雙碳背景下中國電爐流程發展戰略研究

上官方欽 崔志峰 周繼程 倪冰 李濤

關鍵詞：電爐流程;鋼鐵行業;碳達峰;碳中和;發展路線圖

0 引言

鋼鐵工業是技術、資本、資源、能源密集型行業，也是國民經濟的重要基礎產業。改革開放以來，中國鋼鐵產業迅猛發展。自1996年起，中國粗鋼產量已連續27年位居全球第一。特別是近年來，中國粗鋼產量在全球中的比例超過了50%，2022年粗鋼產量更是達到10.13億t。鋼鐵產業涉及面廣、產業關聯度高，在國家經濟建設、社會發展、財政稅收、國防建設以及穩定就業等方面扮演著重要角色，是國家經濟水平和綜合國力的重要標志，有效地支撐了國家GDP的快速增長。

但同時，大規模的鋼鐵工業生產過程也造成了大量CO2等溫室氣體的排放，一定程度上加劇了全球氣候變暖等系列生態環境問題。對此，在第75屆聯合國大會一般性辯論上，習近平總書記代表中國發表重要講話，提出中國CO2排放量力爭于2030年達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。為積極響應黨中央號召，近年來，各部委也陸續發布《工業領域碳達峰實施方案》《關于促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》等一系列政策文件，為鋼鐵工業全面、協調、綠色、可持續和高質量發展提出了明確的指導意見，其中有序引導全廢鋼電爐流程的發展是一大重要方向。因此，在這一“雙碳”背景下，本文就未來中國電爐短流程發展面臨的困難挑戰、所需的資源-能源保障、發展模式、技術結構以及低碳發展路線圖展開系統研究。

1 中國鋼鐵行業碳排放現狀

據國際能源署（IEA）發布的《2022年CO2排放量》（即“CO2 Emissions in 2022”）報告顯示，受Covid-19及俄烏沖突等國際形勢的影響，2022年全球因能源消耗引起的CO2排放總量較2021年增長了0.9%，達到了368億t， 為歷史新高。而中國2022年因化石燃料燃燒引起的CO2排放總量較2021年略有下降，減少了約0.2%。其中，工業部門（鋼鐵、水泥、化工等行業）引起的CO2排放量相較于上年減少了1.61億t，為全國CO2排放總量的降低作出了巨大貢獻。但由于中國鋼鐵行業歷史粗鋼產量及CO2排放量基數較大，因此仍面臨著較嚴峻的碳減排壓力。

作者曾在《鋼鐵行業“碳達峰”“碳中和”實施路徑研究》一文中，對1991—2018年中國鋼鐵行業CO2排放總量及噸鋼CO2排放強度進行詳細測算，在此基礎上，本文參考歷年《中國能源統計年鑒》中統計的黑色金屬冶煉及壓延加工業消耗的各類終端能源數據，對1991—2021年中國鋼鐵工業引起的直接碳排放量（化石燃料燃燒引起的CO2排放、生產過程引起的CO2排放）、間接碳排放量以及產品固碳抵扣量展開詳細測算，具體結果如圖1所示。

通過圖1可以發現，中國鋼鐵行業的CO2排放主要是由煤、焦炭等化石能源消耗引起的，由外購電力消耗引起的間接排放、熔劑/電極消耗引起的過程排放相對較少。這一結果也與目前中國鋼鐵行業以煤炭消耗為主的能源結構相吻合。

大量的煤炭資源消耗也與中國鋼鐵行業當前的流程結構有著密不可分的關系。中國鋼鐵工業長期以高爐-轉爐長流程為主，其煤炭耗量的比例高達能源總耗量的89%。為深入探究長流程和短流程在CO2排放方面的差異，本文選取國內2家典型鋼鐵生產企業，以生產1 t粗鋼為例，分別對其造成的CO2排放量進行對比計算，分析結果如圖2所示。

通過結果分析可以發現，傳統高爐-轉爐長流程生產1 t粗鋼引起的CO2排放量約為1 951.8 kg，高于電爐短流程的453.3 kg；同時，長流程CO2排放主要是由化石燃料燃燒引起的，短流程CO2排放主要是由外購電力消耗引起的。因此，在嚴峻的“雙碳”背景下，合理有序地發展電爐短流程具備較大的降碳潛力，分析研究電爐短流程的發展戰略對鋼鐵行業的綠色低碳轉型具有重要意義。

2 電爐流程發展面臨的困難及挑戰

雖然電爐流程相較于傳統長流程而言，會給企業帶來巨大的減碳效益，但就目前鋼鐵行業的發展形勢來看，未來中國電爐流程的發展道路依然困難重重，主要挑戰有以下幾點。

1）電爐鋼生產成本較高，企業利潤空間不足。

李偉堅等綜合考慮金屬料（廢鋼、鐵水）、電力、電極、耐火材料、輔料（石灰、白云石）、燃氣（氬氣、氧氣、天然氣）等因素，對長、短流程噸鋼生產成本進行計算分析；阮清華等通過對國內廢鋼供需情況及煉鋼原料價格統計分析后，對比計算了2類流程噸鋼的生產成本。上述研究工作得到相似的結論，即電爐煉鋼生產成本主要受廢鋼、電力、電極等價格波動的影響，當前中國電爐煉鋼的平均生產成本比轉爐煉鋼成本高500～600元/t， 當廢鋼價格低于鐵水價格350～500元/t時，電爐煉鋼生產成本才能低于轉爐煉鋼。

2）電爐鋼比偏低。

圖3所示為2001—2021年間世界主要產鋼國電爐鋼比的變化情況。可見，近20年間，中國電爐鋼比例均保持在10%上下波動；2021年，中國電爐鋼比為10.6%，相較于世界平均水平28.9%、美國69.2%、德國30.2%、韓國31.8%、日本25.3%、印度55.2%的電爐鋼比而言，差距顯著。因此，中國電爐短流程的發展還有很長的路要走。

3）廢鋼資源短缺，廢鋼流向不合理。

近年來，雖然中國廢鋼資源量逐年升高，但由于粗鋼產量基數巨大，導致鋼鐵行業廢鋼比（約20%）處于較低水平，與世界平均水平（約40%）存有一定差距。同時，在廢鋼資源緊缺的情況下，鋼鐵行業可用廢鋼資源大部分流向了高爐-轉爐長流程，使得電爐流程所需的廢鋼資源無法保證供給，進一步限制了電爐流程發展。中國2016—2021年間廢鋼資源流向情況見表1。

4）諸多電爐流程優化技術及低碳制造技術待研發。

當前中國電爐流程生產工藝技術的研發重點多集中在單體技術方面，如廢鋼預熱、電爐連續加料等，而忽視電爐流程優化及設計方面的研究。除此之外，電爐流程在生產過程中也存有許多環境污染問題，如廢鋼加工過程中造成的二次污染、電爐冶煉過程中造成的二英排放、原料/產品運輸過程中引起的間接排放以及電爐渣等固體廢棄物造成的環境污染等。因此，若想實現電爐流程“近零碳”冶煉，還需諸多低碳工藝作為技術支撐。

3 電爐流程發展趨勢預測

3.1 廢鋼資源保障

廢鋼資源保障供應是電爐短流程高質量發展的基礎，根據作者在《2022—2060年中國廢鋼資源量分析預測》一文中的預測結果可以發現，未來中國的廢鋼資源總量是充足的；預計2030年中國廢鋼資源量有望超過3億t， 2035年突破4億t， 2045年有望達到5億t， 隨后會有小幅波動。因此，未來中國的廢鋼資源可以為電爐流程的發展提供必需的資源保障。

為了保證充足的廢鋼資源合理穩定地流向電爐鋼鐵企業，國家及行業還需在頂層設計上出臺相應政策。如：1）明確廢鋼回收企業所得稅核算方法，補充并完善財稅征管條例，促進資源再生業健康發展；2）堅決取締“稅收洼地”，明確“違法違規”財政返還的范圍，查處地方政府各種變相的財政返還政策，引導企業脫虛向實，回歸真實交易；3）著力培育廢鋼加工配送的龍頭企業，重點打造一批示范標桿企業，進一步提高廢鋼加工企業集中度的同時，形成可示范、可推廣的商業模式。

3.2 電力能源保障

根據國家統計局相關統計數據，近20年來，中國電力總發電量由2000年的1.36×1012 kW·h增長至2021年的8.39×1012 kW·h。其中，黑色金屬冶煉及壓延加工業（鋼鐵行業+鐵合金行業）的電力消費量隨著粗鋼產量增長也呈現逐年緩慢增長的趨勢，由2000年的1.12×1011 kW·h增長至2021年的6.36×1011 kW·h（含鋼鐵企業自發電量），占全社會用電總量的8%～10%。具體數據如圖4所示。

舒印彪院士團隊綜合考慮經濟增長、產業結構調整等諸多影響因素，建立了未來電力資源需求量預測模型，對中國2023—2060年間全社會用電需求量進行預測計算。研究結果顯示，未來中國電力需求量將逐年增加，預計2030年全社會用電量可達1.18×1013 kW·h， 2060年達1.57×1013 kW·h。在相同的社會及經濟發展假設背景下，本文建立了鋼鐵行業能源結構預測模型，該模型充分考慮未來鋼鐵行業粗鋼產量削減、生產流程結構調整、節能降碳技術應用等多方面因素，對2021—2060年中國鋼鐵行業雙碳進程中能源結構變化情況進行了預測展望，預測結果如圖5所示。

由圖5可知，未來40年間，中國鋼鐵行業隨著粗鋼產量的削減，對電力的需求量將保持在3×1011～5×1011 kW·h， 鋼鐵行業電力需求量在整個社會電力需求量中的比例也將由當前的8.7%逐步下降至3%～4%。由此可見，未來中國的電力資源量完全能夠滿足鋼鐵行業流程結構優化過程中所需的電力資源量，將為電爐流程的發展提供堅實的電力能源保障。

3.3 電爐流程比例測算

根據未來中國鋼鐵行業可用廢鋼資源量，本文構建流程結構測算模型，對2060年前中國3類鋼鐵制造流程（即高爐-轉爐流程、全廢鋼電爐流程、氫還原-電爐流程）的比例進行簡要測算，計算結果如圖6所示。

根據模型的測算結果，隨著廢鋼資源量的增加，未來中國鋼鐵工業的鐵素資源結構以及制造流程結構將會改變，全廢鋼電爐短流程比例將逐年升高，預計2030年有望達到20%左右；2035年有可能進一步提升至30%以上；2040年后將成為中國主要鋼鐵制造流程。

4 電爐流程發展模式

受鋼鐵產品結構、設備服役壽命等多重因素的影響，高爐-轉爐長流程在中國鋼鐵工業流程結構中仍將占據主導地位，未來在推動電爐流程發展的進程中，需做到有序推進、循序漸進。對此，可以借鑒美國Minimill鋼廠的發展經驗，以電爐流程生產量大面廣的螺紋鋼、線材為切入口，逐步替代并淘汰中小高爐、轉爐以及配套的焦化、燒結等生產設備；適當布局以“兩鏈一流”系統為核心的“城市鋼廠”，并根據產品需求形成以下3類主要的發展模式（圖7）：全廢鋼電爐流程替代中小高爐，生產螺紋鋼等長材；返回法與近終型制造技術結合，生產優特鋼、不銹鋼、硅鋼、熱軋薄板帶等；氫還原-電爐流程生產國防軍工、高新技術產業等所需的特殊鋼材。

此外，考慮到電爐冶煉在產品質量及產品種類方面存在一定局限性，中國鋼鐵工業在有序推進電爐流程發展的同時，也要關注高爐-轉爐長流程的技術革新，促進兩者協同發展，逐步將中國鋼鐵企業建成以下2類布局：1）以生產建筑用長材為主的全廢鋼電爐短流程鋼廠（城市鋼廠），主要是布局在廢鋼資源豐富的城市周邊，以消納城市周邊產生的廢鋼、棄電、城市中水等社會廢棄物，與城市和諧相處；2）以生產板材為主的大型鋼鐵聯合企業（高爐-轉爐長流程），主要布局在沿海港口，以滿足中國發展過程中對部分高精尖鋼材的消費需求。

5 電爐流程技術結構

在《冶金流程工程學》的理論指導下，中國電爐流程的技術結構應該從只注重產品制造功能逐步拓展到“三個功能”上。因此，本節就從“生產流程設計及優化”、“產品制造低碳技術”、“物流運輸綠色技術”以及“廢棄物資源化利用技術”等4方面來概述未來中國電爐短流程的技術結構。

1）流程設計優化技術。

在進行電爐生產制造流程設計時，要注意物質流網絡、能量流網絡、信息流網絡的合理化構建以及“三網”動態協同運行；要構建易于數字化、網絡化的簡捷的流程物理系統；要進一步深化時-空概念，不斷改進“煉鋼-連鑄”、“連鑄-軋鋼”等界面技術，進而建立起高效、節能、綠色的新型電爐流程。

2）產品制造低碳技術。

電爐生產流程主要由廢鋼加工、電爐冶煉、爐外精煉、連鑄、軋鋼5大工序構成，就各工序近、中、遠期可采用的高效低碳冶煉技術進行了整理與歸納，結果見表2。

3）物流運輸綠色技術。

對于傳統的鋼鐵生產企業而言，需要利用貨輪、火車等交通工具從澳洲、美洲等地區進口礦產資源，鋼鐵產品又需要通過火車、貨車等運輸到鋼材市場進行銷售，這一運輸過程往往會造成大量的CO2間接排放，也會增加企業的生產成本。而電爐鋼鐵企業可利用城市內部及周邊產生的廢鋼資源生產鋼鐵產品，以此來滿足城市及周邊的鋼材消費需求。因此，相較于傳統鋼鐵企業而言，電爐鋼鐵企業（城市鋼廠）的交通運輸距離較短、任務較輕，憑借這一優勢，未來可考慮以“氫燃重卡”替代“柴油重卡”，構建綠色物流運輸網絡。

4）廢棄物資源化利用技術。

電爐鋼鐵企業產生的固體廢棄物主要以電爐渣為主，據相關研究數據表明，冶煉生產1 t粗鋼會產生約100 kg爐渣，若不加以處理，將會對環境造成巨大的污染。但電爐渣其實是鈣、鐵、銅、硅、鎂、鋁、磷等氧化物的組合，在經過處理加工后，可用做生產水泥，用做生產建筑中的保溫、隔熱材料，還可以用做冶煉過程中的熔劑或澆筑鋼錠的保護渣等，用途豐富，這樣也可以降低鋼渣對環境的污染。

6 電爐流程低碳發展路線圖

為了繪制中國電爐流程的低碳發展路線圖，本文構建了雙碳分析模型，并作出如下假設：

1）中國發展電爐流程初期，其噸鋼碳排放強度基準值（以CO2計）取0.45 t/t（根據典型全廢鋼電爐流程鋼廠生產實際數據測算得到）。

2）綜合考慮電力能源結構調整對電爐鋼鐵企業CO2排放量的影響，根據國家電網測算的數據顯示，未來隨著可再生清潔能源發電比例的提升，中國電力碳排放因子將逐年降低，具體變化趨勢如圖8所示。

3）綜合考慮表2中各工序低碳生產技術應用對電爐鋼鐵企業CO2排放量的影響，結合各工序低碳技術的降碳原理，對表2中各技術的噸鋼降碳潛力進行了簡要測算，測算結果見表2。

4）綜合考慮電爐渣等固體廢棄物資源化利用對電爐鋼鐵企業CO2排放量的影響，設定全廢鋼電爐的噸鋼爐渣產量為100 kg， 電爐渣用于建筑等行業帶來的降碳量（以CO2計）約為0.2 kg/t（渣），且與建筑行業均分減碳效益。

根據以上假設條件，分別從工序及時間2個層面繪制了中國電爐流程低碳發展路線圖，分別如圖9和圖10所示。

對于工序層面而言，在電爐冶煉生產全流程中，電爐工序的減碳潛力（以CO2計）最大，高達178 kg/t（鋼），占整個流程降碳潛力的40.7%；其次是軋鋼工序，其減碳潛力（以CO2計）約為161 kg/t（鋼），占整個流程降碳潛力的36.7%；然后是精煉工序，其減碳潛力（以CO2計）約為54 kg/t（鋼），占整個流程降碳潛力的11.7%；除此之外，鑄軋界面、連鑄工序、爐渣利用、鋼鑄界面以及公輔也具有一定的降碳潛力，雖小但也不可忽視。

對于時間層面而言，隨著各工序節能降碳措施的落實，到2030年中國電爐流程的噸鋼碳排放強度（以CO2計）有望降低至292 kg/t（鋼），相較于2020年噸鋼碳排放強度降低35.1%；到2040年有望降低至114 kg/t（鋼），相較于2020年降低74.7%；到2050年有望實現電爐流程的“近零碳”冶煉。

7 結論

1）由于中國歷史粗鋼產量基數較大，鋼鐵行業面臨嚴峻碳減排壓力。高爐-轉爐流程是中國主要鋼鐵制造流程，其以煤炭為主要能源介質，大規模的煤炭資源消耗成為中國鋼鐵工業最主要的CO2排放源。相比之下，以電力為主要能源介質的電爐流程具備更大的降碳潛力，有序推進電爐流程發展對行業低碳綠色轉型意義重大。

2）未來中國廢鋼資源豐富，電力資源充足，若再配以完備的廢鋼稅收政策來引導廢鋼資源合理流向鋼鐵工業，便能夠為中國電爐流程發展提供必需的物質-能源保障。在此基礎上，進行初步預測，認為中國電爐流程比例到2030年有望達到15%以上；2035年有可能進一步提升至30%以上；2040年后將成為中國主要鋼鐵制造流程。

3）考慮到當前中國多數高爐及其配套生產設備均未達到服役壽命，因此在推進電爐流程的發展過程中，要循序漸進，可以電爐流程生產螺紋鋼、線材為切入口，逐步替代中小型高爐；同時，應根據鋼鐵產品需求，形成全廢鋼-電爐、氫冶金-電爐、電爐-近終形制造等3大類發展模式。

4）以《冶金流程工程學》理論為指導，未來電爐流程的技術結構應從產品制造拓展到“三個功能”上，應加強流程優化、低碳生產、綠色物流以及廢棄物消納等綠色低碳技術的研發及應用，進而最大程度地發揮電爐流程的降碳潛力，為鋼鐵行業實現“雙碳”目標提供技術支撐。

5）通過對中國電爐流程低碳發展路線圖的分析，從工序層面來看，電爐工序降碳潛力最大，其次是軋鋼工序，精煉、連鑄工序也具有一定的降碳潛力；從時間層面來看，隨著各類減碳技術的推廣應用，電爐流程的噸鋼碳排放強度將大幅度降低，并于2050年左右有望實現“近零碳”冶煉。

本文摘自《鋼鐵》2024年第1期