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，而鋼鐵行業因為高額的能源消耗量占比和碳排放總量而備受關注。電爐短流程煉鋼是目前學界較為看好的鋼鐵行業低碳發展技術，本文通過對其生產特點進行評價分析，來綜合判斷其在當下雙碳目標的實現中是否具有足夠的優越性。通過我們的調研分析發現，電爐短流程已逐漸克服其原本生產成本高、冶煉強度低、成材類型局限的劣勢，并因為本身能源結構清潔、原料分布均勻、加強廢鋼資源資源利用的優點，而具有較大的減碳潛力與應用價值。

關鍵詞：電爐短流程  鋼鐵行業  雙碳

0 引言

鋼鐵工業（ISI）作為國民經濟支柱產業，在過去的30年里經歷了急速的增長，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量最高的國家。我國鋼鐵行業碳排放的比重也從11.29%上升到18.78% ，成為了除電力行業之外的最大碳排放主體^[1]，如圖1。

圖 1 1990-2019年中國粗鋼產量及其占全球鋼鐵產量的比重、

中國鋼鐵行業CO₂排放量占總碳排放量的比例^[2]

雖然鋼鐵行業因為自身生產工藝的復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部不斷完善的核算機制都在預示著其不再遙遠的落地。由于鋼鐵行業產量高、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、碳中和目標的實現具有重要意義。

1 減碳驅動力分析

基于目前減碳技術的發展和減碳路徑的探索現狀，我們認為未來鋼鐵行業碳排放總量削減的主要驅動力有以下六種：粗鋼產量變化、廢鋼利用、能效水平提升、外購電力清潔化、氫能冶煉以及CCUS技術的應用。

有學者以2020為基準年，在多種方法模擬的產量變化情景下對于這六種減碳驅動因素進行了研究分析，發現粗鋼產量是決定我國鋼鐵行業碳排放能否快速達峰的關鍵，而加大廢鋼資源利用、外購電力清潔化以及提升系統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碳排放的重要途徑。在該研究設定的排放控制情景下，到2025年，上述3類措施對行業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CO,減排效果的動態評估

類似的分析研究還有上官方欽等構建的情景分析模型，其結論指出在鋼鐵行業實現碳達峰與碳中和的過程中，粗鋼產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%，氫還原技術約占9%，節能、“界面”技術、智能化等因素約占7%，如圖3。^[4]

圖3 中國鋼鐵行業低碳發展路線圖設想

雖然兩項研究所使用的減碳驅動因素有一定差別，但都指出了廢鋼資源利用對鋼鐵行業降碳的重要性^[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的低碳排放冶煉技術，我國電爐短流程煉鋼技術真正意義上是從20世紀90年代開始發展的，1993年電爐鋼產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成本高、產能低、生產類型局限，而無法適應后來的生產需要，因此其逐漸被長流程高爐-轉爐冶煉技術淘汰掉了。但是經過30年的發展變化，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下的發展趨勢。

2.1原有劣勢在當前背景下的變化

①電爐的生產成本較高^[7]。電爐煉鋼的主要成本來自于生產原料（廢鋼）和能源消耗（電力）^[8]，因我國早些年電力供應不足、工業用電價格高昂以及廢鋼供不應求，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廢鋼供需情況及煉鋼原料價格統計分析后，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，這是唐山地區的實景計算數據，如表1。

表1長流程與短流程生產成本對比

而根據Mysteel的研究報告，近些年在宏觀層面上，兩項技術之間的價格差距在穩步縮減，截止2021年的數據顯示，長流程冶煉對于短流程的價格優勢已縮減到100元/噸，如圖4。同時，根據中國廢鋼鐵應用協會統計，2018年全國廢鋼鐵資源產生總量為2.2億噸，同比增加2000多萬噸，增幅10%。預計2025年我國鋼鐵蓄積量將持續增長^[12]，達到120億噸，廢鋼資源年產出量將達到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化為其優勢所在。

圖 4 短流程與長流程成本對比(元/噸)

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

據研究，我國長流程企業噸鋼碳排放量約為1.8tCO₂eq，而全廢鋼電爐煉鋼企業的噸鋼碳排放量僅為0.36tCO₂eq^[14]。但是因為我國目前傳統高爐-轉爐工藝為主的生產現狀以及廢鋼成本較高的原因，一般鋼鐵企業會更傾向于兌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，結合上述計算的生產工藝碳排放結果，不同技術單位產能間的價格差異在國內會有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能將不再會在市場中占據多少的優勢，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，產能和產量之間已經沒有碳排放強度和產量的相關性強了，碳排放量超標帶來的履約問題才會是未來制約鋼鐵生產的瓶頸。

③原料質量不穩定、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定，難以生產特種鋼材。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高爐-轉爐的化學反應產熱有限的特點而可以加入更多的合金進行冶煉，從而可以生產高合金含量的鋼材一樣，因為其應用廢鋼作為原料所以無法像高爐-轉爐一樣生產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成熟投產前、鋼鐵行業納入碳交易后的這段時間內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品特點^[17]。此外，根據各地鋼鐵產能置換公示公告，2021-2022年全國擬建電爐產能中，優特鋼產能占比18%，普鋼產能占比80%以上（如圖5），因此這方面的局限性不會產生多大的負面影響。

圖 5 近年我國電爐鋼產量與優特鋼產量(萬噸，%)

2.2  原有優勢在當前背景下的變化

①能源結構優化。目前鋼鐵行業的能源結構是以煤炭為主的，這種用能結構與焦炭本身的性質和傳統冶煉方法之間的高匹配度是息息相關，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，因為它可以通過多種能源轉換而來，一些單位時間強度不高、供應不穩定的可再生清潔能源也可以借助電能轉化的途徑來發揮作用。因此我們可以認為，只要用于發電的可再生能源技術中，有一種取得了突破，可以擴大電力供應規模的話，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，而且當氫能技術初步突破了應用方面的難關之后，不排除其會被大規模應用到可再生能源發電中去，因為可控穩定的清潔能源會更受到發電行業的歡迎，并且發電技術的門檻要低于鋼鐵冶煉。因此我們認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，在生態環境部辦公廳最新發布的關于公開征求《企業溫室氣體排放核算方法與報告指南 發電設施(2021年修訂版)》 (征求意見稿) 中，全國電網平均排放因子調整為最新的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%。同時以地區情況舉例，2022年2月11日，上海市生態環境局發布《關于調整本市溫室氣體排放核算指南相關排放因子數值的通知》，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下調到0.06tCO₂/GJ，也可以看出目前清潔能源發電項目突飛猛進的發展。

圖6描繪了2020年電力行業燃煤發電和非煤發電的碳減排貢獻。在各省份中，非煤發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。外購或者自發的清潔能源電力或許真的會成為各個高能耗重點行業借助能源結構轉型達成雙碳目標的另一途徑。

圖 6 2020年電力行業燃煤發電和非煤發電的碳減排貢獻

②加強區域平衡，減少運輸成本。以廢鋼作為原料的短流程電爐冶煉工藝，不會像當下的傳統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。根據世界鋼鐵協會發布的《世界鋼鐵統計數據2023》的內容，我國在2022年的粗鋼產量有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。數據表明，我國鋼鐵行業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的成本、碳排放以及國家戰略資源安全問題，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。上文已經提到，廢鋼資源的利用對于未來鋼鐵行業碳排放的減少有著相當關鍵的促進作用，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”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品的碳排放強度，只是因為長流程的化學產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同等質量鐵水的成本，所以長流程冶煉為主的行業背景下很難提高廢鋼資源的利用率。如果電爐冶煉成規模化，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]，提高整個行業的碳減排效果。

3  結語

根據中鋼協組織的裝備調研情況，截至2022年底，全國具有電爐冶煉能力的鋼鐵企業約220家，電爐數量約370座，電爐鋼總產能約1.9億噸。可以看出，電爐目前的實際應用情況已經初顯成效了，伴隨著國家目前出臺的雙碳政策，如《鋼鐵工業“十二五"發展規劃》《鋼鐵工業調整升級規劃 (2016-2020年)》《關于促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》《“十四五"原材料工業發展規劃》等對于短流程煉鋼技術的支持鼓勵，相信電爐短流程煉鋼技術一定會在未來的減碳實現中作出卓越的貢獻。

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