“双碳”背景下的山西省钢铁行业低碳发展路径

＊吴海滨 姚茜 申远 高宏宇 赵瑞彤

（1.山西大学资源与环境工程研究所 山西 030006 2.襄垣县山大固废产业研究院 山西 046299 3.天津泰达低碳经济促进中心 天津 300457 4.山西大学经济与管理学院 山西 030006）

自我国确立“碳中和”“碳达峰”目标以来，钢铁行业的低碳发展备受各行各业重视。在基础工业中，钢铁行业占到了重要地位，该行业作为物质基础在国防建设以及国家的经济发展中扮演着重要的角色，也是一个国家衡量工业化的重要标志。山西作为钢铁产量大省，在“双碳”政策的实施下，面临着巨大的减排压力。

1.钢铁行业现状

(1)中国钢铁行业现状

我国钢铁行业的二氧化碳排放量已经占据全国碳排放量的16%以上[1]。2017年以来钢铁行业受到景气度逐年回升的影响，在较高的利润驱动下，通过产业转型升级、兼并重组等手段提高生产效率，产能利用率得到了明显提升，钢铁产量呈现上升趋势[2]。至2020年，全国生铁、粗钢和钢材产量分别达到8.88亿吨、10.65亿吨和13.25亿吨，分别增长9.8%、7.0%和10.0%，由此可见，粗钢产量再创历史新高；2021年，在我国能耗双控、行业严格限制新增产能等政策限值及下半年普遍限产的背景下，粗钢产量首次呈现下降势态。

(2)山西省钢铁行业发展现状

①产能情况。山西省“十二五”期间粗钢产量呈现波动变化，先增后减；“十三五”期间，山西省粗钢产量逐年上升，2020年达到6637.8万吨。表1为2011年—2020年山西省粗钢产量占全国比重，山西省粗钢产量在全国的比重在“十二五”期间波动变化，在“十三五”期间持续上升，到2020年粗钢产量占比已经达到6.23%。

表1 2011—2020山西省粗钢产量全国占比情况

2013年后山西省大量钢铁企业关闭，至2017年后企业数量开始稳定并逐步增多，截止2020年，山西省现存130余家钢铁企业，如图1所示。可以看出，山西省钢铁产量、行业营收、企业数量变化趋势呈现出高度一致。

图1 山西省2011—2020年钢铁企业数量变化情况

山西省重点构建太原、临汾、吕梁、运城和晋城五大钢铁行业聚集区，聚集区内分布着大量以钢铁产业为主导的工业园区及龙头钢铁企业，如表2所示。

表2 山西省主要钢铁工业园区

②产业链现状。由于山西省具有煤炭、焦炭、铁矿的资源优势及成本优势，形成了“资源型”的钢铁产业链，如图2所示。目前，山西省钢材呈现供大于求的现状，钢材需求量仅超过2000万吨，这是由于钢铁产业链过度集中在产业链中游即钢铁加工制造环节，产业链下游应用市场存在较大的缺口。针对目前的钢铁产业链问题，山西省计划通过“资源型”向“产业集群型”转变来解决，第一，装备升级改造，生产智能化，提升生产效率和优化生产流程；第二，产业集群化、链条化，保证资源的有效利用和壮大下游产业发展机会；第三，绿色低碳，符合时代背景，可持续发展。

图2 山西省钢铁产业链图谱

2.钢铁行业碳排放现状

(1)中国主要钢铁大省碳排放情况

钢铁行业能耗量约占我国工业总能耗的15%，二氧化碳排放量占我国碳排放总量的16%左右[3]。以河北省、山西省、天津市三大钢铁省市作为对象，对比二氧化碳排放情况。从碳排放强度方面，河北省吨钢二氧化碳排量在“十四五”期间波动较大，除2018年外，其余年份与全国均值差距不大；山西省碳排放强度呈现逐年下降趋势，在2019年、2020年已经与全国平均值持平，如图3所示。

图3 主要钢铁大户吨粗钢产量二氧化碳排放量

(2)钢铁行业主要工艺及碳排放情况

目前钢铁产业工艺主要分为长流程炼钢和短流程炼钢两种[4]。长流程炼钢在生产过程中所排放的二氧化碳量远远大于短流程生产工艺的排放量。表3及图4为长流程及短流程炼钢主要工序碳排放量，其中长流程炼钢的高炉工序是最主要的碳排放环节[5]，占碳排放总量的73%。从污染方面，短流程生产工艺所排放的废气远小于长流程，仅为长流程的20%。

表3 长流程及短流程炼钢关键工艺参数

图4 长流程炼钢主要工序碳排放量

3.山西省钢铁行业存在的问题

(1)低碳技术应用处于初期，碳排放高于全国平均水平

参照国家统计数据，全国钢铁行业产能利用率为78%左右，同期山西粗钢产能利用率仅为61.52%，较全国平均水平低16.48个百分点；从碳排放情况来看，全国平均直接碳排放（不包括工业生产过程）强度为1.49吨CO2/吨钢，山西省碳排放强度为1.51吨CO2/吨钢，略高于全国平均水平[6]。

(2)废钢资源贫乏，短流程炼钢占比低

据统计山西15家废钢企业日废钢加工量约1.6万吨，年废钢加工量约600万吨，已经有较为明显的增幅，但是仍不能满足太钢集团年千吨粗钢产量的废钢原材料需求，表4为废钢铁应用协会主要成员及废钢年加工量。

表4 山西省废钢铁应用协会主要成员单位及废钢年加工量

(3)产业链短，链端低碳排放领域缺口大

山西铁矿资源丰富，根据不完全调查，代县铁矿储量超过10亿吨、繁峙超过6亿吨，但目前各钢铁企业很少考虑向产业链上游延伸。同时，山西钢铁产业向产业链下游延伸度不高，从而表现出明显的产量大于需求的特征，导致山西钢铁产业与区域产业未能深度融合。

(4)产品结构单一，建筑用钢材产品占比大

山西省钢铁产品除太钢外，建筑用钢材居多，约占全省钢材产量的75%左右，产品结构相对单一，工业用途的钢材品种相对较少，同质化特征明显，没有形成区别于其他省份的主导产品，缺乏核心竞争力。此外，产业集中度低是导致钢铁企业创新驱动力和创新能力不强的重要因素。

4.钢铁行业低碳路径

(1)推广电弧炉冶炼法、直接还原铁等技术应用

①电弧炉冶炼法。工信部在2020年12月31日发布《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见(征求意见稿)》，要求我国到2025年电炉钢产量比例提升至15%以上，力争达到20%。山西省目前仅有太钢集团使用短流程电弧炉炼钢，综合考虑山西省省情，短期内大力推进电炉钢改造，提高电炉钢占比并不现实，而是需要对有技术基础的企业提升电弧炉冶炼工艺占比[7]。

②直接还原铁（DRI）。山西省作为全国首个能源革命综合改革试点地区，具有资源禀赋和产业基础优势，具备大力发展直接还原铁（DRI）的基础。以2019年为例，山西省粗钢总产量为6.028×107t，焦炭产量为9.696×107t，按电炉生产吨钢消耗40%DRI，焦炉煤气制氢耦合DRI技术路径可生产粗钢总量为7.845×107t，基本满足现阶段山西省对DRI的需求。因此针对山西省在短期内焦炉煤气制氢耦合DRI技术路径是适宜选择，在中长期可采用可再生能源制氢生产DRI[8]。

③优化高炉—转炉长流程工艺。由于山西存在废钢资源贫乏，短流成钢占比低的问题，因此，高炉—转炉长流程技术的改进决定了钢铁工业能否实现低碳发展[9]。首钢京唐、河钢等对高炉装料制度、造渣制度优化，提高风速及鼓风动能，从而将高炉入炉球团矿比例由30%逐步增加至55%（最高达到59%），吨铁CO2排放降低10%[10-11]。山西省应对工艺流程结构进行深度探究，打造低碳钢企业。

④其他技术。开发余热再利用技术是目前解决冷却废气余热和烧结烟气余热再利用最可行的途径[12]，不但可以降低空气污染物及热排放量，还可以提高项目的生态环境；发展应用氢冶金、全氧冶金技术[13]，进行铁—钢—轧全流程工程示范验证，目前，“氢冶金”技术未获得广泛应用的原因并不是技术的成熟度，而是成本问题[14]；鼓励使用可再生能源，提高发电比例，例如，针对电炉炼钢企业，可在风力发电[15]、光伏发电资源丰富的晋北地区建设生产线。

(2)推行循环化改造，构建网络共生体系

山西省重点构建太原、临汾、吕梁、运城和晋城五大钢铁行业聚集区，针对各集聚区内普遍存在产业链条短、废弃物利用率低、产业间协同能力不足等问题，构建网络共生体系[16]，推行集聚区及企业的循环化改造，例如太钢集团网络共生体系，如图5所示。针对有废钢回收加工能力的企业建议推动废钢加工企业和网络货运平台推进，成立废钢加工公司；建立废钢仓储加工配送中心；重要钢铁产业集聚区建立废钢加工配送基地。

图5 太钢集团网络共生体系示意

(3)推进兼并重组，产业链上下游延伸

各地产能过度扩张，供大于求，造成效率低下、资源浪费及部分地区污染物排放管理困难等问题促使并购整合成为山西省钢铁行业的必然选择。参照《山西省钢铁企业改造提升2022年行动计划》，重点推动晋南钢铁合并整合及省内外钢铁企业合并重组；山西省钢铁产业链上游原材料供应、下游应用市场等环节存在较大缺口[17]，大力发展精密铸造，积极引导钢铁企业与焦化、矿山、球团等产业链上下游企业合作，与新能源、环保等产业协同发展，并根据各聚集区或园区的产业现状进行“补强”或“延伸”，实现节能、降碳循环发展。

(4)推广应用以钢铁行业为核心的跨行业领域协同降碳技术

钢铁行业与机械、能源、建材等行业领域都可形成跨行业协同降碳。下游产业对钢铁在深加工方面有一定的需求，下游机械制造业也向钢铁企业提供更加完善的设备[18]，同时，废料或废旧机械可进行回收再利用；以煤气为媒介，钢铁产业在生产加工过程中未能充分使用的能源，在发电以及制备新能源的过程中合理利用，由此所产生的电力又可重新被钢铁业使用；钢铁业产生的大量尾渣和尾粉可作为筑路的优良材料，而高炉水渣则可作为标号水泥的投入原料[19]，同时钢渣经过高温后，其中含有的微量元素可被植物吸收，改良土壤。

5.结语与展望

钢铁工业是我国国民经济的主导产业、能源资源消耗和环境污染排放的重点领域，也是碳排放的大户。本文通过梳理钢铁行业的产业规模、分布特征、产业链、碳排放现状；分析存在产能利用率低、短流程炼钢比率低、工业用钢比率低、排放强度高、产业链条短等问题，进而结合实际，提出了技术工艺创新、循环化改造、网络共生体构建、产业链延伸、协同降碳技术等方面低碳发展路径和措施，为山西省钢铁行业绿色低碳发展提供借鉴。