碳中和下钢铁行业煤炭消费趋势：中短期或靠电炉产量占比提升减少消耗

钢铁行业的耗煤主要体现在焦煤——焦炭——高炉炉料这一流程，焦煤在高温蒸馏下形成焦炭，焦炭在钢铁高炉里作为基础炉料加热铁矿石等其他原料，同时发挥还原剂的作用，这是最为传统的炼钢工艺，也称作长流程炼钢。相对应的还有短流程炼钢，也就是通常所说的电炉炼钢，其工艺是使用交流电通过石墨电极输入炉内，在电极下端与金属料之间产生电弧，利用电弧的高温直接加热炉料，使炼钢过程得以进行。电弧炉炼钢以废钢为主要原料，因此除去所耗电力以及电炉中所需要的石墨电极，短流程并不会额外排放大量CO2。

按照物料比例，长流程高炉炼钢吨钢需要消耗0.45吨焦炭，而1吨焦炭消耗约1.3～1.4吨干基各类型焦煤，因此吨钢耗煤量约在0.61～0.62吨焦煤。短流程炼钢过程中，吨钢大约消耗3kg石墨电极，500度电力（相当于消耗217kg原煤），相较于高炉炼钢可节约将近0.6吨煤炭，节省碳排放量约1.3吨左右，大约相当于如果电炉炼钢所需要的电力全部都由新能源发电所提供，则吨钢额外节省碳排放量约0.4吨，累计可节省约1.7吨二氧化碳排放，减排效果明显。

中国粗钢及人均粗钢产量

资料来源：Wind

中国钢铁行业及单位产出碳排放量

资料来源：Wind

按照最新可得的统计数据，2017年中国钢铁行业碳排放量为16.77亿吨，单位钢铁产量排放的二氧化碳约为1.93吨，钢铁的单位碳排放量已经呈现下降的趋势，从2020年的3吨以上，已经下降到近几年的2吨以下，这主要是受益于工艺改进带来的效率提升以及新增大型钢铁项目的规模效应。

从碳中和路径而言，钢铁行业的电气化已经有固定的模式，也为远期大幅脱碳提供了可能，但是否可行还存在诸多障碍。

目前中国钢产量每年约接近10亿吨，而电炉炼钢占比仅在10%左右，相比发达国家，美国的电炉炼钢占比超过50%，美国电炉炼钢比重有持续增加且有稳步上升的趋势，而德国和日本则基本稳定在25～30%左右。美国之所以有高占比，最主要的原因是美国工业化过程相对较长，基建规模也远大于欧洲等国家，积累了大量的废钢，而废钢是电炉炼钢里的基本原料，过剩的废钢供应使废钢价格只有铁水价格的40%左右，使电炉拥有显著的原料成本优势。而中国目前的废钢价格相当于生铁价格的80%左右，再加上电力等生产成本，电炉炼钢的成本很难有竞争力，且废钢的供给量长期难有大幅增长，都是制约电炉产量的因素。

中国电炉炼钢产量及占比（亿吨）

资料来源：Wind

发达国家电炉炼钢占比

资料来源：Wind

因此中国电炉炼钢比例提升核心依赖于废钢供给的增加，废钢供给增加后才能扩大电炉炼钢的原材料来源，废钢价格也才有下降的可能。预计随着国内工业化以及基建工程、城市更新改造的推进，国内的废钢供给也会呈现增加的趋势，钢铁行业长期电气化的进程基本上与城市化、工业化的过程中可以达到匹配的程度。

除了电气化之外，钢铁行业的脱碳还可以通过氢气直接还原铁的方式来进行。焦炭在高炉中的核心作用主要是加热和作为还原剂，而氢气理论上是可以替代焦炭实现上述功能。但目前在全球范围内，实际运行的项目屈指可数，瑞典的起步较早，瑞典钢铁公司（SSAB）联合大瀑布电力公司（Vattenfall）以及矿业集团（LKAB）创立了非化石能源钢铁项目HYBRIT，预计2024年开始有望转入小规模生产。德国蒂森克虏伯公司也开始了相关尝试。而中国宝武集团2019年也开始了与中核集团、清华大学也开始了炼钢用氢方面的合作。

但是氢气替代焦炭炼钢涉及高炉技术的革命性转变，其经济性还依赖于氢气的成本。日本钢铁协会估算生产1吨生铁需要601标准立方米氢气，补偿吸热反应需要67标准立方米氢气，加热融化到1600摄氏度需要85标准立方米氢气，共计需要753标准立方米氢气，按照75%的热效率计算，产生1吨生铁需要的氢气量为1000标准立方米。按目前成本，生产一吨钢铁大约需要0.45吨焦炭，吨钢的能源物料成本约为1000～1050元/吨，如果与高炉炼铁达到一样的成本水平，所使用的氢气成本需要降至1～1.05元/米3，约合11.2～11.8元/kg，基本是目前最便宜的化工副产及化石能源制氢成本，如果以零碳来源的氢气成本计算，目前光伏和风电制氢成本基本在17～25元/kg的成本水平，氢气还原制铁的工艺至少比传统高炉高80%～100%以上。氢能还原制铁的大面积推广需要迈过三大门槛：一是技术在规模应用上的稳定性；二是工艺的安全性及安全成本的降低；三是氢能来源成本的降低。

从短期而言，钢铁行业的在“碳达峰”和“碳中和”政策目标下，短期可以减碳为目标，一方面优化高炉工艺，提高能耗水平，或者采用余热回收、干熄焦技术以及喷射式碱性氧气转炉技术等；二是进一步提升电炉炼钢占比，如果焦炭价格持续维持高位，这一趋势也有可能强化。中期看，如果氢能等替代工艺还无法大规模推广的背景下，电炉炼钢增速有限的背景下，在碳达峰后，碳捕捉也将成为必备的工艺环节。远期在“碳中和”背景下，氢气则有望成为炼钢的理想替代方式，但绿氢的成本会决定此情景下的钢铁业制造成本。在这一过程中，电炉炼钢所必须的石墨电极以及氢气预计将有较大需求增长，利好相关企业。