果 好等优势，同时在高炉冶炼上增加球团比能够实现渣比低、煤气利用率高、燃料比低、综合 经济效益好等优点，推动高炉冶炼绿色指标改善。球团工艺各项污染物都处于较低水平，明 显优于烧结工艺，当造块工艺开始考虑整个钢铁生产链时，清楚的说明采用球团矿代替烧结 矿作为高炉主要原料能带来巨大的碳减排效应。
我国球团比整体大幅低于欧美国家水平，存在较大提升空间。根据世界金属导报统 计，2020 年国内球团矿总产能约 2.6 亿吨，按照 2020 年铁水 8.875 亿吨，测算球 团占入炉炉料的比重为 18%。从欧美国家安米、塔塔、SSAB 等钢厂的入炉球团比 数据来看，我国球团比整体大幅低于欧美国家水平，存在较大提升空间。
相比烧结，球团自身工序能耗低，温室气体和污染物排放少，节能减排效果好。从 2020 年重点钢企的工序能耗结构来看，烧结：48.08 千克标煤/吨，球团：24.35 千 克标煤/吨。
提升球团比，优化钢铁制造的原料结构，能够进一步降低高炉能耗，减少碳排放。 从高炉冶炼实践来看，入炉矿物综合品味每增加 1 个 PCT，焦比降低 1-2 个 PCT。 从重点钢企的高炉入炉品味和焦比数据来看，两者呈现负相关；球团矿含铁品位 65%左右，比烧结矿高约 8%，在高炉炉料中增加球团比重有利于提高炼铁综合入炉品位， 改善高炉冶炼的各项技术经济指标；从欧美国家高炉工艺指标来看，提升球团比后， 产量提高效益明显，同时球团矿含 FeO 低，还原性好，对铁矿石在高炉内的间接还原十分有利，球团品味高，能够减少高炉冶炼扎比，降低能源消耗，最终实现减少 碳排。
3） 相比传统高炉，直接还原铁不消耗焦炭、能耗低，是开展氢冶金的工艺载体
直接还原炼铁法是以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源，在铁矿石、氧化球团或含碳 球团呈固态即软化温度以下进行还原而获得金属铁的方法。这种方法得到的金属产品，由于 还原过程温度较低，脉石难以除去，含碳量低，称为直接还原铁( DRI) 。相比高炉工艺，直 接还原铁不需要焦炭。目前全球还原铁工艺模式包括气基 MIDREX、气基 HYL、煤基还原、以及其他气基模式。2019 年气基模式产量占比达 75.2%（其中 MIDREX 法占比 60.9%，HYL 法占比 13.2%，其他气基占比 2.1%），煤基产量占比 23.8%。
我国直接还原铁产量占比低。2020 年全球直接还原铁产量 10600 万吨，占粗钢料 耗比重 5.32%。从世界钢协发布的数据来看，中国产量低未上榜，预计直接还原铁 产量 10 万吨左右。
气基直接还原铁相比高炉冶炼模式，能耗较低。从高炉、MIDREX、HYL、煤基等 工艺的能耗对比来看，气基法整体能耗低于高炉。气基还原铁能耗在 375-425kg 标煤/吨，高炉冶炼能耗在 480-590kg 标煤/吨。
气基直接还原铁本身碳排放低于高炉，未来开展氢冶金的功能，具备大幅减碳的能 力。目前采取全天然气模式的气基直接还原铁 CO2排放强度只有 500kg/吨，当富氢 比重达到 70%时，CO2排放强度将下降到 150kg/吨，全氢冶炼模式下，CO2排放强 度接近 0。目前气基模式下，直接还原铁竖炉碳排放低于高炉，未来一旦采取全氢 冶炼，将大幅减少碳排放。
国内天然气成本较高，导致国内直接铁生产并无成本优势。从 2017 年美国 nucor 发布的直接还原铁的生产成本来看，其相比美国高炉生铁便宜 20%。但考虑到美国 天然气价格只有国内的 30%（以沿江地区价格对比），测算国内直接还原铁成本要比 高炉生铁高 6-8%。
随着碳达峰、碳中和的推进，钢铁行业面临碳排放配额限制，具备低碳优势的直接还原 铁工艺将在高碳价下，其成本劣势或将逐步缩小、甚至逆转与高炉生铁。同时直接还原铁是 氢冶金的重要工艺步骤，未来其发展面临大机遇空间。
4） 通过提升工序能效水平，降低化石能源消耗，带动碳排放减少
目前国内重点钢企炼铁工序平均能耗为 385kg 标煤/吨，最低能耗 352kg 标煤/吨，最高 434kg 标煤/吨，最低企业能耗水平比平均水平低 8.6%。目前国内重点钢企焦化工序平均能耗 为 103kg 标煤/吨，焦化最低能耗 78.4kg 标煤/吨，最高 161.3kg 标煤/吨，最低企业能耗水平 比平均水平低 24%。整体来看，国内钢企在炼铁、焦化等工序的能耗水平存在较大的差异， 优秀钢企能耗水平大幅高于平均水平，这也意味国内钢铁行业未来在工序能效上存在较大的 提升空间，进一步降低化石能源消耗，最终带动碳排放减少。如炼铁、炼焦工序能耗平均水 平都下降到最低能耗，能节约 58kg 标煤/吨，如按照节约焦炭量测算，可以减少碳排放 170kg/ 吨，为长流程减碳 8%。工序能效提升案例：
提高高炉富氧率实现焦炭消耗降低，减少高炉碳排放。首钢京唐公司通过技术研发 将高炉富氧率由 3%提高至 5.5%，此举将碳排放由 0.634 吨 CO2/吨铁降低至 0.516 吨 CO2/吨铁，高炉煤气中氮气含量由 55%降低至 50%，热值由 3000kJ/m3 提高至 3500kJ/m3。同时，因高炉煤气氮气含量降低、热值升高，可使高炉煤气用户的效率 提升，同时还降低了 NOx的产生，利于环保。
提升余热余能利用效率和自发电比例，降低能源直接消耗，实现低碳生产。通过提 高余热余能资源的深度利用，实现节能减排指标快速进步和企业能源成本有效降低。 例如，钢铁企业利用余气或余热提高自发电比例，进而降低能耗，实现低碳生产。 冶金规划院统计目前钢铁行业自发电比例为 53%。
以数字转型，提升能效，缓解减排压力。充分运用 5G、大数据、工业互联网等新一 代信息技术赋能钢铁行业数字化转型，助力钢铁行业在能耗和排放、生产运营、产 业链协同、产品质量管理等方面不断优化，实现原料供应、能源使用、产能释放等 与市场需求的精准匹配，有利于减少能耗，缓解减排压力。
5） 发展清洁能源，优化钢铁外购电力结构，从源头降碳
非化石能源占比提升，预计减少钢铁行业碳排放 1.5%-2%。目前钢铁行业大约 6%的碳 排放来自于外购电力，而国内电力结构上火电占据电力供给的 71%。根据周孝信院士预测： 随着“双碳”行动推进，2025年风、光伏、生物质装机容量占比将达到 35%，占总发电量比重 19%；2030年风、光伏、生物质装机容量占比将达到 44%，占总发电量比重24%。2030年火电占总发电量比重将下降到 53%。随着非化石能源占比的进一步提升，外购电力带来的 碳排放量将减少，按照目前 6%的比重，测算预计能减少碳排放 1.5%-2%。
3.3. 行业深度减碳、实现碳中和还需要氢冶金、CCUS/CCS 等技术实现突破
1）以直接还原竖炉为载体开展氢冶金具备零碳可行性，但目前存在较大的成本约束
氢作为绿色能源，其燃烧和还原产物为 H2O，相比目前的高炉用焦炭冶炼工艺和天然气 气基竖炉，具有大幅减碳、甚至能达到零碳效果。目前海内外主流的氢冶金技术包括高炉富 氢、竖炉富氢、竖炉全氢。除日本 COURSE50 在高炉中富氢实现验证减碳 10%的效果；其 他工艺都停留在中试阶段。氢冶金大范围推广，主要受到上游氢气成本和工艺约束的制约。
氢冶金用氢气替代 C 直接还原和 CO 间接还原，但需要补充热量。氢冶金原理以 H2 取 代碳、CO 作为还原剂从 FeO 还原出 Fe，其中氢气间接还原属于吸热反应。
高炉冶炼大比例增加氢气使用量存在工艺约束。传统高炉冶炼通过 C、CO 在高温下还 原置取铁，并伴有炉料物理形态由软化到熔融过程；在高炉风口喷吹氢气和天然气、焦炉煤 气等含氢介质，高炉富氢还原炼铁在一定程度上能够有效促进提高生铁产量，但由于该工艺 是基于传统的高炉，焦炭的骨架作用无法被完全替代，同时氢还原需要补充热量，因此在高 炉中喷吹氢气量存在极限值。该工艺下的碳排放减量有限，根据新日铁 course50 试验，高炉 富氢还原的碳减排幅度可达 10%，欲实现减碳 30%，还需要与 CCS/CCUS 配合使用；如果 CCS/CCUS 技术无法取得较大突破，高炉富氢对于钢铁行业大规模深度降碳可操作性不大。
直接还原竖炉具备大规模使用氢气冶炼的可行性。直接还原炼铁法是以气体燃料、液体 燃料或非焦煤为能源，在铁矿石、氧化球团或含碳球团呈固态即软化温度以下进行还原而获 得金属铁，相比高炉铁水，其杂质含量高；但由于不存在熔融状态，对透气性要求低，不需 要焦炭充当骨架的功能，全氢冶炼不存在工艺约束。综合对氢气成本评判，在气基直接还原 竖炉增加氢气使用量，逐步代替一氧化碳作为还原剂，将铁矿石转化为直接还原铁（DRI）， 之后再将其投入电炉进行进一步冶炼。二氧化碳排放量将会得到有效控制。相较于富氢还原 高炉，采用气基直接还原竖炉工艺进行铁矿石冶炼的吨二氧化碳排放量大幅减少。按照瑞典 SSAB 的测算，全氢冶炼流程下钢厂的碳排放强度相比目前减少 80%。这对于钢铁行业实现大 规模深度减碳提供有效支撑。
目前氢冶金存在成本约束：从瑞典 SSAB、日本钢铁工业协会、日本产经省公布的数据 来看，受制氢成本高的影响，氢冶金成本整体高于目前传统工艺。
SSAB 在 2018 年初公布的研究结果表明：按照 2017 年底的电力、焦炭价格和二 氧化碳排放交易价格，HYBRIT 项目采用的氢冶金工艺成本比传统高炉冶炼工艺高 20%~30%。目前日本生产每立方米氢气的成本约为 1.64 美元，远高于其制定的 2030 年降本目标。根据日本经济产业省测算的数据，要实现氢能的大规模商业化应用， 到 2030 年，日本的氢气生产成本需降至 0.29 美元/立方米左右。
据日本经济产业省估算，目前氢气的流通价格为每标准立方米 100 日元左右。日本 政府的目标是通过大规模生产，到 2030 年将氢价降至每标准立方米 30 日元，但也 有大型钢铁企业的高管认为，要想在钢铁行业实现氢基 DRI 的普及生产，氢气价格 必须降至每标准立方米 10 日元以下。
现有条件下由于氢还原的强吸热效应导致全氢竖炉煤气量大幅增加、还原速率同样也会 受到影响、全氢对设备与操作等要求高等问题，全氢冶金技术还不能得到真正意义上的大面积推广与实际应用。综合以上，碳达峰与碳中和的大背景下，短期内气基直接还原竖炉工艺 将会是我国主流氢冶金技术探索的手段，该工艺的进一步成熟化也将是行业的实现碳中和的 主要探索方向。
2）CCUS/CCS 减排潜力大，但受制于经济、技术、环境等影响，目前大规模化发展的 时机还不成熟
碳捕集利用与封存（CCUS/CCS）是指将二氧化碳（CO2）从工业排放源中分离后或直 接加以利用或封存（CCUS 含 CO2 的资源化利用），以实现 CO2减排的工业过程。CCS/CCUS 工艺路线上包括捕捉、运输、封存/利用。捕捉工艺上先提高 CO2 的浓度，改进燃烧和氧化工 艺的氧燃烧法，即用氧替代空气进行燃烧和氧化；然后采用化学吸收、物理吸附、膜分离和深冷分离等方法对产生的 CO2 进行分离回收。运输模式包括管道、汽车、船舶运输；目前主 要的储存方式有地质储存、海洋储存、矿物固化以及森林和陆地生态系统储存等。CCUS 技 术的应用主要有物理应用、化工应用和生物应用等；包括：石油三采的驱油剂,生产无机和有 机精细化学品、高分子 材料,微藻固碳转化为生物燃料和化学品，生物肥料、食品和饲料添加 剂等。
目前安米、日本制铁、JFE 均开展 CCUS 项目投资建设，其中日本制铁在君津制铁所投 入了两套 CCUS。目前国内钢厂对 CCUS/CCS 仍然停留在研究阶段，同时从国内发展趋势 来看，仍然存在三方面的挑战，还需要在技术、成本有大的突破，才能实现大规模推广应用。
技术和能耗挑战：目前，我国 CCUS 全流程各类技术路线都分别开展了实验示范项 目，但整体仍处于研发和实验阶段，而且项目及范围都太小。虽然新建项目和规模 都在增加，但还缺少全流程一体、更大规模的可复制的经济效益明显的集成示范项 目。
成本相对过高：根据 IPCC 研究目前国外 CCS 不包括运输和封存成本，国外捕集二 氧化碳的成本约为 11 至 57 美元/吨；
泄漏风险和环境挑战：CCUS 捕集的是高浓度和高压下的液态 CO2，如果在运输、 注入和封存过程中发生泄漏，将对事故附近的生态环境造成影响，严重时甚至危害 到人身安全。特别是 CCUS 的地质复杂性带来的环境影响和环境风险的不确定性。
整体来看，CCUS 减排潜力大，作为一种发展中的很有前途的新技术，CO2 的工业利用 也极具前景。但受制于经济、技术、环境等方面存在着一些短时间难以解决的问题，结合我 国国情，大规模化发展 CCUS 项目的时机还不成熟。
3）电解铁矿石工艺目前仍然停留在实验研究阶段
电解铁矿石工艺目前仍然停留在实验研究阶段。目前可研接提出有三种电解方法：水溶 液中铁离子的电解沉淀、高温熔盐或熔融氧化物电解。 水溶液电解方法包括酸溶液电解沉淀 法，碱溶液电解沉淀法。两种方法都在实验室制出了铁样，其中碱溶液方法制出了 1.6kg 铁。 但是酸溶液能耗非常大，而碱溶液方法能耗非常低，且不难扩大规模。 高温电解法中，研究 了熔盐电解法生产固态铁，熔融氧化物电解法生产液态铁。 碱溶液电解和高温电解路线将被 进一步研究。
3.4. 结论：成熟度高、实用性强的低碳冶金技术将在未来十年迎来大 规模推广
在未来推进碳达峰、碳中和过程中，电炉炼钢、球团制造、DRI、能效提升等成熟度高、 实用性强的低碳冶金技术具备降碳潜力。
十四五粗钢产量进入平台区，同时伴随部分成熟度高、实用性强的低碳冶金技术运用， 将更好地促进行业从总量上实现碳达峰。在达峰的基础上，行业进一步推广电炉炼钢、增加 球团比、DRI 等技术成熟度高的实用性技术，带动钢铁制造流程工艺的优化，同时各工序能 效提升，减少化石燃料消耗，降低碳排放强度，能够较好低实现减碳 30%的目标。最终实现 深度减碳、实现碳中和还需要全氢冶金、CCUS/CCS 等技术实现突破；目前以直接还原竖炉 为载体开展氢冶金具备零碳可行性，但目前存在较大的成本约束。CCUS/CCS 减排潜力大， 但受制于经济、技术、环境等影响，大规模化发展的时机还不成熟。 从技术成熟度实用性和减碳幅度两个视角来看，电炉炼钢、球团制造、气基 DRI、能效提升等技术将在未来十年迎来大规模推广；富氢冶金随着工艺进步逐步推广。
4. 未来十年钢铁行业需要增加万亿规模级别的低碳工艺技术投资
围绕四大成熟度高实用性技术和高炉富氢工业，以及由此引发的工艺结构变化，钢企投 资范围涵盖：
1）电炉为核心的系统需要新增投资 3000 亿元规模
根据mysteel统计2020年原本新建电炉产能1221万吨，年底合计产能达到18225万吨； 但受疫情影响，部分电炉钢企计划开工的项目暂停或者延期到 2021 年；2020 年实际新增电 炉产能约 500 万吨，截止 2020 年末国内电炉产能约 1.75 亿吨。电炉钢占比攀升驱动力主要为：
减碳驱动：整体来看，无论是全废钢电炉冶炼，还是 DRI+电炉，废钢、DRI 多种原 料混合电炉冶炼，其碳排放强度都均低于目前的高炉-转炉流程。
政策驱动：按照钢铁行业高质量发展意见的征求意见稿，十四五末国内电炉钢产量 占粗钢总产量比例提升至 15%以上，力争达到 20%；废钢比达到 30%。
废钢资源释放、成本驱动：按照 2025 年电炉产能利用率 75%，转炉废钢比 15%， 国内粗钢产量维持在 10 亿吨平台区，电炉钢占比要达到 15%，则需要 25000 万吨 产能，社会废钢供给量完全能满足要求。2030 年国内粗钢产量小幅下滑至 9.5 亿吨， 社会废钢供给 35000 亿吨，电炉钢产能 3 亿吨，基本满足废钢-粗钢平衡。随着废钢 供给的逐步释放，废钢价格相比铁水成本优势逐步形成，从 2020 年下半年以来，废钢价格整体低于铁水成本。
氢冶金-直接还原铁供给增加、工艺驱动：随着双碳行动推进，氢冶金-DRI 工艺模式 低碳优势逐步体现，电炉原料供给丰富，进一步驱动电炉产能增长。
整体来看，从 2020 年-2030年国内电炉产能预计增加 1.25 亿吨左右。参照目前国内部分钢企短流程电炉-轧制投资成本 100 万吨在 40 亿元左右，考虑到部分钢厂只需要投资电炉 炼钢环节，投资成本将大幅缩减至 10 亿元左右。综合假设一半的钢厂需投资电炉-轧制为核心的新一代电炉短程集成技术，另一半的项目仅需投资电炉。我们认为未来十年短流程电炉 以及高效轧制投资带来的新增投资约 3000 亿元。
电炉为核心的系统需要新增投资 3000 亿元规模。新一代电炉短流程集成技术：形成全废钢电炉-精炼炉-连铸机-热轧机等四位一体、一一对应的高效、层流运行的流程结构，发展 全废钢电炉流程相关理论，形成针对绿色化与智能化全废钢电炉流程建设及运营的整体解决 方案。
2）以球团替代烧结，同时对目前老工艺改造需要新增投资 1800 亿元规模
中国球团矿总产能约 2.6 亿吨，生产工艺主要有三种：链箅机-回转窑、带式焙烧机和竖 炉，产能占比分别为 55%、7%和 38%。2000 年以后，球团生产逐渐由竖炉工艺向链箅机回转窑工艺转变，如武钢鄂州、湛江龙腾有 500 万吨/年链箅机-回转窑生产线。近年，新建球 团生产线大多倾向于带式焙烧机工艺，如包钢年产 500 万吨的 624m2 带式焙烧机，首钢京唐 公司三条年产 400 万吨的 504m2带式焙烧机。
带式焙烧机在环保、能耗、效率上具备一定优势。从竖炉、带式焙烧机、链箅机-回转窑 的工艺运行参数指标来看，带式焙烧机在环保、能耗、效率上具备优势。
以球团替代烧结，同时对目前老工艺改造需要新增投资 1800 亿元规模。假设未来 2020-2030 年，国内烧结矿占比逐步下降，球团占比逐步上升到 70-80%。需要新增 5.1 亿吨 球团产能。在企业升级改造过程中应坚持大型化，采用先进的工艺和高效的装备， 实现低能耗和低排放。未来有近 1.04 亿吨球团产能需要改造。预计未来十年球团新增及改造 产能合计增加 6.1 亿吨。参照目前球团单体投资 500 万吨，约 15 亿元，球团投资约 1800 亿元。
3）以直接还原铁部分取代高炉实现减碳，需要新增投资 700-1000 亿元规模
直接还原铁具备较大减排优势。无论是电炉，还是氢冶金，直接还原铁工艺（DRI）相比 高炉具有较大的减排优势。国内受制于成本，整体对直接还原铁的消耗较少；但在北美、中 东天然气价格相对便宜的地区，直接还原铁发展迅猛；欧洲尽管天然气价格昂贵，但部分钢 企在海外都建有直接还原铁厂，以安米为例，其直接还原铁占铁素原料的比重在 7%。 其中以煤基回转窑工艺为主。但由于该工艺单机设备能力小、设备数量庞大、环境污染 严重等问题，其未来的发展受阻。
随着碳中和战略的推进，目前部分钢企已经探索用焦炉煤气在直接还原竖炉上生产 DRI。 2020 年以来先后有山西中晋、河钢、宝钢股份、日钢等公布投资建设直接还原铁炉的项目， 尽管目前从规模来看，仍然处于探索阶段。后续如钢企碳排放约束的加大，碳价上升，基于 焦炉煤气等气基法 DRI 工艺将有进一步提升。长远来看，随着制氢成本的下降，氢基 DRI 也 将会逐步。 参考 MIDEX 发布的最近一项投资，十万吨 DRI 需要 1 亿元。中性状态下如到 2030 年国 内 DRI 占铁素原料比接近安米目前的水平（7%），则需要近 700 亿元。如达到 10%的水平， 则需要 1000 亿元。
4）以富氢提升高炉能效，降低碳排放需要新增投资达到 2000 亿元规模
浦项 4000m3级别高炉富氢单座投资约 24 亿元。从韩国浦项公布高炉富氢项目投资情况 来看：在 2 座高炉上实际投入生产，需要投入 8000 亿韩元（约合 48.78 亿元人民币）的资金， 在 12 座高炉实际投入生产，预计需要投入 4 万 8 千亿韩元（约合 292.68 亿元人民币）资金， 可减少 8.7%的二氧化碳排放。由于浦项高炉均属于 4000m3以上的高炉，整体富氢投资也相对较高。
八钢小高炉富氢投资约 3.9 亿元。八一钢铁在 4 月 13 日公布的年度重点投资计划中提到： 公司以 480m3 氧气高炉富氢还原低碳炼铁项目总投资额 39,000 万元。项目主要建设内容是 喷吹焦炉煤气（富氢冶炼）、顶煤气自循环与喷吹（脱碳+加热+炉型改造）、煤粉喷吹系统升级。
高炉富氢预计需要投资达 2000 亿元。目前国内由近 700 座高炉，根据 mysteel 的统计 3000m3以上高炉占比 5.8%，2000-3000m3高炉占比 8.7%，1000-2000m3高炉占比 38%， 低于 1000m3 高炉占比 48.5%。假设到 2030 年国内 1000m3以上的高炉有一半富氢，3000m3 以上大高炉投资接近浦项在 20 亿元左右水平，2000-3000m3 投资规模在 15 亿元水平， 1000-2000m3 高炉投资需 10 亿元水平，未来 10 年国内高炉富氢投资总额将达到 2000 亿规 模。
5） 提高余热余能利用效率，提高自发电比例新增投资超 2000 亿规模级别
2018 年钢铁行业外购电力 6142 亿千万时，占能源总消耗比重 12.12%。目前钢铁行业 自发电比例在 53%，目前行业内像华菱钢铁已达到 70%。我们认为部分长流程钢厂通过提高 余热余能利用效率，自发电比例还有进一步提升空间。考虑到目前国内长流程钢厂占比高， 我们认为全行业未来实现自发电比例提升 10%的可能性较大。意味着可以减少外购电力 1000 亿千万时左右，折合标煤约 1300 万吨。
根据包钢股份在 2021 年碳中和债募集说明书中披露的数据，余压余气节能减排项目投资 23.6 亿元。测算钢铁行业余热余能利用效率提升，全行业需增加自发电比例需要新增投资约 2100 亿元规模。
整体来看，从技术成熟度和减碳幅度来看，高效电炉炼钢、球团制造、直接还原铁竖炉、 富氢冶炼、钢厂能效提升是未来十年实现深度减碳的重要举措，带来的投资规模将达到近万 亿元级别。
截止 2020 年末重点钢企资产负债率 62.35%，相比 2015 年下行 7.7 个 PCT。2020年重点钢企利润总计 2164 亿元，计提折旧 1553 亿元；两项合计达 3717 亿元。整体来看，在经 历 2016 年以来供给侧改革后，钢企盈利有大幅改善、债务负担降低，完全具备低碳转型的财务基础。
截止2020 年末重点钢企资产负债率62.35%，相比2015 年下行7.7 个PCT。2020 年重点钢企利润总计2164 亿元，计提折旧1553 亿元；两项合计达3717 亿元。整体来看，在经历2016 年以来供给侧改革后，钢企盈利有大幅改善、债务负担降低，完全具备低碳转型的财务基础。
国内钢铁行业碳排放主要来自于化石燃料燃烧，在未来的低碳转型道路，目前的高效电炉轧制、球团制造、DRI、富氢冶炼以及钢厂工艺能效提升的技术能够支撑钢企在2030-2035年实现减碳目标。经测算未来十年围绕以上工艺技术的投资规模或将达到近万亿元的规模。
