低碳钢铁是怎样炼成的？
“30·60”双碳目标下，钢铁作为工业部门第一大碳排放来源，实现减排目标首当其冲，又任重道远。
继对建筑行业减排现状、政策、路径和创新解决方案进行梳理后，Makeable 将视角转向钢铁行业。本文为钢铁行业碳中和研究的第一篇，主要分享行业现状和减排的挑战与机遇，后续推文则将重点关注其中的气候创新技术。欢迎关注。
01
全球与中国钢铁行业碳排现状
钢铁行业碳排放占全球碳排放总量的7-9%
钢铁行业是一个全球性的产业，其原材料（例如铁矿石和废钢）和产品的全球贸易规模庞大。根据世界钢铁协会数据，平均每生产1吨钢排放1.851吨二氧化碳（含范围1-3排放）。2020年，全球共生产18.7亿吨钢，钢铁行业的直接碳排放总量约为26亿吨，占全球人类活动碳排放总量的7%至9%。
在重工业中，钢铁行业的碳排放量排名第一，能源消耗量排名第二。钢铁行业也是目前最大的煤炭消费行业，煤炭行业中大约75%的需求来自于钢铁。煤炭在钢铁行业中的应用主要在于产生热量和制造焦炭，后者有助于促进从铁矿石生产钢铁所需的化学反应。
钢铁在我们的社会中无所不在：建筑、基建、车辆的建造和制造严重依赖钢材。同时，钢铁也将成为能源转型不可或缺的组成部分：太阳能电池板、风力涡轮机、水坝和电动汽车都在不同程度上需要钢材。因此，据估算到2050年，全球钢铁需求预计将增加三分之一。
中国钢铁生产占全球的一半
当下，全球70%以上的钢铁生产集中在亚洲。中国是全球最大的钢铁生产国和消费国，2020年生产了超过全球一半的钢铁。
根据《落基山研究所：碳中和目标下的中国钢铁零碳之路》（以下简称 RMI 报告）数据整理
制图 Makeable
钢铁行业是中国工业的支柱性行业，约占 GDP 的5%。钢铁行业涉及面广、产业关联度高、消费拉动大，在经济建设、社会发展、就业稳定等方面发挥着重要作用。
即使在2020年全球疫情的冲击下，中国钢铁生产量再创新高。2020年，中国共生产10.65亿吨粗钢，占全球的57%。预计到2026年我国粗钢产量将达到15.9亿吨，在不采取进一步措施的情况下，2026年我国钢铁行业碳排放总量将达到31.48亿吨。
根据 RMI 报告数据整理 制图 Makeable
02
钢铁行业的碳中和目标、政策与挑战
钢铁需求增长的同时要实现减排，挑战巨大
2020年10月，国际能源署（IEA）发布了钢铁技术路线图。该文件分析了不同减排技术选择所带来的影响和利弊，以及针对本行业制定的、符合《巴黎协定》的政策目标。
©️ IEA
在国际能源署的可持续发展情景下，2050年钢铁行业直接排放总量比2019年降低50%以上。按照相同的路径，粗钢生产的排放强度必须降低58%。
国际能源署认为钢铁对现代经济至关重要，但指出，在支撑钢铁需求量预期增长的同时减少排放，这将带来巨大挑战。虽然提高材料和能源使用效率的措施有助于行业的减排，但其潜力很快会被耗尽，钢铁行业需进一步开发和部署一系列突破性技术方案和配套的基础设施，以实现长期、深度减排。
工信部、国家发改委、生态环境部今年3月发布《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》（以下简称《指导意见》）对钢铁行业提出了明确的减碳目标，要求到2025年，80%以上钢铁产能完成超低排放改造，吨钢综合能耗降低2%以上，水资源消耗强度降低10%以上，确保2030年前碳达峰。
中国钢铁生产以高碳排的长流程为主
目前我国钢铁行业仍以碳排放强度高的长流程为主，77%以上的产能采用高炉 (BF-BOF) 技术。使用废钢和电弧炉（EAF），也称短流程炼钢的方式仅占生产总量的9%，并主要用于生产高端特殊钢制品。
相比之下，全球目前有61.3%左右的粗钢是由长流程炼钢炼成的，20.2%使用短流程炼钢。发达国家如美国的长流程占比仅在30%左右。
就碳排放而言，长流程炼钢主要以消耗煤炭为主，吨钢碳排放为1.954吨二氧化碳。而短流程的废钢-电弧炉和直接还原铁都以电力为主，吨钢碳排放分别在0.13 和0.20吨二氧化碳。
长流程与短流程炼钢技术示意 ©️ Makeable
03
中国钢铁行业减排机遇
尽管当前钢铁行业面临环境和资源两大约束，以及超低排放改造和碳减排双重挑战，但从钢铁生命周期的角度看，钢铁自身是一种绿色低碳材料，也具有极高的回收率。因此凭借此次机会，钢铁行业或可实现技术突破，进行能源革命，转变管理模式，从而进一步增强产品及生产模式的低碳竞争力。
与此同时，来自行业上下游企业的减排需求也促进了更多利益相关方的创新合作。
钢铁行业产业链重要利益相关方
©️ Makeable
上游：矿商积极与钢铁企业开展合作
国内铁矿资源贫矿多、富矿少，前者比后者的处理流程更长、处理成本更高。因此，我国铁矿石供应主要来自进口，代表供应商有巴西淡水河谷、澳大利亚必和必拓、澳大利亚 FMG 等。2019年我国铁矿石进口依存度达80%以上。
为实现全产业链的低碳转型，矿商正在积极与下游钢铁企业开展技术合作。2020年11月份，必和必拓与中国宝武就共同应对气候变化签署战略合作谅解备忘录，计划投资3500万美元，共享互通低碳减排技术知识。FMG 将低碳转型的重点聚焦在了新能源替代方面。为了实现企业的碳减排目标，FMG 专门成立了 FFI（未来产业公司）子公司专注于开发绿色电能源、绿色氢能源和绿色氨能源项目。
中游：大型钢铁企业设定低碳目标
钢铁行业的中游环节包括从生铁制备粗钢再到加工生产各类钢材的全过程。钢材产品主要包括螺纹钢、线材、冷轧/热轧板卷、涂镀层、中厚板等。
根据世界钢铁协会以粗钢产量进行的钢企排名，2021年中国的宝武集团荣登第一。在前十钢企中还包括河钢、沙钢、鞍钢、建龙集团以及山钢。
国内各主要钢铁企业也积极响应实施低碳改造。宝武钢铁提出要在2023年实现碳达峰，2035年实现减碳30%，2050年实现碳中和，并计划发布低碳冶金路线图。河钢集团提出2022年实现碳达峰，2025年实现碳排放量较峰值降10%，2030年实现降低30%以上，2050年实现碳中和。鞍钢集团也提出了目标，将在2025年前实现碳达峰，2035年碳排放较峰值下降30%，成为首批碳中和的大型钢铁企业。
下游：建筑、基建为钢铁主要“客户”
中国虽然是钢铁生产大国，但是90%的钢材都是自产自用，其下游为各个行业：建筑与基础建设的钢铁消费量占总消费量的58.3%，机械制造占16.4%，汽车制造占5.4%。
根据 RMI 报告数据整理 制图 Makeable
同样，随着建筑行业（点击文章最后“阅读更多”了解建筑行业减排需求与机遇）等诸多下游行业提出减排目标与路径，钢铁行业也将迎来更多合作创新的机遇。
04
钢铁行业零碳转型技术路径
Makeable 根据可再生能源、电力改造、能源效率、材料与能源替代和 CCUS 等创新路径出发，整理出以下钢铁行业在应对气候变化的技术重点和要点。
钢铁行业气候变化技术路径 ©️ Makeable
全球钢铁行业的碳中和策略与技术方向
根据 IEA 的路线图，全球钢铁行业需要通过以下三个核心策略达到其碳中和目标：
1. 开发新型、低排放的炼钢工艺
IEA 认为，钢铁行业的深度脱碳需要依赖新的工艺，并将2050年钢铁行业的累计减排量中近四分之一（24%）归功于两项新技术：氢基直接还原铁和碳捕集与封存 （CCUS）。为此，两项技术需要更快地达到商业规模应用。除此之外，还有一些处于早期开发阶段的新技术可以加速钢铁脱碳的机会。
2. 提升材料效率
提升材料效率可以通过多种策略降低对原始粗钢的总体需求，例如高效的产品设计、钢材回收、工艺效率和维护等以延长产品寿命。根据 IEA，提升材料效率到 2050 年将减少约 20% 的钢铁需求。
除了减少钢铁生产过程中的废品产生和通过改进产品设计提高废品利用率之外，材料效率的另一个重要方面是钢材的直接再利用。直接再利用是指对钢铁产品进行“回收”而不进行重新熔化，例如回收钢梁或管道以重新用于新的或不同的用途。
3. 技术性能提升
技术性能改进是指在炼钢过程中逐步降低能源强度的战略和技术（与效率的急剧变化相反），其包括通过实施最先进的高效技术（又称最佳可用技术 BAT）升级以及流程优化策略（又称最佳操作实践）而做出的改变。
各个技术的技术成熟度 （TRL） ©️ Makeable
中国：废钢生产、煤炭替代、CCUS
国内现阶段钢铁行业碳排放强度的下降主要来自废钢生产和能源效率的提高，比如在钢铁生产过程通过工艺的优化和回收使用废钢来节约资源。未来一段时间仍将以长流程工艺为主，节能减排也应该立足于高炉-转炉（BF-BOF）的设备基础之上。但随着技术进步，炼钢效率和再利用接近技术极限，进一步脱碳需要从根本上改变生产方法。
中长期来看，将会利用氢气或生物能代替煤炭作为高炉炼钢的还原剂，并且将生产供能过程电气化。或者利用 CCUS 技术清除化石燃料产生的碳排放。也可综合利用炼钢所产生的一氧化碳/二氧化碳作为化学工业的原料生产燃料、 肥料或其他有价值的产品。随着未来条件成熟，富氢气基竖炉直接还原工艺将迎来较大发展空间，在此之前可在具备电价、煤炭资源优势的地区和钢企先行推广，为之后国内大规模发展积累技术、人才等经验。
Makeable 也将在后续推文为读者进一步介绍钢铁行业脱碳的创新案例和全球最佳实践，欢迎关注。
撰文：观察员小杨
头图来源：Pexels
参考资料：
落基山研究所《碳中和目标下的中国钢铁零碳之路》
落基山研究所《中国2050: 一个全面实现现代化国家的零碳图景 》
Global Energy Monitor "Pedal to the Metal - NO TIME TO DELAY DECARBONIZING THE GLOBAL STEEL SECTOR"
Primetals Technologies "Transforming steelmaking: Roadmaps to net-zero carbon for the integrated plant"
华宝证券《钢铁行业碳中和深度研究报告》
中国煤炭工业协会 《2020 煤炭行业发展年度报告》
中国钢铁工业协会 《2020年中国钢铁行业经济运行报告》
世界钢铁协会《气候变化与钢铁生产》
世界钢铁协会 ”The Chinese steel industry at a crossroads“
世界钢铁协会 "Top steelmakers in 2020"l
国际能源署《世界能源技术展望2020—钢铁技术路线图》
国际能源署《2050净零排放：全球能源行业路线图》
国际能源署《中国能源碳中和路线图》
宝山钢铁股份有限公司《2020可持续发展报告》
国金研究《钢铁煤炭行业:产业链集群化——中国产业聚集地图》https://finance.sina.com.cn/stock/stockzmt/2020-09-01/doc-iivhuipp1819589.shtml
《2021年中国钢铁行业产业链图谱上中下游市场剖析》 https://baijiahao.baidu.com/sid=1707988193892542459&wfr=spider&for=pc
BNEF “Steel Industry Set to Pivot to Hydrogen in $278 Billion Green Push“ https://about.bnef.com/blog/steel-industry-set-to-pivot-to-hydrogen-in-278-billion-green-push/
https://www.bhp-china.cn/media-and-insights/news/2020/11/bhp-partners-with-china-baowu-to-address-the-challenges-of-climate-change.html
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