實現(xiàn)深度碳減排的目標 中國鋼管行業(yè)應如何發(fā)展？

彭在美，上海鋼管行業(yè)協(xié)會，（上海，200070）

【內(nèi)容提要】實現(xiàn)“碳達峰”到“碳中和”，是國際社會應對氣候變化的目標，也是體現(xiàn)出中國作為一個負責任大國的擔當。中央經(jīng)濟工作會議將“碳達峰”“碳中和”工作定為2021年的重點任務之一。中國實現(xiàn)“碳中和”愿景的時間只有西方發(fā)達國家的一半左右，其轉(zhuǎn)型力度是前所未有的。中國鋼管生產(chǎn)基本流程是高爐-轉(zhuǎn)爐長流程和電爐短流程，即碳冶金與電冶金流程。電冶金比碳冶金的碳排放強度低，而氫冶金的碳排放強度更低。氫冶金是一場技術(shù)革命。實現(xiàn)氫冶金的技術(shù)路線有兩條，即“直接碳避免”和“智能碳使用”技術(shù)，其難點在于低成本的氫制取。無縫鋼管生產(chǎn)工藝是熱加工，碳排放量較大；焊接鋼管生產(chǎn)工藝是冷成型，是低碳產(chǎn)品。中國無縫鋼管產(chǎn)量占世界無縫鋼管總產(chǎn)量的比例達60%以上，中國鋼管從低碳減排視角，應發(fā)展焊管高端產(chǎn)品，控制無縫鋼管增長速度。

1.限期實現(xiàn)“碳中和”，是國際社會應對氣候變化的新目標

2020年9月22日在75屆聯(lián)大會上，習近平主席提出了中國力爭于2030年前實現(xiàn)二氧化碳排放達峰，努力爭取2060年前實現(xiàn)“碳中和”的目標。2020年12月12日習近平主席又在氣候峰會上進一步明確，到2030年中國單位GDP二氧化碳排放量將比2005年下降65%左右，非化石能源占一次性能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上。^{[1] [2]}

世界各主要國家對“碳中和”都作出了承諾：日本、韓國、加拿大、歐盟、英國都宣布2050年實現(xiàn)“碳中和”，瑞典宣布在2040年實現(xiàn)“碳中和”。美國總統(tǒng)拜登在就職第1天就宣稱重返《巴黎協(xié)定》，此前在競選辯論中，承諾美國實現(xiàn)2035年前電力部門零碳排放，并在2050年實現(xiàn)凈零碳排放，即“碳中和”。拜登此前宣布在他第1個任期內(nèi)，4年要拿出2萬億美元的投資，促進應對氣候變化的實施，強調(diào)通過發(fā)展風電、光伏等清潔電力以實現(xiàn)2035年前電力部門零碳排放，這與皆在終止燃煤發(fā)電、實現(xiàn)電力系統(tǒng)脫碳的歐盟“棄煤”目標高度一致，未來歐美可能聯(lián)手合作，督促各國根據(jù)減排目標制定煤電的退出計劃，并在醞釀要征收碳邊境調(diào)節(jié)稅。^[3]

歐盟27個成員國在2030年減少碳排放量由1990年的40%提高到55%以上。要達到這個目標，至少需要投資3萬億歐元，尤其是建筑、工業(yè)、電力和交通部門的投資占比最大。除了歐盟的投資外，各國也有一攬子方案來推動“低碳經(jīng)濟”，德國未來幾年預算的23%-27%將分配給與低碳排放相關(guān)領域，包括削減增值稅、下調(diào)電價以及技術(shù)創(chuàng)新提供補貼等措施。法國的措施非常細致，例如推出產(chǎn)品生態(tài)評分，評分將印刷在產(chǎn)品外包裝上，標準涵蓋在制造過程中使用的電力清潔程度等方面。延長電子設備使用壽命5~15年，也可納入低碳排放的指標。挪威致力于研發(fā)CCUS技術(shù)（碳捕捉、存儲及利用技術(shù)），荷蘭、英國、德國都在研發(fā)低碳新技術(shù)。在這樣的形勢下，全球主要國家努力實現(xiàn)“碳中和”促進經(jīng)濟發(fā)展，也成為大國之間競爭與合作的一個重要領域。

2.從“碳達峰”到“碳中和”，中國與西方發(fā)達國家在經(jīng)濟環(huán)境上的差異

首先來看中國與西方發(fā)達國家在經(jīng)濟環(huán)境上的差異。西方發(fā)達國家例如美歐等國經(jīng)過百多年的工業(yè)化進程，已經(jīng)達到了現(xiàn)代化，其碳排放量的程度較低；而中國目前仍然是發(fā)展中國家，現(xiàn)在還處于工業(yè)化階段的后期，何況國內(nèi)的區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展程度不平衡，東南部較發(fā)達，西北部較遲緩。因此，未來經(jīng)濟發(fā)展的預期還比較高，2035年GDP增長預期比2020年要翻一翻，到2050年有可能會達到2020年的3.5倍。中國經(jīng)濟的增長主要靠基建拉動，因此，能源需求的增加，中國目前依然是“生產(chǎn)型”而不是“消費型”能源消費結(jié)構(gòu)。美國的商業(yè)和居民用電約占76%，而中國僅為30%。^[4]這一方面說明西方發(fā)達國家工業(yè)碳排放量較低，比較容易“碳達峰；另一個方面從“棄煤”角度來看，中國煤炭消費絕大部分都是由第二產(chǎn)業(yè)消費的，約2/3用于資本形成（包括基建）。與發(fā)達國家相比，決定了能源電力需求還保持較高的增長，預計要到2030年之后，能源總需求達到峰值。屆時，我國單位GDP二氧化碳強度要比2005年下降65%以上。

為此，“十四五”期間要嚴格控制高能耗產(chǎn)業(yè)的擴張，力爭高能耗產(chǎn)業(yè)的二氧化碳排放達到峰值；煤炭消費量盡量做到零增長；“十五五”期間石油消費達到峰值后，不再增加，而是增加天然氣消費；同時，煤炭消費量必須持續(xù)下降。與此相適應的措施是，大力發(fā)展新能源和可再生能源，來滿足總能源新增加的需求。

3.中國鋼管行業(yè)實行深度碳減排的路線圖

鋼管行業(yè)包括無縫鋼管和焊接鋼管兩大產(chǎn)品，其中無縫鋼管是熱加工工藝生產(chǎn)，焊接鋼管是冷加工工藝生產(chǎn)。無縫鋼管生產(chǎn)過程其中煉鐵與煉鋼環(huán)節(jié)與碳排放密切相關(guān)。據(jù)測算，2019年全球二氧化碳排放量達330億噸，其中中國二氧化碳排放量達到118億噸，占比36%，中國鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放量大約占全國二氧化碳排放量的15%。鋼鐵行業(yè)從一次性能源消費上來看，2005年占到一次性能源消費的45%，2015年增長到53%。一次性能源消費不只是直接消耗，還包括熱力、電力等上游消耗。因此，鋼鐵行業(yè)是能耗高密集行業(yè)，也是制造業(yè)中碳排放量最大行業(yè)，更是2021年“碳達峰”的重點行業(yè)。^[6]鋼鐵行業(yè)包括鋼管行業(yè)特別是無縫鋼管面臨繞不開的挑戰(zhàn)，必須現(xiàn)在開始付諸實施低碳減排。

（1）有專家在2020年12月9日召開的第三屆中國電爐煉鋼科學發(fā)展論壇上指出：“對溫室氣體排放、氣候變化全球戰(zhàn)略性問題認識存在不足”是當前的短板之一。^[7]筆者解讀這句話有兩層含義，其一當然是指電爐煉鋼的發(fā)展認識不足；更深層次的含義是指對“碳中和”的認識不足。現(xiàn)在首先來審視電爐鋼的發(fā)展問題。

（2）中國鋼管生產(chǎn)基本流程中，高爐-轉(zhuǎn)爐長流程與電爐短流即“碳冶金”與“電冶金”評判

電爐短流程是中國鋼鐵業(yè)有利于“碳達峰”“碳中和”戰(zhàn)略發(fā)展的基本生產(chǎn)流程。我國鋼鐵業(yè)能源結(jié)構(gòu)為：69.9%為煤炭，26.4%為電力，3.2%為石油，0.5%為天然氣。由于能源結(jié)構(gòu)以煤為主，即碳冶金，排放二氧化碳量高達17.7億噸，占全國排放量的15%左右。而這主要源自于高爐-轉(zhuǎn)爐長流程生產(chǎn)工藝：具有燒結(jié)、球團、焦化、煉鐵；而電爐短流程生產(chǎn)工藝直接使用廢鋼冶煉，沒有煉鐵系統(tǒng)（鐵、焦、燒、球工序）的能源消耗及污染，即電冶金。長流程碳排放強度約為2tCO₂/t，短流程碳排放強度約為0.5 tCO₂/t。歐美鋼鐵工業(yè)電爐鋼的產(chǎn)量占其鋼鐵總產(chǎn)量約54%以上，而我國電爐鋼的產(chǎn)量所占比例不足15%。

2020年12月9日第三屆電爐煉鋼科學發(fā)展論壇上，鼓勵長三角、珠三角、京津冀周邊和環(huán)境容量有限的地區(qū)，因地制宜發(fā)展電爐鋼產(chǎn)業(yè)。這為無縫鋼管選擇電爐短流程指明了方向。目前制約我國電爐發(fā)展的原因：一是廢鋼量不足，二是電能偏緊和電費過高。對于廢鋼資源問題，有專家在論壇上建議鼓勵廢鋼產(chǎn)品進口，并在稅負上給予優(yōu)惠。對于電費過高問題，建議似可參考德國對低碳排放企業(yè)下調(diào)電價。這對于無縫鋼管產(chǎn)量增加電爐鋼占比，相應減少轉(zhuǎn)爐鋼占比，達到“碳達峰”“碳中和”目標是有促進作用。我國政策出于環(huán)保原因，出臺優(yōu)惠政策鼓勵發(fā)展電動汽車；建議也可以按照同樣的原因，出臺優(yōu)惠政策鼓勵發(fā)展電爐產(chǎn)業(yè)。

（3）“氫冶金”工藝流程重構(gòu)“碳冶金”工藝流程，將是一場具有顛覆性的技術(shù)革命。對于這個問題，我們似有認識不足。為了實現(xiàn)歐盟“碳中和大陸”目標，歐鋼聯(lián)前些年已提出了兩條技術(shù)路線，分別是基于過程控碳的“直接碳避免”技術(shù)和末端治理的“智能碳使用”技術(shù)，包括瑞典鋼鐵（SSAB）的HYBRT技術(shù)（氫能煉鐵技術(shù)），蒂森克虜伯的Carbon2Chen碳捕捉技術(shù)，等。^[9]我國一些鋼鐵企業(yè)目前也在嘗試非碳還原，一方面著手開展氫能煉鐵和煉鋼試驗，例如，力拓將出資1000萬美元與我國鋼企寶武在低碳煉鐵項目和研究方面開展合作。寶武并且已敲定碳減排目標，2023年碳達峰，2050年實現(xiàn)碳中和。另一方面就是二氧化碳的捕集和利用，我國一些鋼企已在實際生產(chǎn)中利用捕集的二氧化碳向高爐或轉(zhuǎn)爐中噴吹，而降低粉塵的排放量，（挪威清潔能源集團SARGAS用船將液化后的二氧化碳運送到北海油田，注入油井底部，增加產(chǎn)油量）從目前來看，國內(nèi)外鋼企在降碳上的技術(shù)路線和操作方法都相同或相似，還有一個共同難點，就是氫氣如何低成本制取。我國專家提出鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣制氫的思路，有重要參考價值。^[10]

（4）關(guān)于鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣制氫的思路。由鋼鐵制造流程可以開發(fā)出大量的新一代清潔能源——氫氣，例如通過吸附制氫的方法從焦爐煤氣中得到氫，通過CO-H₂O反應從高濃度CO的轉(zhuǎn)爐煤氣中得到氫，也可以從熔融還原爐富CO、富H₂的尾氣中得到氫。氫氣進而還可以進一步加工成二甲醚（CH₃OCH₃）作為液態(tài)能源。

焦爐煤氣制氫。鋼鐵企業(yè)（或煉焦廠）產(chǎn)生的焦爐煤氣含有50%~%60%的H₂，是非常好的制氫原料氣（下表）。目前，鋼廠主要還是將焦爐煤氣用作燃料。焦爐煤氣利用的合理途徑須引起重視，應該盡可能少地將焦爐煤氣作為燃料使用。

焦爐煤氣與天然氣成份                              單位：%

目前，焦爐煤氣變壓吸附制氫技術(shù)在裝置規(guī)模為1000~3000m³/h是成熟的，大規(guī)模制氫裝置（如10000m³/h級以上）尚有待進一步開發(fā)。

鋼廠其他煤氣制氫。鋼廠的轉(zhuǎn)爐煤氣和COREX煤氣成分，均富含CO甚至富含H₂，其制氫工藝可以通過水煤氣變換反應，生成富H₂的合成氣。

轉(zhuǎn)爐煤氣、COREX煤氣成份                                 單位：%

轉(zhuǎn)爐煤氣制氫。轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)產(chǎn)生的煤氣經(jīng)降溫、除塵后，進入水煤氣變換裝置中，在催化劑的作用下，發(fā)生水煤氣變換反應。反應后，經(jīng)冷卻、分離，獲得富含氫氣的混合氣體。混合氣體經(jīng)脫硫后，采用變壓吸附制氫法，獲得高純度氫氣。

COREX煤氣制氫。熔融還原爐（COREX）以鐵礦和煤炭為原料，在生產(chǎn)鐵水過程的同時，產(chǎn)生大量富含CO和H₂的COREX煤氣。在工業(yè)條件下，其制氫過程以及相應其物料平衡大致如下表：

物料平衡表

 注：物料對應118噸鐵/小時， 即110%負荷。

有專家透露，氫能源將納入我國終端能源體系，帶動形成10萬億級的新興產(chǎn)業(yè)。^[11]目前已有多地搶灘布局萬億氫能市場，有40多個地區(qū)出臺了相關(guān)的氫能規(guī)劃。雖然氫能發(fā)展前景十分光明，但我國氫能發(fā)展方向，核心技術(shù)能力等多重難題，需要深入研究和探索實踐，例如輸送氫氣的鋼管尚需進口，國內(nèi)目前還不能制造。

（5）實現(xiàn)連鑄坯熱裝熱送和控軋，是無縫鋼管工藝流程設置優(yōu)化的課題。一般無縫鋼管有二次加熱工序，其能耗值比其他軋材能耗值要高一些，例如2014年熱軋無縫鋼管能耗值達到103.4kgce/t。因此，如何實施鑄坯熱裝、熱送和控軋，以利于提高鋼管性能和節(jié)能，是熱軋無縫鋼管工藝流程設置優(yōu)化的課題。山東魯麗集團磐金鋼管制造公司2018年新建成的φ159mm連軋管生產(chǎn)線在工藝布置時，配有管坯熱送通道，試行了熱裝、熱送，其工藝創(chuàng)新特點有采用倍尺裝爐，管坯出爐后利用熱鋸將倍尺管坯切成單倍尺，分別供給兩條軋管線，這種工藝流程模式在全球?qū)儆谑讋?chuàng)。^[8]對無縫鋼管控軋控冷，以提高產(chǎn)品性能，寶鋼煙臺鋼管廠開發(fā)國內(nèi)首套無縫鋼管在線控冷設備，實現(xiàn)在線控冷、淬火，提供了控制軋制的創(chuàng)新思路。

4.從深度碳減排的視角，探討中國鋼管發(fā)展的問題

為實現(xiàn)低碳發(fā)展愿望，IEA國際能源署提出嚴格控制鋼鐵需求增長，減少材料影響的5個杠桿——去材料化、尋找替代品、提高制造效率、延長使用壽命和有效回收。^[6]這些“杠桿”對中國鋼管發(fā)展方向有所啟示：控制無縫鋼管增長需求，強化焊接鋼管質(zhì)量升級，用高質(zhì)量的焊接鋼管替代一部分無縫鋼管。理由很簡單：焊接鋼管生產(chǎn)工藝是冷成型，是低碳性產(chǎn)品；無縫鋼管生產(chǎn)工藝是熱加工，碳排放量高。

焊接鋼管有沒有能力來替代一部分無縫鋼管？從性能來看，焊接鋼管使用原料為軋制板帶，其壓縮比比無縫鋼管在軋制過程的壓縮比要高很多，因此，材料的力學性能好、壁厚較小、而且精度較高，例如，焊管可以做到D/t＞25~30的薄壁管，（D—公稱外徑，t—壁厚），減輕了重量。例如高精度管線管、油套管和機械管等用HFW焊管（高頻焊管）制造，可使用戶減少10%或更多材料的消耗。^[12]

全球無縫鋼管2019年產(chǎn)量4260萬噸，中國無縫鋼管占比達到60%以上。為什么西方發(fā)達國家無縫鋼管產(chǎn)量在減少？原因在于焊接鋼管替代了一部分無縫鋼管。寶鋼曾經(jīng)在2002年翻譯了美國《普林斯頓鋼管報告》，列舉了美國當時有關(guān)焊接鋼管與無縫鋼管在石油專用管、管線管、標準管、機械管、結(jié)構(gòu)管、承壓管和不銹鋼管等7個方面所占比例的對照，焊接鋼管用量的比例大大超過了無縫鋼管，甚至高壓鍋爐管都用上焊接鋼管。^[13]舉一個例子，世界多數(shù)國家和地區(qū)，例如，北美、中東、非洲、南美、歐洲和俄羅斯OCTG（石油專用管）年消耗量中的比例，焊接鋼管和無縫鋼管約各占50%，而在中國油井管市場主要用無縫鋼管，焊接油井管的用量僅占油井管總用量的10%左右。這和鋼鐵生產(chǎn)基本流程有一定的聯(lián)系，歐美諸國電爐短流程產(chǎn)鋼量約占54%，與之對應其焊接油井管消耗量約占50%左右，中國高爐-轉(zhuǎn)爐長流程產(chǎn)鋼量約85%，與之對應其焊接油井管消耗量約占10%左右。這有某種關(guān)聯(lián)性。油井管的消耗特點是隨各個地區(qū)油井條件不同而異，有小批量多品種的特點，這和電爐鋼生產(chǎn)方式很相似；而中國鋼鐵業(yè)產(chǎn)鋼量以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主，達85%，其生產(chǎn)板帶工藝流程優(yōu)勢是少規(guī)格品種、大批量，不適應油井管多規(guī)格品種、小批量。而且前一個時候去產(chǎn)能，將1000立方米以下高爐，50噸以下轉(zhuǎn)爐淘汰出局，因而3000~5000立方米高爐、150~300噸轉(zhuǎn)爐更是規(guī)模化生產(chǎn)，從而少批量、多規(guī)格品種的油井管對板帶要求與鋼廠供銷體系格格不入。我國焊管企業(yè)多是要調(diào)坯軋材，只有寶鋼等極少數(shù)企業(yè)自身生產(chǎn)板帶直供焊管廠，容易協(xié)調(diào)焊管廠所需板帶品種規(guī)格，而且運輸費等為零。多數(shù)焊管企業(yè)需要向板帶生產(chǎn)企業(yè)訂購原料，不容易協(xié)調(diào)，而且價格較貴，再加上長途運費，其結(jié)果是生產(chǎn)的焊接鋼管價格不比無縫管便宜，失去了價格上的優(yōu)勢。西方發(fā)達國家往往焊管企業(yè)自身有電爐鋼配套，所以焊管價格一般比無縫鋼管便宜5~10%，因而占領油井管的半壁市場。

中國焊接鋼管行業(yè)有一個現(xiàn)象值得注意，就是石油焊接鋼管的高端品種質(zhì)量在消化引進后達到國際先進水平，例如管線管（X80鋼級）、套管（Q125鋼級）等，這是因為石油系統(tǒng)有屬于自己的焊管企業(yè)，而且配套有石油大學、研究所、檢測所，甚至有自己主管的學術(shù)期刊（《焊管》）及掛靠本系統(tǒng)的焊管學術(shù)委員會，整個石油系統(tǒng)產(chǎn)、學、研以群策群力協(xié)同攻關(guān)的結(jié)果。這就給我們以啟示，中國焊接鋼管在其他下游行業(yè)所需高端品種，例如機械管、鍋爐管、石化管、結(jié)構(gòu)管等，要達到國際先進水平，從而能替代一部分無縫鋼管，就要像石油鋼管那樣集產(chǎn)、學、研之力，協(xié)同合作，才能奏效。還有一個關(guān)鍵點，各個下游行業(yè)要認識到“碳中和”的迫切性，對焊接鋼管的使用，從降碳減排角度來看是有必要的。同時，有專家指出：“就政策來看，鋼鐵行業(yè)可持續(xù)轉(zhuǎn)型不會自行實現(xiàn)，政府將發(fā)揮核心作用。”^[6]2020年12月18日中央經(jīng)濟工作會議將做好“碳達峰”“碳中和”工作定為2021年8大重點任務之一。工信部為此正在制定低碳降排路線圖，確定四大舉措，堅決壓縮鋼鐵產(chǎn)量和嚴禁新增產(chǎn)能。正如前述，法國在產(chǎn)品上要標注生態(tài)評分，“形成壓力，推動速度才能加快”。^[14]

焊接鋼管只能替代一部分無縫鋼管。無縫鋼管要發(fā)揮自身的優(yōu)勢，例如制造高性能油井管、高性能高壓鍋爐管、核電用管、火車轉(zhuǎn)向?qū)Ч堋⒒疖囕S管、高壓氣瓶管、高壓容器管、軸承鋼管、液壓（氣壓）件用管、航天航空及軍用管等，這些品種在無縫鋼管領域甚至有不可替代的優(yōu)勢。無縫鋼管業(yè)在低碳減排形勢下要有進有退；質(zhì)量要進，產(chǎn)量要退。

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2021年2月2日