《中共中央國務院關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，提出到“2025年非化石能源消費比重達到20%左右；2030年非化石能源消費比重達到25%左右；2060年，清潔低碳安全高效的能源體系全面建立,非化石能源消費比重達到80%以上”、“把節(jié)約能源資源放在首位，大幅提升能源利用效率”。2022年政府工作報告明確提出“有序推進碳達峰碳中和工作，落實碳達峰行動方案，推動能源革命，確保能源供應，立足資源稟賦，堅持先立后破，通盤考慮，推動能源低碳轉(zhuǎn)型。”《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》更是作出了“我國步入構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的新階段”的判斷。
近日，習近平總書記在文章《正確認識和把握我國發(fā)展重大理論和實踐問題》中對能源和雙碳工作作出重要論述，文章再次強調(diào)了“堅持節(jié)約優(yōu)先”“發(fā)展可再生能源，推動煤炭和新能源優(yōu)化組合，增加新能源消納能力”“要深入推動能源革命”等重要觀點。
鋼鐵是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，同時也是能源消耗大戶，冶金工業(yè)規(guī)劃研究院長期致力于幫助鋼鐵行業(yè)、企業(yè)提升能源利用水平，總結(jié)提出我國鋼鐵能源轉(zhuǎn)型歷程按照時間和能源種類兩個維度大致分為四個階段，即一次能源“使用”階段、二次能源“利用”階段、新舊能源“混用”階段以及未來能源“通用”階段，并分別進行了回顧、剖析與展望。需要說明的是，這四個階段之間并沒有明確的邊界，兩個階段也會存在一定時間段的交疊期。
1、一次能源“使用”階段——節(jié)約優(yōu)先
一次能源“使用”階段從“五五”開始，我國提出“能源開發(fā)與節(jié)約并重，把節(jié)約放在優(yōu)先位置”的方針，將節(jié)能納入國家經(jīng)濟和社會發(fā)展計劃，鋼鐵工業(yè)大力加強節(jié)能工作，鋼鐵企業(yè)的能源管理逐步走上了科學化和制度化軌道。
進入“七五”以后，鋼鐵工業(yè)能源工作主要是搞好“三個轉(zhuǎn)向”，即節(jié)能工作的著眼點從單體設(shè)備、工序的節(jié)能轉(zhuǎn)向企業(yè)的整體節(jié)能；節(jié)能管理方式從經(jīng)驗管理轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化管理，提高管理工作水平和效率；節(jié)能管理體系從單一節(jié)能部門轉(zhuǎn)向整個企業(yè)管理體系的分工協(xié)作綜合管理。通過氧氣轉(zhuǎn)爐取代平爐、連鑄取代模鑄、一火成材取代多火成材等系列生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整及工藝流程優(yōu)化，鋼鐵制造流程逐漸趨于連續(xù)化、緊湊化、減量化。
“九五”以后，鋼鐵工業(yè)工作重點是生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)改造和建設(shè)大型節(jié)能裝置，如發(fā)展連鑄、提高噴煤比。中國鋼鐵工業(yè)從單體節(jié)能擴展到系統(tǒng)節(jié)能，通過生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整和工藝流程優(yōu)化等措施，使得鋼鐵工業(yè)噸鋼能耗第一次出現(xiàn)大幅度下降，能耗指標下降200kgce/t。
在一次能源“使用”階段，能源使用相對粗放，甚至在一定時間段重油曾被廣泛用作高爐噴吹燃料，加熱爐、鐵礦石燒結(jié)和鐵礦石球團法的點火、焙燒等。
2、二次能源“利用”階段——提高效率
從“十五”開始進入二次能源“利用”階段，鋼鐵行業(yè)開始大力推廣應用“三干、三利用”節(jié)能減排新技術(shù)，“三干”即干熄焦、高爐干法除塵、轉(zhuǎn)爐干法除塵；“三利用”即可燃氣體、工業(yè)用水和工業(yè)廢棄物的全面回收和綜合利用。在《冶金流程工程學》的指引下，我國鋼鐵企業(yè)開始關(guān)注鋼鐵制造流程“能源轉(zhuǎn)換功能”的開發(fā)，這個階段更加注重實現(xiàn)系統(tǒng)能源效率的最大化，逐步推進實現(xiàn)從單體工序節(jié)能向系統(tǒng)節(jié)能的真正轉(zhuǎn)變。
鋼鐵生產(chǎn)消耗的一次能源中約40%以某種形式的熱能釋放出，其溫度上至1500℃，下至近于環(huán)境溫度的廣泛范圍，主要分為副產(chǎn)煤氣、排氣余熱、固體余熱及廢汽廢水余熱：副產(chǎn)煤氣包括高爐煤氣、焦爐煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣，一般歸為余能，但其顯熱及壓力能屬于余熱；排氣余熱多為爐窯排出廢氣帶走的熱，占余熱資源總量的一半左右，溫度范圍為250～1000℃；固體余熱包括燒結(jié)礦、紅焦炭、高爐渣、轉(zhuǎn)爐渣及鑄坯等，一般在500℃以上；廢汽廢水余熱包括蒸汽冷凝水、鍋爐汽包的排污水（90～100℃）、高爐沖渣水（70～90℃）等。可以說，鋼鐵工業(yè)的二次能源是一座巨大的寶藏庫，亟待開發(fā)利用。
在此期間，隨著副產(chǎn)煤氣發(fā)電、TRT（BPRT）、燒結(jié)余熱發(fā)電、干熄焦等余熱余能利用技術(shù)廣泛應用，鋼鐵企業(yè)煤氣損失率逐年降低、自發(fā)電比例不斷提高，鋼鐵工業(yè)二次能源利用取得顯著進步。副產(chǎn)煤氣是利用相對較好的二次能源，副產(chǎn)煤氣除供應生產(chǎn)系統(tǒng)外，富余的被送至煤氣電廠轉(zhuǎn)化為電力。得益于發(fā)電技術(shù)進步，目前高參數(shù)煤氣發(fā)電機組的效率超過40%，重點大中型鋼鐵企業(yè)余熱余能自發(fā)電率超過53%。重點大中型鋼鐵企業(yè)噸鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收量平均值達到117m3，TRT（BPRT）配備率達99%以上，干熄焦配備率達93%以上，同時擁有世界上最大單機低熱值燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，超臨界煤氣發(fā)電、燒結(jié)余熱回收利用技術(shù)、飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)等已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。
鋼鐵二次能源利用也存在一些尚未解決的問題，包括余熱余能的回收往往重視回收輕視利用效率、能源介質(zhì)長距離輸送、煤氣及蒸汽存在階段性不平衡及耦合利用方面仍有提升潛力、部分耗能設(shè)備介質(zhì)使用沒有做到能級匹配和溫度對口、熔融鋼渣余熱等中低溫余熱尚未利用等。目前，焦化燃燒室排煙余熱、燒結(jié)余熱、高爐余熱、轉(zhuǎn)爐煉鋼余熱、電爐余熱、軋鋼加熱爐煙氣余熱等余熱資源，溫度相對較低，流量波動較大。對于余熱資源波動問題，多數(shù)企業(yè)設(shè)置蒸汽蓄熱器來解決，但效果仍不理想。鋼鐵企業(yè)的蒸汽需求量較少，只能產(chǎn)生低品位飽和蒸汽用于發(fā)電，效率較低。
3、新舊能源“混用”階段——協(xié)調(diào)互補
隨著“雙碳”目標的提出，“碳中和”戰(zhàn)略目標要求調(diào)整能源結(jié)構(gòu)大力發(fā)展可再生能源，但是包括鋼鐵行業(yè)在內(nèi)的全社會以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)不會改變，鋼鐵工業(yè)進入新舊能源“混用”階段。在這個階段，需要統(tǒng)籌化石能源與可再生能源協(xié)調(diào)互補，在立足以煤為主的能源稟賦基本國情的基礎(chǔ)上，以儲能系統(tǒng)為支撐逐步加強新能源的應用和消納。
鋼鐵行業(yè)可發(fā)展的可再生能源有光伏發(fā)電和風力發(fā)電，鋼鐵企業(yè)大面積的廠房具有發(fā)展屋頂光伏發(fā)電的天然優(yōu)勢，臨江靠海的鋼鐵企業(yè)具有發(fā)展風力發(fā)電的資源條件?？稍偕茉从虚g斷不穩(wěn)定的先天不足，較難實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定供能的要求，而鋼鐵企業(yè)有豐富的二次能源，能夠與可再生能源形成良性互補。因此，如何實現(xiàn)新能源消納成為鋼鐵能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鋼鐵企業(yè)在引入新能源發(fā)電后，會對企業(yè)用能安全性和用能經(jīng)濟性帶來一定的影響。首先，引入新能源發(fā)電對鋼鐵企業(yè)原有電力利用、余熱余能發(fā)電均形成影響，引起電網(wǎng)關(guān)口電量的大幅波動；其次，新能源發(fā)電的大容量接入，企業(yè)自發(fā)電比例提高，午間將富余電量以低價上網(wǎng)，晚高峰以峰價從電網(wǎng)購電，效益受到影響。某鋼鐵企業(yè)引入新能源發(fā)電對現(xiàn)有系統(tǒng)的影響。企業(yè)自發(fā)電200MW，其中煤氣發(fā)電180MW（2臺100MW）、余熱發(fā)電13.4MW，TRT發(fā)電5.9MW，不足部分約150MW由電網(wǎng)購入；引入300MW地面光伏及20MW屋頂光伏后，晴天正午最大富余功率約138MW，晚間差額約150MW。
儲能系統(tǒng)可以有效解決能量供求之間在時間和空間上不匹配的矛盾，是新能源與可再生能源發(fā)展的核心支撐。在這個階段，需要基于鋼鐵流程特點，利用鋼鐵二次能源可調(diào)節(jié)性強的優(yōu)勢，以儲熱、電化學儲能、空分儲能、煤氣柜等儲能系統(tǒng)為重要橋梁，與可再生能源構(gòu)建多能互補與儲能相結(jié)合的能源體系，并探索可再生能源與副產(chǎn)煤氣、余熱余壓自發(fā)電機組相銜接的智慧電力供應網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，促進能源結(jié)構(gòu)清潔低碳化。
4、未來能源“通用”階段——聯(lián)通共享
人類的終極能源將是綠電、綠氫為核心的能源系統(tǒng)，鋼鐵行業(yè)亦是如此。
近日，國家發(fā)展改革委、國家能源局等十部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于進一步推進電能替代的指導意見》，明確提出進一步拓展電能替代的廣度和深度，提高電能占終端能源消費比重，大力推進工業(yè)領(lǐng)域電氣化。電力長期以來一直是鋼鐵工業(yè)占比次高的重要能源（按當量值口徑占比約6%），伴隨著電力的逐步“綠化”，未來鋼鐵行業(yè)更要持續(xù)推進電氣化，大幅提高電能的應用比例，加快推廣以電代煤、以電代油、以電代氣。采用電爐直接冶煉廢鋼，可最大程度用電能替代煤類能源實現(xiàn)減碳，尤其是采用綠電冶煉時，幾乎可做到零碳排放。金屬化微波燒結(jié)、燒結(jié)SHRT、高爐BPRT、精煉機械真空泵、軋鋼電加熱、煤氣管道電伴熱、電能重卡、電動皮帶廊等均是非常好的電能替代場景。
盡管電能替代會在鋼鐵脫碳進程中發(fā)揮重要作用，但是80%左右來源于原料與生產(chǎn)高品位熱能的碳排放無法通過電能替代實現(xiàn)脫碳，氫能是解決這一問題的有效途徑。氫能在鋼鐵的應用場景包括氫冶金、氫能重卡、熱處理爐保護氣等，其中氫冶金包括高爐富氫冶煉、氫基豎爐直接還原、氫基熔融還原等，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的技術(shù)探索，國內(nèi)中國寶武、河鋼、酒鋼、晉南鋼鐵等企業(yè)都已經(jīng)在氫冶金研發(fā)應用取得一定進展，氫能的利用是鋼鐵工業(yè)脫碳過程中的關(guān)鍵。
氫能屬于二次可再生能源，既可以作為儲能側(cè)的“穩(wěn)定器”，也可以作為用電側(cè)的“燃料源”，可充當能源緩沖載體提高能源系統(tǒng)柔性。未來，氫能將扮演高效清潔的可再生二次能源、盤活智慧的能源載體、綠色低碳的工業(yè)原料三重角色，大力發(fā)展氫能、強化綠氫與綠電的互補是最終優(yōu)化解決可再生能源轉(zhuǎn)型替代的關(guān)鍵。甲醇（CH3OH）是氫的優(yōu)質(zhì)載體，以氫制取甲醇實際上是將氫的能量轉(zhuǎn)移到甲醇中；甲醇與氫氣相比運輸成本更低、更安全，當需要用氫氣時可以通過槽罐車或管道運輸至相應區(qū)域，通過氣化裝置制取氫氣。甲醇同時是基本的化工中間體，可替代汽油及廣泛地應用于化學工業(yè)，可以解決我國液體燃料短缺和清潔體態(tài)問題。
在未來建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)背景下，鋼鐵行業(yè)能源系統(tǒng)應以電能替代和氫能替代為主線，綠電和綠氫的組合可以通用在鋼鐵生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。因此，構(gòu)建以“綠電+綠氫”為核心的能源系統(tǒng)，以甲醇作為優(yōu)質(zhì)載體，加上氫冶金技術(shù)的創(chuàng)新與應用，使鋼鐵擺脫對化石能源的依賴，從源頭上解決碳排放問題，是實現(xiàn)低碳、甚至“零碳”排放的最佳途徑。同時依靠“互聯(lián)網(wǎng)+”加快能源數(shù)字化、智能化升級，提高能源系統(tǒng)靈活感知及高效運行能力，最終實現(xiàn)能源系統(tǒng)聯(lián)通共享。
5、結(jié)論與建議
碳達峰碳中和“1+N”政策體系和《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》對未來能源發(fā)展和轉(zhuǎn)型路徑作了系統(tǒng)性部署，鋼鐵作為重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，責無旁貸地走上能源轉(zhuǎn)型變革之路。
鋼鐵行業(yè)走過了一次能源“使用”階段，正在由二次能源“利用”階段走向新舊能源“混用”階段，在這個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)型期，需要統(tǒng)籌化石能源與非化石能源協(xié)調(diào)互補，在立足以煤為主的基本國情基礎(chǔ)上，以儲能系統(tǒng)為支撐逐步加強新能源的應用和消納，構(gòu)建多能互補與儲能相結(jié)合的能源體系。
在未來建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)背景下，鋼鐵行業(yè)能源系統(tǒng)應以電能替代和氫能替代為主線，綠電和綠氫的組合可以通用在鋼鐵生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。因此，構(gòu)建以“綠電+綠氫”為核心的能源系統(tǒng)，以甲醇作為優(yōu)質(zhì)載體，加上氫冶金技術(shù)的創(chuàng)新與應用，使鋼鐵擺脫對化石能源的依賴，從源頭上解決碳排放問題，是實現(xiàn)低碳、甚至“零碳”排放的最佳途徑。同時依靠“互聯(lián)網(wǎng)+”加快能源數(shù)字化、智能化升級，提高能源系統(tǒng)靈活感知及高效運行能力，最終實現(xiàn)能源系統(tǒng)聯(lián)通共享。
對于鋼鐵企業(yè)而言，每家企業(yè)的生產(chǎn)方式、裝備水平、流程結(jié)構(gòu)、地域能源供應條件均有所差異，發(fā)展階段也不盡相同。因此，建議鋼鐵企業(yè)要正確認識和把握“雙碳”進程中能源轉(zhuǎn)型的重要性，開展能源專項咨詢，客觀評估能效水平并制定措施以達到國家政策要求，提升余熱余能自發(fā)電率降低用能成本，構(gòu)建多能互補與儲能相結(jié)合的用能體系促進新能源消納，為企業(yè)爭取更大的發(fā)展空間以應對能耗雙控的不利影響，提前布局氫能等未來能源系統(tǒng)實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型高質(zhì)量發(fā)展。