中国钢铁行业碳减排的技术及成本分析

刘俊生 汤苗苗

（上海政法学院经济管理学院，上海 202208）

近代以来，人类工业活动的不断开展造成了二氧化碳、甲烷等多种温室气体[1]的排放急剧上升。以二氧化碳为主的温室气体会造成地球一系列的变化，冰川融化、海平面上升，进而引发大型甚至是超大型台风、飓风、海啸等自然灾害。这使得全球气候变暖和减少碳排放成为世界各国政府和人民关注的焦点。作为世界碳排放量的第一大国，中国碳减排工作的全面开展对于解决整个世界气候变化问题的重要性是不容置疑的。

钢铁行业作为我国碳排放占比最高的制作行业[2]，推动其率先达峰已经成为我国全面实现“双碳”目标的重要环节。本文研究钢铁行业主要碳减排技术及其成本，本文在专家型MACC方法的基础上，估计得到钢铁行业的边际减排成本曲线，拟合出比较符合钢铁行业实际减排情况的减排成本曲线，有助于政策制定者评估不同碳减排政策的合理可行性，为中国钢铁行业的低碳绿色发展和碳达峰策略实现提供了重要保障。

一、钢铁行业的发展现状

作为我国支柱性产业，钢铁行业为我国工业和国民经济发展做出了巨大贡献。钢铁行业涉及国家、企业和家庭的方方面面，消费拉动大，这使得其在经济建设、社会发展、就业稳定等各方面都发挥着重要作用。世界钢铁协会发布的数据显示，2020年中国粗钢产量10.53亿吨，同比增长5.2%，占全球粗钢产量的56.7%。由此可见随着世界经济的快速发展，我国钢铁产业已经取得了巨大的成就。

尽管中国的钢铁行业已经具有较高的成本效益，但仍然存在着碳排放总量高、产业结构不合理、生产效率低和产能过剩等多种问题亟待解决。

目前的钢铁生产工艺主要有以下三类，一是用高炉、转炉和焦炉炼钢（BF-BOF），也称长流程工艺；二是用直接还原铁（DRI）生产的电弧炉炼钢（DRI-EAF），三是用废铁冶炼的电弧炉炼钢（Scrap-EAF）。根据《钢铁统计年鉴2021》，中国粗钢生产仍以BF-BOF工艺为主，占粗钢总产量的90.8%，其具有较高的能耗和碳排放强度，CO2排放强度高达1.8～2.4吨。

后两种工艺统称为EAF工艺，也叫短流程工艺，占粗钢总产量的9.2%。Scrap-EAF工艺是把废钢作为为原料经加工后至电弧炉中直接炼钢，全流程CO2排放强度仅为0.6吨/吨。DRI-EAF工艺是在低于矿石熔化温度下，通过固态还原，把铁矿石炼制成铁的工艺过程全流程CO2排放强度约为1.4吨/吨。

二、钢铁行业碳减排技术的路径选择

（一）碳减排技术的路径选择

本文研究选定了以下四条减排路径：能源结构调整、工艺结构调整、节能减排技术推广、CO2捕集利用与封存（CCUS）技术应用，并选取了各条路径上共计31条节能低碳技术进行碳减排的成本分析。

在能源结构调整部分，本文选择了清洁高效的氢基高炉炼铁和氢基直接还原炼钢技术作为主要减排技术；在工艺结构调整部分，目前国内钢铁生产工艺仍以BF-BOF工艺为主，EAF工艺炼钢产量却仅占我国钢铁产量的9.2%，远低于世界平均水平26.3%。为实现“双碳”目标，要大力提升EAF工艺炼钢占比；在节能减排技术推广部分，本文根据《国家重点节能低碳技术推广目录》（2017）文件中公布的数据，从中挑选了影响钢铁行业碳排放量的26种主要减排技术参与成本核算；在CCUS技术应用部分，国际能源机构（IEA）预计，到2050年钢铁行业在实施了工艺技术提升、能效提高、低能耗与原材料替代等常规减排方法之后，还将剩下34%的碳排放量，即便DRI-EAF技术已实现了重大突破，残余碳排放量也将达到8%，所以政府必须采取其他措施以彻底消除钢铁行业的二氧化碳排放量，CCUS技术就是一种可行性选择。综合考虑下，本文选择把CCUS技术作为未来钢铁行业的主要减排技术参与到后续的核算当中。

综上所述，本研究围绕上述4方面共选定31种技术进行减排成本及减排潜力分析。

（二）碳减排技术减排潜力的成本核算

钢铁行业CO2排放总量根据公式（1）计算：

式中：TCE是钢铁行业2030年CO2排放总量；Output是2030年钢铁总产量，即8.8亿吨；PRi是工艺i的产量占比，%；EIi是工艺i的碳排放强度。

钢铁行业各种工艺的碳减排潜力根据公式（2）计算：

式中：ERPi是工艺i在2030年的碳排放潜力，亿吨；Outputi工艺i对应产品在2030年的产量，亿吨；UERPi是工艺i相对于传统工艺的单位产能减排潜力，吨/吨；PRi是工艺i在2030年的推广比例。

钢铁行业各种工艺的单位减排成本根据公式（3）计算：

式中：UACi为工艺i的单位减排成本，元/吨；USCi为相对于传统工艺的单位产能替换成本，元/吨。

各种工艺的总减排成本根据公式（4）计算：

式中：TACi为工艺i的总减排成本，元/吨。

能源结构调整和工艺结构调整结构所对应技术的减排潜力和减排成本可按上述公式计算得出；节能减排技术推广的推广比例、减排潜力及减排成本是根据《国家重点节能低碳技术推广目录（2017年本，节能部分）》公布的官方数据来确定的；CCUS技术在我国的试点项目不多，本文参考其他学者以宝钢湛江项目作为参考工厂进行CO2捕集的研究结果为标准，得到CCUS技术的单位减排成本为430元/吨。

（三）边际减排成本曲线

通过计算得到上述各项减排技术的减排潜力与减排成本后，可基于边际减排成本函数建立减排潜力与减排成本之间的关系。边际减排成本函数有4种主要函数形式，其中著名经济学家Nordhaus利用一般均衡模型提出的对数函数形式y=a+bln（x）由于具有较好的拟合效果得到了广泛应用。因此本文选择采用对数函数为基础的边际减排成本函数来拟合钢铁行业的减排成本曲线，具体计算形式见公式（5）：

式中：MAC为边际减排成本；An为减排量，亿吨；Cn为CO2排放量；a和b为需要拟合的参数。

通过对减排量An进行积分，可以得到减排潜力与总减排成本之间的关系，具体见公式（6）：

式中：TACn为n行业的总减排成本。

三、钢铁行业碳减排技术的成本分析

（一）情景设置

中国钢铁协 会将钢铁行业碳达峰目标初步定为：2025年前，钢铁行业实现碳排放达峰；到2030年，钢铁行业碳排放量较峰值降低30%。为了更好地探寻钢铁行业碳达峰的减排路径，本文假定钢铁产量为外生变量并参考选用张琦等（2021）[7]预测2020年就已经达到碳达峰的结论，即2030年钢铁行业的碳减排目标就是2020年碳排放量的30%，具体情景设置见表1。

表1 钢铁行业减排路径情景设置

（二）参照情景下的实证分析

参照情景下，计算可得我国钢铁行业的平均减排成本为596元/吨，总减排潜力为1.75亿吨，总减排成本为741亿元，可见按 现有规划的速率推广各项减排技术很难实现减排目标。假定能源结构调整和工艺结构调整的推广比例达到100%的极端情况下，行业平均减排成本为596元/吨，总减排潜力为4.27亿吨，总减排成本为2447亿元，行业减排成本曲线的拟合曲线如图2所示，该曲线的R2为0.58。由此可见，在维持原有的粗钢产量水平下，仅仅依靠现有技术实现30%的碳减排目标难度和成本都很高。

图1 参照情景下减排总成本曲线

图2 稳定发展情况下减排总成本曲线

（三）稳定发展情景下的实证分析

由公式（1）计算可得，到2030钢铁产量的减少会贡献大概17%的减排量，因此4种减排路径只需要承担约13%的减排量，即1.54亿吨。

稳定发展情况下，我国钢铁行业的平均减排成本为596元/吨，总减排潜力为1.66亿吨，总减排成本为675亿元，可见按现有规划的速率推广各项减排技术能实现减排目标。由于H2的价格比传统的化石燃料高，导致氢能炼钢的平均减排成本高达3918元/吨；Scrap-EAF工艺的减排潜力为0.37亿吨，占所有技术总减排潜力的22%，是最高效的单个减排技术。四种减排手段中，节能减排技术推广手段具有最高的减排潜力，达到1.16亿吨，占总减排潜力的70%。CCUS技术应用的平均减排成本为430元/吨，总减排潜力为0.05亿吨，总减排成本为21.5亿元。由于推广潜力的不足，该项技术的减排效果没有很好的展现，但平均减排成本仍低于整个行业的平均减排成本，值得决策者优先采用。

根据公式（1）可得2030年钢铁行业的碳排放量为13.24亿吨，以此为基础得到行业减排成本的拟合曲线如图3所示。该曲线的R2达到0.83，表明对数形式的减排成本函数能够较好地拟合钢铁行业的实际减排成本变化。同时该曲线的形状表明整个行业的边际减排成本是递增的，即随着总减排量的不断提高，增加一单位的碳排放量所要付出的成本是越来越高的。因此，为了实现高效减排，我们应当在规定的减排目标下实施减排技术。根据上述的拟合结果可以预测得出实现钢铁 行业减排目标1.54亿吨时，所要付出的总减排成本仅为346亿吨，平均减排成本为225元/吨，此时达到了最高效的减排路径。

四、研究结论及政策建议

（一）研究结论

根据上述研究结果，本文得出以下几点结论：第一，维持现有粗钢产量难以实现行业碳减排目标；第二，钢铁行业边际碳减排成本是递增的，当行业减排目标为1.54亿吨时，达到了最高效的减排路径，此时总减排成本仅为346亿吨，平均减排成本为225元/吨；第三，应当优先采用减排效果最好的Scrap-EAF工艺炼钢技术，其以较低的减排成本贡献了行业最高的减排量。第四，CUSS应用技术减排潜力高但推广比例较低，截至2021年，中国只有大约40个CCUS技术示范项目，且大部分都是集中在石油和煤化工行业；第五，氢能炼钢的成本过高，由于当前国内的制氢成本高昂以及储氢技术的难以突破，导致氢气的价格极高。反映在上述研究结果中就是钢铁行业的平均减排成本仅为596元/吨的情况下，氢能炼钢的平均减排成本却高达3917元/吨。

（二）政策建议

针对以上研究结论，本文提出以下几种政策建议：第一，提高短流程炼钢产量。未来我国应当进一步减少传统BF-BOF工艺炼钢的比例，与此同时进一步鼓励废钢回收行业的发展，以保证Scrap-EAF工艺原料供应的充足，提高EAF工艺炼钢占比。第二，降低氢能炼钢成本。加大开发氢能的力度，突破制氢和储氢技术的瓶颈，以实现高价氢到低价氢的转变，降低氢能炼钢的成本。第三，坚决压减粗钢产量。第四，加大CCUS技术应用在钢铁行业的推广力度。政府应当完善CCUS技术应用的相关政策支持与标准规范体系，通过建立示范项目等方式推动CCUS技术在整个钢铁行业的推广。

本文在研究方面还存在几点不足：第一，由于碳减排的收益的极大不确定性，本文只考虑了各项减排技术实施成本，未考虑其可能产生的经济效益；第二，钢铁行业的节能减排技术发展较快，预测时间跨度越大就越有可能导致减排技术筛选存在遗漏和不确定性，因此为了使结果不产生太大的偏差，本文只预测了钢铁行业2030年的碳减排情况而没有预测2060年的碳中和情况。但本文基于官方发布的经济数据，通过模型对我国钢铁行业2030年的碳减排成本进行情景设定和结果预测，这些结果有助于政策制定者评估不同碳减排政策的合理可行性，为中国钢铁行业的低碳绿色发展和碳达峰策略实现提供了一定的参考意义。