1 世界钢铁工业发展概况

1.1    世界钢铁工业进入中国时代

现代钢铁工业经过一百多年的技术变革发展，每一次的技术革新都带来新的机遇和挑战，世界钢铁发展中心也随着主导技术革新的中心国（地区）而变化.

第一次技术革新产生于 19 世纪 50～80 年代的工业革命时期，发明自英国的贝赛麦工艺使钢铁大批量生产成为可能，人类进入大规模生产液态钢的新纪元，促进钢铁材料的迅速普及，开启了现代钢铁文明时代. 据世界钢铁协会数据统计，在酸性底吹转炉炼钢法发明之后的大约 20 年间，英国是世界上最大的钢铁生产国，曾占世界总产量一半以上.

第二次技术革新是 20 世纪后转炉炼钢法被引进美国，其取代英国成为世界上最大的钢铁生产国. 到 20 世纪中叶，炼钢技术不断发展，碱性氧气炼钢法和电炉炼钢法成为主要生产工艺，美国大力推进电气化在钢铁制造的广泛应用，推动了电炉炼钢的产业化应用；自 1890 年至 1970 年间，美国占据了长达 81 年的“世界钢铁生产和消费主导地位”，累计生产了 41.95 亿吨钢，占同期世界总产量的 35%。

第三次技术革新 是 20 世 纪 50 年代中期 至 70 年代初期，前苏联和日本推动以装备大型化和连铸连轧为代表的系列技术变革，带动钢铁制造效率的全面提升；前苏联自 1971 年开始成为世界第一产钢国，在 1988 年产量达到峰值，为 1.63 亿吨，占当年全球粗钢产量的 20.9%. 直到 1992 年苏联解体后，日本一跃成为世界第一钢铁生产大国，日本在 1973 年和 2007 年有两个产量峰值（1.19 亿 吨和 1.20 亿吨），分别占当期世界总产量的 17.3% 和 8.9%。

第四次革新是信息化、自动化技术与钢铁制造深度融合，引发新一轮钢铁制造效率变革，大量先进的集成设备被研发出来，实现了提产降本，电子技术和自动化设备进行过程控制实现了产品品质、效率、风险的可控性，计算机技术管理公司庞大的业务，实现了集团化企业的高效运营，引发了钢铁产品的质量变革，实现了超薄板卷到涂镀板的高品质板材的规模化生产，降低了汽车和家电等制造行业的成本.

从钢产量上来说，日本的主导地位仅仅持续了 3 年，就被中国取代. 1996 年，我国钢产量首次突破 1 亿吨，在截至 2021 年的 26 年间，我国累计生产粗钢高达 139.96 亿吨，占同期世界总产量的40.5%. 2021 年中国粗钢产量约 10.33 亿吨，约占全球 53%，中国钢铁行业已经成为全球钢铁的生产、消费、出口中心，世界钢铁工业历经四次发展中心转移进入“中国时代”.

现代世界钢铁发展历程中，各个时期世界第一钢铁生产国都在推动钢铁工业技术进步方面发挥着不可磨灭的作用，随着钢铁中心国的经济快速发展，先进技术、工艺和理论被推向了一个新高度. 当前从我国作为世界第二大经济体的稳健发展态势以及发展潜能来看，未来我国处于中心国的期间必将是一个较长的阶段，如何引领世界钢铁工业发展、做出何种贡献，是当前我国面临的重大机遇与挑战.

1.2    碳中和背景下钢铁工业面临的机遇与挑战

从通过《联合国气候变化框架公约》（1992 年）到签订《京都议定书》（1997 年），再到签订《巴黎协定》（2015 年），低碳发展已成为全球共识. 全球经济总量 75% 以上的国家，已经开始走低排放发展之路，碳中和已经成为全球发展的主流和方向.据国际能源署（IEA）的钢铁技术路线图，碳排放的主力—能源、交通、重工业的减碳潜力最大，钢铁与能源行业密不可分，75% 的钢铁能源直接或间接来自煤炭. 欧洲钢铁工业联盟指出市场变化影响其碳减排目标的达成，尤其是新冠疫情的严重冲击，需要稳定且可预测的政策框架来保障其降碳目标实现，以支持技术创新、绿色产品公平竞争等；世界钢铁协会也在 IEA 等报告的基础上全面分析了全球及中国钢铁行业的低碳减排背景、面临的挑战. 综合国际政策及国内钢铁行业现状，目前钢铁行业低碳发展面临以下几方面的困难与挑战.

（1）需大幅下降碳排放总量及强度. 在钢铁需求量不断增加的情形下钢铁工业还要实现碳排放总量、强度的大幅下降. 基于当前各国公布的规划，预计 2050 年全球钢铁需求量将在 2019 年的基础上增长 40%，约 7 亿吨，但是按照《巴黎协定》要实现的温控目标计算，2050 年的钢铁需求只能增长 10%，约 1.8 亿吨，且全球钢铁行业的直接碳排放总量比 2019 年减少 55%，碳排放强度下降 60%（吨钢 CO2 排放量需从 1.4 t 降到 0.6 t）. 

（2）需大幅降低能源消耗量. 在基准情形下，2050 年全球钢铁行业的能源消耗量也将比 2019 年 增长 20%，但是能耗强度下降 15%；在可持续发展情形下，要求 2050 年全球钢铁行业的能源消耗量比 2019 年减少 10%，能耗强度下降 22%. 能源转型、低碳路径的选择都面临巨大的挑战.

（3）需面临新阶段的绿色贸易壁垒. 钢铁贸易将面临传统的贸易壁垒和新阶段的绿色贸易壁垒. 区域贸易保护措施及碳边境税将进一步加大钢材和钢材制品的国际贸易难度. 欧洲议会通过了关于建立碳边界调整机制的修正案，对温室气体排放量高的企业带来重大挑战. 钢铁企业应率先开展企业评估、报告、计算产品的碳足迹成本等. 

（4）需面临绿色采购压力. 钢铁企业将面临来自供应链下游的绿色采购压力. 钢铁行业不仅要面临着净零排放的挑战，越来越多的钢铁下游客户也要求钢铁企业提供绿色低碳钢材，以减少整个价值链上的碳足迹，产品全生命周期内的温室气体排放（包括生产、使用和报废阶段）越来越重要. 

（5）需研发突破性低碳技术. 据世界钢铁协会研究，现代化钢厂正在非常接近热力学定律理论极限的状况下运行，已经节约了大量的能源，使用目前的技术不可能实现进一步大规模减排. 《巴黎协定》制定的温升目标要求钢铁行业必须通过创新和探索新的生产工艺，开发具有突破性的低碳技术. 如发展电炉短流程炼钢工艺，提升其在绿色、节能和智能方面的技术发展；又如，从“碳冶金”向 “氢冶金”近零排放工艺转变，突破关键低碳技术.

2 钢铁工业低碳发展概况

2.1    国际钢铁工业低碳发展

全球已有 136 个国家提出“碳中和”承诺，多国选择把实现碳中和的目标年份定在 2050 年左右. 钢铁行业的重点组织、企业也纷纷制定了适合自身发展的低碳规划及路径.

IEA 以 2019 年指标为基准，钢铁工业到 2050 年需要削减 55% 的 CO2 排放，而能源产业则需要削减 90%，减排路径主要包括减少钢材消费、提高工艺效率、优化原料结构、能源替代、电气化和二氧化碳捕集、封存、利用（CCUS）等. 欧洲钢铁工业联盟计划到 2030 年，欧洲钢铁工业 CO2 排放量比2018 年减少 30%，比 1990 年减少约 55%，到 2050 年将减少 80%～95%（相较于 1990 年），通过实施循环经济，研发碳直接避免、智能碳使用、碳捕获和储存等突破性技术实现碳减排. 国外重点企业如安塞尔米塔尔公司、蒂森克虏伯公司均计划到2030 年 减排 CO2 30%，分别到 2050 年、2045 年实现碳中和，技术路线包括智能碳（Smart carbon）路线、直接还原铁（Direct reduction iron，DRI）路线，以及氢冶金路线、Carbon2Chem 工程，将钢厂废气转化为化学工业基础化学品，进一步用于制造肥料、塑料或燃料等.

2.2    中国钢铁工业低碳发展

中国钢铁工业协会发布了《钢铁行业碳中和愿景和低碳技术路线图》，明确了中国钢铁工业“双碳”技术路径—系统能效提升、资源循环利用、流程优化创新、冶炼工艺突破、产品迭代升级、捕集封存利用；确保钢铁工业 2030 年前实现碳达峰，到 2040 年 CO2 排放总量较 2020 年降低40%；到 2050 年（中远期）CO2 排放总量较 2020 年 降低 85%，通过产业链协同、更高性能钢铁产品升级应用等举措，可为下游行业和社会降碳约 2.8 亿吨，为实现碳中和夯实基础；到 2060 年（远期），钢铁行业 CO2 排放总量较 2020 年降低 95%，借助碳汇与社会力量，实现碳中和. 国内重点企业如宝武集团、河钢集团、鞍钢集团、首钢集团等在首批制定自身低碳发展战略的梯队中，多数计划在 2030左右降碳 30%，在 2050 年实现碳中和.各企业从工艺、技术、能源等层面发布的低碳技术路径，以河钢集团为例（图 1），实施铁素资源优化、流程优化重构、系统能效提升、用能结构优化、低碳技术变革、产业耦合降碳六大技术路径，并建设产品全生命周期评价和企业碳数据管理两大平台，未来将为打破绿色壁垒和满足用户绿色采购要求提供有效支撑.

3 中国钢铁行业低碳发展路径及实践

近年来，我国钢铁工业在低碳绿色发展方面做出了巨大努力和成果，结合各重点企业、组织发布的技术路径，在“十三五”绿色制造、低碳发展的成果基础上，探讨未来中国引领钢铁行业发展的实践与路径.

3.1    以超低排放为中心的节能减排技术实践

近年来我国的清洁空气政策极大地减少了空气污染物的排放，钢铁行业的超低排放工作也取得较大成效. 截至 2022 年 7 月底，据生态环境部统计，全国共有 251 家企业、6.81 亿吨左右粗钢产能已完成或正在实施超低排放改造，在改造过程中绿色低碳发展也取得了较大进展. 但未来仍需要继续大幅减少大气污染物排放，推广实施已具成效的节能减排技术.

以河钢集团为例，自 2016 年累计投入 305 亿元，实施重点节能减排项目 500 余项，全面研发应用钢铁行业多工序多污染物超低排放控制技术，如焦炉烟气多污染物中低温协同催化净化技术、烧结烟气活性焦脱硫脱硝除尘一体化技术、球团烟气多污染物超低排放技术、烧结烟气低温氧化脱硝技术等，实现钢铁生产全流程、全污染物、全过程系统减排，极大推动了行业超低排放水平的提高，新建的唐钢新区实现烧结、球团、焦化工序污染物排放均优于 2019 年发布的《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》中的国家超低排放限值，对比值如表 1 所示. 

图 1    河钢集团低碳发展技术路线图

目前河钢集团吨钢粉尘、二氧化硫、氮氧化物排放量分别为 0.21、0.20、0.23 kg，居行业领先水平. 实施以高温高压干熄焦高效发电技术、中低温烟气余热高效回收及能量梯级利用技术、烧结烟气循环技术、炉顶煤气余压发电技术、高炉冲渣水余热利用技术等为代表的能效提升技术，实现核心企业自发电比例超过 65%，近年新建的唐钢新区实现了高效的全流程能源转换体系，自发电比例达 90%；在水资源循环利用方面，吨钢耗新水量逐年降低，目前达到了吨钢耗新水 2.29 m3，水重复利用率达到 98.5% 以上，居行业先进水平. 通过系统管控，分级利用，实现了高炉除尘灰、转炉除尘灰、轧钢氧化铁皮、钢渣水渣等钢铁副产物的全回收和再利用.

表 1 钢铁行业多工序多污染物超低排放控制技术指标

温室气体和大气污染物同根同源，主要来源于化石燃料利用. 大量研究表明，如图 2 所示，图 2（a）中温室气体的排放与图 2（b）中大气污染物的排放具有显著的协同性，在研发、推广、应用超低排放节能技术的的同时也助力了 CO2 减排，未来逐渐将从以超低排放为中心向以减污降碳协同治理过渡.

图 2    1990—2015 年中国温室气体、大气污染物排放量变化趋势. （a） CO2 排放量；（b）NOx 排放量

河钢集团邯钢公司（简称“河钢邯钢”）焦化厂实施的焦炉上升管荒煤气余热利用技术，可实现年减排 CO2 约 53500 t，安钢 7#、8#焦炉荒煤气余热利用工程，可实现 CO2 年减排量约 22600 t，预计 2025 年在行业内推广的比例由目前的 10% 提 升到 30%，降碳潜力可达到每年 280.9 万吨.

河钢邯钢 2 m×435 m 烧结机实施的烧结烟气选择性循环净化与余热利用技术，可实现年减排CO2 约 12.3 万吨，邯钢 2 m×360 m 烧结机实施的该技术可实现年减排 CO2 约 11 万吨. 该技术已在河钢集团内部全面推广. 未来适用于新建或改造项目，按照全国可实施烟气循环共计约 900 台套烧结机、合计烧结面积约 11.6 m×104 m，2025 年预期推广比例为 25% 计算，推广后可实现年减排 CO2 约 447 万吨.在河钢集团唐钢公司（简称“河钢唐钢”）建成我国首个适合高比例球团冶炼的特殊炉型，按当前 960 万吨粗钢产能计算，每年可源头减排 CO2 80 万吨，二氧化硫减排 108 吨、氮氧化物减排 155 吨.实现高炉炼铁绿色低碳、长寿冶炼的目标.未来钢铁行业仍需坚定不移地推进超低排放进程，并以减污降碳协同为主.

3.2    以氢能为中心的能源结构的变革实践

在全球能源向清洁化、低碳化、智能化发展的趋势下，发展氢能产业已成为当前世界能源技术变革的重要方向. 国内外钢铁组织、企业制定的低碳发展规划中，均包括以氢能为中心的能源结构变革的技术路径. 氢能产业链布局工作，建议围绕以下六方面开展：

（1）积极研发多元化制氢技术.开展多元化制氢技术，短期内利用钢铁行业富氢的焦炉煤气提取氢气，解决制氢成本问题；大力发展碳基能源制氢，辅之以碳捕集、利用与封存（ Carbon  capture， utilization  and  storage， CCUS） 技术，加快蓝氢应用步伐；未来发挥张家口风电及光伏制氢的优势，建设风、光发电制氢工厂，实现“绿电”制“绿氢”风光氢储产业协调发展。河钢唐钢和河钢邯钢拥有配套冷轧产线的99.999% 高纯氢产线，制氢能力分别为 1400 m3·h−1和 1600 m3·h−1，均采用焦炉煤气变压吸附技术（PSA）提氢工艺. 河钢集团（佳华）制氢项目正在建设中，规模为 3×104 m3·h−1，年产氢气 2.1 万吨，建成后将辐射 200 km 范围内氢气市场. 计划到 2025 年，河钢集团在京津冀地区建设不少于 10 座制氢工厂，开发应用以焦炉煤气 PSA 技术为基础，以化工原料裂解制氢技术、仿地幔处理有机固废制氢技术和干热岩发电制氢技术为有效补充的制氢体系，多元化制氢能力达到 4.3×105 m3·h−1.

图 3    2010—2021 年全球加氢站数量变化

（2）加快构建加氢站网络.全球加氢站建设快速发展，如图 3 所示，截止2021 年底，全球共有 33 个国家共计 685 座加氢站投入运营，其中中国已建成加氢站 255 座，在营183 座，加氢站建设也在迅猛增长. 2020 年 8 月 ，河钢邯钢投入运行首座 500 kg、70/35 MPa 双压力固定式加氢站；2021 年 1 月，河钢集团唐山加氢站建成投产. 构建加氢站网络对降低加氢成本、促进产业良性循环具有重要意义.

 （3）构建“柴改氢”工业绿色生态物流体系.氢能重卡正加快从示范运营到商业化落地.2021 年，我国氢能重卡占新能源重卡市场份额由2020 年 的 0.7% 上 升 到 7.46%；氢能重卡销量 是779 辆 ，较 2020 年增长 42 倍，在重卡的新能源转型中，氢能重卡有望成为比纯电重卡更好的选择.2021 年 7 月，河钢集团首批次 30 辆 49 t 氢能重卡在河钢唐钢正式投入运营，开创氢能“重卡时代”，率先建成了我国第一条“柴改氢”绿色物流链，有效减轻了京津冀环境污染压力. 截至目前，已开辟氢燃料重卡运输线路 4 条，投入运营氢燃料重卡 55 辆，累计行驶里程 3×106km，CO2 减排约 7500 t. 2022 年初河钢唐钢清洁运输比例达到85% 以上.

（4）“氢冶金”引领行业绿色冶金变革.氢冶金是当前国际冶金新技术研发的重中之重，全球钢铁行业都在积极开展氢冶金实践.截至目前，初步形成氢基竖炉直接还原炼铁技术、氢基流化床直接还原炼铁技术、高炉富氢冶炼技术和富氢熔融还原炼铁技术四大技术路径. 中国钢铁企业开展的氢冶金项目包括东北大学煤制气−气基竖炉短流程项目，日照钢铁集团、中国钢研氢冶金项目，宝武−氢基竖炉直接还原项目，中晋太行焦炉煤气−竖炉直接还原项目以及河钢集团氢基竖炉直接还原炼铁技术。河钢集团基于资源优势、地域特点、产业布局、能源结构等综合考虑，建设全球首例 120 万吨氢冶金示范工程，引领传统钢铁冶金工艺变革. 首次采用焦炉煤气“自重整”制氢，应用焦炉煤气净化、气体自重整、CO2 脱除及回收等全流程创新工艺，生产高品质的直接还原铁，形成“氢气直接还原竖炉+电炉炼钢”短流程新工艺，与同等规模的“碳冶金”相比，实现 CO2 减排 70% 以上.

（5）高炉富氢冶炼.高炉富氢冶炼是向高炉内喷吹富氢气体（焦炉煤气、天然气）或氢气，是一种低碳炼铁技术.推进高炉喷吹富氢气体示范工程建设，可实现长流程低碳冶炼. 河钢集团依托高炉原燃料条件，利用河钢唐钢现有 1580 m3 高炉，实施高炉喷吹富氢气体工程改造，推进高炉喷吹富氢气体示范工程建设，实现吨铁喷吹量 60 m3，吨铁 CO2 减排量超过 50 kg·t−1.

3.3    打造低碳绿色产业生态圈实践

（1）开展全生命周期评价.

钢铁材料具有可持续性，从整个产业链中来评价钢铁材料的碳排放具有优势，高质量的钢铁可以减少下游的排放，且下游用户对产品环境绩效的倒逼，都需要一种综合评价钢铁环境绩效的工具，所以在钢铁行业开展生命周期评价很有意义. 钢铁企业现在比较迫切的需求是尽快提高 LCA（Life cycle assessment，生命周期评价）的专业能力，培养专业人才，具备独立的 LCA 计算能力。2022 年 4 月 21 日，河钢集团建设的具有自主知识产权的 WisCarbon 碳中和数字化平台上线运行，目前已搭建以产品 LCA 为核心的 C trace（Carbon trace，碳足迹）平台和以碳数据管理为核心的C manage（Carbon manage，碳管理）平台，旨在建立钢铁产品生命周期数据库，搭建低碳节能绿色产品生产体系，打造绿色产品供应链，最终可在产品上打上碳足迹标签，甚至可以实现产品的低碳绿色化方案设计. 同时，构建减污降碳协同治理工作机制，可掌控全集团总体排放态势全景、子分公司排放趋势实时分析、依据年度排放计划精准施策、公司之间排放强度比对分析，摸清排放底数实施动态管理. 未来将不断推进 WisCarbon 碳中和数字化平台的迭代升级，并拓展碳交易、碳资产、碳普惠、碳监测等平台，为行业贡献全流程“双 碳”数字化解决方案.

（2）打造钢铁行业上下游低碳绿色产业链.整合上下游资源，联合上下游重点企业，形成在“铁矿石—钢铁制造—低碳产品”的绿色供应产业链，打造低碳绿色协同发展的产业生态圈，全面推进绿色制造及低碳发展。上游矿石资源企业，在研发氢冶金原料制备、提高块矿使用率等领域开展合作；下游用钢企业如车企，探讨氢冶金产品的利用及汽车轴承钢、转向用钢等低碳产品供应问题，布局以绿氢制取—氢基直接还原铁—高效低碳电炉—薄板坯连铸连轧为核心的“近零碳排放”紧凑流程，如图 4 所示.

图 4    “近零排放”工艺流程设计规划. （a）可再生能源制氢到氢基竖炉冶炼；（b）高效、低碳电弧炉冶炼；（c）薄板坯连铸连轧工艺

从 2023 年中期开始，河钢集团将向特定车企供应低碳汽车用钢. 相较于传统钢材，低碳汽车用钢的生产过程将减排 CO210%～30%；自 2026 年起，在整车量产过程中逐步使用河钢集团生产的电炉绿色汽车用钢，在供应链端每年预计将减排 CO2 约 95%.针对消费末端产生的废钢资源，结合发展电炉短流程工艺，打造废钢加工中心，通过投资新建或并购整合社会资源，提高社会废钢的回收、加工、配送、金融及贸易等方面的综合服务水平.

（3）构建钢化联产协同新型产业链.化石能源转向可再生能源的趋势是必然的，未来随着可再生能源发电、制氢技术逐渐成熟，绿电、绿氢将有希望大规模的用于工业生产及清洁运输，绿氢还能应用于碳冶金工厂联合化工企业合成制备化学产品、原料的化工产业，将构建氢能−钢铁−化工协同新型产业链.

3.4    突破性技术协同研发与创新合作实践

钢铁企业加强高等学府、科研机构的产学研合作，可在新一轮世界钢铁产业和技术变革和低碳绿色发展方面创造一批突破性、颠覆性技术.河钢集团在世界钢铁协会的指导和支持下，与北京科技大学联合发起成立了世界钢铁发展研究院，开展未来钢铁工业可持续发展路径的探索与研究；与昆士兰大学组建可持续钢铁创新中心，开展 CO2 捕集、利用和储存技术研究；与中国钢研科技集团有限公司合作，开展钢铁工业“碳达峰、碳中和”实现路径研究，推动能源结构、材料结构和工艺结构创新，为行业绿色低碳发展贡献力量，为世界贡献“中国智慧”. 通过积极整合全球技术创新资源，不断深化与顶级科研院所的战略合作，搭建技术联盟与创新平台.

4 结论

虽然钢铁工业发展已经进入“中国时代”，但低碳发展道路仍任重道远. 为促进中国钢铁工业低碳发展，实现碳达峰碳中和目标，未来还应重视以下几方面：

（1）研究欧盟碳边境调节机制（CBAM）等国际形势对中国钢铁行业的影响. 从国际形势来看，CBAM 对中国钢铁行业会产生直接与间接的影响 ，随着欧盟CBAM 的实施，不排除其他地区实施的可能，因此面对未来国际绿色低碳贸易壁垒，仍需持续跟进政策变化，并不断在国际贸易大背景下调整自身的工作. 中国钢铁工业协会推出的钢铁行业环境产品声明（EPD）平台已得到钢铁行业的积极响应，下一步拓展推广过程中，通过实施环境足迹声明等方式主动披露环境信息，并且主动进行绿色低碳转型升级的钢铁企业，才具备充分的国际竞争能力和可持续发展潜力. 

（2）推进钢铁企业开展产品全生命周期评价及生态设计研究，通过 LCA 量化钢铁产品的资源、能源消耗和环境指标，明确产品的绿色程度；开发具有高性能、轻量化、长寿命、近终型、可循环的绿色低碳产品；支撑钢铁企业产品生态设计、绿色制造、绿色营销等，实现节能减排.

（3）推进氢能发展战略及能源体系的建设. 在制氢、运氢、储氢、用氢的氢能产业链中，各个环节仍需要技术突破，如绿氢低成本的制备及大规模供应还未实现，当前氢气的运输、存储要求高、成本高，氢冶金技术的突破也是氢能在钢铁行业大规模应用的关键. 

（4）搭建绿色产业链，推进协同降碳. 下游领头企业面临巨大的碳中和压力，因此涉及汽车、家电、机械、建筑等多个行业也在向钢铁行业“施 压”，这些企业在全球产业链中占据不可或缺的地位，钢铁行业应与下游产业链强者为伍，通过有效的供应链碳足迹管理来降低碳减排压力.

来源：工程科学学报