浦项钢铁公司低碳发展路径研究
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1 韩国钢铁业碳减排路径
2019年10月22日，韩国政府发布《2030年国家温室气体减排路线图》第二个气候变化应对基本计划，提出将2030年温室气体排放量降至5.36亿吨，相比2017年的7.091亿吨下降24.4%，以期达成“可持续低碳绿色社会”的目标。
钢铁行业作为韩国碳减排的重点领域，采取的主要措施是：逐步用液化天然气取代重油，加快现有设备升级改造和以氢还原炼铁技术为代表的新工艺的研发推广，持续推进生产方式转变和产业结构调整。
目前，韩国钢铁行业正在积极开发采用氢还原冶炼的创新技术。自2004年以来，欧美和日本等发达国家和地区持续进行低碳技术的开发工作，技术理念就是从现有的“碳还原”逐步转化为“氢还原”。2017年韩国钢铁行业开始研究氢还原冶炼技术，并将其作为国家核心产业技术加紧研发。其中，“以高炉副产煤气制备氢气”和“用替代型铁原料电炉炼钢”两项关键技术作为政府课题进行研究。
韩国的氢还原冶炼技术研发计划在2017-2020年进行实验室开发，在2024年之前进入中试阶段，2024-2030年完成商业应用的前期研究，在2030年之后开发具有经济性且切实可行的应用型技术，并投入商业化应用。该技术预计最多减排15%的CO2。
该技术开发课题由韩国金属材料研究合作社（KOMERA，韩国钢铁协会研究开发室）统管，浦项钢铁公司（以下简称：浦项钢铁）、现代钢铁公司、SAC环保热能技术公司、韩国能源技术研究院（KIER）、浦项产业科学研究院（RIST）等22家相关产学研机构和企业共同参与。COOLSTAR项目是该课题的核心技术项目。为减少钢铁工业的CO2排放，该项目计划在高炉（第一部分，浦项钢铁主管，预计投资415亿韩元）、副产煤气改质与精制（第二部分，SAC主管，预计投资290亿韩元）、电炉（第三部分，现代钢铁公司主管，预计投资180亿韩元）三大领域分别进行技术开发。其中，第一部分的关键技术为氢气应用技术，第二部分的关键技术为氢气制备技术、副产煤气精整及分离技术，第三部分的关键技术为氢气-直接还原铁（DRI）制备技术、DRI电炉利用技术、转炉大批量利用废钢技术等。项目的实施周期为2017年12月-2024年11月，最终目标是实现钢铁冶炼的高效、环保，同时确保产品质量和生产稳定。
韩国产学研各界的专家认为，氢还原冶炼技术开发的前提是低成本、大批量制备氢气，而目前这一问题在全球范围内尚未突破。此外，该项目涵盖多种技术，从研发到实际应用，仍然存在许多亟待解决的难题和潜在风险，存在较大的不确定性，而且一旦该技术研发应用成功，将对韩国工业结构产生巨大影响。在欧盟，钢铁工业在经历了成熟期之后，已经开始进入衰退期，因此在引进氢还原冶炼技术时，正好可以对落后的设备进行更新换代。但在韩国，其属于大型设备出口主导型工业结构，如果钢铁工业的结构发生转变，将对韩国工业发展产生影响。有专业人士认为，减排路线图的各减排指标能否被相关行业所接受，也是一大问题。事实上，关于2030年温室气体减排目标，韩国工业部也意识到了现实的问题，并公开表示，政府将根据项目的成败与否，对2030年的减排目标进行调整，同时加强与相关行业的沟通协商。
2 浦项钢铁碳减排路径
2.1 生产经营
浦项钢铁被认为是全球最具竞争力的钢铁企业之一。2020年，受新冠肺炎疫情影响，浦项钢铁的生产经营同比出现下滑，粗钢产量同比减少207.2万吨至3593.4万吨；成品钢材产量同比减少146.1万吨至3443.7万吨；开工率同比下降1.4个百分点至88.3%。2020年浦项钢铁销售额为26.51万亿韩元，同比减少12.7%；营业利润为1.14万亿韩元，同比减少56.1%；营业利润率为4.3%，同比下跌4.2个百分点；净利润为9659亿韩元，同比下降17.8%。
2.2 碳排放情况
浦项钢铁以高炉-转炉长流程生产工艺为主，在节能减排方面，浦项钢铁炼焦工序采用干熄焦、煤调湿技术；烧结工序采用烧结余热回收；高炉工序采用TRT、喷煤技术等；转炉工序采用转炉煤气热回收、炉底搅拌、缩短铁水等待时间等技术；热轧工序采用废气热回收、热装轧制、加热炉热回收技术；冷轧工序采用低温酸洗技术等。
浦项钢铁作为钢铁联合企业，高炉所用喷吹煤燃烧产生的CO2直接和间接排放，占其排放的很大比例。浦项钢铁在计算温室气体排放量时，包括了浦项厂和光阳厂生产过程中产生的排放（scope 1&2），还包括在价值链上产生的间接排放，即原料的运输、员工社会和商务旅行，以及上游租赁的资产（scope3）。2019年浦项钢铁生产过程物料输入输出及CO2排放情况如表1所示。
2.3气候政策的影响
全球应对气候变化的政策对浦项钢铁生产经营的影响可谓风险与机遇并存。
2.3.1风险
风险主要包括政策法规、市场技术、企业声誉以及自然环境变化带来的风险。
政策法规风险主要包括碳交易、碳关税、碳价格等。一是碳交易机制。虽然钢铁企业通过现行的韩国碳排放权交易系统（K-ETS）免费获得大部分排放配额，但未来免费配额的份额可能会下降。同时，排放额度的价格可能会上涨。二是碳关税。国际碳关税政策，例如引入碳边境调节机制，征收碳边境税将对企业的财务状况带来重大影响。三是碳价格。全球范围内更严格的气候政策和碳法规将很可能导致全球碳价格上升，同样给企业带来财务上的风险。
市场和技术风险主要体现在对低碳产品和突破性技术的需求方面。一是对低碳钢的需求增加。未来几十年，随着低碳循环经济的发展，降低碳强度，提高可回收性将是材料市场的核心内容。越来越多的跨行业企业将要求供应商减少整个价值链上的碳足迹。二是对突破性技术的挑战。在低碳炼钢技术方面的部署需要按时完成，并且成本可控，以支持全行业的低碳转型，并保持自身在全球钢铁市场的领导地位。然而，钢铁行业的脱碳可能面临潜在的技术、金融和监管挑战。虽然低碳炼钢涉及大规模的技术创新和经营变革，需要大量和长期的投资，但其规模化和商业化也依赖外部因素，如适用可靠的清洁能源系统。
技术创新对于确保企业满足市场对低碳钢日益增长的需求，可持续增长和在未来低碳世界中保持市场领导地位至关重要。资金压力可能不仅来自推出低碳炼钢技术本身的资金需求增加，还来自包括可再生能源和氢气在内的清洁能源系统成本相对较高导致的运营成本增加。然而，浦项在技术创新方面的经验，如FINEX的商业化，以及符合韩国政府绿色新政的清洁能源系统的成熟，使浦项很可能成功地改变生产钢铁的方式。此外，由于氢基还原技术的一些核心技术已经在FINEX工艺中进行示范阶段的研究，这将使浦项在开发和部署低碳炼钢技术方面具有一定优势。
声誉风险主要是指浦项钢铁要向世界展示其对气候负责任的形象。任何利益相关者都在寻求透明的气候信息披露。因此，浦项钢铁在气候方面的表现将影响其声誉，进而影响其社会经营执照、对人才的吸引力、市场份额、甚至资金成本。浦项钢铁正在积极管理声誉风险，自2010年以来，一直在向碳信息披露项目（CDP）公开报告其气候表现。
自然风险主要是指极端天气事件有可能更频繁地出现。预计降水模式的变化，台风、暴雨等极端天气的发生频率可能增加，这会对码头、堆场和钢铁生产以及原材料采购等业务造成影响。此外，如果发生严重的水资源短缺，可能会导致用水成本增加，甚至存在中断运营的风险。
2.3.2机遇
机遇主要体现在促使企业改变生产经营方式、提高技术创新水平、生产高性能产品、提高材料使用效率等。
产品和服务方面，向低碳、净零社会转型过程中，经济和人口的增长将带来未来几十年对钢铁的持续需求。此外，净零排放能源系统所需的许多技术装备的建造等都需要使用大量的钢材，例如交通电气化、可再生能源和碳捕集、利用与封存（CCUS）。
材料效率方面，向低碳转型也意味着在产品生命周期内的温室气体排放（包括生产、使用和报废阶段）将成为产品设计和材料采购中越来越重要的因素，尤其是在汽车和建筑领域。钢材的可回收性，以及轻量化带来的节能减排效果使其从整个生命周期角度来看具有优势。
浦项钢铁致力于这类高效钢材的生产和推广，而且制定了向净零排放炼钢转型的战略，同时准备好满足客户对低碳钢材的需求。为此，开发和应用突破性技术，大幅减少钢铁生产过程中的CO2排放非常关键。从循环经济的角度看，随着废钢回收率的提高和分类方法的改进，废钢利用率将提高，这将鼓励以废钢为基础的二次钢生产。
总体来看，钢铁生产和消费格局的预期变化对企业发展来说既是风险也是机遇。
2.4浦项碳减排路径
2.4.1目标
韩国政府提出到2050年或更早实现碳中和。浦项钢铁将实现碳中和的目标分为短期、中期和长期目标。短期目标是到2030年CO2减排20%；中期目标是到2040年CO2减排50%；长期目标是到2050年实现碳中和，基准是2017-2019年浦项钢铁CO2排放量的平均值（7880万吨）。
为实现上述目标，浦项钢铁采取的措施是以可持续的方式生产和销售高品质钢材，充分利用日益增长的绿色钢材需求，在低碳未来确保竞争优势。
按照采取措施的先后来看，浦项钢铁达到碳中和的路线图是智能化、部分氢还原、废钢（低铁水比）、CCUS、氢基钢铁生产工艺（图1）。
2.4.2碳减排路径
浦项钢铁的碳减排路径可以概况为三个方面：绿色工艺、绿色产品和绿色伙伴关系。绿色工艺涉及通过智能化、增加废钢使用以及开发CCUS和氢基炼钢等创新技术来节能增效。绿色产品专注于环保产品的开发和设计，例如轻量化的高强度钢和高效电工钢，这将支持终端用户向电动汽车和风力发电等低碳业务的转变。绿色伙伴关系关注国内外合作，制定合理碳政策和企业倡议，促进钢铁行业的低碳转型。
1）绿色工艺
绿色工艺是要在钢铁生产过程中，不断采用创新的脱碳技术。从对现有钢铁制造工艺实施CO2减排，逐渐过渡到氢基炼钢工艺。第一阶段主要是通过生产过程中采用智能化手段提高效率，例如采用人工智能技术提高能源利用效率、优化原料结构等。第二阶段主要是开发过渡技术，例如更多地利用可循环的废钢，部分应用氢气还原，扩大CCUS技术的应用。第三阶段是碳中和阶段，实现氢基炼钢工艺技术的商业化应用，通过使用绿氢和可再生能源达到碳中和。
第一阶段：从“渐进性碳减排”到“革命性碳中和”
浦项钢铁最近制定了“碳中和转型路线图”，将“渐进性碳减排”和“革命性碳中和”相结合，旨在实现各种低碳炼钢工艺技术的商业化应用。短期内，将利用智能化技术，主要通过优化原材料和合理化运营来提高生产率和能效。浦项钢铁正在利用人工智能、大数据等技术，打造智能工厂平台PosFrame，推进数字化转型，并推动智能钢厂设置最佳工艺条件，实时控制生产过程。数字化是浦项钢铁实现短期目标的核心，智能运营将有助于将煤炭消耗降至最低水平，并减少碳排放。除智能化外，浦项钢铁计划推行设施现代化和合理化，以提高能效，包括废气、废热再利用，采用干熄焦技术以及提高发电效率。这些减排措施预计可以减少约10%的CO2排放（较基准期），同时最大限度地减少成本增加带来的负担。
第二阶段：应用“桥梁技术”更显著减排
为进一步减少碳排放，浦项钢铁计划在未来10-15年内开发和整合一系列创新的工艺技术，被称为“桥梁技术”，包括从增加高炉和转炉中废钢的使用，在现有高炉工艺中部分使用富氢废气作为还原剂的氢炼铁技术。此外，计划扩大CCUS技术研发与应用，并将其整合到流程中，以帮助其过渡到碳中和炼钢路线。
更多利用废钢：浦项钢铁正在开发的独特技术将使其在保有长流程生产路线的同时，最大限度地利用废钢。该技术有潜力将转炉中的铁水比降至70%，从而降低铁水产量，最终减少CO2排放。浦项钢铁也在探索更多地采用电弧炉炼钢的可能性。目前，浦项钢铁正在研究100吨转炉的低铁水比工艺技术，并正在努力扩大规模，对300吨转炉的低铁水比技术进行研究。浦项认为，低铁水比工艺技术的商业化可能需要大约十年的时间，预计可实现近10%的碳减排。此外，通过改进炼铁过程使用废钢的工艺预计将减少5%以上的碳排放。
CCUS：在FINEX工艺中，浦项钢铁已经纳入碳捕集装备，获得的纯度为75%，容量为10万立方米/小时。浦项钢铁目前在生产过程中重复利用捕获的碳，并计划在未来十年扩大规模。此外，其正在研究几种利用捕获的碳作为化学产品或其他替代燃料原料的途径，还在探索CO2储存技术的可行性，前提是建立一个安全、低成本的储存设施。
部分部署氢还原技术：关键技术之一是将富氢的焦炉煤气（COG）和FINEX废气（FOG）注入高炉或FINEX炉。除COG和FOG外，浦项还计划采用重整天然气获得的氢气或绿氢作为炼铁过程中的还原剂。这样，炼铁过程中可以减少近10%的CO2排放。
第三阶段：实现氢基炼钢技术，达到碳中和
HyREX工艺：浦项钢铁正在开发的HyREX工艺是一种无碳氢直接还原炼铁工艺（图2），正在FINEX工艺上进行试验，目标是在10-20年内完成工业规模开发，并逐步将其转变为以氢为基础的DRI-电弧炉（EAF）路线。与欧洲使用高品位球团作为原料的DRI制造技术不同，浦项钢铁的HyREX可以直接利用铁矿粉生产还原铁。一旦绿氢成熟可供，将与HyREX结合以可持续方式生产钢铁，使用绿氢生产的DRI与利用可再生能源的EAF相结合，以实现碳中和。
然而，这种碳中和转变需要一个精心设计的国家能源政策，能够提供具有成本效益的绿氢和充足的可再生能源。韩国政府正在通过绿色新政加快向低碳经济转型，预计绿氢生态系统将在未来几十年建成。
2）绿色产品
提高低碳钢材和其他材料产量。浦项钢铁低碳钢材的开发方向是扩大高性能钢材产量，特别是轻量化和高能效产品。扩大全球顶级优等 （World Top Premium，WTP）产品产量和销量，例如高强钢（GIGA钢）、高能效钢（Hyper-NO）、高耐蚀钢（PosMAC）等。全面支持下游行业向低碳转型所需要的钢材，例如电动汽车、可再生能源、生态船舶（液化天然气船，LNG）用钢。
除钢材外，浦项钢铁正在进行二次电池材料的开发和生产，目标是建立包括锂、阴极和阳极材料的完整的供应体系。
浦项钢铁的理念是帮助客户向低碳转型，除向客户提供更多的低碳产品外，还要为客户提供各种先进的解决方案，使客户在整个价值链中减少碳足迹。在与客户共同开发产品和工艺技术的同时，加强对客户和员工的推广支持和培训。这样在帮助客户探索新的商机与低碳转型时，还有助于增加浦项钢铁绿色产品的销售和促进绿色产业发展，从而形成一个良性循环。
汽车领域：预计汽车行业对轻型、耐用和节能材料的需求将不断增长，钢材是开发绿色交通工具的关键材料，包括电动汽车和燃料电池汽车，需要先进的高强度钢、电工钢等各种高性能钢材。浦项钢铁提供的无取向电工钢（Hyper NO）用于制造电机，能提高电机效率、增加电动汽车的行驶范围。其开发的“千兆钢”可用于车身、底盘和电池组的生产，减轻汽车重量，与铝和碳纤维增强塑料（CFRP）等竞争材料相比，具有经济、耐用、可回收、重量更轻等优势。
能源领域：全球能源转型已成为世界各国政府重点关注的问题之一。太阳能和风能市场的持续增长为钢铁行业带来机会，该领域对优质钢铁产品的需求预计将增长。浦项钢铁开发了PosMAC高耐腐蚀钢等，并对风力发电项目从设计到材料的选择提供解决方案。
造船领域：面对船舶行业对环保的新要求，例如建造LNG燃料船，浦项钢铁为客户提供材料和应用技术选择，并计划未来几年在这方面取得进一步进展。
其他材料：浦项正在为实现新的增长提供关键材料。为满足交通和能源系统的电气化用材方面，浦项钢铁的目标是开发电池材料——锂、负极和阳极材料，到2030年锂、阴极和阳极年产能分别达到22万吨、40万吨和26万吨。
此外，浦项钢铁将钢渣制成珊瑚礁，命名为TRITON。与天然岩石相比，TRITON含有大量的铁、钙等有利于藻类生长的矿物质，能够在被白化事件破坏的水域迅速恢复海洋生态系统。根据海藻和海底沉积物通过光合作用吸收的CO2，预计每公顷TRITON海洋森林可储存约3-16吨碳，产生与陆地森林相当的碳汇效应。浦项钢铁计划利用钢渣开发一种新型的人工鱼礁，这将有助于恢复海洋生态系统。
3）绿色伙伴关系
浦项钢铁主动提高气候行动透明度，与各利益相关方交流并加强合作，促进低碳工业生态系统的建立。另外，浦项和国内外企业合作开发创新技术，例如氢和CCUS等，这样使价值链上的客户和供应商建立长期合作，共同开展碳减排项目。
3 结论
浦项钢铁制定了碳减排目标，并提出低碳发展路径和措施，将气候变化纳入集团的战略规划和风险管理，以确保业务结构适应气候变化，应对低碳未来。总体来看，浦项钢铁所采取的一系列举措，从提升现有工艺装备条件下的生产效率，到通过技术创新开发无碳氢直接还原炼铁技术，从开发满足下游需求的低碳钢材到锂等新材料，都需要从产业链的角度系统谋划，与产业链上的各方共同采取行动，才能实现低碳未来。