鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排路徑分析與優(yōu)化

王奕涵 ，溫宗國

(1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084； 2.清華大學(xué)工業(yè)節(jié)能與綠色發(fā)展評價(jià)中心， 北京 100084)

鋼鐵行業(yè)是典型高耗能、高污染行業(yè)[1]。為應(yīng)對鋼鐵生產(chǎn)過程中的能源、環(huán)境問題，日益增加、日趨嚴(yán)格的約束性指標(biāo)不斷出臺(tái)，顯著增加了鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排管理的難度：一方面，多項(xiàng)節(jié)能減排措施在過去已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，進(jìn)一步挖掘潛力空間較窄，成本不斷攀升，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)難度加大；另一方面，節(jié)能減排措施在應(yīng)用過程中同時(shí)對能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)目標(biāo)產(chǎn)生影響，不同目標(biāo)間存在復(fù)雜的協(xié)同和沖突關(guān)系，目標(biāo)間隱性轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)增加[2]。

在鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排管理日趨復(fù)雜的背景下，有必要整合自底向上建模、多目標(biāo)優(yōu)化等方法，探尋全路徑、多目標(biāo)協(xié)同的節(jié)能減排管理模式。然而，目前的研究仍然存在一定不足：在節(jié)能減排路徑層面，目前研究局限于單一或個(gè)別節(jié)能減排措施的分析，如化解過剩產(chǎn)能[3]、結(jié)構(gòu)調(diào)整[4]、技術(shù)應(yīng)用[5]等，缺乏各項(xiàng)措施的系統(tǒng)性整合，無法從全行業(yè)角度系統(tǒng)規(guī)劃節(jié)能減排路線圖，制定合理目標(biāo)；在節(jié)能目標(biāo)管控層面，雖然目前已有研究關(guān)注節(jié)能、碳減排、污染物減排、成本控制等目標(biāo)間的協(xié)同效益，或采用優(yōu)化方法規(guī)劃節(jié)能減排路線圖，但是仍缺乏對超3維的高維多目標(biāo)協(xié)同管理問題的求解。

為突破以上局限，本研究全面整合3類共6項(xiàng)節(jié)能減排措施，解析其作用機(jī)制并核算當(dāng)前政策背景下的節(jié)能減排潛力；同時(shí)，建立包含能耗最低、5類污染物排放最低、成本最低共7維目標(biāo)的優(yōu)化模型，并采用基于參考點(diǎn)的快速非支配排序遺傳算法(NSGA-III)求解，通過模糊C均值聚類算法選取最優(yōu)方案。

1 鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排路徑分析方法

1.1 鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排措施概況

通過梳理鋼鐵行業(yè)相關(guān)政策文件，共梳理3類6項(xiàng)主要措施：規(guī)模調(diào)整(產(chǎn)量控制)、工藝結(jié)構(gòu)調(diào)整(原料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)、主體工藝結(jié)構(gòu)升級(jí))、技術(shù)推廣(節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣、末端治理技術(shù)推廣、共生技術(shù)推廣)。其中，對于技術(shù)推廣，通過參考先進(jìn)技術(shù)目錄[6-7]，共收集17項(xiàng)節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)、17項(xiàng)末端治理技術(shù)、18項(xiàng)共生技術(shù)，相關(guān)技術(shù)的名稱及作用工序見表1。

1.2 節(jié)能減排潛力核算方法

本研究基于已有的自下向上方法模擬鋼鐵行業(yè)系統(tǒng)，通過解析不同節(jié)能減排措施對行業(yè)系統(tǒng)的影響機(jī)制，設(shè)計(jì)核算方法，定量評估不同措施可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能減排潛力。

(1)產(chǎn)量規(guī)模調(diào)整

該措施通過控制粗鋼產(chǎn)量，減少生產(chǎn)規(guī)模，直接減少行業(yè)的總能耗及污染物排放，節(jié)能減排潛力核算公式如公式(1)和公式(2)所示：

TEC1,t+Δt=ΔPt,t+Δt×EIt

(1)

TER1,p,t+Δt=ΔPt,t+Δt×EFp,t

(2)

式中，TEC為總節(jié)能量，1為措施編號(hào)，ΔP為產(chǎn)量的減少量，EI為能源強(qiáng)度，TER為總減排量，p為污染物種類，EF為排放系數(shù),t為基準(zhǔn)年，t+Δt為目標(biāo)年。

表1 鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)

(2)原料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)

該措施通過改變生產(chǎn)產(chǎn)品的原料投入，提升原料利用效率，進(jìn)而間接減少加工上述原料過程中的能源消耗及污染物排放，核算公式如公式(3)和公式(4)所示：

(3)

(4)

式中，a為工序，SR為原料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)，即鋼比系數(shù)。

(3)主體工藝結(jié)構(gòu)升級(jí)

該措施通過使用大規(guī)模的主體工藝設(shè)備，提升生產(chǎn)過程中的能源及環(huán)境效率，從而降低能耗及污染物排放，核算公式如公式(5)和公式(6)所示：

(5)

(6)

式中，s為各項(xiàng)主體工藝設(shè)備，PR為普及率。

(4)節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣

節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)通過優(yōu)化主體工藝設(shè)備的生產(chǎn)過程，提升能源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，并間接減少能源使用的污染物排放量，核算公式如公式(7)和公式(8)所示：

(7)

PAa,p,t)

(8)

式中，i為各項(xiàng)節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)，ES為節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果，PA為污染物削減效率。

(5)末端治理技術(shù)推廣

末端治理技術(shù)通過處理生產(chǎn)設(shè)備排放的污染物，減少其向環(huán)境的排放，從而實(shí)現(xiàn)減排，在技術(shù)應(yīng)用過程中也會(huì)產(chǎn)生能源消耗，核算公式如公式(9)和公式(10)所示：

(9)

(10)

式中，eop為末端治理技術(shù)，EC為技術(shù)的能耗。

(6)共生技術(shù)推廣

共生技術(shù)通過利用工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物、副產(chǎn)品，回收其中的二次能源，或用于其他行業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)，減少原料的消耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。核算公式如公式(11)和公式(12)所示：

(11)

(12)

式中，st為共生技術(shù)，st-ref為共生技術(shù)對應(yīng)的參考情景，k為不同的能源種類，ECon為能源折標(biāo)煤系數(shù)，ECoe為能源污染物排放系數(shù)。

1.3 高維多目標(biāo)優(yōu)化模型建立

在核算2020年鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排潛力的基礎(chǔ)上，對各項(xiàng)措施的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步深挖節(jié)能減排空間，為合理制定節(jié)能減排管理目標(biāo)及路線圖提供政策建議。本方法學(xué)共包含3個(gè)主要模塊。

(1)優(yōu)化模型設(shè)定

優(yōu)化變量?？紤]到數(shù)學(xué)模型的可行性，將鋼鐵行業(yè)主體工藝結(jié)構(gòu)升級(jí)、節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣、末端治理技術(shù)推廣、共生技術(shù)推廣等4項(xiàng)措施作為優(yōu)化變量，以普及率作為衡量工藝結(jié)構(gòu)或技術(shù)推廣幅度的表征。

優(yōu)化目標(biāo)。共設(shè)置3類共7項(xiàng)目標(biāo)，分別為2020年噸鋼能耗最低、5種污染物(SO2/NOx/PM/COD/NH3-N)排放量最低及節(jié)能減排年均成本最低。

約束條件。分為自然約束和政策約束，其中自然約束為技術(shù)的普及率介于0～100%之間，政策約束為部分小規(guī)模的主體工藝設(shè)備應(yīng)當(dāng)趨于淘汰。

(2)求解算法

本研究應(yīng)用的NSGA-III算法由Deb等在2014年首次提出[8]，該算法設(shè)計(jì)了基于參考點(diǎn)的非支配算子選擇機(jī)制，能在高維多目標(biāo)優(yōu)化算法中避免陷入局部最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。算法由以下幾個(gè)關(guān)鍵部分構(gòu)成：

種群初始化。在本研究中，由于普及率變量為連續(xù)實(shí)數(shù)變量，在本研究中染色體各基因采用實(shí)數(shù)編碼方式。編碼的實(shí)質(zhì)為對數(shù)組中各個(gè)數(shù)值在其上下界范圍內(nèi)隨機(jī)賦值。

快速非支配排序。其主要思想為依據(jù)種群內(nèi)個(gè)體間的支配關(guān)系，對種群進(jìn)行分層排序，用以評判個(gè)體的優(yōu)劣性。具體流程是：首先識(shí)別各個(gè)解所支配的解集以及被支配的樣本個(gè)數(shù)，將被支配樣本個(gè)數(shù)為0作為第一層；檢索第一層樣本支配的所有其他個(gè)體，將這些個(gè)體的被支配樣本個(gè)數(shù)減去1，并篩選出目前被支配樣本為0的個(gè)體作為第二層。以此類推，直到整個(gè)種群被分為不同層。

相關(guān)參考點(diǎn)選擇。NSGA-III算法中引入了基于參考點(diǎn)的選擇機(jī)制，其作用為保證下一代各個(gè)種群的分布均勻性，增強(qiáng)了種群優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)力。具體操作時(shí)，在進(jìn)行種群選擇時(shí)應(yīng)保證附屬在各條參考線的點(diǎn)的數(shù)量盡量一致，這樣可以保證種群在解集空間的均勻分布。

交叉及變異算子。經(jīng)過上述過程，較優(yōu)的樣本得以被識(shí)別并選擇出來，需通過交叉及變異算子得到子代。其中，交叉算子通過兩個(gè)親代樣本交換部分信息得到新樣本，并通過變異算法隨機(jī)改變信息內(nèi)容得到子代。在本研究中，采用線性重組的方式作為交叉算子，采用隨機(jī)變異的方式作為變異算子。

(3)方案篩選

由于多目標(biāo)優(yōu)化算法得到的并非單個(gè)解，而是一系列非支配解組成的解集，因此需要采用多屬性決策方法，基于不同偏好選擇最終優(yōu)化方案。

目標(biāo)權(quán)重設(shè)置。本研究共設(shè)置3類目標(biāo)偏好，分別為節(jié)能偏好，減排偏好及成本控制偏好。偏好對應(yīng)的目標(biāo)權(quán)重設(shè)置為0.6，其余權(quán)重設(shè)置為0.2。不同的目標(biāo)偏好反映在一系列非支配解中的取舍上，更為側(cè)重對應(yīng)偏好表現(xiàn)最優(yōu)的結(jié)果。

最終方案篩選?；诒平硐虢馀判蚍?Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，簡稱為TOPSIS方法)，在給定偏好下計(jì)算樣本相對正理想解及負(fù)理想解的歐式距離，從而判斷樣本基于多屬性下的綜合得分。本研究分別利用TOPSIS方法計(jì)算不同樣本在多個(gè)偏好下的綜合得分，選擇某一偏好下得分最高的樣本作為隸屬于該偏好的解集，取解集均值作為該偏好的最終決策方案。

2 鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排潛力核算與優(yōu)化

2.1 鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排潛力核算結(jié)果

根據(jù)1.2節(jié)中的核算方法，計(jì)算以2015年為基礎(chǔ)的2020年中國鋼鐵節(jié)能減排潛力。結(jié)果表明，五年間鋼鐵行業(yè)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能0.42億噸，能源消費(fèi)下降9.2%；實(shí)現(xiàn)二氧化硫、氮氧化物和煙粉塵減排量為31.10萬噸、30.83萬噸和55.86萬噸，減排比例分別為18.9%、31.8%和56.3%。與“十三五”期間鋼鐵行業(yè)規(guī)劃進(jìn)行對標(biāo)，可以發(fā)現(xiàn)將超額實(shí)現(xiàn)節(jié)能(噸鋼能耗560 kgce/t，總量約下降8.3%)、氮氧化物及煙粉塵減排(總量下降15%)目標(biāo)，表明上述目標(biāo)的制定較為寬松，仍有進(jìn)一步深挖潛力的空間；而對于二氧化硫減排目標(biāo)(噸鋼排放670 g/t，總量約下降20%)，現(xiàn)有減排潛力對實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)仍有一定壓力，可考慮在未來重點(diǎn)關(guān)注。

進(jìn)一步考慮各項(xiàng)措施可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能減排潛力，計(jì)算結(jié)果見表2。其中，節(jié)能潛力主要通過產(chǎn)量規(guī)?？刂啤⒐采夹g(shù)推廣方式實(shí)現(xiàn)；二氧化硫減排潛力主要通過原料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)、共生技術(shù)推廣實(shí)現(xiàn)；氮氧化物及煙粉塵減排潛力主要通過末端治理技術(shù)推廣實(shí)現(xiàn)。上述結(jié)果印證了節(jié)能減排路徑間存在的協(xié)同以及沖突關(guān)系，因此有必要通過統(tǒng)籌多個(gè)目標(biāo)，找尋節(jié)能減排最優(yōu)方案，從而支撐下一階段鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排政策的制定。

表2 各項(xiàng)措施節(jié)能減排潛力

2.2 節(jié)能減排多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

通過1.3中的NSGA-III算法求解，得出的優(yōu)化結(jié)果整體情況見表3。優(yōu)化結(jié)果與2.1中的潛力核算相比較，除噸鋼氮氧化物排放外，其余目標(biāo)均有所改進(jìn)，幅度介于1.1%～7.3%之間，表明優(yōu)化算法可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排潛力的進(jìn)一步挖掘，有助于找尋最優(yōu)節(jié)能減排路徑。與國家規(guī)劃相比較，優(yōu)化結(jié)果大多超過規(guī)劃目標(biāo)限值，表明優(yōu)化結(jié)果可以較好地支撐鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排管理。

通過TOPSIS方法的篩選，最終確定了3類目標(biāo)偏好下的方案及對應(yīng)的方案目標(biāo)，結(jié)果見表4。在特定的偏好下，對應(yīng)指標(biāo)有著相對最優(yōu)性能：在節(jié)能偏好下，噸鋼能耗預(yù)計(jì)可達(dá)到531.68 kgce/t粗鋼的水平；在減排偏好下，噸鋼的二氧化硫、氮氧化物、煙粉塵、COD及氨氮排放可分別達(dá)到655.08 g/t、862.33 g/t、608.2 g/t、19.56 g/t與1.75 g/t的水平；在成本控制偏好下，噸鋼技術(shù)投資成本為42.76元/t。在規(guī)劃制定過程中，可綜合考慮鋼鐵行業(yè)外部市場環(huán)境、經(jīng)濟(jì)形勢、技術(shù)推廣難度等因素，選取合適的偏好及對應(yīng)目標(biāo)。

表3 高維多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果及對比

表4 最終節(jié)能減排方案

3 鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排路徑優(yōu)化建議

鋼鐵行業(yè)是典型高能耗、高排放行業(yè)，準(zhǔn)確識(shí)別其節(jié)能減排潛力，展開多目標(biāo)統(tǒng)籌優(yōu)化設(shè)計(jì)，對當(dāng)前行業(yè)節(jié)能減排管理目標(biāo)數(shù)值趨嚴(yán)、種類趨多的形勢具有重要意義。本研究采取自下向上的建模方法解析了3類共6項(xiàng)節(jié)能減排路徑，進(jìn)行了2020年節(jié)能減排潛力的評估，并結(jié)合NSGA-III算法及TOPSIS方法，形成了節(jié)能減排最優(yōu)方案。綜合上述分析結(jié)果，在此提出以下幾條主要的建議：

繼續(xù)堅(jiān)持化解過剩產(chǎn)能措施。當(dāng)前產(chǎn)能控制、產(chǎn)量限制等措施是鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的一項(xiàng)重要措施。本研究驗(yàn)證了產(chǎn)量控制對于節(jié)能減排效果的重要作用，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)在下一階段推行嚴(yán)禁新增產(chǎn)能、清退落后產(chǎn)能等措施。

通過優(yōu)惠政策支持工藝調(diào)整。本研究提出了明確的原料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)及規(guī)模結(jié)構(gòu)升級(jí)方向，并驗(yàn)證其可有效推動(dòng)節(jié)能及二氧化硫減排等較為嚴(yán)格的指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。然而，在設(shè)備、技術(shù)更替過程中需要較高的資金投入，可能給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)壓力。因此，可通過補(bǔ)貼、降稅、電價(jià)優(yōu)惠等手段，鼓勵(lì)企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)流程，采用大容量生產(chǎn)設(shè)備，促成工藝結(jié)構(gòu)調(diào)整的落實(shí)。

持續(xù)推廣相關(guān)先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用。本研究驗(yàn)證了節(jié)能及多項(xiàng)污染物減排、成本控制等目標(biāo)之間存在的協(xié)同和沖突關(guān)系，并給予多目標(biāo)協(xié)同控制下的節(jié)能減排管理方案。因此，應(yīng)當(dāng)考慮工業(yè)部門綜合綠色發(fā)展目標(biāo)，考慮管理措施對能耗、污染物排放、碳排放、廢棄物副產(chǎn)品處置等多項(xiàng)綠色發(fā)展指標(biāo)的影響，全面部署及規(guī)劃先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。