董俊，徐文婷，謝其湘

(湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司  湘潭411101)

摘要：隨著國家“雙碳”目標(biāo)的提出，社會各界都開始面臨著越來越高的碳排放要求，而鋼鐵行業(yè)因為高額的能源消耗量占比和碳排放總量而備受關(guān)注。電爐短流程煉鋼是目前學(xué)界較為看好的鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展技術(shù)，本文通過對其生產(chǎn)特點進行評價分析，來綜合判斷其在當(dāng)下雙碳目標(biāo)的實現(xiàn)中是否具有足夠的優(yōu)越性。通過我們的調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，電爐短流程已逐漸克服其原本生產(chǎn)成本高、冶煉強度低、成材類型局限的劣勢，并因為本身能源結(jié)構(gòu)清潔、原料分布均勻、加強廢鋼資源資源利用的優(yōu)點，而具有較大的減碳潛力與應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：電爐短流程  鋼鐵行業(yè)  雙碳

0 引言

鋼鐵工業(yè)（ISI）作為國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，在過去的30年里經(jīng)歷了急速的增長，已逐漸成為我國的主要碳排放源之一。從1990年至2019年，我國的粗鋼產(chǎn)量由6635萬噸增長到9.96億噸，增長15倍，年均增長率為9.79%，占全球粗鋼產(chǎn)量的比重從1990年的8.6%上升到2019年的53.3%，已成為世界上粗鋼年產(chǎn)量最高的國家。我國鋼鐵行業(yè)碳排放的比重也從11.29%上升到18.78% ，成為了除電力行業(yè)之外的最大碳排放主體^[1]，如圖1。

圖 1 1990-2019年中國粗鋼產(chǎn)量及其占全球鋼鐵產(chǎn)量的比重、

中國鋼鐵行業(yè)CO₂排放量占總碳排放量的比例^[2]

雖然鋼鐵行業(yè)因為自身生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性暫未被納入碳市場交易，但是外部不斷增強的低碳要求和內(nèi)部不斷完善的核算機制都在預(yù)示著其不再遙遠的落地。由于鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量高、碳排放量大的特點，及時探索有效的減碳路徑對于我國碳達峰、碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。

1 減碳驅(qū)動力分析

基于目前減碳技術(shù)的發(fā)展和減碳路徑的探索現(xiàn)狀，我們認(rèn)為未來鋼鐵行業(yè)碳排放總量削減的主要驅(qū)動力有以下六種：粗鋼產(chǎn)量變化、廢鋼利用、能效水平提升、外購電力清潔化、氫能冶煉以及CCUS技術(shù)的應(yīng)用。

有學(xué)者以2020為基準(zhǔn)年，在多種方法模擬的產(chǎn)量變化情景下對于這六種減碳驅(qū)動因素進行了研究分析，發(fā)現(xiàn)粗鋼產(chǎn)量是決定我國鋼鐵行業(yè)碳排放能否快速達峰的關(guān)鍵，而加大廢鋼資源利用、外購電力清潔化以及提升系統(tǒng)能效水平這三種方法的CO₂減排效果最為突出，是有效降低鋼鐵行業(yè)碳排放的重要途徑。在該研究設(shè)定的排放控制情景下，到2025年，上述3類措施對行業(yè)CO₂減排總量(與一般控制情景相比)的貢獻率分別為49% ~69%、15% ~27%和13%~ 22%；到2030年，上述措施的減排貢獻分別為59% ~72%、15% ~ 22%和10%~ 15%^[3]，如圖2。

圖2 不同影響因素對鋼鐵行業(yè)CO,減排效果的動態(tài)評估

類似的分析研究還有上官方欽等構(gòu)建的情景分析模型，其結(jié)論指出在鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳達峰與碳中和的過程中，粗鋼產(chǎn)量控制的累計減排頁獻約為45%，有序、合理地利用廢鋼約占39%，氫還原技術(shù)約占9%，節(jié)能、“界面”技術(shù)、智能化等因素約占7%，如圖3。^[4]

圖3 中國鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展路線圖設(shè)想

雖然兩項研究所使用的減碳驅(qū)動因素有一定差別，但都指出了廢鋼資源利用對鋼鐵行業(yè)降碳的重要性^[5]，因此本文將圍繞廢鋼資源利用的重要途徑——電爐短流程冶煉技術(shù)進行詳細的論證分析，以驗證其可行性。

2 電爐可行性分析

電爐煉鋼并不是近幾年才伴隨雙碳政策出現(xiàn)的低碳排放冶煉技術(shù)，我國電爐短流程煉鋼技術(shù)真正意義上是從20世紀(jì)90年代開始發(fā)展的，1993年電爐鋼產(chǎn)量占比曾達到最高值23%左右^[6]。但是后來因為電爐冶煉生產(chǎn)成本高、產(chǎn)能低、生產(chǎn)類型局限，而無法適應(yīng)后來的生產(chǎn)需要，因此其逐漸被長流程高爐-轉(zhuǎn)爐冶煉技術(shù)淘汰掉了。但是經(jīng)過30年的發(fā)展變化，電爐冶煉的原料狀況得到了有效改善，同時其低碳排放的特性也契合了當(dāng)下的發(fā)展趨勢。

2.1原有劣勢在當(dāng)前背景下的變化

①電爐的生產(chǎn)成本較高^[7]。電爐煉鋼的主要成本來自于生產(chǎn)原料（廢鋼）和能源消耗（電力）^[8]，因我國早些年電力供應(yīng)不足、工業(yè)用電價格高昂以及廢鋼供不應(yīng)求，電爐煉鋼的價格居高不下。而目前來說，電力資源和廢鋼資源的價格和儲量都不再是那么棘手的問題^[9]，而且目前電爐技術(shù)的進步大大降低了冶煉過程中的電耗^[10]。早幾年中冶京誠阮清華等通過對國內(nèi)廢鋼供需情況及煉鋼原料價格統(tǒng)計分析后，以唐山為例計算出2012年-2018年長流程鋼水制造成本與短流程鋼水制造成本之差^[11]，結(jié)果如下表一所示。

可以看出，長短流程冶煉工藝間已并未存在絕對的成本高與低，其受到鐵水與廢鋼之間的價差影響很大，在兩者差距高于320元/噸時，電爐煉鋼就有利可圖了，這是唐山地區(qū)的實景計算數(shù)據(jù)，如表1。

表1長流程與短流程生產(chǎn)成本對比

而根據(jù)Mysteel的研究報告，近些年在宏觀層面上，兩項技術(shù)之間的價格差距在穩(wěn)步縮減，截止2021年的數(shù)據(jù)顯示，長流程冶煉對于短流程的價格優(yōu)勢已縮減到100元/噸，如圖4。同時，根據(jù)中國廢鋼鐵應(yīng)用協(xié)會統(tǒng)計，2018年全國廢鋼鐵資源產(chǎn)生總量為2.2億噸，同比增加2000多萬噸，增幅10%。預(yù)計2025年我國鋼鐵蓄積量將持續(xù)增長^[12]，達到120億噸，廢鋼資源年產(chǎn)出量將達到2.7億噸-3億噸；2030年，我國鋼鐵蓄積量將達到132億噸，廢鋼資源年產(chǎn)出量將達到3.2億噸-3.5億噸，廢鋼資源充足^[13]。由此不難推斷，短流程冶煉的成本問題將逐漸轉(zhuǎn)化為其優(yōu)勢所在。

圖 4 短流程與長流程成本對比(元/噸)

②電爐冶煉強度低。目前電爐冶煉的產(chǎn)能相比較于傳統(tǒng)的高爐-轉(zhuǎn)爐工藝不夠高，在目前鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能普遍過剩的背景下十分缺乏市場競爭力，但是基于CBAM已經(jīng)出臺的事實以及鋼鐵行業(yè)將會納入全國碳排放交易市場的必然趨勢下，鋼鐵行業(yè)的總產(chǎn)能一定不會維持現(xiàn)在的高點，而且高耗能高碳排放的產(chǎn)能一定會迫于成本的問題而減少或置換。

據(jù)研究，我國長流程企業(yè)噸鋼碳排放量約為1.8tCO₂eq，而全廢鋼電爐煉鋼企業(yè)的噸鋼碳排放量僅為0.36tCO₂eq^[14]。但是因為我國目前傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐工藝為主的生產(chǎn)現(xiàn)狀以及廢鋼成本較高的原因，一般鋼鐵企業(yè)會更傾向于兌50%的鐵水到廢鋼中進行電爐冶煉，這就使得其每噸鐵水的碳排放量增加到了1.13tCO₂eq，約75%以上的碳排放來自鐵水，與節(jié)能減排的初衷背道而馳^[15]。目前電爐冶煉的原料，除了廢鋼還有直接還原鐵，但是因為直接還原鐵需要進行一定的加工，所以目前全直接還原鐵電爐的碳排放強度約為0.98tCO₂eq/t鋼，一般認(rèn)為30%的直接還原鐵摻70%的廢鋼最為合適^[16]。

目前我國的全國碳市場的碳價為74.67元/噸，歐盟的碳交易價格為53.67歐元/噸，結(jié)合上述計算的生產(chǎn)工藝碳排放結(jié)果，不同技術(shù)單位產(chǎn)能間的價格差異在國內(nèi)會有50~116元/t，而如果向歐盟出口的話，價格差異會有36.0~83.6歐元/t，可以看出高碳排放的產(chǎn)能將不再會在市場中占據(jù)多少的優(yōu)勢，因此電爐冶煉強度相對較低的缺點將不那么重要。

其次，基于國家對于碳排放總量的控制目的，產(chǎn)能和產(chǎn)量之間已經(jīng)沒有碳排放強度和產(chǎn)量的相關(guān)性強了，碳排放量超標(biāo)帶來的履約問題才會是未來制約鋼鐵生產(chǎn)的瓶頸。

③原料質(zhì)量不穩(wěn)定、成品類型存在局限。目前我國廢鋼回收體系不健全，回收廢鋼的成分不穩(wěn)定，難以生產(chǎn)特種鋼材。但是這個本身是屬于工藝特點，就像電爐煉鋼因為有別于傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱有限的特點而可以加入更多的合金進行冶煉，從而可以生產(chǎn)高合金含量的鋼材一樣，因為其應(yīng)用廢鋼作為原料所以無法像高爐-轉(zhuǎn)爐一樣生產(chǎn)成分含量控制精確的特種鋼材也是自身暫時無法避免的特性。

其次，我們需要明確，電爐的定位是在氫能冶煉技術(shù)成熟投產(chǎn)前、鋼鐵行業(yè)納入碳交易后的這段時間內(nèi)起到一個過渡的作用，降低碳減排的邊際成本，因此電爐即使只用來取代普鋼冶煉，也能起到不錯的減碳效果，符合國際上電爐冶煉比例高的國家以普鋼為主的產(chǎn)品特點^[17]。此外，根據(jù)各地鋼鐵產(chǎn)能置換公示公告，2021-2022年全國擬建電爐產(chǎn)能中，優(yōu)特鋼產(chǎn)能占比18%，普鋼產(chǎn)能占比80%以上（如圖5），因此這方面的局限性不會產(chǎn)生多大的負(fù)面影響。

圖 5 近年我國電爐鋼產(chǎn)量與優(yōu)特鋼產(chǎn)量(萬噸，%)

2.2  原有優(yōu)勢在當(dāng)前背景下的變化

①能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。目前鋼鐵行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)是以煤炭為主的，這種用能結(jié)構(gòu)與焦炭本身的性質(zhì)和傳統(tǒng)冶煉方法之間的高匹配度是息息相關(guān)，如果想要大幅降低鋼鐵冶煉的碳排放強度，改變工藝路徑是難以避免的選擇，目前的降碳研究大多是從用更加清潔的能源代替焦炭使用入手的。而電力則是一種較為特殊的能源介質(zhì)，因為它可以通過多種能源轉(zhuǎn)換而來，一些單位時間強度不高、供應(yīng)不穩(wěn)定的可再生清潔能源也可以借助電能轉(zhuǎn)化的途徑來發(fā)揮作用。因此我們可以認(rèn)為，只要用于發(fā)電的可再生能源技術(shù)中，有一種取得了突破，可以擴大電力供應(yīng)規(guī)模的話，就可以進一步降低電爐冶煉的碳排放量，這比氫能冶煉突破的概率要高一些，而且當(dāng)氫能技術(shù)初步突破了應(yīng)用方面的難關(guān)之后，不排除其會被大規(guī)模應(yīng)用到可再生能源發(fā)電中去，因為可控穩(wěn)定的清潔能源會更受到發(fā)電行業(yè)的歡迎，并且發(fā)電技術(shù)的門檻要低于鋼鐵冶煉。因此我們認(rèn)為電爐冶煉的減碳潛力和減碳前景都是很不錯的。

而目前來說，我國電力組成中的清潔能源比例也是不低的。2021年12月，在生態(tài)環(huán)境部辦公廳最新發(fā)布的關(guān)于公開征求《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南 發(fā)電設(shè)施(2021年修訂版)》 (征求意見稿) 中，全國電網(wǎng)平均排放因子調(diào)整為最新的0.5839tCO₂/MWh，與上一版2015年沿用至今的0.6101 tCO₂/MWh相比，下降約4.3%。同時以地區(qū)情況舉例，2022年2月11日，上海市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布《關(guān)于調(diào)整本市溫室氣體排放核算指南相關(guān)排放因子數(shù)值的通知》，將電力排放因子缺省值由原來的0.788 tCO₂/MWh凋整為0.42 tCO₂/MWh，熱力排放因子由之前的0.11 tCO₂/GJ下調(diào)到0.06tCO₂/GJ，也可以看出目前清潔能源發(fā)電項目突飛猛進的發(fā)展。

圖6描繪了2020年電力行業(yè)燃煤發(fā)電和非煤發(fā)電的碳減排貢獻。在各省份中，非煤發(fā)電貢獻的碳減排量為593 Mt CO₂ eq，是2020年煤電碳減排量的2.2倍以上^[18]。這一比率遠高于“十一五”和“十二五”期間的0.3和0.7左右。外購或者自發(fā)的清潔能源電力或許真的會成為各個高能耗重點行業(yè)借助能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型達成雙碳目標(biāo)的另一途徑。

圖 6 2020年電力行業(yè)燃煤發(fā)電和非煤發(fā)電的碳減排貢獻

②加強區(qū)域平衡，減少運輸成本。以廢鋼作為原料的短流程電爐冶煉工藝，不會像當(dāng)下的傳統(tǒng)冶煉工藝一樣受到較強的礦石資源稟賦影響，尤其在我國的礦產(chǎn)資源本身并不富裕的情況下，以廢鋼作為原料有助于降低礦石原料運輸成本。根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會發(fā)布的《世界鋼鐵統(tǒng)計數(shù)據(jù)2023》的內(nèi)容，我國在2022年的粗鋼產(chǎn)量有10.12億噸，鐵礦石的進口量有11.08億噸，成品鋼的消費量有6.6億噸。數(shù)據(jù)表明，我國鋼鐵行業(yè)對于鐵礦石的進口依賴性極強，平均對外依存度高達75%，這樣的高依賴性帶來了長途運輸?shù)某杀尽⑻寂欧乓约皣覒?zhàn)略資源安全問題，但是我國同時存在的成品鋼高消費情況提供了一定的改善思路。

③促進廢鋼資源合理利用。上文已經(jīng)提到，廢鋼資源的利用對于未來鋼鐵行業(yè)碳排放的減少有著相當(dāng)關(guān)鍵的促進作用，文獻中對于廢鋼資源利用的定義進行了“主要通過電爐短流程冶煉實現(xiàn)”的說明，但是必須要指出的是，長流程煉鋼對于廢鋼資源的利用同樣能降低產(chǎn)品的碳排放強度，只是因為長流程的化學(xué)產(chǎn)熱機制不能支持加入過多的廢鋼，同時利用廢鋼的成本還可能會大于生產(chǎn)同等質(zhì)量鐵水的成本，所以長流程冶煉為主的行業(yè)背景下很難提高廢鋼資源的利用率。如果電爐冶煉成規(guī)?；?，配套的回收體系及時建立，或許能夠成功地讓更多的廢鋼資源得到綜合有效的利用^[19]，提高整個行業(yè)的碳減排效果。

3  結(jié)語

根據(jù)中鋼協(xié)組織的裝備調(diào)研情況，截至2022年底，全國具有電爐冶煉能力的鋼鐵企業(yè)約220家，電爐數(shù)量約370座，電爐鋼總產(chǎn)能約1.9億噸?？梢钥闯觯姞t目前的實際應(yīng)用情況已經(jīng)初顯成效了，伴隨著國家目前出臺的雙碳政策，如《鋼鐵工業(yè)“十二五"發(fā)展規(guī)劃》《鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級規(guī)劃 (2016-2020年)》《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》《“十四五"原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等對于短流程煉鋼技術(shù)的支持鼓勵，相信電爐短流程煉鋼技術(shù)一定會在未來的減碳實現(xiàn)中作出卓越的貢獻。

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