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，其轉型力度是前所未有的。中國鋼管生產基本流程是高爐-轉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。氫冶金是一場技術革命。實現(xiàn)氫冶金的技術路線有兩條，即“直接碳避免”和“智能碳使用”技術，其難點在于低成本的氫制取。無縫鋼管生產工藝是熱加工，碳排放量較大；焊接鋼管生產工藝是冷成型，是低碳產品。中國無縫鋼管產量占世界無縫鋼管總產量的比例達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，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“低碳經濟”，德國未來幾年預算的23%-27%將分配給與低碳排放相關領域，包括削減增值稅、下調電價以及技術創(chuàng)新提供補貼等措施。法國的措施非常細致，例如推出產品生態(tài)評分，評分將印刷在產品外包裝上，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（碳捕捉、存儲及利用技術），荷蘭、英國、德國都在研發(fā)低碳新技術。在這樣的形勢下，全球主要國家努力實現(xiàn)“碳中和”促進經濟發(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)達國家在經濟環(huán)境上的差異

首先來看中國與西方發(fā)達國家在經濟環(huán)境上的差異。西方發(fā)達國家例如美歐等國經過百多年的工業(yè)化進程，已經達到了現(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，何況國內的區(qū)域經濟發(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“生產型”而不是“消費型”能源消費結構。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業(yè)的擴張，力爭高能耗產業(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品，其中無縫鋼管是熱加工工藝生產，焊接鋼管是冷加工工藝生產。無縫鋼管生產過程其中煉鐵與煉鋼環(huán)節(jié)與碳排放密切相關。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）中國鋼管生產基本流程中，高爐-轉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)展的基本生產流程。我國鋼鐵業(yè)能源結構為：69.9%為煤炭，26.4%為電力，3.2%為石油，0.5%為天然氣。由于能源結構以煤為主，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-轉爐長流程生產工藝：具有燒結、球團、焦化、煉鐵；而電爐短流程生產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)電爐鋼的產量占其鋼鐵總產量約54%以上，而我國電爐鋼的產量所占比例不足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)下調電價。這對于無縫鋼管產量增加電爐鋼占比，相應減少轉爐鋼占比，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)展電爐產業(yè)。

（3）“氫冶金”工藝流程重構“碳冶金”工藝流程，將是一場具有顛覆性的技術革命。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路線，分別是基于過程控碳的“直接碳避免”技術和末端治理的“智能碳使用”技術，包括瑞典鋼鐵（SSAB）的HYBRT技術（氫能煉鐵技術），蒂森克虜伯的Carbon2Chen碳捕捉技術，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中利用捕集的二氧化碳向高爐或轉爐中噴吹，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，增加產油量）從目前來看，國內外鋼企在降碳上的技術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)副產煤氣制氫的思路，有重要參考價值。^[10]

（4）關于鋼鐵企業(yè)副產煤氣制氫的思路。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。

轉爐煤氣、COREX煤氣成份                                 單位：%

轉爐煤氣制氫。轉爐煉鋼系統(tǒng)產生的煤氣經降溫、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，經冷卻、分離，獲得富含氫氣的混合氣體。混合氣體經脫硫后，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，在生產鐵水過程的同時，產生大量富含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屬于首創(chuàng)。^[8]對無縫鋼管控軋控冷，以提高產品性能，寶鋼煙臺鋼管廠開發(fā)國內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，強化焊接鋼管質量升級，用高質量的焊接鋼管替代一部分無縫鋼管。理由很簡單：焊接鋼管生產工藝是冷成型，是低碳性產品；無縫鋼管生產工藝是熱加工，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、結構管、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。這和鋼鐵生產基本流程有一定的聯(lián)系，歐美諸國電爐短流程產鋼量約占54%，與之對應其焊接油井管消耗量約占50%左右，中國高爐-轉爐長流程產鋼量約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，這和電爐鋼生產方式很相似；而中國鋼鐵業(yè)產鋼量以高爐-轉爐長流程為主，達85%，其生產板帶工藝流程優(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能，將1000立方米以下高爐，50噸以下轉爐淘汰出局，因而3000~5000立方米高爐、150~300噸轉爐更是規(guī)模化生產，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)多是要調坯軋材，只有寶鋼等極少數(shù)企業(yè)自身生產板帶直供焊管廠，容易協(xié)調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)需要向板帶生產企業(yè)訂購原料，不容易協(xié)調，而且價格較貴，再加上長途運費，其結果是生產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期刊（《焊管》）及掛靠本系統(tǒng)的焊管學術委員會，整個石油系統(tǒng)產、學、研以群策群力協(xié)同攻關的結果。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、結構管等，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、學、研之力，協(xié)同合作，才能奏效。還有一個關鍵點，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，堅決壓縮鋼鐵產量和嚴禁新增產能。正如前述，法國在產品上要標注生態(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、火車轉向導管、火車軸管、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；質量要進，產量要退。

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2021年2月2日