钢铁行业碳减排情景仿真分析及评价研究

刘 贞 蒲刚清 施於人 阎建明 胡 健

(1．重庆理工大学工商管理学院，重庆400054;2．清华大学能源环境经济研究所，北京100084)

钢铁行业碳减排情景仿真分析及评价研究

刘 贞1，2蒲刚清1施於人1阎建明1胡 健1

(1．重庆理工大学工商管理学院，重庆400054;2．清华大学能源环境经济研究所，北京100084)

我国钢铁行业碳排放量约为全国碳排放总量的15%。因此完成钢铁行业碳减排目标是实现我国碳减排总量目标的重要环节。研究为求解未来钢铁行业的碳排放总量与碳减排潜力，提出一种基于技术进步与碳减排外部性的情景仿真模型。在不同的技术进步与碳减排外部性情境下，模型综合考虑节能减排技术对行业/地区碳排放的影响，设计锁定、成长和促进三种碳减排情景。最后采用该模型对重庆市钢铁行业的碳排放总量，碳减排潜力与节能技改投资成本变化进行了情景仿真分析与评价。研究表明，为更好地实现行业的碳减排目标，在现有的节能减排政策环境下，重庆市钢铁行业，需要进一步加强对节能减排技术的推广;加大技术推广投资，用于更多的节能减排技术的研发与推广，加快节能减排技术扩散速度，增强行业碳减排成效;有选择性的进行投入与推广，提高资金的利用效率，以有限的资金实现行业/地区碳减排成效的最大化。

钢铁行业;碳排放;技术扩散;情景设计;低碳示范城市

钢铁行业是我国国民经济的重要基础产业和实现工业化的支柱产业，同时也是能源消耗和大气污染物排放的大户，是我国实行节能减排的重点行业。钢铁工业以碳冶金为基础，在国际钢铁工业中，生产过程的CO2排放量占全球总量的5% －6%。中国因处在工业化、城镇化的中期，钢铁产销量大，钢铁工业的碳排放约为全国总排放量的15%［1］。因此完成钢铁行业碳减排目标是实现我国碳减排总量目标的重要环节。

目前研究碳减排潜力和总量的综合分析评价方法主要分三类，一类是基于能源消费结构调整的情景分析，如文献［2］认为能源消费强度和能源消费结构是影响区域碳排放量的重要因素。通过对东北地区能源消费强度及结构进行统计分析，得出其碳排放量。一类是基于产业结构调整的情景分析。如文献［3］通过分析认为我国传统贸易方式是加工业，这种生产方式带来的是“高投入、高消耗、高排放及低附加值”，其经济、社会及环境效益低于“低投入、低消耗、低污染、高附加值及高效率”的服务行业。文献［4］通过对比服务业与工业的碳排放强度，认为我国城市的工业比重过高，提高服务业在国民经济中的比重是降低碳排放强度的有效手段。第三类是基于行业结构调整的情景分析。如文献［5］在研究水泥行业的低碳技术成效上，使用各项措施(包括水泥生产工艺的改变和多种节能技术使用)对二氧化碳减排效果及减排成本进行推演。

本文在上述文献基础上，提出一种基于技术替代和碳减排外部性的碳减排情景仿真分析模型。研究设计三种碳减排情景，即:锁定情景、成长情景与促进情景，研究节能减排技术在不同的技术扩散情景下对行业/地区碳排放的影响。模型在对钢铁需求量的预测上，使用多曲线趋势模型进行拟合。最后以重庆市钢铁行业作为情景分析案例，对模型的可行性和有效性进行验证。

1 基于全生命周期的碳排放计算方法

1．1 钢铁行业碳排放计算

钢铁行业碳排放受活动水平(行业产品产量)和排放因子(单位产品的碳排放量)制约。本文基于时间序列对钢铁行业活动水平的影响与节能减排技术扩散对排放因子的影响，提出一种适于技术扩散的碳排放计量方法。

设置基准年，得到基准年行业碳排放因子和技术使用比例，预测特定年行业产品产量和技术使用比率。通过特定年行业活动水平、基准年的排放因子及因技术替代所造成的碳减排量，得到特定年的碳排放总量。

其中，ECO2为特定年行业碳排放总量，f0为基准年行业产品碳排放因子，Pt为特定年行业产品生产总量，E'CO2为特定年使用节能减排技术的碳减排量，P'0为基准年行业相关产品产量，P't为特定年行业相关产品产量，St为特定年节能技术在行业中的比例，S0为基准年节能技术在行业中的比例，F'为使用节能技术造成的单位产品减排量。

1．2 基于全生命周期的碳减排外部性计算

设钢铁行业生产流程中共有z种产品，其中包含碳减排外部性的单位商品价格:

其中，α为发展低碳经济所带来的外部收益的变化率。由于各个商品的碳排放对于社会来说，其单位收益是相同的。p0为期初碳减排外部性价格，qz，t为第z种产品的单位碳排放量。

2 钢铁行业碳减排情景设计

2．1 钢铁行业碳减排途径

综合文献［6－8］对钢铁行业节能减排策略的研究，钢铁行业减排主要有四种途径:①加强行业/企业内部管理:完善能源监管机构，监管生产过程中节能减排工作的执行情况，督促在生产环节中节能减排工作落实。②优化产业结构:淘汰落后生产线及生产工艺，提升钢铁生产水平。推进行业联合重组，使生产更加集中化和现代化。③调整企业用能结构:使钢铁生产由“铁－转炉－钢”的生产工艺向“废钢－电炉－钢”的生产工艺转变，降低煤炭的使用。④推进节能技术创新及节能技术使用:加大对节能减排技术的投资，推动行业节能技术研发、引进与推广，从生产源头落实节能减排。

在钢铁行业节能技术的推广中，均提到我国二次能源利用率较低，应提高在钢铁生产中二次能源的利用，主要涉及在钢铁生产中对余热、余能及余压的利用。文献［9］提到我国大多数钢铁企业的余热余能回收利用率在30－50%，与日本92%有较大差距，因此二次能源的有效回收利用的潜力很大。

本文参考文献［10］所提及的主流节能减排技术，综合考虑钢铁生产工艺中工序耗能比例。选取节能减排技术进行情景仿真分析，模拟其在不同技术扩散情景下对行业/地区碳排放的影响。

2．2 钢铁行业生产工序能耗对比

钢铁生产中各生产工序的能耗对比，可以为节能技术的选取提供依据。文献［3］给出2005年国内大中型钢铁企业吨钢可比能耗情况，图1是各工序在2005年的能耗比例。其中高炉炼铁工序平均能耗为457 kgce/t钢，占所有生产工序的53%。并且我国高炉炼铁工序与国外同水平生产工序相比，具有54．3 kgce/t钢的差异。轧钢工序由于板带比低和加工深度不足，工序能耗比国外低很多，两者不具有可比性。当不考虑国内外轧钢系统加工深度、成材率和工序能耗方面的差异，我国吨钢可比能耗高于国外64．4 kgce。考虑国内外轧钢系统的差异并取国内轧钢工序与国外相同水平，我国吨钢可比能耗高于国外112．0 kgce。

图1 钢铁生产各工序的能耗结构Fig．1 The proportion of process energy consumption in steel production

2．3 节能减排技术选取

在国内钢铁生产工艺的主流节能减排技术中，选取适用于高炉炼铁及整个生产流程的节能减排技术进行情景分析。

(1)低热值高炉煤气燃气－蒸汽联合循环发电技术(CCPP)。燃气轮机燃烧做功(发电)，排出的烟气通过余热锅炉产生蒸汽而做功(发电)。2007年我国生铁产量达到46 944．63万t，高炉煤气产生量为6 000亿m3，高炉煤气散放量达到614亿m3，散放率为10．2%，平均每吨铁散放130．79m3的高炉煤气［11］。2010年国内 CCPP技术推广比例达到10%。此技术典型项目建设投资额56 200万元，单位节能量1 kWh/m3高炉煤气，项目节能量达到9．4亿kWh/年，平均每万元节能6．76 tce。

(2)干式TRT技术(高炉炉顶余压余热发电技术)以能量回收透平装置为基础，利用高炉炉顶煤气的余压余热，把煤气导入透平膨胀机，驱动发电机发电。到2010年我国高炉使用TRT技术利用高炉炉顶余压余热进行发电达到100%，干式TRT达到60%，且使用干式TRT技术每吨铁将节能 50 kwh，约 0．02 tce［12］。工业和信息化部在钢铁企业干式TRT发电技术推广实施方案中提到，到2011年底，重点大中型钢铁企业1 000立方米以上高炉配置率将提高到70%，2014年将达到100%。

(3)高炉鼓风除湿技术采用冷凝法除湿，入热风炉的空隙采用脱湿技术工艺，将进入鼓风机之前的湿空气先行预冷，接着将预冷后的湿空气通过表冷器冷却，使其温度降低到空气含湿量对应的饱和温度以下，湿空气中的多余饱和量的水分凝结析出，空气中的含水量降低。我国2009年高炉鼓风除湿技术推广比例＜5%，预计其在2015年推广比例将达到10%。高炉鼓风除湿技术的推广在2005年的使用比例只有1%左右，而到2020年将达到20%。

(4)高压变频调速技术采用单元串联多电平技术或者IGBT元件直接串联高压变频器等技术，实现变频调速系统的高输出功率(功率因素＞0．95)，同时消除对电网谐波的污染。对中高压、大功率风机、水泵的节电降耗作用明显，平均节电率在30%以上［13］。2010年技术推广比例为15%，预测其在2015年推广比例将达到50%，单位节能0．086 kgce/kWh，到2020年能达到100%。

2．4 钢铁行业减排情境设计

选取典型节能减排技术，设置不同情景，模拟在相同技术扩散情景下使用不同节能减排技术对行业及区域碳排放影响，以及不同碳排放情景下的投资变化情况。并比较不同情景下，不同节能减排技术对行业/地区碳排放和投资的影响。基于此，提出通过技术路径建立低碳示范城市中，行业中优先发展的技术及优先发展的技术组合的建议。

研究设置了三种情景，①锁定情景:模拟在特定年份，节能减排技术扩散比例和基准年行业内比例相同。②成长情景:模拟在特定年份，节能减排技术扩散比例在现有的政策环境和市场环境下的扩散情况。③促进情景:模拟在特定年份，政府加强对节能减排技术的推广，使得技术扩散程度增强的情况。图2为情景仿真模拟路线图。

图2 情景仿真模型路线图Fig．2 The route of scene simulation

3 重庆市钢铁行业碳减排情景分析评价

3．1 重庆市钢铁行业产量预测

产量预测可以采用数学模型法、弹性系数法，消费系数法、定性消费法、非线性动态系统的递归神经网络预测法等方法［14－16］。

研究选取重庆市近17年的钢材生产量实际数据，采用SPSS，进行多种模型拟合，得出各模型在曲线拟合时的拟合优度、显著性检验值p值及各模型的参数估计值。通过对各模型的拟合优度和显著性检验值的比较，选取下式(三次曲线产量预测模型)进行产量预测，表1为相关产品的预测值。

Y=127．541 －4．712x+0．586x2+0．09x3

其中，Y为预测值，x为时间序列。

表1 重庆市钢材与相关产品产量(万t)Tab．1 Prediction of Steel and related products in Chongqing

3．2 重庆市碳减排情景设计

以重庆市钢铁行业作为情景仿真分析对象，使用产品作为行业碳排放的活动水平，参考选取的节能减排技术在全国的技术扩散情况作为碳排放因子的影响因素，以此来判断重庆市钢铁行业应用节能减排技术，在不同的技术扩散情境下行业/地区的碳排放变化情况。技术扩散比例选取的因素，将参考已知年份技术扩散比例，采用平均年增长率对特定年份的技术扩散比例预测。重庆市钢铁行业，不同节能减排在不同的情境设计中的结果如表2。

3．3 重庆市钢铁行业碳减排情景分析评价

相同情境下，不同的技术对行业/地区的碳排放影响不同。不同情境下，相同技术对行业/地区的碳排放影响也不同。通过情景仿真得出在相同情境下，不同技术的碳减排效果与不同情景下，相同技术的碳减排效果。图3为各技术在不同情景下的碳减排潜力分析结果。

锁定情景:在这种情景下，因为高压变频调速技术、CCPP、干式TRT技术和高炉鼓风除湿技术的应用比例分别达到5%、0、28%和1%，总体只能达到0．83%的碳减排效果，重庆市节能技改投资成本将为3．6亿元。

表2 不同情景设计下节能减排技术对行业碳排放的影响Tab．2 The effect of emission reduction technologies on carbon emissions in different scenarios

图3 不同情景下碳减排潜力Fig．3 The reduction potential of carbon emission in different scenarios

成长情景:38．11亿元节能技改总投资，在2020年，四种技术的使用比例将分别达到100%、30%、60%和20%。碳减排效果将达到184．02万 t，相对锁定情景多减排169．24万t，节能减排比例将达到9．6%，节能减排效果显著。不过并不能达到20%的减排目标，建议重庆市进行财政补贴或政策规定，进一步推广这几种节能减排技术，或者加大对其他节能减排技术的推广。

促进情景:在现有政策环境中，进一步通过宏观调控，提高技能技改投资额度(3．77亿元)，加速技术扩散速度。各节能减排技术分别在成长情景的基础上多减排0万t、9．85 万 t、8．75 万 t和 1．74 万 t，合计 20．29 万 t。节能减排比例也增加到11．53%，增加1．98个百分点。CCPP和干式TRT技术在强化情境下，减排效果更加显著，应实行政策推广。而高压变频调速技术的政策强化效果为0，建议维持现有技术扩散政策，优先强化其他节能技术的扩散。

4 结论与发展

通过三种情景仿真，对钢铁行业节能减排技术进行仿真分析，研究各技术对行业/地区的碳排放影响及节能技改投资成本变化趋势。以重庆市钢铁行业为案例，验证模型的有效性。分析认为:重庆市在现有的政策环境下，应进一步加强节能技术的研发与推广;有选择性的进行技术投资，提高资金利用效率。

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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

刘贞，博士，副教授，主要研究方向为低碳经济、可再生能源发展战略。

国家自然科学基金(编号:71073095);教育部人文社会科学研究青年基金(编号:10YJC630161)。

(编辑:常 勇)