＊吳海濱 姚茜 申遠(yuǎn) 高宏宇 趙瑞彤

（1.山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所 山西 030006 2.襄垣縣山大固廢產(chǎn)業(yè)研究院 山西 046299 3.天津泰達(dá)低碳經(jīng)濟(jì)促進(jìn)中心 天津 300457 4.山西大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 山西 030006）

自我國確立“碳中和”“碳達(dá)峰”目標(biāo)以來，鋼鐵行業(yè)的低碳發(fā)展備受各行各業(yè)重視。在基礎(chǔ)工業(yè)中，鋼鐵行業(yè)占到了重要地位，該行業(yè)作為物質(zhì)基礎(chǔ)在國防建設(shè)以及國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著重要的角色，也是一個國家衡量工業(yè)化的重要標(biāo)志。山西作為鋼鐵產(chǎn)量大省，在“雙碳”政策的實(shí)施下，面臨著巨大的減排壓力。

1.鋼鐵行業(yè)現(xiàn)狀

(1)中國鋼鐵行業(yè)現(xiàn)狀

我國鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放量已經(jīng)占據(jù)全國碳排放量的16%以上[1]。2017年以來鋼鐵行業(yè)受到景氣度逐年回升的影響，在較高的利潤驅(qū)動下，通過產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、兼并重組等手段提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)能利用率得到了明顯提升，鋼鐵產(chǎn)量呈現(xiàn)上升趨勢[2]。至2020年，全國生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量分別達(dá)到8.88億噸、10.65億噸和13.25億噸，分別增長9.8%、7.0%和10.0%，由此可見，粗鋼產(chǎn)量再創(chuàng)歷史新高；2021年，在我國能耗雙控、行業(yè)嚴(yán)格限制新增產(chǎn)能等政策限值及下半年普遍限產(chǎn)的背景下，粗鋼產(chǎn)量首次呈現(xiàn)下降勢態(tài)。

(2)山西省鋼鐵行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

①產(chǎn)能情況。山西省“十二五”期間粗鋼產(chǎn)量呈現(xiàn)波動變化，先增后減；“十三五”期間，山西省粗鋼產(chǎn)量逐年上升，2020年達(dá)到6637.8萬噸。表1為2011年—2020年山西省粗鋼產(chǎn)量占全國比重，山西省粗鋼產(chǎn)量在全國的比重在“十二五”期間波動變化，在“十三五”期間持續(xù)上升，到2020年粗鋼產(chǎn)量占比已經(jīng)達(dá)到6.23%。

表1 2011—2020山西省粗鋼產(chǎn)量全國占比情況

2013年后山西省大量鋼鐵企業(yè)關(guān)閉，至2017年后企業(yè)數(shù)量開始穩(wěn)定并逐步增多，截止2020年，山西省現(xiàn)存130余家鋼鐵企業(yè)，如圖1所示?？梢钥闯觯轿魇′撹F產(chǎn)量、行業(yè)營收、企業(yè)數(shù)量變化趨勢呈現(xiàn)出高度一致。

圖1 山西省2011—2020年鋼鐵企業(yè)數(shù)量變化情況

山西省重點(diǎn)構(gòu)建太原、臨汾、呂梁、運(yùn)城和晉城五大鋼鐵行業(yè)聚集區(qū)，聚集區(qū)內(nèi)分布著大量以鋼鐵產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的工業(yè)園區(qū)及龍頭鋼鐵企業(yè)，如表2所示。

表2 山西省主要鋼鐵工業(yè)園區(qū)

②產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀。由于山西省具有煤炭、焦炭、鐵礦的資源優(yōu)勢及成本優(yōu)勢，形成了“資源型”的鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈，如圖2所示。目前，山西省鋼材呈現(xiàn)供大于求的現(xiàn)狀，鋼材需求量僅超過2000萬噸，這是由于鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈過度集中在產(chǎn)業(yè)鏈中游即鋼鐵加工制造環(huán)節(jié)，產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用市場存在較大的缺口。針對目前的鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈問題，山西省計(jì)劃通過“資源型”向“產(chǎn)業(yè)集群型”轉(zhuǎn)變來解決，第一，裝備升級改造，生產(chǎn)智能化，提升生產(chǎn)效率和優(yōu)化生產(chǎn)流程；第二，產(chǎn)業(yè)集群化、鏈條化，保證資源的有效利用和壯大下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)會；第三，綠色低碳，符合時代背景，可持續(xù)發(fā)展。

圖2 山西省鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈圖譜

2.鋼鐵行業(yè)碳排放現(xiàn)狀

(1)中國主要鋼鐵大省碳排放情況

鋼鐵行業(yè)能耗量約占我國工業(yè)總能耗的15%，二氧化碳排放量占我國碳排放總量的16%左右[3]。以河北省、山西省、天津市三大鋼鐵省市作為對象，對比二氧化碳排放情況。從碳排放強(qiáng)度方面，河北省噸鋼二氧化碳排量在“十四五”期間波動較大，除2018年外，其余年份與全國均值差距不大；山西省碳排放強(qiáng)度呈現(xiàn)逐年下降趨勢，在2019年、2020年已經(jīng)與全國平均值持平，如圖3所示。

圖3 主要鋼鐵大戶噸粗鋼產(chǎn)量二氧化碳排放量

(2)鋼鐵行業(yè)主要工藝及碳排放情況

目前鋼鐵產(chǎn)業(yè)工藝主要分為長流程煉鋼和短流程煉鋼兩種[4]。長流程煉鋼在生產(chǎn)過程中所排放的二氧化碳量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短流程生產(chǎn)工藝的排放量。表3及圖4為長流程及短流程煉鋼主要工序碳排放量，其中長流程煉鋼的高爐工序是最主要的碳排放環(huán)節(jié)[5]，占碳排放總量的73%。從污染方面，短流程生產(chǎn)工藝所排放的廢氣遠(yuǎn)小于長流程，僅為長流程的20%。

表3 長流程及短流程煉鋼關(guān)鍵工藝參數(shù)

圖4 長流程煉鋼主要工序碳排放量

3.山西省鋼鐵行業(yè)存在的問題

(1)低碳技術(shù)應(yīng)用處于初期，碳排放高于全國平均水平

參照國家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全國鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能利用率為78%左右，同期山西粗鋼產(chǎn)能利用率僅為61.52%，較全國平均水平低16.48個百分點(diǎn)；從碳排放情況來看，全國平均直接碳排放（不包括工業(yè)生產(chǎn)過程）強(qiáng)度為1.49噸CO2/噸鋼，山西省碳排放強(qiáng)度為1.51噸CO2/噸鋼，略高于全國平均水平[6]。

(2)廢鋼資源貧乏，短流程煉鋼占比低

據(jù)統(tǒng)計(jì)山西15家廢鋼企業(yè)日廢鋼加工量約1.6萬噸，年廢鋼加工量約600萬噸，已經(jīng)有較為明顯的增幅，但是仍不能滿足太鋼集團(tuán)年千噸粗鋼產(chǎn)量的廢鋼原材料需求，表4為廢鋼鐵應(yīng)用協(xié)會主要成員及廢鋼年加工量。

表4 山西省廢鋼鐵應(yīng)用協(xié)會主要成員單位及廢鋼年加工量

(3)產(chǎn)業(yè)鏈短，鏈端低碳排放領(lǐng)域缺口大

山西鐵礦資源豐富，根據(jù)不完全調(diào)查，代縣鐵礦儲量超過10億噸、繁峙超過6億噸，但目前各鋼鐵企業(yè)很少考慮向產(chǎn)業(yè)鏈上游延伸。同時，山西鋼鐵產(chǎn)業(yè)向產(chǎn)業(yè)鏈下游延伸度不高，從而表現(xiàn)出明顯的產(chǎn)量大于需求的特征，導(dǎo)致山西鋼鐵產(chǎn)業(yè)與區(qū)域產(chǎn)業(yè)未能深度融合。

(4)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，建筑用鋼材產(chǎn)品占比大

山西省鋼鐵產(chǎn)品除太鋼外，建筑用鋼材居多，約占全省鋼材產(chǎn)量的75%左右，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對單一，工業(yè)用途的鋼材品種相對較少，同質(zhì)化特征明顯，沒有形成區(qū)別于其他省份的主導(dǎo)產(chǎn)品，缺乏核心競爭力。此外，產(chǎn)業(yè)集中度低是導(dǎo)致鋼鐵企業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動力和創(chuàng)新能力不強(qiáng)的重要因素。

4.鋼鐵行業(yè)低碳路徑

(1)推廣電弧爐冶煉法、直接還原鐵等技術(shù)應(yīng)用

①電弧爐冶煉法。工信部在2020年12月31日發(fā)布《關(guān)于推動鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》，要求我國到2025年電爐鋼產(chǎn)量比例提升至15%以上，力爭達(dá)到20%。山西省目前僅有太鋼集團(tuán)使用短流程電弧爐煉鋼，綜合考慮山西省省情，短期內(nèi)大力推進(jìn)電爐鋼改造，提高電爐鋼占比并不現(xiàn)實(shí)，而是需要對有技術(shù)基礎(chǔ)的企業(yè)提升電弧爐冶煉工藝占比[7]。

②直接還原鐵（DRI）。山西省作為全國首個能源革命綜合改革試點(diǎn)地區(qū)，具有資源稟賦和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢，具備大力發(fā)展直接還原鐵（DRI）的基礎(chǔ)。以2019年為例，山西省粗鋼總產(chǎn)量為6.028×107t，焦炭產(chǎn)量為9.696×107t，按電爐生產(chǎn)噸鋼消耗40%DRI，焦?fàn)t煤氣制氫耦合DRI技術(shù)路徑可生產(chǎn)粗鋼總量為7.845×107t，基本滿足現(xiàn)階段山西省對DRI的需求。因此針對山西省在短期內(nèi)焦?fàn)t煤氣制氫耦合DRI技術(shù)路徑是適宜選擇，在中長期可采用可再生能源制氫生產(chǎn)DRI[8]。

③優(yōu)化高爐—轉(zhuǎn)爐長流程工藝。由于山西存在廢鋼資源貧乏，短流成鋼占比低的問題，因此，高爐—轉(zhuǎn)爐長流程技術(shù)的改進(jìn)決定了鋼鐵工業(yè)能否實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展[9]。首鋼京唐、河鋼等對高爐裝料制度、造渣制度優(yōu)化，提高風(fēng)速及鼓風(fēng)動能，從而將高爐入爐球團(tuán)礦比例由30%逐步增加至55%（最高達(dá)到59%），噸鐵CO2排放降低10%[10-11]。山西省應(yīng)對工藝流程結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度探究，打造低碳鋼企業(yè)。

④其他技術(shù)。開發(fā)余熱再利用技術(shù)是目前解決冷卻廢氣余熱和燒結(jié)煙氣余熱再利用最可行的途徑[12]，不但可以降低空氣污染物及熱排放量，還可以提高項(xiàng)目的生態(tài)環(huán)境；發(fā)展應(yīng)用氫冶金、全氧冶金技術(shù)[13]，進(jìn)行鐵—鋼—軋全流程工程示范驗(yàn)證，目前，“氫冶金”技術(shù)未獲得廣泛應(yīng)用的原因并不是技術(shù)的成熟度，而是成本問題[14]；鼓勵使用可再生能源，提高發(fā)電比例，例如，針對電爐煉鋼企業(yè)，可在風(fēng)力發(fā)電[15]、光伏發(fā)電資源豐富的晉北地區(qū)建設(shè)生產(chǎn)線。

(2)推行循環(huán)化改造，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)共生體系

山西省重點(diǎn)構(gòu)建太原、臨汾、呂梁、運(yùn)城和晉城五大鋼鐵行業(yè)聚集區(qū)，針對各集聚區(qū)內(nèi)普遍存在產(chǎn)業(yè)鏈條短、廢棄物利用率低、產(chǎn)業(yè)間協(xié)同能力不足等問題，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)共生體系[16]，推行集聚區(qū)及企業(yè)的循環(huán)化改造，例如太鋼集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)共生體系，如圖5所示。針對有廢鋼回收加工能力的企業(yè)建議推動廢鋼加工企業(yè)和網(wǎng)絡(luò)貨運(yùn)平臺推進(jìn)，成立廢鋼加工公司；建立廢鋼倉儲加工配送中心；重要鋼鐵產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)建立廢鋼加工配送基地。

圖5 太鋼集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)共生體系示意

(3)推進(jìn)兼并重組，產(chǎn)業(yè)鏈上下游延伸

各地產(chǎn)能過度擴(kuò)張，供大于求，造成效率低下、資源浪費(fèi)及部分地區(qū)污染物排放管理困難等問題促使并購整合成為山西省鋼鐵行業(yè)的必然選擇。參照《山西省鋼鐵企業(yè)改造提升2022年行動計(jì)劃》，重點(diǎn)推動晉南鋼鐵合并整合及省內(nèi)外鋼鐵企業(yè)合并重組；山西省鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈上游原材料供應(yīng)、下游應(yīng)用市場等環(huán)節(jié)存在較大缺口[17]，大力發(fā)展精密鑄造，積極引導(dǎo)鋼鐵企業(yè)與焦化、礦山、球團(tuán)等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)合作，與新能源、環(huán)保等產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，并根據(jù)各聚集區(qū)或園區(qū)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行“補(bǔ)強(qiáng)”或“延伸”，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降碳循環(huán)發(fā)展。

(4)推廣應(yīng)用以鋼鐵行業(yè)為核心的跨行業(yè)領(lǐng)域協(xié)同降碳技術(shù)

鋼鐵行業(yè)與機(jī)械、能源、建材等行業(yè)領(lǐng)域都可形成跨行業(yè)協(xié)同降碳。下游產(chǎn)業(yè)對鋼鐵在深加工方面有一定的需求，下游機(jī)械制造業(yè)也向鋼鐵企業(yè)提供更加完善的設(shè)備[18]，同時，廢料或廢舊機(jī)械可進(jìn)行回收再利用；以煤氣為媒介，鋼鐵產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)加工過程中未能充分使用的能源，在發(fā)電以及制備新能源的過程中合理利用，由此所產(chǎn)生的電力又可重新被鋼鐵業(yè)使用；鋼鐵業(yè)產(chǎn)生的大量尾渣和尾粉可作為筑路的優(yōu)良材料，而高爐水渣則可作為標(biāo)號水泥的投入原料[19]，同時鋼渣經(jīng)過高溫后，其中含有的微量元素可被植物吸收，改良土壤。

5.結(jié)語與展望

鋼鐵工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)、能源資源消耗和環(huán)境污染排放的重點(diǎn)領(lǐng)域，也是碳排放的大戶。本文通過梳理鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模、分布特征、產(chǎn)業(yè)鏈、碳排放現(xiàn)狀；分析存在產(chǎn)能利用率低、短流程煉鋼比率低、工業(yè)用鋼比率低、排放強(qiáng)度高、產(chǎn)業(yè)鏈條短等問題，進(jìn)而結(jié)合實(shí)際，提出了技術(shù)工藝創(chuàng)新、循環(huán)化改造、網(wǎng)絡(luò)共生體構(gòu)建、產(chǎn)業(yè)鏈延伸、協(xié)同降碳技術(shù)等方面低碳發(fā)展路徑和措施，為山西省鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展提供借鑒。