鋼鐵行業專題研究報告：中國鋼企低碳之路1低碳煉鋼，對鋼企有何影響？2020年9月，我國提出二氧化碳排放力爭2030年碳達峰、2060年碳中和的目標。鋼鐵工業碳排放量約占全國碳排放總量的15%左右，是排碳量最高的制造業行業。鋼鐵行業是落實減碳目標的重要主體，低碳煉鋼是我國鋼企必須迎接的挑戰。鋼鐵碳中和下，我國鋼企肩負巨大的減碳壓力。橫向對比美國從碳達峰到減碳25%花費13年時間，歐盟從碳達峰到減碳30%花費40年時間，如何按時完成減碳目標是對鋼企的巨大考驗。2低碳煉鋼，哪種工藝更勝一籌？碳達峰碳中和背景下，鋼企如何完成減碳目標？眾多冶煉工藝之間差異如何？又會在鋼企未來綠色冶金路線中起到怎樣的作用？本文通過介紹當前我國主要煉鋼工藝的特點，分析各工藝未來發展前景，以此推演出我國鋼企低碳煉鋼的潛在實現路徑。當下主流——高爐-轉爐工藝：排碳量高，亟需替代傳統長流程煉鋼的過程，本質上講，是一個以碳為還原劑對鐵的氧化物進行還原反應的過程。鐵礦石依靠焦炭和煤還原成鐵水，鐵水中的碳是轉爐煉鋼過程升溫及能量平衡的保證。因此傳統長流程煉鋼是以碳還原、碳氧化、碳添加為主線的生產過程，二氧化碳的排放量巨大。一噸鋼，兩噸碳，高爐冶鐵產生了絕大部分的碳排放。長流程煉鋼的流程中，噸鋼二氧化碳排放量約為1.8-2.4噸，其中94%的碳排放來自于化石燃料的燃燒。僅在高爐煉鐵這一工序，焦炭和煤的燃燒產生的碳排放就占總排放的60%-70%。減少碳排放的工藝多具有以下特征：1）使用清潔能源替代焦炭和煤；2）對碳產生的還原氣循環利用；3）對碳產生的溫室氣體分離、利用或封存。中國高爐-轉爐工藝產鋼量約占總產量的88.4%，高于71.5%的世界平均水平；在全球前十大鋼鐵生產國家中，中國短流程占比最低。如果對高爐工藝加以改進或使用更低碳的工藝替代，或將釋放巨大的減排空間。作為中國鋼企龍頭，中國寶武率先提出了碳中和目標下的冶金路線圖，寶武低碳煉鋼的發展路徑將對其他鋼企具有示范效應。我們認為，未來高爐富氫、短流程煉鋼和氫基直接還原鐵等工藝或將在不同的階段承擔起鋼企減碳的重任；金屬化微波燒結，爐頂煤氣循環技術（TGR），CO2的分離、儲存、資源化利用技術（CCUS），以及清潔能源發電制氫技術的發展將有助于鋼企實現低碳煉鋼。從中國寶武制定的減碳目標看，2020到2035年仍以高爐長流程煉鋼為主，通過對傳統高爐工藝加以技術改造，實現減碳目標；2035年到2050年將大力發展氫基豎爐，輔以CCUS技術的發展，最終在2050年達到碳中和。未來式——高爐富氫碳循環：以氫代碳，循環用碳可以預見的是，目前以及未來相當長的時間內，高爐-轉爐工藝都是我國鋼鐵冶煉的主流工藝，而基于高爐加以改進、減少高爐冶鐵過程中的碳排放量，則是我國鋼企短期減碳較合理的發展方向，其中高爐富氫工藝發展較為成熟。高爐富氫通過在高爐中噴吹高濃度的焦爐煤氣（其中富含高濃度的H2和CH4），用還原氣替代傳統高爐中焦炭和煤的作用；輔以爐頂煤氣循環技術（TGR）和碳捕集、封存、利用技術（CCUS），將高爐煤氣中的CO、H2循環再利用，CO2捕集、封存地下、或用于工藝生產，從而減少高爐冶鐵流程中的碳排放。短期卓有成效，長期能力有限向高爐中噴吹焦爐煤氣的濃度決定了該工藝經濟效益和減碳效果。濃度越高，生產效率越高，減碳效果越好。一方面，H2具有還原性，焦爐煤氣濃度增加時，爐內還原氣濃度上升，爐料還原加速，從而提高生鐵生產效率，H2參與還原越多，對焦炭的消耗越少；

另一方面，H2參與還原反應時，爐內需要噴吹更多的富氧進行熱補償，富氧濃度的增加強化了回旋區碳的燃燒，有利于爐料的快速下降。但是，焦爐煤氣濃度提高時，H2的利用率下降，對還原氣利用率的提升邊際遞減。考慮到焦爐煤氣和富氧的成本，噴吹焦爐煤氣在噸鐵50m3時具有最高的經濟效益。盡管焦爐煤氣減碳能力隨著濃度得提升而增強，但是焦爐煤氣對焦炭的替代作用有限：

1）從熱源上看，高爐冶煉中70%-80%的熱源是碳燃燒提供，H2還原鐵是吸熱反應，反應時需要不斷提供熱量；2）從還原率看，H2的密度小，在高爐中停留的時間短，相比于焦炭對鐵的還原率更低，使生產效率下降；3）從骨架作用上看，氫的密度和分子結構決定了氫無法像碳一樣在高爐中起到支撐骨架的作用，使得還原氣和爐料的接觸不充分。減碳效率的邊際下降也掣肘了該工藝的減排能力。根據梅鋼2號高爐實驗，噴吹焦爐煤氣的濃度為噸鐵50m3時，噸鋼可以減少45.7kg焦炭的使用量；100m3時，減少64.1kg焦炭的使用量；注入焦爐煤氣濃度上升時，H2利用率下降，還原氣利用率增量邊際遞減也印證了這一點。從目前技術上看，高爐富氫可減少約10%的碳排放。高爐富氫+碳循環+CCUS：完美互補，合力減排發展爐頂煤氣循環技術（TGR）對低碳煉鐵有重要意義。從經濟性看，高爐煤氣由N2、CO、CO2、H2組成，其中CO和H2可用于還原鐵；由于冶煉過程對還原氣的利用率有限，可將未利用的還原氣循環使用，降低成本、減少能耗；從環保性看，高爐煤氣中的CO2是整個煉鋼過程碳排放最主要的來源，爐頂煤氣循環技術將CO2和還原氣分離，結合CCUS技術可以減少碳排放。歐盟開發的超低CO2煉鋼項目（ULCOS）實現了高爐富氫和TGR技術的結合：1）用低溫純氧代替熱風從爐缸風口吹入,去除高爐煤氣中不必要的N2；2）使用來自于焦炭和噴吹煤中的低碳燃料；3）利用真空變壓吸附技術（VPSA），將CO2從高爐煤氣中分離，從而實現對還原氣體的循環利用+對溫室氣體的處置。目前這一技術已在小型高爐中實現，據測算，高爐富氫和TGR技術的結合可減少約30%的碳排放。捕集CO2后，通過碳捕集、利用、封存技術（CCUS）將其低成本、無害化處置以減少碳排放是這一工藝的長期發展方向。CCUS技術可將CO2用于工業材料（如水泥、甲醇燃料）生產，或將CO2液化后泵入咸水層、油氣層封存，從而達到減少碳排放的目的。目前這一工藝仍在實驗階段，處置成本較高，而隨著CCUS技術的成熟，高爐富氫碳循環工藝將具有更大的減排潛力。我們預期，短期內，高爐富氫碳循環技術是國內鋼廠減少碳排放可行的方案：1）我國鋼鐵生產近90%左右基于高爐-轉爐流程，高爐富氫技術基于現有的高爐設備，改造成本較低；2）鋼廠絕大部分資產是基于長流程煉鋼，如果不能延續，資產保值帶來壓力；

3）富氫技術經過多年研發，技術比較成熟，且在海外已有應用；4）該技術具有良好的減碳效果，高爐富氫和TGR技術的結合預計可減少30%碳排放，和CCUS技術結合可減少30%-50%碳排放，能夠滿足國內鋼廠短期減碳目標。2030-2035年之間，鋼廠普遍有減少30%碳排放的目標，這一目標的實現或依賴于富氫碳循環技術在高爐上的大規模應用。因此我們預計，2030年左右，高爐或將迎來改造的高峰期。中國寶武vs日本制鐵：龍頭企業的減碳科技作為鋼鐵龍頭，中國寶武具有頂尖的研發實力，旗下八一鋼鐵在高爐富氫技術的研發在國內處于領先地位。2020年，八鋼將430m3的高爐改造為富氫高爐，開始我國低碳冶金首個工業化實驗，截止2021年7月，八鋼已實現了10%-15%的碳減排。高爐富氫項目在中國寶武的減排戰略中具有重要作用，八鋼預計高爐富氫碳循環技術和CCUS技術的結合可減少約30%-50%的碳排放，和中國寶武2035年的減碳計劃對應。我們認為，類比日本鋼鐵龍頭日本制鐵，中國寶武在高爐富氫項目的研發上具備優勢。日本鋼鐵冶煉業和中國有很多相似之處。由于電力資源匱乏，以及二戰后鋼鐵需求高速增長時廢鋼資源的缺乏，日本鋼鐵冶煉也是以高爐-轉爐工藝的長流程為主，產量占比約70%，噸鋼碳排放量大；2020年，日本提出“綠色增長策略”，提出2050年實現零碳排放的目標，日本鋼企也面臨巨大的減排壓力。作為日本第一，世界