行业研究丨深度报告丨钢铁[Table_Title]达峰，渐变——中国钢企低碳之路请阅读最后评级说明和重要声明2/34丨证券研究报告丨报告要点[Table_Summary]钢铁碳中和下，钢企“负重前行”。我国当前主要的钢铁冶炼工艺基于高炉、转炉，排碳量大，亟需替代。众多工艺之间，我们认为高炉富氢碳循环、短流程冶炼和氢基直接还原铁等工艺或将在不同的阶段肩负起钢企减碳的重任，以“氢”代碳将成为绿色冶金过程的主线。在钢铁碳中和的宏伟进程之下，我们认为钢企龙头、短流程冶炼相关产业或将充分受益。分析师及联系人[Table_Author]王鹤涛赵超易轰SAC：S0490512070002SAC：S0490519030001SAC：S0490520080012请阅读最后评级说明和重要声明丨证券研究报告丨更多研报请访问长江研究小程序钢铁cjzqdt11111[Table_Title2]达峰，渐变——中国钢企低碳之路行业研究丨深度报告[Table_Rank]投资评级中性丨维持[Table_Summary2]短期：高炉富氢碳循环，或将成为钢企短期减碳首选方案当前我国钢铁生产以高炉-转炉长流程为主，排碳量大，碳达峰大势下，亟需优化以及替代。短期，高炉富氢碳循环工艺或将成为我国钢企减碳的最务实选择。高炉富氢通过向高炉中喷吹焦炉煤气等富氢气体，部分代替传统高炉中碳的作用，具有基于高炉冶炼，技术较为成熟、改造成本较低，减碳能力良好等优势。该技术可与炉顶煤气循环技术（TGR）和碳捕集、碳利用、碳封存技术（CCUS）结合，具有更大的减碳能力。中期：短流程占比持续提升，助力钢企达峰减碳短流程冶炼省略了高炉炼铁这一步骤，碳排放强度仅为长流程的40%左右。由于成本长期高于长流程，我国短流程冶炼发展水平较低；当前废钢价格维持高位，掣肘了短流程的产能建设。未来几年，1）随着我国社会钢铁回收周期来临，废钢供给将大幅增长，或有望缓解废钢紧供给局面；2）随着碳中和深入，碳价提升可将短流程的环保优势转换为成本优势；3）再基于高炉折旧周期，我们预计短流程产能的建设高峰或将在2025年左右来临。终局：氢基直接还原铁技术，有望实现钢铁碳中和作为长流程冶炼技术，氢基直接还原铁有望逐步替代高炉-转炉流程，最终实现钢铁冶炼“零”碳排放。当前，该技术还原气体来自于裂解天然气，我国天然气价格较高是该技术发展的不利因素。长期来看，全氢直接还原铁技术可用电解水制氢，利用清洁能源制电，全程无碳足迹，最符合碳中和原则。预期2050年左右，清洁能源能以更经济的成本制氢，在该项技术的广泛应用下，钢铁行业或可实现碳中和。低碳之路，哪些领域公司或将受益？1）钢铁行业，环保能力较差、无法实现减碳目标的钢企将逐步退出行业，资金雄厚、研发能力强、在氢能炼钢提前布局的钢企或将受益于行业集中度的提升，建议关注宝钢股份、河钢股份、八一钢铁；2）电弧炉产业，短流程占比提升有望给废钢加工、石墨电极行业带来景气，建议关注废钢加工龙头华宏科技，石墨电极龙头方大炭素。最后，观毕低碳远景，眼光回至当下。稳增长预期之下，钢铁股再获市场关注，不过，需要注意的是，2022“弱地产+强利率”组合周期里，内需为主的黑色系冲击时长，会否因刺激政策迅速缩短，值得关注。供需双减的格局，会否因为碳达峰节奏延缓，而新生变局。因此，2022年行业不确定性正在加大，博弈也随之加重，错配期需关注，比如地产链修复落地窗口、钢铁产量环比大幅变化窗口等。此时，对钢铁股投资而言，景气阶段拐点的判断便变得尤为关键。风险提示1、终端需求大幅波动；2、供给大幅变化。市场表现对比图（近12个月）[Table_Chart]资料来源：Wind相关研究[Table_Report]•《宏观利好继续刺激，冬储意愿有所上升》2022-01-23•《需求预期进入博弈阶段》2022-01-16•《基建接力地产，催化板块行情》2022-01-09-9%20%49%78%2021-22021-62021-102022-2钢铁上证综合指数2022-02-16请阅读最后评级说明和重要声明4/34行业研究深度报告目录低碳炼钢，对钢企有何影响？......................................................................................................6低碳炼钢，哪种工艺更胜一筹？...................................................................................................6当下主流——高炉-转炉工艺：排碳量高，亟需替代......................................................................................7未来式——高炉富氢碳循环：以氢代碳，循环用碳.....................................................................................10未来式——电弧炉废钢冶炼：以短代长，变废为宝.....................................................................................14未来式——氢基直接还原铁：氢能时代，拥抱未来.....................................................................................23总结：钢企碳达峰，轻舟能过万重山...........................................................................................................29低碳炼钢，哪些受益领域的公司值得期待?.................................................................................30钢铁：青山依旧，强者恒强..........................................................................................................................30电弧炉产业：炼钢材料，需求旺盛...............................................................................................................32图表目录图1：部分钢企的低碳冶金目标...................................................................................................................................6图2：美国、欧盟、中国二氧化碳排放量（单位：百万吨）........................................................................................6图3：目前主要的炼钢工艺流程...................................................................................................................................7图4：传统长流程炼钢工艺中的碳排放........................................................................................................................8图5：全球前十大钢铁冶炼国家中，中国短流程冶炼占比最低....................................................................................9图6：中国宝武碳中和冶金技术路线图........................................................................................................................9图7：中国宝武的减碳目标........................................................................................................................................10图8：日本制铁利用高炉注入焦炉煤气以及碳捕捉、分离和回收技术，减少了约30%的碳排放..............................10图9：焦炉煤气浓度越高，生铁生产效率和减少焦炭消耗提高（横轴为吨铁喷吹焦炉煤气量，单位：m3）............11图10：焦炉煤气浓度越高，H2的利用率越低，还原气的利用率边际递减（横轴为吨铁喷吹焦炉煤气量，单位：m3）....................................................................................................................................................................................11图11：焦炉煤气浓度和经济效益的关系（横轴为吨铁喷吹焦炉煤气量，单位：m3）...............................................11图12：ULCOS的TGR技术减少了碳排放，实现还原气体的循环利用....................................................................12图13：CCUS技术及主要类型示意图........................................................................................................................13图14：CCUS分类和技术环节..................................................................................................................................13图15：八一钢铁富氢碳循环高炉...............................................................................................................................14图16：日本制铁在高炉富氢碳循环领域一直保持领先...............................................................................................14图17：不同工艺吨钢CO2排放量（单位：吨，红色为长流程工艺，灰色为短流程工艺，未考虑CCUS技术）.....15图18：我国短流程炼钢发展较慢，受成本因素影响较大...........................................................................................15图19：铁水的成本构成..............................................................................................................................................15图20：铁矿石、冶金焦、喷吹煤近年价格变化趋势..................................................................................................15图21：短流程炼钢的成本构成（100%废钢投入）....................................................................................................16图22：废钢、石墨电极近年价格变化趋势.................................................................................................................16图23：长短流程炼钢成本的复盘...............................................................................................................................17图24：我国废钢消耗量增速加快...............................................................................................................................17图25：中国废钢比有待提高......................................................................................................................................17请阅读最后评级说明和重要声明5/34行业研究深度报告图26：美国短流程冶炼发展历程...............................................................................................................................19图27：我国历年粗钢产出（单位：万吨）.................................................................................................................20图28：我国钢企高炉的投资周期...............................................................................................................................21图29：我国钢企2021年产能置换分类别统计..........................................................................................................22图30：我国钢企2021年产能置换分类别统计..........................................................................................................22图31：HYL-ZR是当前领先的富氢直接还原技术......................................................................................................24图32：美国、墨西哥、中东等国家具有丰富的天然气资源，气基直接还原铁技术发展比较成熟（图为天然气加工厂）....................................................................................................................................................................................25图33：2020年全球主要直接还原铁生产国产量（单位：万吨）..............................................................................26图34：我国直接还原铁进口量、进口价格和废钢价格的比较....................................................................................26图35：天然气制氢还原和焦炭还原吨铁成本的比较（单位：元/吨，焦炭价格为元/吨，天然气价格为元/m3）.......26图36：天然气制氢成本的构成...................................................................................................................................27图37：当前我国直接还原铁依赖进口........................................................................................................................27图38：直接还原铁（DRI）应用的三阶段..................................................................................................................27图39：基于全氢的直接还原-电弧炉流程是钢企零碳炼钢的最终目标........................................................................28图40：河钢集团和ENERGIRON合作建立的直接还原铁工厂已经实现70%的富氢直接还原，代表了目前最高的富氢直接还原工艺..............................................................................................................................................................28图41：SalzgitterFlachstahlGmbH钢企和ENERGIRON准备筹建全氢直接还原铁工厂，建成后将是全氢直接还原铁技术的重大突破.......................................................................................................................................................28图42：对未来清洁能源制氢成本的预测....................................................................................................................29图43：直接还原竖炉、电弧炉和CCUS技术一体化工厂..........................................................................................29图44：对我国钢企减碳路径的预测............................................................................................................................30图45：对CCUS成本的预测.....................................................................................................................................31图46：钢铁行业值得关注的标的...............................................................................................................................31图47：八一钢铁位于新疆，油气资源丰富，利于发展氢冶金....................................................................................32图48：中国宝武2020年环保投资63亿元...............................................................................................................32图49：预期碳价提高下，短流程的环保优势将逐步转化为成本优势.........................................................................32图50：华宏科技废钢业务收入和再生资源设备板块实现高速增长............................................................................33图51：华宏科技PSX-6000HP可将废车体加工成上级的制钢原料...........................................................................33图52：方大炭素每年石墨产品生产量........................................................................................................................33图53：方大炭素石墨电极当前产能和在建产能.........................................................................................................33表1：电炉冶炼和废钢投入的目标和相关政策...........................................................................................................18表2：我国未来废钢资源产生量和钢铁积蓄量的预测.................................................................................................20表3：对我国钢铁冶炼废钢使用量和短流程冶炼占比的预测（单位：亿吨）............................................................22表4：氢气的制备技术和分类.....................................................................................................................................24表5：主要的直接还原工艺........................................................................................................................................25表6：各种炼铁工艺设计能力和能耗的比较...............................................................................................................25表7：国内外钢企对低碳炼钢的技术实践...................................................................................................................30请阅读最后评级说明和重要声明6/34行业研究深度报告低碳炼钢，对钢企有何影响？2020年9月，我国提出二氧化碳排放力争2030年碳达峰、2060年碳中和的目标。钢铁工业碳排放量约占全国碳排放总量的15%左右，是排碳量最高的制造业行业。钢铁行业是落实减碳目标的重要主体，低碳炼钢是我国钢企必须迎接的挑战。图1：部分钢企的低碳冶金目标资料来源：公司公告，长江证券研究所钢铁碳中和下，我国钢企肩负巨大的减碳压力。横向对比美国从碳达峰到减碳25%花费13年时间，欧盟从碳达峰到减碳30%花费40年时间，如何按时完成减碳目标是对钢企的巨大考验。图2：美国、欧盟、中国二氧化碳排放量（单位：百万吨）资料来源：Wind，长江证券研究所低碳炼钢，哪种工艺更胜一筹？碳达峰碳中和背景下，钢企如何完成减碳目标？众多冶炼工艺之间差异如何？又会在钢企未来绿色冶金路线中起到怎样的作用？本文通过介绍当前我国主要炼钢工艺的特点，分析各工艺未来发展前景，以此推演出我国钢企低碳炼钢的潜在实现路径。01,0002,0003,0004,0005,0006,0007,00002,0004,0006,0008,00010,00012,0001965196719691971197319751977197919811983198519871989199119931995199719992001200320052007200920112013201520172019中国二氧化碳排放量（百万吨，左轴）美国二氧化碳排放量（百万吨，右轴）欧盟二氧化碳排放量（百万吨，右轴）美国2007年碳达峰，13年减少25%碳排放欧盟1979年碳达峰，40年减少30%碳排放请阅读最后评级说明和重要声明7/34行业研究深度报告图3：目前主要的炼钢工艺流程资料来源：《Harmonizedcomparisonofvirginsteelproductionusingbiomasswithcarboncaptureandstoragefornegativeemissions》（LeiRen等），长江证券研究所当下主流——高炉-转炉工艺：排碳量高，亟需替代传统长流程炼钢的过程，本质上讲，是一个以碳为还原剂对铁的氧化物进行还原反应的过程。铁矿石依靠焦炭和煤还原成铁水，铁水中的碳是转炉炼钢过程升温及能量平衡的保证。因此传统长流程炼钢是以碳还原、碳氧化、碳添加为主线的生产过程，二氧化碳的排放量巨大。请阅读最后评级说明和重要声明8/34行业研究深度报告图4：传统长流程炼钢工艺中的碳排放资料来源：国家发展改革委，《钢铁企业碳排放核算及减排研究》（文旭林等），《钢铁企业二氧化碳减排技术浅析》（陈继辉等），长江证券研究所一吨钢，两吨碳，高炉冶铁产生了绝大部分的碳排放。长流程炼钢的流程中，吨钢二氧化碳排放量约为1.8-2.4吨，其中94%的碳排放来自于化石燃料的燃烧。仅在高炉炼铁这一工序，焦炭和煤的燃烧产生的碳排放就占总排放的60%-70%。减少碳排放的工艺多具有以下特征：1）使用清洁能源替代焦炭和煤；2）对碳产生的还原气循环利用；3）对碳产生的温室气体分离、利用或封存。中国高炉-转炉工艺产钢量约占总产量的88.4%，高于71.5%的世界平均水平；在全球前十大钢铁生产国家中，中国短流程占比最低。如果对高炉工艺加以改进或使用更低碳的工艺替代，或将释放巨大的减排空间。请阅读最后评级说明和重要声明9/34行业研究深度报告图5：全球前十大钢铁冶炼国家中，中国短流程冶炼占比最低资料来源：《AreviewofCO2emissionsreductiontechnologiesandlow-carbondevelopmentintheironandsteelindustryfocusingonChina》（LeiRen等），长江证券研究所作为中国钢企龙头，中国宝武率先提出了碳中和目标下的冶金路线图，宝武低碳炼钢的发展路径将对其他钢企具有示范效应。我们认为，未来高炉富氢、短流程炼钢和氢基直接还原铁等工艺或将在不同的阶段承担起钢企减碳的重任；金属化微波烧结，炉顶煤气循环技术（TGR），CO2的分离、储存、资源化利用技术（CCUS），以及清洁能源发电制氢技术的发展将有助于钢企实现低碳炼钢。图6：中国宝武碳中和冶金技术路线图资料来源：《中国宝武碳中和行动方案》，长江证券研究所从中国宝武制定的减碳目标看，2020到2035年仍以高炉长流程炼钢为主，通过对传统高炉工艺加以技术改造，实现减碳目标；2035年到2050年将大力发展氢基竖炉，辅以CCUS技术的发展，最终在2050年达到碳中和。请阅读最后评级说明和重要声明10/34行业研究深度报告图7：中国宝武的减碳目标资料来源：《中国宝武碳中和行动方案》，长江证券研究所未来式——高炉富氢碳循环：以氢代碳，循环用碳可以预见的是，目前以及未来相当长的时间内，高炉-转炉工艺都是我国钢铁冶炼的主流工艺，而基于高炉加以改进、减少高炉冶铁过程中的碳排放量，则是我国钢企短期减碳较合理的发展方向，其中高炉富氢工艺发展较为成熟。高炉富氢通过在高炉中喷吹高浓度的焦炉煤气（其中富含高浓度的H2和CH4），用还原气替代传统高炉中焦炭和煤的作用；辅以炉顶煤气循环技术（TGR）和碳捕集、封存、利用技术（CCUS），将高炉煤气中的CO、H2循环再利用，CO2捕集、封存地下、或用于工艺生产，从而减少高炉冶铁流程中的碳排放。图8：日本制铁利用高炉注入焦炉煤气以及碳捕捉、分离和回收技术，减少了约30%的碳排放资料来源：日本制铁官网，长江证券研究所请阅读最后评级说明和重要声明11/34行业研究深度报告短期卓有成效，长期能力有限向高炉中喷吹焦炉煤气的浓度决定了该工艺经济效益和减碳效果。浓度越高，生产效率越高，减碳效果越好。一方面，H2具有还原性，焦炉煤气浓度增加时，炉内还原气浓度上升，炉料还原加速，从而提高生铁生产效率，H2参与还原越多，对焦炭的消耗越少；另一方面，H2参与还原反应时，炉内需要喷吹更多的富氧进行热补偿，富氧浓度的增加强化了回旋区碳的燃烧，有利于炉料的快速下降。但是，焦炉煤气浓度提高时，H2的利用率下降，对还原气利用率的提升边际递减。考虑到焦炉煤气和富氧的成本，喷吹焦炉煤气在吨铁50m3时具有最高的经济效益。图9：焦炉煤气浓度越高，生铁生产效率和减少焦炭消耗提高（横轴为吨铁喷吹焦炉煤气量，单位：m3）图10：焦炉煤气浓度越高，H2的利用率越低，还原气的利用率边际递减（横轴为吨铁喷吹焦炉煤气量，单位：m3）资料来源：《梅钢2号高炉喷吹焦炉煤气数值模拟》(毕传光等)，长江证券研究所资料来源：《梅钢2号高炉喷吹焦炉煤气数值模拟》(毕传光等)，长江证券研究所图11：焦炉煤气浓度和经济效益的关系（横轴为吨铁喷吹焦炉煤气量，单位：m3）资料来源：《梅钢2号高炉喷吹焦炉煤气数值模拟》(毕传光等)，长江证券研究所尽管焦炉煤气减碳能力随着浓度得提升而增强，但是焦炉煤气对焦炭的替代作用有限：1）从热源上看，高炉冶炼中70%-80%的热源是碳燃烧提供，H2还原铁是吸热反应，反应时需要不断提供热量；2）从还原率看，H2的密度小，在高炉中停留的时间短，相比于焦炭对铁的还原率更低，使生产效率下降；3）从骨架作用上看，氢的密度和分子结构决定了氢无法像碳一样在高炉中起到支撑骨架的作用，使得还原气和炉料的接触不充分。48.54949.55050.55151.55252.525262728293031323334350102030405060708090100H2的利用率(%，左轴)还原气的利用率(%，右轴)0102030405060703500400045005000550060000102030405060708090100每日生铁产量(吨，左轴)减少焦炭消耗量(kg/吨铁，右轴)01000200030004000500060000102030405060708090100年创综合效益（万元）请阅读最后评级说明和重要声明12/34行业研究深度报告减碳效率的边际下降也掣肘了该工艺的减排能力。根据梅钢2号高炉实验，喷吹焦炉煤气的浓度为吨铁50m3时，吨钢可以减少45.7kg焦炭的使用量；100m3时，减少64.1kg焦炭的使用量；注入焦炉煤气浓度上升时，H2利用率下降，还原气利用率增量边际递减也印证了这一点。从目前技术上看，高炉富氢可减少约10%的碳排放。高炉富氢+碳循环+CCUS：完美互补，合力减排发展炉顶煤气循环技术（TGR）对低碳炼铁有重要意义。从经济性看，高炉煤气由N2、CO、CO2、H2组成，其中CO和H2可用于还原铁；由于冶炼过程对还原气的利用率有限，可将未利用的还原气循环使用，降低成本、减少能耗；从环保性看，高炉煤气中的CO2是整个炼钢过程碳排放最主要的来源，炉顶煤气循环技术将CO2和还原气分离，结合CCUS技术可以减少碳排放。欧盟开发的超低CO2炼钢项目（ULCOS）实现了高炉富氢和TGR技术的结合：1）用低温纯氧代替热风从炉缸风口吹入,去除高炉煤气中不必要的N2；2）使用来自于焦炭和喷吹煤中的低碳燃料；3）利用真空变压吸附技术（VPSA），将CO2从高炉煤气中分离，从而实现对还原气体的循环利用+对温室气体的处置。目前这一技术已在小型高炉中实现，据测算，高炉富氢和TGR技术的结合可减少约30%的碳排放。图12：ULCOS的TGR技术减少了碳排放，实现还原气体的循环利用资料来源：《TOPGASRECYCLEBLASTFURNACEDEVELOPMENTSFORLOWCO2IRONMAKING》（Ir.JanvanderStel等），长江证券研究所捕集CO2后，通过碳捕集、利用、封存技术（CCUS）将其低成本、无害化处置以减少碳排放是这一工艺的长期发展方向。CCUS技术可将CO2用于工业材料（如水泥、甲醇燃料）生产，或将CO2液化后泵入咸水层、油气层封存，从而达到减少碳排放的目的。目前这一工艺仍在实验阶段，处置成本较高，而随着CCUS技术的成熟，高炉富氢碳循环工艺将具有更大的减排潜力。请阅读最后评级说明和重要声明13/34行业研究深度报告图13：CCUS技术及主要类型示意图资料来源：《中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）》，长江证券研究所我们预期，短期内，高炉富氢碳循环技术是国内钢厂减少碳排放可行的方案：1）我国钢铁生产近90%左右基于高炉-转炉流程，高炉富氢技术基于现有的高炉设备，改造成本较低；2）钢厂绝大部分资产是基于长流程炼钢，如果不能延续，资产保值带来压力；3）富氢技术经过多年研发，技术比较成熟，且在海外已有应用；4）该技术具有良好的减碳效果，高炉富氢和TGR技术的结合预计可减少30%碳排放，和CCUS技术结合可减少30%-50%碳排放，能够满足国内钢厂短期减碳目标。2030-2035年之间，钢厂普遍有减少30%碳排放的目标，这一目标的实现或依赖于富氢碳循环技术在高炉上的大规模应用。因此我们预计，2030年左右，高炉或将迎来改造的高峰期。图14：CCUS分类和技术环节资料来源：《中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）》，长江证券研究所中国宝武vs日本制铁：龙头企业的减碳科技作为钢铁龙头，中国宝武具有顶尖的研发实力，旗下八一钢铁在高炉富氢技术的研发在国内处于领先地位。2020年，八钢将430m3的高炉改造为富氢高炉，开始我国低碳冶金首个工业化实验，截止2021年7月，八钢已实现了10%-15%的碳减排。高炉富氢项目在中国宝武的减排战略中具有重要作用，八钢预计高炉富氢碳循环技术和CCUS技术的结合可减少约30%-50%的碳排放，和中国宝武2035年的减碳计划对应。我们认为，类比日本钢铁龙头日本制铁，中国宝武在高炉富氢项目的研发上具备优势。请阅读最后评级说明和重要声明14/34行业研究深度报告图15：八一钢铁富氢碳循环高炉图16：日本制铁在高炉富氢碳循环领域一直保持领先资料来源：八一钢铁官网，长江证券研究所资料来源：日本制铁官网，长江证券研究所日本钢铁冶炼业和中国有很多相似之处。由于电力资源匮乏，以及二战后钢铁需求高速增长时废钢资源的缺乏，日本钢铁冶炼也是以高炉-转炉工艺的长流程为主，产量占比约70%，吨钢碳排放量大；2020年，日本提出“绿色增长策略”，提出2050年实现零碳排放的目标，日本钢企也面临巨大的减排压力。作为日本第一，世界第三的钢铁龙头企业，日本制铁在高炉富氢项目上有明显的先发优势。日本制铁的高炉富氢项目COURSE50启动于2008年，在全球范围内领先；2014年-2016年，日本制铁在12m3的试验高炉中，实现了减碳排放10%的目标；目前，日本制铁正在4000-5000m3的高炉中进行试验，计划能在2030年前实现30%减碳的目标。总结日本制铁在高炉富氢项目的发展，我们认为规模优势带来的雄厚的研发资金投入、全球领先的研发能力以及先发优势使日本制铁在该项目始终保持领先。横向对比，中国宝武同样具有强劲的研发能力、巨大的规模，以及在高炉富氢项目上的领先优势。我们预计，类似中国宝武的钢企龙头，且在低碳冶金领域已有布局的企业，或将在钢铁碳中和的发展中保持技术领先，率先完成减碳任务。未来式——电弧炉废钢冶炼：以短代长，变废为宝短流程电弧炉炼钢以废钢、铁水为原料，在电弧炉中将原料加热到3000℃以上，实现熔炼金属、去除杂质的目的。由于省去了传统高炉-转炉中排碳量最大的高炉冶铁这一步骤，短流程冶炼的碳排放明显低于长流程；据世界金属导报测算，100%废钢投入的短流程炼钢吨钢CO2排放量约为0.9吨，相比长流程冶炼减碳效果显著。请阅读最后评级说明和重要声明15/34行业研究深度报告图17：不同工艺吨钢CO2排放量（单位：吨，红色为长流程工艺，灰色为短流程工艺，未考虑CCUS技术）图18：我国短流程炼钢发展较慢，受成本因素影响较大资料来源：北极星大气网，长江证券研究所资料来源：Wind，长江证券研究所当前我国短流程炼钢的发展落后于世界平均水平，具备较大的替代空间。2021年，我国电弧炉钢产量仅占总体产量的11.5%左右，低于全球28%的平均水平。成本一直是掣肘我国短流程冶炼的重要因素。过去十年内，由于废钢、电费等综合原因，我国短流程冶炼的成本大多数时间高于长流程。考虑从建设电弧炉到实现量产需要一年左右的时间，我国电炉钢产量占比与滞后一年的短流程与长流程冶炼的成本差呈现明显的负向关系，表明成本制约了短流程冶炼产能建设。现状：废钢供不应求，掣肘电炉发展在传统高炉-转炉工艺中，铁矿石、焦煤的成本占铁水成本的绝大部分，而在炼钢过程中，加入铁水和废钢的比例约为7：1，铁矿石、焦煤等原材料价格变动决定了长流程炼钢成本；在短流程工艺中，铁水和废钢的投入比例约为1：4，废钢价格占短流程炼钢成本绝大部分；除废钢外，电费和石墨电极也在成本中占一定比例。图19：铁水的成本构成图20：铁矿石、冶金焦、喷吹煤近年价格变化趋势资料来源：Wind，长江证券研究所资料来源：Wind，长江证券研究所00.511.522.5高炉-转炉高炉富氢高炉富氢+碳循环富氢直接还原铁短流程(50%废钢)短流程(80%废钢）短流程(100%废钢)0%2%4%6%8%10%12%-200-10001002003004005006007002012201320142015201620172018201920202021短流程（80%废钢投入）与长流程成本差值电炉钢占比铁矿石：50%焦炭(冶金焦)：35%焦炭(喷吹煤)：11%运费、人工、水电：4%500100015002000250030003500400045004006008001000120014001600Mar-17May-17Jul-17Sep-17Nov-17Jan-18Mar-18May-18Jul-18Sep-18Nov-18Jan-19Mar-19May-19Jul-19Sep-19Nov-19Jan-20Mar-20May-20Jul-20Sep-20Nov-20Jan-21Mar-21May-21Jul-21Sep-21Nov-21铁矿石（进口价，元/吨，左轴)喷吹煤（元/吨，右轴）冶金焦（元/吨，右轴）请阅读最后评级说明和重要声明16/34行业研究深度报告图21：短流程炼钢的成本构成（100%废钢投入）图22：废钢、石墨电极近年价格变化趋势资料来源：Wind，长江证券研究所资料来源：Wind，长江证券研究所复盘近几年长短流程吨钢的成本变化，在上游材料普涨的大趋势下，长短流程成本交错上行，上游材料的价格变化决定了哪一种工艺更受钢厂青睐。2017年受供给侧结构改革影响，华北地区大量石墨电极厂商关停，石墨电极产量减半，价格大幅上涨，短流程炼钢的吨钢成本一度比长流程多700元/吨。短流程的成本劣势一直持续到2019年末，阻碍了2017-2019年我国短流程冶炼的发展；三年来短流程产量占比一直在10%左右水平。2020年受新冠疫情影响，铁矿石、焦炭、废钢等原材料价格普涨，钢铁冶炼成本上升。铁矿石相对更高的上涨幅度收敛了长短流程成本的差距；随着2021年上半年铁矿石上涨幅度前所未有，短流程成本比长流程更低。2021年末，随着铁矿石价格的回落以及废钢价格持续居于高位，长短流程成本再度反转。但由于短流程炼钢降本潜能初显、叠加低碳炼钢的政策导向，短流程炼钢对长流程的替代已经初露端倪，2021年电炉钢产量占总产量的11.45%，已达到近十年内的最高水平。废钢：88%石墨电极：2%电价：5%辅料、耐材等费用：5%0246810121416181000150020002500300035004000Mar-17May-17Jul-17Sep-17Nov-17Jan-18Mar-18May-18Jul-18Sep-18Nov-18Jan-19Mar-19May-19Jul-19Sep-19Nov-19Jan-20Mar-20May-20Jul-20Sep-20Nov-20Jan-21Mar-21May-21Jul-21Sep-21Nov-21废钢（元/吨，左轴）石墨电极（万元，右轴）请阅读最后评级说明和重要声明17/34行业研究深度报告图23：长短流程炼钢成本的复盘资料来源：Wind，长江证券研究所当前我国废钢市场，需求高速增长，供给难以匹配，废钢价格持续维持高位。需求端上，长期以来我国钢铁冶炼的废钢投入量落后全球平均水平。废钢既可以用于长流程也可用于短流程，减碳压力之下，长流程钢厂的废钢需求更加旺盛；废钢短缺之下，短流程钢厂的废钢投入率只有70%，炼钢过程需加入部分铁水，没有实现全部的减碳潜力；据上海钢联测算，2021年我国钢厂综合废钢比约为21.7%，远低于其他国家48%的平均水平；据Mysteel测算，我国每年的废钢缺口约为1500万吨；近年来我国废钢供不应求的局面一直延续。供给端上，当前我国废钢加工行业体系建设不完善。废钢来源较分散，社会废钢来自于居民、个体商户、非经营性企事业单位及经营性工矿企业，使废钢回收具有难度；废钢加工企业规模较小，不利于加工成本和质量控制，制约废钢产量增长和稳定供应。图24：我国废钢消耗量增速加快图25：中国废钢比有待提高资料来源：废钢协会，Mysteel，长江证券研究所资料来源：国际回收局，长江证券研究所发展：废钢供需齐升，加速替代进程需求：碳中和下，减排需求促进废钢需求旺盛-600-400-20002004006008002000250030003500400045005000Mar-17Apr-17May-17Jun-17Jul-17Aug-17Sep-17Oct-17Nov-17Dec-17Jan-18Feb-18Mar-18Apr-18May-18Jun-18Jul-18Aug-18Sep-18Oct-18Nov-18Dec-18Jan-19Feb-19Mar-19Apr-19May-19Jun-19Jul-19Aug-19Sep-19Oct-19Nov-19Dec-19Jan-20Feb-20Mar-20Apr-20May-20Jun-20Jul-20Aug-20Sep-20Oct-20Nov-20Dec-20Jan-21Feb-21Mar-21Apr-21May-21Jun-21Jul-21Aug-21Sep-21Oct-21Nov-21Dec-21短流程成本-长流程成本（元/吨，右轴）长流程吨钢估算成本（元/吨，左轴）短流程吨钢估算成本（元/吨，80%废钢，左轴）石墨电极限产，短流程成本大幅上升新冠疫情导致全球供应链紊乱，原材料价格普遍上涨铁矿石进口价格大幅上涨，长流程成本大幅上升废钢供给瓶颈明显，长短流程成本再度反转-10%0%10%20%30%40%50%60%70%00.511.522.53201320142015201620172018201920202021H废钢消耗量（亿吨）同比增速0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%中国日本欧盟美国土耳其请阅读最后评级说明和重要声明18/34行业研究深度报告据中国废钢铁应用协会估计，在钢铁冶炼过程中多投入1吨废钢可减少1.6吨铁精粉、0.35吨标准煤的投入，减少1.6吨CO2的排放和3吨固体废弃物的排放。废钢应用，关乎原料保障和绿色发展。在碳中和背景下，我国钢铁行业协会建议2025年短流程炼钢占比15%，废钢比30%，准入企业加工能力2亿吨的目标；在政策导向上，加强对废钢行业标准的规范，短流程钢厂可以实现等量置换，给予废钢加工准入企业更多的税收优惠等。表1：电炉冶炼和废钢投入的目标和相关政策项目介绍电炉冶钢2025年，电炉钢产量占总产量的比例达到15%以上，力争达到20%。废钢使用量2025年，废钢使用量达到3.2亿吨；钢铁冶炼中的废钢比超过30%。废钢加工能力2025年，废钢铁加工准入企业年加工能力达到2亿吨。产能置换以高炉、转炉置换时，大气污染防治重点区域置换比例不低于1.5：1，其他地区置换比例可以不低于1.25：1；以电炉置换时，置换比例可实现1：1。废钢行业标准2020年1月，《炼钢铁素炉料（废钢铁）加工利用技术条件》开始实施，该行标的宣贯实施将有利于各钢厂企标的统一，促进废钢的流通和利用。税收优惠2015年，财政部和国家税务总局发布了财税（2015）78号文，对于符合《废钢铁加工行业准入条件》的企业销售给符合《钢铁行业规范条件》和《铸造行业准入条件》的企业的符合国家标准的“炼钢炉料”产品给予增值税即征即退30％的优惠；2021年，《废钢铁产业“十四五”发展规划》建议将退税比例从30%提至70%。资料来源：《废钢铁产业“十四五”发展规划》，《钢铁行业产能置换实施办法》，长江证券研究所碳中和背景下，碳税也成为钢厂评估工艺成本时需要考虑的因素。由于全废钢投入下短流程的吨钢碳排放量比高炉-转炉工艺少约1.2吨，如果考虑碳排放超过配额需要付出的排碳成本，短流程工艺或更受青睐。当前上海市碳排放配额的交易价格为42.9元/吨，短流程可以节省减排成本51.48元/吨；而根据国际货币基金组织首席环境财政政策专家IanParry的测算，中国实现碳中和减排承诺所需的碳价约47美元/吨，基于此假设，短流程冶炼可以节省355.32元/吨的减排成本。供给：钢铁折旧周期来临，保障废钢供给稳步增长如之前分析，成本是钢厂选择冶炼工艺的重要因素。短流程冶炼的成本很大程度受到废钢价格的影响。我们认为钢铁折旧潮的到来以及国家对废钢加工行业的支持下，废钢的价格中枢或将逐步下行，短流程冶炼相较于长流程在成本上将更受青睐。废钢主要来源于社会折旧废钢、钢企废钢，工矿企业加工废钢和进口废钢，社会折旧废钢是废钢最主要的来源；2020年，我国社会折旧废钢回收量约为1.5-1.6亿吨，约占总回收量的60%左右。社会废钢回收量与钢铁积蓄量正相关，钢铁积蓄量越大时，可供回收的优质废钢原料供应越多；此外，废钢供应还需要相应回收、拆解、加工、配送、应用一体化的产业链的配套。一般认为建筑物折旧年限约30年，设备折旧一般10-15年，综合来看，钢铁折旧年限平均在20-30年。回顾美国短流程冶炼的发展历程，短流程发展的高峰期也是废钢回收的高峰期，这一时期约在粗钢生产高峰期20年之后。请阅读最后评级说明和重要声明19/34行业研究深度报告二战后，美国钢铁需求旺盛。1953年，美国粗钢产量首次突破10亿吨，在之后的二十多年内，美国粗钢生产量和消费量一直维持在高水平；1973-1983年，50年代初生产的粗钢陆续进入回收期，美国的废钢回收量达到高峰；美国短流程炼钢也在这一时期增速最快，电炉钢占比从1975年的20%左右上升到1982年的30%。图26：美国短流程冶炼发展历程资料来源：《美国电炉炼钢进入成长期的驱动因素分析》（张锦），Wind，长江证券研究所中国自1996年粗钢产量突破1亿吨后，到2020年已突破10亿吨。2002年左右开始，我国钢铁生产进入快速发展期，在产量和增幅上前所未有，假设产品20年左右的折旧期，这一时期生产的钢材将在2025年左右迎来回收高峰期，从而产生大量优质的废钢资源，或可缓解废钢紧供给的局面，引导废钢价格中枢下行。据《我国废钢发展前景分析》预测，未来10年，我国钢铁积蓄量仍将以年均6亿吨左右的增速增长，预计到2025年，我国钢铁积蓄将近140亿吨左右，2030年将达到160亿吨左右，雄厚的钢铁积蓄资源将有效支撑废钢产量持续增长。0%10%20%30%40%50%60%70%80%02,0004,0006,0008,00010,00012,00014,00016,0001940194219441946194819501952195419561958196019621964196619681970197219741976197819801982198419861988199019921994199619982000200220042006200820102012201420162018粗钢年产量（万吨，左轴）电炉钢占比（右轴）0100020003000400050006000700002,0004,0006,0008,00010,00012,00014,00016,0001940194219441946194819501952195419561958196019621964196619681970197219741976197819801982198419861988199019921994199619982000200220042006200820102012201420162018粗钢年产量（万吨，左轴）社会废钢产量（万吨，右轴）1953年，美国粗钢年产量突破1亿吨1972年，美国废钢产量首次突破4000万吨1964-1975，电炉钢占比从10%提升到20%1975-1982，电炉钢占比从20%提升到30%1982-2020，电炉钢占比从30%提升到70%请阅读最后评级说明和重要声明20/34行业研究深度报告图27：我国历年粗钢产出（单位：万吨）资料来源：Wind，长江证券研究所表2：我国未来废钢资源产生量和钢铁积蓄量的预测20202025E2030E钢铁积蓄量（亿吨）105140160废钢资源产生量（亿吨）2.63.24资料来源：《我国废钢发展前景分析》（张龙强），长江证券研究所节奏：高炉替换加速，电炉周期来临除成本外，影响短流程替代进程的另一重要因素是高炉的建设周期。我国钢铁冶炼基于高炉-转炉冶炼，高炉、转炉建设周期长，投入成本高，钢厂资产很大比例是高炉、转炉，在高炉、转炉使用寿命到期之前，钢厂将其提前替换的成本较高。传统上，我国中小型高炉的设计寿命一般在10年左右；从经济性的角度，体积越大的高炉寿命越长越好。我国宝钢、武钢、包钢、首钢等部分高炉的寿命已经达到了15年以上，而日本制铁的部分高炉已经设计了30年左右的目标寿命。通过精修、自动化检测和控制，尽量延长高炉的使用寿命，已经成为国内钢厂发展趋势。我国钢企的投资周期，经历了2007-2008、2010-2012、2018至今三个投资高峰。2007到2008年，在宽松货币政策下，房地产、制造业需求旺盛；2010到2012年，在四万亿财政刺激下，基建需求旺盛；2018年至今，在减排号召下，钢厂增加了设备改造投入、环保投入，以达到减排要求。02000040000600008000010000012000019801982198419861988199019921994199619982000200220042006200820102012201420162018请阅读最后评级说明和重要声明21/34行业研究深度报告图28：我国钢企高炉的投资周期资料来源：Wind，长江证券研究所前两次投资高峰都伴随着大量高炉的建设和产能的扩张，第一次投资高峰后，我国后两年的粗钢产量大幅增长；第二次投资高峰后，我国钢企产能增速大于需求，出现了产能过剩的情况；第三次投资高峰基于严控产能的背景，后几年的产能利用率逐渐回升。假设高炉平均使用寿命为15年，那么前两次高峰建设的高炉或在2025年左右达到预期使用寿命，释放巨大的替代空间。当前，我国钢厂已经加快短流程冶炼设备的建设，根据Mysteel对我国钢企2021年产能置换的整理，限产压力下，我国电炉钢产能不降反增，新旧产能比为154%；而新增高炉产能比退出高炉产能减少了22%，新增转炉产能比退出转炉产能减少了31%。平均而言，电炉的产能小于高炉、转炉，新建电炉平均年产68.46万吨钢，小于新建转炉年产120.95万吨钢和高炉的134.75万吨铁；由于大型设备使用寿命更长，生产成本更低，短流程冶炼要实现更大程度的替代，需要进一步提高电炉炼钢的效率。40%50%60%70%80%90%100%-10%0%10%20%30%40%50%2006-012006-052006-092007-012007-052007-092008-012008-052008-092009-012009-052009-092010-012010-052010-092011-012011-052011-092012-012012-052012-092013-012013-052013-092014-012014-052014-092015-012015-052015-092016-012016-052016-092017-012017-052017-092018-012018-052018-092019-012019-052019-092020-012020-052020-092021-012021-052021-09全国粗钢产量较去年同比唐山高炉开工率(右轴）-20%-10%0%10%20%30%40%2,0003,0004,0005,0006,0007,0008,0002006200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021黑色金属冶炼及压延加工投资（单位：亿元）同比（右轴）请阅读最后评级说明和重要声明22/34行业研究深度报告图29：我国钢企2021年产能置换分类别统计图30：我国钢企2021年产能置换分类别统计资料来源：Mysteel，长江证券研究所资料来源：Mysteel，长江证券研究所空间：替代前景良好，仍存制约因素在废钢资源量和废钢消耗量快速增长的发展趋势下，预测我国2025、2030年废钢产出资源量能够和15%、25%的电炉钢占比相匹配。废钢或更多的从长流程流向短流程，短流程冶炼有望随着占比的提升和投入废钢比率的增加而发挥更大的减碳潜能。本文做出预测基于以下依据或假设：1）“碳达峰、碳中和”下，钢企严控产能大概率会持续，假设预测2025、2030年我国粗钢生产量为10亿吨、9亿吨。2）根据工业和信息化部发布的《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见》（征求意见稿）提出的“2025年我国电炉钢产量占粗钢总产量的比例提升至15%以上，力争达到20%”，保守预测2025年我国电炉钢产量占比达到15%，结合前文对废钢供应和高炉折旧周期的分析，预测2030年电炉钢产量或大幅提升，占比达到25%。3）根据《指导意见》提出的2025年废钢比达到30%，结合《我国废钢发展前景分析》预测2025、2030年我国废钢资源产生量分别为3.2亿吨、4亿吨，预测2025、2030年废钢比达到30%、40%。4）我国当前短流程废钢比为70%，尚未完全实现短流程减碳潜力，预测在2025、2030年我国短流程冶炼废钢比大幅提升，达到90%、95%。表3：对我国钢铁冶炼废钢使用量和短流程冶炼占比的预测（单位：亿吨）20212025E2030E钢铁生产量10.33109其中：长流程生产量9.158.56.75其中：短流程生产量1.181.52.25炼钢废钢消费量2.333.6其中：长流程消耗1.471.651.46长流程废钢比16%19%22%其中：短流程消耗0.831.352.14短流程废钢比70%90%95%废钢资源产生量2.63.2400.20.40.60.811.21.41.61.80100020003000400050006000700080009000高炉转炉电炉退出产能（万吨）新增产能（万吨）置换率0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%020406080100120140160高炉转炉电炉退出设备平均产能（万吨/年）新建设备平均产能（万吨/年）增长率请阅读最后评级说明和重要声明23/34行业研究深度报告综合废钢比22.26%30%40%电炉钢占比11.46%15%25%资料来源：《我国废钢发展前景分析》（张龙强），《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见》（征求意见稿），长江证券研究所说明：2021年这一列中炼钢废钢消费量和废钢资源产生量为2020年数据。钢铁作为制造业的基础，国家的骨骼，保证钢铁生产稳定高效的进行具有重要意义。尽管电炉冶炼具有优异的减碳能力，但电炉工艺短期内不可能完全替代高炉在我国钢铁冶炼中的作用。一方面，电炉冶钢受到废钢原材料和电能因素的制约；另一方面，高炉生产的产量和质量的稳定性高于电炉：1）长流程冶炼的原材料铁矿石具有稳定的标准、质量可控，而废钢的质量很难控制；2）据测算，短流程冶炼1吨钢，需要消耗450度电，如果短流程占比增加10%，钢铁行业需要额外增加450亿度电的供应，在当前钢厂供电已经趋于紧张的局面下，能否稳定的供电是一个巨大的挑战；3）从目前置换的设备来看，新建高炉-转炉的单炉产能高于电弧炉产能，由于炼钢设备容积越大，能耗越低，劳动生产率更高，单位炉容投资更经济，电弧炉占比进一步的提升有待于单炉产能的提升。未来式——氢基直接还原铁：氢能时代，拥抱未来低碳冶炼的最终目标是零碳排放。高炉富氢碳循环工艺长期减碳能力有限，而短流程工艺不可能完全替代长流程工艺，而同属长流程工艺的氢基直接还原铁技术具有较大的发展潜力；全氢还原下，可实现钢铁冶炼的零碳排放。直接还原铁技术的原材料为铁矿石，不受废钢资源量的限制；氢是主要的还原气，电能是主要的能量来源。反应前，氢气需要在加热装置中加热到1000℃以上，然后在反应竖炉中将铁矿石还原成直接还原铁（DRI），直接还原铁需在电弧炉中进一步冶炼成钢。相比于废钢，直接还原铁化学成分稳定，有害杂质少，有利于高质量钢材的冶炼，是废钢资源的良好替代。请阅读最后评级说明和重要声明24/34行业研究深度报告图31：HYL-ZR是当前领先的富氢直接还原技术资料来源：ENERGIRON官网，长江证券研究所根据还原气中氢气的浓度占比，可以将这一工艺分为富氢还原阶段和全氢还原阶段。富氢还原阶段中，氢气一般是“灰氢”、“蓝氢”和“青氢”，来自于天然气、焦炉煤气、重整气等，在制氢的过程中会产生CO2；另外，加热氢气的电能主要来自于化石能源，制电的过程也产生碳排放。全氢还原阶段中，氢气是“绿氢”，全部来自于电解水；电解水的电能和加热氢气的热能全部来自于清洁能源制电，整个冶炼流程中无碳足迹，可实现真正的零碳排放。表4：氢气的制备技术和分类名称制备方法灰氢来自于工业副产气的回收制备，比如利用焦炉煤气冶金；是目前应用最广、成本最低的制氢方式，但制备过程伴随着大量CO2的生产，对产业能源转型意义不大。蓝氢煤或天然气的转化反应产生，由此产生的CO2可以通过碳储存技术深埋于地下，减少部分的碳排放。青氢天然气在高温下催化裂解产生，比较便于碳回收。绿氢电解水产生，制备过程中全产业链无碳排放，目前成本最高。资料来源：《国外氢冶金发展现状及未来前景》（高雨萌），长江证券研究所富氢直接还原：受制资源，有待发展目前的直接还原工艺可分为气基还原和煤基还原。气基还原利用裂解天然气制氢，在天然气资源丰富国家有快速发展，如美国的Midrex公司、墨西哥的HYL-SA公司研发的工艺是目前主流的气基还原工艺。气基直接还原工艺有较好的减碳能力，2020年，河钢集团和特诺恩合作，建立一座年产60万吨的ENERGIRON直接还原厂，还原气中氢气的占比达到70%，据估计能够实现减碳40%-60%，将是世界上最清洁的炼铁厂。煤基还原工艺通过“煤制气”，利用气化煤对铁矿石还原，常见的工艺有回转窑、隧道窑、转底炉工艺。煤基还原工艺在天然气资源相对缺乏，煤资源相对丰富的国家多有应用。比如印度作为全球直接还原铁最大生产国，工艺以煤基回转窑为主。请阅读最后评级说明和重要声明25/34行业研究深度报告图32：美国、墨西哥、中东等国家具有丰富的天然气资源，气基直接还原铁技术发展比较成熟（图为天然气加工厂）资料来源：《天然气时代与网络的力量》（PeterC.Evans等），长江证券研究所表5：主要的直接还原工艺名称制氢方程式占比H2:CO重整方式说明Midrex气基还原2CH4+O2→2CO+4H260%1.5:1天然气重整850℃竖炉还原，炉中注入富氧，还原气制备和反应在同一反应炉HYLⅢ气基还原CH4+H2O→CO+3H212.4%3:1-5:1天然气、水重整还原气制备和反应基独立，950℃还原HYL-ZR气基还原CH4+H2O→CO+3H2试验阶段3:1-5:1零重整生成Fe3C为反应催化剂1050℃以上还原，直接生成碳，易于回收，且增加碳在铁中的渗透率煤基还原CO、CH4还原铁24.4%用焦炉煤气或气化煤还原，排碳量较大资料来源：《氢冶金原理及工业化应用研究进展》（段贵生），ENERGIRON官网，MidrexTechnologies官网，长江证券研究所长期以来，我国直接还原铁产量仅几十万吨左右，和我国钢铁大国的地位极不匹配。煤基还原工艺上，由于煤基生产具有高能耗、单炉产能低，产品的金属率低的特点，极少被大规模钢企采用，仅因其较低的投资成本被部分小规模钢企应用。表6：各种炼铁工艺设计能力和能耗的比较工艺名称还原剂反应炉能耗（GJ/t）单炉产能（万吨/年）产品形态W（Fe）>DRIMidrex天然气竖炉1018090%HYL天然气竖炉1019090%回转窑煤回转窑201590%隧道窑煤隧道窑25-301-480%转底炉煤/天然气竖炉1214-4065%资料来源：《中国直接还原铁技术发展的现状及方向》（齐渊洪等），长江证券研究所请阅读最后评级说明和重要声明26/34行业研究深度报告图33：2020年全球主要直接还原铁生产国产量（单位：万吨）图34：我国直接还原铁进口量、进口价格和废钢价格的比较资料来源：世界钢铁协会，长江证券研究所资料来源：Wind，长江证券研究所天然气高价格是制约我国气基直接还原铁生产的重要因素，据测算，天然气价格为2.5元/立方米时，天然气制氢的成本约为12.83元/kg1；还原一吨铁需要340kg焦炭或89kg氢气2，对应吨铁还原成本为1142元；当前我国焦炭价格约3000元/吨，还原吨铁还原成本约1020元；而我国部分地区天然气的到厂价格已经达到4元/m3，还原吨铁还原成本约1645元。天然气制氢还原铁的成本明显高于焦炭还原，而在气基还原广泛发展的国家，如美国、墨西哥、中东地区，天然气价格仅为中国的1/3。图35：天然气制氢还原和焦炭还原吨铁成本的比较（单位：元/吨，焦炭价格为元/吨，天然气价格为元/m3）资料来源：《煤制氢与天然气制氢成本分析及发展建议》（张彩丽），长江证券研究所在天然气长期稀缺的情况下，富氢直接还原铁在我国的生产或始终受成本制约，但这一技术仍具有较大发展空间：1）可在我国天然气资源丰富的地区开展冶炼，这些地区天然气价格相对较低；2）随着钢企减碳压力的增大，碳税可能持续上涨，弥补富氢直接还原成本上的劣势；3）富氢直接还原技术是全氢直接还原技术的基础，即使成本上暂不具优势，全氢直接还原零碳排放的巨大潜能也激励钢企投入这项技术的研发。1《煤制氢与天然气制氢成本分析及发展建议》，张彩丽2根据日本钢铁协会估算。0500100015002000250030003500印度伊朗俄罗斯墨西哥沙特阿拉伯阿联酋利比亚中国0500100015002000250030003500400001020304050602010-012010-082011-032011-102012-052012-122013-072014-022014-092015-042015-112016-062017-012017-082018-032018-102019-052019-122020-072021-022021-09当月直接还原铁进口数量(万吨）DRI单价(元/吨，右轴）废钢价格(元/吨，右轴）020040060080010001200140016001800焦炭，2000焦炭，2500焦炭，3000焦炭，3500天然气，2.5天然气，3天然气，3.5天然气，4680850102016451142119014771309请阅读最后评级说明和重要声明27/34行业研究深度报告图36：天然气制氢成本的构成图37：当前我国直接还原铁依赖进口资料来源：《煤制氢与天然气制氢成本分析及发展建议》（张彩丽），长江证券研究所资料来源：MidrexTechnologies官网，长江证券研究所直接还原技术的大规模应用还需足够的电弧炉产能匹配。直接还原铁需经过电弧炉进一步冶炼成优良钢材，电弧炉产能不足时，直接还原铁还可用于高炉替代部分焦炭，但高炉对直接还原铁的需求有限。如前文分析，电弧炉产能经过2025年高炉替代高峰后，或有明显增长；碳税价格随着碳中和的深入进行，或逐步提高；我们预计2030年左右，我国将在天然气资源较丰富的地区形成一定规模的直接还原铁产能，而直接还原-电弧炉工艺成为主要的冶炼方式有待于全氢直接还原技术的实现。图38：直接还原铁（DRI）应用的三阶段资料来源：达涅利官网，长江证券研究所全氢直接还原：绿色冶金，举重若“氢”氢的氧化产物是水，还原铁时不生成任何有害物质、无温室气体排放，全氢还原的美好愿景激励着全球钢企正积极开展对这一技术的研究：瑞典的HYBRIT项目计划用可再生电力生产氢，如顺利，可能在2035年实现工业化；中国宝武与中核集团、清华大学签订核能制氢合作项目，目前进展顺利。天然气73.4%燃料气13.7%制造及财务费9.3%燃料动力2.4%其它1.2%请阅读最后评级说明和重要声明28/34行业研究深度报告全氢直接还原铁的设计思路是通过电解水制氢，工艺绿色环保、生产灵活、产生的氢气纯度高，通过光电、风电、核电等清洁能源制电，整个工艺流程无碳足迹。图39：基于全氢的直接还原-电弧炉流程是钢企零碳炼钢的最终目标资料来源：达涅利官网，长江证券研究所全氢直接还原技术目前面临两大难点：氢冶金技术上，如何在更大容积的的竖炉中开展全氢还原技术，实现规模化、高效率的生产有待攻克；能源上，如何降低清洁能源制电的成本，使这一技术在成本上更具竞争力有待于能源技术的发展。图40：河钢集团和ENERGIRON合作建立的直接还原铁工厂已经实现70%的富氢直接还原，代表了目前最高的富氢直接还原工艺图41：SalzgitterFlachstahlGmbH钢企和ENERGIRON准备筹建全氢直接还原铁工厂，建成后将是全氢直接还原铁技术的重大突破资料来源：ENERGIRON官网，长江证券研究所资料来源：ENERGIRON官网，长江证券研究所当火电价格为0.3元/度时，制氢成本为21.7-23.9元/kg3，还原吨铁成本为1931-2127元，是焦炉的两倍；产生碳排放51.5kg，还原吨铁产生碳排放4.58吨，是高炉炼铁的三倍；火电制氢直接还原在成本和环保上都落后于现存的高炉工艺。如使用光电、风电、核电可解决环保问题，但当前新能源制电的成本比火电更高，很难应用于钢铁的大规模冶炼；且新能源发电存在发电波动大、电站位置偏远等问题，还依赖于储电、送电技术的发展，比如锂电储能、化学储能技术、高压输电技术等。3《考虑碳排放的化石能源和电解水制氢成本》，沈威请阅读最后评级说明和重要声明29/34行业研究深度报告图42：对未来清洁能源制氢成本的预测资料来源：《隆基的未来：光伏+绿氢》（华尔街见闻），据IRENA与HydrogenCouncil预测，长江证券研究所随着能源技术的发展，清洁能源制氢的成本或将降低，根据IRENA和HydrogenCouncil的预测，2050年，制氢的成本将下降到1美元/kg，对应吨铁的还原成本为560.7元，仅是目前焦炭还原成本的一半；由于2050年左右，钢企普遍有碳中和的目标，我们认为全氢直接还原铁技术或将在2050年前具备技术和经济上的可行性。图43：直接还原竖炉、电弧炉和CCUS技术一体化工厂资料来源：ENERGIRON官网，长江证券研究所总结：钢企碳达峰，轻舟能过万重山碳中和下，尽管钢企面临较大的减排压力，但前方减碳的路径比较清晰。短期来看，对现有高炉进行改造将是钢企的主节奏；中期来看，短流程占比的提升和CCUS技术的进步将承接起减碳的重任；长期来看，直接还原技术具有零碳炼钢的美好愿景。请阅读最后评级说明和重要声明30/34行业研究深度报告图44：对我国钢企减碳路径的预测资料来源：长江证券研究所低碳炼钢，哪些受益领域的公司值得期待?在钢铁碳中和的宏伟发展蓝图下，有哪些行业会获得机遇？哪些公司将会受益？根据上文我们推断的低碳发展节奏，我们认为以下行业和公司值得期待。钢铁：青山依旧，强者恒强碳中和下，钢企面临巨大的减排压力，具有的先进研发能力、雄厚的资金实力以及先发优势的钢企龙头，或能更快的研发出减碳工艺并投产使用，从而能够率先完成减碳目标，进一步提升市场份额；规模较小的钢企由于缺乏技术、缺乏资金改造设备，达到减碳目标，只能逐步退出市场，钢铁行业强者恒强的局面延续。表7：国内外钢企对低碳炼钢的技术实践企业类型项目介绍投资金额八一钢铁高炉富氢碳循环430m3高炉改造，包括喷吹焦炉煤气（富氢冶炼）、顶煤气自循环与喷吹（脱碳+加热+炉型改造）、煤粉喷吹系统升级3.9亿元日本制铁高炉富氢碳循环COURSE50高炉富氢碳循环项目2008-2017已投资250亿日元欧盟高炉富氢碳循环ULCOS项目高炉炉顶煤气循环（TGR）项目预算5-5.5亿欧元宝钢股份氢基直接还原（一期）百万吨级、具备全氢工艺试验条件的氢基竖炉直接还原示范工程及配套设施一期投资18.95亿元河钢股份氢基直接还原项目一期60万吨,采用焦炉煤气做还原气，是全球首座使用富氢气体直接还原铁的工业化生产厂日钢集团氢基直接还原与钢研院签订年产50万吨氢冶金及高端钢材制造项目合作协议中晋太行氢基直接还原气基竖炉直接还原铁工艺建设，采用优质的铁精粉和焦炉煤气（配套建设100万吨焦化）生产30万吨/年优质高纯直接还原铁约7.5亿元浦项制铁氢基直接还原全氢高炉炼铁和二氧化碳捕集分离技术2010-2020年投资1.5万亿韩元资料来源：公司公告，长江证券研究所请阅读最后评级说明和重要声明31/34行业研究深度报告图45：对CCUS成本的预测资料来源：《中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）》，长江证券研究所从目前钢企公布的投资情况看，高炉富氢、氢基还原等技术具有投资周期长、投资成本高的特点，仅在试验高炉阶段的投资已是数亿级，后续大规模的设备改造、替换需要更高成本的投入。CCUS对钢企减碳具有关键的作用，根据生态环境部的预测，2025年，富氧燃烧（高炉富氢环境）的碳捕集成本300-480元/吨，到2030年为160-390元/吨，而到2050年才会降为较低的80-130元/吨，加上碳的运输、封存的成本，缺乏融资渠道的情况下，小规模钢企很难承担起改造设备，应用减碳技术的成本。随着减碳约束的日趋严格，不符环保要求的钢企最终将退出市场，大型钢厂的环保优势将转换为成本优势，我们认为在低碳冶金有良好布局的钢铁龙头企业将在钢铁碳中和中获得更高的α收益，建议关注八一钢铁、宝钢股份、河钢股份。图46：钢铁行业值得关注的标的资料来源：长江证券研究所标的介绍八一钢铁背靠中国宝武，高炉富氢改造项目全国领先，已在430m³富氢高炉实现10%-15%的减碳排放；位于新疆，天然气资源丰富，有利于发展氢冶金。宝钢股份钢铁龙头，资金雄厚，研发能力强，环保投入高；投资19亿元建设宝钢湛江100万吨氢基竖炉项目研发氢直接还原技术。河钢股份钢铁龙头，我国最早探索氢冶金的企业，具有先发优势；2019年与意大利特诺恩集团建立合作，建设全球首例120万吨规模的氢冶金示范工程。请阅读最后评级说明和重要声明32/34行业研究深度报告图47：八一钢铁位于新疆，油气资源丰富，利于发展氢冶金图48：中国宝武2020年环保投资63亿元资料来源：中国气体网，长江证券研究所资料来源：《中国宝武社会责任报告》，长江证券研究所电弧炉产业：炼钢材料，需求旺盛从2021年钢企产能置换中，已可看到短流程工艺对传统高炉-转炉工艺的替代之势，根据前文对废钢社会资源量、高炉建设周期的分析，我们认为电弧炉替代的高峰约在2025年左右，届时，我们认为废钢加工产业和石墨电极产业或有较大增长空间。图49：预期碳价提高下，短流程的环保优势将逐步转化为成本优势资料来源：《2020中国碳价调查报告》，长江证券研究所废钢价格占短流程成本的绝大部分，当前废钢持续维持高价使短流程冶炼缺乏经济性；随着社会废钢资源供应量的提升、减排压力下碳税的提高，预期废钢行业将呈现供需两旺的局面。我国废钢加工企业呈现多而杂的特点，基本上分布在城市周边，单体规模较小，生产效率不高，地域性较强，影响废钢的稳定供应。废钢加工企业规范化，集中化将是未来的发展趋势。2021年11月，工信部公布了第九批《废钢铁加工行业准入条件》，已有594家企业获得了准入条件，准入企业的年加工能力达1.3-1.4亿吨，十四五末期计划准入企业年加工能力达到2亿吨；行业逐步规范化将有利于行业集中度的提升。作为我国废钢加工的龙头企业，华宏科技或将充分受益于废钢市场规模的增长和行业集中度的提升，废钢业务和再生资源设备业务的表现值得期待。请阅读最后评级说明和重要声明33/34行业研究深度报告图50：华宏科技废钢业务收入和再生资源设备板块实现高速增长图51：华宏科技PSX-6000HP可将废车体加工成上级的制钢原料资料来源：Wind，长江证券研究所资料来源：华宏科技官网，长江证券研究所在短流程占比提升下，石墨电极或将迎来景气。石墨电极在钢铁冶炼中属易耗品，电弧炉冶炼1吨钢平均消耗3.8kg石墨电极，假设钢铁总产量10亿吨，短流程冶炼占比从10%提升到15%，将增加19万吨的石墨电极需求；如提升到20%，将增加38万吨需求；以当前石墨电极加权平均价格25775元/吨计算，对应每年49亿元、98亿元的增长空间。图52：方大炭素每年石墨产品生产量图53：方大炭素石墨电极当前产能和在建产能资料来源：Wind，长江证券研究所资料来源：方大炭素公告，长江证券研究所我们认为在石墨电极需求景气下，方大炭素的业绩增长值得期待：1）方大炭素是国内石墨电极龙头，产品市占率在20%以上，龙头优势显著；2）公司超高功率石墨电极产品跨入世界一流行业，具有高技术壁垒；3）从新建电弧炉产能来看，电弧炉单炉产能有提升趋势，未来市场或对高功率、超高功率石墨电极有更大需求，这些产品正是公司的优势产品；4）公司产能、在建产能高于产量，供给富有弹性；在国家“坚决遏制两高项目盲目发展”的政策导向下，未来石墨电极产能的扩张将会受到更严格的限制，公司提前布局，产能受到限制较少。-50%0%50%100%150%200%250%300%350%400%02468101214201620172018201920202021H1废钢业务收入（亿元，左轴）再生资源设备（亿元，左轴）废钢业务同比（右轴）再生资源设备同比（右轴）-20%-15%-10%-5%0%5%10%15%051015202520102011201220132014201520162017201820192020石墨制品产量（万吨）同比产能权益产能本部12万吨12万吨合肥炭素（100%权益）2万吨2万吨抚顺炭素（65.5%权益）3.5万吨2.3万吨成都蓉光炭素（60%权益）2万吨1.2万吨宝方炭材料（49%权益）10万吨4.9万吨现有产能约29.5万吨约22.4万吨合肥炭素长丰县搬迁项目新建5万吨，关闭2万吨新增3万吨眉山蓉光炭素（60%权益）2.5万吨新增2.5万吨成都蓉光炭素甘眉搬迁项目新建5万吨，关闭2万吨新增1.8万吨成都炭素（100%权益）3万吨特种石墨新增3万吨投产产能约41万吨约32.7万吨方大炭素石墨电极产能及在建产能请阅读最后评级说明和重要声明34/34行业研究深度报告投资评级说明行业评级报告发布日后的12个月内行业股票指数的涨跌幅相对同期相关证券市场代表性指数的涨跌幅为基准，投资建议的评级标准为：看好：相对表现优于同期相关证券市场代表性指数中性：相对表现与同期相关证券市场代表性指数持平看淡：相对表现弱于同期相关证券市场代表性指数公司评级报告发布日后的12个月内公司的涨跌幅相对同期相关证券市场代表性指数的涨跌幅为基准，投资建议的评级标准为：买入：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅大于10%增持：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅在5%～10%之间中性：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅在-5%～5%之间减持：相对同期相关证券市场代表性指数涨幅小于-5%无投资评级：由于我们无法获取必要的资料，或者公司面临无法预见结果的重大不确定性事件，或者其他原因，致使我们无法给出明确的投资评级。相关证券市场代表性指数说明：A股市场以沪深300指数为基准；新三板市场以三板成指（针对协议转让标的）或三板做市指数（针对做市转让标的）为基准；香港市场以恒生指数为基准。办公地址[Table_Contact]上海武汉Add/浦东新区世纪大道1198号世纪汇广场一座29层P.C/（200122）Add/武汉市新华路特8号长江证券大厦11楼P.C/（430015）北京深圳Add/西城区金融街33号通泰大厦15层P.C/（100032）Add/深圳市福田区中心四路1号嘉里建设广场3期36楼P.C/（518048）分析师声明作者具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格并注册为证券分析师，以勤勉的职业态度，独立、客观地出具本报告。分析逻辑基于作者的职业理解，本报告清晰准确地反映了作者的研究观点。作者所得报酬的任何部分不曾与，不与，也不将与本报告中的具体推荐意见或观点而有直接或间接联系，特此声明。重要声明长江证券股份有限公司具有证券投资咨询业务资格，经营证券业务许可证编号：10060000。本报告仅限中国大陆地区发行，仅供长江证券股份有限公司（以下简称：本公司）的客户使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为客户。本报告的信息均来源于公开资料，本公司对这些信息的准确性和完整性不作任何保证，也不保证所包含信息和建议不发生任何变更。本公司已力求报告内容的客观、公正，但文中的观点、结论和建议仅供参考，不包含作者对证券价格涨跌或市场走势的确定性判断。报告中的信息或意见并不构成所述证券的买卖出价或征价，投资者据此做出的任何投资决策与本公司和作者无关。本报告所载的资料、意见及推测仅反映本公司于发布本报告当日的判断，本报告所指的证券或投资标的的价格、价值及投资收入可升可跌，过往表现不应作为日后的表现依据；在不同时期，本公司可以发出其他与本报告所载信息不一致及有不同结论的报告；本报告所反映研究人员的不同观点、见解及分析方法，并不代表本公司或其他附属机构的立场；本公司不保证本报告所含信息保持在最新状态。同时，本公司对本报告所含信息可在不发出通知的情形下做出修改，投资者应当自行关注相应的更新或修改。本公司及作者在自身所知情范围内，与本报告中所评价或推荐的证券不存在法律法规要求披露或采取限制、静默措施的利益冲突。本报告版权仅为本公司所有，未经书面许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制和发布。如引用须注明出处为长江证券研究所，且不得对本报告进行有悖原意的引用、删节和修改。刊载或者转发本证券研究报告或者摘要的，应当注明本报告的发布人和发布日期，提示使用证券研究报告的风险。未经授权刊载或者转发本报告的，本公司将保留向其追究法律责任的权利。