碳中和目标下我国钢铁行业的挑战与机遇
钢铁行业要实现碳中和必须依赖众多创新技术，如CCUS、生物质能源、电解氢与可负担的清洁电力等。目前许多促进减排的技术还未商业化，大规模转向近零排放技术存在较大的不确定性。未来10年的加速创新对中长期近零排放技术的部署至关重要，加快配套设施和相关产业的协同发展也十分关键。
背景
钢铁行业是社会经济发展的重要支柱，在全球工业化进程中起到了不可替代的作用。同时，钢铁行业能源高度密集的特点使其产生了大量的碳排放，对全球气候变暖造成了不容忽视的影响。据IEA预计，要实现全球气候目标，2050年钢铁行业直接碳排放必须比2019年减少50%以上。2020年9月，中国提出了2030年前碳排放达峰、2060年实现碳中和的宏伟目标。未来几十年，我国钢铁行业将面临巨大的低碳转型压力。
一我国钢铁行业发展现状
01发展规模
我国钢铁行业粗钢产量自2009年以来保持年均5.61%的增速，高于全球平均增速4.2%，2019年产量达到9.96亿吨。我国粗钢产量在全球的比重从2009年的46%提高至2019年的53%，自2017年起连续3年超过全球的一半。
2019年粗钢产量排名前10的钢铁企业中，中国钢铁企业占据6席，依次是宝武集团、河钢集团、沙钢集团、鞍钢集团、建龙集团和首钢集团。其中国内排名第一的宝武集团粗钢产量与全球排名第一的安塞尔米塔尔十分接近。
数据来源：世界钢铁协会
02能源消费与碳排放
钢铁行业是能源消耗高度密集型行业。2019年全球钢铁行业能源消费量约占最终能源消费的8%，产生直接二氧化碳排放2.6Gt，约占能源直接碳排放的7%；在我国，钢铁行业是能源消费总量最大的制造业行业。自2008年以来，我国钢铁行业能源消费总量呈现出先上升后下降的变化趋势。2014年增长至峰值6.93亿吨标煤，随后逐步下降，2017年下降至6.09亿吨标煤。钢铁行业占全社会能源消费的比重在近年来缓慢下降，到2017年约占全社会能源消费总量的13.6%。
数据来源：国家统计局
钢铁行业消费的能源主要是煤炭，用作还原剂和燃料，其次是电力和天然气。2019年全球钢铁行业煤炭消费量占其能源消费总量的75%左右。根据国家统计局最新数据，2017年我国钢铁行业能源消费中煤炭占比接近90%，大幅超过全球平均水平，低碳能源渗透率很低。
我国钢铁行业碳排放量占全球钢铁行业碳排放总量的60%以上，占全国碳排放总量的15%左右，是我国碳排放最高的制造业行业。2018年，我国钢铁行业碳排放达18.84亿吨，粗钢产量9.28亿吨，吨钢二氧化碳排放2.03吨（文献6），高于2018年全球平均排放强度1.85吨。从全球平均吨钢碳排放的变化来看，近年来并未出现突破性进展，钢铁行业的脱碳进程缓慢而艰难。
数据来源：世界钢铁协会
03工艺路线
粗钢是钢铁行业最重要的中间产品，粗钢生产是钢铁行业最关键的生产环节。根据原料的不同，全球主要粗钢生产工艺可分为两类：第一类是将铁矿石还原为粗钢的工艺，具体包括高炉-转炉法（BF-BOF）、熔融还原法（SR-BOF）和直接还原法（DRI）；第二类是将废钢重新冶炼为粗钢的工艺，即基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF）。
高炉-转炉法（BF-BOF）是在高炉中投入焦炭、洗精煤等化石燃料作为还原剂和燃料，将球团矿或烧结矿熔化、还原为铁水，铁水进入转炉吹炼，除去杂质和多余的碳，产出粗钢；直接还原法（DRI）是利用煤炭或天然气制备的还原剂将固态的铁矿石直接还原为铁，还原出的铁通常会在电弧炉中冶炼为粗钢，这一工艺称为直接还原铁-电弧炉法（DRI-EAF）；基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF）是以钢铁生产过程中产生的边角料和从社会回收的废钢作为原料在电弧炉中冶炼生产粗钢。
图：粗钢主要生产工艺路线∣来源：世界钢铁协会
在所有粗钢生产工艺中，高炉-转炉法（BF-BOF）、直接还原铁-电弧炉法（DRI-EAF）和基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF）三种工艺生产的粗钢占全球粗钢产量的95%，其中又以高炉-转炉法（BF-BOF）最为常见，其产量约占全球粗钢产量的70%。
不同工艺路线的能源投入结构存在较大区别。高炉-转炉法约89%的能源投入来自煤炭；而电弧炉法（包括直接还原铁-电弧炉法和基于废钢的电弧炉法）仅有11%的能源投入来自煤炭，相比高炉-转炉法具有更加低碳的能源结构。在电弧炉法中，煤炭、天然气主要由直接还原铁-电弧炉法消耗，用于制备还原剂；基于废钢的电弧炉法基本只消耗电力。
数据来源：世界钢铁协会
三种工艺不同的能源投入结构对于其生产粗钢的碳排放强度有着决定性影响。据IEA和世界钢铁协会研究，吨钢碳排放从高到低依次为高炉-转炉法（BF-BOF）、基于天然气的直接还原铁-电弧炉法（Natural gas-based DRI-EAF）和基于废钢的电弧炉冶炼法（Scrap-based EAF），分别为2.2tCO2/t、1.4tCO2/t和0.3tCO2/t。
数据来源：IEA
