中国钢铁工业碳达峰及低碳转型路径
发布时间：2021-09-08
来源：河北天创管业有限公司
摘要：2020年中国宣布将提高国家自主贡献力度，二氧化碳排放力争在2030年前达峰。钢铁工业作为典型的资源、能源密集型行业，是率先落实碳达峰的重要行业。本文分析了钢产量、生产结构、节能减排技术和碳税等因素对中国钢铁工业碳排放的影响程度。研究表明，不同的钢产量达峰时间将对钢铁工业的碳达峰产生不同影响，技术和生产结构因素也将对中国钢铁工业产生重要影响。地方区域是落实国家碳达峰任务的责任主体，对京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原和两广地区4个具有不同钢铁生产特点的重点区域碳排放进行研究，并分析了区域达峰方案。加快调整产业结构、推广低碳技术、改变能源结构、推进产业间耦合和加强碳资产管理等方面制定钢铁工业低碳转型路径，对实现中国钢铁工业碳排放早日达峰和碳中和有重要意义。
关键词：钢铁工业;钢产量;碳达峰;低碳转型;重点区域
2020年，习近平总书记在第75届联合国大会一般性辩论上宣布中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的措施，二氧化碳排放力争在2030年前达峰，努力争取2060年实现碳中和。这充分体现了中国应对气候变化的力度，彰显了中国积极应对气候变化、走绿色低碳发展道路的坚定决心。
钢铁工业是典型的资源、能源密集型行业，也是实现绿色低碳发展的关键性领域。2020年，中国粗钢产量突破10亿t大关，达到10.65亿t，占全球粗钢产量的56.76%。中国钢铁工业碳排放占全国碳排放总量的15%，在国内所有工业行业中位居首位。随着全国碳排放权交易管理办法的实施，钢铁工业将面临巨大任务和挑战。绿色低碳是中国钢铁工业实现转型升级高质量发展的关键，是提高行业竞争力的重要引擎。钢铁工业实现低碳转型发展是落实中国生态文明建设目标的主要途径，也是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑。
联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告显示，要实现1.5 ℃目标，则到2050年全球将要实现碳中和；而若要实现2 ℃目标则到2070年应实现碳中和。目前发达国家均选择了2050年作为时间节点，而中国在尚未达到碳排放高峰的情况下做出了2060年前达到碳中和的政治承诺。截至目前，全球已有一百多个国家承诺2050年实现碳中和，其中欧盟2019年年底发布了《欧洲绿色新政》并承诺于2050年前实现碳中和。2020年6月，美国众议院发布的《气候危机行动计划》报告也表示要将应对气候变化作为国家的首要任务，要实现2050年温室气体排放比2010年减少88%和CO2净零排放的目标。
中国始终高度关注气候变化问题，坚持绿色、循环、低碳的发展理念，钢铁工业作为高排放行业之一，其节能减排研究工作也得到了国内学者们的广泛关注。袁晓玲等研究了中国工业部门碳排放峰值预测及减排潜力，指出在低碳情境下各行业均能在2030年前达峰，而在高耗能情境下在2040年前后才能达峰。张琦等采用动态物质流分析方法构建了钢需求量和废钢回收量预测模型，并基于重点节能减排技术，分析了中国钢铁工业节能减排潜力和能效提升途径。Elzen M D等研究了中国工业到2030年的碳排放水平，研究表明，当前政策不足以在2030年实现碳达峰，而如果改善政策措施将实现2030年碳达峰。李新创等从降低需求、能效提升、创新工艺3个方面剖析了全球温控目标下中国钢铁工业低碳转型路径。王国栋、储满生从低碳减排角度讨论了绿色钢铁冶金技术。这些研究对中国钢铁工业绿色低碳转型发展提供了理论、技术支撑，对碳达峰目标实现有重要参考。
当前现有的研究工作为钢铁工业的节能减排做出了卓越贡献，但是仍然存在一些需要解决的问题。尽管工业部门对全球温室气体排放影响巨大，但对工业部门的碳达峰给予具体的路径指导的研究很少，特别是对钢铁工业如何基于碳达峰等特定目标给予指导的研究更少。因此，本文结合目前中国钢铁工业碳排放现状及面临的挑战，分析中国钢铁工业碳达峰的路线及趋势，提出钢铁工业低碳转型路径，为实现钢铁工业绿色低碳、可持续发展提供重要依据。
1 钢铁工业碳排放现状及面临的挑战
中国钢铁工业的典型特点：一是以高炉-转炉生产流程为主的生产模式，2020年由该流程生产的粗钢产量占全国总产量的91.01%（图1）；二是以煤为主的能源结构，钢铁工业的能源消耗占全国能源消耗总量的16%，其中，煤炭占钢铁工业能源消耗比例高达70%，是碳排放量的主要来源。以铁矿石为原料生产的转炉钢每吨排放CO2约2.0 t，其中铁前工序CO2排放占整个流程的87%以上（图2），而以废钢为原料的电炉钢每吨排放CO2约0.35~0.50 t，因此增加废钢回收，降低铁钢比，能够大幅降低钢铁工业CO2排放量。面对气候变化、碳达峰、碳中和目标给钢铁工业可持续发展带来的新压力，中国钢铁工业必须要走一条低碳绿色发展之路。
当前，钢铁的低碳化生产有两大方向：一是改变生产方式，推广以氢冶金为代表的低碳技术生产工艺；二是改变钢铁生产的原料结构，提高废钢比，发挥短流程工艺的低碳绿色优势。中国短期内不具备大范围推广氢冶金的可能性，因此根据中国资源条件，应尽快改变国内钢铁工业的原料结构，实现钢铁工业的节能、低碳、绿色发展。
2 中国钢铁工业碳达峰路线及趋势分析
钢铁工业作为碳排放量最多的行业之一，其节能减排问题一直是学者们研究的热点和焦点问题。目前对碳排放达峰问题的研究大都针对的是中国整体工业部门，而针对钢铁工业碳排放达峰的研究和报道较少。特别是中国政府提出2030年碳排放达峰的目标之后，围绕中国钢铁工业碳排放的峰值问题展开研究是非常有必要的。作为中国经济发展重要支撑产业和碳排放重点行业，钢铁工业应站在高质量发展的高度，加大应对碳减排共识的低碳发展研究，实现高质量发展。
2.1 中国钢铁工业碳达峰路线图
在前期研究中，自下而上地分析了钢产量、电炉钢比例、电炉吃铁水比和节能减排技术应用等因素对中国钢铁工业能源消耗和碳排放的贡献程度。研究表明，钢产量是影响碳达峰的主要因素，节能减排技术和生产结构调整因素将在不同时间和区域对中国钢铁工业节能减排产生重要影响。
2.1.1 钢产量数据
诸多学者就中国粗钢产量的达峰时间和峰值进行了研究，尽管大部分学者认为中国钢产量将在2030年前达到峰值，但针对具体何时钢产量能够达峰的科学性和合理性尚存在比较大的争议。本文参考两种钢产量预测结果，一种是来自某文献的数据，显示中国钢产量将在2030年后达峰；另一种数据来自本课题组前期的研究，即钢产量在2020年达到峰值。引入两种钢产量的预测数据目的是为比较钢产量因素对中国钢铁工业碳达峰的影响。
2.1.2 情景设置及结果分析
为了更好地分析钢铁工业碳减排潜力及碳达峰路径，本文将设置4个情景：基准情景（reference scenario，REF），代表钢铁生产的技术水平和生产结构保持不变；生产结构调整情景（adjustment of production structure scenario，APS），代表生产结构调整而技术水平保持不变；能源技术升级情景（energy technology upgrading scenario，ETA），代表技术水平提高而生产结构不变；综合情景（integrated scenario，INT），代表生产技术水平提高且生产结构也调整情景。
低碳技术的应用是钢铁工业实现碳减排的重要手段，根据国家发改委发布的节能低碳技术目录和前人的研究，选取已商业化的37项技术作为本文计算对象展开。
2.1.3 结果分析
图3所示为不同钢产量达峰情景下的中国钢铁工业CO2排放变化趋势。若使用2020年钢产量达峰的数据进行预测，REF、ETA、APS、INT这4个情景的碳排放都呈现先增后减的趋势并都将在2020年达到峰值。若使用2030年后钢产量达峰的数据进行预测，REF情景的碳排放将一直呈现增长的趋势，而ETA、APS、INT其他3个情景都呈现先增后减的趋势并将在2025年达到峰值。通过使用2种不同达峰时间的钢产量数据进行预测，得到的碳排放结果存在明显差异。2种REF情景下，因为使用的钢产量数据不同，碳排放的达峰时间出现了明显的差异，钢产量2030年后达峰将导致钢铁工业碳排放在2030年后达峰，而钢产量2020年达峰将会使钢铁工业碳排放在2020年达峰并且峰值显著降低，这说明粗钢产量是影响钢铁工业碳排放的决定性因素。2030年达峰情景下，ETA、APS、INT这3个情景在2025年后是呈现下降趋势的，这是因为在这3个情景中考虑了节能减排技术普及和生产结构调整等碳减排影响因素，这也说明节能减排技术和生产结构是钢铁工业未来节能减排发展的重要影响因素。
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关键词：钢铁工业;钢产量;碳达峰;低碳转型;重点区域
2020年，习近平总书记在第75届联合国大会一般性辩论上宣布中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的措施，二氧化碳排放力争在2030年前达峰，努力争取2060年实现碳中和。这充分体现了中国应对气候变化的力度，彰显了中国积极应对气候变化、走绿色低碳发展道路的坚定决心。
钢铁工业是典型的资源、能源密集型行业，也是实现绿色低碳发展的关键性领域。2020年，中国粗钢产量突破10亿t大关，达到10.65亿t，占全球粗钢产量的56.76%。中国钢铁工业碳排放占全国碳排放总量的15%，在国内所有工业行业中位居首位。随着全国碳排放权交易管理办法的实施，钢铁工业将面临巨大任务和挑战。绿色低碳是中国钢铁工业实现转型升级高质量发展的关键，是提高行业竞争力的重要引擎。钢铁工业实现低碳转型发展是落实中国生态文明建设目标的主要途径，也是实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑。
联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告显示，要实现1.5 ℃目标，则到2050年全球将要实现碳中和；而若要实现2 ℃目标则到2070年应实现碳中和。目前发达国家均选择了2050年作为时间节点，而中国在尚未达到碳排放高峰的情况下做出了2060年前达到碳中和的政治承诺。截至目前，全球已有一百多个国家承诺2050年实现碳中和，其中欧盟2019年年底发布了《欧洲绿色新政》并承诺于2050年前实现碳中和。2020年6月，美国众议院发布的《气候危机行动计划》报告也表示要将应对气候变化作为国家的首要任务，要实现2050年温室气体排放比2010年减少88%和CO2净零排放的目标。
中国始终高度关注气候变化问题，坚持绿色、循环、低碳的发展理念，钢铁工业作为高排放行业之一，其节能减排研究工作也得到了国内学者们的广泛关注。袁晓玲等研究了中国工业部门碳排放峰值预测及减排潜力，指出在低碳情境下各行业均能在2030年前达峰，而在高耗能情境下在2040年前后才能达峰。张琦等采用动态物质流分析方法构建了钢需求量和废钢回收量预测模型，并基于重点节能减排技术，分析了中国钢铁工业节能减排潜力和能效提升途径。Elzen M D等研究了中国工业到2030年的碳排放水平，研究表明，当前政策不足以在2030年实现碳达峰，而如果改善政策措施将实现2030年碳达峰。李新创等从降低需求、能效提升、创新工艺3个方面剖析了全球温控目标下中国钢铁工业低碳转型路径。王国栋、储满生从低碳减排角度讨论了绿色钢铁冶金技术。这些研究对中国钢铁工业绿色低碳转型发展提供了理论、技术支撑，对碳达峰目标实现有重要参考。
当前现有的研究工作为钢铁工业的节能减排做出了卓越贡献，但是仍然存在一些需要解决的问题。尽管工业部门对全球温室气体排放影响巨大，但对工业部门的碳达峰给予具体的路径指导的研究很少，特别是对钢铁工业如何基于碳达峰等特定目标给予指导的研究更少。因此，本文结合目前中国钢铁工业碳排放现状及面临的挑战，分析中国钢铁工业碳达峰的路线及趋势，提出钢铁工业低碳转型路径，为实现钢铁工业绿色低碳、可持续发展提供重要依据。
1 钢铁工业碳排放现状及面临的挑战
中国钢铁工业的典型特点：一是以高炉-转炉生产流程为主的生产模式，2020年由该流程生产的粗钢产量占全国总产量的91.01%（图1）；二是以煤为主的能源结构，钢铁工业的能源消耗占全国能源消耗总量的16%，其中，煤炭占钢铁工业能源消耗比例高达70%，是碳排放量的主要来源。以铁矿石为原料生产的转炉钢每吨排放CO2约2.0 t，其中铁前工序CO2排放占整个流程的87%以上（图2），而以废钢为原料的电炉钢每吨排放CO2约0.35~0.50 t，因此增加废钢回收，降低铁钢比，能够大幅降低钢铁工业CO2排放量。面对气候变化、碳达峰、碳中和目标给钢铁工业可持续发展带来的新压力，中国钢铁工业必须要走一条低碳绿色发展之路。
当前，钢铁的低碳化生产有两大方向：一是改变生产方式，推广以氢冶金为代表的低碳技术生产工艺；二是改变钢铁生产的原料结构，提高废钢比，发挥短流程工艺的低碳绿色优势。中国短期内不具备大范围推广氢冶金的可能性，因此根据中国资源条件，应尽快改变国内钢铁工业的原料结构，实现钢铁工业的节能、低碳、绿色发展。
2 中国钢铁工业碳达峰路线及趋势分析
钢铁工业作为碳排放量最多的行业之一，其节能减排问题一直是学者们研究的热点和焦点问题。目前对碳排放达峰问题的研究大都针对的是中国整体工业部门，而针对钢铁工业碳排放达峰的研究和报道较少。特别是中国政府提出2030年碳排放达峰的目标之后，围绕中国钢铁工业碳排放的峰值问题展开研究是非常有必要的。作为中国经济发展重要支撑产业和碳排放重点行业，钢铁工业应站在高质量发展的高度，加大应对碳减排共识的低碳发展研究，实现高质量发展。
2.1 中国钢铁工业碳达峰路线图
在前期研究中，自下而上地分析了钢产量、电炉钢比例、电炉吃铁水比和节能减排技术应用等因素对中国钢铁工业能源消耗和碳排放的贡献程度。研究表明，钢产量是影响碳达峰的主要因素，节能减排技术和生产结构调整因素将在不同时间和区域对中国钢铁工业节能减排产生重要影响。
2.1.1 钢产量数据
诸多学者就中国粗钢产量的达峰时间和峰值进行了研究，尽管大部分学者认为中国钢产量将在2030年前达到峰值，但针对具体何时钢产量能够达峰的科学性和合理性尚存在比较大的争议。本文参考两种钢产量预测结果，一种是来自某文献的数据，显示中国钢产量将在2030年后达峰；另一种数据来自本课题组前期的研究，即钢产量在2020年达到峰值。引入两种钢产量的预测数据目的是为比较钢产量因素对中国钢铁工业碳达峰的影响。
2.1.2 情景设置及结果分析
为了更好地分析钢铁工业碳减排潜力及碳达峰路径，本文将设置4个情景：基准情景（reference scenario，REF），代表钢铁生产的技术水平和生产结构保持不变；生产结构调整情景（adjustment of production structure scenario，APS），代表生产结构调整而技术水平保持不变；能源技术升级情景（energy technology upgrading scenario，ETA），代表技术水平提高而生产结构不变；综合情景（integrated scenario，INT），代表生产技术水平提高且生产结构也调整情景。
低碳技术的应用是钢铁工业实现碳减排的重要手段，根据国家发改委发布的节能低碳技术目录和前人的研究，选取已商业化的37项技术作为本文计算对象展开。
2.1.3 结果分析
图3所示为不同钢产量达峰情景下的中国钢铁工业CO2排放变化趋势。若使用2020年钢产量达峰的数据进行预测，REF、ETA、APS、INT这4个情景的碳排放都呈现先增后减的趋势并都将在2020年达到峰值。若使用2030年后钢产量达峰的数据进行预测，REF情景的碳排放将一直呈现增长的趋势，而ETA、APS、INT其他3个情景都呈现先增后减的趋势并将在2025年达到峰值。通过使用2种不同达峰时间的钢产量数据进行预测，得到的碳排放结果存在明显差异。2种REF情景下，因为使用的钢产量数据不同，碳排放的达峰时间出现了明显的差异，钢产量2030年后达峰将导致钢铁工业碳排放在2030年后达峰，而钢产量2020年达峰将会使钢铁工业碳排放在2020年达峰并且峰值显著降低，这说明粗钢产量是影响钢铁工业碳排放的决定性因素。2030年达峰情景下，ETA、APS、INT这3个情景在2025年后是呈现下降趋势的，这是因为在这3个情景中考虑了节能减排技术普及和生产结构调整等碳减排影响因素，这也说明节能减排技术和生产结构是钢铁工业未来节能减排发展的重要影响因素。
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