中国钢铁行业二氧化碳排放达峰路径研究

汪旭颖，李 冰，吕 晨，管志杰，蔡博峰，雷 宇*，严 刚

1.生态环境部环境规划院,北京 100012

2.冶金工业规划研究院,北京 100013

钢铁行业是国民经济和社会发展的重要基础产业，也是我国重要的CO2排放源[1-3].新中国成立以来，我国钢铁行业实现了跨越式发展，在现代化建设进程中发挥了不可替代的支撑和推动作用.尤其是2000年以来，我国钢铁行业迅猛发展，产品产量快速增长.2000 年以来的国家统计年鉴数据显示，我国粗钢、生铁产量年均增速分别为11.1%、10.0%，2020 年产量分别达到10.65×108、8.9×108t[4]；我国粗钢产量在全球总产量中的占比从15%增至57%，生铁产量占比从23%增至63%[5].由于规模体量大和其生产工艺特性[6]，我国钢铁行业CO2排放贡献突出.据测算，我国钢铁行业能源活动中CO2排放量占全国CO2排放量的15%左右[1,7-9]，是仅次于电力行业的碳排放大户.

“十一五”以来，我国积极在钢铁行业推行节能减排战略，尤其是“十三五”时期，钢铁行业深入推进供给侧结构性改革，节能降耗、超低改造等工作取得了积极进展，吨钢综合能耗持续下降.中国钢铁工业协会统计数据显示，2020 年，我国重点钢铁企业吨钢综合能耗为545.27 kg/t(以标准煤计)，比2015 年下降了4.9%.尽管如此，当前我国钢铁行业作为资源能源密集型产业的属性仍未改变.长期以来，我国钢铁行业生产方式以长流程炼钢为主，对铁矿石资源以及煤炭、焦炭等能源高度依赖，导致资源能源消耗突出.2020 年，我国电炉钢产量占粗钢产量的比例仅为10%左右，相较于美国(71%)、欧盟(42%)以及全球平均水平(26%)存在较大差距；炼钢废钢比仅为22%，也显著低于美国、欧盟、日本等发达国家和地区的水平(30%～70%).

面对实现2030 年前碳达峰和2060 年前碳中和的总体要求，国内资源和环境约束将逐步趋紧，加之全球绿色竞争力主导权争夺日趋激烈，我国钢铁行业传统的资源能源密集型生产方式正面临严峻挑战.同时，多项研究[10-16]表明，作为世界上最大的钢铁生产和消费国，我国钢铁行业未来仍将保持较高位运行，给碳排放控制进一步带来压力，行业绿色低碳转型已迫在眉睫.一些基于资源能源视角的钢铁行业发展预测和研究[8-9,17]表明，未来我国废钢资源供给将逐步增加，有利于推动钢铁行业生产结构进一步调整，电炉钢占比将逐步提升，钢铁行业CO2排放量可显著下降.此外，近年来关于氢能炼钢和二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)等技术的讨论逐渐增多[18-26]，为未来钢铁行业低碳乃至零碳发展提供了展望空间.Ren 等[2]通过将可计算一般均衡(CGE)模型与自下而上的技术选择模块相结合，以我国钢铁行业2050年实现碳中和为目标，对行业低碳转型路径进行了研究，认为长期来看颠覆性技术的应用、电炉钢占比的提升以及能源供应部门的低碳化发展将对行业碳减排起到重要作用.李新创等[27]基于2 ℃和1.5 ℃的全球温控目标，从降低需求、能效提升、创新工艺等方面分别对我国钢铁行业低碳转型路径进行了分析，并预测了不同路径的减排贡献.

钢铁行业加快绿色低碳转型、尽早实现碳达峰并有效降碳，既是行业自身高质量发展的内在需要，也是支撑落实国家碳达峰、碳中和目标的客观要求.该文开展基于情景分析的钢铁行业CO2排放达峰路径研究，综合考虑经济社会发展、资源能源利用、工艺结构调整、低碳技术应用等因素影响，测算了我国钢铁行业CO2未来排放趋势，分析了影响钢铁行业碳排放的主要驱动因素，识别了推动钢铁行业碳排放尽早达峰的关键举措，以期为制定国家碳达峰、碳中和总体要求下的钢铁行业CO2排放控制策略提供参考.

1 方法与数据

1.1 技术路线

为系统研判钢铁行业发展趋势、CO2排放达峰时间、峰值以及达峰实现路径，该研究构建了包含产量预测模块、控制情景模块以及排放分析模块的研究框架，对不同阶段钢铁行业发展情景和CO2排放变化趋势进行预测分析，以支撑钢铁行业CO2排放达峰路径的研究和判断，总体技术路线见图1.

图1 我国钢铁行业达峰路径研究技术路线Fig.1 Approach framework of the carbon peak pathway study for China's iron and steel industry

该研究中钢铁行业CO2排放测算范围包括燃料燃烧排放、工业生产过程排放等直接排放以及净购入使用的电力、热力等间接排放，CO2总排放包括直接排放和间接排放两部分，CO2排放量计算方法如式(1)～(3)所示.产量强化政策情景，并对相应情景下的粗钢产量进行预测.

式中：Emitotal为 钢铁行业的CO2总排放量，t； Emid和Emiind分别为钢铁行业CO2直接排放量和间接排放量，t；EFcomb,i、EFindu,j、 EFind,k分别为钢铁行业燃料燃烧相关过程i、工业生产相关环节j以及外购电力、热力过程相关环节k的CO2排放因子；Ai、Aj、Ak分别为相应环节的燃料消费量、产品产量以及净购入电力或热力值.

1.2 行业发展预测方法

首先，该研究基于市场需求视角，不考虑产量控制政策的影响，采用消费系数法和分部门预测法两种方法对2021−2035 年我国粗钢产量进行预测，分别形成高需求情景和低需求情景2 个情景.其中，消费系数法[28](即高需求情景)立足于我国工业化发展所处阶段，综合参照“十二五”和“十三五”期间我国单位GDP 钢材消费系数的变化情况，结合对我国2021−2035 年经济社会发展的宏观形势判断(基于笔者所在团队内部行业达峰系列研究成果，相关参数取值见表1)，对未来钢材消费量及粗钢产量开展预测；分部门预测法(即低需求情景)采用基于物质流分析的自下而上的多部门预测分析方法，按照房屋建筑、机械、汽车、基建、家电等分类对不同部门钢材消费需求分别开展预测，各类产品用钢强度、生命周期等参数根据已有研究[9,13,29]选取.其次，在上述2 个市场需求情景的基础上，从产能产量控制、产品替代、标准提升、进出口调节等角度考虑产量强化控制政策的影响，建立高需求-强化控产和低需求-强化控产2 个对应的

表1 我国粗钢产量预测相关经济社会发展参数取值Table 1 Assumed values of economic and social development parameters related to crude steel production prediction in China

对于未来废钢资源量，根据中国工程院基于社会钢铁蓄积量折算方法下的废钢产出量评估结果[30]，并结合废钢进口形势判断综合确定.随着我国钢铁积蓄量的持续增长[30-31]，未来废钢产出量将进一步增加，2025 年和2030 年我国废钢资源年产出量预计分别为2.7×108～3×108和3.2×108～3.5×108t.考虑到再生钢铁原料进口已于2021 年初放开，未来国内废钢资源将进一步通过进口得到补充.参考废钢进口量历史最大值为2009 年的1 369×104t，笔者预计2021−2025年废钢进口量在1 000×104t 左右，2030 年之后或达到2 000×104t.综合判断，预计到2025 年、2030 年我国废钢资源供给量将分别在3.0×108和3.6×108t左右，分别为2020 年的1.2 和1.5 倍.

1.3 情景设置

排放控制情景设计模块以CO2排放控制措施相关参数为设计变量，设计一般排放控制情景与强化排放控制情景2 类.其中，一般排放控制情景设计原则为钢铁行业CO2排放控制力度保持当前水平不变；强化排放控制情景的设计原则为综合考虑资源基础、技术成熟度、经济可行性等因素，从加大废钢资源利用、推进电炉短流程炼钢、提高系统能效水平、部署低碳前沿技术等方面对钢铁行业CO2排放加强控制，同时，考虑电力行业低碳发展对钢铁行业CO2间接排放的影响(2021−2035 年电力行业CO2排放绩效预测值基于行业达峰系列研究成果确定，见文献[32])对行业CO2排放量进行测算.将上述2 类CO2排放控制情景与1.2 节所述4 个产量情景相对应，共计得到8 个钢铁行业碳排放情景，情景设置原则见表2.将一般排放控制情景对应的4 个情景分别命名为高需求-一般控排、低需求-一般控排、高需求-强化控产-一般控排、低需求-强化控产-一般控排，强化排放控制情景对应的4 个情景分别命名为高需求-强化控排、低需求-强化控排、高需求-强化控产-强化控排、低需求-强化控产-强化控排.其中，不同情景的2021−2030 年炼钢废钢比取值根据相应情景下的粗钢产量和废钢资源量预测结果确定，其他控制措施相关参数取值综合考虑钢铁行业“减污降碳”治理现状、国家相关政策导向以及业内专家对相关低碳技术发展动向的预测等确定.

表2 钢铁行业碳排放情景设置原则Table 2 Setting principles of the 8 emission scenarios for the iron and steel industry

1.4 碳排放分析方法

排放分析模块基于粗钢产量和废钢资源量预测结果以及CO2排放控制情景对相关措施参数的设定，对不同情景下钢铁行业CO2排放变化趋势进行测算，并对各类控制因素的潜在减碳贡献进行动态评估，识别影响钢铁行业碳排放的主要驱动因素.在此基础上，判断钢铁行业CO2排放达峰形势，筛选推动钢铁行业碳排放尽早达峰并有效减碳的关键举措.

1.5 数据来源

该研究基准年为2020 年，研究时段为2021−2035 年，CO2排放趋势分析与控排效果评估以2021−2030 年为主.基准年钢铁行业产品产量、分类型能源消费量等活动水平数据来自国家统计局统计数据、全国第二次污染源普查数据以及国家环境统计数据等，能源活动及工业生产过程(主要包括熔剂使用、炼钢降碳)等相关排放环节的CO2排放因子根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)以及国家发展和改革委员会公布的相关推荐系数[33-36]确定.

2 结果与讨论

2.1 行业排放现状和特征

基于该研究确定的CO2核算边界和方法进行测算，2020 年我国钢铁行业CO2总排放量为18.1×108t，其中，直接排放16.0×108t，间接排放2.1×108t.CO2直接排放中，化石燃料燃烧、炼钢降碳及熔剂使用产生的CO2排放量分别为14.5×108、1.1×108和0.4×108t.化石燃料燃烧引起的能源活动排放是钢铁行业最主要的碳排放来源，占钢铁行业CO2直接排放量和总排放量的比例分别为90.6%和80.1%.从不同生产工序的贡献来看，钢铁行业CO2排放主要来自高炉炼铁、烧结(球团)、转炉炼钢、炼焦等工序环节，上述工序环节的CO2排放占比分别为72%、13%、9%、5%左右(见图2).由此可见，生铁冶炼以及烧结(球团)、炼焦等铁前工艺生产是当前我国钢铁行业CO2排放的重要贡献源，减少长流程生铁生产应作为钢铁行业源头控碳的重点方向予以考虑.

图2 2020 年我国钢铁行业CO2 排放构成Fig.2 Distribution for CO2 emissions of China's iron and steel industry in 2020

2.2 行业发展预测结果

行业发展预测结果显示，我国粗钢产量当前已在高位徘徊，预计将在“十四五”时期达峰，之后逐步下降，但2030 年前总体仍将保持较高水平(见图3).具体地，在高需求和高需求-强化控产情景设置下，我国粗钢产量将在2025 年达峰，产量峰值分别为11.3×108和11.0×108t，2030 年粗钢产量将分别降至10.5×108和10.0×108t；在低需求产量情景下，我国粗钢产量将在2021 年达峰，产量峰值为10.7×108t，2030 年粗钢产量将分别降至9.2×108t；在低需求-强化控产情景下，我国粗钢产量在2020 年达峰，2030 年粗钢产量将降至8.7×108t.

图3 不同情景下我国粗钢产量预测结果Fig.3 Prediction results of crude steel production under different scenarios in China

2.3 行业碳排放预测及达峰路径

2.3.1 行业二氧化碳排放预测结果

不同情景下钢铁行业CO2排放预测结果见图4.结果表明：一般排放控制情景下，钢铁行业CO2排放达峰趋势与产量达峰趋势保持一致.强化排放控制情景下，高需求-强化控排、低需求-强化控排、高需求-强化控产-强化控排以及低需求-强化控产-强化控排情景对应的钢铁行业CO2排放总量达峰时间分别为2024 年、2021 年、2022 年和2020 年，峰值为18.1×108～18.5×108t.具体地，高需求-强化控排情景下，钢铁行业碳排放在2021−2024 年处于峰值平台期，CO2直接排放量和总排放量分别在2021 年和2024年达峰，到2025 年、2030 年，CO2直接排放量分别比峰值减少0.3×108、2.7×108t，CO2总排放量分别比峰值减少0.4×108、3.0×108t.低需求-强化控排情景下，钢铁行业CO2直接排放量和总排放量均将在2021年左右达峰，到2025 年、2030 年，CO2直接排放量分别比峰值减少2.2×108、5.0×108t，CO2总排放量分别比峰值减少2.5×108、5.6×108t.高需求-强化控产-强化控排情景下，钢铁行业CO2直接排放量和总排放量均将在2022 年达峰，到2025 年、2030 年，CO2直接排放量分别比峰值减少0.5×108、3.3×108t，CO2总排放量分别比峰值减少0.6×108、3.7×108t.低需求-强化控产-强化控排情景下，钢铁行业CO2直接排放量和总排放量均在2020 年达峰，到2025 年、2030 年，CO2直接排放量分别比峰值减少2.6×108、5.8×108t，CO2总排放量分别比峰值减少3.0×108、6.5×108t.

图4 不同情景下我国钢铁行业CO2 总排放量变化趋势对比Fig.4 CO2 emission trends of the iron and steel industry under different scenarios in China

2.3.2 不同影响因素下CO2减排效果动态评估

为识别未来钢铁行业的主要CO2减排驱动力，结合该研究对钢铁行业产量情景与碳排放强化控制情景的相关设置，以2020 年为基准年，对粗钢产量变化、加大废钢利用(同时提高电炉钢生产比例)、能效水平提升、外购电力清洁化、发展氢能炼钢以及实施CCUS 等因素对钢铁行业CO2总排放量产生的影响进行分析，不同影响因素下的减排效果测算原则见表3.不同产量情景下，各类驱动因素对钢铁行业CO2排放的控制效果动态评估结果见图5.

图5 不同影响因素对钢铁行业CO2 减排效果的动态评估Fig.5 Dynamic evaluation results of CO2 emission mitigation effect of different factors on the iron and steel industry

表3 不同影响因素对钢铁行业碳排放影响的测算原则Table 3 Estimation principle on the effect of CO2 emission mitigations of different factors for the iron and steel industry

产量变化对钢铁行业碳排放的影响与产量预测情况紧密相关，在高需求产量情景和高需求-强化控产情景下，2025 年前，粗钢产量仍将继续增长，钢铁行业控碳压力将进一步加大；2025 年后，随着粗钢产量逐步下降，产量变化将对钢铁行业CO2控排产生积极作用.在低需求产量情景和低需求-强化控产情景下，产量变化分别在2021 年和2020 年后对CO2控排产生正向作用.综合4 个产量情景分析，到2025 年和2030 年，粗钢产量变化对钢铁行业CO2总排放量的削减贡献分别为−1.0×108～1.4×108t 和0.3×108～3.5×108t.

在其他影响钢铁行业碳排放的控制因素中，2021−2030 年期间，加大废钢资源利用、外购电力清洁化以及系统能效水平提升对钢铁行业CO2减排贡献较为突出.评估结果显示，在该研究的控制情景下，到2030 年，实施上述措施可实现的CO2减排量依次为1.7×108～2.4×108、0.5×108～0.6×108和0.3×108～0.4×108t.氢能炼钢和CCUS 可实现的碳减排效果与相关技术发展情况紧密相关，根据该研究的情景设置，到2030 年，以上两项措施可实现的CO2减排量相对较低，分别为0.1×108和0.01×108t 左右.

2.3.3 行业达峰路径判定及措施建议

基于不同情景下钢铁行业碳排放趋势(见图4)判断，我国钢铁行业CO2总排放量将在2020−2024 年达到峰值，行业CO2总排放量峰值为18.1×108～18.5×108t，直接排放量峰值为16.0×108～16.4×108t，达峰后到2030 年总排放量将下降3.0×108～6.5×108t，直接排放量将下降2.7×108～5.8×108t.总体而言，在高需求和高需求-强化控产情景下，即较长时期内粗钢消费需求仍相对旺盛、粗钢产量在“十四五”处于峰值平台期的情况下，在现有力度基础上进一步强化碳排放控制可推动我国钢铁行业碳排放达峰时间提前1～3 年，并推进2030 年行业CO2总排放量较一般排放控制情景分别减少2.3×108和2.5×108t；在低需求和低需求-强化政策的产量情景下，即当前粗钢消费需求已近峰值、未来逐步降低的情况下，强化碳排放控制可推动我国钢铁行业碳排放达峰时间提前0～1 年，并推进2030年行业CO2总排放量较一般控制情景分别减少2.9×108和3.1×108t.

从各项人为控制措施的CO2减排潜力来看，加大废钢资源利用、外购电力清洁化以及提升系统能效水平的CO2减排效果最为突出，是有效降低钢铁行业碳排放的重要途径.在该研究设定的强化排放控制情景下，到2025 年，上述3 类措施对行业CO2减排总量(与一般控制情景相比)的贡献率分别为49%～69%、15%～27%和13%～22%；到2030 年，上述措施的减排贡献分别为59%～72%、15%～22%和10%～15%.因此，围绕落实碳达峰相关要求，2030 年前钢铁行业应重点从加大废钢资源利用力度、提升系统能效水平以及提高绿电使用比例等方面加快推进绿色低碳转型发展；同时，着眼实现碳中和愿景的需要，应坚持短期与中长期工作相结合，加快推进氢能炼钢、CCUS 等低碳前沿技术的部署.

3 结论

a) 基于情景分析的钢铁行业碳排放路径研究显示，我国钢铁行业CO2将于“十四五”时期达峰并在之后逐步下降，可为全国实现碳达峰目标发挥重要贡献.钢铁行业CO2总排放量有望在2020−2024 年期间达到峰值，行业CO2总排放量峰值为18.1×108～18.5×108t，直接排放量峰值为16.0×108～16.4×108t，达峰后到2030 年CO2总排放量将下降3.0×108～6.5×108t，直接排放量将下降2.7×108～5.8×108t.

b) 根据不同情景下我国钢铁行业CO2减排效果动态评估结果，粗钢产量是决定我国钢铁行业碳排放能否快速达峰的关键，加大废钢资源利用、推进外购电力清洁化和提高系统能效水平是钢铁行业实现碳排放达峰和有效降碳的重要途径，氢能炼钢和CCUS 等前沿低碳技术在2030 年前对钢铁行业碳排放控制的贡献作用相对有限.到2030 年，粗钢产量降低、加大废钢资源利用、推进外购电力清洁化、提高系统能效水平以及氢能炼钢和CCUS 等前沿技术对钢铁行业CO2减排贡献分别为11%～52%、34%～52%、7%～20%、5%～13%和2%～3%.

c) 2030 年前，加大废钢资源利用是对钢铁行业降碳具有最突出贡献的控制途径，应充分发挥废钢对铁矿石在钢铁冶炼过程中的原料替代作用，将其作为钢铁行业碳排放达峰行动的核心举措加以推动实施.随着社会钢铁蓄积量的逐渐增长，我国未来废钢资源供给量将逐渐增加，炼钢废钢比具有较大提升空间，有利于推进钢铁资源循环回收利用和生产方式低碳转型.到2030 年，我国炼钢废钢比有望提高到33%～40%，加大废钢资源利用可带动钢铁行业实现CO2减排1.7×108～2.4×108t 左右.实施电炉短流程炼钢是提高废钢资源利用水平、削减钢铁行业碳排放的重要手段，同时也是减少污染物排放的重要措施.建议应统筹考虑减污降碳要求和区域资源能源条件，加快推进我国电炉短流程炼钢工艺发展，优化调整钢铁产业结构和空间布局，尤其加强对京津冀及周边地区等重点区域的短流程炼钢布局和部署，推动“降碳”与“减污”进一步协同增效.