十四五期间随着双碳战略推进和新型电力系统建设，电力供需面临新形势，夏季冬季电力负荷“双高峰”特征更加显著，电力供需平衡压力和新能源消纳困难叠加并长期存在。预计到2025年，不考虑需求侧资源互动，极端情况下，全国将面临约5.62亿千瓦的平衡缺口。据当前高耗能工业负荷规模估算，蕴藏的可调潜力约1.08亿千瓦，占平衡缺口的19.3%，是重要的电网平衡调节资源。

一方面，新的“两个细则”将提供辅助服务的主体范围扩大到包括自备电厂、传统高载能工业负荷、工商业可中断负荷等，推动挖掘供需两侧的灵活调节能力。另一方面，工业负荷通过参与电网互动消纳新能源发电，降低用电成本、促进产业绿色化，自身具有强烈意愿。钢铁、水泥、电解铝等高耗能工业负荷具有基数大、潜力高、激励敏感、易于集中管理等优势，这些温控类、电解类、广义储能类负荷等均是优质的柔性互动资源。其中，钢铁行业是我国工业的支柱性行业，约占我国GDP的5%，我国钢铁产业与新能源发电有着天然的互补性，可以通过工业互联网和能源互联网的融合，实现新能源消纳和电网平衡调度。然而，目前我国钢铁行业仍以碳排放强度高的长流程为主，粗钢产能约占90%，中国钢铁行业碳排放量约占中国碳排放总量的15%，是碳排放量最高的制造行业。

1 钢铁行业总体概述

1.1 钢铁生产流程

钢铁工业生产工艺结构复杂，目前主要生产流程分为两类，即高炉―转炉长流程和电炉短流程，生产结构如图1。长流程生产方式在钢铁企业广泛应用，占世界总钢产量的71.6%左右。近年来，电炉短流程炼钢被不断关注，产量约占世界总钢产量的28%。在我国，传统长流程制造工艺约占90%，且生产过程依赖煤基化石能源。

图1 钢铁的生产流程

1.2 钢铁生产流程用能用电特性

钢铁行业各生产流程的材料组成和能源结构不同，高炉―转炉长流程生产原料以铁矿石为主，燃料消耗占总能耗的94%左右，是导致碳排放高的首要因素，用能结构如图2。电炉短流程主要原材料为废钢，能耗以电力为主。

图2 钢铁生产长流程用能结构

在钢铁生产的总耗能中，电力消耗约占总能耗的20～30%，成本约占生产成本的10%，电力系统如图3。

图3 钢铁生产流程电力系统图

从能耗角度看，2020年钢铁企业重点工序及设备用电情况如表1。电炉炼钢电耗明显高于其他工序，因此常将高电价时段的电炉产量转移到低电价时段，而在峰、平时段提高转炉炼钢产量，实现电炉与转炉交替生产。

表1 重点钢铁企业主要生产工序及设备用电量

1.3 钢铁行业能耗与碳排放现状

钢铁行业是典型的高能耗、高碳排放工业，生产能耗约占工业总能耗的16%，但仅有30%～50%的能量得到有效利用。过去十年钢铁行业节能工作取得较大进展，我国大中型钢铁企业的吨钢综合能耗从0.669 tce/t下降到0.551 tce/t，下降率16.64%，且各生产工序能耗均有不同程度的下降，钢铁企业各生产工序能耗变化情况如图4。钢铁行业能效方面实现了7.5%的提升，预计未来30年能效提升可达10%～15%。但长流程吨钢的CO₂排放量为1.7～2.4 t/t，行业碳排放占全国碳排放总量的16%，钢铁企业节能减排工作仍面临严峻挑战，各生产工序平均碳排放占比情况如图5。

图4 钢铁企业生产工序能耗

图5 钢铁企业生产工序碳排放占比

据2022年中钢协会员数据，在长流程中，炼铁工序在钢铁生产中能耗最大，为387.91 kgce/t，同比下降0.12%，约占钢铁生产全流程总能耗的50%。炼铁工序主要涉及固体燃料、气体燃料、电力以及动力介质等类型的能源，余热余能利用率仅为10%，且在CO₂排放量占比最高，约为63%。因此，降低生产流程中各工序能耗与碳排放是钢铁企业低碳发展的重要路径。

目前我国钢铁生产流程正向短流程方向发展，2022年中国电炉钢产量占粗钢总产量比重为9.7%，其中达到标杆水平的产量占比为12.93%。短流程吨材能耗约123.8 kgce/t，吨钢CO₂排放量仅0.4吨，为长流程的25%左右，总能效仅为50%～60%。

综上所述，目前钢铁工业能耗和碳排放量巨大，需要提高二次能源利用率，大力发展新能源替代技术，不断完善生产结构。

2 低碳绿色发展路径

据国家统计局数据，2022年全国钢铁行业用电量约为1.25万亿千瓦时。在肩负降碳减排、助力国家“双碳”目标实现的艰巨任务下，钢铁企业须布局绿色发展，逐步达到节能降碳减排目标。钢铁生产过程中需要综合运用冷、热、电、气等多种能源，每种用能路径的使用均对应不同程度的碳排过程，本文尝试从综合用能的视角对钢铁行业低碳绿色发展提出技术展望，通过多能负荷和能源的互动、互补、互济来从用能视角实现钢铁行业的低碳绿色发展。

2.1 发展氢冶炼技术显著降低碳排放

制氢是实现钢铁行业氢冶炼的关键先决技术之一。将水或其他含氢物质转化为氢气，可以为钢铁工艺提供纯净的氢源，促进氢冶炼技术的应用。目前主流的制氢方式包括化石燃料制氢和可再生能源制氢，技术路线如图6，但考虑到长期的可持续发展，可再生能源制氢将是更理想的选择。

研究表明,依靠焦炉煤气制氢到2030年可满足大部分钢铁氢冶炼的氢气需求,但到2050年其制氢供应将面临严峻挑战。因此,为实现钢铁工业通过氢冶炼技术大幅降低碳排放,需要积极拓展多种经济效益兼顾的制氢途径,保障氢冶炼技术应用所需的充足氢源。氢冶炼技术的推广将可以显著减少钢铁生产过程中的碳排放,是实现钢铁业低碳发展的重要技术手段之一。

图6 当前制氢技术路线

2.2 绿电消纳促进钢铁企业绿色发展

2021年9月，我国绿色电力交易试点正式启动。2022年1月，多部门联合印发的《促进绿色消费实施方案》提出，全面促进重点领域消费绿色转型，进一步激发全社会绿电消费潜力。钢铁企业要实现新能源高效消纳，需要技术、政策和市场机制的共同配合。2013年―2022年钢铁行业耗电及绿电装机总量如图8，十年间绿电装机规模增长了2倍以上。

氢冶炼是用氢气代替碳作为还原剂来减少碳排放的冶炼技术，主要包括富氢还原、纯氢还原和电―氢协同还原三种技术，其分类情况如图7。富氢还原是当前最主要的氢冶金技术，主要分为高炉富氢还原、富氢气基还原和富氢熔融还原三类。富氢气基还原又可以分为气基竖炉法和气基流化床法，富氢熔融还原包含Hismelt工艺和Corex工艺。高炉富氢还原和富氢气基还原技术相对比较成熟。

2022年政府工作报告中提出，推进大型风光电基地及其配套调节性电源规划建设，提升电网对可再生能源发电的消纳能力，推进钢铁、有色等行业节能降碳。在此背景下，多家钢铁企业开始布局“绿电”，仅2022年一季度，鞍山钢铁清洁能源交易电量达26亿千瓦时。

图8 2013―2022年钢铁行业耗电及绿电装机总量

钢铁企业应积极响应政策，通过电力交易购买风电、光伏等新能源电量，消纳绿电。此前，参与电力市场交易的大部分是火电等常规电源，新能源发电主要由电网企业保障性收购，大多不参与市场。随着我国绿色电力交易试点正式启动，企业可通过绿电交易平台，查看绿电供应情况，选择合适的供应商开展交易。根据自身生产情况和能源需求，制定绿电使用计划，实现有效分配和消纳，提高绿电利用率和电网稳定性。

2.3 能效―碳效双提升助力绿色发展

钢铁行业是除电力行业外我国第二大高碳排行业。2020年，钢铁产业CO₂排放量占我国碳排放总量的16%左右。2023年6月，多部门联合发布了《工业重点领域能效标杆水平和基准水平（2023年版）》，对钢铁企业提出了更高的能耗标准。钢铁企业进一步推进节能降耗以降本增效已成必然趋势。

目前，钢铁企业能效、碳效受限于企业的生产工艺、设备水平和能源结构等因素，与先进水平相比存在差距。钢铁行业的电碳协同发展可以从多方面展开，一是电力供应与需求侧管理协同：加强与电力企业的合作，鼓励使用低碳、清洁能源；二是高效节能技术协同：借助先进能源装备和技术手段，提高能源利用率，减少废气排放和碳排放；三是产品制造与再利用协同：通过全产业链延伸，实现资源的有效再利用和能源高效转化；四是碳排放权交易协同：在市场机制的调节下，激发企业降低碳排放的积极性，降低碳排放成本。

2.4 构建多能协同的能源体系

2021年2月，国家发改委、能源局联合发布《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》，提出推进电力源网荷储一体化和多能互补发展。多能协同通过发展基于分布式能源系统，实现燃料化学能源与物理能的梯级利用。钢铁行业的多能协同技术具备工序强耦合的特征，边界条件更为复杂，且与园区内多主体强关联。依据如图9所示钢铁行业的多能协同体系，可从以下三个方面帮助构建多能协同的能源体系中含有丰富的化学能，进行回收再利用可以减少原料消耗，从而减少碳排放。钢铁生产过程中产生的大量低品位余热也可以通过余热发电 ^{REF _Ref140220962 \r \h \* MERGEFORMAT [25]}等方式转化为电力，或用于生产过程中的热力需求，降低能源消耗，实现低碳利用。充分挖掘利用钢铁生产中的副产品和余热,是实现钢铁行业低碳发展的重要途径之一。

此外，钢铁行业应积极寻求与其他行业的产业链协同，促进资源共享。如炼焦工序产生的焦炉煤气可用于发电业发电使用，粉煤灰可用于水泥、铝合金行业生产。在产业链协同发展模式下，钢铁行业可以减少废弃物填埋求，提高资源利用率，为企业带来更高的收益。

2.6 后工业时代钢铁行业发展趋势

国内外钢铁领域已经在发展低碳路线方面迈出了重要一步。钢铁行业已由“增量、扩能”向“减量、调整”方向转变。欲实现钢铁工业“双碳”发展的目标，必须从流程工艺、技术研发和市场导向等方面共同努力。在后工业时代，钢铁企业需灵活调节工业负荷以解决高比例的可再生能源并网给电力系统运行带来的阻碍。此外，充分发挥政策和市场调节作用，促进钢铁生产低碳化、绿色化和智能化发展。

（1）电炉短流程低碳绿色技术发展

电炉短流程的吨钢CO₂排放量约占长流程的30%，是实现钢铁行业“双碳”目标的关键。近年来，随着相关政策的陆续出台、废钢和电力资源日益充沛等有利因素的加持，和传统长流程钢铁生产建立的良好基础，极大推动了钢铁行业的发展。目前电炉短流程的智能化水平方面有待提高，但在废钢再生循环、节能环保和绿色低碳方面具有较大优势。因此，电炉短流程要实现快速发展，须依靠技术进步，并与氢冶金深度结合。

（2）政府和市场双驱动下的低碳路径发展

钢铁企业主要参与的市场互动场景有电力市场、辅助服务市场和碳市场等。2021年10月，国家发改委印发了《关于进一步深化燃煤发电上网电价市场化改革的通知》，明确指出“高耗能企业市场交易电价不受上浮20%限制”，对钢企的日常管理和降本增效提出挑战。为进一步推进钢铁企业参与电力市场，须充分利用其中长期稳定和电价可预测的特征，通过价格杠杆撬动钢企生产调整和技术转型，充分发挥钢企的谷电消纳能力。

3 总结与展望

钢铁行业作为我国国民经济的重要基础产业，其生产过程能耗高、碳排放多是实现国家“双碳”目标、促进绿色低碳转型的重点领域。随着钢铁产量的持续增长，钢铁行业面临节能减排的艰巨任务。为实现绿色低碳发展，应加快推进制氢和氢冶炼、电炉钢生产、绿电消纳等低碳技术应用，构建清洁高效的用能体系，深化电力体制改革，建立健全碳管理和交易机制与此同时，钢铁企业需灵活调节工业负荷，以解决高比例的可再生能源并网给电力系统运行带来的阻碍，抓住电网友好型工业负荷参与电网互动的机遇。