原标题：【专题报告】从海外经验，看“碳达峰”背景下粗钢原料 发展路径
、废钢等原料工艺配比和技术上的要求和影响，不涉及其他产业经济布局之类的措施。并且，本文尝试测算通过工艺配比和炼铁技术替代等方式对粗钢碳排放减量的贡献量，文中各生产环节碳排放系数均来自于学术专家文献结果，由于专业限制，文献结果与实际减排量或存在一定误差。
2粗钢冶炼碳排放减排的技术路径
高炉炼钢中，CO2来源主要来自焦炭和煤粉。铁矿石在高炉中，通过碳和碳氢化合物的作用下被还原，产生CO、CO2、H2和H2O，最终产生CO2。根据碳平衡和物料平衡测算，1吨铁需要0.5吨还原剂，整个过程CO2排放量约1.5吨。叠加烧结、焦化等环节，对于全流程高炉炼铁，1吨钢大约对应2吨CO2排放量。从现有海外成功经验来看，粗钢冶炼碳排放减排的技术路径主要包括：高炉工艺： 铁前环节，降低焦比和炉料结构优化；铁后环节，碳排放捕捉。非高炉工艺： 提高电炉炼钢比例，氢能冶金等新工艺革新。本文主要分析，降低碳排放目标下，通过提高原料质量，降低焦比、提高球团矿比例、提高电炉炼钢比例、氢能冶金等方式，对于现有铁矿石、废钢等原料的供需结构影响。并尝试测算，不考虑技术突破，在现有资源容量限制下，通过技术更新和工艺手段对碳减排的潜在贡献量。
3高炉低碳冶炼：降低焦比，炉料结构优化
3.1高炉炼钢工艺介绍全球炼铁工艺主要分为高炉和非高炉。高炉炼钢是指应用焦炭、含铁矿石和熔剂在竖式反应器——高炉内，连续生产液态生铁的方法。2019年数据显示，全球炼钢金属炉料中，超过65％是高炉铁水，大约30％来自废钢，其余不到5％来自直接还原铁。由于中国工业化进程起步较晚，废钢供应不足，中国目前炼铁工艺中高炉-转炉系数达到90%。除中国外，全球高炉炼钢占比不到50%。
3.2高炉炉料结构改善路径：降低焦比
CO2排放主要来自入炉的焦炭和煤粉。因此，为实现低碳排放，降低焦比成为重要的实现方式之一。但决定焦比系数取决于高炉炉体、炉料结构、焦炭质量、喷吹煤等多重因素。降低焦比与其说是实现路径，不如说是低碳冶炼实现后的综合结果体现。根据宝武等测算，吨钢焦比每降低1kg/t，可减少二氧化碳排放量0.0005吨。70-80年代以来，以日本、欧盟为主，全球高炉经历大型化、集中化演变，伴随主焦煤日渐稀缺和喷吹技术改进，全球高炉焦比系数明显降低。对比来看，目前国内高炉入炉焦略高于全球。根据钢协数据显示，目前我国钢协会员单位平均高炉燃料比在540kg/t，高于日本、欧盟等先进水平40kg/t。其中，日本炉料结构与我国相似，球团比例不高，主要通过提高入炉矿Fe品位降低焦比。欧盟主要通过提高球团矿比例降低焦比。随着国内高炉产能持续置换，高炉大型化推进，国内综合炼钢焦比近年有望进一步下降。降低焦比的另一个潜在突破技术在于喷吹氢作高炉还原剂的技术。已有高炉富氢技术主要通过喷吹高氢碳比燃料/还原剂来替代喷吹煤实现。例如用喷吹焦炉煤气、天然气、燃料油来部分替代喷吹煤粉。但焦炉煤气、天然气、燃料油、煤粉都是化石燃料或来源于化石燃料，无法改变碳排放量。因此，现有技术突破集中于直接喷吹氢气来减排。目前，欧盟、日本都在进行富氢气体炼铁技术开发。国内包括宝武、山西晋南钢铁集团等都在推进这一技术革新。高炉直接喷吹氢气技术尚未实现工业化，关于这一技术的难点和条件约束我们将在下文氢能冶炼部分一起阐述。
4非高炉减碳路径：电炉、氢能冶炼
除高炉低碳冶炼技术之外，非高炉冶炼对于碳减排推动更为直接。以海外经验来看，美国、欧盟等国家通过电炉替代高炉已经实现碳排放明显下降。现有技术革新集中“氢能冶炼”等冶炼方式。4.1 非高炉减碳路径：电炉炼钢电炉炼钢原料为废钢，电炉法主要利用电弧热，冶炼过程一般分为熔化期、氧化期和还原期。根据姚聪林等多为行业专家测算，电炉炼钢碳排放比例仅有高炉炼钢的1/2不到。电炉炼钢比例的提高将明显降低整体炼钢的碳排放总量。世界主要电炉产区集中：中国、北美、欧盟、印度、土耳其等国家。但其在各个经济体内部的产量占比分化较大。中国产量中，仅有10%为电炉钢，全球除中国外，50%产量为电炉钢。其中，欧洲、美国等电炉钢占比超过50%，中东87%，土耳其76%.
以美国、土耳其等海外经验拉看，发展电炉钢、提高电炉产能利用效率的主要方向为：1）废钢资源非常丰富；2）能源成本低廉。普遍认为，废钢价格长期低位运行，是促使电炉钢发展的重要前提。废钢价格的长期低位运行，表明本国内Fe元素供应持续过剩。以美国为例，美国粗钢产量于1965年进入峰值，1969年，美国废钢铁积蓄量已经达到75亿吨，是当年粗钢产量的5.85倍。废钢大量供应导致美国废钢价格持续低位，1965年之前，美国废钢价格仅有30美元/吨。1960-70年代，美国废钢比例持续增加，1965年，美国废钢比例仅有10%，2020年，这一比例达到70%。
5“碳达峰”背景下，主要原料供需结构变化
对于原料供需方面：根据铁矿石长期平衡表测算，随着2021年海外生铁恢复结束，全球铁矿石供需在2022年将重回供大于求格局。考虑球团对粉矿替代、废钢对粉矿替代，预计2022年之后，“碳达峰”驱动下，铁矿石粉矿供需压力将进一步增加。整体矿价长期中枢将向60-90美元/吨收敛。与此同时，“碳达峰”背景下，对精粉和球团等“好料”需求的快速增加，将导致精粉和球团的结构性溢价居高不下。因此，长期来看，伴随自身供需扭转，矿价中长期价格中枢下移，但精粉和球团的结构性溢价将持续扩大。废钢：电炉等短流程炼钢对于钢铁行业“碳达峰”的实现至关重要。电炉冶炼比例提升，需要废钢等原料成本持续低于高炉铁水。参考美国经验，若从市场化角度演变，需要粗钢整体产能过剩+废钢供应增速远大于铁矿供应增速等条件配合。当前粗钢、铁矿石供需偏紧背景下，尚难看到电炉通过成本优势市场化替代高炉冶炼，电炉冶炼大力发展需要更多政策扶持。不过，我们上文中也在反复提及，尽管球团、废钢等对主流粉矿需求有一定替代。但这一替代进程非常缓慢，且需要上游矿山产品结构调整、废钢资源释放等资源限制。工艺改进对于原料的短期影响十分有限。焦炭：伴随高炉炉料优化和整体焦比下降，焦炭长期需求面临增速下滑。假设铁水总量维持9亿吨，到2025年实现40kg/t的焦比下降即对应720万吨/年（9*0.004/5）的焦炭需求下滑。即，伴随焦比下降，长期焦炭需求增速将小于铁水产量总体增速。不过，伴随高炉炉料优化和高炉大型化，对焦炭强度等要求也在提升，高品质焦炭与低品质焦炭的结构性价差同样会持续扩大。
6总结及建议
综上，作为全球碳排放第一的工业行业，十四五“碳达峰”背景下，钢铁行业如何实现碳减排将成为长期影响因素之一。现有钢铁冶炼碳减排技术主要集中高炉铁前和非高炉冶炼替代。高炉铁前核心在于炉料配比结构改善，用品位较高、生产污染小的球团矿替代将品位较低、生产污染较高的烧结矿。根据钢铁行业规划，计划在未来5年内将球团矿使用比例从当前的17%提高至30%左右，对应碳减排大约0.4亿吨。但球团矿比例的提高要求充裕的原料资源支撑，需要全球球团、精粉产量、中国精粉产量持续增长以配合。非高炉冶炼对高炉冶炼的替代集中于电弧炉和氢能冶炼等工艺。其中，电弧炉对高炉-转炉碳减排的影响较高。每增加1吨电弧炉钢材替代高炉钢材，即可较高炉-转炉生产工艺降低1吨碳排放量。随着我国15-20年前的粗钢产量进入报废期，未来5年国内废钢供应量较为充裕。电炉钢长期产能增加，产能利用率提升，需要其冶炼成本曲线长期低于高炉。而在2016年电炉迅速发展以来，国内铁水-电炉成本整体呈现收敛态势，电炉成本优势尚不明显。电炉增产或需要更多政策扶持。
从数量上测算，一般认为1吨钢材冶炼对应2吨碳排放量。在不假设铁水、粗钢产量变化的前提下，通过高炉炉料结构改善、电弧炉冶炼工艺替代等方式可以降低碳排放约2亿吨，较当前碳排放量下降约10%左右。但考虑中国需求尚未见顶，粗钢产量在未来5年内共计仍有8-10%左右增量。仅仅依赖炉料改善、技术替代等方式尚难以实现碳减排目标，2025-2030期间碳减排更多依赖于粗钢产量自身见顶回落。
风险提示
海外需求变化，国内环保政策变化，钢铁控产量政策变化。
