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从资源和能源保障情况看我国电炉炼钢发展前景


为全面评估我国电炉短流程炼钢发展现状和存在的问题,分析发展趋势、方向和路径,中国钢铁工业协会组织行业力量开展了专题研究,并按照“努力将会员企业的诉求转化为行业专业意见,将行业专业意见转化为政府的政策选项”的要求,为推进我国电炉短流程炼钢绿色低碳和高质量发展提出有关政策建议。

本报告分上、中、下篇在《中国冶金报》连续刊登,以供读者参考。其中,下篇主要论述我国电炉短流程炼钢的资源和能源保障情况,提出我国电炉短流程炼钢发展的战略路径和有关政策建议。
 

一、我国电炉短流程炼钢资源能源分析

 

1.废钢资源保障现状及预测

欧盟、美国等国家和地区的废钢比均超过50%,我国仅为21%。2022年我国废钢资源量为2.63亿吨,其中钢铁行业消耗废钢2.15亿吨,机械行业铸锻用废钢约0.2亿吨(“废钢资源量”为测算值,一般大于废钢产生量和实际消耗量);自产废钢、加工废钢、折旧废钢分别占15%、17%、68%,再生钢铁原料进口量仅为56万吨、占比不足0.5%。截至2022年底,已公告符合废钢准入条件的企业共10批707家,废钢铁加工配送工业化体系初步建成,年加工能力约1.7亿吨,占我国废钢资源总量的一半以上。废钢资源分布方面,据中国废钢铁应用协会估算,全国超八成的废钢资源分布在东北(辽宁)、华北(北京、天津、河北、山西)、华东(上海、江苏、山东、浙江)、中南(河南、湖北、广东)、西南(四川)等地。我国废钢产业具有较大的发展前景,但发展基础还有待完善,仍然面临着资源总量不足、税收政策不完善、进口标准过高、缺乏正规统计等问题。(见图1)

根据国际回收局数据,2021年全球废钢贸易量约1.1亿吨,主要在亚洲、欧洲、北美等地区流通;2022年,受全球粗钢产量下降影响,全球废钢贸易量降至9760万吨,废钢出口量排前5位的国家和地区分别为欧盟27国、美国、英国、日本、加拿大,合计出口5430万吨,约占全球废钢总出口量的56%;排前5位的废钢进口国家和地区分别为土耳其、印度、美国、韩国、欧盟27国,合计进口4260万吨,约占全球废钢总进口量的44%(见表1)。

社会钢铁蓄积量是反映一个国家工业化程度的重要指标。钢铁发展初期是钢铁的蓄积,通过钢铁产品流动、铁资源空间转移而实现。从更广阔的视角看,铁资源流动是从地下向地上的流动、从国外向国内的流动、从南半球向北半球的流动。未来,钢铁发展到一定程度后,将不再以上述3个流动为主,将转变为“钢铁的循环”或称“铁资源的循环”——制造领域是铁资源的短周期循环,建筑领域是铁资源的长周期循环。据预测,2022年我国社会钢铁蓄积量为120亿吨,2035年将达到178亿吨,2050年将达到219亿吨,2060年将达到243亿吨(见表2)。

结合国内粗钢产量预测结果,预计2030年中国废钢资源量约为3.6亿吨,2035年近4亿吨,2040年达到阶段性峰值水平4.1亿吨左右,2060年回落至4亿吨左右(见表3)。

需要特别说明的是,2040年前后废钢资源量达到峰值后预计将有所回落。其主要原因是未来一段时期我国粗钢产量将逐步回落,自产废钢资源量将从目前的4000万吨左右回落到2060年的3200万吨左右;同样,根据下游行业发展预测,由于未来我国钢铁消费量将逐步下降,加工废钢量也将由目前的4300万吨左右回落到2060年的4000万吨左右;尽管折旧废钢量有所增长,由目前的2.18亿吨左右最高增长到2040年的3.34亿吨,但经过综合预测也将由2040年左右的最高点逐渐回落到2060年的3.25亿吨。目前,我国钢铁行业对废钢资源的蓄积和产出寄予厚望,有专家学者提出,未来几十年内“全废钢时代必将到来”,届时废钢供给量将超过钢铁需求量。但根据美国废钢发展情况看,这一判断可能过于乐观。在此,需要分清楚“废钢资源量”和“废钢产出量”两个概念,美国废钢蓄积量逐年增加,钢产量也没有继续增长,按理可以推断出美国废钢产出量应该是逐年增长的,但实际上却是逐年下降的,因此未来即便是到我国废钢资源量足够多时,随着废钢收购价格下跌、人工成本增加,社会回收加工体系能否支撑废钢产出量持续增长仍是未知数。此外,随着我国电炉钢比例的增加,废钢资源的保供稳价问题是否会更加突出,废钢资源的区域分布能否匹配相应的钢铁产能布局,也需继续关注。

总的来看,过去20年我国钢铁产量高速增长,社会钢铁蓄积量快速增加,未来我国废钢资源保障能力将逐步增强,二次资源和再生资源将成为中国钢铁工业铁资源的主要来源,我国也将成为世界上铁资源最丰富的国家。“双碳”背景下迫切需要实现高端废钢的精选优用,实现从钢铁材料全生命周期、全生产流程、全产业链协同,加强全流程生产管理的数字化、信息化、标识化及优质废钢拆解回收的机器人化,实现废钢资源管理、循环和再利用的产业重构和经营模式创新,以解决我国钢铁业与制造业共同面临的资源、能源和环境等重大问题。

2.直接还原铁发展概况及趋势

国外直接还原铁+电炉冶炼技术相对成熟,在中东、美国、欧洲等国家和地区得到广泛应用。据世界钢协统计,2022年全球直接还原铁产量为1.25亿吨,同比增长4.5%。印度是全球最大的直接还原铁生产国,凭借其丰富的赤铁矿储量及煤炭资源,主要采用煤基回转窑生产直接还原铁,再配套电炉炼钢。伊朗等中东国家和俄罗斯由于天然气资源丰富、价格低廉,主要采用Midrex气基竖炉工艺生产直接还原铁。直接还原工艺主要分为煤基与气基两大类。当前,使用气基直接还原法生产的直接还原铁占总产量的75%左右(见表4)。

2021年,全球直接还原铁贸易量增至创纪录的2280万吨,其中陆路运输贸易总量超过1480万吨,比2020年增长4.4%。2021年,直接还原铁主要出口国分别为俄罗斯、特立尼达和多巴哥、伊朗、印度、美国;有38个国家进口直接还原铁和热压块铁,居前3位的是美国、中国和意大利(见表5)。

我国直接还原铁产业发展缓慢,主要限制因素在能源、资源的获取和经济性上。目前宝武、河钢、中晋等企业已建成和在建的氢基还原铁示范项目单体规模不大,在低成本气源获取、设备高效运转和产能提升等方面仍在积极探索。但在国家低碳政策鼓励和支持下,国内气基直接还原铁产能、产量将实现快速突破,预计2025年、2030年、2050年、2060年产量可分别达到300万吨、900万吨、4000万吨、5000万吨。

3.电力能源概况及未来发展规划

截至2022年底,世界新能源装机容量为19.5亿千瓦,比2000年增长110倍,其中风电近9亿千瓦,太阳能发电10.5亿千瓦。随着太阳能、风能等可再生能源利用技术不断创新,新能源发电成本显著下降,但用电价格有所上涨,这主要是由于电源、电网等系统成本上涨。过去10年,我国新能源电力发展处于一个高速增长的时期。截至2022年底,我国风电装机容量达到3.65亿千瓦,占总装机容量的14.3%;光伏发电装机容量达到3.93亿千瓦,占总装机容量的15.3%。

按照《“十四五”现代能源体系规划》提出的建设目标:到2025年,我国发电装机总容量将达到约30亿千瓦,其中非化石能源发电量比重达到39%左右,非化石能源消费比重提高到20%左右。近期各工业行业以节能提效、降低碳排放强度和峰值为主;远期将以电气化、氢能化为主要方向。据中国电力企业联合会预测,到“十四五”末,我国新能源装机占比将从目前的30%提升至35%左右;到2030年,将提升至40%左右;到2035年,将提升至50%,成为装机主体;到2060年,将进一步提升至60%以上。届时,我国电力将从供应总量和电力能源结构两个方面支撑“绿电+电炉炼钢”和“绿氢冶金+电炉炼钢”发展路径的实施。未来,我国电炉炼钢产能的布局能否与我国电力布局,尤其是绿电布局相适应值得关注。

 

二、我国电炉短流程炼钢发展战略路径

 

1.我国电炉高质量发展面临的问题

受诸多因素影响,目前我国电炉短流程炼钢企业的经营效益、开工率、产能利用率等状况并不乐观。总的来看,我国电炉高质量发展主要面临5方面问题:一是废钢及直接还原铁资源供应问题,未来美欧废钢出口量将可能减少,我国还要在提高本土废钢资源供应能力方面下功夫;二是电力供应及电价成本问题,由于电能费用在电炉钢加工成本中占相当大的比例,因此探索其他低成本的能源补充十分必要;三是废钢循环过程中有害残存元素富集问题,除对冶炼工艺提出新要求外,对原料纯净性的要求也将进一步提高;四是高品质钢生产核心技术问题,解决高效去除废钢杂质元素、生产高性能钢铁材料难题;五是国内电炉制造装备水平不高,特别是150吨以上的大电炉尚缺乏实际应用验证,且相关配套设施的可行性和经济性也极大地限制了国产大型电炉的应用,很难和国外大型冶金装备竞争。

2.电炉短流程炼钢未来产量占比及碳排放测算

在粗钢中产量情形下,预计2035年我国电炉钢比例为30%,2050年为39%,2060年为40%。到2060年,预计我国粗钢碳排放总量约为3.9亿吨,在低产量情形下约为3亿吨。可以看出,随着我国废钢资源的增加,电炉钢产量也明显增加,但在废钢资源未来增幅总体有限的情况下,电炉钢产量也存在上限,转炉钢产量仍将占有相当大的比重,我国钢铁行业还将长期保持长短流程互相结合的工艺流程格局。届时可以通过配加直接还原铁、使用更高比例的绿电、界面节能措施和后端CCUS(碳捕集、利用与封存)处理等路径,在冶炼流程端和末端实现“碳减排”和“碳回收”,与其他行业减碳措施配合,最终在2060年前实现钢铁行业的碳中和。

根据中国工程院院士殷瑞钰有关研究成果(见图2),在我国钢铁行业实现碳达峰、碳中和过程中,粗钢产量下降、废钢利用、关键共性技术突破(氢还原/氢冶金)、节能+界面技术+智能化等4个方面对碳减排的贡献度分别为45%、39%、9%、7%(测算基础与本课题有所差异,但总体趋势可以参考)。废钢利用方面的碳减排贡献度占比达到39%,其中高炉—转炉工序占4%,电炉工序占35%。若扣除粗钢产量下降的因素,电炉工序的碳减排贡献度占工艺流程变革的贡献度比例超过了60%。

由此可见,在钢铁行业碳中和过程中,高炉—转炉和电炉在上半场和下半场的角色和降碳贡献不同。上半场降碳主要靠高炉,尤其是通过降低高炉产量实现粗钢产量的下降,电炉则在满足对“零碳”比较敏感、比较迫切的下游行业需求方面发挥作用;下半场主要靠电炉,通过工艺流程变革、提高电炉钢比来实现全行业碳排放总量的大幅下降。无论是上半场还是下半场,废钢资源始终承担着钢铁行业碳减排的重要任务,谁掌握废钢,谁就掌握了钢铁,这要求我们进一步提高废钢资源的基础循环水平。

3.电炉短流程炼钢发展方向及目标

针对电炉短流程炼钢发展中仍存在的问题,笔者提出电炉短流程炼钢发展方向及目标:一是提高电炉短流程炼钢占比,分阶段逐步用电炉流程替代传统高炉—转炉长流程;二是形成全废钢电炉流程替代中小高炉生产螺纹钢等长材、与近终形制造技术结合生产高品质钢材、利用氢还原—电炉流程生产特殊钢材3类电炉短流程炼钢发展模式;三是提升能效技术水平,逐步实现净零碳排放;四是大力提升电炉装备国产化水平,提高国内电炉装备企业研发能力;五是开发高品质直接还原铁和废钢,促进电炉钢产品转型升级。

4.有序推进电炉短流程炼钢高质量发展路线图

第一阶段(2023年—2035年),2035年电炉钢产量占比达到30%以上,稳步提升电炉钢占比。第二阶段(2036年—2050年),2050年电炉钢产量占比达到40%以上,实现我国钢铁工业流程结构的切换。第三阶段(2051年—2060年),2060年电炉钢产量占比继续保持在40%以上,短流程电炉冶炼产品基本实现全覆盖。
 

三、我国电炉短流程炼钢发展相关建议

 

根据实事求是、因地制宜、分类施策的发展理念,坚持技术科学化、发展有序化、政策绿色化和竞争公平化原则,不断夯实电炉钢发展的资源、能源和技术基础,持续优化电炉钢发展的政策环境、市场空间和推进机制,有序引导电炉短流程炼钢发展。

1.加强顶层设计,引导电炉炼钢有序化发展

建立完善部际协调机制,统筹研究解决电炉和废钢相关问题,稳妥推进到2025年全国电炉钢产量占比达到15%以上的既定目标。以四川省电炉短流程炼钢高质量发展引领工程为示范引领,有序培育一批有废钢资源、有市场需求、有绿电优势的电炉短流程示范基地。引导节能降碳潜力弱、设备设施老旧、废钢资源有保障的长流程企业转型发展短流程。严禁以电炉短流程和低碳名义新增钢铁产能。组织制订我国电炉钢及废钢、直接还原铁高质量发展的指导性文件,研究将电炉短流程项目纳入《绿色产业指导目录》,支持电炉短流程项目作为绿色信贷支持项目。

2.优化产业指导目录,提升电炉国产化比例

适当放宽《关于钢铁冶炼项目备案管理的意见》(发改产业〔2021〕594号)有关规定,对确有必要新选址的电炉短流程炼钢项目,允许粗钢产能规模不低于100万吨/年。考虑到我国100吨以下电炉装备数量占比达到79%,建议优化《产业结构调整指导目录》,从国情实际考虑建议将限制类电炉炉容由100吨降低到70吨,避免大多数电炉短流程炼钢企业因存在100吨以下电炉而被执行每千瓦时加价0.1元的差别电价。鼓励电炉装备国产化,联合科研、电炉制造、电炉冶炼等上下游单位研发资源,加快大型高效电炉装备技术研发和相关人才培养,支持电炉装备制造企业积极开发具有自主知识产权的新型电炉。鼓励“氢还原+电炉”等低碳冶金工艺,适时出台有利于电炉短流程发展的碳税政策。

3.疏通发展堵点,扩大电炉炼钢资源基础循环

发挥好国家部委协调机制作用,统筹研究解决废钢相关问题。研究将废钢的退税比例提高到70%,降低准入企业的税负成本。对回收环节前端实行核定征收所得税,税率按0.5%征收,解决废钢资源流通“第一张票”的问题。进一步放宽废钢进口管制,修订我国《再生钢铁原料》标准,促进废钢资源进口。将废钢产量和销量等数据纳入国家统计局或相关部门法定统计体系。加快培育龙头企业,加强废钢资源集中管理,为电炉发展和冶炼高品质钢、特种钢提供有效的原料保障。对直接还原铁+电炉工艺,从项目建设贷款优惠、产能置换比例、电价优惠、环保税要求等方面给予政策支持。鼓励开展国际产能合作,在国外布局直接还原铁生产线及钢铁冶炼项目。

4.争取电力保障措施,增强电炉炼钢竞争力

支持符合条件的电炉短流程企业申报钢铁行业规范条件企业,对进入钢铁行业规范条件企业名单且完成超低排放改造的企业不再纳入“两高”项目管理,在产能治理、产量调控中给予适当支持。鼓励电炉短流程企业建设工业绿色微电网,加强可再生能源建设及电力资源保障。鼓励电炉短流程企业根据峰谷电价时段制订生产计划,降低用电成本。

5.聚焦共性技术清单,推进电炉技术科学化

进一步加强对电炉短流程领域高新技术发展及产业化的政策支持。引导和鼓励社会资本加大对智能化、绿色化电炉短流程炼钢工艺和装备等领域的投资力度。建议国家相关部委设立电炉短流程发展研发专项,聚焦关键共性技术研发,鼓励原创技术装备和新材料示范应用。

6.坚持推广能效提升,引导短流程低碳发展

大力推广应用节能低碳技术和先进节能装备应用示范,淘汰能效较低的生产技术和装备。建立健全钢铁产品全生命周期绿色评价体系,并加强国际交流合作,研究通过电炉钢的EPD方法来促进电炉低碳技术的进步,引导下游行业关注钢材产品的绿色低碳属性,推进全产业链绿色低碳发展。将钢铁行业纳入全国碳交易市场,对长短流程钢铁企业设定合理的碳排放配额,用市场化的手段引导短流程炼钢发展、推进钢铁行业低碳转型。支持企业通过“源网荷储”一体化的形式大规模利用可再生能源,实现能源供给多样化、低碳化。