鋼鐵行業(yè)專題研究報告：中國鋼企低碳之路

鋼鐵行業(yè)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(yè)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(yè)行業(yè)。鋼鐵行業(yè)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(zhàn)。鋼鐵碳中和下，我國鋼企肩負巨大的減碳壓力。橫向?qū)Ρ让绹鴱奶歼_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(fā)展前景，以此推演出我國鋼企低碳煉鋼的潛在實現(xiàn)路徑。當下主流——高爐-轉(zhuǎn)爐工藝：排碳量高，亟需替代傳統(tǒng)長流程煉鋼的過程，本質(zhì)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(zhuǎn)爐煉鋼過程升溫及能量平衡的保證。因此傳統(tǒng)長流程煉鋼是以碳還原、碳氧化、碳添加為主線的生產(chǎn)過程，二氧化碳的排放量巨大。一噸鋼，兩噸碳，高爐冶鐵產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的還原氣循環(huán)利用；3）對碳產(chǎn)生的溫室氣體分離、利用或封存。中國高爐-轉(zhuǎn)爐工藝產(chǎn)鋼量約占總產(chǎn)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(chǎn)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?qū)⑨尫啪薮蟮臏p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(fā)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?qū)⒃诓煌碾A段承擔起鋼企減碳的重任；金屬化微波燒結，爐頂煤氣循環(huán)技術（TGR），CO2的分離、儲存、資源化利用技術（CCUS），以及清潔能源發(fā)電制氫技術的發(fā)展將有助于鋼企實現(xiàn)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(tǒng)高爐工藝加以技術改造，實現(xiàn)減碳目標；2035年到2050年將大力發(fā)展氫基豎爐，輔以CCUS技術的發(fā)展，最終在2050年達到碳中和。未來式——高爐富氫碳循環(huán)：以氫代碳，循環(huán)用碳可以預見的是，目前以及未來相當長的時間內(nèi)，高爐-轉(zhuǎn)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(fā)展方向，其中高爐富氫工藝發(fā)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(tǒng)高爐中焦炭和煤的作用；輔以爐頂煤氣循環(huán)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(huán)再利用，CO2捕集、封存地下、或用于工藝生產(chǎn)，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(jīng)濟效益和減碳效果。濃度越高，生產(chǎn)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(nèi)還原氣濃度上升，爐料還原加速，從而提高生鐵生產(chǎn)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(nèi)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(qū)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?？紤]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(jīng)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(chǎn)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(jù)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(huán)+CCUS：完美互補，合力減排發(fā)展爐頂煤氣循環(huán)技術（TGR）對低碳煉鐵有重要意義。從經(jīng)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(huán)使用，降低成本、減少能耗；從環(huán)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(huán)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(fā)的超低CO2煉鋼項目（ULCOS）實現(xiàn)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(xiàn)對還原氣體的循環(huán)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(xiàn)，據(jù)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(fā)展方向。CCUS技術可將CO2用于工業(yè)材料（如水泥、甲醇燃料）生產(chǎn)，或?qū)O2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(huán)工藝將具有更大的減排潛力。我們預期，短期內(nèi)，高爐富氫碳循環(huán)技術是國內(nèi)鋼廠減少碳排放可行的方案：1）我國鋼鐵生產(chǎn)近90%左右基于高爐-轉(zhuǎn)爐流程，高爐富氫技術基于現(xiàn)有的高爐設備，改造成本較低；2）鋼廠絕大部分資產(chǎn)是基于長流程煉鋼，如果不能延續(xù)，資產(chǎn)保值帶來壓力；

3）富氫技術經(jīng)過多年研發(fā)，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(nèi)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(xiàn)或依賴于富氫碳循環(huán)技術在高爐上的大規(guī)模應用。因此我們預計，2030年左右，高爐或?qū)⒂瓉砀脑斓母叻迤?。中國寶武vs日本制鐵：龍頭企業(yè)的減碳科技作為鋼鐵龍頭，中國寶武具有頂尖的研發(fā)實力，旗下八一鋼鐵在高爐富氫技術的研發(fā)在國內(nèi)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(yè)化實驗，截止2021年7月，八鋼已實現(xiàn)了10%-15%的碳減排。高爐富氫項目在中國寶武的減排戰(zhàn)略中具有重要作用，八鋼預計高爐富氫碳循環(huán)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(fā)上具備優(yōu)勢。日本鋼鐵冶煉業(yè)和中國有很多相似之處。由于電力資源匱乏，以及二戰(zhàn)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(zhuǎn)爐工藝的長流程為主，產(chǎn)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(xiàn)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，世界第三的鋼鐵龍頭企業(yè)，日本制鐵在高爐富氫項目上有明顯的先發(fā)優(yōu)勢。日本制鐵的高爐富氫項目COURSE50啟動于2008年，在全球范圍內(nèi)領先；2014年-2016年，日本制鐵在12m3的試驗高爐中，實現(xiàn)了減碳排放10%的目標；目前，日本制鐵正在4000-5000m3的高爐中進行試驗，計劃能在2030年前實現(xiàn)30%減碳的目標。未來式——電弧爐廢鋼冶煉：以短代長，變廢為寶短流程電弧爐煉鋼以廢鋼、鐵水為原料，在電弧爐中將原料加熱到3000℃以上，實現(xiàn)熔煉金屬、去除雜質(zhì)的目的。由于省去了傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐中排碳量最大的高爐冶鐵這一步驟，短流程冶煉的碳排放明顯低于長流程；據(jù)世界金屬導報測算，100%廢鋼投入的短流程煉鋼噸鋼CO2排放量約為0.9噸，相比長流程冶煉減碳效果顯著。當前我國短流程煉鋼的發(fā)展落后于世界平均水平，具備較大的替代空間。2021年，我國電弧爐鋼產(chǎn)量僅占總體產(chǎn)量的11.5%左右，低于全球28%的平均水平。成本一直是掣肘我國短流程冶煉的重要因素。過去十年內(nèi)，由于廢鋼、電費等綜合原因，我國短流程冶煉的成本大多數(shù)時間高于長流程?？紤]從建設電弧爐到實現(xiàn)量產(chǎn)需要一年左右的時間，我國電爐鋼產(chǎn)量占比與滯后一年的短流程與長流程冶煉的成本差呈現(xiàn)明顯的負向關系，表明成本制約了短流程冶煉產(chǎn)能建設?，F(xiàn)狀：廢鋼供不應求，掣肘電爐發(fā)展在傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐工藝中，鐵礦石、焦煤的成本占鐵水成本的絕大部分，而在煉鋼過程中，加入鐵水和廢鋼的比例約為7：1，鐵礦石、焦煤等原材料價格變動決定了長流程煉鋼成本；在短流程工藝中，鐵水和廢鋼的投入比例約為1：4，廢鋼價格占短流程煉鋼成本絕大部分；除廢鋼外，電費和石墨電極也在成本中占一定比例。復盤近幾年長短流程噸鋼的成本變化，在上游材料普漲的大趨勢下，長短流程成本交錯上行，上游材料的價格變化決定了哪一種工藝更受鋼廠青睞。2017年受供給側(cè)結構改革影響，華北地區(qū)大量石墨電極廠商關停，石墨電極產(chǎn)量減半，價格大幅上漲，短流程煉鋼的噸鋼成本一度比長流程多700元/噸。短流程的成本劣勢一直持續(xù)到2019年末，阻礙了2017-2019年我國短流程冶煉的發(fā)展；三年來短流程產(chǎn)量占比一直在10%左右水平。2020年受新冠疫情影響，鐵礦石、焦炭、廢鋼等原材料價格普漲，鋼鐵冶煉成本上升。鐵礦石相對更高的上漲幅度收斂了長短流程成本的差距；隨著2021年上半年鐵礦石上漲幅度前所未有，短流程成本比長流程更低。2021年末，隨著鐵礦石價格的回落以及廢鋼價格持續(xù)居于高位，長短流程成本再度反轉(zhuǎn)。但由于短流程煉鋼降本潛能初顯、疊加低碳煉鋼的政策導向，短流程煉鋼對長流程的替代已經(jīng)初露端倪，2021年電爐鋼產(chǎn)量占總產(chǎn)量的11.45%，已達到近十年內(nèi)的最高水平。當前我國廢鋼市場，需求高速增長，供給難以匹配，廢鋼價格持續(xù)維持高位。需求端上，長期以來我國鋼鐵冶煉的廢鋼投入量落后全球平均水平。廢鋼既可以用于長流程也可用于短流程，減碳壓力之下，長流程鋼廠的廢鋼需求更加旺盛；廢鋼短缺之下，短流程鋼廠的廢鋼投入率只有70%，煉鋼過程需加入部分鐵水，沒有實現(xiàn)全部的減碳潛力；據(jù)上海鋼聯(lián)測算，2021年我國鋼廠綜合廢鋼比約為21.7%，遠低于其他國家48%的平均水平；據(jù)Mysteel測算，我國每年的廢鋼缺口約為1500萬噸；近年來我國廢鋼供不應求的局面一直延續(xù)。供給端上，當前我國廢鋼加工行業(yè)體系建設不完善。廢鋼來源較分散，社會廢鋼來自于居民、個體商戶、非經(jīng)營性企事業(yè)單位及經(jīng)營性工礦企業(yè)，使廢鋼回收具有難度；廢鋼加工企業(yè)規(guī)模較小，不利于加工成本和質(zhì)量控制，制約廢鋼產(chǎn)量增長和穩(wěn)定供應。發(fā)展：廢鋼供需齊升，加速替代進程需求：碳中和下，減排需求促進廢鋼需求旺盛據(jù)中國廢鋼鐵應用協(xié)會估計，在鋼鐵冶煉過程中多投入1噸廢鋼可減少1.6噸鐵精粉、0.35噸標準煤的投入，減少1.6噸CO2的排放和3噸固體廢棄物的排放。廢鋼應用，關乎原料保障和綠色發(fā)展。在碳中和背景下，我國鋼鐵行業(yè)協(xié)會建議2025年短流程煉鋼占比15%，廢鋼比30%，準入企業(yè)加工能力2億噸的目標；在政策導向上，加強對廢鋼行業(yè)標準的規(guī)范，短流程鋼廠可以實現(xiàn)等量置換，給予廢鋼加工準入企業(yè)更多的稅收優(yōu)惠等。碳中和背景下，碳稅也成為鋼廠評估工藝成本時需要考慮的因素。由于全廢鋼投入下短流程的噸鋼碳排放量比高爐-轉(zhuǎn)爐工藝少約1.2噸，如果考慮碳排放超過配額需要付出的排碳成本，短流程工藝或更受青睞。當前上海市碳排放配額的交易價格為42.9元/噸，短流程可以節(jié)省減排成本51.48元/噸；而根據(jù)國際貨幣基金組織首席環(huán)境財政政策專家IanParry的測算，中國實現(xiàn)碳中和減排承諾所需的碳價約47美元/噸，基于此假設，短流程冶煉可以節(jié)省355.32元/噸的減排成本。供給：鋼鐵折舊周期來臨，保障廢鋼供給穩(wěn)步增長如之前分析，成本是鋼廠選擇冶煉工藝的重要因素。短流程冶煉的成本很大程度受到廢鋼價格的影響。我們認為鋼鐵折舊潮的到來以及國家對廢鋼加工行業(yè)的支持下，廢鋼的價格中樞或?qū)⒅鸩较滦?，短流程冶煉相較于長流程在成本上將更受青睞。廢鋼主要來源于社會折舊廢鋼、鋼企廢鋼，工礦企業(yè)加工廢鋼和進口廢鋼，社會折舊廢鋼是廢鋼最主要的來源；2020年，我國社會折舊廢鋼回收量約為1.5-1.6億噸，約占總回收量的60%左右。社會廢鋼回收量與鋼鐵積蓄量正相關，鋼鐵積蓄量越大時，可供回收的優(yōu)質(zhì)廢鋼原料供應越多；此外，廢鋼供應還需要相應回收、拆解、加工、配送、應用一體化的產(chǎn)業(yè)鏈的配套。一般認為建筑物折舊年限約30年，設備折舊一般10-15年，綜合來看，鋼鐵折舊年限平均在20-30年。回顧美國短流程冶煉的發(fā)展歷程，短流程發(fā)展的高峰期也是廢鋼回收的高峰期，這一時期約在粗鋼生產(chǎn)高峰期20年之后。二戰(zhàn)后，美國鋼鐵需求旺盛。1953年，美國粗鋼產(chǎn)量首次突破10億噸，在之后的二十多年內(nèi)，美國粗鋼生產(chǎn)量和消費量一直維持在高水平；1973-1983年，50年代初生產(chǎn)的粗鋼陸續(xù)進入回收期，美國的廢鋼回收量達到高峰；美國短流程煉鋼也在這一時期增速最快，電爐鋼占比從1975年的20%左右上升到1982年的30%。中國自1996年粗鋼產(chǎn)量突破1億噸后，到2020年已突破10億噸。2002年左右開始，我國鋼鐵生產(chǎn)進入快速發(fā)展期，在產(chǎn)量和增幅上前所未有，假設產(chǎn)品20年左右的折舊期，這一時期生產(chǎn)的鋼材將在2025年左右迎來回收高峰期，從而產(chǎn)生大量優(yōu)質(zhì)的廢鋼資源，或可緩解廢鋼緊供給的局面，引導廢鋼價格中樞下行。據(jù)《我國廢鋼發(fā)展前景分析》預測，未來10年，我國鋼鐵積蓄量仍將以年均6億噸左右的增速增長，預計到2025年，我國鋼鐵積蓄將近140億噸左右，2030年將達到160億噸左右，雄厚的鋼鐵積蓄資源將有效支撐廢鋼產(chǎn)量持續(xù)增長。節(jié)奏：高爐替換加速，電爐周期來臨除成本外，影響短流程替代進程的另一重要因素是高爐的建設周期。我國鋼鐵冶煉基于高爐-轉(zhuǎn)爐冶煉，高爐、轉(zhuǎn)爐建設周期長，投入成本高，鋼廠資產(chǎn)很大比例是高爐、轉(zhuǎn)爐，在高爐、轉(zhuǎn)爐使用壽命到期之前，鋼廠將其提前替換的成本較高。傳統(tǒng)上，我國中小型高爐的設計壽命一般在10年左右；從經(jīng)濟性的角度，體積越大的高爐壽命越長越好。我國寶鋼、武鋼、包鋼、首鋼等部分高爐的壽命已經(jīng)達到了15年以上，而日本制鐵的部分高爐已經(jīng)設計了30年左右的目標壽命。通過精修、自動化檢測和控制，盡量延長高爐的使用壽命，已經(jīng)成為國內(nèi)鋼廠發(fā)展趨勢。我國鋼企的投資周期，經(jīng)歷了2007-2008、2010-2012、2018至今三個投資高峰。2007到2008年，在寬松貨幣政策下，房地產(chǎn)、制造業(yè)需求旺盛；2010到2012年，在四萬億財政刺激下，基建需求旺盛；2018年至今，在減排號召下，鋼廠增加了設備改造投入、環(huán)保投入，以達到減排要求。前兩次投資高峰都伴隨著大量高爐的建設和產(chǎn)能的擴張，第一次投資高峰后，我國后兩年的粗鋼產(chǎn)量大幅增長；第二次投資高峰后，我國鋼企產(chǎn)能增速大于需求，出現(xiàn)了產(chǎn)能過剩的情況；第三次投資高峰基于嚴控產(chǎn)能的背景，后幾年的產(chǎn)能利用率逐漸回升。假設高爐平均使用壽命為15年，那么前兩次高峰建設的高爐或在2025年左右達到預期使用壽命，釋放巨大的替代空間。當前，我國鋼廠已經(jīng)加快短流程冶煉設備的建設，根據(jù)Mysteel對我國鋼企2021年產(chǎn)能置換的整理，限產(chǎn)壓力下，我國電爐鋼產(chǎn)能不降反增，新舊產(chǎn)能比為154%；而新增高爐產(chǎn)能比退出高爐產(chǎn)能減少了22%，新增轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能比退出轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能減少了31%。平均而言，電爐的產(chǎn)能小于高爐、轉(zhuǎn)爐，新建電爐平均年產(chǎn)68.46萬噸鋼，小于新建轉(zhuǎn)爐年產(chǎn)120.95萬噸鋼和高爐的134.75萬噸鐵；由于大型設備使用壽命更長，生產(chǎn)成本更低，短流程冶煉要實現(xiàn)更大程度的替代，需要進一步提高電爐煉鋼的效率?？臻g：替代前景良好，仍存制約因素在廢鋼資源量和廢鋼消耗量快速增長的發(fā)展趨勢下，預測我國2025、2030年廢鋼產(chǎn)出資源量能夠和15%、25%的電爐鋼占比相匹配。廢鋼或更多的從長流程流向短流程，短流程冶煉有望隨著占比的提升和投入廢鋼比率的增加而發(fā)揮更大的減碳潛能。本文做出預測基于以下依據(jù)或假設：1）“碳達峰、碳中和”下，鋼企嚴控產(chǎn)能大概率會持續(xù)，假設預測2025、2030年我國粗鋼生產(chǎn)量為10億噸、9億噸。2）根據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的《關于推動鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導意見》（征求意見稿）提出的“2025年我國電爐鋼產(chǎn)量占粗鋼總產(chǎn)量的比例提升至15%以上，力爭達到20%”，保守預測2025年我國電爐鋼產(chǎn)量占比達到15%，結合前文對廢鋼供應和高爐折舊周期的分析，預測2030年電爐鋼產(chǎn)量或大幅提升，占比達到25%。3）根據(jù)《指導意見》提出的2025年廢鋼比達到30%，結合《我國廢鋼發(fā)展前景分析》預測2025、2030年我國廢鋼資源產(chǎn)生量分別為3.2億噸、4億噸，預測2025、2030年廢鋼比達到30%、40%。4）我國當前短流程廢鋼比為70%，尚未完全實現(xiàn)短流程減碳潛力，預測在2025、2030年我國短流程冶煉廢鋼比大幅提升，達到90%、95%。鋼鐵作為制造業(yè)的基礎，國家的骨骼，保證鋼鐵生產(chǎn)穩(wěn)定高效的進行具有重要意義。盡管電爐冶煉具有優(yōu)異的減碳能力，但電爐工藝短期內(nèi)不可能完全替代高爐在我國鋼鐵冶煉中的作用。一方面，電爐冶鋼受到廢鋼原材料和電能因素的制約；另一方面，高爐生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量的穩(wěn)定性高于電爐：1）長流程冶煉的原材料鐵礦石具有穩(wěn)定的標準、質(zhì)量可控，而廢鋼的質(zhì)量很難控制；2）據(jù)測算，短流程冶煉1噸鋼，需要消耗450度電，如果短流程占比增加10%，鋼鐵行業(yè)需要額外增加450億度電的供應，在當前鋼廠供電已經(jīng)趨于緊張的局面下，能否穩(wěn)定的供電是一個巨大的挑戰(zhàn)；3）從目前置換的設備來看，新建高爐-轉(zhuǎn)爐的單爐產(chǎn)能高于電弧爐產(chǎn)能，由于煉鋼設備容積越大，能耗越低，勞動生產(chǎn)率更高，單位爐容投資更經(jīng)濟，電弧爐占比進一步的提升有待于單爐產(chǎn)能的提升。未來式——氫基直接還原鐵：氫能時代，擁抱未來低碳冶煉的最終目標是零碳排放。高爐富氫碳循環(huán)工藝長期減碳能力有限，而短流程工藝不可能完全替代長流程工藝，而同屬長流程工藝的氫基直接還原鐵技術具有較大的發(fā)展?jié)摿?；全氫還原下，可實現(xiàn)鋼鐵冶煉的零碳排放。直接還原鐵技術的原材料為鐵礦石，不受廢鋼資源量的限制；氫是主要的還原氣，電能是主要的能量來源。反應前，氫氣需要在加熱裝置中加熱到1000℃以上，然后在反應豎爐中將鐵礦石還原成直接還原鐵（DRI），直接還原鐵需在電弧爐中進一步冶煉成鋼。相比于廢鋼，直接還原鐵化學成分穩(wěn)定，有害雜質(zhì)少，有利于高質(zhì)量鋼材的冶煉，是廢鋼資源的良好替代。根據(jù)還原氣中氫氣的濃度占比，可以將這一工藝分為富氫還原階段和全氫還原階段。富氫還原階段中，氫氣一般是“灰氫”、“藍氫”和“青氫”，來自于天然氣、焦爐煤氣、重整氣等，在制氫的過程中會產(chǎn)生CO2；另外，加熱氫氣的電能主要來自于化石能源，制電的過程也產(chǎn)生碳排放。全氫還原階段中，氫氣是“綠氫”，全部來自于電解水；電解水的電能和加熱氫氣的熱能全部來自于清潔能源制電，整個冶煉流程中無碳足跡，可實現(xiàn)真正的零碳排放。富氫直接還原：受制資源，有待發(fā)展目前的直接還原工藝可分為氣基還原和煤基還原。氣基還原利用裂解天然氣制氫，在天然氣資源豐富國家有快速發(fā)展，如美國的Midrex公司、墨西哥的HYL-SA公司研發(fā)的工藝是目前主流的氣基還原工藝。氣基直接還原工藝有較好的減碳能力，2020年，河鋼集團和特諾恩合作，建立一座年產(chǎn)60萬噸的ENERGIRON直接還原廠，還原氣中氫氣的占比達到70%，據(jù)估計能夠?qū)崿F(xiàn)減碳40%-60%，將是世界上最清潔的煉鐵廠。煤基還原工藝通過“煤制氣”，利用氣化煤對鐵礦石還原，常見的工藝有回轉(zhuǎn)窯、隧道窯、轉(zhuǎn)底爐工藝。煤基還原工藝在天然氣資源相對缺乏，煤資源相對豐富的國家多有應用。比如印度作為全球直接還原鐵最大生產(chǎn)國，工藝以煤基回轉(zhuǎn)窯為主。長期以來，我國直接還原鐵產(chǎn)量僅幾十萬噸左右，和我國鋼鐵大國的地位極不匹配。煤基還原工藝上，由于煤基生產(chǎn)具有高能耗、單爐產(chǎn)能低，產(chǎn)品的金屬率低的特點，極少被大規(guī)模鋼企采用，僅因其較低的投資成本被部分小規(guī)模鋼企應用。天然氣高價格是制約我國氣基直接還原鐵生產(chǎn)的重要因素，據(jù)測算，天然氣價格為2.5元/立方米時，天然氣制氫的成本約為12.83元/kg1；還原一噸鐵需要340kg焦炭或89kg氫氣2，對應噸鐵還原成本為1142元；當前我國焦炭價格約3000元/噸，還原噸鐵還原成本約1020元；而我國部分地區(qū)天然氣的到廠價格已經(jīng)達到4元/m3，還原噸鐵還原成本約1645元。天然氣制氫還原鐵的成本明顯高于焦炭還原，而在氣基還原廣泛發(fā)展的國家，如美國、墨西哥、中東地區(qū)，天然氣價格僅為中國的1/3。在天然氣長期稀缺的情況下，富氫直接還原鐵在我國的生產(chǎn)或始終受成本制約，但這一技術仍具有較大發(fā)展空間：1）可在我國天然氣資源豐富的地區(qū)開展冶煉，這些地區(qū)天然氣價格相對較低；2）隨著鋼企減碳壓力的增大，碳稅可能持續(xù)上漲，彌補富氫直接還原成本上的劣勢；3）富氫直接還原技術是全氫直接還原技術的基礎，即使成本上暫不具優(yōu)勢，全氫直接還原零碳排放的巨大潛能也激勵鋼企投入這項技術的研發(fā)。直接還原技術的大規(guī)模應用還需足夠的電弧爐產(chǎn)能匹配。直接還原鐵需經(jīng)過電弧爐進一步冶煉成優(yōu)良鋼材，電弧爐產(chǎn)能不足時，直接還原鐵還可用于高爐替代部分焦炭，但高爐對直接還原鐵的需求有限。如前文分析，電弧爐產(chǎn)能經(jīng)過2025年高爐替代高峰后，或有明顯增長；碳稅價格隨著碳中和的深入進行，或逐步提高；我們預計2030年左右，我國將在天然氣資源較豐富的地區(qū)形成一定規(guī)模的直接還原鐵產(chǎn)能，而直接還原-電弧爐工藝成為主要的冶煉方式有待于全氫直接還原技術的實現(xiàn)。全氫直接還原：綠色冶金，舉重若“氫”氫的氧化產(chǎn)物是水，還原鐵時不生成任何有害物質(zhì)、無溫室氣體排放，全氫還原的美好愿景激勵著全球鋼企正積極開展對這一技術的研究：瑞典的HYBRIT項目計劃用可再生電力生產(chǎn)氫，如順利，可能在2035年實現(xiàn)工業(yè)化；中國寶武與中核集團、清華大學簽訂核能制氫合作項目，目前進展順利。全氫直接還原鐵的設計思路是通過電解水制氫，工藝綠色環(huán)保、生產(chǎn)靈活、產(chǎn)生的氫氣純度高，通過光電、風電、核電等清潔能源制電，整個工藝流程無碳足跡。全氫直接還原技術目前面臨兩大難點：氫冶金技術上，如何在更大容積的的豎爐中開展全氫還原技術，實現(xiàn)規(guī)模化、高效率的生產(chǎn)有待攻克；能源上，如何降低清潔能源制電的成本，使這一技術在成本上更具競爭力有待于能源技術的發(fā)展。當火電價格為0.3元/度時，制氫成本為21.7-23.9元/kg3，還原噸鐵成本為1931-2127元，是焦爐的兩倍；產(chǎn)生碳排放51.5kg，還原噸鐵產(chǎn)生碳排放4.58噸，是高爐煉鐵的三倍；火電制氫直接還原在成本和環(huán)保上都落后于現(xiàn)存的高爐工藝。如使用光電、風電、核電可解決環(huán)保問題，但當前新能源制電的成本比火電更高，很難應用于鋼鐵的大規(guī)模冶煉；且新能源發(fā)電存在發(fā)電波動大、電站位置偏遠等問題，還依賴于儲電、送電技術的發(fā)展，比如鋰電儲能、化學儲能技術、高壓輸電技術等。隨著能源技術的發(fā)展，清潔能源制氫的成本或?qū)⒔档?，根?jù)IRENA和HydrogenCouncil的預測，2050年，制氫的成本將下降到1美元/kg，對應噸鐵的還原成本為560.7元，僅是目前焦炭還原成本的一半；由于2050年左右，鋼企普遍有碳中和的目標，我們認為全氫直接還原鐵技術或?qū)⒃?050年前具備技術和經(jīng)濟上的可行性?？偨Y：鋼企碳達峰，輕舟能過萬重山3低碳煉鋼，哪些受益領域的公司值得期待?在鋼鐵碳中和的宏偉發(fā)展藍圖下，有哪些行業(yè)會獲得機遇？哪些公司將會受益？根據(jù)上文我們推斷的低碳發(fā)展節(jié)奏，我們認為以下行業(yè)和公司值得期待。鋼鐵：青山依舊，強者恒強碳中和下，鋼企面臨巨大的減排壓力，具有的先進研發(fā)能力、雄厚的資金實力以及先發(fā)優(yōu)勢的鋼企龍頭，或能更快的研發(fā)出減碳工藝并投產(chǎn)使用，從而能夠率先完成減碳目標，進一步提升市場份額；規(guī)模較小