中国钢铁行业技术减排的协同效益分析

马 丁，陈文颖*（1.清华大学现代管理研究中心，北京 100084；2.清华大学能源环境经济研究院，北京100084）

中国钢铁行业技术减排的协同效益分析

马 丁1，2，陈文颖1，2*（1.清华大学现代管理研究中心，北京 100084；2.清华大学能源环境经济研究院，北京100084）

选取钢铁行业的22项节能减排措施，评估和比较了各项措施的减排潜力、减排成本和协同效益，力图得到钢铁行业减排的最优路径.研究结果表明:基于2012年的钢铁产量和生产结构，我国钢铁行业的技术减排潜力约为146.8Mt CO2、314.2kt SO2、265.7kt NOx和161.5kt PM10，分别占钢铁行业2012年总排放量的9.7%、13.1%、27.3%和8.9%；如果考虑节能收益，有10项措施具有经济可行性，累积减排潜力约为98.0Mt CO2、210.0kt SO2、211.0kt NOx和89.0kt PM10；如果综合考虑节能收益和协同效益，有14项措施具有经济可行性，累计减排潜力约为123.4Mt CO2、264.0kt SO2、234.0kt NOx和130.0kt PM10.钢铁行业开展技术减排时，需要综合考虑减排成本、节能收益和协同效益，参考减排成本选择最成本有效的措施.

钢铁行业；减排潜力；减排成本；协同效益

为了推动“节能减排”工作，中国政府在“十二五”规划中设定了一系列约束性指标，包括单位国内生产总值（GDP）能耗降低16%，单位GDP碳排放降低17%.主要污染物排放总量显著减少，SO2排放减少8%，NOx排放减少10%［1］.钢铁行业作为国民经济的重要支柱和现代工业的重要基础，是典型的高耗能、高排放和高污染行业［2-7］.为了顺利实现“十二五”期间制定的目标，对钢铁行业开展“节能减排”是非常有必要的.

减排主要包括规模减排、结构减排和技术减排等形式.我国尚处于工业化和城镇化快速发展阶段，钢铁行业要在短期内实现规模减排不太现实.目前钢材人均社会保有量偏低，废钢回收量与进口量都非常有限，难以在短期内大幅提高电炉钢的比例，结构减排潜力也比较有限.因此，本文着重考虑钢铁行业的技术减排.

节能减排措施在减排CO2的同时，对其它大气污染物也有减排效果，称之为“协同效益”.将“协同效益”纳入评估范围并进行定量分析，可以凸显技术措施在节能之外的好处，进而可以客观评价和比较不同技术措施的可行性和优先性.

国内外对技术减排的潜力、成本和协同效益开展了诸多研究［8-12］，但是专门针对钢铁行业，涵盖多项技术减排措施的综合协同效益分析较少.本文评估钢铁行业技术减排潜力和减排成本，分析协同效益，旨在为钢铁行业推动“节能减排”提供参考.

1 数据说明与研究方法

1.1 数据说明

钢铁行业各流程产量主要取自世界钢铁协会［3］和中国钢铁工业协会［13］.节能减排技术参数（包括单位节能量、单位节电量、成本、寿命以及基年普及率等）主要取自《国家重点节能技术推广目录》［14］、《中国二氧化碳减排技术潜力和成本研究》［15］和Lawrence Berkeley National Lab（LBNL）的报告［16］.能源的直接和间接排放系数主要参考国内外公开发表的论文［11，17-19］.钢铁行业的燃料价格通过动力煤和焦炭的质量加权平均得到［20-21］；电力价格主要是参考我国高耗能工业销售电价［22］.虽然常用贴现率是8%，但是考虑到节能减排技术普及面临的诸多困难（包括认知风险、信息不对称、资本约束、机会成本、管理层过分关注投资回收期等），本文选取15%作为贴现率［16］.

1.2 研究方法

基于钢铁行业各流程产量，各项技术措施的节能潜力和节电潜力如式（1）、（2）所示:

式中:SF和SE分别代表节能潜力和节电潜力；P代表流程产量；k代表技术的基年普及率；RF和RE分别代表技术的单位节能量和单位节电量；TA代表技术可达率.技术可达率主要是参考公开发表的报告估计得到［14-15］.

各项技术措施减排量的计算如公式（3）所示:

式中:RC为减排潜力；EF1和EF2分别代表燃料排放系数和电力间接排放系数.

减排成本采用增量分析法，如式（4）所示［15］.

式中:TC代表增量成本；I代表单位投资成本；ΔOM代表增加的单位运营维护成本；r代表贴现率；n代表技术寿命.

为了评估协同效益，定义了协同效益综合指数AP，如式（5）所示［12］.

式中:A、B、C和D分别代表CO2、SO2、NOx和PM10的权重因子.CO2的权重因子是选择中国7个区域性碳交易市场（北京、上海、天津、深圳、广东、湖北和重庆）的历史交易平均价格，截止到2014年9月30日，碳交易平均价格为36.5元/t CO2，交易价格范围为18.0～67.7元/t CO2［23］.鉴于我国目前没有大气污染物的排放权交易市场，本文选择大气污染物对环境的负面影响（environmental damage cost）作为基准情景中的权重因子［10］.考虑到我国刚建立区域性碳市场，碳价波动较大，此外，不同研究机构对大气污染物的负外部性评估也存在差异［24-25］，因此对权重因子进行了敏感性分析.

单位减排成本为c.如果只考虑节能收益，单位减排成本如式（6）所示；如果纳入协同减排效益，单位减排成本如式（7）所示.

式中:p1、p2分别代表燃料价格和电力价格.

2 钢铁行业节能减排措施

钢铁生产主要包括炼焦、烧结、球团、炼铁、炼钢（转炉和电炉）、铸钢和轧钢（热轧和冷轧）等7个流程.虽然近年来我国吨钢综合能耗、吨钢可比能耗和流程能耗均有所下降，部分钢企的部分指标已达到或接近世界先进水平，但整体能耗水平还是远高于日、韩等国，节能减排潜力巨大.通过文献调研、资料筛选和数据分析，最终选取了22项节能减排措施，如表1所示［11，14-16］.

表1 钢铁行业的节能减排措施Table 1 Typical energy-saving and emission-reduction technologies in iron and steel industry

3 结果及讨论

3.1 减排潜力评估

钢铁行业各项措施的减排潜力如表2所示.从单项技术来看，减排潜力最大的是蓄热式燃烧器技术，减排潜力分别为27.6Mt CO2、58.9kt SO2、75.3kt NOx和16.5kt PM10，减排潜力最小的是回收利用高炉煤气技术，减排潜力分别为0.1Mt CO2、20.0kt SO2、10.0kt NOx和20.0kt PM10；从技术类型来看，工艺节能技术有15项，能量回收利用技术有7项，减排潜力占比分别为75.3%和24.7%；从工艺流程来看，减排潜力最大的是炼铁流程和轧钢流程，减排潜力占比分别为28.2%和36.8%；从累计减排潜力来看，钢铁行业的累计技术减排潜力分别为146.8Mt CO2、314.2kt SO2、265.7kt NOx和161.5kt PM10，分别占2012年钢铁行业总排放量的9.7%、13.1%、27.3%和8.9%.虽然钢铁行业目前没有约束性减排目标，但是如果参照“十二五”期间的总体减排目标，通过技术减排足以完成钢铁行业的各项减排目标.

表2 2012年我国钢铁行业的技术减排潜力（×104t）Table 2 The potential of emission reduction in China’s iron and steel industry in 2012 （×104t）

3.2 减排成本比较

按照公式（6）、（7）分别计算单位减排成本，结果如表3所示.

表3 我国钢铁行业的单位减排成本 （元/t CO2）Table 3 The cost of carbon reduction in China’s iron and steel industry （yuan/t CO2）

从表3可以看出，单位减排成本最低的3项技术分别是强化辐射节能技术、蓄热式燃烧器技术和烧结余热发电技术；单位减排成本最高的3项技术分别是干熄焦技术、热轧余热回收技术和旋切式高风温顶燃热风炉技术.

节能收益和协同效益对减排技术的成本和经济可行性影响很大.如果不考虑节能收益和协同效益，钢铁行业减排CO2的成本区间为38～2288元/t；如果仅考虑节能收益，钢铁行业减排CO2的成本区间为-918～1888元/t；如果同时考虑节能收益和协同效益，钢铁行业减排CO2的成本区间为-1011～1759元/t.

3.3 累计减排潜力

虽然钢铁行业的减排潜力很大，但是部分措施的减排成本太高，技术的推广普及面临很大阻力.如果只考虑节能收益，共有10项措施具有经济可行性，累计减排潜力分别为98.0Mt CO2、210.0kt SO2、211.0kt NOx和89.0kt PM10；如果同时考虑节能收益和协同效益，共有14项措施具有经济可行性，累计减排潜力分别为123.4Mt CO2、264.0kt SO2、234.0kt NOx和130.0kt PM10. 3种类型的累计减排潜力对比如下图1所示.

图1 2012年我国钢铁行业的累积减排潜力Fig.1 Accumulated emission reduction potentials in China’s iron and steel industry in 2012

3.4 敏感性分析

贴现率和权重因子对减排成本具有较大影响.本文针对贴现率和权重因子设置了5种情景，如表5所示.

表5 贴现率和权重因子的情景定义［10，23-25］Table 5 The definitions of discount rate and weighting factors［10，23-25］

针对不同情景，对各项措施的减排成本分别进行计算，具有经济可行性的技术措施的累计减排潜力如下表6所示.

贴现率越高，技术的年化投资成本越高，经济可行性越差.从表6可以看出，贴现率为10%（情景2）时，协同效益对技术经济性影响较小，2种类型的成本效益（cost-effective）减排潜力差异不大；贴现率为15%和20%（情景1和3）时，协同效益对技术经济性影响较大，两种类型的成本效益减排潜力差异较大.不考虑协同效益时，贴现率对经济型减排潜力有较大的影响；考虑协同效益时，贴现率对经济型减排潜力的影响不大.

权重因子越高，技术的协同效益越好，单位减排成本越低，技术的经济可行性越好.在本文设定的3种权重因子情景（情景1，4，5）中，不同类型的权重因子对技术的减排成本会有较大影响，但是对技术的经济可行性和成本效益减排潜力没有影响.考虑协同效益时的经济型减排潜力远高于不考虑协同效益时的经济型减排潜力.

表6 我国钢铁行业减排潜力的敏感性分析Table 6 The sensitivity analysis of the emission reduction in China’s iron and steel industry

如果不考虑技术减排的协同效益，成本效益减排潜力约为98.0～123.4Mt CO2，210.0～264.0kt SO2，211.0～234.0kt NOx和89.0～130.0kt PM10；如果考虑协同效益，成本效益减排潜力约为122.7～126.3Mt CO2，263.0～270.0kt SO2，232.0 ～237.0kt NOx和129.0～134.0kt PM10；如果考虑所有技术措施，累计减排潜力约为146.8Mt CO2，314.2kt SO2，265.7kt NOx和161.5kt PM10.

3.5 讨论

钢铁行业的技术减排潜力约为1.5亿t CO2，成本效益减排约为1.0～1.2亿t CO2；技术减排措施在减排CO2的同时，对控制大气污染物排放效果显著；节能减排成本、节能收益和协同效益对钢铁行业减排技术的经济性具有重要的影响.

鉴于数据资料所限，本文仅评估和分析了钢铁行业的减排潜力和协同效益，还存在一些待完善的地方，主要体现在:1）仅对贴现率和排放物的权重因子进行了不确定性分析，还需要对技术可达率和能源价格等因素作进一步讨论；2）技术减排的协同效益还可以覆盖更多大气污染物（如CO、VOC、PM2.5等），同时还可以考虑减排固废和节水的协同效益；3）权重因子与行业、地区、时段等因素密切相关，如果有更详细的数据资料，最好通过空气质量评估模型来确定权重因子；4）从中长期来看，钢铁行业的规模减排和结构减排潜力也是不可忽视的，未来需要进一步挖掘钢铁行业的减排潜力.

3.6 建议

3.6.1 完善节能减排技术体系，制定实施路线 应针对钢铁行制定节能减排技术开发和推广应用规划、行动措施、保障机制及实施路线图，以明确钢铁行业关键技术的研发、示范、市场化和规模化进程，以及推广应用关键节能减排技术的优先顺序.

3.6.2 加大关键技术研发力度，促进技术创新 加大宏观管理、政策引导和组织协调，提高关键技术研发力度.加强基础科学研究体系、应用技术开发体系及科学服务体系建设，引导企业和科研院所开展关键技术的研发、联合攻关、示范和推广.

3.6.3 增加资金投入和政策激励，推动技术应用 加大各级财政专项资金对关键节能减排技术推广应用的支持，推动关键技术的推广应用.认真落实技术推广应用的税收优惠政策，积极鼓励企业利用社会资金，引导金融、信贷机构支持企业实施节能改造.

4 结语

本文选取钢铁行业的26项节能减排技术措施，评估和比较了各项技术措施的减排潜力、减排成本和协同效益.结果表明，中国钢铁行业减排潜力巨大.节能减排技术的推广应用对中国钢铁行业减排温室气体和促进节能减排具有重要战略意义，是中国应对气候变化的重要路径选择.节能减排技术的普及有助于降低大气污染物（SO2， NOx和PM10等）的排放量，具有显著的协同效益.钢铁行业开展节能减排时，需要综合考虑减排成本、节能收益和协同效益，选择最成本有效的措施.

［1］中华人民共和国中央人民政府.中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要 ［EB/OL］. 2011.

［2］沈 鹏，傅泽强，高 宝，等.钢铁行业大气污染物协同减排研究［C］//2012年中国环境科学学会学术年会论文集（第三卷）， 2012年.

［3］世界钢铁协会.钢铁统计年鉴2013 ［R］. 2013.

［4］国家统计局.中国能源统计年鉴2013 ［M］. 2013.

［5］国家统计局.中国环境统计年鉴2013 ［M］. 2013.

［6］Yin X， Chen Y. Trends and development of steel demand in China: a bottom-up analysis ［J］. Resource Policy， 2013，38（4）:407-415.

［7］Chen W， Yin X， Ma D. A bottom-up analysis of China’s iron and steel industrial energy consumption and CO2emissions ［J］. Applied Energy， 2014.

［8］IPCC 4thassessment report ［EB/OL］. www.ipcc.ch/pdf/ assessment-report/ar4/syr/ar4_syr_cn.pdf .

［9］Yeora C. Co-benefits analysis of an air quality management plan and Greenhouse gas reduction strategies in the Seoul metropolitan area ［J］. Environmental science and Policy， 2010，13:205-216.

［10］Yang X， Teng F， Wang G. Incorporating environmental cobenefits into climate policies: A regional study of the cement industry in China ［J］. Applied Energy， 2013，112:1446-1453.

［11］毛显强，曾 桉，等.钢铁行业技术减排措施硫、氮、碳协同控制效应评价研究 ［J］. 环境科学学报， 2012，32（5）:1253-1260.

［12］毛显强，邢有凯，胡 涛，等.中国电力行业硫、氮、碳协同减排的环境经济路径分析 ［J］. 中国环境科学， 2012，32（4）:748-756.

［13］中国钢铁工业协会.中国钢铁统计2011 ［M］. 2012.

［14］国家发改委.国家重点节能技术推广目录（第1-6批）［EB/OL］. 2008～2013.

［15］戴彦德，胡秀莲，等.中国二氧化碳减排技术潜力和成本研究［M］. 北京:中国环境出版社， 2013.

［16］Hasanbeigi A， Morrow M， Sathaye J， et al. Assessment of energy efficiency improvement and CO2emission reduction potentials in the iron and steel industry in China ［EB/OL］. 2012. http://www. iipnetwork.org.cn/CSC_steelindustry.pdf.

［17］Nobuo K， Hajime A. Anthropogenic emissions of SO2and NOxin Asia: emission inventories ［J］. Atmosphere environment， 1992，26（16），2997-3017.

［18］Zhao B， Wang P， Ma J， et al. A high-resolution emission inventory of primary pollutants for the Huabei region， China ［J］. Atmospheric Chemistry and Physics， 2012，12:481-501.

［19］谢元博，李 薇.基于能源消费情景模拟的北京市主要大气污染物和温室气体协同减排研究 ［J］. 环境科学， 2013，34（5）:2057-2064.

［20］李 廷，宋 斌.2012年煤炭市场运行趋势预测 ［J］. 煤炭经济研究， 2013，33（1）:25-28.

［21］李俊峰，肖 妍，陈 璐.我国焦炭期货与现货价格关联研究 ［J］.价格理论与实践， 2013，（10）:71-72.

［22］国网能源研究院.国际能源与电力价格分析报告（2013） ［M］. 北京:中国电力出版社， 2013.

［23］中国碳排放交易网.碳交易市场价格行情汇总（2014年9月30日） ［EB/Z］. http://www.tanpaifang.com/tanshichang/201410/ 0138712.html.

［24］魏学好，周 浩.中国火力发电行业减排污染物的环境价值标准估算 ［J］. 环境科学研究， 2003，16（1）:53-56.

［25］Liu Z， Jenny L， Zhang X. The target decomposition model for renewable energy based on technological progress and environmental value ［J］. Energy Policy， 2014，68:70-79.

致谢：感谢发改委能源所的熊华文研究员和美国LBNL的 Hasanbeigi Ali博士对本研究的帮助与支持.

Analysis of the co-benefit of emission reduction measures in China’s iron and steel industry.

MA Ding1，2， CHEN Wen-ying1，2*（1.Research Center of Contemporary Management， Tsinghua University， Beijing 100084， China；2.Institute of Energy， Environment and Economy， Tsinghua University， Beijing 100084， China）. China Environmental Science，2015，35（1）：298～303

In this study， we selected 22 energy-saving and emission-reduction measures， evaluated the emission reduction potentials， reduction costs and co-benefits， and tried to get the optional path for the CO2mitigation of China’s iron and steel industry. The results showed that: based on the current steel output and production structure， the total emission reduction potentials are 146.8Mt CO2， 314.2kt SO2， 265.7kt NOxand 161.5kt PM10， respectively， accounting for about 9.7%， 13.1%， 27.3% and 8.9%. If consider energy-saving benefits， 10measures are cost-effective and the total emission reduction potentials are 98.0 Mt CO2、210.0kt SO2、211.0kt NOxand 89.0kt PM10， respectively. If we consider the energy-saving and co-benefits， 14measures are cost-effective and the total emission reduction potentials are 123.4 Mt CO2、264.0kt SO2、234.0kt NOxand 130.0kt PM10， respectively. For the iron and steel industry， we should consider the reduction costs， energy savings and co-benefits， based on the emission reduction cost and choose the most cost-effective measures.

iron and steel industry；emission reduction potential；emission reduction cost；co-benefit

X24

A

1000-6923（2015）01-0298-06

马 丁（1987-），男，湖北黄冈人，清华大学博士研究生，主要从事能源系统建模和应对气候变化研究.发表论文6篇.

2014-05-20

教育部人文社科重点研究基地重大项目（12JJD630002）；国家“十二五”科技支撑项目（2012BAC20B01）；国家发改委低碳发展宏观战略研究（2012011）

* 责任作者， 教授， Chenwy@mails.tsinghua.edu.cn