钢铁行业研究报告：钢铁行业碳中和现状与减碳路径分析.docx

钢铁行业研究报告：钢铁行业碳中和现状与减碳路径分析钢铁行业十四五期间面临提前达峰的压力，目前部分特大型央企陆续发布碳达峰、碳中和推进计划，2025年之前实现碳达峰，2030年左右降碳30%成为重要的时间节点。在目前工艺技术中，电炉炼钢、球团制造、DRI、能效提升等成熟度高、实用性强的低碳冶金技术具备降碳潜力。十四五期间粗钢产量进入平台区，同时伴随部分成熟度高、实用性强的低碳冶金技术运用，将更好地促进行业从总量上实现碳达峰。在达峰的基础上，行业进一步推广电炉炼钢、增加球团比、DRl等成熟度高的实用性低碳冶金技术，带动钢铁制造流程工艺的优化，同时各工序能效提升，减少化石燃料消耗，降低碳排放强度，能够较好地实现减碳30%的目标。最终实现深度减碳、碳中和还需要全氢冶金、CCUS/CCS等技术的突破。从技术成熟度和减碳幅度来看，高效电炉炼钢、球团制造、直接还原铁竖炉、富氢冶炼、钢厂能效提升是未来十年实现深度减碳的重要举措，带来的投资规模将达到近万亿元级别。1 .钢铁工业碳排放现状国内钢铁产量增速在2015年见底后持续回升。2020年国内粗钢产量10.65亿吨，同比7%;2021年1-4月，粗钢产量3.75亿吨，同比15.8%。2020年国内铁水产量8.88亿吨，同比4.3%;2021年1-4月，铁水产量3.07亿吨，同比8.7%。整体来看国内钢铁产量增速在2015年见底后，持续回升。2015年以后钢铁行业能源消耗强度有下降趋势。2018年,黑色金属冶炼及压延加工业能源消耗总量62279万吨标煤，占国内总量的比重为13.2%o2015-2018年黑色金属冶炼及压延加工业能源消耗总量增速分别是-7.77%,-2.89%,-1.88%.2.21%;从粗钢产量增速、铁水增速、能源消耗总量增速来看，2015年以后钢铁行业能耗增速低于粗钢和铁水增速，意味着钢铁行业能源消耗强度有下降趋势。2015年以后钢铁行业碳排放强度有下降趋势。2017年，黑色金属冶炼及压延加工业碳排放量达到167702万吨，占国民经济总体排放量的比重17.96%,2020年预计碳排放量占比约15%o行业碳排放量在2014年达到高点后持续下行；2015年-2017年，行业碳排放量同比分别是-6.24%、-0.38%.-0.41%o从粗钢产量和碳排放量同比增速对比来看，碳排放量增速整体低于粗钢产量增速，意味着钢铁行业碳排放强度有下降趋势。2 .化石燃料燃烧是钢铁行业的主要碳排放来源钢铁生产过程中的碳排放主要有四大类来源：化石燃料燃烧排放、工业生产过程排放、净购入使用的电力、固碳产品隐含的碳排放。根据文旭林等在钢铁企业碳排放核算及减排研究对长流程钢厂碳排放研究：燃料燃烧碳排放约占94%；净购入电力碳排放占约6%o在烧结、炼钢工序中，需消耗石灰石、白云石、电极、生铁、铁合金等含碳原料，以及生产熔剂过程的分解和氧化产生的C02排放，约占总排放量的6%。生产过程中部分碳固化在企业生产外销的粗钢、粗苯和焦油中，相应部分的二氧化碳排放应予扣除，约占总排放量的4%。化石燃料燃烧排放中，焦炭占据较大比重。钢铁生产过程中净消耗的化石燃烧产生的C02排放，包括焦炉、烧结机、高炉等炉窑燃烧的洗精煤、无烟煤、烟煤、焦炭的排放，以及厂内用于生产运输的火车、汽车用汽柴油产生的排放。由于钢铁生产过程的实质是将铁从矿石中还原的过程，同时需要大量能源。我国钢铁行业燃料燃烧排放具有以下特点：焦炭是钢铁行业直接消耗的第一大化石燃料。从统计局发布的数据来看，2018年国内消费焦炭量37152万吨，消耗煤炭29308万吨，消耗原油0万吨，消耗汽油3万吨，消耗天然气110亿立方米。焦炭消费比高与国内高炉工艺占比高有密切关系。焦炭作为高炉炼铁的主原料，既是燃料、又是还原剂，同时在高炉中还起到骨架、稳定炉料透气性。2020年国内高炉生铁产量88752万吨，高炉生铁与粗钢比为0.833,2019年比值为0.812,远高于同期的全球0.684的水平。较高的生铁占比导致国内钢铁行业对焦炭的消费依赖重。化石燃料燃烧碳排放约64.7%来自于焦炭、33.9%来自煤炭。根据易碳家给出的不同燃料燃烧释放的C02强度进行测算；2018年国内黑色金属冶炼及加工行业，燃料燃烧的碳排放有64.7%来自于焦炭燃烧，有33.9%来自于煤炭，1.4%来自于天然气。外购电力碳排放受电力供给结构决定；电力系统深度脱碳直接降低钢铁行业外购电力碳排量。钢企外购电力占比低。从统计局发布的数据来看，2018年黑色金属冶炼加工业电力消费6142亿千瓦时，占行业总能耗比重12.12%。从趋势来看，1995年以来行业电力消费比重持续上升，由6%上升到12.12%。从重点钢企的数据来看，2020年吨钢耗电量456.9千瓦/吨，相当于吨钢总能耗的8.4%o重点钢企的电力占总能耗的比重也在提升，由7.5%上升到8.4%o碳排放来自电力供应端。2020年国内发电结构中，以煤炭、油气为主的火电发电占比71%,核电占比5%,水电占比16%,风、光伏、生物质发电占比8%。整体来看，上游电力供应端中化石能源占比超70%,这是外购电力碳排放的主要来源。电力系统深度脱碳直接降低钢铁行业外购电力碳排量。未来随着风电、光伏等新能源装机容量的进一步提升，2030年国内实现一次能源中非化石占比25%,电力系统对化石能源消耗将进一步降低，电力系统的深度脱碳将直接带动钢铁行业外购电力碳排放量。3 .推进碳达峰、碳中和，钢铁行业减碳路径分析2020年年末工信部发布关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见征求意见稿，明确提出到十四五末力争全行业实现碳达峰，能源消耗总量和强度均降低5%以上。钢铁行业面临十四五提前达峰的要求。2021年以来，中国宝武、河钢、鞍钢、包钢等特大型钢企陆续发布碳达峰、碳中和目标，其中碳达峰时间点基本控制在2025年之前，到2030年左右实现减碳30%,2050年实现碳中和。3.1.十四五粗钢产量进入平台区，将更好地促进行业从总量上实现碳达峰十四五期间粗钢产量进入平台区。2016年以来粗钢表观消费量稳步增长，2020年粗钢表观消费量102230万吨，同比9.55%;在强劲内需的拉动下，国内粗钢产量持续创新高，2020年粗钢产量107500万吨，同比7%。测算2020年GDP耗钢系数达到1150吨/亿元。十四五中国经济进入内循环为主的发展格局，国内钢铁内需增长放缓，同时叠加政策驱动钢材出口回流，政策压实国内粗钢产能规模。整体来看，国内粗钢产量将进一步平台区。十四五钢铁内需增长放缓。国民经济体系投资链条上的建筑、机械设备制造等产业对金属产品消耗系数明显高于消费链条相关的产业。20162019年，国内投资增速低于GDP和消费增速，GDP实际耗钢系数进入平台区。2020年投资反弹，带动耗钢系数回升。十四五中国经济进入内循环为主的发展格局，消费驱动力加码，耗钢系数将再次回调，中国钢铁表观消费需求增长将放缓。政策驱动钢材出口回流。自2021年5月1日起，国内取消大部分钢铁产品出口退税。共涉及146个商品代码产品，除部分高附加值产品维持13%的出口退税率，大部分常规性产品出口税率下调到0%。受此政策的影响，大部分产品的出口优势将大幅降低，进一步驱动钢材出口回流。政策压实了国内粗钢产能规模。2021年5月国家发改委和工信部先后发布关于钢铁冶炼项目备案管理的意见、钢铁行业产能置换实施办法，明确了严格实施减量置换、冶炼项目规范化备案的要求，从政策上进一步压实了国内粗钢产能规模,使得未来粗钢产量缺乏大幅增长的基础。粗钢产量进入平台区，将更好推动行业从碳排放总量上实现达峰。20152018年，钢铁行业碳排放总量同比整体低于行业粗钢产量增速，整体反映了吨钢碳排放强度有下降趋势。十四五粗钢产量进入平台区、增长趋弱，同时伴随部分成熟度高、实用性强的低碳冶金技术运用，将更好地推动行业从碳排放总量上实现达峰。3.2.成熟度高、实用性技术的进一步推广有助于从吨钢碳排放强度上实现减碳30%目标在碳达峰的基础上，我们认为电炉炼钢、增加球团比、DRl等成熟度高、实用性技术的进一步推广，带动钢铁制造流程工艺的优化，同时各工序能效提升，减少化石燃料消耗，降低吨钢碳排放强度，能够较好低实现减碳30%的目标。1）相比传统长流程，纯废钢的电炉短流程和DRl电炉流程均有大幅降碳空间相比高炉-转炉的长流程，电炉为主的工艺流程在能耗、碳排放上具有较大优势。随着国内经济进入内循环周期，废钢资源加速释放为发展电炉钢提供了成本支撑。假设2030年前后国内粗钢产量相比2025年小幅下滑，维系在10亿吨左右。除去转炉消纳部分废钢外，电炉钢也将会有较大提升。低碳排放强度的工艺占比提升，将有效降低钢铁行业整体碳排放量；同时伴随着电力能源的清洁化，通过供给端导入新能源，能够进一步降低碳排放。目前国内电炉钢厂产量占比偏低。2019年国内电炉钢产量占比10.4%,长流程转炉钢占比89.6%。欧盟28国电炉钢占比41.3%,美国占比69.7%,日本占比24.5%,世界平均水平27.9%o整体来看，国内电炉钢厂产量占比偏低。电炉短流程工艺能耗强度低。根据世界钢铁协会的研究，电炉短流程总能耗为2104KWh/吨钢，高炉长流程总能耗为5122KWh/吨钢；电炉短流程电耗为1561KWh/吨钢，高炉长流程电耗为972KWh/吨钢；整体来看电炉短流程工艺在能耗强度低。气基DRl-电炉工艺和纯废钢短流程工艺，碳排放强度均大幅低于长流程工艺。从世界钢协发布的研究数据来看，长流工艺吨钢碳排放2.2吨，气基DRI-电炉流程的碳排放为1.4吨,纯废钢电炉短流程工艺碳排放在0.3吨左右。从安米集团发布的数据来看，该公司电炉流程的吨钢排放为0.6吨C02/吨钢，只有同期高炉长流程的26%;尽管该公司有部分电炉与DRl工艺衔接，但碳排放仍大幅低于长流程工艺。整体来看，无论气基DRI-电炉流程，还是纯废钢短流程电炉工艺，碳排放强度均大幅低于长流程工艺，电炉工艺降碳幅度在36%-84%之间。国内经济进入内循环周期，废钢资源持续释放为发展短流程电炉钢提供了成本支撑。根据废钢协会测算，2020年国内废钢产量2.6亿吨。近二十年中国经济快速发展在城市建设和耐用品消费上积蓄了大量钢铁资源，在进入内循环为主的周期下,汽车、家电等耐用消费加块更新换代，废钢资源加速释放。根据测算2030年我国钢铁积蓄量将达到135亿吨，采用钢铁积蓄量折算法，测算2030年社会废钢产生量将达到3.5亿吨，废钢资源持续释放为发展短流程电炉钢提供了成本支撑。2）相比传统烧结，球团制造工序碳排放低、同时能间接带动高炉降碳相比目前的国内主流矿物加工工艺一烧结，球团在制造环节上具有工序能耗低、污染物排放少、节能减排效果好等优势，同时在高炉冶炼上增加球团比能够实现渣比低、煤气利用率高、燃料比低、综合经济效益好等优点，推动高炉冶炼绿色指标改善。球团工艺各项污染物都处于较低水平，明显优于烧结工艺，当造块工艺开始考虑整个钢铁生产链时，清楚的说明采用球团矿代替烧结矿作为高炉主要原料能带来巨大的碳减排效应。我国球团比整体大幅低于欧美国家水平，存在较大提升空间。根据世界金属导报统计，2020年国内球团矿总产能约2.6亿吨，按照2020年铁水8.875亿吨，测算球团占入炉炉料的比重为18%。从欧美国家安米、塔塔、SSAB等钢厂的入炉球团比数据来看，我国球团比整体大幅低于欧美国家水平，存在较大提升空间。相比烧结，球团自身工序能耗低，温室气体和污染物排放少，节能减排效果好。从2020年重点钢企的工序能耗结构来看，烧结：48.08千克标煤/吨，球团：24.35千克标煤/吨。提升球团比，优化钢铁制造的原料结构，能够进一步降低高炉能耗，减少碳排放。从高炉冶炼实践来看，入炉矿物综合品味每增加1个PeT,焦比降低1-2个PCT。从重点钢企的高炉入炉品味和焦比数据来看，两者呈现负相关；球团矿含铁品位65%左右，比烧结矿高约8%,在高炉炉料中增加球团比重有利于提高炼铁综合入炉品位，改善高炉冶炼的各项技术经济指标；从欧美国家高炉工艺指标来看，提升球团比后，产量提高效益明显，同时球团矿含FeO低，还原性好，对铁矿石在高炉内的间接还原十分有利，球团品味高，能够减少高炉冶炼扎比，降低能源消耗，最终实现减少碳排。3）相比传统高炉，直接还原铁不消耗焦炭、能耗低，是开展氢冶金的工艺载体直接还原炼铁法是以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源，在铁矿石、氧化球团或含碳球团呈固态即软化温度以下进行还原而获得金属铁的方法。这种方法得到的金属产品，由于还原过程温度较低,脉石难以除去，含碳量低，称为直接还原铁（DRI）。相比高炉工艺，直接还原铁不需要焦炭。目前全球还原铁工艺模式包括气基MIDREX、气基HYL、煤基还原、以及其他气基模式。2019年气基模式产量占比达75.2%（其中MlDREX法占比60.9%,HYL法占比13.2%,其他气基占比2.1%）,煤基产量占比23.8%o我国直接还原铁产量占比低。2020年全球直接还原铁产量10600万吨，占粗钢料耗比重5.32%o从世界钢协发布的数据来看，中国产量低未上榜，预计直接还原铁产量10万吨左右。气基直接还原铁相比高炉冶炼模式，能耗较低。从高炉、MIDREX、HYL,煤基等工艺的能耗对比来看，气基法整体能耗低于高炉。气基还原铁能耗在375-425kg标煤/吨，高炉冶炼能耗在480-59Okg标煤/吨。气基直接还原铁本身碳排放低于高炉，未来开展氢冶金的功能，具备大幅减碳的能力。目前采取全天然气模式的气基直接还原铁C02排放强度只有500kg吨，当富氢比重达到70%时，C02排放强度将下降到150kg吨，全氢冶炼模式下，C02排放强度接近0。目前气基模式下，直接还原铁竖炉碳排放低于高炉，未来一旦采取全氢冶炼，将大幅减少碳排放。国内天然气成本较高，导致国内直接铁生产并无成本优势。从2017年美国nucor发布的直接还原铁的生产成本来看，其相比美国高炉生铁便宜20%o但考虑到美国天然气价格只有国内的30%（以沿江地区价格对比），测算国内直接还原铁成本要比高炉生铁高6-8%o随着碳达峰、碳中和的推进，钢铁行业面临碳排放配额限制，具备低碳优势的直接还原铁工艺将在高碳价下，其成本劣势或将逐步缩小、甚至逆转与高炉生铁。同时直接还原铁是氢冶金的重要工艺步骤，未来其发展面临大机遇空间。4）通过提升工序能效水平，降低化石能源消耗，带动碳排放减少目前国内重点钢企炼铁工序平均能耗为385kg标煤/吨，最低能耗352kg标煤/吨，最高434kg标煤/吨，最低企业能耗水平比平均水平低8.6%o目前国内重点钢企焦化工序平均能耗为103kg标煤/吨，焦化最低能耗78.4kg标煤/吨，最高161.3kg标煤/吨，最低企业能耗水平比平均水平低24%。整体来看，国内钢企在炼铁、焦化等工序的能耗水平存在较大的差异，优秀钢企能耗水平大幅高于平均水平，这也意味国内钢铁行业未来在工序能效上存在较大的提升空间，进一步降低化石能源消耗,最终带动碳排放减少。如炼铁、炼焦工序能耗平均水平都下降到最低能耗，能节约58kg标煤/吨，如按照节约焦炭量测算，可以减少碳排放170kg吨，为长流程减碳8%。工序能效提升案例：提高高炉富氧率实现焦炭消耗降低，减少高炉碳排放。首钢京唐公司通过技术研发将高炉富氧率由3%提高至5.5%,此举将碳排放由0.634吨C02/吨铁降低至0.516吨C02/吨铁，高炉煤气中氮气含量由55%降低至50%,热值由3000kJm3提高至3500kJm3o同时，因高炉煤气氮气含量降低、热值升高，可使高炉煤气用户的效率提升，同时还降低了NoX的产生，利于环保。提升余热余能利用效率和自发电比例，降低能源直接消耗，实现低碳生产。通过提高余热余能资源的深度利用，实现节能减排指标快速进步和企业能源成本有效降低。例如，钢铁企业利用余气或余热提高自发电比例，进而降低能耗，实现低碳生产。冶金规划院统计目前钢铁行业自发电比例为53%o以数字转型，提升能效，缓解减排压力。充分运用5G、大数据、工业互联网等新一代信息技术赋能钢铁行业数字化转型，助力钢铁行业在能耗和排放、生产运营、产业链协同、产品质量管理等方面不断优化，实现原料供应、能源使用、产能释放等与市场需求的精准匹配，有利于减少能耗，缓解减排压力。5）发展清洁能源，优化钢铁外购电力结构，从源头降碳非化石能源占比提升，预计减少钢铁行业碳排放目前钢铁行业大约6%的碳排放来自于外购电力，而国内电力结构上火电占据电力供给的71%。根据周孝信院士预测：随着“双碳”行动推进，2025年风、光伏、生物质装机容量占比将达到35%,占总发电量比重19%;2030年风、光伏、生物质装机容量占比将达到44%,占总发电量比重24%。2030年火电占总发电量比重将下降到53%。随着非化石能源占比的进一步提升，外购电力带来的碳排放量将减少，按照目前6%的比重，测算预计能减少碳排放1.5%-2%o3.3.行业深度减碳、实现碳中和还需要氢冶金、CCUS/CCS等技术实现突破1）以直接还原竖炉为载体开展氢冶金具备零碳可行性，但目前存在较大的成本约束氢作为绿色能源，其燃烧和还原产物为H20,相比目前的高炉用焦炭冶炼工艺和天然气气基竖炉，具有大幅减碳、甚至能达到零碳效果。目前海内外主流的氢冶金技术包括高炉富氢、竖炉富氢、竖炉全氢。除日本CoURSE50在高炉中富氢实现验证减碳10%的效果；其他工艺都停留在中试阶段。氢冶金大范推广，主要受到上游氢气成本和工艺约束的制约。氢冶金用氢气替代C直接还原和Co间接还原，但需要补充热量。氢冶金原理以H2取代碳、CO作为还原剂从FeO还原出Fe,其中氢气间接还原属于吸热反应。高炉冶炼大比例增加氢气使用量存在工艺约束。传统高炉冶炼通过C、CO在高温下还原置取铁，并伴有炉料物理形态由软化到熔融过程；在高炉风口喷吹氢气和天然气、焦炉煤气等含氢介质，高炉富氢还原炼铁在一定程度上能够有效促进提高生铁产量，但由于该工艺是基于传统的高炉，焦炭的骨架作用无法被完全替代，同时氢还原需要补充热量，因此在高炉中喷吹氢气量存在极限值。该工艺下的碳排放减量有限，根据新日铁CoLlrSe50试验，高炉富氢还原的碳减排幅度可达10%,欲实现减碳30%,还需要与CCS/CCUS配合使用；如果CCS/CCUS技术无法取得较大突破，高炉富氢对于钢铁行业大规模深度降碳可操作性不大。直接还原竖炉具备大规模使用氢气冶炼的可行性。直接还原炼铁法是以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源，在铁矿石、氧化球团或含碳球团呈固态即软化温度以下进行还原而获得金属铁，相比高炉铁水，其杂质含量高；但由于不存在熔融状态，对透气性要求低，不需要焦炭充当骨架的功能，全氢冶炼不存在工艺约束。综合对氢气成本评判，在气基直接还原竖炉增加氢气使用量，逐步代替一氧化碳作为还原剂，将铁矿石转化为直接还原铁(DRI),之后再将其投入电炉进行进一步冶炼。二氧化碳排放量将会得到有效控制。相较于富氢还原高炉，采用气基直接还原竖炉工艺进行铁矿石冶炼的吨二氧化碳排放量大幅减少。按照瑞典SSAB的测算，全氢冶炼流程下钢厂的碳排放强度相比目前减少80%o这对于钢铁行业实现大规模深度减碳提供有效支撑。目前氢冶金存在成本约束：从瑞典SSAB、日本钢铁工业协会、日本产经省公布的数据来看，受制氢成本高的影响，氢冶金成本整体高于目前传统工艺。SSAB在2018年初公布的研究结果表明：按照2017年底的电力、焦炭价格和二氧化碳排放交易价格，HYBRIT项目采用的氢冶金工艺成本比传统高炉冶炼工艺高20%30%°目前日本生产每立方米氢气的成本约为1.64美元，远高于其制定的2030年降本目标。根据日本经济产业省测算的数据，要实现氢能的大规模商业化应用，到2030年，日本的氢气生产成本需降至0.29美元/立方米左右。据日本经济产业省估算，目前氢气的流通价格为每标准立方米100日元左右。日本政府的目标是通过大规模生产，到2030年将氢价降至每标准立方米30日元,但也有大型钢铁企业的高管认为，要想在钢铁行业实现氢基DRl的普及生产，氨气价格必须降至每标准立方米10日元以下。现有条件下由于氢还原的强吸热效应导致全氢竖炉煤气量大幅增加、还原速率同样也会受到影响、全氢对设备与操作等要求高等问题，全氢冶金技术还不能得到真正意义上的大面积推广与实际应用。综合以上，碳达峰与碳中和的大背景下，短期内气基直接还原竖炉工艺将会是我国主流氢冶金技术探索的手段，该工艺的进一步成熟化也将是行业的实现碳中和的主要探索方向。2）CCUS/CCS减排潜力大，但受制于经济、技术、环境等影响，目前大规模化发展的时机还不成熟碳捕集利用与封存（CCUS/CCS）是指将二氧化碳（Co2）从工业排放源中分离后或直接加以利用或封存（CCUS含C02的资源化利用），以实现C02减排的工业过程。CCS/CCUS工艺路线上包括捕捉、运输、封存/利用。捕捉工艺上先提高C02的浓度，改进燃烧和氧化工艺的氧燃烧法，即用氧替代空气进行燃烧和氧化；然后采用化学吸收、物理吸附、膜分离和深冷分离等方法对产生的C02进行分离回收。运输模式包括管道、汽车、船舶运输；目前主要的储存方式有地质储存、海洋储存、矿物固化以及森林和陆地生态系统储存等。CCUS技术的应用主要有物理应用、化工应用和生物应用等；包括：石油三采的驱油剂，生产无机和有机精细化学品、高分子材料,微藻固碳转化为生物燃料和化学品，生物肥料、食品和饲料添加剂等。目前安米、日本制铁、JFE均开展CCUS项目投资建设，其中日本制铁在君津制铁所投入了两套CCUS。目前国内钢厂对CCUS/CCS仍然停留在研究阶段，同时从国内发展趋势来看，仍然存在三方面的挑战，还需要在技术、成本有大的突破，才能实现大规模推广应用。技术和能耗挑战：目前，我国CCUS全流程各类技术路线都分别开展了实验示范项目，但整体仍处于研发和实验阶段，而且项目及范围都太小。虽然新建项目和规模都在增加，但还缺少全流程一体、更大规模的可复制的经济效益明显的集成示范成本相对过高：根据IPCC研究目前国外CCS不包括运输和封存成本，国外捕集二氧化碳的成本约为11至57美元/吨；泄漏风险和环境挑战：CCUS捕集的是高浓度和高压下的液态C02,如果在运输、注入和封存过程中发生泄漏，将对事故附近的生态环境造成影响，严重时甚至危害到人身安全。特别是CCUS的地质复杂性带来的环境影响和环境风险的不确定性。整体来看，CCUS减排潜力大，作为一种发展中的很有前途的新技术，C02的工业利用也极具前景。但受制于经济、技术、环境等方面存在着一些短时间难以解决的问题，结合我国国情,大规模化发展CCUS项目的时机还不成熟。3）电解铁矿石工艺目前仍然停留在实验研究阶段电解铁矿石工艺目前仍然停留在实验研究阶段。目前可研接提出有三种电解方法：水溶液中铁离子的电解沉淀、高温熔盐或熔融氧化物电解。水溶液电解方法包括酸溶液电解沉淀法,碱溶液电解沉淀法。两种方法都在实验室制出了铁样，其中碱溶液方法制出了1.6kg铁。但是酸溶液能耗非常大，而碱溶液方法能耗非常低，且不难扩大规模。高温电解法中，研究了熔盐电解法生产固态铁，熔融氧化物电解法生产液态铁。碱溶液电解和高温电解路线将被进一步研究。3 .4.结论：成熟度高、实用性强的低碳冶金技术将在未来十年迎来大规模推广在未来推进碳达峰、碳中和过程中，电炉炼钢、球团制造、DRL能效提升等成熟度高、实用性强的低碳冶金技术具备降碳潜力。十四五粗钢产量进入平台区，同时伴随部分成熟度高、实用性强的低碳冶金技术运用，将更好地促进行业从总量上实现碳达峰。在达峰的基础上，行业进一步推广电炉炼钢、增加球团比、DRl等技术成熟度高的实用性技术，带动钢铁制造流程工艺的优化，同时各工序能效提升，减少化石燃料消耗，降低碳排放强度，能够较好低实现减碳30%的目标。最终实现深度减碳、实现碳中和还需要全氢冶金、CCUS/CCS等技术实现突破;目前以直接还原竖炉为载体开展氢冶金具备零碳可行性，但目前存在较大的成本约束。CCUS/CCS减排潜力大，但受制于经济、技术、环境等影响，大规模化发展的时机还不成熟。从技术成熟度实用性和减碳幅度两个视角来看，电炉炼钢、球团制造、气基DRI、能效提升等技术将在未来十年迎来大规模推广；富氢冶金随着工艺进步逐步推广。4 .未来十年钢铁行业需要增加万亿规模级别的低碳工艺技术投资I绕四大成熟度高实用性技术和高炉富氢工业，以及由此引发的工艺结构变化，钢企投资范围涵盖:1）电炉为核心的系统需要新增投资3000亿元规模根据mysteeI统计2020年原本新建电炉产能1221万吨，年底合计产能达到18225万吨；但受疫情影响，部分电炉钢企计划开工的项目暂停或者延期到2021年；2020年实际新增电炉产能约500万吨，截止2020年末国内电炉产能约1.75亿吨。电炉钢占比攀升驱动力主要为：减碳驱动：整体来看，无论是全废钢电炉冶炼，还是DRI+电炉，废钢、DRl多种原料混合电炉冶炼，其碳排放强度都均低于目前的高炉-转炉流程。政策驱动：按照钢铁行业高质量发展意见的征求意见稿，十四五末国内电炉钢产量占粗钢总产量比例提升至15%以上，力争达到20%;废钢比达到30%。废钢资源释放、成本驱动：按照2025年电炉产能利用率75%,转炉废钢比15%,国内粗钢产量维持在10亿吨平台区，电炉钢占比要达到15%,则需要25000万吨产能，社会废钢供给量完全能满足要求。2030年国内粗钢产量小幅下滑至9.5亿吨，社会废钢供给35000亿吨，电炉钢产能3亿吨，基本满足废钢-粗钢平衡。随着废钢供给的逐步释放，废钢价格相比铁水成本优势逐步形成，从2020年下半年以来，废钢价格整体低于铁水成本。氢冶金-直接还原铁供给增加、工艺驱动：随着双碳行动推进，氢冶金-DRl工艺模式低碳优势逐步体现，电炉原料供给丰富，进一步驱动电炉产能增长。整体来看，从2020年-2030年国内电炉产能预计增加1.25亿吨左右。参照目前国内部分钢企短流程电炉-轧制投资成本100万吨在40亿元左右，考虑到部分钢厂只需要投资电炉炼钢环节，投资成本将大幅缩减至10亿元左右。综合假设一半的钢厂需投资电炉-轧制为核心的新一代电炉短程集成技术，另一半的项目仅需投资电炉。我们认为未来十年短流程电炉以及高效轧制投资带来的新增投资约3000亿元。电炉为核心的系统需要新增投资3000亿元规模。新一代电炉短流程集成技术：形成全废钢电炉-精炼炉-连铸机-热轧机等四位一体、对应的高效、层流运行的流程结构，发展全废钢电炉流程相关理论，形成针对绿色化与智能化全废钢电炉流程建设及运营的整体解决方案。2）以球团替代烧结，同时对目前老工艺改造需要新增投资1800亿元规模中国球团矿总产能约2.6亿吨，生产工艺主要有三种：链算机-回转窑、带式焙烧机和竖炉，产能占比分别为55%、7%和38%o2000年以后，球团生产逐渐由竖炉工艺向链算机回转窑工艺转变，如武钢鄂州、湛江龙腾有500万吨/年链算机-回转窑生产线。近年，新建球团生产线大多倾向于带式焙烧机工艺，如包钢年产500万吨的624m2带式焙烧机，首钢京唐公司三条年产400万吨的504m2带式焙烧机。带式焙烧机在环保、能耗、效率上具备一定优势。从竖炉、带式焙烧机、链算机-回转窑的工艺运行参数指标来看，带式焙烧机在环保、能耗、效率上具备优势。以球团替代烧结，同时对目前老工艺改造需要新增投资1800亿元规模。假设未来2020-2030年，国内烧结矿占比逐步下降，球团占比逐步上升到70-80%。需要新增5.1亿吨球团产能。在企业升级改造过程中应坚持大型化，采用先进的工艺和高效的装备，实现低能耗和低排放。未来有近1.04亿吨球团产能需要改造。预计未来十年球团新增及改造产能合计增加6.1亿吨。参照目前球团单体投资500万吨，约15亿元，球团投资约1800亿元。3）以直接还原铁部分取代高炉实现减碳，需要新增投资700-1000亿元规模直接还原铁具备较大减排优势。无论是电炉，还是氢冶金，直接还原铁工艺（DRI）相比高炉具有较大的减排优势。国内受制于成本，整体对直接还原铁的消耗较少；但在北美、中东天然气价格相对便宜的地区，直接还原铁发展迅猛；欧洲尽管天然气价格昂贵，但部分钢企在海外都建有直接还原铁厂，以安米为例，其直接还原铁占铁素原料的比重在7%。其中以煤基回转窑工艺为主。但由于该工艺单机设备能力小、设备数量庞大、环境污染严重等问题，其未来的发展受阻。随着碳中和战略的推进，目前部分钢企已经探索用焦炉煤气在直接还原竖炉上生产DRIo2020年以来先后有山西中晋、河钢、宝钢股份、日钢等公布投资建设直接还原铁炉的项目，尽管目前从规模来看，仍然处于探索阶段。后续如钢企碳排放约束的加大，碳价上升，基于焦炉煤气等气基法DRl工艺将有进一步提升。长远来看，随着制氢成本的下降，氢基DRl也将会逐步。参考MIDEX发布的最近一项投资，十万吨DRl需要1亿元。中性状态下如到2030年国内DRI占铁素原料比接近安米目前的水平（7%）,则需要近700亿元。如达到10%的水平，则需要1000亿元。4）以富氢提升高炉能效，降低碳排放需要新增投资达到2000亿元规模浦项4000m3级别高炉富氢单座投资约24亿元。从韩国浦项公布高炉富氢项目投资情况来看：在2座高炉上实际投入生产，需要投入8000亿韩元（约合48.78亿元人民币）的资金,在12座高炉实际投入生产，预计需要投入4万8千亿韩元（约合292.68亿元人民币）资金，可减少8.7%的二氧化碳排放。由于浦项高炉均属于4000m3以上的高炉，整体富氢投资也相对专父O八钢小高炉富氢投资约3.9亿元。八一钢铁在4月13日公布的年度重点投资计划中提到：公司以480m3氧气高炉富氢还原低碳炼铁项目总投资额39,000万元。项目主要建设内容是喷吹焦炉煤气（富氢冶炼）、顶煤气自循环与喷吹（脱碳+加热+炉型改造）、煤粉喷吹系统升级。高炉富氢预计需要投资达2000亿元。目前国内由近700座高炉，根据mysteeI的统计3000m3以上高炉占比5.8%,2000-3000m3高炉占比8.7%,1000-2000m3高炉占比38%,低于1000m3高炉占比48.5%。假设到2030年国内1000m3以上的高炉有一半富氢，3000m3以上大高炉投资接近浦项在20亿元左右水平，2000-3000m3投资规模在15亿元水平，IOOO-2000m3高炉投资需10亿元水平，未来10年国内高炉富氢投资总额将达到2000亿规模。5）提高余热余能利用效率，提高自发电比例新增投资超2000亿规模级别2018年钢铁行业外购电力6142亿千万时，占能源总消耗比重12.12%。目前钢铁行业自发电比例在53%,目前行业内像华菱钢铁已达到70%o我们认为部分长流程钢厂通过提高余热余能利用效率，自发电比例还有进一步提升空间。考虑到目前国内长流程钢厂占比高，我们认为全行业未来实现自发电比例提升10%的可能性较大。意味着可以减少外购电力1000亿千万时左右，折合标煤约1300万吨。根据包钢股份在2021年碳中和债募集说明书中披露的数据，余压余气节能减排项目投资23.6亿元。测算钢铁行业余热余能利用效率提升，全行业需增加自发电比例需要新增投资约2100亿元规模。整体来看，从技术成熟度和减碳幅度来看，高效电炉炼钢、球团制造、直接还原铁竖炉、富氢冶炼、钢厂能效提升是未来十年实现深度减碳的重要举措，带来的投资规模将达到近万亿元级别。截止2020年末重点钢企资产负债率62.35%,相比2015年下行7.7个PCTo2020年重点钢企利润总计2164亿元，计提折旧1553亿元；两项合计达3717亿元。整体来看，在经历2016年以来供给侧改革后，钢企盈利有大幅改善、债务负担降低，完全具备低碳转型的财务基础。截止2020年末重点钢企资产负债率62.35%,相比2015年下行7.7个PCTo2020年重点钢企利润总计2164亿元，计提折旧1553亿元；两项合计达3717亿元。整体来看，在经历2016年以来供给侧改革后，钢企盈利有大幅改善、债务负担降低，完全具备低碳转型的财务基础。国内钢铁行业碳排放主要来自于化石燃料燃烧，在未来的低碳转型道路，目前的高效电炉轧制、球团制造、DRI、富氢冶炼以及钢厂工艺能效提升的技术能够支撑钢企在2030-2035年实现减碳目标。经测算未来十年围绕以上工艺技术的投资规模或将达到近万亿元的规模。