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解讀:2030年我國鋼鐵行業(yè)碳減排目標(biāo)能實(shí)現(xiàn)嗎?

來源:我的鋼鐵網(wǎng)時間:2024-08-15 09:21:26

【前言】:

鋼鐵行業(yè)是我國碳排放的主要來源之一。為控制鋼鐵行業(yè)碳排放量,助力碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn),中鋼協(xié)2022年發(fā)布《鋼鐵低碳技術(shù)路線圖》(下稱《路線圖》),提出目標(biāo):2030年,鋼鐵行業(yè)具備較2020年二氧化碳排放總量降低15%的資源條件和技術(shù)能力。

考慮到2030年是我國承諾碳達(dá)峰重要時間點(diǎn),鋼鐵行業(yè)能夠完成的碳減排量對能否實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰將有較大影響,本文通過測算2025年和2030年鋼鐵行業(yè)不同減碳手段的預(yù)計減排量,評估“2030年較2020年二氧化碳排放總量降低15%”的目標(biāo)是否能夠達(dá)成。

圖表1:中鋼協(xié)鋼鐵行業(yè)“雙碳”愿景

圖表, 圖示

描述已自動生成

圖片來源:中鋼協(xié),Mysteel

鋼鐵產(chǎn)業(yè)減排路徑可大致分為7種:鋼鐵產(chǎn)量減少能夠使碳排放量自然降低。此外,如圖表2所示,《路線圖》提出以下六種減碳路徑:

圖表2:中國鋼鐵工業(yè)低碳技術(shù)路徑貢獻(xiàn)圖

圖表, 圖示

描述已自動生成

圖片來源:中鋼協(xié)

(1)資源循環(huán)利用:將鋼鐵生產(chǎn)流程產(chǎn)生的固、液、氣等二次資源以及社會產(chǎn)生的廢鋼等二次資源進(jìn)行循環(huán)高效再利用,實(shí)現(xiàn)價值最大化。

(2)流程優(yōu)化創(chuàng)新:立足現(xiàn)有工藝及裝備,通過調(diào)整和優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)、工藝結(jié)構(gòu)和用能結(jié)構(gòu),提升流程效能。

(3)系統(tǒng)能效提升:通過深度節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與裝備升級改造,實(shí)現(xiàn)能源精細(xì)化管控,余熱余能應(yīng)收盡收,做到全系統(tǒng)極致能效。

(4)冶煉工藝突破:脫離傳統(tǒng)工藝流程裝備,開發(fā)尋求關(guān)鍵技術(shù)變革性創(chuàng)新。具體技術(shù)如高爐富氨和煤氣脫循環(huán)、富氫直接還原(DRI)、生物質(zhì)冶煉等煉鐵技術(shù),等離子冶煉、閃速熔煉等熔融還原技術(shù)。

(5)捕集封存利用:研究二氧化碳從鋼鐵制造各類排放源中富集、分離、提取的技術(shù)和工藝,開發(fā)其在鋼鐵生產(chǎn)流程中資源性循環(huán)再利用的技術(shù)。

(6)產(chǎn)品迭代升級:基于鋼鐵產(chǎn)品全生命周期評價,通過開發(fā)具有更高強(qiáng)度、更高壽命的綠色鋼鐵產(chǎn)品,減少鋼鐵材料需求量。

 

【結(jié)論】:

2020粗鋼生產(chǎn)直接碳排放量為21.67億噸。根據(jù)測算,2025年和2030年碳減排強(qiáng)度預(yù)計能夠降低2.00億噸和4.84億噸,相比2020年降低9.3%和22.3%,因此“2030年較2020年二氧化碳排放總量降低15%”的目標(biāo)預(yù)計能夠?qū)崿F(xiàn)。

七種減碳手段的減排量、減排貢獻(xiàn)比例見圖表3。根據(jù)測算結(jié)果:

(1)粗鋼產(chǎn)量減少是減碳貢獻(xiàn)第一位的路徑,在2030年的貢獻(xiàn)比例73.9%。

(2)資源循環(huán)利用(廢鋼使用)是減碳貢獻(xiàn)第二位的路徑,2030年貢獻(xiàn)比例達(dá)到16.6%。隨著廢鋼回收利用體系日臻完善和廢鋼供應(yīng)量上升,資源循環(huán)利用的減碳潛力將逐漸釋放

(3)流程優(yōu)化創(chuàng)新(爐料結(jié)構(gòu)等)和系統(tǒng)能效提升(余熱回收等)是減碳貢獻(xiàn)第三、四位的路徑,2030年合計貢獻(xiàn)6.3%的減排量。這兩種路徑實(shí)現(xiàn)碳減排的成本相對低、靈活度高,2030年之前將貢獻(xiàn)較為可觀的減排量,但其減排潛力有限

此外,冶煉工藝突破(DRI、富氫高爐等)、捕集封存利用(CCUS)和產(chǎn)品迭代升級的減排貢獻(xiàn)在2030年之前預(yù)計較低。

圖表3:2025年及2030年我國碳減排量測算

 

2020

2025E

 

2030E

 

粗鋼產(chǎn)量(萬噸)

106,480

98,299

 

88,917

 

——長流程  

96,680

85,711

 

70,679

 

長流程占比

90.8%

87.2%

 

79.5%

 

——短流程  

9,800

12,588

 

18,238

 

短流程占比

9.2%

12.8%

 

20.5%

 

電爐廢鋼使用量(萬噸)

7,527

8,293

 

12,881

 

DRI產(chǎn)量(萬噸)

               -  

350

 

750

 

 

粗鋼生產(chǎn)直接碳排放量(萬噸)

216,682

 

 

 

 

碳減排量相比2020年(萬噸)

 

-20,044

100%

-48,377

100%

碳減排量相比2020年(%)

 

-9.3%

 

-22.3%

 

——1.粗鋼產(chǎn)量壓減

               -  

-16,648

83.1%

-35,740

73.9%

——2.資源循環(huán)利用(廢鋼使用)

               -  

-1,149

5.7%

-8,031

16.6%

——3.流程優(yōu)化創(chuàng)新(爐料結(jié)構(gòu)等)

               -  

-1,086

5.4%

-1,840

3.8%

——4.系統(tǒng)能效提升(余熱回收等)

               -  

-724

3.6%

-1,227

2.5%

——5.冶煉工藝突破(DRI、富氫高爐等)

               -  

-364

1.8%

-939

1.9%

——6.捕集封存利用(CCUS)

               -  

-75

0.4%

-600

1.2%

——7.產(chǎn)品迭代升級

               -  

 

 

 

 

粗鋼生產(chǎn)直接碳排放量(萬噸)

 

196,638

 

168,305

 

注意:測算減排量的過程中不可避免進(jìn)行了多項(xiàng)假設(shè),盡管假設(shè)均在合理范圍之內(nèi),但減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)仍然依賴于這些假設(shè)是否兌現(xiàn)。

 

 

 

【正文】:

1.粗鋼產(chǎn)量壓減

2020年我國粗鋼產(chǎn)量10.65億噸.粗鋼產(chǎn)量長期來看受需求調(diào)節(jié),國內(nèi)下游用鋼主要來自建筑業(yè)和制造業(yè)。建筑業(yè)方面,隨著人口結(jié)構(gòu)變化和城鎮(zhèn)化增速放緩,過去幾十年“地產(chǎn)+基建”的高增長模式難以為繼,建筑用鋼需求出現(xiàn)下滑。中央相應(yīng)出臺多項(xiàng)穩(wěn)增長政策支持房地產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)“軟著陸”:發(fā)行超長期特別國債,支持重大項(xiàng)目建設(shè)并提振經(jīng)濟(jì);通過專項(xiàng)債支持地方政府回收房企閑置土地,化解債務(wù)風(fēng)險并促進(jìn)土地資源利用等。制造業(yè)方面,黨的二十大報告提出“加快推動制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展”,“推進(jìn)新型工業(yè)化,堅持把發(fā)展經(jīng)濟(jì)的著力點(diǎn)放在實(shí)體經(jīng)濟(jì)上”,未來制造業(yè)的鋼鐵消費(fèi)量預(yù)計有所上升。綜合而言,如圖表4所示,2030年以前用鋼需求將主要受累于建筑用鋼而持續(xù)下滑。

圖表4:2020-2030E 中國下游行業(yè)用鋼量預(yù)測(萬噸)

數(shù)據(jù)來源:Mysteel

政策方面,粗鋼產(chǎn)量調(diào)控正有序推進(jìn),旨在限制高耗能、低附加值鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)和出口,粗鋼作為初級產(chǎn)品凈出口量將有所下降。在內(nèi)需和出口的雙重減量下,我國粗鋼產(chǎn)量將總體下降,2025年和2030年我國粗鋼總產(chǎn)量預(yù)計分別為9.83億噸和8.89億噸。

粗鋼產(chǎn)量降低會帶來碳排放量的自然減少。首先測算2020年粗鋼生產(chǎn)的直接碳排放量。相關(guān)研究表明,我國BF-BOF的噸鋼碳排放量為1.8-2.5t,全廢鋼電爐為0.4-0.6t。取區(qū)間中值計算,即2020年我國長流程噸鋼碳排放量2.15t,全廢鋼電爐的噸鋼碳排放量0.5t。考慮到我國電爐企業(yè)一般不采用全廢鋼冶煉,也添加鐵水作為爐料,而鐵水的碳排放量比廢鋼高,這就導(dǎo)致我國電爐企業(yè)碳排放量高于全廢鋼電爐。參考中鋼協(xié)測算“兌50%鐵水的電爐煉鋼企業(yè)平均噸鋼碳排放量約為1.13噸”,2020年我國實(shí)際電爐廢鋼比約68%,計算得到我國2020年短流程噸鋼碳排放量為0.5+(1-0.68)*(1.13-0.5)/0.5=0.90噸

計算得到2020年粗鋼生產(chǎn)的直接碳排放量約2.15*9.668+0.90*0.98=21.67億噸。

為計算粗鋼產(chǎn)量壓減帶來的碳減排量,需排除短流程占比上升帶來的碳減排量干擾。假定2025年和2030年維持2020年的長短流程比例,僅考慮粗鋼總產(chǎn)量降低帶來的碳減排量分別是1.67億噸和3.57億噸。(以2025年為例,(2.15*9.83*90.8%+0.9*9.83*9.2%)-21.67=-1.67萬噸)

2.資源循環(huán)利用(廢鋼使用)

世界鋼協(xié)2021年發(fā)布的《Climate change and production of iron and steel》中提到,煉鋼過程每使用1噸廢鋼可以減少1.5噸CO2排放。長期來看鋼鐵行業(yè)消耗廢鋼的主力是電爐,因此要發(fā)揮廢鋼的減碳作用,需要提高電爐鋼產(chǎn)量和在粗鋼總生產(chǎn)中的占比。

根據(jù)WSA數(shù)據(jù),我國2022年粗鋼產(chǎn)量10.2億噸,電爐鋼產(chǎn)量9660萬噸,占比僅9.5%。目前限制我國電爐鋼產(chǎn)量提升的因素主要是產(chǎn)能利用率不高,根據(jù)Mysteel調(diào)研,全國87家獨(dú)立電弧爐鋼廠2024年截至7月3日的平均產(chǎn)能利用率僅46.4%。原料廢鋼價格高,而宏觀需求的慢速修復(fù)對成品材價格形成拖累,壓縮了電爐企業(yè)利潤空間,如圖表5所示。長期為負(fù)的生產(chǎn)利潤使電爐鋼企被迫減產(chǎn),造成產(chǎn)能利用率低、電爐鋼產(chǎn)量難以提高。

圖表5:螺紋鋼電爐利潤(日)

數(shù)據(jù)來源:Mysteel

未來我國廢鋼供應(yīng)量將由于回收廢鋼增加而上升。盡管鋼鐵生產(chǎn)和下游用鋼的收縮會導(dǎo)致自產(chǎn)廢鋼和加工廢鋼減少,但過去幾十年生產(chǎn)的鋼鐵產(chǎn)品進(jìn)入回收期,將帶來回收廢鋼量的大幅提升,進(jìn)而拉低廢鋼價格。此外,廢鋼的減碳效果將使其在碳市場中逐漸具有經(jīng)濟(jì)價值,企業(yè)為了減少碳價支付將有動力增加廢鋼使用。

隨著電爐鋼產(chǎn)量和電爐煉鋼廢鋼比的上升(見圖表6),2025年和2030年我國電爐煉鋼過程預(yù)計分別比2020年增加廢鋼消耗量766萬噸和5354萬噸,按照每使用1噸廢鋼可以減少1.5噸CO2排放計,對應(yīng)減少碳排放1149萬噸和8031萬噸。

圖表6:電爐煉鋼廢鋼消耗量及廢鋼比

數(shù)據(jù)來源:Mysteel

3.流程優(yōu)化創(chuàng)新(爐料結(jié)構(gòu)等)

在流程優(yōu)化創(chuàng)新推進(jìn)減碳方面,目前較為成熟的實(shí)踐是優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu),更具體來說就是提高球團(tuán)入爐配比。以高比例球團(tuán)冶煉技術(shù)較為成熟的歐美為例,瑞典SSAB在20世紀(jì)80年代已實(shí)現(xiàn)100%球團(tuán)礦入爐,燃料比僅452kg/t,達(dá)到目前高爐的最佳水平范圍。美國高爐目前的平均爐料組成球團(tuán)配比約為90%。國內(nèi)也已進(jìn)行高比例球團(tuán)減碳效果相關(guān)的研究,如圖表7所示。

圖表7:高爐球團(tuán)配比減碳效果文獻(xiàn)

文獻(xiàn)名稱

作者

文獻(xiàn)結(jié)論

《“雙碳”背景下高爐使用高比例球團(tuán)的展望》

王新東、金永龍

提高球團(tuán)入爐配比是實(shí)現(xiàn)燃料比小于500 kg/t的關(guān)鍵;燃料比下降20kg/t時,高爐煤氣中CO+CO2總量下降 20-30 Nm3/t,占總量的 3%-5%。

《高爐高比例球團(tuán)冶煉技術(shù)發(fā)展和實(shí)踐》

劉征建等

國內(nèi)高爐1號、2號的球團(tuán)配比分別為24.53%和20.32%,對應(yīng)燃料比分別489kg/t和519kg/t。

 

2020年我國高爐球團(tuán)比為17%,這一比例長期來看將上升。原因:(1)是隨著未來鋼鐵行業(yè)被納入全國碳市場以及碳價升高,球團(tuán)的減碳效果將減少企業(yè)碳價支付,帶來經(jīng)濟(jì)效益,因此高爐企業(yè)有動力提高球團(tuán)配比。(2)自2017年工信部發(fā)布《鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能置換實(shí)施辦法》中提出鋼鐵行業(yè)減量置換舉措起,我國鋼鐵冶煉就走上了高爐大型化的發(fā)展。而大型高爐的順行順產(chǎn)對爐料要求比較苛刻,球團(tuán)比通常較高。綜合以上,Mysteel評估2025年和2030年高爐球團(tuán)比分別達(dá)到15.4%和20.4%。

由于降低燃料比帶來的碳減排量屬于能耗降低范疇,與“系統(tǒng)能效提升”中根據(jù)“噸鋼能耗降低”目標(biāo)計算的碳減排量有重復(fù),因此我們假設(shè):2030年之前噸鋼能耗下降帶來的碳減排約60%源自爐料配比的優(yōu)化,剩余40%作為“系統(tǒng)能效提升”的貢獻(xiàn)。由此計算出爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化在2025年和2030年相較2020年分別實(shí)現(xiàn)碳減排1086萬噸和1840萬噸。

4.系統(tǒng)能效提升

粗略估算1度電的CO2排放約為960g。目前我國生產(chǎn)1噸鋼的平均耗電量在400-800度。按照生產(chǎn)1噸粗鋼耗電600度,碳排放量960g計算,2020年粗鋼生產(chǎn)能耗帶來的碳排放量近似為6.13億噸。

《2024—2025年節(jié)能降碳行動方案》提出 “2025年底實(shí)現(xiàn)與2023年相比噸鋼綜合能耗降低2%左右” 目標(biāo),文件發(fā)布時距2025年底僅一年半,指導(dǎo)意義強(qiáng),我們假設(shè)該目標(biāo)能夠完成?!?021年中國鋼鐵行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行報告》指出2021年噸鋼可比能耗相比2020年降低0.97%;2022-2023年報告未提到噸鋼能耗具體數(shù)據(jù),假設(shè)均維持上年水平。由此推算2025年底噸鋼能耗相較2020年下降2.95%。

因?yàn)槟芎南陆悼梢酝ㄟ^優(yōu)化爐料配比、增強(qiáng)過程中能量循環(huán)利用(如余熱回收)、優(yōu)化生產(chǎn)流程設(shè)計等實(shí)現(xiàn),我們假定在2030年之前其中約60%源自爐料配比的優(yōu)化,歸入“流程優(yōu)化創(chuàng)新”,剩余40%作為“系統(tǒng)能效提升”的貢獻(xiàn)。則2025年粗鋼生產(chǎn)能效提升將相較2020年實(shí)現(xiàn)碳減排724萬噸。

假設(shè)2030年底噸鋼能耗相較2020年下降5%。則2030年粗鋼生產(chǎn)能效提升將相較2020年實(shí)現(xiàn)碳減排1227萬噸。

5.冶煉工藝突破(DRI、富氫高爐等)

DRI和富氫高爐是冶煉工藝中具有減碳潛力和一定成熟度的技術(shù),在此測算其減碳量。綠氫DRI理論上可以實(shí)現(xiàn)近零排放,然而2030年以前氫氣制備技術(shù)還不足以支持經(jīng)濟(jì)性地生產(chǎn)綠氫DRI。我國2025年和2030年的DRI產(chǎn)量預(yù)計分別為350萬噸和750萬噸。假設(shè)DRI含鐵量92%,假設(shè)DRI-電爐噸鋼碳排放量0.2t,DRI-電爐碳減排量按照相對短流程煉鋼計算。則2025年和2030年應(yīng)用DRI對應(yīng)碳排放量分別為225萬噸和483萬噸。

根據(jù)《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究》預(yù)測,“2030 年之前,高爐富氫冶煉技術(shù)可以取得突破性成果,具備大規(guī)模應(yīng)用條件”。且富氫高爐的發(fā)展面臨以下制約:氫氣成本高,氫氣儲存、運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)涉及高額投資和較長時間,技術(shù)成熟度、運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性問題等。因此認(rèn)為在2030年前主要以試點(diǎn)和示范項(xiàng)目為主。且富氫高爐的碳減排幅度一般認(rèn)為10%-30%。按照長流程中富氫高爐比例2025年為0.5%、2030年2%比例,碳減排幅度15%測算,富氫高爐在2025年和2030年能夠分別減排138萬噸和456萬噸。

因此冶煉工藝突破在2025年和2030年預(yù)計能夠分別減排364萬噸和939萬噸。

6.捕集封存利用(CCUS)

根據(jù)《中國二氧化碳捕集利用與封存年度報告(2023)》,鋼鐵行業(yè)對CCUS技術(shù)的碳減排需求在2025年和2030年分別為300萬噸和1500萬噸(見圖表8)??紤]到我國鋼鐵行業(yè)的CCUS項(xiàng)目在2030年以前仍以規(guī)劃建設(shè)階段為主(見圖表9),我們假設(shè)CCUS在2025年和2030年能夠分別覆蓋25%和40%的需求量,即CCUS在2025年和2030年能夠分別減排75萬噸和600萬噸。

圖表8:中國各行業(yè)CCUS減排需求

圖表, 瀑布圖

描述已自動生成

圖片來源:《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究執(zhí)行摘要》

圖表9:中國主要CCUS示范項(xiàng)目規(guī)模與行業(yè)分布

圖表, 氣泡圖

描述已自動生成

圖片來源:《面向碳中和的氫冶金發(fā)展戰(zhàn)略研究執(zhí)行摘要》,Mysteel

7.產(chǎn)品迭代升級

產(chǎn)品迭代升級核心思想是實(shí)現(xiàn)更少資源、更久使用。任務(wù)集中在開發(fā)更高強(qiáng)度的建筑汽車、機(jī)械等用鋼材料,具體產(chǎn)品設(shè)計如耐蝕鋼、耐候鋼、涂層鋼,以及功能性鋼鐵材料如硅鋼、耐磨鋼。

產(chǎn)品迭代升級的減碳量相對難以量化評估,但該路徑的減碳思路是增加產(chǎn)品使用年限從而減少生產(chǎn)量,因此我們認(rèn)為這部分減碳量已基本包含在粗鋼產(chǎn)量壓減的范疇中,不再另外計算。

 

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