「招银研究｜行业深度」钢铁行业深度研究之“双碳”篇
钢铁行业：减量提质，推动绿色低碳转型发展03:10来自招商银行研究院
作者：招商银行研究院 总行授信执行部 总行战略客户部
■ 钢铁行业减碳势在必行，减碳途径主要为节能降排、压减产量和技术升级。从国家到行业再到企业，均在积极制定“双碳”时间线。国家目标是在2030年前实现碳达峰，而行业和企业均提出在2025年前实现碳达峰。从目前以高炉-转炉为主要冶炼技术的情况来看，减碳途径主要有三：一是完成超低排放改造，降低吨钢综合能耗，但进一步下降的空间有限；二是减少粗钢产量，直接减少高炉碳排放；三是提升钢铁冶炼技术，改善产量结构，实现低碳冶金或零碳冶金。
■ 节能降排是当前行业减碳的重要抓手，但进一步下降的空间有限。节能降排包括完成超低排放改造和节能降耗两大方面。其中完成超低排放改造为基本要求，政策要求，到2025年，全行业80%的粗钢产能要完成超低排放改造。完成超低排放改造后，节能降耗将成为企业主要减碳任务，包括绿色技术改造、能源管理数字化智能化改造等。但吨钢综合能耗进一步下降的空间有限，到2025年，政策要求吨钢能耗目标仅为降低2%以上。
■ 压减产量是实现碳达峰的重要手段，对行业实现“碳达峰”意义重大，未来钢铁产量将逐渐下降。行业节能降排的空间有限，而技术提升无法在短期内迅速完成，压减产量将成为短期内行业减碳最为重要的措施。在产能产量双控的政策导向下， 2020年或将是未来一段时间钢铁产能和产量的最高点，未来粗钢产量将逐渐从高点回落。假设吨排放量与2020年相同，减产目标下，行业或已于2020年实现“碳达峰”。这也从侧面论证，减产对于行业实现“碳达峰”意义重大。
■ 冶金技术发展将从实现低碳逐渐转为实现零碳排放，整体呈现出从高炉到电炉，从焦炭到氢气的升级趋势。当前钢铁冶炼以高炉-转炉长流程为主，当前高炉减碳主要通过喷吹煤气来实现，但实际减碳效果有限。短期内富氢碳循环将成为高炉减碳的主要路径，也是国内钢厂减少碳排放最可行的方案。但受制于氢气利用率的限制，富氢碳循环减排能力有限，无法满足中长期减碳要求。减碳目标下，在废钢供给充足后，中长期废钢-电炉短流程量炼钢占比将大幅提升。未来在“零碳”冶炼的要求下，CCUS和全氢直接还原或将成为主流的冶炼技术。
■ 压减产量目标下，行业迈入高质量发展阶段，绿色低碳转型成为行业发展主旋律。“双碳”目标下，行业逐渐从高增长转移到高质量的发展轨道上。在高质量发展目标下，行业发展短期内将集中于节能降耗及降本提质增效，项目建设将以设备改造升级、环保和优特钢为主；中长期则推动冶炼技术升级，在政策支持和废钢供应增加后电炉炼钢量占比将进一步提升。从行业竞争格局来看，随着企业加快兼并重组，产业集中度将进一步提升。龙头企业在成本和工艺创新上的优势能够巩固其竞争优势，行业 “强者恒强”或将延续。
■ 风险分析。需关注下游需求不及预期、产能产量双控不及预期的风险、钢材价格大幅下跌的风险以及原材料价格快速上涨的风险。（本段有删减，招商银行各行部如需报告原文，请参照文末联系方式联系研究院）
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《钢铁行业深度研究之基本篇——供需结构调整，迈入高质量发展新篇章》
正文
钢铁“双碳”：减碳势在必行
1.1 减碳目标：2030年前实现碳达峰
我国是全球最为主要的二氧化碳排放国家，2021年碳排放量占到了全球的31%（图1）。从产生碳排放的行业来看，电力和黑色金属冶炼及压延是最为主要的排放行业，2019年碳排放量占比分别为47%和19%（图2）。由此可见，要实现“2030年碳达峰”、“2060年碳中和”的远景目标，钢铁行业减碳势在必行。
图1：全球主要经济体二氧化碳排放量
资料来源：Wind，招商银行研究院
图2：我国碳排放量：分部门
资料来源：Wind，招商银行研究院
“碳达峰”、“碳中和”是钢铁行业高质量发展的硬约束，从国家到行业再到企业，均积极制定碳减排行动方案和低碳发展技术路线图，明确“双碳”时间线。
国家目标：2030年前实现碳达峰。2021年国务院制定《2030年前碳达峰行动方案》，明确提出要推动钢铁行业碳达峰。《三部委关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》（后称《指导意见》）明确提出，要确保钢铁行业2030年前碳达峰。目前由国家发改委、工信部等部门牵头编制的《钢铁行业碳达峰实施方案》已基本完成，将在2022年适时发布。
行业目标：2025年前实现碳达峰。2021年4月，钢铁工业协会发布《落实减产量要求，推进钢铁行业低碳绿色发展》的倡议书，提出“力争‘十四五’提前实现钢铁行业碳达峰”的行业目标。此外，钢铁工业协会还提出，力争到2030年，碳排放量较峰值降低30%。
企业目标：2025年前实现碳达峰。中国宝武、鞍钢集团、河钢集团、包钢集团等率先提出了碳达峰、碳中和的时间表和路线图，电视剧积极引领钢铁行业低碳发展（图3）。企业中河钢集团提出的碳达峰时间最早，即2022年实现碳达峰目标。其他企业均提出在2025年前实现碳达峰，2050年实现碳中和。
图3：钢铁企业“双碳”路线图
资料来源：各公司官网，招商银行研究院
1.2 减碳途径：节能降排、压减产量、技术升级
如何实现减碳？从目前粗钢产量以高炉-转炉为主的情况来看，减碳主要途径有三：一是完成超低排放改造，降低吨钢综合能耗；二是减少粗钢产量，直接减少总碳排放量；三是提升钢铁冶金技术，改善产量结构，从而实现低碳冶金或零碳冶金。
节能降排是当前行业减碳重要途径之一。我国虽然能源效率要高于世界平均，但碳强度（Carbon Intensity）【注释1】却高于其他国家（图4）。这是因为碳排放取决于原材料的质量、燃料构成和工艺改造。我国钢厂主要使用国内低品质的煤炭作为原料，工艺上又以高炉-转炉为主，其碳排放量要明显高于电炉。此外，由于国内发电以火电为主，国内电网碳排放高于世界平均。钢铁行业能源消耗来自于煤炭，能源消费总量与碳排放量直接相关，减碳需降低吨钢能耗。在过去15年间，钢铁企业的吨钢综合能耗从2005年的694千克标准煤下降到2020年的545千克标准煤，下降幅度约为21%。除节能降耗外，实现超低排放也是行业减碳的重要途径。“双碳”目标下，行业对于企业环保要求加强，完成超低排放改造仍然是“十四五”期间钢铁企业的主要任务之一。
图4：我国碳强度高于全球平均水平
资料来源：Bloomberg，招商银行研究院
降低粗钢产量是钢铁行业实现碳达峰的重要措施。在目前以高炉冶炼为主的产量结构下，碳排放主要来源为煤炭，钢铁产量是决定行业二氧化碳排放量最直接的因素。因此，钢铁行业“碳达峰”的前提之一就是“产量达峰”。中国钢铁工业协会副会长表示，在吨钢减排强度降幅有限的背景下，产量控制是推动中国钢铁行业实现碳达峰，落实双碳目标的重要措施。未来需求增长动能趋弱，降低产量成为了既满足“碳达峰”要求又可平衡产业结构的有效途径。2021年，国家发改委等四部门联合印发《关于做好2021年压减粗钢产量工作的通知》，在控制产能的基础上首次提出压减粗钢产量的目标，全国粗钢产量同比减少3200万吨左右。根据工业钢铁协会的数据，减产直接降低了约5900万吨左右的CO2排放量。2022年发改委将继续开展粗钢产量压减工作，促进钢铁行业高质量发展。
图5：粗钢产量及二氧化碳排放量
资料来源：招商银行研究院
实现“零碳”目标还需倚靠钢铁冶金工艺的改进和提升。从长期来看，减产和节能降排的空间有限，实现“零碳”远期目标还需倚靠冶金工艺的改进和提升。钢铁冶金工艺路线多样，发展电炉炼钢，加快推进氢冶金等零碳或低碳技术研发，是当前全球钢铁行业减碳的主要路线。《指导意见》提出，要有序发展电炉炼钢，鼓励有条件的高炉-转炉长流程企业就地改造转型发展电炉短流程炼钢，推进废钢回收、拆解、加工、分类、配送一体化发展。2025年钢铁工业利用废钢资源量要达到3亿吨以上。此外，还需加快制定氢冶金行动方案，推进低碳冶炼技术研发应用，全面推动钢铁行业超低排放改造。
节能降排：当前减碳重要措施，吨钢综合能耗进一步下降空间有限
完成超低排放改造是近年行业推进“双碳”工作的重要抓手。2019年，生态环境部、发改委等5部门联合发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，在京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原等大气污染防治重点区域率先推进超低排放改造。超低排放是指对所有生产环节实施升级改造，大气污染物有有组织排放、无组织排放以及运输过程满足指标限制要求（表1），对符合超低排放条件的企业，可相应获得税收优惠、奖励和信贷融资支持，且不受到差别化电价政策和停产限产影响。根据中国钢铁协会的数据，截至2022年8月25日，全国已有1.72亿吨钢铁产能完成全过程超低排放改造并通过钢协的评估检测公示，完成主体改造工程的钢铁产能将近4亿吨，全国钢铁企业超低排放改造累计投资已超过1500亿元。“十四五”期间，钢铁行业超低排放改造仍然是国家重大工程项目之一。生态环境部表示，持续推进行业超低排放改造是目前推进“双碳”工作的重要抓手，是提升钢铁行业整体绿色低碳发展水平，处理好发展与减排关系的重要措施。根据中钢协的统计，2025年前行业还要完成4亿吨钢铁产能改造工程，按平均吨钢投资360元计算，需要新增投资不少于1500亿元。
表1 钢铁企业超低排放指标限制（毫克/立方米）
资料来源：《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，招商银行研究院
节能降耗是重点区域龙头企业“十四五”期间主要的减碳目标。我国钢铁工业以高炉-转炉长流程生产为主，一次能源消耗结构主要为煤炭，节能降耗是钢铁工业减碳的重要措施。从调研的结果来看，当以京津冀区域为代表，龙头企业已完成超低排放改造，“十四五”期间主要目标转为节能降耗。根据《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》（下称《实施指南》），截至2020年底，我国钢铁行业高炉工序和转炉工序能效低于基准水平的产能均约占30%，行业仍需持续推进节能降耗。当前钢铁工业实现节能降耗的主要措施有：（1）推广烧结烟气内循环、高炉炉顶均压煤气回收等绿色技术改造；（2）加大余热余能的回收利用，推广电炉烟气余热、高参数发电机组提升、低温余热有机朗肯循环发电、低温余热多联供等先进技术，实现余热余能梯级综合利用；（3）实现能量系统优化，推动企业能源管理数字化、智能化改造；（4）推动新一代信息技术在能源管理中的创新应用，实现能效管理智能化；（5）改造通用公辅设施，推动应用高效节能电机、水泵、风机产品等；（6）实现循环经济低碳改造，提升资源化利用水平，包括提高钢渣循环经济价值；推动钢化联产，依托钢铁企业副产煤气生产高附加值化工产品等。《实施指南》要求，到2025年，钢铁行业炼铁、炼钢能效基准水平以下产能基本清零，能效标杆水平以上产能比例达到30%。
表2 黑色金属冶炼和压延加工业吨钢能耗标杆水平（千克标准煤/吨）
资料来源：发改委，招商银行研究院
但行业吨钢综合能耗进一步下降的空间有限。如前所述，过往的15年内，钢铁行业吨钢综合能耗下降了21%，但从图6可以看到，吨钢综合能耗下降的速度在逐年减缓，吨钢综合能耗进一步下降的空间有限。《指导意见》中提出，到2025年，吨钢综合能耗目标为降低2%以上。也就是说，到2025年，吨钢综合能耗约降到534千克标准煤。
图6：吨钢能耗下降速度逐年减弱
资料来源：Wind，招商银行研究院
压减产量：实现碳达峰重要手段，粗钢产量逐渐回落
严控产量是钢铁行业减碳的重要手段。如前所述，行业减排降耗的空间有限，而技术提升无法在短期内迅速完成，压减产量将成为短期内行业减碳最为直接且有效的措施。2016年以后，在供给侧改革的背景下，钢铁行业严控产能已经成为主旋律之一。《指导意见》明确提出，行业高质量发展的主要任务之一就是严禁新增钢铁产能。坚决遏制钢铁冶炼项目盲目建设，严格落实产能置换等法律法规政策规定，利用综合标准依法依规推动落后产能应去尽去，严防“地条钢”死灰复燃和已化解过剩产能复产。2021年，在严控产能的基础上，国家首次提出压减全年粗钢产量，较2020年压减产量3000吨。2022年发改委表示将继续压减粗钢产量。
在产能产量双控的政策导向下，未来粗钢产量将逐渐从高点回落。目前钢铁工业“十四五”规划暂未公布，但《“十四五”原材料工业规划》要求到2025年，粗钢产能只减不增，产能利用率保持在合理水平。基于减产要求和电炉占比目标，Bloomberg对2022-20250年我国粗钢产量进行了预测。从图7可以看到，2020年将是未来一段时间钢铁产能和产量的最高点，未来粗钢产量将从高点逐步回落，电炉的占比将逐渐增大。
图7：“双碳”目标下国内粗钢产量预测
资料来源：BNEF，招商银行研究院
减产目标下，行业或已于2020年实现“碳达峰”。假设行业排放强度（吨排放量）与2020年相同，行业碳排放量将与产量一同，自2020年开始下滑，2025年碳排放量将较2020年的峰值下降9.5%左右，2030年降幅将达到16%。若进一步假设排放强度逐年下滑，行业碳排放量下降趋势将保持不变，但下降斜率更加陡峭：2025年碳排放量将较2020年的峰值下降12%，2030年进一步下降到21%。从图8可以看到，虽然行业目标是于2030年实现“碳达峰”，但在产能产量双控的总体要求下，行业或已于2020年实现“碳达峰”。图8也侧面论证，减产对于行业实现“碳达峰”意义重大。
图8：减产要求下国内粗钢产量及行业碳排放量预测
资料来源：BNEF，招商银行研究院
技术升级：碳中和达成主要途径，完成从高炉到电炉，从焦炭到氢气转换
“双碳”已经成为全球各国共同的经济发展目标，钢铁工业减碳任重道远。如上章所述，钢铁工业减碳途径有三，但为了实现长期“减碳”或“净零碳”目标，技术改进和提升是重要且必然的选择。当前钢铁冶炼以高炉-转炉长流程为主，其主要的碳排放来自于焦炭的消耗。“减碳”或“净零碳”目标下，钢铁工业长流程技术发展方向有二，一是减少高炉中焦炭的消耗，二是使用其他还原剂来替代焦炭的使用。前者典型的工艺为使用高炉喷吹燃料，降低焦比；后者典型的工艺为非焦冶炼，即使用天然气、氢气等还原气替代焦炭，使用电炉而非高炉来进行钢铁冶炼。
结合IEA发布的《钢铁行业技术路线》（Iron and Steel Technology Roadmap）中的低碳炼钢技术和国内外企业公布的“双碳”路线图，我们认为短期内高炉炼钢仍然是主流炼钢技术，富氢碳循环或是高炉减碳主要路径。中长期来看，废钢-电炉短流程炼钢占比将大幅提升。“双碳”长期视角下，碳捕集利用封存（CCUS）和全氢直接还原技术或将成为“零碳”炼钢的主要路径（图9）。《工业领域碳达峰实施方案》要求，到2030年，富氢碳循环高炉冶炼、氢基竖炉直接还原铁、CCUS等技术取得突破应用。
图9：钢铁行业冶金工艺发展路径
资料来源：招商银行研究院
4.1 短期：高炉减碳下，2035年前富氢碳循环或为主路径，已完成三期实验
短期内仍以高炉炼钢为主，高炉减碳将成为炼钢主方向。我国废钢资源量较少，电炉短流程炼钢不能满足国内对钢铁产品的需求，短期内高炉炼钢仍然是中国钢铁工业的主流技术。高炉炼钢流程中的碳排放主要来自于焦炭，包括入炉料（烧结、球团）、高炉冶炼（炼铁）、转炉炼钢等工序。高炉需要焦炭作为骨架、还原剂和热源，来保障将铁矿石冶炼成金属铁的过程。根据联合国气象组织发布的《2006年国家温室气体清单指南》，钢铁工业各工序中二氧化碳排放量中73.6%来自于高炉冶炼过程。高炉冶炼碳排放主要来自于热风炉燃烧、工业动力能耗、高炉煤气燃烧利用过程，其中高炉煤气【注释2】是整个炼钢过程中碳排放最主要的来源。因此，高炉减碳主要就是要减掉高炉煤气中的碳排放。
“以气代碳”是高炉减碳的主要方向，当前以高炉喷吹为主，富氢碳循环或成为短期内高炉升级改造主要路径。 “以气代碳”的典型工艺是高炉喷吹，指通过向高炉中喷吹气体、液体或固体分装燃料来替代一部分焦炭，降低焦比的工艺。国内主要是以喷吹煤粉为主，一方面在风口燃烧带氧化燃烧产生热量，另一方面形成CO、H2还原气参与间接还原反应。该方法虽然在一定程度上降低了焦比，但没有从根本上改变高炉的碳消耗，减碳的作用有限。为进一步提高减碳的效用，各国均在积极探索“以氢代炭”的工艺，逐渐提高氢气在还原气中的比重。
高炉富氢碳循环是以降低高炉还原剂比为方向，加上绿色电加热和原料绿色化技术措施的减碳技术，能够最大程度利用碳的化学能。与传统高炉以空气鼓风不同，富氢碳循环的特点是全氧鼓风，从而避免高炉炉顶出现大量氮气，有利于实现高炉煤气中CO和CO2的分离。分离出的CO2可通过化学法或CCUS等技术进行回收利用；高浓度的CO则可通过管道输送到风口和炉身，与H2重新富集成高还原势的煤气，重新回用至高炉，用于还原铁矿石，从而实现碳循环。此外，煤气循环也可使煤气中的氢气在高炉内循环，为富氢物质在高炉内的大量使用提供了先决条件，从而降低高炉流程对化石能源的消耗。
短期内富氢碳循环技术是国内钢厂减少碳排放最可行的方案。一是目前国内企业炼钢均以高炉为主，富氢碳循环技术可基于现有高炉设备进行改造，成本相对较低；二是富氢碳循环技术具有较好的减碳效果，预计可以减少20%-30%的碳排放，若与CCUS技术结合，或可减少50%左右的碳排放，满足国内钢厂短期的减碳目标；三是该技术相对来说比较成熟。目前日本的COURSE 50计划已经完成第一阶段实验，基本实现预定碳减排目标；欧盟的ULCOS炉顶煤气循环再生工艺已经实现了高炉富氢和炉顶煤气循环技术的结合。国内宝武集团下属的八一钢铁已经进行了富氢碳循环的三期实验，目前已经完成富氧鼓风和顶炉煤气分离，减碳效果达到40%左右。IEA认为该技术将在2030年实现且对碳中和来说是非常重要的工艺路线。2021年12月中国宝武钢铁集团发布《中国宝武碳中和行动方案》，明确提出2035年前，以富氢碳循环高炉为核心的高炉-转炉工业路径将成为宝武集团的主要冶金技术。
图10：中国宝武碳中和冶金技术路线图
资料来源：中国宝武钢铁集团官网，招商银行研究院
4.2 中长期：废钢供给充足后，短流程占比提升，大幅降低碳排放
废钢-电炉短流程技术已实现工业化应用，但我国受制于废钢供给限制实际炼钢量占比较低。如《钢铁行业深度报告之基本篇——供需结构调整，迈入高质量发展新篇章》中所述，当前短流程已经是全球钢铁冶炼的主要工艺之一，主要钢铁生产国家中，土耳其、美国、印度等国主要使用短流程炼钢。但我国受制于废钢供给限制，短流程炼钢比例低于世界平均水平。当前我国短流程粗钢产量占比仅为10.6%，低于世界平均水平18.3BP。
减碳炼钢目标下，中长期废钢-电炉短流程占比将大幅提升。相较于高炉-转炉和非焦冶炼等长流程来说，废钢-电炉短流程炼钢的碳排放量大幅下滑。根据IEA的数据，高炉-转炉生产1吨的粗钢要直接产生1.2吨的CO2，电力和热力输入还要间接产生1吨左右的CO2；气基直接还原法虽然碳排放量有所下降，但直接和间接仍要排放1.4吨左右的CO2。而废钢-电炉生产1吨的粗钢仅直接产生0.04吨的CO2，间接和直接CO2排放量加总也仅为0.3吨。“双碳”目标下，短流程替代长流程炼钢已成大势所趋。《三部委关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》提出，钢铁工业高质量发展主要任务之一是有序发展电炉炼钢，鼓励有条件的高炉-转炉长流程企业就地改造转型发展电炉短流程炼钢，到2025年电炉钢产量要占粗钢总产量比例的15%以上。
表3 主要炼钢工艺生产每吨粗钢CO2排放强度
资料来源：IEA，招商银行研究院
短流程炼钢具备较大的发展空间。一方面，根据IEA的测算，我国目前高炉的平均使用年限约为12年，也就是说到2032年左右，将迎来国内冶炼设备更新换代的热潮。废钢-电炉替代高炉-转炉将会是大势所趋；另一方面，废钢成本是掣肘废钢-电炉短流程冶炼的发展的主要因素。随着钢铁折旧周期的到来，废钢供应将快速增长，加速对长流程炼钢的替代。
4.3 未来：“零碳”冶炼，CCUS和全氢直接还原或成主流，当前均处于初步实验阶段
“双碳”趋势下，钢铁冶炼的最终目标是“零碳”冶炼。如表2所示，短流程炼钢工艺可以大幅减少碳排放，但无法实现完全的“零碳”排放，更长视角下还是需要发展新的“零碳”冶炼技术。根据IEA，若要实现炼钢“零碳”排放，冶炼技术可以大致分为两类：一类称为“CO2管理”，即仍将碳作为炼铁的还原剂，但通过减少CO2的排放来达成“零碳”；另一类则称为“CO2直接避免”，即通过极小化碳的使用来避免CO2的产生。从目前技术发展的情况来看，CCUS和全氢直接还原是实现钢铁冶炼“零碳”排放可能性最大的两种方法。其中CCUS归属于“CO2管理”，而全氢直接还原则归为“CO2直接避免”。
CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage，碳捕捉、利用与封存）是将CO2从 工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以利用或注入地层以实现CO2永久减排的过程。CCUS可以和高炉-转炉、直接还原、熔融还原法结合起来，从而实现“零碳”排放。目前较为成熟的工艺是基于天然气的直接还原-CCUS。该工艺已经于2016年在迪拜试点，具备0.8Mt/年的CO2捕捉能力，所捕获的CO2可在附近的油田中作为EOR（Enhanced Oil Recovery，提升石油采收率）使用。
图11：CCUS技术
资料来源：《中国二氧化碳捕集利用与封存CCUS年度报告（2021）》，招商银行研究院
非焦冶炼是长流程“碳代替”主要的发展方向，但当前减碳意义有限。虽然高炉技术提升可以满足企业短期的减碳需求，但高炉富氢仍受制于氢气利用率【注释3】，减排潜力有限，无法满足中长期对于碳排放的高要求。“减碳排”要求下，非焦冶炼将成为长流程冶炼的替代方法。非焦冶炼又称无焦冶炼，即不使用焦炭作为还原剂冶炼钢铁，代表性的工艺有熔融还原和直接还原。熔融还原指不用高炉而在高温熔融状态下还原铁矿石，生成与高炉铁水相近的液态铁水的方法。其代表性的工艺为COREX，即先通过竖炉利用煤气对铁矿石进行预还原，形成海绵铁【注释4】，再进入熔炼造气炉产生铁水和煤气，从而实现“以煤代焦”。但该工艺在预还原上发展的还不充分，生产中仍需配加一定的焦炭以改善透气性和顺行，实际减碳意义有限。
图12：熔融还原-COREX法
资料来源：招商银行研究院
直接还原法是指在低于熔化温度之下将铁矿石还原成海绵铁的冶炼过程，可分为气基法和煤基法两大类，并以气基法为主。气基法是以天然气经裂化产出的H2和CO气体作为还原剂，利用还原气的物理热，在竖炉、罐式炉或流化床内将铁矿石还原到金属铁的过程，主要的方法有Midrex、HYL III、Fior法等。国内主要的工艺为“煤制气+还原竖炉”。但采用煤制气的气基还原工艺仍处于“碳冶金”范畴，对“碳代替”的意义有限。
图13：直接还原-Midrex法
资料来源：招商银行研究院
全氢直接还原是用氢气取代碳作为还原剂和能量源，获得直接还原铁和水，从而实现零排放的工艺路线（Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O）。目前全球已有一些企业开始探索全氢直接还原技术，举例来说，2020年8月瑞典HYBRIT项目已经开始中试，利用可再生电力通过电解水产生氢气并用于直接还原铁，计划在2025年达到1Mt/年的目标；AecelorMittal在德国汉堡启动了试点项目，包括风电生产绿色氢气以及MIDREX全氢直接还原铁中试工厂等项目等。IEA认为，全氢直接还原技术可以在2030年实现，是钢铁工业“零碳排”非常重要的技术路线。《中国宝武碳中和行动方案》也指出，2035-2050年间氢基竖炉和碳回收及利用将成为碳中和冶金的主要方法。
图14：HYBRIT与高炉-转炉工艺对比
资料来源：HYBRIT Development，招商银行研究院
行业趋势：迈入高质量发展，绿色低碳转型为主旋律
面对“双碳”，钢铁行业将面临从碳排放强度的“相对约束”到碳排放总量的“绝对约束”的转换，加快推进升级转型势在必行，行业将逐渐从高增长转移到高质量发展轨道上来。《指导意见》中明确提出，力争到2025年，钢铁工业基本形成布局结构合理、资源供应稳定、技术装备先进、质量品牌突出、智能化水平高、全球竞争力强、绿色低碳可持续的高质量发展格局。
在高质量发展目标下，行业发展短期内将集中于节能降耗及降本提质增效，项目建设将以设备改造升级、环保和优特钢为主；中长期则推动冶炼技术升级，在政策支持下和废钢供应增加后电炉炼钢量占比将进一步提升。从行业竞争格局来看，随着企业加快兼并重组，产业集中度将进一步提升。龙头企业在成本和工艺创新上的优势能够巩固其竞争优势，行业 “强者恒强”或将延续。
5.1 竞争格局：产业集中度提升，成本及工艺创新优势助力强者恒强
我国钢铁行业集中度较低，“大而不强”的特征尤为突出。2021年全球粗钢产量超过1亿吨的企业仅有1家，即中国宝武钢铁集团，产量为1.20亿吨。此外，国内还有5家公司粗钢产量位于全球前十，分别为鞍钢集团（0.56亿吨）、沙钢集团（0.44亿吨）、河钢集团（0.42亿吨）、建龙集团（0.37亿吨）、首钢集团（0.35亿吨）。虽然我国钢铁企业在全球具有绝对的产量优势，但相较于其他主要生产国，我国钢铁行业的集中度相对较低。根据钢铁工业协会的数据，美国、日本、欧盟前四大钢企的产量分别占其钢铁总产量的65%、75%、73%，韩国前两大钢企产量占到全国总产量的85%，而我国前十大钢企的产量仅占到全国总产量的40%左右。
图15：全球企业粗钢产量
资料来源：世界钢铁协会，招商银行研究院
图16：国内企业粗钢产量
资料来源：世界钢铁协会，招商银行研究院
钢铁行业兼并重组已进行多年，2021年钢铁企业兼并重组加速推进。2021年鞍钢、本钢整合重组，成为全球第三大钢铁企业；中国宝武重组山东钢铁集团，建龙、普阳、冀南等企业持续推进并购进程（表4）。企业加速兼并重组下，钢铁产业集中度进一步提升。2021年，国内产量前十企业合计粗钢产量为4.3亿吨，CR10为41.5%，较2020年提升2.26个百分点（图17）。
表4 钢铁行业主要兼并重组事件
资料来源：公司公告，招商银行研究院
图17：钢铁产业集中度进一步提升
资料来源：钢铁工业协会，招商银行研究院
未来行业仍将推动企业兼并重组，产业集中度将进一步提升。《指导意见》中明确提出，将推进企业兼并重组，大幅提高钢铁产业集中度。具体来看，要鼓励龙头企业兼并重组，做大做强龙头企业，打造若干世界一流超大型钢铁企业集团；依托行业优势企业，在不锈钢、特殊钢、无缝钢管、铸管等领域分别培育1～2家专业化领航企业；鼓励钢铁企业跨区域、跨所有制兼并重组，改变部分地区钢铁产业“小散乱”局面，增强企业发展内生动力；有序引导京津冀及周边地区独立热轧和独立焦化企业参与钢铁企业兼并重组。
行业高质量发展下，成本是钢企筑牢竞争优势的基石。在产能产量双控的政策趋势下，产量将逐年下滑，企业不能再依靠产量增加所带来的规模效应，行业将经历重“量”向重“质”的转换，在此过程中，成本优势将成为企业巩固竞争优势的基石。从成本来看，龙头企业的吨钢成本均低于行业平均。2021年，除宝钢，其他头部企业吨钢成本差异不大，基本稳定在5000元/吨左右。但即使是宝钢，其2021年的吨钢成本也低于行业平均的吨钢成本8568.84元/吨（图18）。究其原因，一方面，龙头企业均已布局上游矿产资源，具备较强的资源优势；另一方面，龙头企业成本控制能力较强，能够稳定降低费用，实现降本增效的目标。
图18：龙头企业吨钢成本低于行业平均
资料来源：世界钢铁协会，招商银行研究院
提高竞争力还需要进一步依靠工艺创新，从而提高供给质量，提升产品附加值。从吨钢成本和吨钢盈利来看，并非成本低的企业吨钢盈利就高。提高企业盈利还需要持续提高产品的附加值。从企业来看，特钢企业的吨钢盈利要明显高于普钢企业。举例来说，生产齿轮钢、轴承钢等特殊钢材的中信特钢，其2021年的吨钢盈利为1111.16元/吨，以及高端产品占比较高的宝钢（1063.98元/吨），其吨钢盈利均明显高于鞍钢（533.83元/吨）、河钢（651.49元/吨）、首钢（692.61元/吨）等普钢企业。相对于其他钢材来说，高附加值钢材需要具备更为先进的工艺与技术。《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》要求“创新能力显著增强”，行业研发投入强度力争到达1.5%，氢冶金、低碳冶金、洁净钢冶炼、薄带铸轧、无头轧制等先进工艺技术取得突破进展。目前以龙头企业为代表，钢企均在提升科研投入，加大技术开发力度（图19）。
图19：龙头钢企研发费用占营业收入比例
资料来源：世界钢铁协会，招商银行研究院
产业集中度提升叠加龙头企业竞争优势，行业“强者恒强”的局面或将延续。从产量来看，行业兼并重组下，未来行业集中度将持续上升，集团内部的协同效应将进一步加强龙头企业优势；从成本来看，龙头企业具备资源优势，且成本控制能力较强；从工艺创新来看，龙头企业本身就具备较强的研发实力，且均在加大技术研发力度，加速产品结构转型，以加强行业竞争力。整体来看，在产业集中度提升的趋势下，龙头企业的成本和创新优势能助力其巩固竞争力，行业“强者恒强”的局面或将延续。
5.2 短期：集中节能降耗及降本提质增效，推动设备改造、环保及特优钢项目建设
“碳达峰”是钢企重要任务之一，短期内企业减碳主要通过超低排放改造和节能降碳来实现。《指导意见》中明确指出，到2025年，80%以上的钢铁产能完成超低排放改造，吨钢综合能耗降低2%。《工业领域碳达峰实施方案》也指出，要加快实施节能降碳改造升级，落实能源消费强度和总量双控制度，实施工业节能改造工程，推动制造业主要产品工艺升级与节能技术改造，不断提升工业产品能效水平。
在压减产能产量的背景下，企业新建粗钢产能的意愿不强，项目投资集中在设备升级改造及环保投入上。从行业固定资产投资和利润增速的领先-滞后关系来看，未来2-3年行业固定资产投资增速将继续下行。在严禁新增产能和产能置换条件提高的背景下，企业新建产能的意愿不强，项目投资集中在节能减排相关设备升级改造和环保投入上。举例来说，鞍钢集团的在建工程主要是热轧厂、烧结机、生产线等升级改造项目，以及能源集控平台项目。从京津冀地区调研的情况来看，随着“双碳”下对企业环保要求的提升，未来企业将在完成超低排放改造的基础上加大对环保方向的投入。以河北唐山为代表，2019-2021年间，当地企业已经围绕超低排放改造目标进行一轮环保建设，包括余热余气发电、建设配套除尘脱硫脱硝系统等，部分企业已经获得环保绩效A。评级为A级的企业，重污染天气期间，可自主采取应急减排措施，不停产不限产。2022年，河北省印发《全省钢铁企业环保绩效全面创A工作方案》，表示在已完成12家钢铁企业环保绩效创A的基础上，河北将利用3年时间实现钢铁企业全面创A。其中，提升清洁运输比例、促进公转铁等都是钢铁企业创A的重要措施。
图20：钢铁行业固定资产投资及同比
资料来源：Wind，招商银行研究院
图21：钢铁行业固定资产投资及利润同比
资料来源：Wind，招商银行研究院
钢铁业务仍是钢企营收和盈利的主要来源，行业周期轮动下降本提质增效成为短期内企业的主要目标之一。从龙头企业来看，钢铁业务营收基本占到总营收的八成以上。除宝钢外，沙钢、首钢、鞍钢、河钢等全球前十大钢企钢铁业务营收均占到整体营收的93%以上。利润方面也是相同的情况，钢铁业务的毛利润均占到整体毛利润的六成以上。除宝钢外，沙钢、首钢、鞍钢、河钢等钢企钢铁业务毛利润均占到整体毛利润的八成以上。
图22：钢铁业务仍然是钢企的主要收入项
资料来源：Wind，招商银行研究院
图23：2022年上半年钢企亏损数量增加
资料来源：Wind，招商银行研究院
行业盈利压缩下，降本提质增效成为短期内企业经营的主要目标之一。2022年二季度开始，在国内疫情多发散发及房地产低迷的背景下，钢材价格出现大幅下滑。而在俄乌局势的冲击下，铁矿石和焦炭价格波动加大企业采购压力，行业成本快速上行。企业净利润大幅下滑，亏损企业数从2021年末的967家上升至6月份的1913家。面对该情况，钢铁企业纷纷提出降低采购成本、降低产品库存、调整产品结构、推动工艺装备升级、产业数字化智能化发展等多项措施。在行业高质量发展趋势下，降本提质增效或将成为钢企未来一段时间的主要目标。多家企业表示，“十四五”期间仍要紧抓降本提质增效，进一步提高企业竞争力。
表5 国内龙头企业降本提质增效具体措施
资料来源：公司公告，招商银行研究院
值得注意的是，降本提质增效中提升供给质量是“十四五”期间钢铁工业的主要任务之一。提升供给质量一方面是要提升高端钢铁产品的供给能力。《指导意见》提出，要支持钢铁企业瞄准下游产业升级与战略性新兴产业发展方向，重点发展高品质特殊钢、高端装备用特种合金钢、核心基础零部件用钢等小批量、多品种关键钢材，力争每年突破5种左右关键钢铁新材料，更好满足市场需求 ；另一方面则是要提升钢铁产品质量。《指导意见》提出，要加快推动钢材产品提质升级，在航空航天、船舶与海洋工程装备、能源装备、先进轨道交通及汽车、高性能机械、建筑等领域推进质量分级分类评价，持续提高产品实物质量稳定性和一致性，促进钢材产品实物质量提升。
我国优特钢【注释5】占比低于发达国家，周期轮动和政策支持下未来优特钢占比将进一步提高。2021年我国重点优特钢企业粗钢占比仅占全国粗钢产量的15%，明显低于日本（23.2%）。参考日本钢铁行业转型升级的经验，在高质量发展的要求下，粗钢产量达峰后特钢占比持续上升。加之面对国内钢铁高附加值和高技术产品供给不足的现状，国家正大力推动提升自主创新能力，提升创新成果转化能力，促进钢铁行业从低附加值产品转向高附加值产品。近年来国家政策持续推动特钢行业发展，陆续公布《钢铁工业调整升级规划（2016-2020年）》《新材料产业发展指南》《产业结构调整指导目录（2019年本）》等，鼓励特钢品种研发与生产。此外，优特钢产品的附加值高，抵御房地产需求冲击的能力较强。钢材价格处于低位叠加政策支持，以龙头企业为代表，钢企均在加大对优特钢项目的建设，如沙钢集团重要在建项目“十四五”产业园优特钢棒材项目、首钢集团新能源汽车电工钢项目等。由此可见，未来我国特钢占比将进一步提高。
图24：我国特钢占比低于发达国家
资料来源：Blommberg，Wind，招商银行研究院
图25：日本特钢占比在产量达峰后提升
资料来源：Bloomberg，招商银行研究院
5.3 中长期：关注冶炼技术升级，电炉炼钢建设加快
龙头企业引领行业冶炼技术升级。为了实现“减碳”或“净零碳”目标，冶炼技术提升是企业重要且必然的选择。《工业领域碳达峰实施方案》提出，到2030年富氢碳循环冶炼、氢基竖炉直接还原铁、碳捕集利用封存等技术取得突破应用。当前行业冶炼技术研发主要依靠于龙头企业，非龙头企业研发投入较少。以宝武集团为例，其在新疆八一钢铁建设富氢碳循环冶炼项目，在湛江建设国内首套百万吨氢基竖炉，在新疆巴州钢铁建设绿色短流程项目。但如前所述，目前前两大技术方向均处在前期试验阶段，还未形成规模化效应。
中长期电炉炼钢将成为钢铁行业主要的冶金工艺路线。当前制约我国废钢-电炉发展的主要因素，一是废钢供应量不足，二是生产成本高于高炉-转炉炼钢。但从中长期的角度来看，国内折旧废钢进入“爆发期”能为短流程炼钢提供充足的原材料供应。具体来看，2003年-2013年是我国钢铁消费的快速增长期，钢材表观消费从2003年的1.4亿增长到2013年的10.2亿，年均复合增速30%。这一时期生产的粗钢约于2023-2033年使用寿命结束，进入折旧期。根据商务部预测，预计至2030年，我国社会废钢资源产生量达到3.2亿-3.5亿吨。中国废钢铁应用协会也预测，2025年废钢资源总量将达到3-3.2亿吨，2030年废钢资源量将达到3.5-3.8亿吨，届时废钢资源量将占到钢产量的40%左右，为电炉炼钢提供充足的废钢资源。
企业加快电炉建设，电炉炼钢量占比持续提升。短期内废钢-电炉炼钢的发展主要依靠于政策支持。《指导意见》中提出，要有序引导电炉炼钢发展，鼓励有条件的高炉-转炉长流程企业就地改造发展电力短流程炼钢。积极发展新型电炉装备，加快完善电炉炼钢相关标准体系。从产能置换标准中也可以看到政策对电炉建设的支持：高炉-转炉实行减量置换，而电炉则实行等量置换。《指导意见》中明确提出了电炉炼钢的量化目标，即到2025年，电炉钢产量占粗钢总产量比例要从目前的10.6%左右提升到15%以上（图26），2030年要达到20%以上。长期来看，当废钢供应充足及生产成本具备优势后，钢企将加大对电炉项目的建设，推动电炉炼钢量占比的进一步上升。
图26：电炉炼钢占比进一步提升
资料来源：BNEF，招商银行研究院
风险分析
下游需求不及预期的风险。房地产和基建是我国用钢需求两大行业，驱动我国用钢需求的整体变化。一方面，若疫情持续对经济造成扰动，则会影响整体用钢需求，导致下游需求不及预期。另一方面，若稳增长等政策逻辑不及预期，则会对建筑业和制造业，特别是对房地产和基建用钢产生较大影响，降低下游用钢需求。
产能产量双控不及预期的风险。“双碳”目标下，产能产量控制已经成为政策管控的主要目标之一。但若减产不及预期，则可能导致供给增加超出预期，从而引发钢铁行业的整体供需格局变化，对钢铁价格和企业盈利造成冲击。
钢材价格大幅下跌的风险。企业盈利与钢材价格呈现出明显的正相关性，下游需求不足或供给增加超出预期均会导致钢材价格出现大幅下滑，从而对企业盈利造成不利影响。
原材料价格快速上涨的风险。在当前以高炉-转炉为主的冶炼技术下，铁矿石和焦煤仍然是钢铁行业主要的原材料。今年在全球疫情以及俄乌局势的扰动下，铁矿石和焦煤价格均经历了一波较快的上涨，从而挤压了钢铁企业的吨钢盈利。若未来上游原材料供需继续受到冲击，导致原材料价格快速上涨，则或对钢铁行业盈利造成较大冲击，不利于行业的整体发展。
（本段有删减，招商银行各行部如需报告原文，请参照文末联系方式联系研究院）
注释
1、单位GDP的二氧化碳排放量
2、高炉煤气是高炉炼铁生产过程中产生的可燃气体，主要成分为CO、CO2、N2、H2等。
3、当氢气浓度增加到一定程度，高炉内氢气利用率反而会降低。
4、海绵铁是指由于还原失氧形成大量气孔，但仍保持矿石外形的直接还原铁。其含碳低（<1%）,并保存了矿石中的脉石，可以代替废钢作为电炉炼钢的原料。
5、优特钢是优质钢和特殊用途钢的简称，其中优质钢是区别于普通钢而言的，含硫磷较低的钢铁；特殊钢是具有特殊成分、特殊生产工艺、具有特殊的组织和性能，能够满足特殊需要的钢类。与普通钢比较，特殊钢具有更好的强韧性、物理性能、化学性能、生物相容性和工艺性能。
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