劉俊生 湯苗苗

（上海政法學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，上海 202208）

近代以來，人類工業(yè)活動(dòng)的不斷開展造成了二氧化碳、甲烷等多種溫室氣體[1]的排放急劇上升。以二氧化碳為主的溫室氣體會(huì)造成地球一系列的變化，冰川融化、海平面上升，進(jìn)而引發(fā)大型甚至是超大型臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)、海嘯等自然災(zāi)害。這使得全球氣候變暖和減少碳排放成為世界各國政府和人民關(guān)注的焦點(diǎn)。作為世界碳排放量的第一大國，中國碳減排工作的全面開展對(duì)于解決整個(gè)世界氣候變化問題的重要性是不容置疑的。

鋼鐵行業(yè)作為我國碳排放占比最高的制作行業(yè)[2]，推動(dòng)其率先達(dá)峰已經(jīng)成為我國全面實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。本文研究鋼鐵行業(yè)主要碳減排技術(shù)及其成本，本文在專家型MACC方法的基礎(chǔ)上，估計(jì)得到鋼鐵行業(yè)的邊際減排成本曲線，擬合出比較符合鋼鐵行業(yè)實(shí)際減排情況的減排成本曲線，有助于政策制定者評(píng)估不同碳減排政策的合理可行性，為中國鋼鐵行業(yè)的低碳綠色發(fā)展和碳達(dá)峰策略實(shí)現(xiàn)提供了重要保障。

一、鋼鐵行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

作為我國支柱性產(chǎn)業(yè)，鋼鐵行業(yè)為我國工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。鋼鐵行業(yè)涉及國家、企業(yè)和家庭的方方面面，消費(fèi)拉動(dòng)大，這使得其在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、就業(yè)穩(wěn)定等各方面都發(fā)揮著重要作用。世界鋼鐵協(xié)會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年中國粗鋼產(chǎn)量10.53億噸，同比增長(zhǎng)5.2%，占全球粗鋼產(chǎn)量的56.7%。由此可見隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了巨大的成就。

盡管中國的鋼鐵行業(yè)已經(jīng)具有較高的成本效益，但仍然存在著碳排放總量高、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、生產(chǎn)效率低和產(chǎn)能過剩等多種問題亟待解決。

目前的鋼鐵生產(chǎn)工藝主要有以下三類，一是用高爐、轉(zhuǎn)爐和焦?fàn)t煉鋼（BF-BOF），也稱長(zhǎng)流程工藝；二是用直接還原鐵（DRI）生產(chǎn)的電弧爐煉鋼（DRI-EAF），三是用廢鐵冶煉的電弧爐煉鋼（Scrap-EAF）。根據(jù)《鋼鐵統(tǒng)計(jì)年鑒2021》，中國粗鋼生產(chǎn)仍以BF-BOF工藝為主，占粗鋼總產(chǎn)量的90.8%，其具有較高的能耗和碳排放強(qiáng)度，CO2排放強(qiáng)度高達(dá)1.8～2.4噸。

后兩種工藝統(tǒng)稱為EAF工藝，也叫短流程工藝，占粗鋼總產(chǎn)量的9.2%。Scrap-EAF工藝是把廢鋼作為為原料經(jīng)加工后至電弧爐中直接煉鋼，全流程CO2排放強(qiáng)度僅為0.6噸/噸。DRI-EAF工藝是在低于礦石熔化溫度下，通過固態(tài)還原，把鐵礦石煉制成鐵的工藝過程全流程CO2排放強(qiáng)度約為1.4噸/噸。

二、鋼鐵行業(yè)碳減排技術(shù)的路徑選擇

（一）碳減排技術(shù)的路徑選擇

本文研究選定了以下四條減排路徑：能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、工藝結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能減排技術(shù)推廣、CO2捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)應(yīng)用，并選取了各條路徑上共計(jì)31條節(jié)能低碳技術(shù)進(jìn)行碳減排的成本分析。

在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整部分，本文選擇了清潔高效的氫基高爐煉鐵和氫基直接還原煉鋼技術(shù)作為主要減排技術(shù)；在工藝結(jié)構(gòu)調(diào)整部分，目前國內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)工藝仍以BF-BOF工藝為主，EAF工藝煉鋼產(chǎn)量卻僅占我國鋼鐵產(chǎn)量的9.2%，遠(yuǎn)低于世界平均水平26.3%。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，要大力提升EAF工藝煉鋼占比；在節(jié)能減排技術(shù)推廣部分，本文根據(jù)《國家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》（2017）文件中公布的數(shù)據(jù)，從中挑選了影響鋼鐵行業(yè)碳排放量的26種主要減排技術(shù)參與成本核算；在CCUS技術(shù)應(yīng)用部分，國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）預(yù)計(jì)，到2050年鋼鐵行業(yè)在實(shí)施了工藝技術(shù)提升、能效提高、低能耗與原材料替代等常規(guī)減排方法之后，還將剩下34%的碳排放量，即便DRI-EAF技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了重大突破，殘余碳排放量也將達(dá)到8%，所以政府必須采取其他措施以徹底消除鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放量，CCUS技術(shù)就是一種可行性選擇。綜合考慮下，本文選擇把CCUS技術(shù)作為未來鋼鐵行業(yè)的主要減排技術(shù)參與到后續(xù)的核算當(dāng)中。

綜上所述，本研究圍繞上述4方面共選定31種技術(shù)進(jìn)行減排成本及減排潛力分析。

（二）碳減排技術(shù)減排潛力的成本核算

鋼鐵行業(yè)CO2排放總量根據(jù)公式（1）計(jì)算：

式中：TCE是鋼鐵行業(yè)2030年CO2排放總量；Output是2030年鋼鐵總產(chǎn)量，即8.8億噸；PRi是工藝i的產(chǎn)量占比，%；EIi是工藝i的碳排放強(qiáng)度。

鋼鐵行業(yè)各種工藝的碳減排潛力根據(jù)公式（2）計(jì)算：

式中：ERPi是工藝i在2030年的碳排放潛力，億噸；Outputi工藝i對(duì)應(yīng)產(chǎn)品在2030年的產(chǎn)量，億噸；UERPi是工藝i相對(duì)于傳統(tǒng)工藝的單位產(chǎn)能減排潛力，噸/噸；PRi是工藝i在2030年的推廣比例。

鋼鐵行業(yè)各種工藝的單位減排成本根據(jù)公式（3）計(jì)算：

式中：UACi為工藝i的單位減排成本，元/噸；USCi為相對(duì)于傳統(tǒng)工藝的單位產(chǎn)能替換成本，元/噸。

各種工藝的總減排成本根據(jù)公式（4）計(jì)算：

式中：TACi為工藝i的總減排成本，元/噸。

能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和工藝結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)技術(shù)的減排潛力和減排成本可按上述公式計(jì)算得出；節(jié)能減排技術(shù)推廣的推廣比例、減排潛力及減排成本是根據(jù)《國家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄（2017年本，節(jié)能部分）》公布的官方數(shù)據(jù)來確定的；CCUS技術(shù)在我國的試點(diǎn)項(xiàng)目不多，本文參考其他學(xué)者以寶鋼湛江項(xiàng)目作為參考工廠進(jìn)行CO2捕集的研究結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，得到CCUS技術(shù)的單位減排成本為430元/噸。

（三）邊際減排成本曲線

通過計(jì)算得到上述各項(xiàng)減排技術(shù)的減排潛力與減排成本后，可基于邊際減排成本函數(shù)建立減排潛力與減排成本之間的關(guān)系。邊際減排成本函數(shù)有4種主要函數(shù)形式，其中著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家Nordhaus利用一般均衡模型提出的對(duì)數(shù)函數(shù)形式y(tǒng)=a+bln（x）由于具有較好的擬合效果得到了廣泛應(yīng)用。因此本文選擇采用對(duì)數(shù)函數(shù)為基礎(chǔ)的邊際減排成本函數(shù)來擬合鋼鐵行業(yè)的減排成本曲線，具體計(jì)算形式見公式（5）：

式中：MAC為邊際減排成本；An為減排量，億噸；Cn為CO2排放量；a和b為需要擬合的參數(shù)。

通過對(duì)減排量An進(jìn)行積分，可以得到減排潛力與總減排成本之間的關(guān)系，具體見公式（6）：

式中：TACn為n行業(yè)的總減排成本。

三、鋼鐵行業(yè)碳減排技術(shù)的成本分析

（一）情景設(shè)置

中國鋼鐵協(xié) 會(huì)將鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰目標(biāo)初步定為：2025年前，鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰；到2030年，鋼鐵行業(yè)碳排放量較峰值降低30%。為了更好地探尋鋼鐵行業(yè)碳達(dá)峰的減排路徑，本文假定鋼鐵產(chǎn)量為外生變量并參考選用張琦等（2021）[7]預(yù)測(cè)2020年就已經(jīng)達(dá)到碳達(dá)峰的結(jié)論，即2030年鋼鐵行業(yè)的碳減排目標(biāo)就是2020年碳排放量的30%，具體情景設(shè)置見表1。

表1 鋼鐵行業(yè)減排路徑情景設(shè)置

（二）參照情景下的實(shí)證分析

參照情景下，計(jì)算可得我國鋼鐵行業(yè)的平均減排成本為596元/噸，總減排潛力為1.75億噸，總減排成本為741億元，可見按 現(xiàn)有規(guī)劃的速率推廣各項(xiàng)減排技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。假定能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和工藝結(jié)構(gòu)調(diào)整的推廣比例達(dá)到100%的極端情況下，行業(yè)平均減排成本為596元/噸，總減排潛力為4.27億噸，總減排成本為2447億元，行業(yè)減排成本曲線的擬合曲線如圖2所示，該曲線的R2為0.58。由此可見，在維持原有的粗鋼產(chǎn)量水平下，僅僅依靠現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)30%的碳減排目標(biāo)難度和成本都很高。

圖1 參照情景下減排總成本曲線

圖2 穩(wěn)定發(fā)展情況下減排總成本曲線

（三）穩(wěn)定發(fā)展情景下的實(shí)證分析

由公式（1）計(jì)算可得，到2030鋼鐵產(chǎn)量的減少會(huì)貢獻(xiàn)大概17%的減排量，因此4種減排路徑只需要承擔(dān)約13%的減排量，即1.54億噸。

穩(wěn)定發(fā)展情況下，我國鋼鐵行業(yè)的平均減排成本為596元/噸，總減排潛力為1.66億噸，總減排成本為675億元，可見按現(xiàn)有規(guī)劃的速率推廣各項(xiàng)減排技術(shù)能實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。由于H2的價(jià)格比傳統(tǒng)的化石燃料高，導(dǎo)致氫能煉鋼的平均減排成本高達(dá)3918元/噸；Scrap-EAF工藝的減排潛力為0.37億噸，占所有技術(shù)總減排潛力的22%，是最高效的單個(gè)減排技術(shù)。四種減排手段中，節(jié)能減排技術(shù)推廣手段具有最高的減排潛力，達(dá)到1.16億噸，占總減排潛力的70%。CCUS技術(shù)應(yīng)用的平均減排成本為430元/噸，總減排潛力為0.05億噸，總減排成本為21.5億元。由于推廣潛力的不足，該項(xiàng)技術(shù)的減排效果沒有很好的展現(xiàn)，但平均減排成本仍低于整個(gè)行業(yè)的平均減排成本，值得決策者優(yōu)先采用。

根據(jù)公式（1）可得2030年鋼鐵行業(yè)的碳排放量為13.24億噸，以此為基礎(chǔ)得到行業(yè)減排成本的擬合曲線如圖3所示。該曲線的R2達(dá)到0.83，表明對(duì)數(shù)形式的減排成本函數(shù)能夠較好地?cái)M合鋼鐵行業(yè)的實(shí)際減排成本變化。同時(shí)該曲線的形狀表明整個(gè)行業(yè)的邊際減排成本是遞增的，即隨著總減排量的不斷提高，增加一單位的碳排放量所要付出的成本是越來越高的。因此，為了實(shí)現(xiàn)高效減排，我們應(yīng)當(dāng)在規(guī)定的減排目標(biāo)下實(shí)施減排技術(shù)。根據(jù)上述的擬合結(jié)果可以預(yù)測(cè)得出實(shí)現(xiàn)鋼鐵 行業(yè)減排目標(biāo)1.54億噸時(shí)，所要付出的總減排成本僅為346億噸，平均減排成本為225元/噸，此時(shí)達(dá)到了最高效的減排路徑。

四、研究結(jié)論及政策建議

（一）研究結(jié)論

根據(jù)上述研究結(jié)果，本文得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：第一，維持現(xiàn)有粗鋼產(chǎn)量難以實(shí)現(xiàn)行業(yè)碳減排目標(biāo)；第二，鋼鐵行業(yè)邊際碳減排成本是遞增的，當(dāng)行業(yè)減排目標(biāo)為1.54億噸時(shí)，達(dá)到了最高效的減排路徑，此時(shí)總減排成本僅為346億噸，平均減排成本為225元/噸；第三，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用減排效果最好的Scrap-EAF工藝煉鋼技術(shù)，其以較低的減排成本貢獻(xiàn)了行業(yè)最高的減排量。第四，CUSS應(yīng)用技術(shù)減排潛力高但推廣比例較低，截至2021年，中國只有大約40個(gè)CCUS技術(shù)示范項(xiàng)目，且大部分都是集中在石油和煤化工行業(yè)；第五，氫能煉鋼的成本過高，由于當(dāng)前國內(nèi)的制氫成本高昂以及儲(chǔ)氫技術(shù)的難以突破，導(dǎo)致氫氣的價(jià)格極高。反映在上述研究結(jié)果中就是鋼鐵行業(yè)的平均減排成本僅為596元/噸的情況下，氫能煉鋼的平均減排成本卻高達(dá)3917元/噸。

（二）政策建議

針對(duì)以上研究結(jié)論，本文提出以下幾種政策建議：第一，提高短流程煉鋼產(chǎn)量。未來我國應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步減少傳統(tǒng)BF-BOF工藝煉鋼的比例，與此同時(shí)進(jìn)一步鼓勵(lì)廢鋼回收行業(yè)的發(fā)展，以保證Scrap-EAF工藝原料供應(yīng)的充足，提高EAF工藝煉鋼占比。第二，降低氫能煉鋼成本。加大開發(fā)氫能的力度，突破制氫和儲(chǔ)氫技術(shù)的瓶頸，以實(shí)現(xiàn)高價(jià)氫到低價(jià)氫的轉(zhuǎn)變，降低氫能煉鋼的成本。第三，堅(jiān)決壓減粗鋼產(chǎn)量。第四，加大CCUS技術(shù)應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)的推廣力度。政府應(yīng)當(dāng)完善CCUS技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)政策支持與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，通過建立示范項(xiàng)目等方式推動(dòng)CCUS技術(shù)在整個(gè)鋼鐵行業(yè)的推廣。

本文在研究方面還存在幾點(diǎn)不足：第一，由于碳減排的收益的極大不確定性，本文只考慮了各項(xiàng)減排技術(shù)實(shí)施成本，未考慮其可能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益；第二，鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展較快，預(yù)測(cè)時(shí)間跨度越大就越有可能導(dǎo)致減排技術(shù)篩選存在遺漏和不確定性，因此為了使結(jié)果不產(chǎn)生太大的偏差，本文只預(yù)測(cè)了鋼鐵行業(yè)2030年的碳減排情況而沒有預(yù)測(cè)2060年的碳中和情況。但本文基于官方發(fā)布的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，通過模型對(duì)我國鋼鐵行業(yè)2030年的碳減排成本進(jìn)行情景設(shè)定和結(jié)果預(yù)測(cè)，這些結(jié)果有助于政策制定者評(píng)估不同碳減排政策的合理可行性，為中國鋼鐵行業(yè)的低碳綠色發(fā)展和碳達(dá)峰策略實(shí)現(xiàn)提供了一定的參考意義。