钢铁行业绿色低碳发展：现状、技术路径与未来方向

摘要：钢铁行业是我国制造业中碳排放最大的行业，也是我国应对气候变化的重要领域之一。本文旨在阐述我国钢铁行业绿色低碳发展的现状、技术路径和未来发展方向。通过对钢铁行业碳排放、钢铁制造工序与碳排放关系、全球钢铁转型趋势的分析，预测我国钢铁行业面临的机遇与挑战并存。废钢回收及电炉技术、再电气化、氢能冶金、资源回收及副产品、碳捕获与利用是钢铁行业转型路径中的主要工艺类别，“能源结构优化”是未来的重要方向之一。本文认为，在“双碳”目标下，除了冶金工艺本身的转型，清洁能源产业作为支撑钢铁行业碳减排的手段将变得越来越重要。

关键词：钢铁行业；碳达峰；碳中和；绿色发展

介绍

人类文明史伴随着材料、能源、信息的发展史。自铁器时代钢铁制造技术被发现和发明以来，它一直是人类的良好工具和材料，并随着时代的发展而变得越来越重要。钢铁作为世界上应用最广泛的金属材料，成为现代工业的粮食，并且由于其独特的优势——可回收性（磁性）和方便回收，从全生命周期绿色低碳的角度看，在“双碳”背景下具有新的重要意义，并将进一步扩大其应用。

长期以来，传统钢铁生产以高碳化石燃料为基础，具有高能耗、高排放的性质和特点。随着全球气候变化问题成为焦点，全社会开始关注钢铁生产的环境影响。经过不断努力，钢铁行业在节能减排方面取得了很大成效。以我国为例，钢铁行业作为能源密集型行业，也是重点碳排放行业，近30年来取得了吨钢二氧化碳排放量下降50%的突出成绩，但进一步下降速度逐步减缓。业内专家普遍认为，没有技术和能源结构的创新，吨钢二氧化碳排放量进一步下降将极为有限。目前，我国钢铁行业碳排放量约占全国总排放量的16%，位居制造业首位，碳减排压力巨大。

2021年，中国钢铁行业价格波动较大，上半年大幅上涨，下半年大幅下跌，粗钢产量出现40多年来罕见的下降。业内认为，在“双碳”政策的推动下，国内外钢铁行业在未来几十年将发生巨大变化。在这个过程中，中国钢铁行业在规模领先的基础上继续发展，逐步实现装备领先、绿色领先、技术领先至关重要。

2022年2月7日，工业和信息化部、国家发展改革委、生态环境部联合发布《关于推动钢铁行业高质量发展的指导意见》（工信部联发[2022]6号，以下简称《指导意见》），其中提出的一大主要目标就是“深化绿色低碳发展”，并给出了具体指标：“构建产业间耦合发展的资源循环体系，80%以上钢铁产能完成超低排放改造，吨钢综合能耗降低2%以上，水资源消耗强度降低10%以上，确保2030年前碳排放达峰”。同时在主要任务中还指出“深化绿色低碳发展，落实钢铁行业碳达峰实施方案，统筹推进污染减排与碳减排协同治理”，并对氢冶金应用、低碳冶炼技术、绿色能源使用比重、建材、电力、化工、有色等产业耦合发展等方面进行了阐述。《指导意见》从总体和顶层设计上为我国钢铁行业绿色低碳高质量发展指明了方向，并作出了具体的安排部署。

在“双碳”战略下，国内外先进钢铁企业纷纷发布低碳路线图，新能源驱动的“绿再生钢—新钢铁”计划陆续启动，绿色钢厂、绿色钢铁产品逐渐涌现，全球零碳钢发展竞赛拉开帷幕。

可以预见，在能源和资源的双重挑战下，以绿色为背景的新型钢铁将成为永葆青春、得到广泛应用的新材料。

1.钢铁行业减碳对世界意义重大

根据IEA（国际能源署）《钢铁技术路线图》，全球范围内，钢铁行业每年直接排放二氧化碳约26亿吨（其中中国钢铁碳排放占比60%以上），占全球能源系统总排放的7%，钢铁行业减碳对全球碳达峰、碳中和具有重要意义。

同时，作为最重要的基础产业，钢铁行业本身的绿色低碳发展可以带动整个行业乃至全社会的低碳技术进步，从而推动低碳社会建设。钢铁可以应用在人类生活的各个方面，比如汽车、建筑、冰箱、洗衣机、货船、手术刀等，因此钢铁行业与基础设施、交通运输、工业制造、农业、能源供应等多个行业深度耦合。绿色钢铁原料、绿色能源、绿色制造、绿色产品等对我国经济绿色低碳发展具有基础性和决定性作用。

1. 中国钢铁行业碳排放

根据《中国钢铁生产企业温室气体排放核算与报告指南》具体内容，钢铁生产过程中碳排放主要来源有：①化石燃料燃烧产生的排放；②工业生产过程产生的排放；③净购入电力、热力；④碳固定产品隐含的碳排放。在钢铁生产过程中，从消耗材料来看，焦油、炼焦煤等原材料的碳排放量最大；从生产工序来看，炼铁工序的碳排放量最高。

根据相关研究，长流程钢厂的碳排放主要来自于钢铁生产中的燃料燃烧，占比超过90%；第二部分来自于外购电力，占碳排放的5%以上；此外，在生产过程中，还要消耗石灰石、白云石、电极、生铁、铁合金等含碳原料，这些碳排放约占3%~4%。对于短流程钢厂来说，碳排放较长流程钢厂可减少50%以上，由于其投入能源和电力的大幅增加，相应的电力排放占比也大大增加，可通过绿色电力的供给减少碳排放。可见，钢铁生产环节是碳排放的决定因素。

目前，我国钢铁行业是我国制造业31个行业门类中碳排放量最高的行业，面临着巨大的节能减排压力。因此，钢铁行业碳排放对国家实现“双碳”目标影响很大，直接关系到最终目标能否如期实现。中国钢铁企业以长流程为主，2021年我国粗钢产量10.35亿吨，连续25年位居世界第一，占世界粗钢产量的52.9%。钢铁行业是能源、资源密集型行业，以长流程为主的钢铁制造工艺决定了煤焦是我国钢铁企业的主要能源介质，占能源结构的90%，这是钢铁行业碳排放高企的主要原因。

2. 钢铁制造与碳密切相关

炼钢过程与碳密切相关。高炉炼铁过程的化学式为：

从化学式可以看出，长流程钢铁生产必然产生碳排放，每从铁矿石中生产出一吨铁，平均要释放2.21吨二氧化碳，这是长流程钢铁生产碳排放量高​​的根本原因。

根据我国钢铁发展现状和特点，要实现低碳发展，首先要改变冶金工艺。从目前的技术发展来看，主要类型包括：投资强度最低的低碳长流程——富氧氢高炉，投资强度中等的零碳短流程——电炉+绿电，投资强度最高的零碳短流程——新型氢能冶金，以及以碳捕获、利用与封存（CCUS）为辅助措施。

从主要技术类别来看，主要有以下几个方面。

1.废钢回收及电炉技术

采用短流程炼钢、加大资源回收利用、利用废钢等将直接减少碳排放。与转炉炼钢相比，电炉炼钢具有流程短、投资少、建设快、节能减排效果突出等多重优势，更符合绿色钢厂模块化方向，满足钢铁行业绿色发展的要求。推进钢铁生产工序结构调整、提高电炉钢比重被认为是钢铁行业实现“双碳”目标的重要路径。

我国《2030年前碳达峰行动计划》指出，“大力推进非高炉炼铁技术示范，提高废钢资源回收利用水平，推广全废钢电炉工艺”。而根据国家《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见》，力争到2025年，电炉钢产量占粗钢总产量比重达到15%以上，钢铁行业利用废钢资源量达到3亿吨以上。可以预见，基于生命周期（LCA）的废钢利用将在新的“双碳”时期发挥越来越重要的作用。

废钢回收利用与电炉技术要协同发展，通过多种方式促进这种协同。比如，从产能置换和产业布局的角度，引导优势地区发展电炉炼钢；从财税的角度，鼓励钢铁企业发展电炉炼钢；从完善产​​业链的角度，加大对废钢加工配送行业的支持力度等。

2. 重新电气化

钢铁联合企业各工序能源转换效率仅为60%~70%，从能源转换效率上看，直接电加热效率最高，不使用或少用化石燃料，实现整个轧钢生产线电气化，通过提高绿色电力占比，可有效减少间接碳排放。电力约占我国钢铁行业终端能源消费的10%，电气化还有很大的提升空间，应不断提高电气化水平，拓展电能替代领域。钢铁冶炼全过程电气化是低碳冶金的重要技术方向。

3. 氢冶金

目前，碳基能源在钢铁工艺中仍占有举足轻重的地位，而氢能和可再生能源发展迅速。氢能具有能量密度高、无污染排放的典型优势，基于氢能的特性，可以有效耦合传统化石能源与可再生能源，成为构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系不可或缺的组成部分。氢能在能源转换和资源环境中将发挥越来越重要的作用，主导钢铁未来的技术趋势。

因此，以氢冶金为终极形态，以氢代碳，将推动钢铁行业绿色低碳高质量发展。研发新型氢基竖炉-电炉短流程技术，实现钢铁工艺创新，带动能源结构调整，为钢铁低碳或无碳生产提供新途径。未来新型氢冶金钢铁产业将是新型产业链的重要枢纽。

国外多家钢铁企业早已将氢能开发利用于钢铁生产，国内先进钢铁企业也已率先实践，如高炉富氢冶金、富氢熔融还原、氢基立炉直接还原等氢冶金项目。目标是逐步用氢替代碳，大幅减少钢铁冶金过程中的温室气体排放，进一步实现钢铁冶金生产过程的碳中和。再如河北钢铁集团也开展了氢能开发利用项目，氢冶金相关工作已正式开工建设。

4. 资源回收及副产品、碳捕获及利用

我们以碳捕集与利用（CCU）为基础，开发应用钢-化工-氢能一体化网络集成CCU技术，通过钢铁和化工行业的协同，为以高炉-转炉长流程为主的中国钢铁行业实现净零碳排放提供最合理、最彻底的解决方案。对于无法减排的二氧化碳，可以通过产业协同、循环利用等方式，将其资源化，实现碳排放向碳资源的转化。从钢铁行业中提取的二氧化碳作为化工原料，制备甲醇、乙醇等化工产品，从焦炉煤气中提取氢气，供应氢能运输和物流。

3.全球钢铁企业转型趋势

在全球应对气候变化的背景下，全球各地钢铁企业都在转型发展，虽然具体工艺路线不完全相同，但总体上主要通过工艺创新，增加绿色能源使用，减少碳排放。

例如，德国蒂森克虏伯钢铁公司制定了二氧化碳减排目标：“到2030年减少排放30%，到2050年实现碳中和”。其低碳发展路线图为：提高炼铁效率，减少煤炭（焦炭、煤粉）使用量（如高炉应用顺序脉冲喷氧技术）→氢气还原炼铁（在高炉中以氢气替代煤炭，减少煤炭使用量）→碳捕获与利用→氢基熔融还原炼铁（建立以氢气为还原剂的还原炉生产海绵铁——直接碳避免技术），实现二氧化碳零排放。

例如，SSAB（瑞典钢铁集团）的CO2减排目标是到2032年将其温室气体排放量比2018年减少35%、到2035年建成无化石燃料炼钢工艺、到2045年彻底实现无化石燃料炼钢。低碳发展路线图：新型非化石燃料钢铁生产工艺——氢气突破性炼铁技术，即用氢气替代焦炭和煤作为还原剂，结合电弧炉（EAF）直接还原氧化铁/矿石（H-DR）。

奥地利奥钢联、韩国浦项制铁、印度塔塔、日本JFE（新日铁工程控股）等也纷纷提出自己的路线图，通过工艺创新，使用绿色电力、绿色氢气成为共同选择。

二、展望2035：挑战与机遇并存

钢铁行业是实现我国碳达峰和碳中和目标的重点领域和责任主体，其绿色低碳发展进程直接关系到国家能否如期实现碳中和承诺，在这个过程中，挑战与机遇并存。

（一）挑战

从能源结构看，钢铁行业煤炭占比较高，碳减排压力大，我国资源禀赋一直呈现“富煤、缺油、少气”特点，虽然煤炭在我国一次能源消费中的占比持续下降，但煤炭在钢铁行业能源消费结构中占比高达83%，远高于美国、英国、法国等其他发达国家不足30%的占比。

从碳排放总量来看，钢铁是碳减排重任的重点行业。根据国际能源署（IEA）的数据，2021年全球碳排放量达363亿吨，钢铁碳排放量约占全球的10%。在我国，钢铁碳排放占比更高。

从产能集中度来看，钢铁行业集中度低，碳减排协同性弱。我国有500多家钢铁企业，按照前十大钢铁企业累计粗钢产量计算，2019年我国钢铁行业集中度不足37%，远低于欧美发达国家70%至100%的水平。行业集中度低，不利于相互协调、相互支撑、协同推进。

从碳减排难度来看，钢铁是难度较大的行业，碳减排难度较大。据统计，钢铁行业约35%的碳排放难以通过常规手段降低。氢能冶金是全球共同探讨的话题，我国和欧美发达国家都在积极探索。钢铁行业碳排放“总量大、能力弱、挑战多”，构成多重叠加压力，使我国钢铁行业碳达峰及碳中和目标的实现更加复杂、难度更大。

2. 机会

钢铁行业作为我国经济建设的基础性产业，经过多年的快速、全面发展，一些先进企业已达到世界领先水平，拥有全球规模最大、最齐全的产业体系。钢铁行业“双碳”目标的实现，将为我国贯彻新发展理念、实现经济高质量发展提供新的历史机遇。

我国经济社会正处于转型发展时期，正处于开创生态文明新时代的进程中，这倒逼钢铁行业必须推动自身高质量发展，推动能源结构、产业结构、经济结构转型升级，建立可持续发展模式，由传统低效、污染严重的发展模式转变为绿色、低碳、可持续的发展模式。

第一，树立新型能源安全观，要求钢铁行业推动能源体系向清洁、低碳、高效、智能方向转型升级，改变传统能源结构。

其次，深化供给侧改革、实现高质量发展机遇要求钢铁行业构建供给与需求动态平衡、优化工艺流程结构、推动行业技术革命、推动行业智能化升级、加快推进多产业协同、推进系统性环境治理。

第三，实现提高国家治理能力的目标，钢铁行业需要不断提升国际综合实力和在国际事务中的话语权，为实现全面建设社会主义现代化国家的目标，为在未来大国博弈中占据绿色低碳竞争优势贡献力量。

第四，实现碳达峰、碳中和战略目标，要求钢铁行业进入新的转型时期，突破低碳冶金工艺路线，构建清洁能源空间和生态空间，调整资源布局，这给钢铁行业及延伸产业链带来巨大的发展机遇。

3.探索绿色低碳转型发展路径

1、国内钢铁集团转型路线

与国际趋势相一致，部分中国钢铁企业也制定了“双碳”目标，发布低碳路线图。基于中国宝武钢铁集团的低碳技术路线图，钢铁低碳发展路径为：全面加快低碳工艺，逐步扩大近零碳工艺规模替代和零碳工艺引领，适时引入碳捕获与补偿。最终实现到2050年，碳短工艺占比50%，低碳长工艺占比30%，近零碳短工艺占比20%，CCUS助力率超过30%。

这一低碳化进程最终将趋向于“氢能减排、绿电制氢、电气化”。从能源角度看，钢铁企业的最终方向是实现“电、氢、碳”耦合，即“绿电-绿氢-碳循环”的零碳冶金工厂。具体来说，以“碳”为基础，能源原燃料向产品原料的转化、碳元素的循环利用是低碳钢的根本命题；以“氢”为核心，低碳冶金工厂以氢气作为最重要的能源载体和脱碳原料；以“电”为驱动​​和枢纽，低碳冶金工厂“电气化”以清洁电作为能源的结构基础，以清洁电作为多种能源高效低碳转换的纽带。

同时，通过对比河钢集团提出的五条低碳发展路径、鞍钢集团提出的六条减碳技术路径、建龙集团提出的六条低碳发展路径可以看出，“能源消费结构优化”是钢铁企业低碳发展的重要路径之一，该路径主要包括新能源产业布局、能源结构调整、储能技术发展、源网荷储建设、多能互补能源系统、绿电应用、绿色物流等。

2.转型过程中的关键问题探讨

钢铁行业作为制造业中第一大耗能单位，在充分利用钢厂能源消耗和储存缓冲特性、深度融合冶金厂用能特点、打造清洁冶金能源产业方面具有多重优势，体现在加速推进钢铁单位自身能源结构清洁化，钢铁能源系统为区域能源体系提供安全、稳定、绿色的积极作用，助力国家能源革命。冶金能源产业正在成为国家能源行业负荷侧的重要补充，有利于能源企业深度脱碳。

目前，全国各地政府及相关企业争相布局绿色能源资源，充分发挥钢厂优势，整合源、网、荷、储，构建与低碳钢铁及先进材料制造体系相适应的新型能源保障体系。要把握主动，放眼长远，统筹规划，协同产业，充分发挥钢铁生态圈产业集聚带动优势，通过产业投资换取绿色能源资源。把开发当地风、光、水等绿色能源资源作为企业可持续发展目标，从钢铁主业角度进行归纳、统筹，做好多产业协同，实现多产业项目规模化，并就绿色能源资源保障条件与地方政府集中沟通，确保绿色能源保障项目落地实施。

3. 展望

抓住机遇、应对挑战是整个钢铁行业面临的共同问题。需要扎实做好产业结构调整和工艺转型；同时结合可再生能源分布，做好钢铁基地空间布局和可再生能源资源获取。2035年实现上述调整，将为后续碳中和打下坚实基础。

四、结论

绿色低碳发展是钢铁企业实现可持续发展的必由之路，也是新时代我国实现经济社会高质量发展的重要目标。

钢铁行业实现碳达峰、碳中和，是一场新征程、一场硬仗、一次大考验，需要我们审时度势，

我们要积极应对，扎实推进钢铁行业绿色低碳发展，抓住机遇，面对挑战，认真制定钢铁行业碳中和时间表、路线图、建设规划。

可以预见，在未来钢铁行业碳中和进程中，除了冶金工艺本身的改造外，清洁能源产业将越来越成为有力支撑钢铁行业碳减排目标实现的重要保障。这一保障是一个以钢铁工业制造基地为负荷中心，按照源网荷储一体化运行方式解决的系统工程。

关于作者

魏伟，宝武清洁能源有限公司总裁，主要从事冶金行业清洁能源产业发展、钢铁行业能源结构优化调整、冶金行业碳达峰与碳中和路径、对策与实施研究。