山西廢鋼再生利用影響因素及資源化潛力評估

馮琳，袁進,*，何泓，鄧天陸

1.太原理工大學環境科學與工程學院

2.山西科城能源環境創新研究院

山西省作為資源型區域，蘊含豐富的礦產資源，其中煤礦、鋁土礦、鐵礦石儲量最多。2020年，山西省鐵礦石儲量占全國的10%以上[1]，多年來鋼材產量在全國各省份中穩居第5，具有較好的鋼鐵產業基礎。作為鋼鐵工業的廢物與再生資源回收的主要品種，廢鋼在山西省的產量也逐年增加。自2006年以來，山西省陸續出臺了《山西省人民政府關于印發山西省建設資源節約型社會行動綱要的通知（晉政發〔2006〕50 號）》等一系列涵蓋廢鋼行業的宏觀政策，旨在鼓勵中小型回收企業擴大經營范圍，提高轉爐廢鋼利用量，建立規范有序的再生資源循環利用體系。因此，積極探索搭建廢鋼回收利用體系，形成穩定、高效、規范的回收再利用渠道具有重要的現實意義。由于山西省缺乏對廢鋼再生利用行業的針對性支持政策，循環體系建設緩慢，建立高效有序的廢鋼循環體制、提高廢鋼回收率及利用水平是亟需解決的現實問題。

近年來，學術界研究多聚焦于碳中和背景下中國鋼鐵行業的低碳發展探索。廢鋼循環利用是鋼鐵行業的低碳行動之一，因此廢鋼供應量是制約鋼鐵行業低碳發展的一個關鍵條件[2-3]。邢奕等[4]認為廢鋼作為電爐短流程煉鋼工藝的主要原材料具有較高的利用價值；張燕華等[5]為研究廢鋼再制造行業碳交易機制的影響，建立了廢鋼再制造供應鏈優化模型；劉琳等[6]對廢鋼資源循環再利用過程中存在的污染問題進行研究，為中國廢鋼產業的可持續發展提出建議；孫婧雅[7]通過剖析日本廢鋼的產生、消費和管理模式，指出中國廢鋼產業發展方向。在方法上，汪鵬等[8]運用了復合Gompertz 模型的廣義Logistic 模型，對中國人均鋼鐵存儲量進行長期預測；卜慶才等[9]采用鋼鐵產品生命周期鐵流圖對未來中國粗鋼產量達峰后的廢鋼資源量進行了預測。

現有研究在內容上多側重于國家層面的戰略分析，缺乏省域層面的特色化研究以及微觀層面的影響因素識別與資源化潛力評估；方法上多運用單一的預測模型進行分析，缺乏系統性的全面考量，將多個方法結合進行綜合評估的文獻較少。因此，筆者基于省域層面，從山西省廢鋼再生利用影響因素的角度為鋼鐵工業綠色低碳發展拓展了視角；同時，綜合運用系統動力學、灰色預測模型及生命周期法，對山西省廢鋼資源化利用潛力進行探討，進而提出山西省廢鋼再生利用行業發展與升級的建議。

1 研究方法及數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 PEST 模型確定指標變量

PEST（political、economic、social、technological）模型由英國學者Aguilar[10]首次提出，該模型將影響組織系統的各類因素分為政治、經濟、社會和技術4 個維度進行歸納，從而幫助系統分析影響其發展的關鍵性因素。廢鋼鐵可以被無限次地循環使用，其再生利用的影響因素眾多，而該模型中的四維分析涵蓋內容廣，適用于在本文中確定2005—2020年山西省廢鋼再生利用的影響因素。因此，以PEST模型為基礎，以閆啟平等[11-20]的研究文獻為參考，秉持全面性、科學性與數據可獲得性的原則，總結出了影響廢鋼再生利用的指標變量15 個（表1）。

1.1.2 主成分分析法提取影響因素

運用主成分分析法（PCA）找出山西省廢鋼再生利用中的主要因素和各因素間的相互關系[21]。具體計算步驟：1）原始數據標準化處理；2）計算樣本相關矩陣R；3）計算矩陣特征值、方差貢獻率、累計貢獻率；4）確定主成分。計算公式如下：

式中：Xij為廢鋼再生利用影響因素指標層中第i年在第j項指標的測度值；Yij為經無量綱化處理后的廢鋼再生利用影響因素各年度值；設有n個樣本，每個樣本有p個變量，R為p維樣本相關矩陣；Sij為指標層中第i年在第j項指標的樣本方差；a1,···,aj為令|R-λ|=0時得到的單位矩陣，根據單位矩陣計算出矩陣特征值，從而確定主成分。

1.1.3 資源化潛力綜合研究

1.1.3.1 系統動力學仿真模擬

系統動力學是從系統工程的角度出發進行綜合仿真模擬預測的模型，被廣泛應用于產業研究、環境生態等領域，具體研究步驟：1）明確系統邊界，識別各子系統變量；2）明確并畫出系統各因素間的因果關系圖；3）構建揭示各變量間關系的存量流量模型；4）進行仿真模擬；5）進行模型有效性檢驗[22]。

1.1.3.2 灰色預測模型

灰色預測模型是通過微分方程發現數列發展趨勢，從而對信息無法明確的研究對象進行數學分析的方法[23-24]，其具體模型構建如下。

設M(0)為非負序列，其表達式為：

式中：M(0)為原始數據序列，由m(0)(1),···,m(0)(n)n個數據元素構成，本文依次用山西省2005—2020年的粗鋼及鋼材產量構建原始數據序列，進而預測山西省粗鋼及鋼材產量。

對M(0)做累加，可以得到：

式中：M(1)為累加生成數據序列；u為從1 開始的自然數，最大取值為n。

對M(1)做緊鄰均值處理，可以得到：

式中：Z(1)為滑動平均值序列；m(1)(k)為M(1)序列中的數據元素，k為從1 開始的自然數，最大取值為n-1。

則GM（1，1）的灰色微分方程模型為：

式中：b、c為待解系數，采用最小二乘法確定。

最小二乘法估計參數序列滿足為：

式中：W為累加生成矩陣；P為數據向量。

通過b、c確定灰色預測模型為：

將預測模型計算得到的結果通過累減，求得模型的預測值：

計算實際數據與模擬數據的相對殘差進行預測值檢驗，公式如下：

式中ε(k)為相對殘差。當|ε(k)|≤0.1，則認為模型達到較高要求；當0.1＜|ε(k)|＜0.2，則認為模型達到一般要求；否則，模型未達到要求[25]。

1.1.3.3 生命周期法

參考賈逸卿等[26]的預測方式對山西省廢鋼資源量進行估算，公式如下：

式中：QF為山西省廢鋼資源量，萬t；QCG為當年粗鋼產量，萬t；VZF為自產廢鋼收得率，%；QTG為T年前的鋼材表觀消費量，萬t；VJF為折舊廢鋼收得率，%；QGC為當年鋼材產量，萬t；VGF為加工廢鋼收得率，%。

1.2 數據來源

數據來源于《中國鋼鐵工業年鑒》《中國統計年鑒》《山西省統計年鑒》，以及工業和信息化部網站（https://www.miit.gov.cn/gxsj/tjfx/yclgy/gt/index.html）等。其中，政策環境下的低碳發展要求這一指標較難量化，因此以政策背景為基礎，利用經驗系數對其進行量化評估。社會環境下的報廢汽車量測算以汽車使用年限15年為依據[27]，選取1995—2005年山西省新注冊民用汽車數量進行推算。經濟環境下的各類產品價格市場隨時間變化而上下波動，故采用平均值進行估計；對于其他缺失數據的年份采用插值法補全數據。在鋼鐵產品生命周期法計算中，各參數取值情況說明如下：1）自產廢鋼的收得率(VZF)。隨著鋼鐵企業生產工藝和技術的不斷更新，自產廢鋼收得率逐年下降。而近幾年來，由于鋼鐵生產工藝未見大幅改善，因此從廠內廢鋼產生率（廠內廢鋼產量/粗鋼產量）來看，2004—2018年VZF穩定在4.0%～5.5%[28]，未來的參考值為3.5%～4.5%[26]。2）鋼鐵制品平均壽命(T)。據中國鋼鐵工業協會統計，中國鋼鐵制品的平均使用壽命為20～27 a，故選T為17～26 a[28]。3）T年前的鋼材表觀消費量(QTG)。山西省是鋼鐵消費的小省，估計該省T年前的鋼材表觀消費量為當年鋼材產量的60%。4）折舊廢鋼收得率(VJF)。根據山西省廢鋼回收現狀，以發達國家老舊廢鋼產生量經驗公式為依托，設定為該省17年前鋼材產量的45%～50%。5）加工廢鋼收得率(VGF)。即鋼材制造過程中產生的廢鋼，目前中國VGF平均為5%[26]。

2 結果與分析

2.1 主成分分析

應用相關SPSS 統計分析軟件對山西省廢鋼再生利用各指標層數據進行標準化處理后，使用KMO-Bartlett 球形檢驗計算各變量的相關性，結果顯示：KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）檢驗統計量為0.675，說明各變量間信息的重疊程度較高，適合采用主成分分析法；Bartlett球形檢驗中，自由度為105，顯著性為0.0，拒絕各變量的獨立假設，主成分分析法的適用性檢驗成立[29]。根據軟件計算得到運算結果如表2、表3 所示。

表2 主成分提取分析Table 2 Principal component extraction analysis

通常方差貢獻率表示各指標包含信息占總信息的比例。由表2 可以看出，前3 個成分所對應的特征值和方差貢獻率相對較大，因此共計提取了3 個關鍵因子，其特征值依次為9.6、2.7、1.3；3 個關鍵因子的累計方差貢獻率為90.7%，大于85%，可認為這3 個主成分基本能夠反映出原有指標所攜帶的信息，從而將初步選定的15 個指標降維，得到3 個新指標，故將影響山西省廢鋼鐵再生利用的因素歸結為3 個主成分。

由表3 可知，X2（符合廢鋼加工行業準入門檻的山西省企業數量）、X7（山西省生鐵產量）、X11（廢棄資源利用業研究與試驗發展人員數量）、X14（鋼鐵冶煉壓延行業企業有效發明專利數量）、X15（廢棄資源綜合利用業科技投入）在第一主成分上有較高載荷系數，這些指標均與廢鋼加工企業科技創新能力及其發展水平有關，因此可將影響山西省廢鋼再生利用的第一主成分歸納為廢鋼加工企業綜合實力；X1（廢鋼加工行業增值稅退稅比例）、X3（低碳發展要求）、X8（山西省鋼材產量）、X9（山西省粗鋼產量）、X10（山西省建筑業房屋竣工面積）、X13（鋼鐵冶煉壓延行業研究與試驗發展經費投入）在第二主成分上有較高的載荷系數，這些指標均與廢鋼加工利用行業政策環境有關，故將第二主成分歸納為行業政策環境；X4（鐵礦石價格）、X5（廢鋼價格）、X6（鋼坯價格）、X12（山西省報廢汽車量）在第三主成分上有較高載荷系數，這些指標均與廢鋼加工行業市場環境有關，因此可將第三主成分歸納為行業市場環境。綜上，廢鋼加工利用企業綜合實力是山西省廢鋼再生利用的最大影響因素；行業政策環境與行業市場環境是次要影響因素。

2.2 資源化潛力評估

2.2.1 系統動力學仿真模擬

對山西省廢鋼再生利用影響因素進行主成分分析，為構建系統動力學仿真模型提供了依據。本文從社會、經濟、人口、產業結構出發，將各系統內因素間相互作用的反饋回路構成一個整體，作為山西省廢鋼資源量研究的系統邊界；將2005—2020年作為歷史模擬時間，2021—2035年作為模擬預測時間，時間步長為1年，建立存量流量圖（圖1）。

為了驗證模型預測值的有效性與準確性，選取GDP、人口數量、粗鋼產量、鋼材產量作為檢驗對象進行模型歷史性檢驗（表4）。由表4 可以看出，在2005—2020年間的各指標仿真值與歷史值誤差絕對值均保持在10%以內，即仿真模型是有效的。

除基準情景外，本文選取企業綜合實力、政策環境、行業市場3 個因子作為調控變量，比較分析3 個變量對山西省廢鋼資源量的影響程度。通過調整變量取值，獲得4 個情景（表5）。其中，將企業綜合實力、政策環境及行業市場均提升30%作為綜合優質發展情景。

表5 各情景分析參數取值Table 5 Value for each scenario analysis parameter

各情景仿真模擬結果如圖2 所示。基準情景下，2025年、2030年和2035年山西省內廢鋼資源利用量分別為1 388.73 萬、1 759.70 萬、2 174.37 萬t；情景1 設定為企業綜合實力提升30%，該情境下2035年山西省廢鋼資源量增至2 432.05 萬t；《山西省“十四五”工業資源綜合利用發展規劃》中指出，鼓勵大型鋼鐵、有色金屬等企業與再生資源加工企業合作，建設一體化大型廢鋼、廢有色金屬等綠色加工配送中心，因此將政策環境提升30%模擬情景2，該情境下山西省廢鋼資源量較基準情景的增量略低于情景1；根據主成分分析結果，行業市場環境是影響廢鋼再生利用的因素之一，因此設定情景3，該情境下山西省廢鋼資源量略高于基準情景；情景4 山西省廢鋼資源量較基準情景的增量最多，2035年該數值增至2 651.52 萬t。綜上，系統動力學仿真模擬結果與主成分分析得到的結論基本一致，廢鋼加工利用企業綜合實力對廢鋼資源量的影響最大，其次為行業政策環境與行業市場環境，當3 個因素同時提高時，山西省廢鋼資源化潛力將大幅增加。

圖2 各情境下山西省廢鋼資源化潛力發展趨勢Fig.2 Development trend of scrap steel resource potential in Shanxi Province under various scenarios

2.2.2 灰色預測模型及生命周期法評估

根據GM（1,1）預測公式〔式(12)、式(13)〕，首先計算出山西省2005—2020年的粗鋼產量及鋼材產量預測值，運用式(14)進行殘差檢驗，結果顯示模擬值與實際值的相對殘差均小于0.2，即GM（1,1）模型可以有效預測山西省粗鋼及鋼材產量，預測精度及結果符合統計學要求[24]。預測結果表明：“十四五”期間，山西省粗鋼產量與鋼材產量均逐年增長。其中，粗鋼產量由2021年的6 755.69 萬t 增至2025年9 073.86 萬t；鋼材產量由2021年的6 606.17 萬t增至2025年的8 913.34 萬t。在實際研究中，產量受鋼鐵行業降碳減污治理現狀及國家相關政策導向影響較大，因此需要借助行業整體發展趨勢對灰色預測模型得出的理論產量進行修正。2021年，在國家產量同比不增目標、能耗雙控和限電政策影響下，我國粗鋼產量累計已呈負增長，在“雙碳”目標約束背景下，鋼鐵行業壓產量將持續推進[29]。考慮到中國經濟增速放緩、社會鐵資源積累的增加，預計未來國內粗鋼產量將呈現緩慢下降趨勢，總產量不超過10 億t[30-31]。結合國家鋼鐵行業發展趨勢，本文將2025年作為山西省粗鋼及鋼材實際產量達峰年份，2025—2035年粗鋼及鋼材產量見頂回落，維持低速負增長，預計產量在6 500～8 000 萬t。

運用鋼鐵產品生命周期法預測出山西省廢鋼資源利用量將在2021—2031年呈現波動上升趨勢，2031年后有所下降但總體將趨于穩定(圖3)。2025年、2030年和2035年山西省內廢鋼資源利用量分別為1 371.91 萬、1 982.30 萬和1 992.88 萬t。其中，社會回收廢鋼分別為1 008.96 萬、1 667.41 萬和1 727.29 萬t，占廢鋼資源量的比例波動上升，分別為73.54%、84.11% 和86.67%。社會回收廢鋼受17年前鋼材產量的影響較大，2008年山西省鋼材產量較2007年有所下降，2015—2017年山西省鋼材產量較2014年亦有所下降，因此預測2025年及2032—2034年山西省社會回收廢鋼量相較前一年出現短暫下降；企業自產廢鋼受當年粗鋼產量影響較大，2025—2035年，粗鋼產量見頂回落，因此企業自產廢鋼量變化幅度不大。

圖3 山西省廢鋼資源化潛力預測Fig.3 Prediction of resource utilization potential of scrap steel in Shanxi Province

2.2.3 資源化潛力綜合評估結果

綜合上述2 種方法的預測結果對山西省主要年份廢鋼資源量進行評估（表6），2 種預測方法結果相近，長期趨勢相同，山西省廢鋼資源化潛力較大，2020—2030年廢鋼資源量呈現上升趨勢，2030—2035年廢鋼資源量增勢逐漸放緩，到2035年約為2 000 萬t。

表6 主要年份山西省廢鋼資源量綜合預測結果Table 6 Comprehensive forecast results of scrap steel resources in Shanxi Province in major years 萬t

3 結論與啟示

3.1 結論

（1）廢鋼加工利用企業綜合實力在山西省廢鋼再生利用行業的發展中起主導作用，行業政策環境與行業市場環境也在一定程度上影響行業發展。目前山西省廢鋼再生利用參與者主要有私人廢鋼回收點、廢鋼貿易公司和專業廢鋼加工商，大型廢鋼回收企業較少，由此導致山西省符合廢鋼加工行業準入門檻的企業數量不多，企業創新能力不足，規范化發展難度較大，根據系統動力學仿真模擬結果，若企業綜合實力較基準水平提升30%，山西省廢鋼資源化利用水平將出現大幅提升；此外，對政策主體而言，由于山西省獎補政策力度較小，且再生資源產業利潤微薄，導致企業資金不足，影響企業綜合實力的提升；對行業市場而言，廢鋼回收價格受生鐵價格與鋼坯價格影響，因此要充分發揮市場調節作用，堅持以市場為導向。

（2）山西省廢鋼資源化潛力巨大。由預測結果可以看出，山西省廢鋼資源利用量在2021—2030年呈現快速增加趨勢；在2030年后趨于穩定，2035年約為2 000 萬t。其中，在粗鋼產量和鋼材消費量逐步達到穩態的情況下，山西省自產廢鋼和加工廢鋼產量相對穩定，而社會回收廢鋼量占山西省廢鋼資源利用量的比例呈現波動上升趨勢，預計社會回收廢鋼將成為未來山西省廢鋼資源化利用的主要來源，到2035年山西省社會回收廢鋼將占全省廢鋼資源總量的85%以上。

3.2 政策啟示

（1）培育規范化、大型化的廢鋼回收利用企業是山西省廢鋼鐵行業的未來發展方向。針對山西省目前廢鋼利用率低、符合廢鋼加工行業準入門檻企業數量較少的現狀，應在新一輪產能置換中推廣短流程煉鋼工藝，鼓勵廢鋼加工企業規模化擴張與經營，對標國際一流，重點培育龍頭企業，提高廢鋼回收綜合服務能力和行業組織化程度，加強從業人員培訓；充分發揮龍頭企業標桿引領作用，推動廢鋼再生利用體系構建，大幅提升產業集中度和協同發展能力。《山西省“十四五”工業資源綜合利用發展規劃》指出，山西省“十四五”期間的一大重點任務是加強再生資源規范化利用，鼓勵大型鋼鐵、有色金屬等企業與再生資源加工企業合作，建設一體化大型廢鋼鐵、廢有色金屬等綠色加工配送中心。推動長治、晉城、臨汾、運城、太原等地區廢鋼產業回收、加工、處置等流程規范化、一體化發展，加大對呂梁、晉中等地區支持力度，推進廢鋼綜合利用產業規模化、現代化，提高集約化加工經營水平和廢鋼加工質量，促進廢鋼資源的高效合理利用。從長遠來看，“雙碳”背景下山西省廢鋼資源化利用的發展具有較好的政策支持。

（2）推動廢鋼再生利用行業創新化發展。山西省廢鋼資源化潛力較大，在《呂梁市空氣質量鞏固提升2022年行動計劃》中指出了鼓勵長流程鋼鐵企業通過就地改造轉型發展電弧爐短流程煉鋼這一重點任務，將推動以廢鋼作為鋼鐵冶煉原材料的工序發展。但是，廢鋼加工利用企業的科技創新能力不足以支撐持續上升的廢鋼資源量。《山西省“十四五”工業資源綜合利用發展規劃》首次指出，圍繞再生資源分揀加工、高價值廢舊物資精細化拆解等重點領域，突破一批智能制造關鍵技術。鼓勵有能力的大型龍頭企業或第三方機構建設行業互聯網大數據平臺，推動上下游信息共享、資源共享、利益共贏，是未來發展的一大趨勢。

（3）山西省未來廢鋼再生利用行業長期向好，社會回收廢鋼數量逐漸增加。需要加強市場監管力度，落實廢鋼回收及加工利用的企業或個體責任，打擊不正規回收企業，取締非法經營回收及加工利用企業，引導廢鋼鐵回收市場良性發展。