韩国钢铁业碳减排路径：用液化天然气取代重油，推进生产方式转变

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1 韩国钢铁行业碳减排路径

2019年10月22日，韩国政府发布第二份应对气候变化基本计划——《国家温室气体减排路线图2030》，提出到2030年将温室气体排放量降至5.36亿吨，较2017年的7.091亿吨减少24.4%，以实现“可持续、低碳、绿色社会”的目标。

作为韩国碳减排重点领域，钢铁行业主要采取的举措包括：逐步用液化天然气替代重油、加快现有设备升级改造和以氢还原炼铁技术为代表的新工艺研发与推广，不断推进生产方式转变和产业结构调整。

目前，韩国钢铁业正积极开发利用氢气还原冶炼的创新技术。自2004年以来，欧美日等发达国家和地区持续发展低碳技术，技术理念也由现有的“碳还原”逐步转变为“氢气还原”。2017年，韩国钢铁业开始研究氢气还原冶炼技术，并作为国家核心产业技术加紧研发。其中，“利用高炉副产煤气制备氢气”和“利用替代铁原料在电炉炼钢”两项关键技术作为政府项目进行研究。

韩国氢还原冶炼技术研发计划为2017年至2020年进行实验室开发，2024年前进入中试阶段，2024年至2030年完成商业应用初步研究，2030年后开发出经济可行的应用型技术并投入商业应用。该技术预计可减少CO2排放量高达15%。

此项技术开发项目由韩国金属材料研究协会（KOMERA，韩国钢铁协会研究开发局）负责管理，浦项钢铁公司（以下简称：浦项钢铁）、现代制铁公司、SAC环境热技术株式会社、韩国能源技术研究院（KIER）、浦项产业技术研究院（RIST）等22家相关产学研机构及企业参与。COOLSTAR项目是该项目的核心技术项目。为削减钢铁行业的CO2排放，该项目计划在高炉（第一部分，浦项钢铁，预计投资额415亿韩元）、副产气重整精炼（第二部分，SAC，预计投资额290亿韩元）、电炉（第三部分，现代制铁，预计投资额180亿韩元）三大领域开展技术开发。 其中，第一部分关键技术为氢气应用技术，第二部分关键技术为氢气制备技术、副产气精整分离技术，第三部分关键技术为氢气直接还原铁（DRI）制备技术、DRI电炉利用技术、转炉大规模废钢利用技术等。项目实施时间为2017年12月至2024年11月，最终目标是在保证产品质量和稳定生产的同时，实现高效、环保的钢铁冶炼。

韩国产学研各领域专家认为，氢还原冶炼技术发展的前提是氢气的低成本、规模化生产，而这一难题在全球范围内尚未得到突破。另外，该项目涵盖多种技术，从研发到实际应用，仍存在诸多问题和潜在风险亟待解决，存在很大的不确定性，一旦该技术成功研发并应用，将对韩国产业结构产生巨大影响。在欧盟，钢铁行业在经历成熟期后进入衰退期，因此在引进氢还原冶炼技术时，作为落后设备的更新换代恰到好处。但在韩国，属于以大型设备出口为主的产业结构，钢铁行业结构若发生变化，将对韩国产业发展产生影响。有专业人士认为，减排路线图的各项减排指标能否被相关产业接受，也是一大难题。 事实上，关于2030年温室气体减排目标，韩国产业部也已意识到问题的现实性，公开表示政府将根据项目的成败调整2030年减排目标，并加强与相关产业的沟通协商。

2 POSCO 的碳减排路径

2.1 生产经营情况

浦项制铁被认为是全球最具竞争力的钢铁企业之一。2020年，受新冠疫情影响，浦项制铁生产经营同比下滑，粗钢产量同比下降207.2万吨至3593.4万吨；成品钢产量同比下降146.1万吨至3443.7万吨；开工率同比下降1.4个百分点至88.3%。2020年，浦项制铁销售额26.51万亿韩元，同比下降12.7%；营业利润1.14万亿韩元，同比下降56.1%；营业利润率为4.3%，同比下降4.2个百分点；净利润9659亿韩元，同比下降17.8%。

2.2 碳排放

浦项主要采用高炉—转炉长流程生产技术。在节能减排方面，浦项炼焦工艺采用干熄焦、煤调湿技术；烧结工艺采用烧结余热回收；高炉工艺采用TRT、喷煤技术；转炉工艺采用转炉煤气热量回收、炉底搅拌、缩短铁水等待时间等技术；热轧工艺采用废气热量回收、热轧、加热炉热量回收技术；冷轧工艺采用低温酸洗技术等。

作为一家钢铁集团，浦项高炉煤粉燃烧产生的直接和间接二氧化碳排放量占其排放量的很大一部分。浦项在计算温室气​​体排放量时，包括浦项和光阳工厂生产过程中的排放（范围 1&2），以及价值链中的间接排放，即原材料运输、员工社交和商务旅行以及上游租赁资产（范围 3）。2019 年浦项生产过程的物质投入产出和二氧化碳排放量见表 1。

2.3 气候政策的影响

全球气候变化政策对浦项制铁生产经营的影响可谓风险与机遇并存。

2.3.1 风险

这些风险主要包括政策法规、市场技术、企业声誉、自然环境变化等带来的风险。

政策法规风险主要包括碳交易、碳关税、碳价等。第一是碳交易机制，虽然钢铁企业通过现行韩国排放交易体系（K-ETS）免费获得大部分排放配额，但未来免费配额份额可能下降，同时排放配额价格可能上升。第二是碳关税，国际碳关税政策，如引入碳边境调节机制、征收碳边境税等，将对企业财务状况产生重大影响。第三是碳价，全球气候政策趋严、碳排放监管趋严，将可能导致全球碳价上涨，这也将给企业带来财务风险。

市场与技术风险主要体现在对低碳产品的需求和突破性技术方面。首先，低碳钢需求不断增长。未来几十年，随着低碳循环经济的发展，降低碳强度和提高可回收性将是材料市场的核心内容。越来越多的跨行业企业将要求供应商在整个价值链上减少碳足迹。其次，突破性技术面临挑战。低碳炼钢技术的部署需要按时、以可控的成本完成，以支撑整个行业的低碳转型，保持其在全球钢铁市场的领导地位。然而，钢铁行业的脱碳可能面临潜在的技术、金融和监管挑战。虽然低碳炼钢涉及大规模的技术创新和运营变革，需要大量且长期的投入，但其规模化和商业化也依赖于外部因素，如可靠的清洁能源系统的应用。

技术创新对于确保企业满足日益增长的低碳钢市场需求、实现可持续发展以及在未来低碳世界中保持市场领导地位至关重要。资金压力可能不仅来自于推出低碳炼钢技术本身所需的资金增加，还来自于由于清洁能源系统（包括可再生能源和氢能）成本相对较高而导致的运营成本增加。不过，浦项在技术创新方面的经验，例如FINEX的商业化，以及与韩国政府绿色新政相符的清洁能源系统的成熟度，使得浦项很有可能成功改变钢铁生产方式。此外，由于氢基还原技术的一些核心技术已经在FINEX工艺的示范阶段进行了研究，这将使浦项在开发和部署低碳炼钢技术方面具有一定的优势。

声誉风险主要指浦项需要向世界展示其对气候的责任。任何利益相关者都希望气候信息披露透明。因此，浦项在气候方面的表现将影响其声誉，进而影响其社会经营许可、对人才的吸引力、市场份额，甚至资本成本。浦项积极管理声誉风险，自 2010 年以来一直向碳排放披露项目 (CDP) 公开报告其气候表现。

自然风险主要指极端天气事件发生频率增加的可能性。预计降水模式将发生变化，台风、暴雨等极端天气发生频率可能​​增加，对码头、堆场、钢铁生产、原材料采购等运营产生影响。此外，如果发生严重缺水，可能导致用水成本增加，甚至有运营中断的风险。

2.3.2 机遇

机遇主要在于促使企业转变生产经营方式，提高技术创新水平，生产高性能产品，提高材料利用效率。

在产品和服务方面，向低碳、净零排放社会转型过程中的经济和人口增长将导致未来几十年对钢铁的需求持续增长。此外，净零排放能源系统所需的许多技术设备都需要大量钢铁，例如交通电气化、可再生能源和碳捕获、利用和储存（CCUS）。

在材料效率方面，低碳转型也意味着产品生命周期（包括生产、使用和报废）中的温室气体排放将成为产品设计和材料采购中越来越重要的因素，尤其是在汽车和建筑领域。钢材的可回收性以及轻量化带来的节能减排效应使其在生命周期角度具有优势。

浦项致力于生产和推广这种高效钢材，并制定了向净零排放炼钢转型的战略，同时准备满足客户对低碳钢的需求。为此，开发和应用突破性技术以大幅减少钢铁生产过程中的二氧化碳排放至关重要。从循环经济的角度看，随着废钢回收率的提高和分选方法的改进，废钢的利用率将提高，这将鼓励以废钢为基础的二次钢铁生产。

总体来看，钢铁生产和消费格局的预期变化，对于企业发展来说，既是风险，也是机遇。

2.4 POSCO 碳减排路径

2.4.1 目标

韩国政府提出2050年或更早实现碳中和。浦项将实现碳中和的目标分为短期、中期和长期目标。短期目标是到2030年减少CO2排放量20%；中期目标是到2040年减少CO2排放量50%；长期目标是到2050年实现碳中和，基准是浦项2017年至2019年的平均CO2排放量（7880万吨）。

为实现上述目标，浦项制铁采取措施，以可持续的方式生产和销售优质钢材，充分利用日益增长的绿色钢铁需求，确保在低碳未来的竞争优势。

从举措顺序来看，浦项制铁实现碳中和的路线图为智能化、部分氢气还原、废钢（低铁水比）、CCUS、氢能基钢生产工艺（图1）。

2.4.2 碳减排路径

浦项的碳减排路径可以概括为绿色工艺、绿色产品和绿色伙伴关系三个方面。绿色工艺包括通过智能化节能增效、增加废钢利用率、开发CCUS、氢能炼钢等创新技术等。绿色产品侧重于开发和设计环保产品，如轻质高强钢和高效电工钢，以支持终端用户向电动汽车、风力发电等低碳业务转型。绿色伙伴关系侧重于国内外合作，制定合理的碳政策和企业举措，推动钢铁行业低碳转型。

1）绿色技术

绿色技术就是在钢铁生产过程中不断采用创新的脱碳技术，从现有钢铁制造工艺实施二氧化碳减排，逐步过渡到氢能炼钢工艺。第一阶段主要是通过在生产过程中采用智能化手段提高效率，如利用人工智能技术提高能源利用效率、优化原料结构等。第二阶段主要是发展过渡技术，如更多地利用可回收利用的废钢、部分应用氢气还原、扩大CCUS技术的应用等。第三阶段是碳中和阶段，实现氢能炼钢工艺技术的商业化应用，通过使用绿色氢能和可再生能源实现碳中和。

第一阶段：从“渐进式碳减排”到“革命性碳中和”

POSCO近期制定了“碳中和转型路线图”，将“渐进式碳减排”与“革命性碳中和”相结合，实现各种低碳炼钢工艺技术的商业化应用。短期内，将主要通过优化原材料和合理化操作，利用智能技术提高生产率和能源效率。POSCO正在利用人工智能和大数据等技术，构建智能工厂平台PosFrame，推动数字化转型，推动智能钢厂实时设定最佳工艺条件和控制生产过程。数字化是POSCO短期目标的核心，智能化操作将有助于最大限度地减少煤炭消耗，减少碳排放。除了智能化，POSCO还计划对设施进行现代化和合理化，以提高能源效率，包括废气和废热的再利用、使用干熄焦技术、提高发电效率等。这些减排措施预计将减少约10%的CO2排放量（与基线期相比），同时最大限度地减少成本增加的负担。

第二阶段：应用“桥梁技术”实现更大幅度的减排

为进一步减少碳排放，浦项钢铁计划在未来10-15年内开发和整合一系列创新工艺技术，即“桥梁技术”，包括增加高炉和转炉中废钢的使用，以及在现有高炉工艺中部分使用富氢废气作为还原剂。此外，浦项钢铁还计划扩大CCUS技术的研发和应用，并将其整合到工艺中，帮助其过渡到碳中和炼钢路线。

更多地利用废钢：浦项制铁正在开发独特的技术，使其能够在保持较长的工艺生产路线的同时最大限度地利用废钢。该技术有可能将转炉中的铁金属比降低至70%，从而减少铁产量，最终减少二氧化碳排放。浦项制铁还在探索更多地使用电弧炉炼钢的可能性。目前，浦项制铁正在研究100吨转炉的低铁金属比工艺技术，并正在努力扩大规模，研究300吨转炉的低铁金属比技术。浦项制铁认为，低铁金属比工艺技术的商业化可能需要大约十年时间，预计将实现近10%的碳减排。此外，在炼铁过程中使用废钢的过程预计将减少5%以上的碳排放。

CCUS：在FINEX工艺中，浦项制铁采用了碳捕获设备，纯度达到75%，产能达到每小时10万立方米。浦项制铁目前在生产过程中重新利用捕获的碳，并计划在未来十年扩大规模。此外，它正在研究将捕获的碳用作化学产品或其他替代燃料原料的几种方法，并在探索二氧化碳储存技术的可行性，前提是建立安全、低成本的储存设施。

部分部署氢气还原技术：关键技术之一是将富含氢气的焦炉煤气（COG）和FINEX废气（FOG）注入高炉或FINEX炉。除了COG和FOG之外，浦项还计划在炼铁过程中使用重整天然气获得的氢气或绿色氢气作为还原剂。这样，炼铁过程中的CO2排放量可减少近10％。

第三阶段：实现氢能炼钢技术，实现碳中和

HyREX工艺：浦项正在开发的HyREX工艺是一种无碳氢直接还原炼铁工艺（图2），该工艺正在FINEX工艺上进行测试，目标是在10-20年内完成工业规模开发，并逐步转变为以氢为基础的DRI-电弧炉（EAF）路线。与欧洲的DRI制造技术以高品位球团为原料不同，浦项的HyREX可以直接使用铁矿石粉末生产还原铁。一旦绿色氢气成熟并可用，它将与HyREX相结合，以可持续的方式生产钢铁，将使用绿色氢气生产的DRI与使用可再生能源的EAF相结合，实现碳中和。

然而，这种碳中和转型需要精心设计的国家能源政策，能够提供具有成本效益的绿色氢能和充足的可再生能源。韩国政府正通过绿色新政加速向低碳经济转型，预计未来几十年将建立绿色氢能生态系统。

2）绿色产品

加大低碳钢等材料生产。浦项低碳钢的发展方向是扩大高性能钢材生产，特别是轻量化、节能型产品。扩大世界顶级优质（WTP）产品的产销，如高强度钢（GIGA钢）、高效钢（Hyper-NO）、高耐腐蚀钢（PosMAC）等。全力支持电动汽车、可再生能源、生态船舶（液化天然气船，LNG）等下游产业向低碳转型所需的钢材。

除了钢铁以外，浦项制铁还开发和生产二次电池材料，目标是建立包括锂、正极材料和负极材料在内的完整供应体系。

POSCO的理念是帮助客户向低碳转型，除了为客户提供更多低碳产品外，还为客户提供各种先进解决方案，使客户能够在整个价值链中减少碳足迹。在与客户共同开发产品和工艺技术的同时，加强对客户和员工的推广支持和培训。这将有助于客户探索新的商业机会和低碳转型，同时也有助于增加POSCO绿色产品的销量，促进绿色产业的发展，从而形成良性循环。

汽车领域：预计汽车行业对轻量化、耐用和节能材料的需求将不断增长。钢铁是发展绿色交通工具的关键材料，包括电动汽车和燃料电池汽车，需要先进高强度钢和电工钢等各种高性能钢材。浦项提供的无取向电工钢（Hyper NO）用于制造电机，可提高电机效率，增加电动汽车的续驶里程。其开发的“Giga Steel”可用于生产车身、底盘和电池组，以减轻汽车重量。与铝和碳纤维增强塑料（CFRP）等竞争材料相比，它具有经济、耐用、可回收和重量更轻的优势。

能源领域：全球能源转型已成为各国政府重点关注的重点问题之一。太阳能和风能市场的持续增长为钢铁行业带来机遇，该领域对优质钢材的需求预计将增长。浦项开发了PosMAC高耐腐蚀钢等产品，并为风电项目提供从设计到材料选择的解决方案。

造船：面对建造LNG燃料船舶等航运业的新环保要求，POSCO为客户提供材料和应用技术选择，并计划在未来几年在这方面取得进一步进展。

其他材料：浦项制铁为新增长提供关键材料。为满足交通运输和能源系统的电气化，浦项制铁的目标是发展电池材料——锂、负极和阳极材料，到2030年，锂年产能达到22万吨，正极材料年产能达到40万吨，阳极材料年产能达到26万吨。

此外，浦项将钢渣制成珊瑚礁，并命名为TRITON。与天然岩石相比，TRITON含有大量有利于藻类生长的铁、钙等矿物质，可快速修复白化事件破坏海域的海洋生态系统。根据海藻和海底沉积物通过光合作用吸收的CO2，估计每公顷TRITON海洋森林可储存约3-16吨碳，产生的碳汇效应与陆地森林相当。浦项计划利用钢渣开发新型人工礁，助力修复海洋生态系统。

3）绿色伙伴关系

浦项制铁积极提升气候行动透明度，与利益相关方沟通并加强合作，推动低碳产业生态系统的建立。此外，浦项制铁还与国内外企业合作开发氢能、CCUS等创新技术，以便价值链上的客户和供应商建立长期合作关系，共同开展碳减排项目。

3 结论

浦项设定碳减排目标，提出低碳发展路径与举措，将气候变化纳入集团战略规划与风险管理，确保业务架构适应气候变化，应对低碳未来。总体来看，浦项所采取的一系列举措，从现有工艺设备条件下提高生产效率，到通过技术创新开发无碳氢气直接还原炼铁技术，从开发低碳钢到满足下游需求的锂等新材料，都需要从产业链角度进行系统规划，与产业链各方共同行动，共同实现低碳未来。