能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，人类社会文明的每一次重大进步都伴随着能源利用的改进和革命。为应对能源供需矛盾、生态文明建设、经济高质量发展带来的挑战，我国始终坚持能源转型战略。站在新的历史方位，面对日益复杂的国际形势和日益严峻的气候变化挑战，我国提出碳达峰、碳中和战略目标，对能源转型发展提出了新要求。
《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，提出到“2025年非化石能源消费比重达到20%左右；2030年非化石能源消费比重达到25%左右；2060年，清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，非化石能源消费比重达到80%以上”“把节约能源资源放在首位，大幅提升能源利用效率”。2022年政府工作报告明确提出“有序推进碳达峰碳中和工作，落实碳达峰行动方案，推动能源革命，确保能源供应，立足资源禀赋，坚持先立后破，通盘考虑，推动能源低碳转型。”《“十四五”现代能源体系规划》更是作出了“我国步入构建现代能源体系的新阶段”的判断。
近日，习近平总书记在文章《正确认识和把握我国发展重大理论和实践问题》中对能源和“双碳”工作作出重要论述，文章再次强调了“坚持节约优先”“发展可再生能源，推动煤炭和新能源优化组合，增加新能源消纳能力”“要深入推动能源革命”等重要观点。
钢铁是国民经济的重要基础产业，同时也是能源消耗大户，长期致力于帮助钢铁行业、企业提升能源利用水平，总结提出我国钢铁能源转型历程按照时间和能源种类两个维度大致分为四个阶段，即一次能源“使用”阶段、二次能源“利用”阶段、新旧能源“混用”阶段以及未来能源“通用”阶段，并分别进行了回顾、剖析与展望。需要说明的是，这四个阶段之间并没有明确的边界，两个阶段之间也会存在一定时间段的交叠期。
一次能源“使用”阶段——节约优先
一次能源“使用”阶段从“五五”开始，我国提出“能源开发与节约并重，把节约放在优先位置”的方针，将节能纳入国家经济和社会发展计划，钢铁工业大力加强节能工作，钢铁企业的能源管理逐步走上了科学化和制度化轨道。
进入“七五”以后，钢铁工业能源工作主要是搞好“三个转向”，即节能工作的着眼点从单体设备、工序的节能转向企业的整体节能；节能管理方式从经验管理转向现代化管理，提高管理工作水平和效率；节能管理体系从单一节能部门转向整个企业管理体系的分工协作综合管理。通过氧气转炉取代平炉、连铸取代模铸、一火成材取代多火成材等系列生产结构调整及工艺流程优化，钢铁制造流程逐渐趋于连续化、紧凑化、减量化。
“九五”以后，钢铁工业工作重点是生产设备技术改造和建设大型节能装置，如发展连铸、提高喷煤比。中国钢铁工业从单体节能扩展到系统节能，通过生产结构调整和工艺流程优化等措施，使得钢铁工业吨钢能耗第一次出现大幅度下降，能耗指标下降200kgce/t。
在一次能源“使用”阶段，能源使用相对粗放，甚至在一定时间段重油曾被广泛用作高炉喷吹燃料，加热炉、铁矿石烧结和铁矿石球团法的点火、焙烧等。
二次能源“利用”阶段——提高效率
从“十五”开始进入二次能源“利用”阶段，钢铁行业开始大力推广应用“三干、三利用”节能减排新技术，“三干”即干熄焦、高炉干法除尘、转炉干法除尘；“三利用”即可燃气体、工业用水和工业废弃物的全面回收和综合利用。在《冶金流程工程学》的指引下，我国钢铁企业开始关注钢铁制造流程“能源转换功能”的开发，这个阶段更加注重实现系统能源效率的最大化，逐步推进实现从单体工序节能向系统节能的真正转变。
钢铁生产消耗的一次能源中约40%以某种形式的热能释放出，其温度上至1500℃，下至近于环境温度的广泛范围，主要分为副产煤气、排气余热、固体余热及废汽废水余热：副产煤气包括高炉煤气、焦炉煤气及转炉煤气，一般归为余能，但其显热及压力能属于余热；排气余热多为炉窑排出废气带走的热，占余热资源总量的一半左右，温度范围为250℃～1000℃；固体余热包括烧结矿、红焦炭、高炉渣、转炉渣及铸坯等，一般在500℃以上；废汽废水余热包括蒸汽冷凝水、锅炉汽包的排污水（90℃～100℃）、高炉冲渣水（70℃～90℃）等。可以说，钢铁工业的二次能源是一座巨大的宝藏库，亟待开发利用。
在此期间，随着副产煤气发电、TRT（BPRT）、烧结余热发电、干熄焦等余热余能利用技术广泛应用，钢铁企业煤气损失率逐年降低、自发电比例不断提高，钢铁工业二次能源利用取得显著进步。副产煤气是利用相对较好的二次能源，副产煤气除供应生产系统外，富余的被送至煤气电厂转化为电力。得益于发电技术进步，目前高参数煤气发电机组的效率超过40%，重点大中型钢铁企业余热余能自发电率超过53%。重点大中型钢铁企业吨钢转炉煤气回收量平均值达到117m3，TRT（BPRT）配备率达99%以上，干熄焦配备率达93%以上，同时拥有世界上最大单机低热值燃气-蒸汽联合循环发电机组，超临界煤气发电、烧结余热回收利用技术、饱和蒸汽发电技术等已经处于世界领先水平。
钢铁二次能源利用也存在一些尚未解决的问题，包括余热余能的回收往往重视回收轻视利用效率，能源介质长距离输送，煤气及蒸汽存在阶段性不平衡及耦合利用方面仍有提升潜力，部分耗能设备介质使用没有做到能级匹配和温度对口，熔融钢渣余热等中低温余热尚未利用等。目前，焦化燃烧室排烟余热、烧结余热、高炉余热、转炉炼钢余热、电炉余热、轧钢加热炉烟气余热等余热资源，温度相对较低，流量波动较大。对于余热资源波动问题，多数企业设置蒸汽蓄热器来解决，但效果仍不理想。钢铁企业的蒸汽需求量较少，只能产生低品位饱和蒸汽用于发电，效率较低。钢铁二次能源“利用”示意图见图1。
图1钢铁二次能源“利用”示意图
新旧能源“混用”阶段——协调互补
随着“双碳”目标的提出，“碳中和”战略目标要求调整能源结构大力发展可再生能源，但是包括钢铁行业在内的全社会以煤为主的能源结构短期内不会改变，钢铁工业进入新旧能源“混用”阶段。在这个阶段，需要统筹化石能源与可再生能源协调互补，在立足以煤为主的能源禀赋基本国情的基础上，以储能系统为支撑逐步加强新能源的应用和消纳。
钢铁行业可发展的可再生能源有光伏发电和风力发电，钢铁企业大面积的厂房具有发展屋顶光伏发电的天然优势，临江靠海的钢铁企业具有发展风力发电的资源条件。可再生能源有间断不稳定的先天不足，较难实现连续稳定供能的要求，而钢铁企业有丰富的二次能源，能够与可再生能源形成良性互补。因此，如何实现新能源消纳成为钢铁能源转型的关键环节。钢铁企业在引入新能源发电后，会给企业用能安全性和用能经济性带来一定的影响。首先，引入新能源发电对钢铁企业原有电力利用、余热余能发电均形成影响，引起电网关口电量的大幅波动；其次，新能源发电的大容量接入，企业自发电比例提高，午间将富余电量以低价上网，晚高峰以峰价从电网购电，效益受到影响。某钢铁企业引入新能源发电对现有系统的影响见图2。企业自发电200MW，其中煤气发电180MW（2台100MW）、余热发电13.4MW，TRT发电5.9MW，不足部分约150MW由电网购入；引入300MW地面光伏及20MW屋顶光伏后，晴天正午最大富余功率约138MW，晚间差额约150MW。
图2某钢铁企业引入新能源发电对现有系统的影响
储能系统可以有效解决能量供求之间在时间和空间上不匹配的矛盾，是新能源与可再生能源发展的核心支撑。在这个阶段，需要基于钢铁流程特点，利用钢铁二次能源可调节性强的优势，以储热、电化学储能、空分储能、煤气柜等储能系统为重要桥梁，与可再生能源构建多能互补与储能相结合的能源体系（见图3），并探索可再生能源与副产煤气、余热余压自发电机组相衔接的智慧电力供应网络建设，促进能源结构清洁低碳化。
图3钢铁多能互补与储能相结合的能源体系示意图
未来能源“通用”阶段——联通共享
人类的终极能源将是绿电、绿氢为核心的能源系统，钢铁行业亦是如此。
近日，国家发展改革委、国家能源局等十部门联合印发了《关于进一步推进电能替代的指导意见》，明确提出进一步拓展电能替代的广度和深度，提高电能占终端能源消费比重，大力推进工业领域电气化。电力长期以来一直是钢铁工业占比次高的重要能源（按当量值口径占比约6%），伴随着电力的逐步“绿化”，未来钢铁行业更要持续推进电气化，大幅提高电能的应用比例，加快推广以电代煤、以电代油、以电代气。采用电炉直接冶炼废钢，可最大程度用电能替代煤类能源实现减碳，尤其是采用绿电冶炼时，几乎可做到零碳排放。金属化微波烧结、烧结SHRT、高炉BPRT、精炼机械真空泵、轧钢电加热、煤气管道电伴热、电能重卡、电动皮带廊等均是非常好的电能替代场景。
尽管电能替代会在钢铁脱碳进程中发挥重要作用，但是80%左右来源于原料与生产高品位热能的碳排放无法通过电能替代实现脱碳，氢能是解决这一问题的有效途径。氢能在钢铁的应用场景包括氢冶金、氢能重卡、热处理炉保护气等，其中氢冶金包括高炉富氢冶炼、氢基竖炉直接还原、氢基熔融还原等，国内外已经开展了大量的技术探索，国内中国宝武、河钢、酒钢、晋南钢铁等企业都已经在氢冶金研发应用方面取得一定进展，氢能的利用是钢铁工业脱碳过程中的关键。
氢能属于二次可再生能源，既可以作为储能侧的“稳定器”，也可以作为用电侧的“燃料源”，可充当能源缓冲载体提高能源系统柔性。未来，氢能将扮演高效清洁的可再生二次能源、盘活智慧的能源载体、绿色低碳的工业原料三重角色，大力发展氢能、强化绿氢与绿电的互补是最终优化解决可再生能源转型替代的关键。甲醇（CH3OH）是氢的优质载体，以氢制取甲醇实际上是将氢的能量转移到甲醇中；甲醇与氢气相比运输成本更低、更安全，当需要用氢气时可以通过槽罐车或管道运输至相应区域，通过气化装置制取氢气。甲醇同时是基本的化工中间体，可替代汽油及广泛地应用于化学工业，可以解决我国液体燃料短缺和清洁替代问题。
在未来建设以新能源为主体的新型电力系统背景下，钢铁行业能源系统应以电能替代和氢能替代为主线，绿电和绿氢的组合可以通用在钢铁生产的各个环节。因此，构建以“绿电+绿氢”为核心的能源系统，以甲醇作为优质载体，加上氢冶金技术的创新与应用，使钢铁摆脱对化石能源的依赖，从源头上解决碳排放问题，是实现低碳甚至“零碳”排放的最佳途径。同时依靠“互联网+”加快能源数字化、智能化升级，提高能源系统灵活感知及高效运行能力，最终实现能源系统联通共享。钢铁以“绿氢+绿电”为核心的能源系统示意图见图4。
结论与建议
碳达峰碳中和“1+N”政策体系和《“十四五”现代能源体系规划》对未来能源发展和转型路径作了系统性部署，钢铁作为重要基础产业，责无旁贷地走上能源转型变革之路。
钢铁行业走过了一次能源“使用”阶段，正在由二次能源“利用”阶段走向新旧能源“混用”阶段，在这个关键的转型期，需要统筹化石能源与非化石能源协调互补，在立足以煤为主的基本国情基础上，以储能系统为支撑逐步加强新能源的应用和消纳，构建多能互补与储能相结合的能源体系。
在未来建设以新能源为主体的新型电力系统背景下，钢铁行业能源系统应以电能替代和氢能替代为主线，绿电和绿氢的组合可以通用在钢铁生产的各个环节。因此，构建以“绿电+绿氢”为核心的能源系统，以甲醇作为优质载体，加上氢冶金技术的创新与应用，使钢铁摆脱对化石能源的依赖，从源头上解决碳排放问题，是实现低碳甚至“零碳”排放的最佳途径。同时依靠“互联网+”加快能源数字化、智能化升级，提高能源系统灵活感知及高效运行能力，最终实现能源系统联通共享。
对于钢铁企业而言，每家企业的生产方式、装备水平、流程结构、地域能源供应条件均有所差异，发展阶段也不尽相同。因此，建议钢铁企业要正确认识和把握“双碳”进程中能源转型的重要性，开展能源专项咨询，客观评估能效水平并制定措施以达到国家政策要求，提升余热余能自发电率降低用能成本，构建多能互补与储能相结合的用能体系促进新能源消纳，为企业争取更大的发展空间以应对能耗双控的不利影响，提前布局氢能等未来能源系统实现能源转型高质量发展。
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