鋼鐵行業碳減排情景仿真分析及評價研究

劉 貞 蒲剛清 施於人 閻建明 胡 健

(1．重慶理工大學工商管理學院，重慶400054;2．清華大學能源環境經濟研究所，北京100084)

鋼鐵行業碳減排情景仿真分析及評價研究

劉 貞1，2蒲剛清1施於人1閻建明1胡 健1

(1．重慶理工大學工商管理學院，重慶400054;2．清華大學能源環境經濟研究所，北京100084)

我國鋼鐵行業碳排放量約為全國碳排放總量的15%。因此完成鋼鐵行業碳減排目標是實現我國碳減排總量目標的重要環節。研究為求解未來鋼鐵行業的碳排放總量與碳減排潛力，提出一種基于技術進步與碳減排外部性的情景仿真模型。在不同的技術進步與碳減排外部性情境下，模型綜合考慮節能減排技術對行業/地區碳排放的影響，設計鎖定、成長和促進三種碳減排情景。最后采用該模型對重慶市鋼鐵行業的碳排放總量，碳減排潛力與節能技改投資成本變化進行了情景仿真分析與評價。研究表明，為更好地實現行業的碳減排目標，在現有的節能減排政策環境下，重慶市鋼鐵行業，需要進一步加強對節能減排技術的推廣;加大技術推廣投資，用于更多的節能減排技術的研發與推廣，加快節能減排技術擴散速度，增強行業碳減排成效;有選擇性的進行投入與推廣，提高資金的利用效率，以有限的資金實現行業/地區碳減排成效的最大化。

鋼鐵行業;碳排放;技術擴散;情景設計;低碳示范城市

鋼鐵行業是我國國民經濟的重要基礎產業和實現工業化的支柱產業，同時也是能源消耗和大氣污染物排放的大戶，是我國實行節能減排的重點行業。鋼鐵工業以碳冶金為基礎，在國際鋼鐵工業中，生產過程的CO2排放量占全球總量的5% －6%。中國因處在工業化、城鎮化的中期，鋼鐵產銷量大，鋼鐵工業的碳排放約為全國總排放量的15%［1］。因此完成鋼鐵行業碳減排目標是實現我國碳減排總量目標的重要環節。

目前研究碳減排潛力和總量的綜合分析評價方法主要分三類，一類是基于能源消費結構調整的情景分析，如文獻［2］認為能源消費強度和能源消費結構是影響區域碳排放量的重要因素。通過對東北地區能源消費強度及結構進行統計分析，得出其碳排放量。一類是基于產業結構調整的情景分析。如文獻［3］通過分析認為我國傳統貿易方式是加工業，這種生產方式帶來的是“高投入、高消耗、高排放及低附加值”，其經濟、社會及環境效益低于“低投入、低消耗、低污染、高附加值及高效率”的服務行業。文獻［4］通過對比服務業與工業的碳排放強度，認為我國城市的工業比重過高，提高服務業在國民經濟中的比重是降低碳排放強度的有效手段。第三類是基于行業結構調整的情景分析。如文獻［5］在研究水泥行業的低碳技術成效上，使用各項措施(包括水泥生產工藝的改變和多種節能技術使用)對二氧化碳減排效果及減排成本進行推演。

本文在上述文獻基礎上，提出一種基于技術替代和碳減排外部性的碳減排情景仿真分析模型。研究設計三種碳減排情景，即:鎖定情景、成長情景與促進情景，研究節能減排技術在不同的技術擴散情景下對行業/地區碳排放的影響。模型在對鋼鐵需求量的預測上，使用多曲線趨勢模型進行擬合。最后以重慶市鋼鐵行業作為情景分析案例，對模型的可行性和有效性進行驗證。

1 基于全生命周期的碳排放計算方法

1．1 鋼鐵行業碳排放計算

鋼鐵行業碳排放受活動水平(行業產品產量)和排放因子(單位產品的碳排放量)制約。本文基于時間序列對鋼鐵行業活動水平的影響與節能減排技術擴散對排放因子的影響，提出一種適于技術擴散的碳排放計量方法。

設置基準年，得到基準年行業碳排放因子和技術使用比例，預測特定年行業產品產量和技術使用比率。通過特定年行業活動水平、基準年的排放因子及因技術替代所造成的碳減排量，得到特定年的碳排放總量。

其中，ECO2為特定年行業碳排放總量，f0為基準年行業產品碳排放因子，Pt為特定年行業產品生產總量，E'CO2為特定年使用節能減排技術的碳減排量，P'0為基準年行業相關產品產量，P't為特定年行業相關產品產量，St為特定年節能技術在行業中的比例，S0為基準年節能技術在行業中的比例，F'為使用節能技術造成的單位產品減排量。

1．2 基于全生命周期的碳減排外部性計算

設鋼鐵行業生產流程中共有z種產品，其中包含碳減排外部性的單位商品價格:

其中，α為發展低碳經濟所帶來的外部收益的變化率。由于各個商品的碳排放對于社會來說，其單位收益是相同的。p0為期初碳減排外部性價格，qz，t為第z種產品的單位碳排放量。

2 鋼鐵行業碳減排情景設計

2．1 鋼鐵行業碳減排途徑

綜合文獻［6－8］對鋼鐵行業節能減排策略的研究，鋼鐵行業減排主要有四種途徑:①加強行業/企業內部管理:完善能源監管機構，監管生產過程中節能減排工作的執行情況，督促在生產環節中節能減排工作落實。②優化產業結構:淘汰落后生產線及生產工藝，提升鋼鐵生產水平。推進行業聯合重組，使生產更加集中化和現代化。③調整企業用能結構:使鋼鐵生產由“鐵－轉爐－鋼”的生產工藝向“廢鋼－電爐－鋼”的生產工藝轉變，降低煤炭的使用。④推進節能技術創新及節能技術使用:加大對節能減排技術的投資，推動行業節能技術研發、引進與推廣，從生產源頭落實節能減排。

在鋼鐵行業節能技術的推廣中，均提到我國二次能源利用率較低，應提高在鋼鐵生產中二次能源的利用，主要涉及在鋼鐵生產中對余熱、余能及余壓的利用。文獻［9］提到我國大多數鋼鐵企業的余熱余能回收利用率在30－50%，與日本92%有較大差距，因此二次能源的有效回收利用的潛力很大。

本文參考文獻［10］所提及的主流節能減排技術，綜合考慮鋼鐵生產工藝中工序耗能比例。選取節能減排技術進行情景仿真分析，模擬其在不同技術擴散情景下對行業/地區碳排放的影響。

2．2 鋼鐵行業生產工序能耗對比

鋼鐵生產中各生產工序的能耗對比，可以為節能技術的選取提供依據。文獻［3］給出2005年國內大中型鋼鐵企業噸鋼可比能耗情況，圖1是各工序在2005年的能耗比例。其中高爐煉鐵工序平均能耗為457 kgce/t鋼，占所有生產工序的53%。并且我國高爐煉鐵工序與國外同水平生產工序相比，具有54．3 kgce/t鋼的差異。軋鋼工序由于板帶比低和加工深度不足，工序能耗比國外低很多，兩者不具有可比性。當不考慮國內外軋鋼系統加工深度、成材率和工序能耗方面的差異，我國噸鋼可比能耗高于國外64．4 kgce。考慮國內外軋鋼系統的差異并取國內軋鋼工序與國外相同水平，我國噸鋼可比能耗高于國外112．0 kgce。

圖1 鋼鐵生產各工序的能耗結構Fig．1 The proportion of process energy consumption in steel production

2．3 節能減排技術選取

在國內鋼鐵生產工藝的主流節能減排技術中，選取適用于高爐煉鐵及整個生產流程的節能減排技術進行情景分析。

(1)低熱值高爐煤氣燃氣－蒸汽聯合循環發電技術(CCPP)。燃氣輪機燃燒做功(發電)，排出的煙氣通過余熱鍋爐產生蒸汽而做功(發電)。2007年我國生鐵產量達到46 944．63萬t，高爐煤氣產生量為6 000億m3，高爐煤氣散放量達到614億m3，散放率為10．2%，平均每噸鐵散放130．79m3的高爐煤氣［11］。2010年國內 CCPP技術推廣比例達到10%。此技術典型項目建設投資額56 200萬元，單位節能量1 kWh/m3高爐煤氣，項目節能量達到9．4億kWh/年，平均每萬元節能6．76 tce。

(2)干式TRT技術(高爐爐頂余壓余熱發電技術)以能量回收透平裝置為基礎，利用高爐爐頂煤氣的余壓余熱，把煤氣導入透平膨脹機，驅動發電機發電。到2010年我國高爐使用TRT技術利用高爐爐頂余壓余熱進行發電達到100%，干式TRT達到60%，且使用干式TRT技術每噸鐵將節能 50 kwh，約 0．02 tce［12］。工業和信息化部在鋼鐵企業干式TRT發電技術推廣實施方案中提到，到2011年底，重點大中型鋼鐵企業1 000立方米以上高爐配置率將提高到70%，2014年將達到100%。

(3)高爐鼓風除濕技術采用冷凝法除濕，入熱風爐的空隙采用脫濕技術工藝，將進入鼓風機之前的濕空氣先行預冷，接著將預冷后的濕空氣通過表冷器冷卻，使其溫度降低到空氣含濕量對應的飽和溫度以下，濕空氣中的多余飽和量的水分凝結析出，空氣中的含水量降低。我國2009年高爐鼓風除濕技術推廣比例＜5%，預計其在2015年推廣比例將達到10%。高爐鼓風除濕技術的推廣在2005年的使用比例只有1%左右，而到2020年將達到20%。

(4)高壓變頻調速技術采用單元串聯多電平技術或者IGBT元件直接串聯高壓變頻器等技術，實現變頻調速系統的高輸出功率(功率因素＞0．95)，同時消除對電網諧波的污染。對中高壓、大功率風機、水泵的節電降耗作用明顯，平均節電率在30%以上［13］。2010年技術推廣比例為15%，預測其在2015年推廣比例將達到50%，單位節能0．086 kgce/kWh，到2020年能達到100%。

2．4 鋼鐵行業減排情境設計

選取典型節能減排技術，設置不同情景，模擬在相同技術擴散情景下使用不同節能減排技術對行業及區域碳排放影響，以及不同碳排放情景下的投資變化情況。并比較不同情景下，不同節能減排技術對行業/地區碳排放和投資的影響。基于此，提出通過技術路徑建立低碳示范城市中，行業中優先發展的技術及優先發展的技術組合的建議。

研究設置了三種情景，①鎖定情景:模擬在特定年份，節能減排技術擴散比例和基準年行業內比例相同。②成長情景:模擬在特定年份，節能減排技術擴散比例在現有的政策環境和市場環境下的擴散情況。③促進情景:模擬在特定年份，政府加強對節能減排技術的推廣，使得技術擴散程度增強的情況。圖2為情景仿真模擬路線圖。

圖2 情景仿真模型路線圖Fig．2 The route of scene simulation

3 重慶市鋼鐵行業碳減排情景分析評價

3．1 重慶市鋼鐵行業產量預測

產量預測可以采用數學模型法、彈性系數法，消費系數法、定性消費法、非線性動態系統的遞歸神經網絡預測法等方法［14－16］。

研究選取重慶市近17年的鋼材生產量實際數據，采用SPSS，進行多種模型擬合，得出各模型在曲線擬合時的擬合優度、顯著性檢驗值p值及各模型的參數估計值。通過對各模型的擬合優度和顯著性檢驗值的比較，選取下式(三次曲線產量預測模型)進行產量預測，表1為相關產品的預測值。

Y=127．541 －4．712x+0．586x2+0．09x3

其中，Y為預測值，x為時間序列。

表1 重慶市鋼材與相關產品產量(萬t)Tab．1 Prediction of Steel and related products in Chongqing

3．2 重慶市碳減排情景設計

以重慶市鋼鐵行業作為情景仿真分析對象，使用產品作為行業碳排放的活動水平，參考選取的節能減排技術在全國的技術擴散情況作為碳排放因子的影響因素，以此來判斷重慶市鋼鐵行業應用節能減排技術，在不同的技術擴散情境下行業/地區的碳排放變化情況。技術擴散比例選取的因素，將參考已知年份技術擴散比例，采用平均年增長率對特定年份的技術擴散比例預測。重慶市鋼鐵行業，不同節能減排在不同的情境設計中的結果如表2。

3．3 重慶市鋼鐵行業碳減排情景分析評價

相同情境下，不同的技術對行業/地區的碳排放影響不同。不同情境下，相同技術對行業/地區的碳排放影響也不同。通過情景仿真得出在相同情境下，不同技術的碳減排效果與不同情景下，相同技術的碳減排效果。圖3為各技術在不同情景下的碳減排潛力分析結果。

鎖定情景:在這種情景下，因為高壓變頻調速技術、CCPP、干式TRT技術和高爐鼓風除濕技術的應用比例分別達到5%、0、28%和1%，總體只能達到0．83%的碳減排效果，重慶市節能技改投資成本將為3．6億元。

表2 不同情景設計下節能減排技術對行業碳排放的影響Tab．2 The effect of emission reduction technologies on carbon emissions in different scenarios

圖3 不同情景下碳減排潛力Fig．3 The reduction potential of carbon emission in different scenarios

成長情景:38．11億元節能技改總投資，在2020年，四種技術的使用比例將分別達到100%、30%、60%和20%。碳減排效果將達到184．02萬 t，相對鎖定情景多減排169．24萬t，節能減排比例將達到9．6%，節能減排效果顯著。不過并不能達到20%的減排目標，建議重慶市進行財政補貼或政策規定，進一步推廣這幾種節能減排技術，或者加大對其他節能減排技術的推廣。

促進情景:在現有政策環境中，進一步通過宏觀調控，提高技能技改投資額度(3．77億元)，加速技術擴散速度。各節能減排技術分別在成長情景的基礎上多減排0萬t、9．85 萬 t、8．75 萬 t和 1．74 萬 t，合計 20．29 萬 t。節能減排比例也增加到11．53%，增加1．98個百分點。CCPP和干式TRT技術在強化情境下，減排效果更加顯著，應實行政策推廣。而高壓變頻調速技術的政策強化效果為0，建議維持現有技術擴散政策，優先強化其他節能技術的擴散。

4 結論與發展

通過三種情景仿真，對鋼鐵行業節能減排技術進行仿真分析，研究各技術對行業/地區的碳排放影響及節能技改投資成本變化趨勢。以重慶市鋼鐵行業為案例，驗證模型的有效性。分析認為:重慶市在現有的政策環境下，應進一步加強節能技術的研發與推廣;有選擇性的進行技術投資，提高資金利用效率。

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Simulation Analysis and Evaluation on Carbon Reduction Scenarios in Steel Industry

LIU Zhen1，2PU Gang-qing1SHI Yu-ren1YAN Jian-ming1HU Jian1
(1．School of Industry and Business Administration of Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China;2．Energy Environmental and Economic Research Institute of Tsinghua University，Beijing 100084，China)

In China，carbon emissions from iron and steel industry account for 15%of the national total．Therefore，to reduce carbon emission from steel industry is the key to completing the national carbon emission reduction targets．A simulation model of carbon emission reduction was proposed based on technological progress and environmental externality．In different technological progress and production externality scenarios，the model takes into considerations the affect of energy-saving technology on sector/regional carbon reduction emissions．Three carbon emission reduction scenarios were designed，namely:locking scenarios，growth scenarios and promotion scenarios．Finally，the model was used for in simulation analysis and evaluation and evaluation on the carbon reduction emission potential of iron and steel industry in Chongqing．Based on the conclusion，in order to achieve the carbon emission reduction targets in iron and steel industry，①under the current policy environment of carbon emission reduction，energy-saving technology should be developed and applied in iron and steel industry of Chongqing;②the investment in R＆D of energy-saving technologies and the diffusion should be enhanced，and the effect of carbon emission reduction be strengthened;③right technologies should be selected for investment and promotion，utilization efficiency of investment be improved and the effect of carbon emission reduction be maximized with limited investment．

steel industry;carbon emissions;technology diffusion;scene design;low-carbon model city

X32

A

1002－2104(2012)03－0077－05

10．3969/j．issn．1002－2104．2012．03．013

2011－11－10

劉貞，博士，副教授，主要研究方向為低碳經濟、可再生能源發展戰略。

國家自然科學基金(編號:71073095);教育部人文社會科學研究青年基金(編號:10YJC630161)。

(編輯:常 勇)