中國鋼鐵工業碳達峰及低碳轉型路徑
發布時間：2021-09-08
來源：河北天創管業有限公司
摘要：2020年中國宣布將提高國家自主貢獻力度，二氧化碳排放力爭在2030年前達峰。鋼鐵工業作為典型的資源、能源密集型行業，是率先落實碳達峰的重要行業。本文分析了鋼產量、生產結構、節能減排技術和碳稅等因素對中國鋼鐵工業碳排放的影響程度。研究表明，不同的鋼產量達峰時間將對鋼鐵工業的碳達峰產生不同影響，技術和生產結構因素也將對中國鋼鐵工業產生重要影響。地方區域是落實國家碳達峰任務的責任主體，對京津冀及周邊地區、長三角地區、汾渭平原和兩廣地區4個具有不同鋼鐵生產特點的重點區域碳排放進行研究，并分析了區域達峰方案。加快調整產業結構、推廣低碳技術、改變能源結構、推進產業間耦合和加強碳資產管理等方面制定鋼鐵工業低碳轉型路徑，對實現中國鋼鐵工業碳排放早日達峰和碳中和有重要意義。
關鍵詞：鋼鐵工業;鋼產量;碳達峰;低碳轉型;重點區域
2020年，習近平總書記在第75屆聯合國大會一般性辯論上宣布中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的措施，二氧化碳排放力爭在2030年前達峰，努力爭取2060年實現碳中和。這充分體現了中國應對氣候變化的力度，彰顯了中國積極應對氣候變化、走綠色低碳發展道路的堅定決心。
鋼鐵工業是典型的資源、能源密集型行業，也是實現綠色低碳發展的關鍵性領域。2020年，中國粗鋼產量突破10億t大關，達到10.65億t，占全球粗鋼產量的56.76%。中國鋼鐵工業碳排放占全國碳排放總量的15%，在國內所有工業行業中位居首位。隨著全國碳排放權交易管理辦法的實施，鋼鐵工業將面臨巨大任務和挑戰。綠色低碳是中國鋼鐵工業實現轉型升級高質量發展的關鍵，是提高行業競爭力的重要引擎。鋼鐵工業實現低碳轉型發展是落實中國生態文明建設目標的主要途徑，也是實現碳達峰、碳中和目標的重要支撐。
聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報告顯示，要實現1.5 ℃目標，則到2050年全球將要實現碳中和；而若要實現2 ℃目標則到2070年應實現碳中和。目前發達國家均選擇了2050年作為時間節點，而中國在尚未達到碳排放高峰的情況下做出了2060年前達到碳中和的政治承諾。截至目前，全球已有一百多個國家承諾2050年實現碳中和，其中歐盟2019年年底發布了《歐洲綠色新政》并承諾于2050年前實現碳中和。2020年6月，美國眾議院發布的《氣候危機行動計劃》報告也表示要將應對氣候變化作為國家的首要任務，要實現2050年溫室氣體排放比2010年減少88%和CO2凈零排放的目標。
中國始終高度關注氣候變化問題，堅持綠色、循環、低碳的發展理念，鋼鐵工業作為高排放行業之一，其節能減排研究工作也得到了國內學者們的廣泛關注。袁曉玲等研究了中國工業部門碳排放峰值預測及減排潛力，指出在低碳情境下各行業均能在2030年前達峰，而在高耗能情境下在2040年前后才能達峰。張琦等采用動態物質流分析方法構建了鋼需求量和廢鋼回收量預測模型，并基于重點節能減排技術，分析了中國鋼鐵工業節能減排潛力和能效提升途徑。Elzen M D等研究了中國工業到2030年的碳排放水平，研究表明，當前政策不足以在2030年實現碳達峰，而如果改善政策措施將實現2030年碳達峰。李新創等從降低需求、能效提升、創新工藝3個方面剖析了全球溫控目標下中國鋼鐵工業低碳轉型路徑。王國棟、儲滿生從低碳減排角度討論了綠色鋼鐵冶金技術。這些研究對中國鋼鐵工業綠色低碳轉型發展提供了理論、技術支撐，對碳達峰目標實現有重要參考。
當前現有的研究工作為鋼鐵工業的節能減排做出了卓越貢獻，但是仍然存在一些需要解決的問題。盡管工業部門對全球溫室氣體排放影響巨大，但對工業部門的碳達峰給予具體的路徑指導的研究很少，特別是對鋼鐵工業如何基于碳達峰等特定目標給予指導的研究更少。因此，本文結合目前中國鋼鐵工業碳排放現狀及面臨的挑戰，分析中國鋼鐵工業碳達峰的路線及趨勢，提出鋼鐵工業低碳轉型路徑，為實現鋼鐵工業綠色低碳、可持續發展提供重要依據。
1 鋼鐵工業碳排放現狀及面臨的挑戰
中國鋼鐵工業的典型特點：一是以高爐-轉爐生產流程為主的生產模式，2020年由該流程生產的粗鋼產量占全國總產量的91.01%（圖1）；二是以煤為主的能源結構，鋼鐵工業的能源消耗占全國能源消耗總量的16%，其中，煤炭占鋼鐵工業能源消耗比例高達70%，是碳排放量的主要來源。以鐵礦石為原料生產的轉爐鋼每噸排放CO2約2.0 t，其中鐵前工序CO2排放占整個流程的87%以上（圖2），而以廢鋼為原料的電爐鋼每噸排放CO2約0.35~0.50 t，因此增加廢鋼回收，降低鐵鋼比，能夠大幅降低鋼鐵工業CO2排放量。面對氣候變化、碳達峰、碳中和目標給鋼鐵工業可持續發展帶來的新壓力，中國鋼鐵工業必須要走一條低碳綠色發展之路。
當前，鋼鐵的低碳化生產有兩大方向：一是改變生產方式，推廣以氫冶金為代表的低碳技術生產工藝；二是改變鋼鐵生產的原料結構，提高廢鋼比，發揮短流程工藝的低碳綠色優勢。中國短期內不具備大范圍推廣氫冶金的可能性，因此根據中國資源條件，應盡快改變國內鋼鐵工業的原料結構，實現鋼鐵工業的節能、低碳、綠色發展。
2 中國鋼鐵工業碳達峰路線及趨勢分析
鋼鐵工業作為碳排放量最多的行業之一，其節能減排問題一直是學者們研究的熱點和焦點問題。目前對碳排放達峰問題的研究大都針對的是中國整體工業部門，而針對鋼鐵工業碳排放達峰的研究和報道較少。特別是中國政府提出2030年碳排放達峰的目標之后，圍繞中國鋼鐵工業碳排放的峰值問題展開研究是非常有必要的。作為中國經濟發展重要支撐產業和碳排放重點行業，鋼鐵工業應站在高質量發展的高度，加大應對碳減排共識的低碳發展研究，實現高質量發展。
2.1 中國鋼鐵工業碳達峰路線圖
在前期研究中，自下而上地分析了鋼產量、電爐鋼比例、電爐吃鐵水比和節能減排技術應用等因素對中國鋼鐵工業能源消耗和碳排放的貢獻程度。研究表明，鋼產量是影響碳達峰的主要因素，節能減排技術和生產結構調整因素將在不同時間和區域對中國鋼鐵工業節能減排產生重要影響。
2.1.1 鋼產量數據
諸多學者就中國粗鋼產量的達峰時間和峰值進行了研究，盡管大部分學者認為中國鋼產量將在2030年前達到峰值，但針對具體何時鋼產量能夠達峰的科學性和合理性尚存在比較大的爭議。本文參考兩種鋼產量預測結果，一種是來自某文獻的數據，顯示中國鋼產量將在2030年后達峰；另一種數據來自本課題組前期的研究，即鋼產量在2020年達到峰值。引入兩種鋼產量的預測數據目的是為比較鋼產量因素對中國鋼鐵工業碳達峰的影響。
2.1.2 情景設置及結果分析
為了更好地分析鋼鐵工業碳減排潛力及碳達峰路徑，本文將設置4個情景：基準情景（reference scenario，REF），代表鋼鐵生產的技術水平和生產結構保持不變；生產結構調整情景（adjustment of production structure scenario，APS），代表生產結構調整而技術水平保持不變；能源技術升級情景（energy technology upgrading scenario，ETA），代表技術水平提高而生產結構不變；綜合情景（integrated scenario，INT），代表生產技術水平提高且生產結構也調整情景。
低碳技術的應用是鋼鐵工業實現碳減排的重要手段，根據國家發改委發布的節能低碳技術目錄和前人的研究，選取已商業化的37項技術作為本文計算對象展開。
2.1.3 結果分析
圖3所示為不同鋼產量達峰情景下的中國鋼鐵工業CO2排放變化趨勢。若使用2020年鋼產量達峰的數據進行預測，REF、ETA、APS、INT這4個情景的碳排放都呈現先增后減的趨勢并都將在2020年達到峰值。若使用2030年后鋼產量達峰的數據進行預測，REF情景的碳排放將一直呈現增長的趨勢，而ETA、APS、INT其他3個情景都呈現先增后減的趨勢并將在2025年達到峰值。通過使用2種不同達峰時間的鋼產量數據進行預測，得到的碳排放結果存在明顯差異。2種REF情景下，因為使用的鋼產量數據不同，碳排放的達峰時間出現了明顯的差異，鋼產量2030年后達峰將導致鋼鐵工業碳排放在2030年后達峰，而鋼產量2020年達峰將會使鋼鐵工業碳排放在2020年達峰并且峰值顯著降低，這說明粗鋼產量是影響鋼鐵工業碳排放的決定性因素。2030年達峰情景下，ETA、APS、INT這3個情景在2025年后是呈現下降趨勢的，這是因為在這3個情景中考慮了節能減排技術普及和生產結構調整等碳減排影響因素，這也說明節能減排技術和生產結構是鋼鐵工業未來節能減排發展的重要影響因素。
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關鍵詞：鋼鐵工業;鋼產量;碳達峰;低碳轉型;重點區域
2020年，習近平總書記在第75屆聯合國大會一般性辯論上宣布中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的措施，二氧化碳排放力爭在2030年前達峰，努力爭取2060年實現碳中和。這充分體現了中國應對氣候變化的力度，彰顯了中國積極應對氣候變化、走綠色低碳發展道路的堅定決心。
鋼鐵工業是典型的資源、能源密集型行業，也是實現綠色低碳發展的關鍵性領域。2020年，中國粗鋼產量突破10億t大關，達到10.65億t，占全球粗鋼產量的56.76%。中國鋼鐵工業碳排放占全國碳排放總量的15%，在國內所有工業行業中位居首位。隨著全國碳排放權交易管理辦法的實施，鋼鐵工業將面臨巨大任務和挑戰。綠色低碳是中國鋼鐵工業實現轉型升級高質量發展的關鍵，是提高行業競爭力的重要引擎。鋼鐵工業實現低碳轉型發展是落實中國生態文明建設目標的主要途徑，也是實現碳達峰、碳中和目標的重要支撐。
聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報告顯示，要實現1.5 ℃目標，則到2050年全球將要實現碳中和；而若要實現2 ℃目標則到2070年應實現碳中和。目前發達國家均選擇了2050年作為時間節點，而中國在尚未達到碳排放高峰的情況下做出了2060年前達到碳中和的政治承諾。截至目前，全球已有一百多個國家承諾2050年實現碳中和，其中歐盟2019年年底發布了《歐洲綠色新政》并承諾于2050年前實現碳中和。2020年6月，美國眾議院發布的《氣候危機行動計劃》報告也表示要將應對氣候變化作為國家的首要任務，要實現2050年溫室氣體排放比2010年減少88%和CO2凈零排放的目標。
中國始終高度關注氣候變化問題，堅持綠色、循環、低碳的發展理念，鋼鐵工業作為高排放行業之一，其節能減排研究工作也得到了國內學者們的廣泛關注。袁曉玲等研究了中國工業部門碳排放峰值預測及減排潛力，指出在低碳情境下各行業均能在2030年前達峰，而在高耗能情境下在2040年前后才能達峰。張琦等采用動態物質流分析方法構建了鋼需求量和廢鋼回收量預測模型，并基于重點節能減排技術，分析了中國鋼鐵工業節能減排潛力和能效提升途徑。Elzen M D等研究了中國工業到2030年的碳排放水平，研究表明，當前政策不足以在2030年實現碳達峰，而如果改善政策措施將實現2030年碳達峰。李新創等從降低需求、能效提升、創新工藝3個方面剖析了全球溫控目標下中國鋼鐵工業低碳轉型路徑。王國棟、儲滿生從低碳減排角度討論了綠色鋼鐵冶金技術。這些研究對中國鋼鐵工業綠色低碳轉型發展提供了理論、技術支撐，對碳達峰目標實現有重要參考。
當前現有的研究工作為鋼鐵工業的節能減排做出了卓越貢獻，但是仍然存在一些需要解決的問題。盡管工業部門對全球溫室氣體排放影響巨大，但對工業部門的碳達峰給予具體的路徑指導的研究很少，特別是對鋼鐵工業如何基于碳達峰等特定目標給予指導的研究更少。因此，本文結合目前中國鋼鐵工業碳排放現狀及面臨的挑戰，分析中國鋼鐵工業碳達峰的路線及趨勢，提出鋼鐵工業低碳轉型路徑，為實現鋼鐵工業綠色低碳、可持續發展提供重要依據。
1 鋼鐵工業碳排放現狀及面臨的挑戰
中國鋼鐵工業的典型特點：一是以高爐-轉爐生產流程為主的生產模式，2020年由該流程生產的粗鋼產量占全國總產量的91.01%（圖1）；二是以煤為主的能源結構，鋼鐵工業的能源消耗占全國能源消耗總量的16%，其中，煤炭占鋼鐵工業能源消耗比例高達70%，是碳排放量的主要來源。以鐵礦石為原料生產的轉爐鋼每噸排放CO2約2.0 t，其中鐵前工序CO2排放占整個流程的87%以上（圖2），而以廢鋼為原料的電爐鋼每噸排放CO2約0.35~0.50 t，因此增加廢鋼回收，降低鐵鋼比，能夠大幅降低鋼鐵工業CO2排放量。面對氣候變化、碳達峰、碳中和目標給鋼鐵工業可持續發展帶來的新壓力，中國鋼鐵工業必須要走一條低碳綠色發展之路。
當前，鋼鐵的低碳化生產有兩大方向：一是改變生產方式，推廣以氫冶金為代表的低碳技術生產工藝；二是改變鋼鐵生產的原料結構，提高廢鋼比，發揮短流程工藝的低碳綠色優勢。中國短期內不具備大范圍推廣氫冶金的可能性，因此根據中國資源條件，應盡快改變國內鋼鐵工業的原料結構，實現鋼鐵工業的節能、低碳、綠色發展。
2 中國鋼鐵工業碳達峰路線及趨勢分析
鋼鐵工業作為碳排放量最多的行業之一，其節能減排問題一直是學者們研究的熱點和焦點問題。目前對碳排放達峰問題的研究大都針對的是中國整體工業部門，而針對鋼鐵工業碳排放達峰的研究和報道較少。特別是中國政府提出2030年碳排放達峰的目標之后，圍繞中國鋼鐵工業碳排放的峰值問題展開研究是非常有必要的。作為中國經濟發展重要支撐產業和碳排放重點行業，鋼鐵工業應站在高質量發展的高度，加大應對碳減排共識的低碳發展研究，實現高質量發展。
2.1 中國鋼鐵工業碳達峰路線圖
在前期研究中，自下而上地分析了鋼產量、電爐鋼比例、電爐吃鐵水比和節能減排技術應用等因素對中國鋼鐵工業能源消耗和碳排放的貢獻程度。研究表明，鋼產量是影響碳達峰的主要因素，節能減排技術和生產結構調整因素將在不同時間和區域對中國鋼鐵工業節能減排產生重要影響。
2.1.1 鋼產量數據
諸多學者就中國粗鋼產量的達峰時間和峰值進行了研究，盡管大部分學者認為中國鋼產量將在2030年前達到峰值，但針對具體何時鋼產量能夠達峰的科學性和合理性尚存在比較大的爭議。本文參考兩種鋼產量預測結果，一種是來自某文獻的數據，顯示中國鋼產量將在2030年后達峰；另一種數據來自本課題組前期的研究，即鋼產量在2020年達到峰值。引入兩種鋼產量的預測數據目的是為比較鋼產量因素對中國鋼鐵工業碳達峰的影響。
2.1.2 情景設置及結果分析
為了更好地分析鋼鐵工業碳減排潛力及碳達峰路徑，本文將設置4個情景：基準情景（reference scenario，REF），代表鋼鐵生產的技術水平和生產結構保持不變；生產結構調整情景（adjustment of production structure scenario，APS），代表生產結構調整而技術水平保持不變；能源技術升級情景（energy technology upgrading scenario，ETA），代表技術水平提高而生產結構不變；綜合情景（integrated scenario，INT），代表生產技術水平提高且生產結構也調整情景。
低碳技術的應用是鋼鐵工業實現碳減排的重要手段，根據國家發改委發布的節能低碳技術目錄和前人的研究，選取已商業化的37項技術作為本文計算對象展開。
2.1.3 結果分析
圖3所示為不同鋼產量達峰情景下的中國鋼鐵工業CO2排放變化趨勢。若使用2020年鋼產量達峰的數據進行預測，REF、ETA、APS、INT這4個情景的碳排放都呈現先增后減的趨勢并都將在2020年達到峰值。若使用2030年后鋼產量達峰的數據進行預測，REF情景的碳排放將一直呈現增長的趨勢，而ETA、APS、INT其他3個情景都呈現先增后減的趨勢并將在2025年達到峰值。通過使用2種不同達峰時間的鋼產量數據進行預測，得到的碳排放結果存在明顯差異。2種REF情景下，因為使用的鋼產量數據不同，碳排放的達峰時間出現了明顯的差異，鋼產量2030年后達峰將導致鋼鐵工業碳排放在2030年后達峰，而鋼產量2020年達峰將會使鋼鐵工業碳排放在2020年達峰并且峰值顯著降低，這說明粗鋼產量是影響鋼鐵工業碳排放的決定性因素。2030年達峰情景下，ETA、APS、INT這3個情景在2025年后是呈現下降趨勢的，這是因為在這3個情景中考慮了節能減排技術普及和生產結構調整等碳減排影響因素，這也說明節能減排技術和生產結構是鋼鐵工業未來節能減排發展的重要影響因素。
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