“双碳”目标下全球钢铁资源循环回收利用技术发展态势研究.pdf

48 摘 要：钢铁产业是能源密集型产业。大力发展钢铁产业循环经济，促进钢铁资源循环回收利用，是当前中国实施“双碳”战略目标下重要的发展方向之一。利用 Innography 专利检索平台和 Web of Science 论文检索平台，对全球废钢铁利用技术的发展现状与技术特点进行分析，从年度分布趋势、研发国家、研究机构、技术领域、研究人员等多个维度展示了钢铁资源循环回收利用的发展态势。通过国内外对比研究，分析中国钢铁资源循环回收利用技术领域面临的问题和发展瓶颈，并对中国未来钢铁产业循环经济高质量发展提出建议。关键词：“双碳”；钢铁；回收利用；科学计量；循环经济中图分类号：X757；G306 文献标识码：A DOI：10.3772/j.issn.1009-8623.2023.05.006“双碳”目标下全球钢铁资源循环回收利用技术发展态势研究熊书玲，郑佳，康凯，纪颖茹（中国科学技术信息研究所，北京100038）钢铁产业是中国国民经济的重要基础产业1，也是实现绿色低碳发展的重要领域，其碳排放占中国总碳排放的 13%15%，大部分来自钢铁生产过程中的直接排放2-3。再生资源回收利用是实现碳减排的路径之一，同时兼具污染物减排的协同效益，是实现“双碳”目标的重要方式4。再生资源的回收利用可以有效减少初次生产过程中的碳排放，而钢铁等高耗能行业的产品在可再生领域的潜力最大5-9。因此，需要通过加快钢铁资源的循环回收利用等，支撑中国钢铁产业循环经济高质量发展，最终实现“双碳”战略目标10。当前对碳减排的研究热点主要集中在能源领域11，而对钢铁等非可再生资源回收利用行业的碳减排研究有待加强12-13。废钢铁主要包括钢厂产生的废钢铁、工业等加工废钢铁和社会折旧废钢铁等。废钢铁炼钢以“废钢铁电炉”短流程为主。废钢铁再利用的碳减排量为生产同等回收量的废钢铁所产生的温室气体量减去废钢铁回收再生产为粗钢所排放的温室气体量14-17。本文通过论文与专利分析，从钢铁循环回收利用（或废钢铁利用）技术的年度分布趋势、研发国家、研究机构、技术领域、研究人员等多个维度对废钢铁利用技术发展态势进行研究，通过国内外对比研究，分析基础研究和应用研究领域的制约因素并提出相关建议，为推动中国钢铁产业循环经济高质量发展，进而实现“双碳”目标提供支撑。1检索策略废钢铁利用技术主要是将钢铁生产过程中产生的废料重新应用在炼铁、炼钢环节中。按照关键词扩展（如废钢、生铁、钢屑、精炼渣、废钢铁等）和“分类号+关键词”检索等方式，结合比较差异数据、检索词修正等流程，最终确定废钢铁利用技第一作者简介：熊书玲（1988），女，博士，副研究员，主要研究方向为绿色低碳发展、未来技术。通信作者简介：郑佳（1982），女，博士，研究员，主要研究方向为科技政策与产业发展研究。电子邮箱：项目来源：收稿日期：2023-03-15中央级公益性科研院所基本科研业务费创新研究基金青年项目“双碳目标下钢铁产业循环回收利用发展态势研究”（QN2022-24）；中央级公益性科研院所基本科研业务费重点工作项目“未来技术产业化成熟度研究”（ZD2023-16）。第 38 卷 第 5 期2023 年 5 月全球科技经济瞭望Global Science,Technology and Economy OutlookVol.38 No.5May.2023 49 术的论文及专利检索词库18-20。通过 Innography 专利检索平台和 Web of Science 论文检索平台，得到全球废钢铁利用技术领域的相关专利与论文数据。检索时间范围为2000年1月1日至2022年12月31日，专利检索为同族扩展，论文检索选择科学引文索引（SCIE）和科学技术会议录索引（CPCI-S）。由于专利公开一般会有 18 个月的滞后期，因此 2021 年和 2022 年的相关专利数据仅供参考。2论文分析2.1论文产出年度分布情况20002022 年，全球废钢铁利用技术领域共收录 SCIE 和 CPCI-S 论文 12 734 篇。由图 1 可以看出，20002010 年，相关论文发表数量较少，每年发表论文不足300篇，相关基础研究进展缓慢。2011 年之后，论文发表数量整体呈快速增长趋势，于 2021 年达到 1 586 篇，近年来相关基础研究成果大幅增加。其中，2009 年和 2011 年的论文发表数量年增长率排在前两位，分别达36.9%和37.9%，这可能与该时期的论文发表基数不高有关。20002022 年，中国废钢铁利用技术领域共收录 SCIE 和 CPCI-S 论文 3 917 篇。由图 2 可以看出，20002010 年，相关论文发表数量呈小幅波动趋势，每年发表论文不足 100 篇。2011 年之后，相关论文发表数量呈波动式快速增长趋势，尤其是2016 年以后，相关基础研究进展加快，于 2022 年达到 663 篇。2.2主要论文发表国家分布情况图 3 展示了 20002022 年全球废钢铁利用技术领域论文发表排名前 10 位的国家分布情况。可以图 120002022 年全球废钢铁利用技术领域相关论文年度分布情况图 220002022 年中国废钢铁利用技术领域相关论文年度分布情况-40-30-20-100102030405002004006008001 0001 2001 4001 6001 80020002001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019202020212022发表年份论文数量（篇）年增长率（%）论文数量年增长率-40-20020406080100120010020030040050060070020002001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019202020212022论文数量年增长率发表年份论文数量（篇）年增长率（%）科学与技术发展 50 看出，中国在废钢铁利用技术领域发表的论文数量大幅领先于其他国家，居世界首位；其次是印度（1 014 篇）、美国（767 篇）、韩国（665 篇）、日本（625篇）、澳大利亚（592篇）、英国（533篇）、土耳其（500篇）、西班牙（392篇）、加拿大（391篇）等。但同时，澳大利亚和英国的论文篇均被引次数较高，相关基础研究成果的国际影响力较高；其次是加拿大、美国、土耳其和西班牙。中国虽然论文发表数量最多，但相关基础研究成果的国际影响力偏弱。2.3主要论文发表机构分布情况图 4 展示了 20002022 年全球废钢铁利用技术领域论文发表排名前 10 位的机构分布情况。可图 320002022 年全球废钢铁利用技术领域论文发表排名前 10 位的国家中国印度美国韩国日本澳大利亚英国土耳其西班牙加拿大10203040506005001 0001 5002 0002 5003 0003 5004 0004 500论文数量（篇）篇均被引次数（次）图 420002022 年全球废钢铁利用技术领域论文发表排名前 10 位的机构北京科技大学东北大学重庆大学埃及知识银行武汉理工大学英国研究型图书馆印度国立技术研究院中南大学印度理工学院东南大学51015202530050100150200250300350400450500论文数量（篇）篇均被引次数（次）熊书玲，郑佳，康凯，纪颖茹：“双碳”目标下全球钢铁资源循环回收利用技术发展态势研究 51 以看出，中国的北京科技大学（468 篇）、东北大学（344 篇）、重庆大学（248 篇）等机构发表的论文数量较为领先，创新主体主要是高校、科研院所；其次是埃及知识银行（245 篇）、武汉理工大学（230 篇），以及英国研究型图书馆（211 篇）、印度国立技术研究院（185 篇）、中南大学（171 篇）、印度理工学院（156 篇）、东南大学（139 篇）等。全球废钢铁利用技术领域排名前 10 位的论文发表机构主要分布在中国，其次是印度。相比较而言，印度理工学院的论文篇均被引次数较高，相关基础研究成果的国际影响力较高，其次是中国的东南大学。3专利分析3.1专利年度变化趋势由图 5 可以看出，20002022 年，全球废钢铁利用技术领域相关专利申请总量为 28 176 件，其中授权专利为 18 511 件，授权比重达 65.7%。20002007 年，全球废钢铁利用技术领域相关专利申请量呈波动式缓慢变化趋势，相关应用研究进展缓慢。20082022 年，全球废钢铁利用技术领域相关专利申请量呈波动式快速增长趋势，于2020 年达 2 331 件。20002012 年，全球废钢铁利用技术领域相关授权专利年度变化趋势整体与申请专利保持一致，但 2013 年以后，授权专利与申请专利的数量差距不断增大，这可能与专利一般平均有 2 5 年的授权周期有关。20002022 年，中国废钢铁利用技术领域相关专利申请总量为 16 789 件，其中授权专利为10 103 件，授权比重达 60.2%。20002006 年，中国废钢铁利用技术领域相关专利申请量呈缓慢增长趋势。20072022 年，中国废钢铁利用技术领域相关专利申请量整体呈现波动式快速增长趋势，废钢铁利用技术步入快速发展期，2020 年中国废钢铁利用技术领域相关专利申请量达到 1 907 件，占全球该领域专利申请总量的 81.8%。中国废钢铁利用技术领域相关申请专利在 20002009 年保持了较高的授权比例，2009 年授权专利占比高达93.1%，之后授权专利与申请专利的数量差距不断增大。3.2专利技术来源国图 6 列出了 20002022 年全球废钢铁利用技术领域专利申请量排名前 10 位的国家。从图 6 可以看出，按照专利申请的数量，废钢铁利用技术来源国依次是中国、韩国、日本、美国、德国、俄罗斯、澳大利亚、奥地利、法国、意大利等。其中，中国的专利申请量大幅领先，占全球专利申请量的 50%以上，其次是韩国和日本。从专利授权占比情况可以看出，澳大利亚的专利授权占比最高，其次是俄罗斯和日本等。图 520002022 年废钢铁利用技术领域相关专利年度变化趋势05001 0001 5002 0002 50020002001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019202020212022全球申请专利全球授权专利中国申请专利中国授权专利年份专利量（件）科学与技术发展 52 图 620002022 年全球废钢铁利用技术领域专利申请量排名前 10 位的国家60.2%55.1%61.7%56.0%59.1%69.7%76.2%63.6%61.4%61.7%02 0004 0006 0008 00010 000 12 000 14 000 16 000 18 000 20 000中国韩国日本美国德国俄罗斯澳大利亚奥地利法国意大利授权专利申请专利专利量（件）02004006008001 000日本杰富意钢铁公司新日本制铁公司韩国浦项制铁集团公司德国西马克韦斯公司日本神户制钢公司鞍钢集团有限公司德国西门子公司宝武钢铁集团有限公司北京科技大学攀钢集团有限公司专利量（件）图 720002022 年全球废钢铁利用技术领域排名前 10 位的专利权人3.3主要专利权人图 7 列出了 20002022 年全球废钢铁利用技术领域排名前 10 位的专利权人分布情况。从图 7 可以看出，专利申请量在全球排名靠前的主要专利权人是日本、韩国和德国等国家的企业，其废钢铁利用技术研发实力较强。日本杰富意钢铁公司和新日本制铁公司的专利申请量排在前两位，专利申请量均超过 700 件。其次是韩国浦项制铁集团公司，专利申请量超过 500 件，德国西马克韦斯公司和日本神户制钢公司专利申请量超过 400 件。图 8 列出了 20002022 年中国废钢铁利用技术领域排名前10 位的专利权人分布情况。从图 8 可以看出，中国的鞍钢集团有限公司专利申请量排在首位，其次是宝武钢铁集团有限公司、北京科技大学、攀钢集团有限公司、东北大学和中南大学，其专利申请量均超过 200 件。3.4主要专利发明人表 1 列出了 20002022 年全球废钢铁利用技术领域专利排名前10位的专利发明人。可以看出，废钢铁利用技术领域的专利发明人主要是来自日本的企业，其次是中国、澳大利亚、德国等国家的企业。其中，澳大利亚技术资源私人有限公司的 Rodney 熊书玲，郑佳，康凯，纪颖茹：“双碳”目标下全球钢铁资源循环回收利用技术发展态势研究 53 图 820002022 年中国废钢铁利用技术领域排名前 10 位的专利权人表 120002022 年全球废钢铁利用技术领域排名前 10 位的专利发明人排名专利发明人专利量（件）所属机构1Rodney James Dry175澳大利亚技术资源私人有限公司2吴道洪159北京神雾环境能源科技集团股份有限公司&江苏省冶金设计院有限公司3曹志成139北京神雾环境能源科技集团股份有限公司&江苏省冶金设计院有限公司4Robert Millner129西门子奥钢联冶金技术（奥地利）有限公司5Johann Reichel108德国西马克韦斯公司6Shuzo Ito100日本神户制钢公司7Shoichi Kikuchi93日本神户制钢公司8Hisahiro Matsunaga91日本川崎制铁公司9Naoki Kikuchi89日本杰富意钢铁公司10Minoru Morioka85日本电气化学工业公司050100150200250300鞍钢集团有限公司宝武钢铁集团有限公司北京科技大学攀钢集团有限公司东北大学中南大学中国冶金科工股份有限公司包头钢铁（集团）有限责任公司武汉钢铁股份有限公司江苏省冶金研究所专利量（件）James Dry 发明专利最多，其次是北京神雾环境能源科技集团股份有限公司&江苏省冶金设计院有限公司的吴道洪和曹志成，以及西门子奥钢联冶金技术（奥地利）有限公司的 Robert Millner 和德国西马克韦斯公司的 Johann Reichel。此外，日本神户制钢公司、日本川崎制铁公司、日本杰富意钢铁公司和日本电气化学工业公司的几个专利发明人累计拥有超 400 件专利。3.5主要专利技术领域表 2 列出了 20002022 年全球废钢铁利用技术领域专利排名前 10 位的国际专利分类号（IPC）分布情况。可以看出，废钢铁利用技术相关专利主要分布在IPC为C04B 28/00和C21C 5/00的技术领域，相关专利申请量均超过 3 000 件，涵盖多元羧酸盐水泥、碳钢冶炼等研究方向。其次是 IPC 分类号为C22C 38/00、C04B 18/00、C21C 7/00、C22B 1/00、科学与技术发展 54 表 220002022 年全球废钢铁利用技术领域排名前 10 位的 IPCIPCIPC 中文注释专利量（件）C04B 28/00含有无机黏结剂或无机与有机黏结剂反应产物的砂浆、混凝土或人造石的组合物，如多元羧酸盐水泥4 405C21C 5/00碳钢冶炼，如普通低碳钢、中碳钢或铸钢3 455C22C 38/00铁基合金，如合金钢2 037C04B 18/00使用烧结料、废料或废物作为砂浆、混凝土或人造石填料；为提高其在砂浆、混凝土或人造石中的填充性能而专门采用的烧结料、废料或废物的处理1 993C21C 7/00熔融铁类合金的处理，如不包括在 C21C 1/00 到 C21C 5/00 组的钢1 896 C22B 1/00矿石或废料的预处理1 591C21B 3/00生铁冶炼的一般特点1 409C21B 13/00直接还原法炼海绵铁或液体钢1 241C22B 7/00处理非矿石原材料1 125C22C 33/00铁基合金的制造752表 320002022 年中国废钢铁利用技术领域的核心专利分布专利公开号标题专利强度专利权人申请日期法律状态CN110828927 A一种综合回收废旧锂离子电池的方法77广西银亿新材料有限公司；广西银亿高新技术研发有限公司2019-10-18有效CN110923394 A炼钢设备和炼钢方法74中冶京诚工程技术有限公司2019-11-28有效CN109097588 A一种含铁含锌固废资源化利用的装置及方法74宝钢工程技术集团有限公司；宝武集团环境资源科技有限公司2018-10-26有效US20210380406 A1利用钢铁渣提取物辅助生物质制氢和生物炭系统73瀜矿环保科技（上海）有限公司 2021-05-31有效CN110055450 A一种非调质钢的冶炼方法72石钢京诚装备技术有限公司2019-04-18有效CN111534697 A废旧锂离子电池的选冶联合综合回收方法及装置72中国恩菲工程技术有限公司2020-06-09有效CN112017145 A一种高效的铁水预处理自动扒渣方法和系统71宝山钢铁股份有限公司2019-05-31有效C21B 3/00、C21B 13/00 等技术领域，涵盖铁基合金、钢渣废料处理、生铁冶炼、直接还原法炼液体钢等。表 3 列出了 20002022 年中国废钢铁利用技术领域专利强度为70及以上的核心专利分布情况。可以看出，相关专利权人均为企业，专利以在国内申请为主，所有专利均为 20182021 年申请的有效专利。广西银亿新材料有限公司和广西银亿高新技术研发有限公司相关专利的专利强度最高，其废钢铁利用技术涉及废旧锂离子电池回收。其次是中冶京诚工程技术有限公司，其废钢铁利用技术涉及炼钢设备和方法，宝钢工程技术集团有限公司和宝武集团环境资源科技有限公司的废钢铁利用技术涉及含铁含锌固废资源化利用的装置及方法，瀜矿环保科技（上海）有限公司的废钢铁利用技术涉及利用钢铁渣萃取物辅助生物质制氢和生物炭系统等。熊书玲，郑佳，康凯，纪颖茹：“双碳”目标下全球钢铁资源循环回收利用技术发展态势研究 55 4结论与建议通过对废钢铁利用技术领域的论文与专利分析，主要得出以下结论与建议：（1）近年来，废钢铁利用技术无论是在基础研究领域还是应用研究领域都正处于快速发展期。中国、印度、美国、韩国和日本是废钢铁利用技术基础研究领域的主要研发国家，中国、韩国、日本、美国和德国是废钢铁利用技术应用研究领域的主要研发国家。尽管中国相关论文数量和专利数量最多，但发达国家及其相关机构在论文国际影响力和专利授权率方面均优于中国。中国废钢铁利用技术领域的高水平研究成果数量仍有待提升，应继续加大科技创新研发投入强度，通过政策引导和市场激励相结合，形成废钢铁利用领域关键技术攻关合力，协同推动钢铁产业循环经济高质量发展。（2）全球废钢铁利用技术基础研究领域的重点研发机构包括北京科技大学、东北大学、重庆大学、埃及知识银行等。全球废钢铁利用技术应用研究领域的重点研发机构包括日本杰富意钢铁公司、新日本制铁公司、韩国浦项钢铁公司等；重点技术研发领域包括多元羧酸盐水泥、碳钢冶炼、铁基合金、钢渣废料处理等；主要专利发明人大都来自日本企业。因此中国应积极制订相关专业技术人才培养计划，不断引进吸纳废钢铁利用技术领域的创新人才。（3）中国废钢利用技术领域排名前两位的专利权人是高校，因此应不断完善产学研用协同创新体系，加快推动废钢铁利用技术转移转化。参考文献：1 王国栋.推进钢铁“四化”强健大国“筋骨”N.人民日报海外版,2023-02-06(9).2 郑明月.钢铁产业发展趋势及碳中和路径研究 J.冶金经济与管理,2022(1):4-6.3 李林.我国钢铁产业对经济发展的影响探析 J.企业改革与管理,2020(24):217-218.4 王佳欢,冯忠耀,王缘,等.一种抗菌抗紫外线再生聚酯纤维及其制备方法:115161802AP.2022-10-11.5 单梦鹤.钢铁行业循环经济建设和发展研究 J.中国化工贸易,2020(13):243-244.6 李云.废钢铁在钢铁行业中应用前景研究 J.再生资源与循环经济,2020,13(1):23-29.7 邢娜,秦勉,曲余玲,等.我国废钢产业发展现状及发展趋势分析 J.冶金经济与管理,2022(2):33-35.8 贾逸卿,段红梅,柳群义.中国废钢资源化利用趋势:20202035 年分析预测 J.中国矿业,2021,20(3):31-36,42.9 窦立英.废钢铁应用现状分析与发展前景分析 J.中国金属通报,2020(8):8-9.10 王文超,郭从山.关于我国废钢产业发展的现状分析及建议 J.冶金经济与管理,2021(6):48-49,53.11 郭东岳,刘光伟.在“双碳”背景下垃圾焚烧发电企业面临的机遇与风险 J.能源与节能,2021(10):84-85.12 戴铁军,潘永刚,张智愚,等.再生资源回收利用与碳减排的定量分析研究 J.资源再生,2021(3):15-20.13 黄维,秦子然,邢娜,等.废钢产业发展及其对钢铁行业的影响 J.冶金经济与管理,2021(5):36-38.14 姚聪林,朱红春,姜周华,等.全废钢连续加料电弧炉短流程碳排放计算及分析 J.材料与冶金学报,2020,19(4):259-264.15 熊玮,胡忆,袁琛,等.高炉使用废钢的环境影响分析J.武汉科技大学学报（自然科学版）,2020,43(6):401-405.16 林芳任,江涛.中国废钢铁行业现状及发展趋势 J.冶金信息导刊,2020(2):5-8,18.17 魏莉,陈伟达,杨烨.导入碳减排投资的废钢铁再制造生产投资策略研究 J.工业工程与管理,2018,23(3):65-71.18 周婧,秦伦明.废钢资源发展现状及废钢分类研究 J.科技创新与应用,2022,12(11):88-90.19 刘瑞杰.废钢加工处理技术及工艺设计研究 J.中国金属通报,2021(10):238-240.20 张凯炎.废钢综合利用,高效化钢铁生产技术研究与探讨 J.冶金与材料,2020,40(2):95-96.专利公开号标题专利强度专利权人申请日期法律状态CN113122709 A一种保障铁品位的固废、烧结、球团协同处置工艺70中冶长天国际工程有限责任公司 2021-04-16有效续表(下转第64页)科学与技术发展 64 Key Points and Response of the European Energy Crisis Under the Escalation of Russia-Ukraine Conflict and Its enlightenment to China LI Lanchun1,2,3,CHEN Wei1,2,3(1.Wuhan Library,Chinese Academy of Sciences,Wuhan430071;2.Hubei Key Laboratory of Big Data in Science and Technology,Wuhan430071;3.School of Economics and Management,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100190)Abstract:The continuous escalation of the conflict between Russia and Ukraine has triggered the sanctions and countermeasures on energy trade between Russia and Europe.The European radical policy of leaving Russia has suffered from an unprecedented energy crisis,with prominent contradictions in energy supply,cost,energy strategy,internal trust,etc.In the short term,Europes energy emergency supply protection measures will not stop the fermentation of risks,while long-term energy policies will accelerate the transformation of the international energy pattern.In the face of major global energy changes,which present both opportunities and challenges,China should thoroughly implement the concept of energy security in the new era and always give top priority to ensuring secure and reliable energy supply.Based on the basic national conditions,China should accelerate the development of a new energy system and promote cross-sector integrated demonstrations,fully leverage the role of coal as a backstop,establish a diversified,stable and independent oil and gas supply system,promote the development of clean energy technologies and industries in an orderly manner,and coordinate scientific and technological responses to energy security.Keywords:Europe;Russia-Ukraine conflict;energy strategy;energy securityDevelopment Trend of Global Steel Recycling and Utilization Technology Under the Target of“Peak Carbon Dioxide Emissions and Carbon Neutrality”XIONG Shuling,ZHENG Jia,KANG Kai,JI Yingru(Institute of Scientific and Technical Information of China,Beijing100038)Abstract:The iron and steel industry is an energy intensive industry.To vigorously develop the circular economy of iron and steel industry and promote the recycling and utilization of iron and steel resources is one of the important development directions under the implementation of the“peak carbon dioxide emissions and carbon neutrality”strategic goal in China.In this study,Innography patent retrieval platform and Web of Science paper retrieval platform were used to analyze the development status and technical characteristics of global scrap iron and steel resources recycling and utilization,and the development trend of iron and steel resources recycling and utilization technology was shown from multiple dimensions such as the annual distribution trends,research and development countries,research institutions,technical fields,researchers,etc.Through the domestic and foreign comparative studies,this study analyzes the problems and development bottlenecks in the field of recycling technology of steel resources in China,and puts forward some suggestions on the high-quality development of recycling economy in Chinese steel industry in the future.Keywords:peak carbon dioxide emissions and carbon neutrality;iron and steel;recycling and utilization;scientometrics;circular economy(上接第55页)李岚春，陈伟：俄乌冲突背景下欧洲能源危机态势、应对及对中国的启示