实现钢铁行业碳中和的缓解策略——以中国四川省为例

《Energy Conversion and Management-X》：Mitigation strategies for achieving carbon neutrality in the iron and steel industry—a case study of Sichuan, China

本文采用线性下推技术和能源选择模型（LBTES），模拟四川省钢铁行业2060年低碳转型路径。研究显示，到2060年粗钢产量将下降50%-65%，能源消耗减少71%-80%，二氧化碳排放强度降至0.3-0.4吨/吨粗钢。主要路径为淘汰BF-BOF，Scrap-EAF占比达70%，DRI-EAF占比30%，并依赖CCUS技术清除38%-92%的残余排放。氢价下降或碳定价机制是DRI-EAF经济可行关键。

　　
中国钢铁工业作为全球碳排放的重要源头，其低碳转型已成为实现碳中和目标的关键领域。四川省作为中国西部重要的钢铁生产基地，凭借丰富的可再生能源资源（如风能、光伏）和较高的废钢电弧炉（Scrap-EAF）技术应用比例（2022年已达40%），为研究低碳转型路径提供了独特样本。本文基于线性底部技术选择模型（LBTES），系统分析了2025-2060年间四川省钢铁工业的三种情景发展路径，揭示了低碳转型的技术经济逻辑与区域特性。

一、产业转型驱动力分析
四川省钢铁产业呈现"高废钢比、强能源支撑"的转型优势。现有71家钢铁企业中，60%采用传统转炉-碱性氧气炉（BF-BOF）工艺，40%采用废钢电弧炉工艺。这种结构使得四川省在推进低碳转型时，具有以下特征：
1. 废钢资源储备优势：相比全国10%的平均废钢利用率，四川省已实现40%的废钢利用水平，为Scrap-EAF工艺规模化应用奠定基础。
2. 能源结构先发优势：全省电力行业碳排放因子仅为全国平均水平的20%，清洁能源供电占比超过60%，为氢能炼钢（DRI-EAF）提供了稳定电力支撑。
3. 工艺升级空间：当前BF-BOF工艺碳排放强度约2.1tCO?-eq/tcs，Scrap-EAF工艺为0.4tCO?-eq/tcs，DRI-EAF工艺理论值可低至0.3tCO?-eq/tcs，技术代差显著。

二、多情景模拟结果
研究构建了"低需求（CSD-L）-中需求（CSD-M）-高需求（CSD-H）"三维转型模型，核心结论包括：
1. 需求峰值时间决定转型节奏：
- 2024年峰值情景（CSD-L）下，2060年粗钢产量较峰值下降65%，能源消费降幅达80%
- 2027年峰值情景（CSD-M）产量降幅58.2%，能源消费降幅76.6%
- 2030年峰值情景（CSD-H）产量降幅50.2%，能源消费降幅71.3%

2. 技术路线结构性转变：
- BF-BOF工艺占比从2025年的60%持续下降，至2060年完全退出市场
- Scrap-EAF工艺占比从40%提升至70%，其核心突破在于实现废钢循环率从2022年的60%提升至85%
- DRI-EAF工艺占比从0%提升至30%，关键制约因素是氢能价格（2022年成本达7056元/tce，需降至4661元/tce才能实现经济平价）

3. 碳排放控制路径：
- 总碳排放量从2025年的38.8Mt下降至2060年的3.35Mt，降幅达91.2%
- 碳捕集利用与封存（CCUS）贡献率从1.48%提升至37.5%，成为后2025阶段的关键减排手段
- 能源结构转型显著：2060年氢能占比达29.5%，天然气22%，电力18.6%，煤炭降至10.4%

三、成本效益动态分析
研究揭示三大技术路线的成本构成差异：
1. BF-BOF工艺（成本3246.5元/tcs）：
- 资本密集型（设备投资占比67%）
- 运营成本中焦炭占60%（601元/tcs）
- 2030年碳排放强度降至1.8tCO?-eq/tcs

2. Scrap-EAF工艺（成本2593.7元/tcs）：
- 资本投入仅为BF-BOF的63%
- 运营成本中废钢采购成本占比81%
- 通过优化废钢配比可将碳排放强度降至0.34tCO?-eq/tcs

3. DRI-EAF工艺（成本5364.4元/tcs）：
- 氢能成本敏感度最高（价格每降1%可减少成本3%）
- 设备投资中直接还原铁设备占比70%（1793.5元/tcs）
- 需要碳定价机制（780元/tCO?-eq）实现经济平价

四、区域发展特征与政策启示
研究凸显四川省三大转型特征：
1. 能源耦合创新：利用全省风光电发电占比超40%的优势，构建"绿电+绿氢"双链供应体系。以攀枝花钢铁基地为例，通过接入全国电网实现小时级绿电调度，使EAF工序能耗成本下降28%。

2. 废钢循环经济：依托成都-重庆经济圈制造业集群，建立废钢回收网络。预测到2030年，废钢本地化率可从当前35%提升至60%，形成"城市矿产"循环体系。

3. 战略资源协同：针对钒钛磁铁矿资源优势，开发"BF-BOF+DRI-EAF"混合工艺。在攀钢试点中，通过保留30% BF-BOF产能生产高附加值钒钛合金，实现碳排放强度降低42%的同时保障战略资源供给。

政策建议包含四个维度：
1. 价格机制：实施阶梯式碳定价（2025年5-20元/tCO?-eq，2030年提升至283元/tCO?-eq）
2. 技术扶持：设立氢能炼钢专项基金（建议首期规模50亿元）
3. 废钢循环：推行"以废定产"政策，将废钢采购成本纳入政府补贴范畴
4. 基础设施：投资建设川西氢能走廊（规划2030年氢能管道里程达2000km）

五、创新方法论贡献
研究突破传统单行业模型局限，提出"三重耦合"分析框架：
1. 工艺耦合：建立BF-BOF→DRI→EAF的梯级转型模型，模拟设备生命周期（30年）与碳市场波动（10年周期）的协同效应
2. 能源耦合：量化绿电消纳能力（储能配置需达EAF负荷的15%以上）与绿氢制备成本（电解槽投资回收期需控制在8年以内）
3. 产品耦合：开发钒钛合金特种钢的碳足迹核算体系，实现战略资源保供与减排的平衡

研究验证了三个关键转型规律：
1. 需求弹性规律：粗钢需求弹性系数为-0.38（2025-2030），即需求每下降1%可减少0.38%碳排放
2. 技术扩散规律：DRI-EAF工艺的推广存在3年技术培育期，需配套建设20万吨级氢能储运中心
3. 成本收敛规律：通过规模效应（100万吨级项目）可使DRI-EAF成本降低22%

六、未来研究方向
研究建议后续重点突破三个领域：
1. 氢能成本控制：研发10万吨级电解槽模块（成本目标≤3000元/Nm3）
2. 废钢循环网络：构建"区块链+废钢溯源"系统，提升流通效率（目标降低20%交易成本）
3. CCUS技术集成：开发电炉炼钢配套的富氧燃烧捕集系统（目标捕集成本≤50元/tCO?）

该研究为西部工业省份的钢铁低碳转型提供了可复制的模式，其核心启示在于：通过"需求峰值前移（提前3-5年）+技术路线重构（Scrap-EAF/DRI-EAF占比达90%）+能源结构耦合（绿电+绿氢占比超70%）"的三维协同，可实现碳排放强度下降90%以上。这种转型路径不仅满足国家"双碳"战略要求，更为全球钢铁工业低碳转型提供了中国方案。