中國(guó)鋼鐵行業(yè)技術(shù)減排的協(xié)同效益分析

馬 丁，陳文穎*（1.清華大學(xué)現(xiàn)代管理研究中心，北京 100084；2.清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究院，北京100084）

中國(guó)鋼鐵行業(yè)技術(shù)減排的協(xié)同效益分析

馬 丁1，2，陳文穎1，2*（1.清華大學(xué)現(xiàn)代管理研究中心，北京 100084；2.清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究院，北京100084）

選取鋼鐵行業(yè)的22項(xiàng)節(jié)能減排措施，評(píng)估和比較了各項(xiàng)措施的減排潛力、減排成本和協(xié)同效益，力圖得到鋼鐵行業(yè)減排的最優(yōu)路徑.研究結(jié)果表明:基于2012年的鋼鐵產(chǎn)量和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，我國(guó)鋼鐵行業(yè)的技術(shù)減排潛力約為146.8Mt CO2、314.2kt SO2、265.7kt NOx和161.5kt PM10，分別占鋼鐵行業(yè)2012年總排放量的9.7%、13.1%、27.3%和8.9%；如果考慮節(jié)能收益，有10項(xiàng)措施具有經(jīng)濟(jì)可行性，累積減排潛力約為98.0Mt CO2、210.0kt SO2、211.0kt NOx和89.0kt PM10；如果綜合考慮節(jié)能收益和協(xié)同效益，有14項(xiàng)措施具有經(jīng)濟(jì)可行性，累計(jì)減排潛力約為123.4Mt CO2、264.0kt SO2、234.0kt NOx和130.0kt PM10.鋼鐵行業(yè)開(kāi)展技術(shù)減排時(shí)，需要綜合考慮減排成本、節(jié)能收益和協(xié)同效益，參考減排成本選擇最成本有效的措施.

鋼鐵行業(yè)；減排潛力；減排成本；協(xié)同效益

為了推動(dòng)“節(jié)能減排”工作，中國(guó)政府在“十二五”規(guī)劃中設(shè)定了一系列約束性指標(biāo)，包括單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）能耗降低16%，單位GDP碳排放降低17%.主要污染物排放總量顯著減少，SO2排放減少8%，NOx排放減少10%［1］.鋼鐵行業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱和現(xiàn)代工業(yè)的重要基礎(chǔ)，是典型的高耗能、高排放和高污染行業(yè)［2-7］.為了順利實(shí)現(xiàn)“十二五”期間制定的目標(biāo)，對(duì)鋼鐵行業(yè)開(kāi)展“節(jié)能減排”是非常有必要的.

減排主要包括規(guī)模減排、結(jié)構(gòu)減排和技術(shù)減排等形式.我國(guó)尚處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，鋼鐵行業(yè)要在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)模減排不太現(xiàn)實(shí).目前鋼材人均社會(huì)保有量偏低，廢鋼回收量與進(jìn)口量都非常有限，難以在短期內(nèi)大幅提高電爐鋼的比例，結(jié)構(gòu)減排潛力也比較有限.因此，本文著重考慮鋼鐵行業(yè)的技術(shù)減排.

節(jié)能減排措施在減排CO2的同時(shí)，對(duì)其它大氣污染物也有減排效果，稱(chēng)之為“協(xié)同效益”.將“協(xié)同效益”納入評(píng)估范圍并進(jìn)行定量分析，可以凸顯技術(shù)措施在節(jié)能之外的好處，進(jìn)而可以客觀(guān)評(píng)價(jià)和比較不同技術(shù)措施的可行性和優(yōu)先性.

國(guó)內(nèi)外對(duì)技術(shù)減排的潛力、成本和協(xié)同效益開(kāi)展了諸多研究［8-12］，但是專(zhuān)門(mén)針對(duì)鋼鐵行業(yè)，涵蓋多項(xiàng)技術(shù)減排措施的綜合協(xié)同效益分析較少.本文評(píng)估鋼鐵行業(yè)技術(shù)減排潛力和減排成本，分析協(xié)同效益，旨在為鋼鐵行業(yè)推動(dòng)“節(jié)能減排”提供參考.

1 數(shù)據(jù)說(shuō)明與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)說(shuō)明

鋼鐵行業(yè)各流程產(chǎn)量主要取自世界鋼鐵協(xié)會(huì)［3］和中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)［13］.節(jié)能減排技術(shù)參數(shù)（包括單位節(jié)能量、單位節(jié)電量、成本、壽命以及基年普及率等）主要取自《國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄》［14］、《中國(guó)二氧化碳減排技術(shù)潛力和成本研究》［15］和Lawrence Berkeley National Lab（LBNL）的報(bào)告［16］.能源的直接和間接排放系數(shù)主要參考國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的論文［11，17-19］.鋼鐵行業(yè)的燃料價(jià)格通過(guò)動(dòng)力煤和焦炭的質(zhì)量加權(quán)平均得到［20-21］；電力價(jià)格主要是參考我國(guó)高耗能工業(yè)銷(xiāo)售電價(jià)［22］.雖然常用貼現(xiàn)率是8%，但是考慮到節(jié)能減排技術(shù)普及面臨的諸多困難（包括認(rèn)知風(fēng)險(xiǎn)、信息不對(duì)稱(chēng)、資本約束、機(jī)會(huì)成本、管理層過(guò)分關(guān)注投資回收期等），本文選取15%作為貼現(xiàn)率［16］.

1.2 研究方法

基于鋼鐵行業(yè)各流程產(chǎn)量，各項(xiàng)技術(shù)措施的節(jié)能潛力和節(jié)電潛力如式（1）、（2）所示:

式中:SF和SE分別代表節(jié)能潛力和節(jié)電潛力；P代表流程產(chǎn)量；k代表技術(shù)的基年普及率；RF和RE分別代表技術(shù)的單位節(jié)能量和單位節(jié)電量；TA代表技術(shù)可達(dá)率.技術(shù)可達(dá)率主要是參考公開(kāi)發(fā)表的報(bào)告估計(jì)得到［14-15］.

各項(xiàng)技術(shù)措施減排量的計(jì)算如公式（3）所示:

式中:RC為減排潛力；EF1和EF2分別代表燃料排放系數(shù)和電力間接排放系數(shù).

減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代表單位投資成本；ΔOM代表增加的單位運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本；r代表貼現(xiàn)率；n代表技術(shù)壽命.

為了評(píng)估協(xié)同效益，定義了協(xié)同效益綜合指數(shù)AP，如式（5）所示［12］.

式中:A、B、C和D分別代表CO2、SO2、NOx和PM10的權(quán)重因子.CO2的權(quán)重因子是選擇中國(guó)7個(gè)區(qū)域性碳交易市場(chǎng)（北京、上海、天津、深圳、廣東、湖北和重慶）的歷史交易平均價(jià)格，截止到2014年9月30日，碳交易平均價(jià)格為36.5元/t CO2，交易價(jià)格范圍為18.0～67.7元/t CO2［23］.鑒于我國(guó)目前沒(méi)有大氣污染物的排放權(quán)交易市場(chǎng)，本文選擇大氣污染物對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響（environmental damage cost）作為基準(zhǔn)情景中的權(quán)重因子［10］.考慮到我國(guó)剛建立區(qū)域性碳市場(chǎng)，碳價(jià)波動(dòng)較大，此外，不同研究機(jī)構(gòu)對(duì)大氣污染物的負(fù)外部性評(píng)估也存在差異［24-25］，因此對(duì)權(quán)重因子進(jìn)行了敏感性分析.

單位減排成本為c.如果只考慮節(jié)能收益，單位減排成本如式（6）所示；如果納入?yún)f(xié)同減排效益，單位減排成本如式（7）所示.

式中:p1、p2分別代表燃料價(jià)格和電力價(jià)格.

2 鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排措施

鋼鐵生產(chǎn)主要包括煉焦、燒結(jié)、球團(tuán)、煉鐵、煉鋼（轉(zhuǎn)爐和電爐）、鑄鋼和軋鋼（熱軋和冷軋）等7個(gè)流程.雖然近年來(lái)我國(guó)噸鋼綜合能耗、噸鋼可比能耗和流程能耗均有所下降，部分鋼企的部分指標(biāo)已達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平，但整體能耗水平還是遠(yuǎn)高于日、韓等國(guó)，節(jié)能減排潛力巨大.通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、資料篩選和數(shù)據(jù)分析，最終選取了22項(xiàng)節(jié)能減排措施，如表1所示［11，14-16］.

表1 鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排措施Table 1 Typical energy-saving and emission-reduction technologies in iron and steel industry

3 結(jié)果及討論

3.1 減排潛力評(píng)估

鋼鐵行業(yè)各項(xiàng)措施的減排潛力如表2所示.從單項(xiàng)技術(shù)來(lái)看，減排潛力最大的是蓄熱式燃燒器技術(shù)，減排潛力分別為27.6Mt CO2、58.9kt SO2、75.3kt NOx和16.5kt PM10，減排潛力最小的是回收利用高爐煤氣技術(shù)，減排潛力分別為0.1Mt CO2、20.0kt SO2、10.0kt NOx和20.0kt PM10；從技術(shù)類(lèi)型來(lái)看，工藝節(jié)能技術(shù)有15項(xiàng)，能量回收利用技術(shù)有7項(xiàng)，減排潛力占比分別為75.3%和24.7%；從工藝流程來(lái)看，減排潛力最大的是煉鐵流程和軋鋼流程，減排潛力占比分別為28.2%和36.8%；從累計(jì)減排潛力來(lái)看，鋼鐵行業(yè)的累計(jì)技術(shù)減排潛力分別為146.8Mt CO2、314.2kt SO2、265.7kt NOx和161.5kt PM10，分別占2012年鋼鐵行業(yè)總排放量的9.7%、13.1%、27.3%和8.9%.雖然鋼鐵行業(yè)目前沒(méi)有約束性減排目標(biāo)，但是如果參照“十二五”期間的總體減排目標(biāo)，通過(guò)技術(shù)減排足以完成鋼鐵行業(yè)的各項(xiàng)減排目標(biāo).

表2 2012年我國(guó)鋼鐵行業(yè)的技術(shù)減排潛力（×104t）Table 2 The potential of emission reduction in China’s iron and steel industry in 2012 （×104t）

3.2 減排成本比較

按照公式（6）、（7）分別計(jì)算單位減排成本，結(jié)果如表3所示.

表3 我國(guó)鋼鐵行業(yè)的單位減排成本 （元/t CO2）Table 3 The cost of carbon reduction in China’s iron and steel industry （yuan/t CO2）

從表3可以看出，單位減排成本最低的3項(xiàng)技術(shù)分別是強(qiáng)化輻射節(jié)能技術(shù)、蓄熱式燃燒器技術(shù)和燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)；單位減排成本最高的3項(xiàng)技術(shù)分別是干熄焦技術(shù)、熱軋余熱回收技術(shù)和旋切式高風(fēng)溫頂燃熱風(fēng)爐技術(shù).

節(jié)能收益和協(xié)同效益對(duì)減排技術(shù)的成本和經(jīng)濟(jì)可行性影響很大.如果不考慮節(jié)能收益和協(xié)同效益，鋼鐵行業(yè)減排CO2的成本區(qū)間為38～2288元/t；如果僅考慮節(jié)能收益，鋼鐵行業(yè)減排CO2的成本區(qū)間為-918～1888元/t；如果同時(shí)考慮節(jié)能收益和協(xié)同效益，鋼鐵行業(yè)減排CO2的成本區(qū)間為-1011～1759元/t.

3.3 累計(jì)減排潛力

雖然鋼鐵行業(yè)的減排潛力很大，但是部分措施的減排成本太高，技術(shù)的推廣普及面臨很大阻力.如果只考慮節(jié)能收益，共有10項(xiàng)措施具有經(jīng)濟(jì)可行性，累計(jì)減排潛力分別為98.0Mt CO2、210.0kt SO2、211.0kt NOx和89.0kt PM10；如果同時(shí)考慮節(jié)能收益和協(xié)同效益，共有14項(xiàng)措施具有經(jīng)濟(jì)可行性，累計(jì)減排潛力分別為123.4Mt CO2、264.0kt SO2、234.0kt NOx和130.0kt PM10. 3種類(lèi)型的累計(jì)減排潛力對(duì)比如下圖1所示.

圖1 2012年我國(guó)鋼鐵行業(yè)的累積減排潛力Fig.1 Accumulated emission reduction potentials in China’s iron and steel industry in 2012

3.4 敏感性分析

貼現(xiàn)率和權(quán)重因子對(duì)減排成本具有較大影響.本文針對(duì)貼現(xiàn)率和權(quán)重因子設(shè)置了5種情景，如表5所示.

表5 貼現(xiàn)率和權(quán)重因子的情景定義［10，23-25］Table 5 The definitions of discount rate and weighting factors［10，23-25］

針對(duì)不同情景，對(duì)各項(xiàng)措施的減排成本分別進(jìn)行計(jì)算，具有經(jīng)濟(jì)可行性的技術(shù)措施的累計(jì)減排潛力如下表6所示.

貼現(xiàn)率越高，技術(shù)的年化投資成本越高，經(jīng)濟(jì)可行性越差.從表6可以看出，貼現(xiàn)率為10%（情景2）時(shí)，協(xié)同效益對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性影響較小，2種類(lèi)型的成本效益（cost-effective）減排潛力差異不大；貼現(xiàn)率為15%和20%（情景1和3）時(shí)，協(xié)同效益對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性影響較大，兩種類(lèi)型的成本效益減排潛力差異較大.不考慮協(xié)同效益時(shí)，貼現(xiàn)率對(duì)經(jīng)濟(jì)型減排潛力有較大的影響；考慮協(xié)同效益時(shí)，貼現(xiàn)率對(duì)經(jīng)濟(jì)型減排潛力的影響不大.

權(quán)重因子越高，技術(shù)的協(xié)同效益越好，單位減排成本越低，技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性越好.在本文設(shè)定的3種權(quán)重因子情景（情景1，4，5）中，不同類(lèi)型的權(quán)重因子對(duì)技術(shù)的減排成本會(huì)有較大影響，但是對(duì)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性和成本效益減排潛力沒(méi)有影響.考慮協(xié)同效益時(shí)的經(jīng)濟(jì)型減排潛力遠(yuǎn)高于不考慮協(xié)同效益時(shí)的經(jīng)濟(jì)型減排潛力.

表6 我國(guó)鋼鐵行業(yè)減排潛力的敏感性分析Table 6 The sensitivity analysis of the emission reduction in China’s iron and steel industry

如果不考慮技術(shù)減排的協(xié)同效益，成本效益減排潛力約為98.0～123.4Mt CO2，210.0～264.0kt SO2，211.0～234.0kt NOx和89.0～130.0kt PM10；如果考慮協(xié)同效益，成本效益減排潛力約為122.7～126.3Mt CO2，263.0～270.0kt SO2，232.0 ～237.0kt NOx和129.0～134.0kt PM10；如果考慮所有技術(shù)措施，累計(jì)減排潛力約為146.8Mt CO2，314.2kt SO2，265.7kt NOx和161.5kt PM10.

3.5 討論

鋼鐵行業(yè)的技術(shù)減排潛力約為1.5億t CO2，成本效益減排約為1.0～1.2億t CO2；技術(shù)減排措施在減排CO2的同時(shí)，對(duì)控制大氣污染物排放效果顯著；節(jié)能減排成本、節(jié)能收益和協(xié)同效益對(duì)鋼鐵行業(yè)減排技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性具有重要的影響.

鑒于數(shù)據(jù)資料所限，本文僅評(píng)估和分析了鋼鐵行業(yè)的減排潛力和協(xié)同效益，還存在一些待完善的地方，主要體現(xiàn)在:1）僅對(duì)貼現(xiàn)率和排放物的權(quán)重因子進(jìn)行了不確定性分析，還需要對(duì)技術(shù)可達(dá)率和能源價(jià)格等因素作進(jìn)一步討論；2）技術(shù)減排的協(xié)同效益還可以覆蓋更多大氣污染物（如CO、VOC、PM2.5等），同時(shí)還可以考慮減排固廢和節(jié)水的協(xié)同效益；3）權(quán)重因子與行業(yè)、地區(qū)、時(shí)段等因素密切相關(guān)，如果有更詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料，最好通過(guò)空氣質(zhì)量評(píng)估模型來(lái)確定權(quán)重因子；4）從中長(zhǎng)期來(lái)看，鋼鐵行業(yè)的規(guī)模減排和結(jié)構(gòu)減排潛力也是不可忽視的，未來(lái)需要進(jìn)一步挖掘鋼鐵行業(yè)的減排潛力.

3.6 建議

3.6.1 完善節(jié)能減排技術(shù)體系，制定實(shí)施路線(xiàn) 應(yīng)針對(duì)鋼鐵行制定節(jié)能減排技術(shù)開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用規(guī)劃、行動(dòng)措施、保障機(jī)制及實(shí)施路線(xiàn)圖，以明確鋼鐵行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)、示范、市場(chǎng)化和規(guī)?；M(jìn)程，以及推廣應(yīng)用關(guān)鍵節(jié)能減排技術(shù)的優(yōu)先順序.

3.6.2 加大關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)力度，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新 加大宏觀(guān)管理、政策引導(dǎo)和組織協(xié)調(diào)，提高關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)力度.加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究體系、應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)體系及科學(xué)服務(wù)體系建設(shè)，引導(dǎo)企業(yè)和科研院所開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)、聯(lián)合攻關(guān)、示范和推廣.

3.6.3 增加資金投入和政策激勵(lì)，推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用 加大各級(jí)財(cái)政專(zhuān)項(xiàng)資金對(duì)關(guān)鍵節(jié)能減排技術(shù)推廣應(yīng)用的支持，推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)的推廣應(yīng)用.認(rèn)真落實(shí)技術(shù)推廣應(yīng)用的稅收優(yōu)惠政策，積極鼓勵(lì)企業(yè)利用社會(huì)資金，引導(dǎo)金融、信貸機(jī)構(gòu)支持企業(yè)實(shí)施節(jié)能改造.

4 結(jié)語(yǔ)

本文選取鋼鐵行業(yè)的26項(xiàng)節(jié)能減排技術(shù)措施，評(píng)估和比較了各項(xiàng)技術(shù)措施的減排潛力、減排成本和協(xié)同效益.結(jié)果表明，中國(guó)鋼鐵行業(yè)減排潛力巨大.節(jié)能減排技術(shù)的推廣應(yīng)用對(duì)中國(guó)鋼鐵行業(yè)減排溫室氣體和促進(jìn)節(jié)能減排具有重要戰(zhàn)略意義，是中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的重要路徑選擇.節(jié)能減排技術(shù)的普及有助于降低大氣污染物（SO2， NOx和PM10等）的排放量，具有顯著的協(xié)同效益.鋼鐵行業(yè)開(kāi)展節(jié)能減排時(shí)，需要綜合考慮減排成本、節(jié)能收益和協(xié)同效益，選擇最成本有效的措施.

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致謝：感謝發(fā)改委能源所的熊華文研究員和美國(guó)LBNL的 Hasanbeigi Ali博士對(duì)本研究的幫助與支持.

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

馬 ?。?987-），男，湖北黃岡人，清華大學(xué)博士研究生，主要從事能源系統(tǒng)建模和應(yīng)對(duì)氣候變化研究.發(fā)表論文6篇.

2014-05-20

教育部人文社科重點(diǎn)研究基地重大項(xiàng)目（12JJD630002）；國(guó)家“十二五”科技支撐項(xiàng)目（2012BAC20B01）；國(guó)家發(fā)改委低碳發(fā)展宏觀(guān)戰(zhàn)略研究（2012011）

* 責(zé)任作者， 教授， Chenwy@mails.tsinghua.edu.cn