中國鋼鐵行業(yè)碳減排的技術及成本分析

近代以來，人類工業(yè)活動的不斷開展造成了二氧化碳、甲烷等多種溫室氣體[1]的排放急劇上升。以二氧化碳為主的溫室氣體會造成地球一系列的變化，冰川融化、海平面上升，進而引發(fā)大型甚至是超大型臺風、颶風、海嘯等自然災害。這使得全球氣候變暖和減少碳排放成為世界各國政府和人民關注的焦點。作為世界碳排放量的第一大國，中國碳減排工作的全面開展對于解決整個世界氣候變化問題的重要性是不容置疑的。鋼鐵行業(yè)作為我國碳排放占比最高的制作行業(yè)[2]，推動其率先達峰已經成為我國全面實現“雙碳”目標的重要環(huán)節(jié)。本文研究鋼鐵行業(yè)主要碳減排技術及其成本，本文在專家型MACC方法的基礎上，估計得到鋼鐵行業(yè)的邊際減排成本曲線，擬合出比較符合鋼鐵行業(yè)實際減排情況的減排成本曲線，有助于政策制定者評估不同碳減排政策的合理可行性，為中國鋼鐵行業(yè)的低碳綠色發(fā)展和碳達峰策略實現提供了重要保障。一、鋼鐵行業(yè)的發(fā)展現狀作為我國支柱性產業(yè)，鋼鐵行業(yè)為我國工業(yè)和國民經濟發(fā)展做出了巨大貢獻。鋼鐵行業(yè)涉及國家、企業(yè)和家庭的方方面面，消費拉動大，這使得其在經濟建設、社會發(fā)展、就業(yè)穩(wěn)定等各方面都發(fā)揮著重要作用。世界鋼鐵協會發(fā)布的數據顯示，2020年中國粗鋼產量10.53億噸，同比增長5.2%，占全球粗鋼產量的56.7%。由此可見隨著世界經濟的快速發(fā)展，我國鋼鐵產業(yè)已經取得了巨大的成就。盡管中國的鋼鐵行業(yè)已經具有較高的成本效益，但仍然存在著碳排放總量高、產業(yè)結構不合理、生產效率低和產能過剩等多種問題亟待解決。目前的鋼鐵生產工藝主要有以下三類，一是用高爐、轉爐和焦爐煉鋼（BF-BOF），也稱長流程工藝；二是用直接還原鐵（DRI）生產的電弧爐煉鋼（DRI-EAF），三是用廢鐵冶煉的電弧爐煉鋼（Scrap-EAF）。根據《鋼鐵統(tǒng)計年鑒2021》，中國粗鋼生產仍以BF-BOF工藝為主，占粗鋼總產量的90.8%，其具有較高的能耗和碳排放強度，CO2排放強度高達1.8～2.4噸。后兩種工藝統(tǒng)稱為EAF工藝，也叫短流程工藝，占粗鋼總產量的9.2%。Scrap-EAF工藝是把廢鋼作為為原料經加工后至電弧爐中直接煉鋼，全流程CO2排放強度僅為0.6噸/噸。DRI-EAF工藝是在低于礦石熔化溫度下，通過固態(tài)還原，把鐵礦石煉制成鐵的工藝過程全流程CO2排放強度約為1.4噸/噸。二、鋼鐵行業(yè)碳減排技術的路徑選擇（一）碳減排技術的路徑選擇本文研究選定了以下四條減排路徑：能源結構調整、工藝結構調整、節(jié)能減排技術推廣、CO2捕集利用與封存（CCUS）技術應用，并選取了各條路徑上共計31條節(jié)能低碳技術進行碳減排的成本分析。在能源結構調整部分，本文選擇了清潔高效的氫基高爐煉鐵和氫基直接還原煉鋼技術作為主要減排技術；在工藝結構調整部分，目前國內鋼鐵生產工藝仍以BF-BOF工藝為主，EAF工藝煉鋼產量卻僅占我國鋼鐵產量的9.2%，遠低于世界平均水平26.3%。為實現“雙碳”目標，要大力提升EAF工藝煉鋼占比；在節(jié)能減排技術推廣部分，本文根據《國家重點節(jié)能低碳技術推廣目錄》（2017）文件中公布的數據，從中挑選了影響鋼鐵行業(yè)碳排放量的26種主要減排技術參與成本核算；在CCUS技術應用部分，國際能源機構（IEA）預計，到2050年鋼鐵行業(yè)在實施了工藝技術提升、能效提高、低能耗與原材料替代等常規(guī)減排方法之后，還將剩下34%的碳排放量，即便DRI-EAF技術已實現了重大突破，殘余碳排放量也將達到8%，所以政府必須采取其他措施以徹底消除鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放量，CCUS技術就是一種可行性選擇。綜合考慮下，本文選擇把CCUS技術作為未來鋼鐵行業(yè)的主要減排技術參與到后續(xù)的核算當中。綜上所述，本研究圍繞上述4方面共選定31種技術進行減排成本及減排潛力分析。（二）碳減排技術減排潛力的成本核算鋼鐵行業(yè)CO2排放總量根據公式（1）計算：式中：TCE是鋼鐵行業(yè)2030年CO2排放總量；Output是2030年鋼鐵總產量，即8.8億噸；PRi是工藝i的產量占比，%；EIi是工藝i的碳排放強度。鋼鐵行業(yè)各種工藝的碳減排潛力根據公式（2）計算：式中：ERPi是工藝i在2030年的碳排放潛力，億噸；Outputi工藝i對應產品在2030年的產量，億噸；UERPi是工藝i相對于傳統(tǒng)工藝的單位產能減排潛力，噸/噸；PRi是工藝i在2030年的推廣比例。鋼鐵行業(yè)各種工藝的單位減排成本根據公式（3）計算：式中：UACi為工藝i的單位減排成本，元/噸；USCi為相對于傳統(tǒng)工藝的單位產能替換成本，元/噸。各種工藝的總減排成本根據公式（4）計算：式中：TACi為工藝i的總減排成本，元/噸。能源結構調整和工藝結構調整結構所對應技術的減排潛力和減排成本可按上述公式計算得出；節(jié)能減排技術推廣的推廣比例、減排潛力及減排成本是根據《國家重點節(jié)能低碳技術推廣目錄（2017年本，節(jié)能部分）》公布的官方數據來確定的；CCUS技術在我國的試點項目不多，本文參考其他學者以寶鋼湛江項目作為參考工廠進行CO2捕集的研究結果為標準，得到CCUS技術的單位減排成本為430元/噸。（三）邊際減排成本曲線通過計算得到上述各項減排技術的減排潛力與減排成本后，可基于邊際減排成本函數建立減排潛力與減排成本之間的關系。邊際減排成本函數有4種主要函數形式，其中著名經濟學家Nordhaus利用一般均衡模型提出的對數函數形式y(tǒng)=a+bln（x）由于具有較好的擬合效果得到了廣泛應用。因此本文選擇采用對數函數為基礎的邊際減排成本函數來擬合鋼鐵行業(yè)的減排成本曲線，具體計算形式見公式（5）：式中：MAC為邊際減排成本；An為減排量，億噸；Cn為CO2排放量；a和b為需要擬合的參數。通過對減排量An進行積分，可以得到減排潛力與總減排成本之間的關系，具體見公式（6）：式中：TACn為n行業(yè)的總減排成本。三、鋼鐵行業(yè)碳減排技術的成本分析（一）情景設置中國鋼鐵協會將鋼鐵行業(yè)碳達峰目標初步定為：2025年前，鋼鐵行業(yè)實現碳排放達峰；到2030年，鋼鐵行業(yè)碳排放量較峰值降低30%。為了更好地探尋鋼鐵行業(yè)碳達峰的減排路徑，本文假定鋼鐵產量為外生變量并參考選用張琦等（2021）[7]預測2020年就已經達到碳達峰的結論，即2030年鋼鐵行業(yè)的碳減排目標就是2020年碳排放量的30%，具體情景設置見表1。表1鋼鐵行業(yè)減排路徑情景設置（二）參照情景下的實證分析參照情景下，計算可得我國鋼鐵行業(yè)的平均減排成本為596元/噸，總減排潛力為1.75億噸，總減排成本為741億元，可見按現有規(guī)劃的速率推廣各項減排技術很難實現減排目標。假定能源結構調整和工藝結構調整的推廣比例達到100%的極端情況下，行業(yè)平均減排成本為596元/噸，總減排潛力為4.27億噸，總減排成本為2447億元，行業(yè)減排成本曲線的擬合曲線如圖2所示，該曲線的R2為0.58。由此可見，在維持原有的粗鋼產量水平下，僅僅依靠現有技術實現30%的碳減排目標難度和成本都很高。圖1參照情景下減排總成本曲線圖2穩(wěn)定發(fā)展情況下減排總成本曲線（三）穩(wěn)定發(fā)展情景下的實證分析由公式（1）計算可得，到2030鋼鐵產量的減少會貢獻大概17%的減排量，因此4種減排路徑只需要承擔約13%的減排量，即1.54億噸。穩(wěn)定發(fā)展情況下，我國鋼鐵行業(yè)的平均減排成本為596元/噸，總減排潛力為1.66億噸，總減排成本為675億元，可見按現有規(guī)劃的速率推廣各項減排技術能實現減排目標。由于H2的價格比傳統(tǒng)的化石燃料高，導致氫能煉鋼的平均減排成本高達3918元/噸；Scrap-EAF工藝的減排潛力為0.37億噸，占所有技術總減排潛力的22%，是最高效的單個減排技術。四種減排手段中，節(jié)能減排技術推廣手段具有最高的減排潛力，達到1.16億噸，占總減排潛力的70%。CCUS技術應用的平均減排成本為430元/噸，總減排潛力為0.05億噸，總減排成本為21.5億元。由于推廣潛力的不足，該項技術的減排效果沒有很好的展現，但平均減排成本仍低于整個行業(yè)的平均減排成本，值得決策者優(yōu)先采用。根據公式（1）可得2030年鋼鐵行業(yè)的碳排放量為13.24億噸，以此為基礎得到行業(yè)減排成本的擬合曲線如圖3所示。該曲線的R2達到0.83，表明對數形式的減排成本函數能夠較好地擬合鋼鐵行業(yè)的實際減排成本變化。同時該曲線的形狀表明整個行業(yè)的邊際減排成本是遞增的，即隨著總減排量的不斷提高，增加一單位的碳排放量所要付出的成本是越來越高的。因此，為了實現高效減排，我們應當在規(guī)定的減排目標下實施減排技術。根據上述的擬合結果可以預測得出實現鋼鐵行業(yè)減排目標1.54億噸時，所要付出的總減排成本僅為346億噸，平均減排成本為225元/噸，此時達到了最高效的減排路徑。四、研究結論及政策建議（一）研究結論根據上述研究結果，本文得出以下幾點結論：第一，維持現有粗鋼產量難以實現行業(yè)碳減排目標；第二，鋼鐵行業(yè)邊際碳減排成本是遞增的，當行業(yè)減排目標為1.54億噸時，達到了最高效的減排路徑，此時總減排成本僅為346億噸，平均減排成本為225元/噸；第三，應當優(yōu)先采用減排效果最好的Scrap-EAF工藝煉鋼技術，其以較低的減排成本貢獻了行業(yè)最高的減排量。第四，CUSS應用技術減排潛力高但推廣比例較低，截至2021年，中國只有大約40個CCUS技術示范項目，且大部分都是集中在石油和煤化工行業(yè)；第五，氫能煉鋼的成本過高，由于當前國內的制氫成本高昂以及儲氫技術的難以突破，導致氫氣的價格極高。反映在上述研究結果中就是鋼鐵行業(yè)的平均減排成本僅為596元/噸的情況下，氫能煉鋼的平均減排成本卻高達3917元/噸。（二）政策建議針對以上研究結論，本文提出以下幾種政策建議：第一，提高短流程煉鋼產量。未來我國應當進一步減少傳統(tǒng)BF-BOF工藝煉鋼的比例，與此同時進一步鼓勵廢鋼回收行業(yè)的發(fā)展，以保證Scrap-EAF工藝原料供應的充足，提高EAF工藝煉鋼占比。第二，降低氫能煉鋼成本。加大開發(fā)氫能的力度，突破制氫和儲氫技術的瓶頸，以實現高價氫到低價氫的轉變，降低氫能煉鋼的成本。第三，堅決壓減粗鋼產量。第四，加大CCUS技術應用在鋼鐵行業(yè)的推廣力度。政府應當完善CCUS技術應用的相關政策支持與標準規(guī)范體系，通過建立示范項目等方式推動CCUS技術在整個鋼鐵行業(yè)的推廣。本文在研究方面還存在幾點不足：第一，由于碳減排的收益的極大不確定性，本文只考慮了各項減排技術實施成本，未考慮其