铁矿石

一、碳排放概念和背景

碳排放的概念最早可以追溯到19世纪末期，瑞典科学家Ahrrenius首次提出碳排放可能导致全球变暖。20世纪70年代，随着工业化进一步深入，全球气温明显上升（如图1所示），引起了全球社会对碳排放问题的高度关注。目前碳排放量一般指在生产、运输、使用及回收某产品时所产生的温室气体排放量。

注：某一年的指数=当年全球地表平均温度- (1951~1980年全球地表平均温度)。数据来源：NASA’s GISS，上海钢联

过去几十年间，为了控制全球温室气体排放量、促进各国在应对气候变化方面的合作交流，国际社会陆续签订了以下三份重要的国际协定。

表1：碳排放相关的国际协定

数据来源：公开信息，上海钢联

同时，各国纷纷通过碳税、碳交易、财政补贴等实际措施控制和降低碳排放。比较具有代表性的是2005年，欧盟引入碳排放交易系统（EU ETS），这是世界第一次大规模通过市场机制控制温室气体排放。2022年，欧盟确定碳边境调节机制（CBAM，又称“碳关税”）从2026年正式起征，同时确定了到2034年全部取消欧盟企业碳排放免费配额。

 二、我国钢铁行业碳排放现状与减排政策

中国在过去几十年经历了工业化和城市化的快速进程，以煤炭为主的能源结构也带来了大量温室气体排放。2020年9月第75届联合国大会上，我国正式提出2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和的目标。根据国际能源署（IEA）2022年3月公布的数据，2021年全球能源相关二氧化碳排放量为363亿吨，其中中国排放119亿吨，占全球近三分之一。

数据来源：IEA，上海钢联

其中，钢铁行业是典型的能源密集型行业，也是我国碳排放的主要来源之一。根据全球能源互联网发展合作组织2021年发布的《中国2030年前碳达峰研究报告》，2019年中国能源活动碳排放约98亿吨，钢铁行业占全社会能源相关碳排放比重高达17%，占工业领域能源相关碳排放47%。因此，实现钢铁行业的绿色低碳发展是实现我国碳达峰碳中和目标的重要环节。

我国粗钢生产以长流程为主，根据世界钢协发布的产量数据，2021年我国粗钢产量中长流程工艺占比达89.3%。根据自然资源保护协会2023年6月发布的《面向碳中和的氢冶金发展战略研究》（以下简称《研究》），我国BF-BOF的吨钢碳排放量为1.8-2.5 t，Scrap-EAF的吨钢碳排放量为0.4-0.6 t，气基竖炉DRI-EAF（非绿氢）的吨钢碳排放量约0.96 t。可以看出，在碳减排方面短流程比长流程更具优势；而且随着绿氢技术进一步发展，DRI的碳排放有望降到极低，甚至实现零碳排，赋予短流程炼钢极高的减排潜力。因此长期来看，钢铁行业要实现近零排放和碳中和目标，建设气基竖炉炼铁产能和电弧炉炼钢产能是最理想的途径。

然而就实际情况来看，我国高炉炼铁技术成熟、生产效率高，且现有高炉产能存量大、平均寿命不长，短时间内难以实现向短流程的大量置换。因此近期至中期仍需要通过改进传统高炉作为过渡，后期可以转向气基竖炉等非高炉产能。

在钢铁行业的碳减排方面，我国印发文件指导钢铁生产的碳减排行动。2021年，生态环境部应对气候变化司向中国钢铁工业协会发出《关于委托中国钢铁工业协会开展钢铁行业碳排放权交易相关工作的函》，委托钢协开展钢铁行业纳入全国碳市场相关工作，主要包括钢铁行业碳配额分配方案制定和更新、钢铁行业全国碳市场支撑系统测试相关工作等。

三、我国钢铁行业碳减排路径探讨

1. 高炉技术减排

高炉富氢冶炼是使用焦炉煤气（COG）、天然气等富氢气体代替焦炭进行冶炼的技术，在源头上实现“以氢代碳”，改造成本较低、可行性高，被认为是目前基于高炉产能降低碳排放的有效途径。焦炉煤气是炼焦副产品，氢气含量在55%左右，长流程本身包含的炼焦工序即可生产足够的焦炉煤气，减少了额外能源依赖。随着绿氢技术趋于成熟和成本降低，高炉富氢冶炼还可以增加绿氢使用量，进一步降低碳排放。

目前我国比较有代表性的高炉富氢冶炼项目是宝武以新疆八钢原有高炉为基础的富氢碳循环氧气高炉（HyCROF）。《研究》预计，2030 年之前，高炉富氢冶炼技术可以取得突破性成果，具备大规模应用条件；2030 年之后，高炉富氢冶炼技术有望迅速推广。需要注意的是，一般认为高炉富氢的潜在碳减排幅度在10-30%之间，无法直接实现碳中和目标。

2. 非高炉技术减排

（1）氢基直接还原

中长期来看，全废钢电炉绿电冶炼、绿氢直接还原+电炉绿电冶炼两大路径是实现近零排放的最终举措。布局废钢冶炼需加强废钢行业的规范管理，提高废钢回收率；但社会的废钢资源总量有限，供应量存在上限。据IEA 2020年统计，全球炼钢过程70%的金属原料来源于铁矿石，仅30%来源于废钢，且当前世界钢铁产量高于可供回收的废钢量，因此仅通过废钢无法全部满足社会对铁素的需求。

氢基直接还原技术使用氢气代替一氧化碳作为还原剂，是最具发展潜力的低碳炼铁技术，反应器大多使用气基竖炉，少部分使用流化床等。目前国外已有较为成熟的工业化气基竖炉炼铁技术，如MIDREX、HYL等。工艺多数使用天然气，后续也可以转向绿氢生产，如神户制钢目前在阿曼杜克姆经济特区建设的MIDREX项目，即计划暂时使用天然气，未来考虑直接通入氢气。我国的氢基直接还原示范项目有中晋冶金的竖炉项目（CSDRI）、中国宝武的湛江氢基竖炉项目以及河钢氢冶金示范项目等。

值得注意的是，相比于高炉技术，氢基直接还原具有对含铁原料品质要求更高、金属化率较低等不足之处。同时，结合各国的技术研发进度，氢基还原具备大规模推广条件需要等到 2040 年之后，且受制于绿氢产业链的发展程度。

（2）氢基熔融还原

氢基熔融还原技术也取得了一定进展。中国建龙集团与北京科技大学等科研单位联合在内蒙古乌海开发了赛思普（CISP）项目，设计年产能30万吨，2021年实现首次生产。该技术将氢冶金和熔融还原相结合，据测算，相比传统的高炉工艺能有效减排二氧化硫及氮氧化物排放量38%左右。

3. 其它方面减排

IEA在2020年10月发布《Iron and Steel Technology Roadmap》，包含对2020-2050年期间相对于既定政策情景而言，钢铁行业在可持续发展情景下不同减碳方式带来的累计减排量（直接排放）的预测，如图3所示。

数据来源：IEA，上海钢联

其中材料利用效率（Material Efficiency）是指通过更有效地利用钢材（如制造业提高单位钢铁消耗的产成率，行业下游延长建筑寿命等），节约对钢铁的总需求量，从而减少碳排放。这一方法通过降低钢铁生产总量助力碳减排，可以极大减轻技术创新的减排压力。预计这一方法到2050年可以使全球钢铁需求减少约20%（相对于基线预测），给钢铁行业带来40%的累计碳减排量。

技术性能（Technology Performance）指对现有设备进行性能改进（如增强过程控制、采用预测性维护策略等）来降低碳排放。例如宝武集团提出的“极致能效”、“近终形制造”等低碳冶金技术路径，就是技术性能提高的实际方案。IEA指出，这一方法本身不足以实现长期碳减排目标。技术性能改进到2050年预计可给钢铁行业带来约21%的累计碳减排量。

碳捕捉、利用和封存技术（CCUS）指将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以利用或注入地层以实现永久减排的过程。根据Global CCS Institute与清华大学等在2023年3月联合发布的《中国二氧化碳捕集利用与封存年度报告（2023）》预测，碳达峰碳中和目标下中国需通过CCUS完成的减排量为：2030年达到近1亿吨/年，2060年达到约23.5亿吨/年。钢铁行业作为工业领域碳排放重点行业，也具有布局CCUS减排技术的必要性。CCUS到2050年预计可给钢铁行业带来约21%的累计碳减排量。

图4：中国主要CCUS示范项目规模与行业分布

图片来源：《中国二氧化碳捕集利用与封存年度报告（2023）》

然而，我国当前的CCUS示范项目主要集中在火电行业和石油化工行业，在钢铁行业的项目较少，截止2023年中国主要CCUS示范项目的规模与行业分布如图4所示。钢铁行业比较有代表性的CCUS项目是包钢集团200万吨CCUS全产业链示范工程，目前一期50万吨示范项目已开工建设。值得注意的是，目前我国CCUS发展程度与规模化商用水平之间还存在不小差距，技术示范捕集成本偏高，钢铁行业CO2捕集成本在200-400元/吨，经济效益较差。但长远来看，未来随着碳价上升、CCUS技术趋于成熟带来成本下降，CCUS的应用价值将逐渐得到体现。

综合而言，钢铁行业要实现碳中和目标，近期需要依靠富氢高炉、技术性能改进等途径降低碳排放量；中期过渡到富氢直接还原技术+电弧炉炼钢，提高短流程产能占比，有条件的企业配合CCUS技术降低碳排放；后期绿氢得到规模化应用后，形成纯氢基竖炉/全废钢+绿电电炉的生产线。