2022, Vol. 14
2. 清华大学地球系统科学系, 北京 100084;
3. 清华-力拓资源能源与 可持续发展研究中心, 北京 100084
2. Department of Earth System Science, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
3. Tsinghua-Rio Tinto Joint Research Centre for Resources, Energy and Sustainable Development, Beijing 100084, China
2020年9月22日，国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，承诺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，并庄重承诺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[1]。钢铁行业是中国典型的高碳排放部门，二氧化碳排放量仅次于电力行业[2]。中国2020年的粗钢产量已超过10亿t[3]，约占到全球的一半产量。一些大型的钢铁企业，例如宝武、河钢等，已经提出了2050年实现碳中和的企业承诺。可见，钢铁行业的低碳转型对于我国实现“双碳”目标具有至关重要的作用，有必要提前研判钢铁行业未来低碳发展路径和技术路线图。目前已有许多研究团队针对中国钢铁行业低碳发展路径展开了预测和分析，但不同研究之间的共识和不确定性还未得到充分论述。
1 中国钢铁行业碳排放历史趋势在过去20年中，中国钢铁行业体量及其碳排放量得到了显著的增长。图 1展示了2000年以来中国粗钢产量及钢铁行业碳排放的历史趋势。中国粗钢年产量从2000年的1.29亿t增长到2020年的10.64亿t，增长了约7.3倍；中国钢铁行业每年CO2的排放从2000年的4.92亿t增长到2019年的22.27亿t，增长了约3.5倍。从图中可见，碳排量与粗钢产量直接挂钩，二者趋势基本一致。中国钢铁行业经历了2000— 2013年的迅速增长期、2014—2017年的低谷期，以及2018—2020年的回弹期，粗钢产量和碳排放量目前仍未处于绝对达峰的阶段。从碳排放结构来看，中国钢铁行业以直接排放为主，间接碳排放（所需电和热力产生的排放）仅占全部碳排放的17%~ 21%。钢铁生产环节大部分来自化石燃料（以焦炭为主），可通过电气化供能的环节有限，属于较难减排的重工业部门。
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图 1 2000—2020年中国钢铁行业（黑色金属冶炼及压延加工行业）碳排放和粗钢产量历史趋势变化 数据来源：2000—2019年粗钢产量数据来源于国家统计年鉴，2020年粗钢产量数据来源于国家统计公报。碳排放数据来源于中国碳核算数据库（CEADs），https://www.ceads.net/ ；由于能源消费数据披露的滞后性，碳排放量仅更新到2019年 |
如表 1所示，钢铁行业的低碳行动按照脱碳原理可分为五类，包括减少产量、节能技术、废钢循环利用、新能源替代和末端脱碳技术。减少产量措施包括延长钢材产品使用寿命、提升材料效率和严控产能等，以控制产量过度增长，进而实现钢铁产量的下降。节能技术主要包括能效提升、余热回收和智能化管理等，最终通过减少钢铁生产过程中的化石能源消耗来减少碳排放。废钢循环利用主要通过电炉短流程炼钢的方式替代“高炉—转炉”长流程炼钢方式，避免炼铁环节中大量的能耗和碳排放。新能源替代主要通过用低碳或零碳属性的能源，例如氢能（主要是绿氢和蓝氢）或生物质能，替代钢铁生产过程中的焦炭等化石能源。末端脱碳技术主要是指碳捕获和封存（CCS）技术，将钢铁生产环节中释放出的CO2进行封存或利用。不过，上述每类低碳行动都有约束条件，因此中国钢铁行业需要考虑多种低碳技术组合，以保障其在“双碳”目标下的顺利转型。
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表 1 钢铁行业低碳行动汇总 |
一些研究考虑了上述转型行动，探讨了中国钢铁行业未来低碳发展路径。表 2汇总了近年来关于中国钢铁行业低碳发展路径的相关研究及其考虑的低碳行动类别。绝大多数研究均考虑了产量减少、电炉工艺和节能技术三类低碳行动，仅有少量研究考虑了CCS、氢能炼钢和生物质炼钢等零碳钢铁工艺技术。前者已经广泛体现在钢铁行业转型的实际应用中，涉及钢铁产量、废钢资源量约束和电炉比例、能耗强度等关键参数；后者在全国甚至全球范围内都还处于项目试点阶段，属于未来支撑钢铁行业迈向零碳的关键技术，仍存在较大的不确定性。
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表 2 中国钢铁行业低碳发展路径研究考虑因素汇总 |
关于未来钢铁产量或需求量的预测方法大致可以分为自上而下的统计回归外推法（预估人均钢铁消费量或者行业的消费系数）和自下而上的动态物质流分析方法（分重点行业预测人均钢铁存量，并推算钢铁消费量）。
图 2汇总了多个研究对中国未来粗钢产量或需求量的预测结果。从图中可以看出，大多数研究认为粗钢需求量的达峰时间在2025年左右。此外，大多数预测结果显示，我国钢铁的需求量在达到峰值后将处于近似线性下降的趋势，并在2050年保持3.5亿~ 8亿t的钢铁需求量，是峰值的50%~ 80%。但是，预测结果与现实之间可能会存在一些差距。开展时间较早的研究对钢铁需求的预测均偏低，认为2020年的粗钢需求会在6亿~ 8亿t，但2020年统计公报的数据显示实际粗钢产量已经突破了10亿t。
总体上讲，不同研究之间普遍认可的判断是，中国粗钢产量未来的增量有限，达峰后将呈现稳步下降的趋势。从全球来看，根据国际能源署（IEA）的预测[13]，全球粗钢产量在未来将呈现继续增长的趋势，其中印度钢铁产量的增长尤其显著，增量可以抵消中国未来钢铁产量减少的份额。
3.2 电炉工艺短流程的电炉工艺可直接利用废钢炼钢，省去了高炉炼铁等高耗能环节，碳排放显著降低。然而每年可以获得的废钢资源是有限的，这也成了限制钢铁行业电炉工艺比例增长最重要的因素。废钢可分为返回废钢（炼钢过程中产生的废钢）、边角料废钢（下游制造的边角料等）、消费后废钢（钢材产品达到寿命被回收）。前两者和钢铁工业本身生产有关，而消费后废钢体量最大，取决于钢材产品的寿命和钢铁的回收率。图 3展示了不同研究对中国废钢资源量的预测结果，从图中可见，所有的研究均认为未来我国废钢资源量整体上处于增长趋势。2050年我国废钢资源量将达到2亿~ 5亿t；2030年之后废钢资源预测的不确定性变大，一部分研究认为废钢将增长到2030年左右然后持平，另一部分研究认为废钢将持续增长到2050年；当同时考虑粗钢产量时，废钢比（废钢资源量除以钢铁产量）将持续上升，2050年将达到50%~ 70%。
由于电炉工艺的比例主要受到废钢资源量的制约，因此未来电炉工艺比例的变化趋势与废钢资源量变化较为一致，图 4汇总了不同研究对中国电炉工艺比例的预测结果或参数设定。从图中可见，几乎所有的研究均认为我国未来钢铁行业中电炉工艺的比例会持续增长。不同的研究在2035年之前的预测较为接近，2035年之后的不确定性变大。一些研究认为电炉比例将呈现近似线性上升趋势，但是还有一些研究认为在2035年后会经历迅速增长的过程。
总体上讲，不同研究得出的相同结论是，中国的钢铁生产中电炉比例将会持续上涨，区别在于数量上的差异。从全球来看，根据国际能源署（IEA）的预测[13]，全球钢铁工业中电炉比例的整体变化趋势与中国类似，但是印度、非洲等地方的电炉比例将呈现先下降后上升的趋势。
3.3 能耗强度及能源消费量采取节能技术、循环利用能源来降低能源需求量是实现钢铁部门低碳转型的经济可行、应用广泛的措施。钢铁行业涉及焦化、烧结、炼铁、炼钢、压延等环节，各环节都有相应的先进节能技术。
图 5汇总了多个研究对中国钢铁行业未来能耗强度的预测结果。从预测结果来看，所有研究都认为我国钢铁行业未来的能耗强度会呈现逐年下降的趋势，这是由于社会发展和技术进步，钢铁行业整体的能源利用效率水平会不断提高。其中，大多数研究认为能耗强度将以近似线性的趋势下降。2050年中国钢铁行业的能耗强度大约在8~ 12 GJ/t，相比于2020年的能耗强度降低30%~ 50%，平均每年能耗强度降低约1%~ 1.5%。
图 6总结了不同研究对中国钢铁行业未来能源消耗总量（折算成标煤）的预测结果。多数研究认为我国钢铁行业的能源消耗总量目前已经达峰（或在2025年之前达峰），达峰时间会早于粗钢产量达峰的时间。能源消耗总量下降的速度会随着时间逐渐变慢，在2050年仍会有1.7亿~ 2.6亿吨标煤的能源消耗，相比于2020年下降50%~ 60%。全球钢铁行业能源消耗在2050年下降的幅度低于中国，为20% 左右[13]。
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图 6 不同研究对中国钢铁行业终端能源消费量的预测结果汇总 |
仅有为数不多的针对中国钢铁行业低碳路径的研究考虑了CCS、氢能炼钢和生物质炼钢的可能性。
对于CCS技术而言，一些研究[15]将其成熟度视为重要的情景变量（分为有CCS技术情景和无CCS技术情景）。在有CCS的情景设定中，中国钢铁行业将在2030年左右开始应用CCS技术，并在2050年将该技术的渗透比例提高到15%~ 35%[13, 16]。
对于各类钢铁生产工艺，包括高炉冶炼、直接还原铁（DRI）和熔融还原冶炼，均可采用氢能替代来减少焦炭和天然气等化石燃料的应用。当氢气由可再生能源发电制得时（绿氢），全生命周期下的碳排放量可进一步降低。从技术层面考虑，一般认为DRI结合氢能（DRI-H2）是中国钢铁行业未来最有可能的零碳炼钢的技术方向。相关研究[15]也把DRI-H2的成熟度视为重要的情景变量。在有DRI-H2的情景设定中，其起步发展阶段将在2030年之后，并在2050年达到25% 的渗透率[13, 16]。
关于生物质炼钢是目前中国钢铁行业低碳路径研究中考虑最少的技术选择。IEA的研究认为2050年中国钢铁行业中生物能源技术的渗透率将达到8% 左右。生物能源技术较少被钢铁行业低碳路径研究考虑的原因主要有两方面。一是相较于CCS和氢能炼钢试点项目，采用生物炭替代焦炭炼钢的技术研发更处于初期；二是农、林剩余物等生物质资源供给有限，在碳中和目标下航空、船运等长距离运输可能更加依赖于生物能源技术。
3.5 二氧化碳排放综合考虑粗钢产量、废钢资源量、电炉比例、能耗强度等因素后，即可得到中国钢铁行业未来碳排放路径。图 7汇总了不同研究对中国钢铁行业二氧化碳排放趋势的预测结果。一部分开展较早的研究认为2015年中国钢铁行业的碳排放已达峰，但结合图 1的历史趋势，2015年后中国钢铁行业碳排放短暂下降，但随后又迅速反弹，目前仍处于未达峰的状态。剩下的研究均认为中国钢铁行业将在2025年之前达峰。对比我国提出的2030年之前碳达峰的全行业目标，钢铁行业可在我国碳达峰行动中扮演“先行者”的角色。
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图 7 不同研究对中国钢铁行业二氧化碳排放的预测结果汇总 |
大多数研究表明，2030年中国钢铁行业的二氧化碳排放在9亿~ 15亿t，相对于峰值降低20%~ 40%；2050年的中国钢铁行业的二氧化碳排放在3亿~ 7亿t，相较于峰值降低60%~ 80%。从全球钢铁行业的视角来看，碳排放变化类似，2050年仍会存在较大的正碳排放，根据IEA的测算为12亿~ 22亿t[13]。钢铁等重工业部门被定义为“难减排部门”，相较于电力等其他行业会较晚实现净零碳排放。因此在全社会实现碳中和的目标下，钢铁行业仍会存在一定的正碳排放，需要靠其他部门的负碳排放技术进行抵消。
3.6 不同研究结果对比分析以上整理了来自不同研究团队对钢铁行业低碳发展关键要素的定量分析结果，可以看出一些明显的一致认识：粗钢产量、能源消耗、能耗强度、碳排放量基本呈现稳步下降的趋势；电炉比例、废钢资源量将呈现稳步上升的趋势。但是在具体的数值方面，不同研究之间仍存在较大的不确定性。这些不确定性的来源可能主要在如下几个方面：
（1）核算边界不统一。一部分研究仅考虑了钢铁行业生产的直接排放，还有一部分研究考虑了所需电和热产生的间接排放。一部分研究通过自上而下的方法将钢铁行业等同于黑色金属冶炼与压延工业，另一部分研究通过自下而上的调研刻画了钢铁行业中焦化、烧结、球团、炼铁、炼钢和各类轧制等工序。核算边界的不统一必然会使得具体数值存在一定的不确定性。
（2）模型选择的差异。一些研究主要依靠相关研判为钢铁行业划定低碳发展路径；还有一些研究主要根据未来碳税和碳交易举措等产生的碳价，按照成本最优的原则识别低碳技术渗透率；还有一些最新的研究将全社会的低碳目标作为约束，结合宏观经济模型模拟钢铁行业低碳路径发展。模型逻辑和结构的差异也会造成模拟结果在不同模型之间的不确定性。
（3）考虑因素的不确定。由于不同研究开展时间前后不一，一些研究所采用的基线年份较早，无法反映行业、技术、市场、政策的最新进展。例如，很多开展较早的研究均没有考虑CCS、氢能炼钢和生物炭技术等零碳钢铁技术的可能性。考虑因素差异也是造成不同研究之间不确定性的重要原因。
4 中国钢铁行业碳中和发展路径研究的未来建议 4.1 深入研判支撑碳中和目标的关键零碳钢铁技术CCS技术、氢能炼钢技术和生物质炼钢技术均属于未来中国钢铁行业深度减排的支撑技术。这些技术目前仍处于试点研发阶段，因此大部分2020年前的研究均未设定这几类技术在钢铁行业中应用的具体潜力。随着我国提出2060年前实现碳中和的目标，上述关键技术的需求急剧上升，未来得到大幅度发展的可能性相较之前的低碳路径已显著提高。有必要加强这几类关键性技术的跟踪分析，考虑决定其未来应用的关键因子以及技术之间竞争关系的不确定性，研究不同情景下关键零碳钢铁技术的多种可能的组合。
4.2 根据行业及其关键技术最新进展，动态调整路径规划模型预测结果和现实情况必然会存在一定的差距。一些研究中模型输入的参数年份较早，无法反映行业发展、低碳技术成本、政策支撑和约束体系的最新进展，使得模型预测的结果存在明显的系统偏差。在模型的搭建中，不但要考虑到各类输入参数未来可能的变化，还需要根据现实情况中最新进展动态更新和校正参数值，从而对我国钢铁行业中长期低碳发展路径作出更为准确合理的判断。
4.3 情景设置逻辑需要转变，支撑钢铁行业深度转型目前对于中国钢铁行业低碳发展路径的研究，大部分的情景设置以“基准情景”“低碳情景”“强化低碳情景”的逻辑开展，目的在于识别钢铁行业的减排潜力和可能性。随着中国2060年前实现碳中和目标的提出，未来的研究视角可以从“是否要选择低碳路径”向“如何实现碳中和”的方向转变，探讨不同路径多维影响的异同，识别碳中和目标下中国钢铁行业低碳发展的代表性技术路径。
4.4 多尺度探索低碳发展路径，识别转型的空间差异性中国钢铁行业的低碳转型应当充分考虑区域异质性。大部分研究往往把中国钢铁行业视为一个整体看待，但不同地区的钢铁产业及关联产业和资源会呈现不同的特征。不同省份可结合自身的特点，选择一条因地制宜的钢铁产业低碳转型路线图。例如，在废钢资源丰富地区大力发展电炉短流程炼钢工艺，在绿氢产业具有竞争力的西部地区可考虑部署氢能炼钢策略，在生物质资源丰富的地区可部署研发生物炭炼钢技术，在CCS储存点附近的地区可积极开展一批钢铁CCS试点项目等。
致谢: 感谢清华–力拓资源能源与可持续发展研究中心学术沙龙活动给本论文研究带来的启发，感谢全球能源互联网集团有限公司陈星博士、马志远博士在论文研究过程中提供的帮助。
| [1] |
王灿, 张雅欣. 碳中和愿景的实现路径与政策体系[J]. 中国环境管理, 2020, 12(6): 58-64. |
| [2] |
李明煜, 张诗卉, 王灿, 等. 重点工业行业碳排放现状与减排定位分析[J]. 中国环境管理, 2021, 13(3): 28-39. |
| [3] |
国家统计局. 中华人民共和国2020年国民经济和社会发展统计公报[R]. 北京: 中国统计出版社, 2021.
|
| [4] |
WANG K, WANG C, LU X D, et al. Scenario analysis on CO2 emissions reduction potential in China's iron and steel industry[J]. Energy policy, 2007, 35(4): 2320-2335. DOI:10.1016/j.enpol.2006.08.007 |
| [5] |
CHEN W Y, YIN X, MA D. A bottom-up analysis of China's iron and steel industrial energy consumption and CO2 emissions[J]. Applied energy, 2014, 136: 1174-1183. DOI:10.1016/j.apenergy.2014.06.002 |
| [6] |
HASANBEIGI A, JIANG Z Y, PRICE L. Retrospective and prospective analysis of the trends of energy use in Chinese iron and steel industry[J]. Journal of cleaner production, 2014, 74: 105-118. DOI:10.1016/j.jclepro.2014.03.065 |
| [7] |
WANG P, JIANG Z Y, GENG X Y, et al. Quantification of Chinese steel cycle flow: historical status and future options[J]. Resources, conservation and recycling, 2014, 87: 191-199. DOI:10.1016/j.resconrec.2014.04.003 |
| [8] |
KARALI N, XU T F, SATHAYE J. Developing long-term strategies to reduce energy use and CO2 emissions-analysis of three mitigation scenarios for iron and steel production in China[J]. Mitigation and adaptation strategies for global change, 2016, 21(5): 699-719. DOI:10.1007/s11027-014-9615-y |
| [9] |
MA D, CHEN W Y, YIN X, et al. Quantifying the co-benefits of decarbonisation in China's steel sector: an integrated assessment approach[J]. Applied energy, 2016, 162: 1225-1237. DOI:10.1016/j.apenergy.2015.08.005 |
| [10] |
AN R Y, YU B Y, LI R, et al. Potential of energy savings and CO2 emission reduction in China's iron and steel industry[J]. Applied energy, 2018, 226: 862-880. DOI:10.1016/j.apenergy.2018.06.044 |
| [11] |
ZHANG Q, XU J, WANG Y J, et al. Comprehensive assessment of energy conservation and CO2 emissions mitigation in China's iron and steel industry based on dynamic material flows[J]. Applied energy, 2018, 209: 251-265. DOI:10.1016/j.apenergy.2017.10.084 |
| [12] |
ZHANG Q, WANG Y J, ZHANG W, et al. Energy and resource conservation and air pollution abatement in China's iron and steel industry[J]. Resources, conservation and recycling, 2019, 147: 67-84. DOI:10.1016/j.resconrec.2019.04.018 |
| [13] |
IEA. Iron and Steel Technology Roadmap: Towards More Sustainable Steelmaking[R]. IEA, 2020.
|
| [14] |
张琦, 沈佳林, 许立松. 中国钢铁工业碳达峰及低碳转型路径[J]. 钢铁, 2021, 56(10): 152-163. |
| [15] |
REN M, LU P T, LIU X R, et al. Decarbonizing China's iron and steel industry from the supply and demand sides for carbon neutrality[J]. Applied energy, 2021, 298: 117209. DOI:10.1016/j.apenergy.2021.117209 |
| [16] |
ZHOU N, FRIDLEY D, MCNEIL M, et al. China's Energy and Carbon Emissions Outlook to 2050[R]. Berkeley, CA: Lawrence Berkeley National Laboratory, 2011.
|
| [17] |
YIN X, CHEN W Y. Trends and development of steel demand in China: a bottom-up analysis[J]. Resources policy, 2013, 38(4): 407-415. DOI:10.1016/j.resourpol.2013.06.007 |
| [18] |
LI Z L, HANAOKA T. Development of large-point source emission downscale model by estimating the future capacity distribution of the Chinese iron and steel industry up to 2050[J]. Resources, conservation and recycling, 2020, 161: 104853. DOI:10.1016/j.resconrec.2020.104853 |
| [19] |
RMI. Pursuing Zero-Carbon Steel in China: A Critical Pillar to Reach Carbon Neutrality[R]. RMI, 2021.
|