煉鐵工序減污降碳協(xié)同增效技術(shù)評(píng)估方法研究

銀洲，況悅，劉丹丹，趙亞洲，張昕，李艷萍

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

我國(guó)正處于深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)、建設(shè)美麗中國(guó)的關(guān)鍵時(shí)期，同時(shí)也處于2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的關(guān)鍵階段。面對(duì)污染防治和“雙碳”目標(biāo)的新局勢(shì)，相關(guān)研究[1]指出，到2030 年之后，由于末端治理措施的減排空間越來(lái)越小，即使工業(yè)領(lǐng)域采用最嚴(yán)格的末端治理手段，空氣中細(xì)顆粒物（PM2.5）濃度仍超出世界衛(wèi)生組織推薦安全限值的2～4 倍，而細(xì)顆粒物的存在會(huì)降低太陽(yáng)能等清潔能源的發(fā)電效率，因此只有通過(guò)減污與降碳協(xié)同才有可能達(dá)到碳中和目標(biāo)。與此同時(shí)，隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求的提升，重點(diǎn)行業(yè)末端治理設(shè)施的增加導(dǎo)致耗能增加，從而造成更多的碳排放[2]。因此，亟須從源頭和生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)“污”和“碳”的協(xié)同控制。溫室氣體（如CO2、CH4、N2O等）與常規(guī)大氣污染物（如NOx、SO2、顆粒物等）大多是由礦物燃料燃燒排放造成，其排放源一致，因此可以優(yōu)化控制溫室氣體與常規(guī)大氣污染物減排的組合措施，以最小化的成本協(xié)同實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)[3]。

工業(yè)領(lǐng)域污染物和碳排放占比高，協(xié)同減排對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展起重要推進(jìn)作用。污染物和溫室氣體排放協(xié)同控制的主要路徑為能源結(jié)構(gòu)[4]和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[5]的調(diào)整及技術(shù)的創(chuàng)新[6]，而技術(shù)的進(jìn)步是核心驅(qū)動(dòng)力[7]。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家由于其產(chǎn)業(yè)的工藝技術(shù)體系清晰、企業(yè)數(shù)據(jù)詳實(shí)，自2000 年以來(lái)基本形成了以定量為主的較為成熟的低碳或污染物最佳防控評(píng)估方法或?qū)t[8-9]。我國(guó)雖起步較晚，但為了加快低碳技術(shù)和污染防治技術(shù)的推廣應(yīng)用，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)組織編制了《國(guó)家重點(diǎn)推廣的低碳技術(shù)目錄》[10]、《國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄》[11]、《綠色技術(shù)推廣目錄》[12]，生態(tài)環(huán)境部制定火電、鋼鐵、水泥等幾十項(xiàng)重點(diǎn)行業(yè)污染防治最佳可行性技術(shù)（best available technologies,BAT)指南[13]及發(fā)布《國(guó)家先進(jìn)污染防治技術(shù)目錄》[14]等。各類推廣技術(shù)目錄分別針對(duì)低污染物排放和低能耗進(jìn)行技術(shù)推廣，而基于生產(chǎn)全過(guò)程的溫室氣體和污染物協(xié)同控制技術(shù)推廣庫(kù)報(bào)道較少。

在污染物和溫室氣體協(xié)同減排上，有相關(guān)報(bào)道就不同領(lǐng)域減污降碳協(xié)同效益評(píng)估方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。減污降碳協(xié)同效益評(píng)估的方法主要分為宏觀的減排政策和微觀的減排規(guī)劃、技術(shù)方法的評(píng)估。針對(duì)較為宏觀的減排政策，如區(qū)域經(jīng)濟(jì)政策，采取“自上而下”模型或“混合模型方法”模擬評(píng)估。如Rypdal 等[15]采用CGE-RAINS-FRES 模型評(píng)估歐盟6 種氣候變化政策情景下北歐大氣環(huán)境協(xié)同效益。王涵等[16]構(gòu)建減污-降碳-經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)對(duì)指標(biāo)間二元、三元耦合協(xié)調(diào)度計(jì)算分析各地區(qū)發(fā)展協(xié)調(diào)情況。楊儒浦等[17]運(yùn)用層次分析法建立工業(yè)園區(qū)減污降碳協(xié)同發(fā)展指數(shù)。針對(duì)微觀的減排規(guī)劃、技術(shù)方法，往往采用“自下而上”模型結(jié)合排放系數(shù)對(duì)協(xié)同效益進(jìn)行評(píng)估。如毛顯強(qiáng)等[18-19]基于污染排放（減排）當(dāng)量指標(biāo)，開(kāi)發(fā)二維或多維歐氏空間坐標(biāo)系來(lái)評(píng)估減污降碳措施和技術(shù)的協(xié)同性及其協(xié)同程度。唐偉等[20]采用彈性系數(shù)對(duì)杭州市機(jī)動(dòng)車開(kāi)展協(xié)同控制評(píng)估。Ma 等[21]選取22 項(xiàng)節(jié)能減排措施，評(píng)估和比較了各項(xiàng)措施的減排成本和協(xié)同效益?；诤暧^的評(píng)估方法適用于分析區(qū)域政策對(duì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)水平和環(huán)境的影響，對(duì)微觀技術(shù)領(lǐng)域的評(píng)估具有較大的不確定性。針對(duì)微觀技術(shù)領(lǐng)域的減污降碳協(xié)同效益評(píng)估，現(xiàn)有研究主要對(duì)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，且以污染排放（減排）當(dāng)量指標(biāo)使用污染物排放權(quán)價(jià)格或應(yīng)稅污染當(dāng)量為權(quán)重對(duì)污染排放總量進(jìn)行簡(jiǎn)單加和，但污染排放總量指標(biāo)難以反映真實(shí)的環(huán)境影響和環(huán)境效益。為減少未來(lái)的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，比較現(xiàn)有技術(shù)和新技術(shù)的環(huán)境表現(xiàn)，在新技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用之前全面、定量分析潛在的環(huán)境影響尤為必要。因此，構(gòu)建環(huán)境-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)評(píng)估體系對(duì)技術(shù)的推廣起重要作用，對(duì)技術(shù)的環(huán)境-經(jīng)濟(jì)全方位評(píng)估是合理選擇協(xié)同控制措施，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)行業(yè)污染物和碳排放協(xié)同減排的基礎(chǔ)。

基于此，筆者探索建立減污降碳技術(shù)的系統(tǒng)客觀量化評(píng)估體系，通過(guò)對(duì)技術(shù)的協(xié)同度、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益進(jìn)行全面分析，以鋼鐵行業(yè)碳排放占比最高的高爐煉鐵工序先進(jìn)技術(shù)為例，旨在從應(yīng)用層面檢驗(yàn)評(píng)估方法的可行性，為鋼鐵行業(yè)以及其他重點(diǎn)行業(yè)減污降碳協(xié)同控制技術(shù)的推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

鋼鐵行業(yè)煉鐵工序先進(jìn)適用技術(shù)的節(jié)能、節(jié)電等指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)自《鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)目錄》[22]、《國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》[23-24]和相關(guān)文獻(xiàn)[25-39]。由于煉鐵工藝在鋼鐵行業(yè)中碳排放占比高，本研究從國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、工業(yè)和信息化部提出的技術(shù)目錄和國(guó)際能源署發(fā)布的2020年鋼鐵行業(yè)技術(shù)路線圖[26]推薦的技術(shù)中選擇了煉鐵工藝的11 項(xiàng)生產(chǎn)過(guò)程綠色節(jié)能技術(shù)（其中，T1～T2為源頭防治技術(shù)，T3～T11 為過(guò)程控制技術(shù)），從末端治理技術(shù)中選擇了3 項(xiàng)有代表性的減排技術(shù)（T12～T14）做分析，如表1 所示。

表1 鋼鐵行業(yè)煉鐵工序減排技術(shù)-經(jīng)濟(jì)參數(shù)Table 1 Technological and economic parameters for emission reduction technologies in ironmaking process

溫室氣體和污染物種類選取上，由于鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程排放CO2占溫室氣體的99%以上，且我國(guó)提出的碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，在2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，主要指實(shí)現(xiàn)CO2的達(dá)峰，因此在溫室氣體的選取方面，主要考慮CO2的排放。大氣污染物主要選取種類為顆粒物、SO2、NOx和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）。水污染和固廢的種類選擇上，由于在焦化聯(lián)合鋼鐵廠中，廢水根據(jù)用水水質(zhì)要求串級(jí)利用，焦化、高爐、轉(zhuǎn)爐和軋鋼等工序可做到生產(chǎn)廢水零排放，固體廢物如高爐渣、鋼渣等外運(yùn)作為水泥原料，高爐瓦斯灰通常送燒結(jié)綜合利用，因此本研究不考慮水污染物、固體廢物與碳的協(xié)同排放。

1.2 研究方法

1.2.1 技術(shù)減污降碳協(xié)同控制評(píng)價(jià)方法

為衡量技術(shù)減污降碳協(xié)同控制效果，采用Tapio 脫鉤模型[39-40]評(píng)估減污降碳協(xié)同效應(yīng)系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：S為協(xié)同效應(yīng)系數(shù)；ΔELAP為使用技術(shù)后污染物排放的減排量，t；ELAP為未使用技術(shù)前污染物排放量，t；ΔEGHG為使用技術(shù)后碳減排量，t；EGHG為未使用技術(shù)前碳排放量，t。

依據(jù)協(xié)同效應(yīng)系數(shù)的取值范圍，可將協(xié)同狀態(tài)特征劃分為8 類（表2）。再將減污降碳協(xié)同效應(yīng)系數(shù)繪制在二維或多維歐氏空間坐標(biāo)系中。某技術(shù)減排措施在坐標(biāo)系中所處的空間位置，可以直觀地反映其減排效果及其“協(xié)同”狀況。

表2 減污降碳協(xié)同效應(yīng)系數(shù)對(duì)應(yīng)的協(xié)同狀態(tài)Table 2 Synergistic state corresponding to synergistic effect coefficient of pollution abatement and carbon reduction

為量化技術(shù)污染物排放量，源頭和過(guò)程控制技術(shù)采用系數(shù)法得出技術(shù)邊界范圍內(nèi)的污染物排放量，計(jì)算公式如下：

式中：Q燃料為該技術(shù)減少燃料排放污染物的量，t；Q過(guò)程為技術(shù)邊界內(nèi)生產(chǎn)過(guò)程中由于原料的減少而減少的污染物排放量，t；V燃料為使用技術(shù)后使用燃料的減少量，kg；α為燃料的污染物排放系數(shù)，g/kg；η為技術(shù)邊界內(nèi)末端治理設(shè)施減少的污染物比例。根據(jù)第二次全國(guó)污染源普查產(chǎn)排污核算系數(shù)手冊(cè)，選取燃燒單位煙煤SO2產(chǎn)污系數(shù)為0.235 1 g/kg，NOx產(chǎn)污系數(shù)為0.549 0g/kg，顆粒物產(chǎn)污系數(shù)為7.923 3 g/kg 折算成減少的SO2、NOx、顆粒物排放量；焦化行業(yè)VOCs產(chǎn)污系數(shù)為0.918 9 g/kg，折算成減少VOCs 的排放量。以1 t 鋼鐵為基準(zhǔn)，未經(jīng)過(guò)末端治理措施或節(jié)能技術(shù)鋼鐵全流程產(chǎn)生的大氣污染物SO2、NOx和顆粒物的排放量分別為 7.66、9.92 和 7.45 kg/t[41]；選取鋼鐵長(zhǎng)流程煉鋼的噸鋼碳排放量2.10 t 為基準(zhǔn)值[42]。

末端控制技術(shù)的污染物排放減少比例ΔELAP/ELAP直接引用技術(shù)使用后SO2、NOx、顆粒物、VOCs 的減少比例。

為了量化技術(shù)的碳排放量，采用排放因子核算法得出技術(shù)邊界范圍內(nèi)減少的碳排放量，公式如下：

式中：ΔETGHG為技術(shù)使用后生產(chǎn)每噸產(chǎn)品減少的碳排放量，kg/t；E燃料為技術(shù)使用后生產(chǎn)每噸產(chǎn)品節(jié)約燃料排放CO2的量，kg/t；E過(guò)程為技術(shù)邊界內(nèi)生產(chǎn)過(guò)程中由于含碳原料的減少（包括減少鐵、焦炭等原料和脫硫劑的使用）而減少的CO2排放量，kg/t；E節(jié)約電為技術(shù)使用后因節(jié)約電而減少的CO2排放量，kg/t；E輸出熱為技術(shù)使用后因輸出熱減少的CO2排放量，kg/t；E固碳為技術(shù)使用后因碳捕集而減少的CO2排放量，kg/t；AD燃料、AD原料、AD節(jié)約電、AD輸出熱分別為技術(shù)使用后單位產(chǎn)品消耗化石燃料、消耗含碳原料、消耗電量和輸出熱量減少量，單位分別為kg/t、kg/t、MW·h/t、GJ/t；EF燃料、EF原料、EF節(jié)約電、EF輸出熱分別為化石燃料、含碳原料、電網(wǎng)和熱量排放因子，單位分別為kg/kg、kg/kg、kg/(MW·h)、kg/GJ。

1.2.2 技術(shù)減污降碳協(xié)同經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估方法

通過(guò)協(xié)同經(jīng)濟(jì)效益綜合指數(shù)評(píng)估技術(shù)的協(xié)同效益，計(jì)算公式如下：

式中：AP 為技術(shù)邊界范圍生產(chǎn)單位產(chǎn)品的減污降碳協(xié)同經(jīng)濟(jì)效益，元/t；n為污染物種類（包括SO2、NOx、顆粒物、VOCs 等）；為技術(shù)使用后單位產(chǎn)品污染物的減排量，kg/t；為技術(shù)使用后單位產(chǎn)品CO2的減排量，kg/t；分別為SO2、NOx、顆粒物和VOCs 的污染物排放交易權(quán)基準(zhǔn)價(jià)格，元/kg；為CO2碳市場(chǎng)的價(jià)格，元/kg。

技術(shù)減排效益減排成本和單位CO2減排效益減排成本計(jì)算公式如式（6）～（9）所示：

式中：M為技術(shù)j的減排成本，元/t；Cj為技術(shù)j的單位CO2減排的成本，元/t；ACCj為年均化的技術(shù)j的投資成本，元/t；Ij為技術(shù)j的投資成本，元；d為折現(xiàn)率，取8%；Lj為技術(shù)j的壽命，a；ΔOMj為技術(shù)j的運(yùn)行維護(hù)成本，元/t，當(dāng)n=1,2,3 時(shí)，為節(jié)能收益，元/t；Pf和Pe分別為煤炭、電力的價(jià)格，單位分別為元/kg 和元/（MW·h）；FSj為技術(shù)j生產(chǎn)單位產(chǎn)品產(chǎn)生燃料節(jié)約量，kg/t；ESj為技術(shù)j生產(chǎn)單位產(chǎn)品產(chǎn)生電力節(jié)約量，MW·h/t。

1.2.3 技術(shù)環(huán)境效益評(píng)估方法

為了衡量技術(shù)使用后污碳排放量的變化對(duì)于環(huán)境所造成的影響，基于生命周期理念評(píng)價(jià)中影響評(píng)價(jià)（LCIA）的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從技術(shù)污碳排放清單到環(huán)境影響評(píng)價(jià)值的計(jì)算過(guò)程。計(jì)算公式[43]如下：

式中：I為環(huán)境影響潛值；ai為污染物（資源、能源）i的減排量，kg/t；pi為污染物（資源、能源）i對(duì)應(yīng)的損害因子，人體健康損害因子、生態(tài)系統(tǒng)損害因子和資源影響因子單位分別為d/kg（傷殘調(diào)整壽命單位）、species/kg 和MJ/kg；bn為終點(diǎn)傷害類別n對(duì)應(yīng)的人均基準(zhǔn)值，人體健康損害、生態(tài)系統(tǒng)損害和資源影響人均基準(zhǔn)值單位分別為DAILY、species 和MJ；wn為終點(diǎn)傷害類別對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

損害因子的確定參考目前應(yīng)用較廣泛的Ecoindicator[44]、ReCiPe[45]評(píng)價(jià)方法，并以第二次全國(guó)污染源普查中國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注的污染物為研究對(duì)象，得出各類環(huán)境影響的損害因子，結(jié)果如表3 所示。

表3 污染物、CO2 和能源對(duì)各環(huán)境影響類別的損害因子Table 3 Damage factors of pollutants,greenhouse gases,and energy on various environmental impact categories

由于大氣中As、Cd、Cr 和Ni 主要來(lái)源為煤和石油燃燒，因此通過(guò)技術(shù)使用后減少煤炭的使用量、煤中重金屬的含量、釋放比例和去除率來(lái)核算As、Cd、Cr 和Ni 的減排量。人體健康、生態(tài)環(huán)境和資源的權(quán)重采用層次分析法問(wèn)卷調(diào)研的形式，得出其權(quán)重分別為60%、25%、15%[44]。

2 結(jié)果與分析

2.1 技術(shù)污染物和碳排放協(xié)同度分析

通過(guò)協(xié)同控制二維坐標(biāo)系將技術(shù)使用后污染物和碳減排的協(xié)同程度展示于圖1 和表4。由圖1 和表4 可見(jiàn)，源頭防治和過(guò)程控制技術(shù)在減少污染物（SO2、NOx、顆粒物）和碳排放上具有協(xié)同性，其中綠氫冶煉技術(shù)（T11）由于全流程不使用焦炭作為還原劑，且冶煉過(guò)程采用綠色電力作為能源，污碳減排協(xié)同度最高。熔劑性球團(tuán)制備技術(shù)（T2）通過(guò)焙燒溫度與球團(tuán)礦質(zhì)量調(diào)控、燃燒溫度與硫硝生成控制，使得燃料比和焦比降低[29]，從而實(shí)現(xiàn)污染物（SO2、NOx和VOCs）與CO2的協(xié)同控制。從SO2產(chǎn)生機(jī)理來(lái)看，高爐煙氣中SO2主要由燃料中有機(jī)硫在風(fēng)口前燃燒生成以及溫度大于1 350 ℃的高溫區(qū)域硫酸鹽CaSO4及BaSO4分解產(chǎn)生[51]，熔劑性球團(tuán)制備技術(shù)通過(guò)原料中有機(jī)硫氧化成硫酸鹽，在低溫區(qū)域減少了SO2的生成。從NOx產(chǎn)生機(jī)理來(lái)看，熔劑性球團(tuán)制備技術(shù)降低爐內(nèi)溫度，從而降低了NOx的生成，同時(shí)因節(jié)約能耗又減少了碳排放。相較之下，節(jié)能技術(shù)（T1,T3～T10）減污降碳協(xié)同度較弱，對(duì)碳的減排效果遠(yuǎn)大于SO2、NOx和顆粒物。在節(jié)能技術(shù)中，高爐富氧技術(shù)（T8）、高爐鼓風(fēng)除濕技術(shù)（T2）和高爐煤氣回收技術(shù)（T5）的SO2、NOx和顆粒物減排量較大。由于高爐富氧技術(shù)和高爐鼓風(fēng)除濕技術(shù)提高了爐內(nèi)有效利用熱，高爐煤氣回收技術(shù)循環(huán)利用熱，節(jié)能技術(shù)在減少碳排放的同時(shí)也減少了因燃料燃燒所產(chǎn)生的污染物排放。綠氫冶煉技術(shù)、熔劑性球團(tuán)制備技術(shù)不僅過(guò)程減排且節(jié)約能源，減污降碳協(xié)同度大于僅節(jié)約能源的節(jié)能技術(shù)。而末端治理技術(shù)（T12～T14）在污染物和碳排放減排上，不具有協(xié)同性，說(shuō)明實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同控制的目標(biāo)應(yīng)注重從末端治理向源頭治理和過(guò)程控制轉(zhuǎn)變。

圖1 煉鐵工序技術(shù)污染物和CO2 協(xié)同減排二維坐標(biāo)系Fig.1 Two-dimensional coordinate system for evaluation of the synergistic reduction technologies of pollutants and carbon emissions in the ironmaking process

在VOCs 減排上，由于焦?fàn)t制焦環(huán)節(jié)的無(wú)組織排放和工作過(guò)程排放的VOCs 是鋼鐵行業(yè)主要的排放源[52]，各項(xiàng)技術(shù)對(duì)VOCs 減排量與高爐生產(chǎn)過(guò)程中減少的焦比成正比。綠氫冶煉技術(shù)（T11）、熔劑性球團(tuán)制備技術(shù)（T2）、TRT（T3）、高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)（T5）、高爐煤氣回收技術(shù)(T6)、高爐熱風(fēng)爐雙預(yù)熱(T7)由于有效的減少焦比，因此VOCs 和CO2減排上具有較好的協(xié)同性。其中，綠氫冶煉技術(shù)由于全流程不使用焦炭作為還原劑，因此較現(xiàn)有的長(zhǎng)流程冶煉技術(shù)減少VOCs 的排放量最大。高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)和高爐煤氣回收技術(shù)通過(guò)循環(huán)利用煤氣里的還原碳，有效地減少還原劑焦炭的消耗，從而同時(shí)減少了VOCs 和碳的排放[53]。

2.2 技術(shù)減污降碳協(xié)同效益分析

煉鐵工序各項(xiàng)技術(shù)的污染物和碳減排協(xié)同收益如圖2 所示。在當(dāng)前我國(guó)碳市場(chǎng)碳交易價(jià)格為56 元/t 條件下，綠氫冶煉技術(shù)（T11）由于污染物和CO2減排量大，協(xié)同收益最大，達(dá)300 元/t（以鋼產(chǎn)量計(jì)，下同）。此外，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)（T13）和CCS（T14）技術(shù)也具有較高的收益。由于污染物和碳減排量較少，污碳減排協(xié)同收益較小的技術(shù)為T(mén)RT 技術(shù)（T3）、高爐噴煤技術(shù)（T4）和CCPP 技術(shù)（T10）。當(dāng)碳市場(chǎng)碳交易價(jià)格漲到歐盟碳市場(chǎng)碳交易最高值（100 歐元/t，按750 元/t 計(jì)）時(shí)，綠氫冶煉技術(shù)（T11）和CCS（T14）的污碳減排效益實(shí)現(xiàn)大幅度的增加，說(shuō)明在未來(lái)鋼鐵行業(yè)步入碳市場(chǎng)進(jìn)行配額交易后，隨著碳交易價(jià)格的上漲，綠氫冶煉技術(shù)（T11）和CCS（T14）具有更大的應(yīng)用潛力。

圖2 技術(shù)的減污降碳協(xié)同收益Fig.2 Synergistic benefits of the technologies for pollution abatement and carbon reduction

從圖3 可以看出，將技術(shù)成本扣除協(xié)同收益后，減排成本最高的3 項(xiàng)技術(shù)分別是綠氫冶煉技術(shù)（T11）、CCS（T14）和高爐富氧技術(shù)（T9）。碳交易價(jià)格上漲時(shí)，技術(shù)的減排成本呈下降趨勢(shì)，當(dāng)碳交易價(jià)格達(dá)到750 元/t 時(shí)，CCS 的成本可減到40 元/t。減排成本由低到高排序?yàn)椋篊CPP 技術(shù)（T10）＜ 高爐煤氣回收（T6）＜ TRT 技術(shù)（T3）＜ 高爐噴吹焦?fàn)t煤氣（T5）＜ 石灰石-石膏濕法煙氣（T13）＜ 高爐噴煤技術(shù)（T4）。在單位CO2減排成本上，綠氫冶煉技術(shù)（T11）和CCS（T14）由于減少CO2的排放量大，單位CO2減排成本較低。污染物末端治理技術(shù)如高爐煤氣干式除塵（T12）和石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)（T13）由于去除污染物導(dǎo)致碳排放增加，單位CO2減排成本高。由于技術(shù)的減污降碳協(xié)同經(jīng)濟(jì)收益對(duì)減排技術(shù)的成本和經(jīng)濟(jì)可行性影響大，因此未來(lái)碳價(jià)和污染物排放權(quán)價(jià)格的提升能有效推動(dòng)先進(jìn)減污降碳協(xié)同控制技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用。

圖3 技術(shù)的減污降碳協(xié)同減排成本Fig.3 Costs of the technologies for carbon and pollution emission reduction

2.3 技術(shù)的環(huán)境影響分析

從人體健康、生態(tài)系統(tǒng)和資源消耗減少量來(lái)核算技術(shù)對(duì)環(huán)境影響減少總量，結(jié)果如表5 所示。對(duì)人體健康影響減少量較大的技術(shù)為石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)（T13）、高爐富氧（T9）和綠氫冶煉技術(shù)（T11），因?yàn)檫@些技術(shù)不僅能有效減少碳排放從而減少氣候變化的影響，還有效減少大氣污染物的排放從而降低致癌作用、減少細(xì)顆粒物和光化學(xué)臭氧的形成。生態(tài)系統(tǒng)影響減少量指標(biāo)主要取決于煤炭消耗導(dǎo)致重金屬排放而造成的生態(tài)毒性影響、酸性污染氣體排放引起的酸化效應(yīng)和形成光化學(xué)臭氧的VOCs、氮氧化物的排放量。由于綠氫冶煉技術(shù)（T11）能最大程度地協(xié)同減少煤炭和焦炭原料的消耗從而有效減少了生態(tài)毒性影響、酸化效益、有機(jī)污染物和氮氧化物的生成，因此對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響減少量最大。資源消耗的影響主要取決于煤炭等化石燃料的開(kāi)采對(duì)自然資源造成的不可逆消耗。源頭和過(guò)程節(jié)能減排技術(shù)能有效地減少能耗，因此能有效減少資源消耗的影響，而末端治理技術(shù)和綠氫冶煉技術(shù)由于能耗大，反而增加了資源消耗的影響。當(dāng)人體健康、生態(tài)系統(tǒng)和資源消耗減少量權(quán)重分別設(shè)定為60%、25%、15%時(shí)[54]，除CCS技術(shù)，其余技術(shù)均能有效降低總環(huán)境影響。其中，綠氫冶煉技術(shù)（T11）最能有效降低總環(huán)境影響。CCS 技術(shù)由于能耗大，現(xiàn)有的能耗結(jié)構(gòu)假定以煤發(fā)電為主，核算出CCS 技術(shù)的實(shí)施總體增加對(duì)環(huán)境的影響。

表5 技術(shù)的環(huán)境影響核算結(jié)果Table 5 Environmental impact of the technologies

2.4 敏感性分析

由于貼現(xiàn)率對(duì)技術(shù)的協(xié)同減排成本影響較大，環(huán)境影響中各分解要素的影響因子和傷害類別權(quán)重對(duì)最終總環(huán)境影響較大，本文分別針對(duì)貼現(xiàn)率、影響因子和權(quán)重因子進(jìn)行分析。

由表6 所示，隨著貼現(xiàn)率的提高，技術(shù)的投資成本也逐漸上升，經(jīng)濟(jì)可行性變差。當(dāng)貼現(xiàn)率由5%升至15%時(shí)，成本有效的技術(shù)由11 個(gè)降至10 個(gè)。環(huán)境影響分析中采用的是國(guó)外的Eco-indicator 和ReCPe 2016 方法，基于發(fā)達(dá)國(guó)家17%的死亡原因歸咎于環(huán)境因素[55]，而中國(guó)則高達(dá)25%[54]，因此技術(shù)對(duì)中國(guó)人體健康、生態(tài)系統(tǒng)和資源消耗減少量的影響因子存在一定的不確定性。此外，人體健康、生態(tài)系統(tǒng)和資源消耗減少量的權(quán)重采用的是問(wèn)卷調(diào)研法，存在人群代表性和主觀控制的不確定性。

表6 不同貼現(xiàn)率下技術(shù)污碳減排成本Table 6 Cost of the technologies synergetic reduction of pollution and carbon reduction under different discount rates

2.5 討論

煉鐵工序源頭和過(guò)程控制技術(shù)能協(xié)同減排常規(guī)大氣污染物（SO2、NOx和顆粒物）和CO2，以節(jié)能為主的技術(shù)對(duì)CO2的減排程度遠(yuǎn)大于污染物。這與相關(guān)研究[19]得出的結(jié)論一致，現(xiàn)有的末端控制技術(shù)對(duì)污染物和CO2減排不具有協(xié)同性。因此，技術(shù)的減污降碳協(xié)同度評(píng)估應(yīng)主要針對(duì)源頭和控制技術(shù)，而末端技術(shù)應(yīng)采用單位污染物減排導(dǎo)致的CO2排放量和環(huán)境影響程度評(píng)估來(lái)判斷其污染物和碳排放水平。從技術(shù)的成本-污碳減排效益來(lái)看，綠氫冶煉技術(shù)雖污染物和碳協(xié)同減排表現(xiàn)優(yōu)異、環(huán)境影響小，但由于現(xiàn)有碳交易價(jià)格低而收益低，限制了其在市場(chǎng)上的應(yīng)用和推廣，隨著未來(lái)碳交易價(jià)格的增高，其成本能有效降低。在目前以煤炭發(fā)電和碳交易價(jià)格低的條件下，CCS 技術(shù)對(duì)環(huán)境存在不利影響且成本較高，隨著未來(lái)綠色能源使用的增加以及碳交易價(jià)格的上漲，CCS 技術(shù)成本能大幅度降低。針對(duì)現(xiàn)有鋼鐵行業(yè)減污降碳協(xié)同控制的難點(diǎn)，未來(lái)鋼鐵行業(yè)減污降碳協(xié)同控制方向應(yīng)著力于源頭優(yōu)化調(diào)控、過(guò)程協(xié)同減量和末端治理前移。

鑒于數(shù)據(jù)資料的限制，本文從技術(shù)的協(xié)同度、成本收益和環(huán)境影響幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估，還存在一些待完善的地方，主要體現(xiàn)在：1）僅針對(duì)單個(gè)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，還需要對(duì)不同技術(shù)的組合從生產(chǎn)源頭-過(guò)程-末端進(jìn)行技術(shù)集成分析；2）污染物和碳排放量根據(jù)排放因子核算得出，而實(shí)際生產(chǎn)中受原料成分比例、設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)影響而變化，還需要補(bǔ)充調(diào)研實(shí)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行完善補(bǔ)充；3）環(huán)境影響因子與行業(yè)、地區(qū)、時(shí)段等因素相關(guān)，在未來(lái)的研究中，應(yīng)根據(jù)地域和時(shí)段對(duì)影響因子進(jìn)行細(xì)化。

3 結(jié)論

（1）技術(shù)進(jìn)步是推動(dòng)減污降碳協(xié)同控制的重要途經(jīng)。選取了煉鐵工序14 項(xiàng)源頭防治、過(guò)程控制、末端治理技術(shù)，評(píng)估各項(xiàng)技術(shù)的協(xié)同減排、成本收益和環(huán)境影響。結(jié)果表明，綠氫冶煉技術(shù)和熔劑性球團(tuán)制備技術(shù)污碳減排協(xié)同度較高，高爐噴吹焦?fàn)t煤氣技術(shù)、高爐煤氣回收技術(shù)和高爐熱風(fēng)爐雙預(yù)熱技術(shù)能協(xié)同減少VOCs 和碳排放，節(jié)能減排技術(shù)對(duì)碳排放的減排程度遠(yuǎn)大于污染物，而污染物末端控制技術(shù)不能協(xié)同控制碳排放。

（2）在當(dāng)前我國(guó)碳交易價(jià)格條件下，節(jié)能技術(shù)和污染物末端治理技術(shù)減排成本低，綠氫冶煉和CCS技術(shù)減排成本最高。隨著碳交易價(jià)格的上漲，節(jié)能、綠氫冶煉和CCS 技術(shù)減排成本呈下降趨勢(shì)。

（3）在技術(shù)的環(huán)境影響上，綠氫冶煉技術(shù)、污染物末端治理技術(shù)最能有效減少環(huán)境影響，其他節(jié)能技術(shù)也能相應(yīng)減少環(huán)境影響，而現(xiàn)有條件下CCS 技術(shù)的實(shí)施會(huì)增加環(huán)境的影響。

（4）綜合技術(shù)的污染物和碳排放協(xié)同度、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益評(píng)估結(jié)果，煉鐵工序中源頭防治和節(jié)能技術(shù)可作為我國(guó)現(xiàn)階段減污降碳協(xié)同增效技術(shù)進(jìn)行推廣。污染物的末端治理技術(shù)雖不能協(xié)同控制污染物和碳排放，但能有效減少環(huán)境影響，降低末端控制的碳排放將成為未來(lái)污染物末端治理技術(shù)評(píng)估的重點(diǎn)。綠氫冶煉技術(shù)雖污碳減排協(xié)同效果明顯、環(huán)境影響小，但由于現(xiàn)有碳交易價(jià)格低而收益低，隨著未來(lái)碳交易價(jià)格的增高，其成本能有效降低。