京津冀鋼鐵行業(yè)節(jié)能、SO2、NOx、PM2.5和水協(xié)同控制

徐向陽,任 明,高俊蓮

?

京津冀鋼鐵行業(yè)節(jié)能、SO2、NO、PM2.5和水協(xié)同控制

徐向陽*,任 明**,高俊蓮

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院,北京 100083)

建立自下而上的綜合動態(tài)優(yōu)化模型,在節(jié)能、大氣污染物(SO2、NO和PM2.5)減排和節(jié)水的綜合約束下,研究京津冀地區(qū)2015~2030年鋼鐵行業(yè)48項節(jié)能減排技術(shù)優(yōu)化發(fā)展路徑,并預(yù)測該地區(qū)鋼鐵行業(yè)能耗、大氣污染物排放和水耗.結(jié)果表明,國家應(yīng)優(yōu)先鼓勵推廣干熄焦,小球燒結(jié)技術(shù)等22項技術(shù),此類技術(shù)可以有效協(xié)同控制能耗、大氣污染物排放和水耗.京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)具有很大的節(jié)能、大氣污染物減排和節(jié)水潛力,到2030年在實現(xiàn)大量節(jié)能、大氣污染物減排潛力的同時可以實現(xiàn)節(jié)水10.08億m3.雖然計算得到的購水成本僅約占總成本的2%,但是京津冀地區(qū)面臨著嚴(yán)重大氣污染和極度的水資源短缺問題,仍然需要兼顧節(jié)能減排技術(shù)對水資源的影響.

鋼鐵行業(yè)；動態(tài)優(yōu)化；協(xié)同控制；技術(shù)路徑

北京、天津和河北(京津冀)地區(qū)面臨著嚴(yán)重的大氣污染與水資源短缺問題.2016年全國空氣質(zhì)量最差的10個城市中有6個位于河北省[1],大氣污染嚴(yán)重危害著公眾的健康生活.另一方面,京津冀地區(qū)屬于嚴(yán)重缺水地區(qū),其平均人均水資源量僅為全國平均水平的1/10,水生態(tài)環(huán)境長期處于嚴(yán)重超載狀態(tài)[2].在京津冀協(xié)同發(fā)展背景下,大氣污染和水資源短缺問題受到政府的極大關(guān)注.中國政府提出碳排放總量到2030年左右達(dá)到峰值,并在“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃中明確提出主要大氣污染物的減排目標(biāo)[3].在節(jié)水型社會建設(shè)“十三五”規(guī)劃中要求嚴(yán)格控制水資源消耗總量和強(qiáng)度[4].鋼鐵行業(yè)是該地區(qū)主要能源消耗、水資源消耗和大氣污染物排放源之一.2014年河北省鋼鐵行業(yè)能耗、水耗分別占河北省工業(yè)部門總能耗、水耗量的51.6%、27.7%[5];同年京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)SO2、NO和煙粉塵的排放量分別約占京津冀地區(qū)工業(yè)部門總量的27.8%、13.6%和17.2%[6].因此,在京津冀地區(qū)嚴(yán)重的大氣污染,極度水資源短缺以及氣候變化多重資源與環(huán)境壓力下,如何提高能源和水資源使用效率,減少能源和水資源消耗、CO2和大氣污染物排放,實現(xiàn)協(xié)同控制的目的,是目前京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn).先進(jìn)適用技術(shù)是提高能源和水資源的效率,減少大氣污染物排放的關(guān)鍵.

鋼鐵行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)主要包括節(jié)能技術(shù)和末端治理技術(shù).節(jié)能技術(shù)通過節(jié)約能源從而減少能源在燃燒時釋放的CO2和大氣污染物,并且有些節(jié)能技術(shù)還兼具節(jié)水效果.部分末端治理技術(shù)在減少一種大氣污染物的同時會增加電力和水資源消耗,從而造成減少污染物的同時會增加CO2的排放,產(chǎn)生負(fù)協(xié)同效益[7].為了避免環(huán)境目標(biāo)之間的轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水和大氣污染物減排的協(xié)同控制目標(biāo),在先進(jìn)技術(shù)的選擇過程中,需要綜合權(quán)衡每項技術(shù)的節(jié)能、節(jié)水和大氣污染物減排效果.

協(xié)同效益最早在IPCC第三次評估報告中提出,隨后又出現(xiàn)協(xié)同控制的概念.一些學(xué)者關(guān)注鋼鐵行業(yè)大氣污染物和溫室氣體的協(xié)同控制[8-9];也有些學(xué)者考慮鋼鐵行業(yè)節(jié)能技術(shù)對水資源的影響[10].鋼鐵行業(yè)中能耗、水耗和大氣污染物排放是相互聯(lián)系的.然而,關(guān)于如何通過技術(shù)的優(yōu)化選擇同時達(dá)到節(jié)能、大氣污染物減排以及節(jié)水的協(xié)同控制目標(biāo)的研究卻很少.本文將鋼鐵行業(yè)能源、大氣污染物排放和水的協(xié)同控制問題放在一個綜合框架中進(jìn)行研究.以48項國家鼓勵推廣的鋼鐵行業(yè)先進(jìn)適用技術(shù)為基礎(chǔ),以成本最小為優(yōu)化目標(biāo),在鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級規(guī)劃(2016~2020年)中制定的節(jié)能目標(biāo)、大氣污染物減排目標(biāo)和節(jié)水目標(biāo)為約束的條件下,建立自下而上的綜合動態(tài)優(yōu)化模型.研究2015~2030年京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)優(yōu)化技術(shù)發(fā)展路徑,預(yù)測能源、水資源需求量,大氣污染物(SO2、NO和PM2.5)排放量,并計算其相應(yīng)的成本.本文研究結(jié)果可為京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)推廣路線提供借鑒,為京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)協(xié)同控制大氣污染,能耗(溫室氣體排放)及緩解水資源短缺的多重資源與環(huán)境問題提供參考.

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 綜合動態(tài)優(yōu)化模型

本文以鋼鐵行業(yè)先進(jìn)適用技術(shù)為基礎(chǔ),建立自下而上的綜合動態(tài)優(yōu)化模型,用于京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)的優(yōu)化選擇.模型以研究期間內(nèi)(2015~2030年)累計總成本最小為優(yōu)化目標(biāo),同時滿足多個約束條件,包括能耗和水耗強(qiáng)度約束,SO2、NO和PM2.5排放強(qiáng)度約束.總成本包括技術(shù)投資成本、能源成本(購買煤炭和電力的費(fèi)用)、水成本(購買水的費(fèi)用)和排放成本(貨幣化的SO2、NO和PM2.5排放對環(huán)境造成的損害).模型綜合考慮了技術(shù)的節(jié)能、節(jié)水、SO2、NO和PM2.5減排5個因素,詳細(xì)描述了48項節(jié)能減排技術(shù)產(chǎn)能在研究期間內(nèi)隨時間的動態(tài)變化過程.模型輸出結(jié)果包括:最優(yōu)技術(shù)路徑;技術(shù)的節(jié)能和節(jié)水潛力, SO2、NO和PM2.5減排潛力;能源和水需求量, SO2、NO和PM2.5排放量及成本.模型中考慮了基于高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼路徑(京津冀地區(qū)主要以高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼路徑為主[11])的節(jié)能和末端治理兩大類國家鼓勵推廣的鋼鐵行業(yè)先進(jìn)適用技術(shù)(表1),將生產(chǎn)過程分為煉焦,燒結(jié),高爐煉鐵,轉(zhuǎn)爐煉鋼和軋鋼工序,上一工序的產(chǎn)品為下一工序的生產(chǎn)提供中間產(chǎn)品,用鋼比系數(shù)(生產(chǎn)1單位粗鋼所需的其他工序產(chǎn)品產(chǎn)量)將每個生產(chǎn)工序連接起來.

計算京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)燃料、電力和水的需求量, SO2、NO和PM2.5的排放量T,

式中:L為技術(shù)的壽命.

式中:=1,…,6時分別表示燃料、電、水、 SO2、NO、PM2.5.

產(chǎn)能需要滿足產(chǎn)品需求,

研究認(rèn)為技術(shù)的擴(kuò)散過程可以用Logistic(S)曲線來描述[12].本文建立技術(shù)發(fā)展速度約束方程(10).

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 京津冀粗鋼產(chǎn)量預(yù)測 2015年京津冀地區(qū)粗鋼產(chǎn)量約為2.1億t[5],根據(jù)京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)發(fā)展規(guī)劃[13-14],這里預(yù)測2020、2025和2030年京津冀地區(qū)粗鋼產(chǎn)量為1.93,1.92,1.9億t.

1.2.2 資源與環(huán)境約束數(shù)據(jù) 根據(jù)“十三五”鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型升級規(guī)劃設(shè)置2016~2030年平均每5a噸鋼燃料消耗量下降2%、噸鋼SO2排放量下降20%、噸鋼NO排放量下降15%、噸鋼P(yáng)M2.5排放量下降6%、噸鋼水耗量下降1.5%為鋼鐵行業(yè)發(fā)展約束目標(biāo).

1.2.3 節(jié)能減排技術(shù)參數(shù) 48項節(jié)能減排技術(shù)參數(shù)主要來自國家鼓勵推廣的鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)目錄[15-16]、研究文獻(xiàn)[8-10,17-18]及GAINS模型[19],見表1所示.

表1 鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

注:用于減少某一特定污染物的末端治理技術(shù)通常不具有節(jié)能效果并且會增加電力和水資源消耗,因此,末端治理技術(shù)(T12~T15)的電力節(jié)約量和節(jié)水量會出現(xiàn)負(fù)值.技術(shù)壽命中“-”為缺失數(shù)據(jù),通常用20a替代.

1.2.4 價格 鋼鐵行業(yè)所用燃料主要是洗精煤,因此這里用洗精煤的價格為燃料價格620元/t[20],電力價格為0.84元/kW·h[21].水資源的價格為3.95元/m3[22].由于中國沒有大氣污染物交易市場,文中根據(jù)大氣污染物的外部環(huán)境損失成本估計污染物的價格,每千克SO2、NO和PM2.5的價格分別為50.34、39.56和233.74元[7].價格每年增長3%[12].

1.2.5 其他參數(shù) 根據(jù)歷年京津冀地區(qū)鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu),設(shè)置焦鋼比、燒鋼比、鐵鋼比和材鋼比為0.392、1.327、0.872和1.323.技術(shù)累計產(chǎn)能初始增長率均為0.6[16].

2 結(jié)果與討論

2.1 綜合約束條件下技術(shù)優(yōu)化發(fā)展路徑

2015~2030年京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)48項節(jié)能減排技術(shù)的優(yōu)化發(fā)展路徑可以通過1.1節(jié)中建立的綜合動態(tài)優(yōu)化模型計算獲取,如圖1所示.在圖1中可以看出,技術(shù)滲透率大致可以分為3類不同的發(fā)展趨勢.第一類技術(shù)的滲透率呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢,如干熄焦技術(shù)(T1)和小球燒結(jié)技術(shù)(T4)等共22項.其中,干熄焦技術(shù)的滲透率由40%上升到100%,該技術(shù)不僅具有節(jié)能和大氣污染物減排效果,還具有節(jié)水效果.第二類技術(shù)的滲透率沒有明顯的變化,如燒結(jié)機(jī)頭電除塵技術(shù)(T12)和無焰富氧燃燒器(T34)等7項.其中,無焰富氧燃燒器的滲透率由60%下降為57%.第三類技術(shù)滲透率呈現(xiàn)明顯下降趨勢,如煤調(diào)濕技術(shù)(T2)等12項.

圖1 鋼鐵行業(yè)各工序技術(shù)滲透率變化趨勢

第一類技術(shù)投資成本低,具有較大的節(jié)能、節(jié)水和大氣污染物減排效果,該類優(yōu)先表現(xiàn)出明顯的增長趨勢;第二類技術(shù)與第一類技術(shù)相比,投資成本較高,節(jié)能,節(jié)水及大氣污染物減排效果較低,該類技術(shù)滲透率沒有明顯的變化趨勢; 第三類技術(shù)與前兩類技術(shù)相比,投資成本高,節(jié)能,節(jié)水和大氣污染物減排量低,將會逐步被替代.因此,第一類技術(shù)具有較大的節(jié)能和大氣污染物減排效果,有些還兼具節(jié)水效果,具有較好的協(xié)同控制效果,對于在提高京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量,節(jié)約能源(減少溫室氣體排放)的同時緩解水資源極度短缺問題至關(guān)重要,國家應(yīng)優(yōu)先鼓勵推廣該類技術(shù);在目前政策約束條件下,國家可以對第二類技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)貼,促進(jìn)其推廣,從而達(dá)到更好的節(jié)能減排效果.

2.2 技術(shù)潛力分析

在最優(yōu)技術(shù)發(fā)展路徑下,計算出2015~2030年各項技術(shù)的累計節(jié)能,大氣污染物(SO2、NO和PM2.5)減排和節(jié)水潛力如圖2所示.從圖2(a)中可以看出,累計節(jié)能潛力均大于1千萬t標(biāo)準(zhǔn)煤的技術(shù)包括干熄焦技術(shù)(T1)和轉(zhuǎn)爐煙氣干法除塵技術(shù)(T28) 等7項;圖2(b)和(c)中聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)(T15)的SO2和NO減排潛力最大,分別為2.79百萬t和36.10萬t;圖2(d)中PM2.5減排潛力較大的技術(shù)包括燒結(jié)機(jī)頭電除塵技術(shù)(T12)和地面站立除塵技術(shù)(T3).圖2(e)中高爐爐頂煤氣干式余壓發(fā)電技術(shù)(T16)等5項技術(shù)的節(jié)水潛力較大,均大于1億m3.

本文建立的綜合動態(tài)模型在考慮技術(shù)節(jié)能和大氣污染物減排的基礎(chǔ)上還考慮了水資源因素.當(dāng)綜合考慮所有技術(shù)效果時,通過計算發(fā)現(xiàn): 2015~2030年京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)不僅節(jié)約能源91.32百萬t標(biāo)準(zhǔn)煤(約占2014年河北省鋼鐵行業(yè)能耗量的87%[5]),減少SO2、NO和PM2.5排放量分別為332.62,92.44,72.28萬t(分別是2014年京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)SO2、NO和PM2.5排放量的9.34、5.37和2.17倍[23]);而且還實現(xiàn)了10.08億m3(是2014年河北省鋼鐵行業(yè)取水量的1.61倍[5])的水資源節(jié)約潛力.因此,在京津冀鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)推廣過程中,不僅可以實現(xiàn)節(jié)能和大氣污染減排效果,還可以實現(xiàn)大量的節(jié)水潛力.在節(jié)能減排技術(shù)的推廣過程中,要在考慮技術(shù)的節(jié)能和減排效果的同時,充分兼顧選取技術(shù)對水資源的影響.

負(fù)值是由于滲透率下降導(dǎo)致的能耗,水耗及大氣污染物排放增加量,例如,連鑄連軋技術(shù)(T30)滲透率下降導(dǎo)致的該技術(shù)節(jié)能量減少(生產(chǎn)中能耗增加),從而在圖2(a)中為負(fù)值

2.3 能源,水資源需求和污染物排放預(yù)測

在最優(yōu)技術(shù)發(fā)展路徑下,預(yù)測2015~2030年京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)能源和水資源需求量以及SO2、NO、PM2.5排放量如圖3和4所示,可以看出2015~2030年京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)的能源和水資源需求量、SO2、NO、PM2.5排放量均呈現(xiàn)出顯著下降趨勢(見圖3和圖4).這一方面是由于該地區(qū)鋼鐵產(chǎn)能的壓減導(dǎo)致產(chǎn)量下降;另一方面是由于節(jié)能減排技術(shù)的優(yōu)化發(fā)展帶來的顯著效果.

京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)能源需求量由2015年的1.14億t標(biāo)準(zhǔn)煤下降到2030年的0.98億t標(biāo)準(zhǔn)煤,累計下降14%;水資源需求量由2015年的12.16億m3下降到2030年的10.08億m3,累計下降17%.SO2、NO、PM2.5排放量分別累計下降64%、52%和23%.

2.4 成本分析

最優(yōu)技術(shù)發(fā)展路徑下的成本如圖5所示,包括技術(shù)投資成本,原料(煤炭,電力和水)購買成本和排放成本(貨幣化的SO2、NO、PM2.5排放對環(huán)境造成的損害). 2015、2020、2025、2030年的成本分別為2312.31,2401.25,2655.51,3179.51億元.這4a累計成本為105.49百億元,是2014年河北省鋼鐵工業(yè)增加值(2256.30億元[11])的4.67倍.根據(jù)國家規(guī)定雖然京津冀地區(qū)鋼鐵產(chǎn)能(產(chǎn)量)逐步減少,能源、水和大氣污染物排放量逐步減少(圖3和圖4),但從圖5可以看出,成本呈現(xiàn)逐漸上升趨勢.這種成本上升趨勢主要是由于價格上升導(dǎo)致.

圖3 鋼鐵行業(yè)能源和水資源需求預(yù)測

圖4 鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放預(yù)測

其中,能源購買成本分別占2015、2020、2025、2030總成本的56%、55%、56%和53%;SO2、NO、PM2.5總的排放成本分別占總成本的42%、36%、34%和32%;水資源購買成本約占每年總成本的2%.鋼鐵行業(yè)是高耗水行業(yè)(2014河北省鋼鐵行業(yè)耗水量占河北省工業(yè)耗水量的27.7%[5]),然而從圖5中可以看出,在生產(chǎn)過程中水的成本僅占總生產(chǎn)成本中的很小一部分,這會造成水資源容易被生產(chǎn)者忽略.因此,尤其對于京津冀這樣極度缺水的地區(qū),國家應(yīng)該加強(qiáng)節(jié)水意識教育,在節(jié)能減排技術(shù)推廣過程中充分考慮技術(shù)因素對水資源造成的影響.

圖5 最優(yōu)技術(shù)發(fā)展路徑下成本預(yù)測

2.5 討論

2.5.1 大氣污染物減排潛力及排放預(yù)測 表2為與Wu等[9]計算的京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)大氣污染物減排潛力的對比;表3為與Wang等[24]預(yù)測的大氣污染物排放量的對比,其中Wang的數(shù)據(jù)為京津冀與全國粗鋼產(chǎn)量比值換算得出.對比發(fā)現(xiàn),本文的綜合動態(tài)優(yōu)化模型結(jié)果與上述兩位學(xué)者的研究結(jié)果保持了較好的一致性,對于預(yù)測的某些大氣污染物數(shù)值存在略微差異.本文計算的SO2和NO的減排潛力略低于Wu等的計算結(jié)果,這主要是由于Wu等設(shè)定節(jié)能減排技術(shù)的最大滲透為100%,而在本文的計算過程中,每項技術(shù)的滲透率是由綜合動態(tài)優(yōu)化模型決定的.與Wang等預(yù)測的PM2.5排放量差異相對較大,這主要是由于不同數(shù)據(jù)來源的PM2.5排放因子差異引起的.但同時也注意到,本文也增加了水資源因素的研究.

2.5.2 技術(shù)發(fā)展趨勢 陳敏[25]曾分析了在能耗和排放約束下鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)滲透率的發(fā)展趨勢.本文采用綜合動態(tài)優(yōu)化模型得到的干熄焦等技術(shù)滲透率變化趨勢與其結(jié)果一致,但燒結(jié)煙氣脫硫技術(shù)的滲透率呈相反趨勢.通過與綜合動態(tài)優(yōu)化模型比較發(fā)現(xiàn),燒結(jié)煙氣脫硫技術(shù)的滲透率相反趨勢是因為京津冀地區(qū)主要以石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)為主.該技術(shù)的使用會增加水耗,在綜合動態(tài)優(yōu)化模型中,節(jié)水約束條件會造成此類技術(shù)滲透率呈下降趨勢.

表2 京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)大氣污染物減排和節(jié)水潛力

注: -為末計算.

表3 京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)大氣污染物排放量和水資源需求預(yù)測

注: -為末計算.

3 結(jié)論

3.1 通過計算發(fā)現(xiàn),國家應(yīng)優(yōu)先推廣干熄焦技術(shù)(T1)等22項第一類技術(shù).該類技術(shù)具有較大的節(jié)能和大氣污染物減排效果,有些還兼具節(jié)水效果,具有好的協(xié)同效果.

3.2 京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)具有很大的節(jié)能,大氣污染物減排和節(jié)水潛力.通過優(yōu)化推廣節(jié)能減排技術(shù),2015~2030年京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)不僅節(jié)約能源91.32百萬t標(biāo)準(zhǔn)煤,減少SO2、NO和PM2.5排放量分別為332.62,92.44,72.28萬t,而且還可節(jié)約10.08億m3的水資源.

3.3 在節(jié)能減排技術(shù)優(yōu)化發(fā)展路徑下,到2030年京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)能,水的需求量分別為0.98億t標(biāo)準(zhǔn)煤和10.08億m3.與2015年相比,到2030年能源、水需求量分別下降14%、17%;SO2、NO、PM2.5排放量將分別下降64%、52%和23%.

3.4 在京津冀鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)推廣過程中,不僅需要考慮技術(shù)的節(jié)能和減排的效果,而且需要兼顧技術(shù)因素對水資源造成的影響.尤其是京津冀地區(qū)面臨嚴(yán)重的大氣污染和極度的水資源短缺,在提高空氣質(zhì)量、減少能耗(溫室氣體排放)的同時,緩解水資源短缺問題是非常必要的.

[1] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.2016中國環(huán)境狀況公報[R]. 北京:環(huán)境保護(hù)部, 2017.

[2] 趙 勇.京津冀水資源安全形式及其科學(xué)應(yīng)對[R]. 河北:中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所, 2017.

[3] 中華人民共和國中央人民政府.“十三五”生態(tài)環(huán)境環(huán)境保護(hù)規(guī)劃[EB/OL]. http://www.gov.cn/Zhengce/content/2016-12/05/content_ 5143290.htm,2016-12-05/2018-01-01.

[4] 中華人民共和國中央人民政府.節(jié)水型社會建設(shè)“十三五”規(guī)劃[EB/OL]. http://www.gov.cn/xinwen/2017-01/22/content_5162277.htm, 2017-01-22/2018-01-01.

[5] 河北省統(tǒng)計局.河北經(jīng)濟(jì)年鑒—2016 [M]. 北京:中國統(tǒng)計出版社, 2016:59-60.

[6] 伯 鑫,徐 峻,杜曉惠,等.京津冀地區(qū)鋼鐵企業(yè)大氣污染影響評估[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2017,37(5):1684-1692.

[7] Mao X, Zeng A, Hu T, et al. Co-control of local air pollutants and CO2in the Chinese iron and steel industry [J]. Environmental science & technology, 2013,47(21):12002-12010.

[8] Zhang S, Worrell E, Crijns-Graus W, et al. Co-benefits of energy efficiency improvement and air pollution abatement in the Chinese iron and steel industry [J]. Energy, 2014,78:333-345.

[9] Wu X, Zhao L, Zhang Y, et al. Cost and potential of energy conservation and collaborative pollutant reduction in the iron and steel industry in China [J]. Applied energy, 2016,184:171-183.

[10] Wang C, Zheng X, Cai W, et al. Unexpected water impacts of energy-saving measures in the iron and steel sector: Tradeoffs or synergies? [J]. Applied Energy, 2017,205:1119-1127.

[11] 王大勇,陳雪斌.促進(jìn)科技創(chuàng)新研究—聚焦河北鋼鐵產(chǎn)業(yè) [M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 2015:26-27.

[12] Xu J H, Yi B W, Fan Y. A bottom-up optimization model for long-term CO2emissions reduction pathway in the cement industry: A case study of China [J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2016,44:199-216.

[13] 河北省發(fā)展與改革委員會.河北省鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案[EB/ZL]. http://www.hbdrc.gov.cn/web/web/xxgkzhzw/4028818b4e62c318014eb33572a065f4.htm, 2015-05-22/2017-11-01.

[14] 藍(lán) 雨.2016年及“十三五”期間各省市鋼鐵去產(chǎn)能計劃情況匯總[EB/OL]. http://tj.steelcn.cn/gcnewsinfor.aspx?id=c0e1a6a7-ca5b- 4b8f-a2d7-897b31477f27, 2016-10-13/2017-11-02.

[15] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)目錄[EB/OL]. http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/ n3057542/n3057545/c3650311/content.html, 2012-09-01/2017-06-01.

[16] 國家發(fā)展改革委.國家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄(2016年本,節(jié)能部分)[EB/OL].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbgg/201701/t20170119_ 835577.html, 2016-12-30/2018-12-12.

[17] Hasanbeigi A, Morrow W, Sathaye J, et al. A bottom-up model to estimate the energy efficiency improvement and CO2, emission reduction potentials in the Chinese iron and steel industry [J]. Energy, 2013,50(1):315-325.

[18] Zhang Q, Zhao X, Lu H, et al. Waste energy recovery and energy efficiency improvement in China’s iron and steel industry [J]. Applied Energy, 2017,191:502-520.

[19] International Institute for Applied Systems Analysis. GAINS model [EB/OL].http://www.iiasa.ac.at/web/home/research/researchPrograms/ air/GAINS.html, 2017-07-20/2017-10-05.

[20] 江 濤. 2015年12月31日煤炭價格 [EB/OL]. http://www.chemcp. com/news/201512/653307.asp, 2015-12-31/2017-9-05.

[21] Yang. 2015年4月全國工業(yè)用電平均價格 [EB/OL]. http://www. askci.com/news/data/2015/05/10/174956d7n6.shtml, 2015-05-10/2017-8-08.

[22] 石家莊市水費(fèi)查詢網(wǎng).石家莊市水費(fèi)查詢_石家莊市自來水價格查詢_石家莊市水費(fèi)查詢網(wǎng) [EB/OL]. http://www.955sd.com/shuifei/ shijiazhuang.html, 2014-04-26/2017-6-13.

[23] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒(2014) [M]. 北京:中國環(huán)境出版社, 2014:285-287.

[24] Wang K, Tian H, Hua S, et al. A comprehensive emission inventory of multiple air pollutants from iron and steel industry in China: Temporal trends and spatial variation characteristics [J]. Science of the Total Environment, 2016,559:7-14.

[25] 陳 敏.工業(yè)節(jié)能減排技術(shù)推廣政策及潛力研究 [D]. 北京:清華大學(xué), 2012.

致謝：感謝International Institute for Applied Systems Analysis, IIASA的研究者Ermolieva, Tatiana和Yermoliev, Yurii在本文中的綜合動態(tài)優(yōu)化模型建立的過程中給予的幫助.

Co-control of energy, SO2, NO, PM2.5, and water in the iron and steel industry in the Beijing-Tianjin-Hebei region.

XU Xiang-yang*, REN Ming**, GAO Jun-lian

(School of Management, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)., 2018,38(8)：3160~3169

Based on 48energy-saving and emission reduction technologies, a bottom-up integrated dynamic optimization model was developed with constraints of energy, water, SO2, NO, and PM2.5reduction targets. This model, in which the energy and water demand, as well as SO2, NO, and PM2.5emissions were predicted, was used to optimize the technology pathway of the iron and steel industry in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2015 to 2030. Results showed that 22technologies that presented co-control effects on energy, SO2, NO, PM2.5, and water, such as coke dry quenching and small pellet sintering, should be given priority in promotion. The model also predicted that implementation of 48technologies could potentially result in energy conservation and air emissions reduction in the iron and steel industry in the Beijing-Tianjin-Hebei region, and could save 1008million cubic meters of water by 2030. Although the cost of water accounts for only about 2% of the total industry cost, the water impacts of energy-saving and emission reduction technologies should be emphasized because apart from air pollution, water scarcity also poses a serious threat to the Beijing-Tianjin-Hebei region.

iron and steel industry；dynamic optimization；co-control；technology pathway

X322

A

1000-6923(2018)08-3160-10

徐向陽(1962-),女,北京市人,教授,博士,主要從事資源與環(huán)境政策分析.發(fā)表論文40余篇.

2018-01-10

國家自然科學(xué)基金資助項目(71403270);中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部資助項目(2015207010161);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(2010YG06)

* 責(zé)任作者, 徐向陽, 教授, xxy@cumtb.edu.cn; 任明, 博士, renming789@126.com