中國(guó)的鋼鐵生產(chǎn)現(xiàn)狀
眾所周知，中國(guó)是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。世界鋼鐵協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，2021 年中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量為10.3億噸，比2020年減少約3500萬噸，中國(guó)2015 年出口鋼鐵5400萬噸。
城市化和工業(yè)化推動(dòng)了中國(guó)鋼鐵消費(fèi)的快速增長(zhǎng)。中國(guó)超過一半（56%）的鋼材用于建筑或鐵路和公路等基礎(chǔ)設(shè)施。制造業(yè)鋼鐵用量中汽車行業(yè)占最大份額。
中國(guó)鋼鐵行業(yè)90%以上的產(chǎn)能是采用高爐（ BOF） 技術(shù)生產(chǎn)的長(zhǎng)流程鋼。使用廢鋼和電力的電爐技術(shù)（ EAF， 也稱短流程鋼）僅占生產(chǎn)總量的10%，并主要用于生產(chǎn)高端特殊鋼制品。
相比于美國(guó)鋼鐵總產(chǎn)量中的70% 來自電爐技術(shù)路線，中國(guó)的鋼鐵低回收率反映了一個(gè)處于早期發(fā)展階段國(guó)家的典型狀況——人均鋼鐵存量仍在增長(zhǎng)，廢鋼供應(yīng)相對(duì)于需求非常有限。
中國(guó)鋼鐵消費(fèi)展望與生產(chǎn)路徑轉(zhuǎn)換
發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的人均鋼鐵存量常常會(huì)穩(wěn)定在10 至15 噸左右的水平，達(dá)到飽和。到2021年，中國(guó)的人均鋼鐵存量預(yù)計(jì)約為10噸/人。已經(jīng)進(jìn)入發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的區(qū)間。
我們的模型顯示，到2050 年，中國(guó)的鋼鐵年均消費(fèi)量可降至4.75億噸左右，與國(guó)際能源署（ IEA）報(bào)告中的“2℃情景” 的估計(jì)相一致。此外，我們預(yù)計(jì)未來將有越來越多的鋼材將來自循環(huán)利用廢鋼的短流程生產(chǎn)；隨著越來越多的建筑、汽車和其他設(shè)備達(dá)到使用年限，廢鋼的供應(yīng)預(yù)計(jì)將以每年10%的速度增長(zhǎng)，廢鋼價(jià)格也很可能將會(huì)大幅下降。
預(yù)計(jì)到2 0 5 0 年，短流程鋼將占中國(guó)鋼鐵總產(chǎn)量的60%。這一目標(biāo)需要政策設(shè)計(jì)的支持，以確保最大限度地實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量鋼鐵的回收利用。按照這一預(yù)測(cè)，中國(guó)初級(jí)鋼（即長(zhǎng)流程鋼）年產(chǎn)量將可能從目前的9億噸下降到2050年的1.9億噸。
鋼鐵生產(chǎn)過程脫碳
由于電爐鋼生產(chǎn)的碳強(qiáng)度遠(yuǎn)低于高爐生產(chǎn)，因此電爐鋼生產(chǎn)份額的增加將自動(dòng)造成鋼鐵生產(chǎn)平均碳強(qiáng)度的降低。即使按照目前中國(guó)電力系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度（596 克CO2/ 千瓦時(shí)）計(jì)算，電爐鋼生產(chǎn)路線的碳排放強(qiáng)度也只有每噸鋼鐵0.5 噸CO2 左右，而高爐鋼生產(chǎn)路線的碳排放強(qiáng)度約為每噸鋼鐵2.1噸CO2。隨著電力系統(tǒng)的脫碳，電爐鋼生產(chǎn)路徑的碳排放強(qiáng)度將可逐漸下降至零。
因此，支持中國(guó)鋼鐵脫碳的最主要政策將是支持零碳的可再生能源和核能的發(fā)電量擴(kuò)大。在本報(bào)告的零碳情景下，到2050年，電爐短流程鋼產(chǎn)量將達(dá)到3.33億噸，這將帶來0.16 萬億千瓦時(shí)的零碳電力需求。
并且，通過政策支持和適當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)設(shè)計(jì)來支持廢料回收系統(tǒng)發(fā)展也至關(guān)重要。許多研究預(yù)測(cè)，到2050 年，中國(guó)每年將有3-4 億噸的廢鋼供應(yīng)，這足以滿足我們模型中短流程鋼的需求。
剩余長(zhǎng)流程鋼可選的脫碳技術(shù)
對(duì)于剩余的長(zhǎng)流程鋼鐵生產(chǎn)，中國(guó)還可采用以下的脫碳技術(shù)路線：
基于氫氣的直接還原鐵（ DRI）：如果氫氣本身以零碳的方式生產(chǎn)，無論是通過電解水，還是通過將碳捕集和封存（ CCS）技術(shù)應(yīng)用于甲烷蒸汽重整或煤化工制氫，氫氣直接還原鐵都可以幫助實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的零碳化。全球最大的鋼鐵公司——安塞樂米塔爾（Arcelor Mittal）公司已經(jīng)在使用這項(xiàng)技術(shù)。在中國(guó)，寶武鋼鐵的富氫碳循環(huán)高爐試驗(yàn)項(xiàng)目正在進(jìn)行第二階段的工程建設(shè)，2020年，河鋼集團(tuán)已經(jīng)在張家口地區(qū)建設(shè)富氫氣體直接還原示范工程，預(yù)計(jì)該項(xiàng)目將于2022年5月左右投產(chǎn)。
碳捕集與封存（ CCS）：碳捕集技術(shù)可應(yīng)用于處理高爐尾氣中的二氧化碳。一些技術(shù)，如印度塔塔鋼鐵（ Tata Steel）公司正在開發(fā)的Hlsarna 技術(shù)（使用粉煤并回收頂部高濃度二氧化碳的反應(yīng)爐技術(shù)）可以配合更高效的CCS應(yīng)用，提高鋼鐵生產(chǎn)節(jié)能和減碳的效率。這一技術(shù)路線的可行性將取決于CCS技術(shù)的可行容量和位置。
電解法煉鋼：通過電解直接還原煉鐵也是一種技術(shù)可行的路線，并且從長(zhǎng)期來看，其經(jīng)濟(jì)將進(jìn)一步提升。安塞樂米塔爾（ ArcelorMittal）、波士頓金屬公司（ Boston Metal） 等鋼鐵公司或研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始開發(fā)這項(xiàng)煉鐵技術(shù)。
使用生物質(zhì)：在高爐內(nèi)使用木炭而不是焦煤作為燃料和還原劑也是一種可能的路線。目前，巴西正在使用這種技術(shù)， 當(dāng)?shù)刎S富的木材資源使得技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好。如果木炭是由森林再生供給的，該技術(shù)就將是零碳的。因此，該技術(shù)的可行性取決于當(dāng)?shù)乜捎玫纳镔|(zhì)供應(yīng)。另外，從技術(shù)上講，生物質(zhì)可包括廢棄物、城市垃圾、農(nóng)業(yè)秸稈等形式，可用于生產(chǎn)生物煤、生物燃料和沼氣，并在鋼鐵脫碳中發(fā)揮作用。
針對(duì)中國(guó)具體情況的經(jīng)濟(jì)性分析
氫氣直接還原鐵（ DRI）技術(shù)與碳捕集（ CCS）技術(shù)的相對(duì)成本在很大程度上取決于用于制氫的零碳電力價(jià)格。如圖表3-4 所示，根據(jù)ETC 的全球模型，對(duì)于新建項(xiàng)目，當(dāng)零碳電力的價(jià)格低于每兆瓦時(shí)45 美元時(shí)，氫氣直接還原鐵制鋼將比配合CCS技術(shù)的成本更低；對(duì)于已建項(xiàng)目，電力的價(jià)格則須達(dá)到每兆瓦時(shí)25 美元以下，氫氣直接還原鐵制鋼才更具成本競(jìng)爭(zhēng)力。
而中國(guó)目前高爐鋼鐵生產(chǎn)力巨大，已建高爐設(shè)備的碳捕集改造更具有參考價(jià)值。因而，短期來看，CCS 改造項(xiàng)目更具有經(jīng)濟(jì)性，但是如本文第七章所述，在2050 年前，中國(guó)豐富的可再生能源資源有望使得可再生電力價(jià)格達(dá)到每兆瓦時(shí)25美元以下，推動(dòng)氫氣直接還原鐵的應(yīng)用。
● 氫氣直接還原鐵路線的成本預(yù)測(cè)，是基于電解水制氫設(shè)備的成本會(huì)在未來由于大規(guī)模生產(chǎn)的規(guī)模效應(yīng)和學(xué)習(xí)曲線效應(yīng)的影響，從目前的每千瓦850美元降低至每千瓦200美元的假設(shè)得出的。電解槽價(jià)格的顯著降低將減少制氫成本中的固定投資成本，使得電解槽大規(guī)模應(yīng)用成為可能。在這種情景下，電解水制氫將可以實(shí)現(xiàn)盡可能利用棄風(fēng)棄光等極便宜的電力，盡管運(yùn)行小時(shí)數(shù)較低，但仍可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。
考慮到中國(guó)有限的生物質(zhì)資源，以及航空等其他較缺乏其他脫碳路徑的部門對(duì)生物質(zhì)資源的需求，我們認(rèn)為使用生物質(zhì)的煉鋼在中國(guó)應(yīng)用的可行性不高。
電解法煉鋼技術(shù)與碳捕集技術(shù)相比，經(jīng)濟(jì)性也取決于零碳電力的價(jià)格。
在鋼鐵產(chǎn)量的基礎(chǔ)情景下，到2050 年，如果中國(guó)使用氫氣直接還原鐵（ DRI）技術(shù)滿足所有1.9 億噸長(zhǎng)流程鋼的生產(chǎn)需求，將帶來0.675 萬億千瓦時(shí)的零碳電力需求。如果所有的初級(jí)鋼生產(chǎn)都采用CCS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)零碳排放，那么所需的二氧化碳封存容量將達(dá)到每年4 億噸左右。但是，在中國(guó)2050年鋼鐵總產(chǎn)量7億噸、長(zhǎng)流程鋼產(chǎn)量2.8億噸的高需求情景下，完全采用氫氣直接還原鐵實(shí)現(xiàn)零碳排放需要消費(fèi)約1萬億千瓦時(shí)零碳電力，完全采用CCS技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)零碳排放需要每年封存二氧化碳6億噸左右。
