日本钢铁产业的碳中和战略.docx

    日本钢铁产业的碳中和战略    朴卉琳延边大学0 引言众所周知, 全球供应链的重构与碳中和已经成为全球瞩目的两大议题，上述焦点问题在一定程度上也有所重叠 碳中和问题既是环境问题,也是特定国家核心产业的产业竞争力问题,正在迅速成为影响相关产业存亡的核心议题欧盟在强力推进绿色发展战略的同时,正在引领全球CO2减排问题在美国，尽管特朗普政府曾对环境问题持消极态度，而新上台的拜登政府正在推行重返巴黎协定等碳中和政策特别是第26 届联合国气候变化大会(COP26)已经在英国格拉斯哥(2021 年10 月31 日-11月12日)举行［1］针对钢铁等碳减排困难行业，制定了“突破性议程” 特别是在钢铁领域,将重点放在技术创新、采购、标准投资、横向对策上,调整多种国际倡议的联系,促进国际合作另外，在G7、G20 等首脑会谈上，碳中和问题也成为全球关注的焦点为了应对这种全球碳中和大趋势(见图1),世界各国正在加快制订长期的碳中和战略和路线图图1 主要国家和地区的碳中和目标和趋势2020 年韩国政府也曾发布《2050 年碳中和愿景》，联合各产业、各部门开展产、学、官合作,为实现碳中和目标,制定愿景和路线图等对策。

2021年12月还发表了《产业、能源碳中和大转变愿景和战略(2021 年12 月10 日)》特别是钢铁产业,在工业领域不仅碳排放量最大,而且很难开发出CO2减排的全新炼铁工艺以POSCO 控股集团为代表,尽管韩国在钢铁生产效率方面具有世界领先的竞争力不过,考虑到钢铁产业自身的特点,同样也是最难实现碳中和的领域目前，世界钢铁产量的一半以上由中国生产20 世纪90 年代，日本粗钢产量一直保持世界最高水平，但到了2020年，世界排名前10位的钢铁企业中，除安赛乐米塔尔（第2 位）、日本制铁（第5 位）、POSCO（第6 位）以外，中国企业就占到了7 家，但日本钢铁产业在高级钢种等质量方面不仅具有较高的竞争力，而且在炼铁生产中的单位碳排放量也是最低的［2］另外,日本钢铁产业从很早开始就着手开发碳减排的新一代炼铁工艺,而且在政府的综合支持政策和产、学、官合作体系等方面,已经成为了业界的标杆1 碳中和对钢铁产业的重要作用1）CO2排放巨大的钢铁产业在工业领域所占的比重最大2019 年，韩国钢铁产业CO2排放量约为1.17亿t，占行业排放总量的17%，占工业排放总量的30%2019年，日本钢铁产业CO2排放量约为1.54亿t，占行业排放总量的14%，占工业排放总量的42%（见图2）。

图2 日本各部门CO2排放量比重(2019年)虽然存在统计差异,但日本钢铁产业也是CO2排放最大的工业领域,这一点与韩国相似不过,在工业领域CO2排放量的比重方面,反而远远大于韩国2）在现有的高炉工艺下，钢铁生产必然会排放碳（见图3）图3 钢铁生产工艺这是因为烟煤还原铁矿石(Fe2O3)在生产铁水的过程中会产生CO2［3］，每生产1 t 粗钢,约排放CO22 t由此可见，钢铁产业的CO2排放量与粗钢产量成正比也就是说,改进现有高炉炼铁工艺需要更高的技术水平,特别是作为一种没有杂质、质量优秀、经济的方法，以及烟煤作为还原剂使用的工艺特性,很难显著减少CO2排放3）钢铁企业技改需庞大的资金和时间为了实现碳中和,钢铁业界必须进行CO2减排,但是为了实现这一目标,炼铁工艺开发需要攻克的技术难关也很多,需要庞大的资金和时间一旦全世界约70%(10.9 亿t)的高炉将退役,今后还需要庞大的设备投资因此，为了减少CO2排放或零排放，全球主要钢铁企业正在开发氢还原炼铁等全新工艺［4］,但现阶段还不能确定成功的可能性和时机例如,在炼铁工艺中,高炉技术包括尾气回收(iACRES)、氧气高炉(Oxygen BF)、氢利用还原（COURSE50）等。

直接还原炼铁技术包括熔融还原（FINEX，Hlsama）、直接还原铁（DRI）、氢还原炼铁法（H2DRI）等［5-6］4）对下游产业影响大除了相关产业,钢铁产业对汽车、家电、造船等下游产业的维持和发展也有重大影响,从这一点来看,钢铁产业碳中和对国民经济意义重大5）钢铁产业能耗巨大高炉-转炉工艺钢铁生产消耗煤炭的比重高达89%,CO2排放不可避免，而电弧炉生产耗电比重占81%（见图4）,从廉价、碳排放小的电力来源获得电力显得尤为重要，这就是新再生能源或氢气等清洁能源发电及炼铁备受关注的原因图4 钢铁生产工艺能耗特点2 日本钢铁产业的碳中和战略与课题2.1 日本绿色发展战略主要内容及钢铁的地位2021年6月，日本政府制定了绿色发展战略,大致分为能源相关领域、运输/制造领域、家庭/办公室领域,同时发表了碳中和课题和对策的实施计划和横向支持政策（见表1）能源产业以海上风力、燃料/氨、氢气(氢还原炼铁等)、核能为对象运输/制造产业以汽车/蓄电池、半导体/信息通信、船舶、物流/土木基础设施、食品/农林水产、飞机、碳循环为对象家庭/办公室产业以住宅建筑/新一代太阳能、资源循环、生活方式为对象为了实现2050 年碳中和目标, 日本政府已经充分认识到钢铁碳中和是最迫切的课题。

不过,在该战略中,并没有将钢铁指定为独立的CO2减排对象,而是在氢气领域的氢气还原炼铁、运输、能源等内容间接涉及钢铁［7］表1 日本为实现碳中和而采取的绿色发展战略横向政策手段2.2 日本钢铁产业碳中和基本方针截至2020 年底,日本共有日本制铁、JFE 控股、神户制钢等3 家高炉钢铁企业从钢铁总产能来看，高炉8 300 万t，电弧炉3 700 万t，未来向零碳排放钢铁生产工艺转型迫在眉睫在高炉中，借助氢气代替焦炭，可以大幅削减CO2排放不过,由于高炉在结构上需要使用最低限度的焦炭,因此，CCUS(碳捕集、利用和储存) 技术是必不可少的目前,为了大幅减少钢铁产业的CO2排放,通过关停老旧高炉来减少钢铁生产就是最容易的方法日本制铁从CO2减排的角度出发，正式宣布2022年关停和歌山制铁所的1 座高炉，2023 年全面关停吴制铁所另外,为了克服高炉方式在CO2减排上的局限,日本钢铁业界正在关注电弧炉使用废钢作为原料,借助新再生能源供电的电弧炉(EAF)是一种钢铁循环工艺只要提供环保电力,就可以完全减少CO2排放,而且技术已经成熟, 相比新一代技术，在成本(费用)方面也更具竞争力，但前提是废钢的稳定供应和廉价丰富的绿色电力（如可再生能源等）的供应。

主要国家电弧炉在粗钢生产中的比重见图5目前,作为钢铁产业的脱碳对策,氢直接还原-电弧炉工艺在全世界最受欢迎在传统的天然气直接还原方法中,氢气被用作还原材料和燃料如果原料/燃料使用的氢和电力以无碳排放的方式进行生产和供应,钢铁生产中的CO2理论排放量就可能会为零虽然该工艺尚未达到商业规模,但到2050年,价格竞争力有望达到传统高炉-转炉工艺的水平在应对碳中和的大趋势上，日本铁钢联盟自主提出了自救对策，同时向日本政府提出了财政支持要求，以期实现炼铁新技术开发成果的应用和推广（见表2）［8］表2 日本钢铁产业2050年碳中和基本方针2.3 日本钢铁产业碳中和新技术开发动向日本钢铁业界的环保工艺技术开发大致分为COURSE50 及FERRO 焦炭其中，FERRO 焦炭是一种金属铁块，含有较高比率的低品位煤炭或铁矿石,在金属铁的催化作用下,可以提升高炉内的还原效率,同时减少高炉焦炭投料作为日本的国策项目，COURSE50（CO2Ultimate Reduction System for Cool Earth 50 Project）项目旨在开发氢还原炼铁技术，可以说是利用现有的高炉工艺进行氢还原该项目从2008年开始推行［9］，是由NEDO（新能源产业技术综合开发机构）主管的国策项目。

最终目标是开发氢还原铁矿石，从高炉中分离、回收CO2的技术（见图6）从2013 年开始，在全球首次启动了氢还原钢铁长流程（BF-BOF）碳排放降低10%的实验另外,通过开发CCS(碳收集及储存)的CO2回收技术,目标是减少20%的CO2排放日本目前没有直接还原铁的工厂, 计划创建的首座工厂目标是在2030 年商用化，总费用预计为381 亿日元,全部由国库支持此后,日本又提出了利用外部氢气的Super COURSE50,实际高炉试验将于2023 年以后实施［10］日本三大高炉钢铁企业计划通过产、学、官合作，在世界上最早实现氢还原炼铁技术的商用化，还计划推进氢气还原炉的开发，目标是在2050年以后不再使用高炉图6 日本钢铁领域COURSE50工艺概况另外,日本政府还规定,对于炼铁工序扩大氢利用的技术开发，国家经费负担额上限为1 935 亿日元在氢还原炼铁工艺方面，致力于开发高炉氢直接还原铁矿石技术和CO2还原剂技术，与此同时,还开发电弧炉杂质去除技术在日本,小型电弧炉也可以生产部分汽车用高级钢种，今后将通过电弧炉的大型化,持续扩大高级钢种的产量不过，日本绿色钢材制造工艺的开发在技术上仍不成熟。

在脱碳工艺的研发中还存在相当大的风险因此，日本正在通过产、学、官联合发力，共同应对钢铁碳中和的相关课题（见表3和图7）表3 日本钢铁企业的碳中和战略图7 日本钢铁新技术开发相关路线图3 日韩钢铁产业碳中和战略比较与启示3.1 日韩钢铁产业碳中和战略比较从日韩代表性钢铁企业来看，韩国POSCO 控股集团提出了中短期目标和阶段性实施方案，目标是在2030 年和2040 年分别减少CO2排放20%和50%第一阶段是提高能源效率,用经济低碳原料进行替代,第二阶段是提高利用废钢(钢铁副产品)和应用CCUS,第三阶段是开发以现有直接炼铁工艺（FINEX)为基础的氢还原炼铁技术,最终实现以氢还原和再生能源为基础的碳中和炼铁工艺日本制铁的目标是到2030 年之前,在现有的高炉-转炉长流程工艺下完成COURSE50技术开发,通过喷吹氢气减少CO2排放10%，通过CCS 减少CO2排放20%另外,日本到2050 年之前,综合推进以下三种方式的技术开发,实现碳中和目标，即在高炉-转炉工艺利用Super COURSE50 和CCUS 实现零碳排放，最终废除高炉，同时考虑100%氢还原炉方式，着手开发大型电弧炉，推进400 t 级电弧炉生产高端钢种。

从氢还原炼铁技术来看,POSCO 将在2040 年之前从蓝氢阶段利用CCUS，但到了2050年,利用氢流动还原炉和大型电弧炉完全替代高炉,从理论上来看，CCUS 只是一种过渡技术与此相比,日本制铁计划到2050 年之前利用长期积累的CCUS 技术,同时继续保留高炉工艺,这一点存在明显差异（见表4）［11］表4 POSCO与日本制铁的碳中和战略比较另外,韩国根据2050 愿景计划,为了减少碳排放,POSCO在2021年底关闭了100万t的浦项制铁所1 号高炉,高炉产量减少了10%为弥补高炉减产的影响，计划2025 年对光阳制铁所1 座电弧炉，2027 年对浦项制铁所2 座电弧炉进行投资，将粗钢产能扩大至250 万t另外，转炉废钢比将从10%提高到30%［12］日本制铁计划在2022 年上半年启动新电弧炉,2023年也将启动150 t级的电弧炉［13］3.2 韩国钢铁产业碳中和课题与启示在应对碳中和趋势,同时不损害本国钢铁产业的竞争力,韩国政府需要制定多种对策随着氢还原炼铁技术开发及设备的投资扩大，新再生能源使用增加导致电力费用攀升、应对各国碳排放限制等挑战性课题层出不穷对于钢铁产业而言,很难开发碳和炼铁新技术,因此，很难找到一劳永逸的对策。

因此,日本等发达国家正在通过产、学、官联手,寻求各种支持政策1）提升竞争力韩国政府迫切需要通过产业政策和通商政策的联系,制定综合性的。