中国钢铁工业流程结构、能耗和排放长期情景预测

第36卷第12期 北京科技大学学报 Vol.36 No.12 2014年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2014 中国钢铁工业流程结构、能耗和排放长期情景预测 汪 鹏”，姜泽毅2)回，张欣欣》，耿心怡，郝诗宇” 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京科技大学北京市高校节能与环保工程研究中心，北京100083 3)北京科技大学治金工业节能减排北京市重点实验室，北京1000834)北京科技大学东凌经济管理学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zyjiang(@usth.cdl.cm 摘要为了准确预报我国钢铁工业未来生产结构、能耗和排放情况，构建了钢铁生产、加工、消费、折旧的全生命周期模型 和基于人均钢铁存储量的产量预测模型，结合工序能耗和排放特征，针对基准、折旧寿命延长、废钢回收率提升、能源效率提 高及综合等五种情景进行了情景预测.中国钢铁产量、能耗和排放会历经一个峰值后下降，电炉短流程会逐渐替代高炉长流 程成为主流。流程结构转变是未来中国钢铁行业节能减排的关键“红利”，而节能技术的作用在后期越发凸显.中国钢铁行业 要达到2050年减排一半的目标，需结合综合情景实施生产结构调整、废钢回收、节能减排技术推广等相应措施 关键词废钢：钢铁生产；生产流程分析：能耗：二氧化碳排放：情景分析 分类号F407.3:TK019 Long-term scenario forecast of production routes,energy consumption and emissions for Chinese steel industry WANG Peng》,JIANG Ze-yi2a,ZHANG Xin-xin》,GENG Xin-,HA0Shi》 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Beijing Engineering Research Center of Energy Saving and Environmental Protection,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China 3)Beijing Key Laboratory of Energy Saving and Emission Reduction for Metallurgical Industry,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 4)Dongling School of Economics and Management,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zyjiang@ustb.edu.cn ABSTRACT A whole life cycle model covering steel production,manufacturing,consumption and end-of-ife,together with an out- put prediction model on the basis of per capita steel stock,is constructed to accurately forecast the trends of production routes,energy consumption and emissions for Chinese steel industry.Predictions with five scenarios including business as usual scenario,scrap recy- cle rate improvement scenario,steel lifetime improvement scenario,energy intensity improvement scenario and ALL scenario were con- ducted in combination with the analysis of energy use and CO,emissions of each production unit.The results show that Chinese steel production,energy consumption and CO emissions will decline after a peak and the EAF production route will become the mainstream after replacing the BF-BOF route gradually.Meanwhile,production route change is the key "dividend"to cut the future energy con- sumption and emissions.The role of technical improvement will gradually emerge in the latter.To meet the goal of reducing emissions by half in 2050,many strategies,referring to ALL scenario,should be applied to promote the production route adjustment,steel recy- clability and technologies of energy conservation and emission reduction. KEY WORDS steel scrap:iron and steel production:production flow analysis:energy consumption:carbon dioxide emissions:sce- nario analysis 收稿日期：2013-09-07 基金项目：国家重点基础研究发展规划资助项目(2012CB720405):中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-SD-12O06B) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.016:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 12 期 2014 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 12 Dec． 2014 中国钢铁工业流程结构、能耗和排放长期情景预测 汪 鹏1) ，姜泽毅1，2) ，张欣欣3) ，耿心怡4) ，郝诗宇1) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学北京市高校节能与环保工程研究中心，北京 100083 3) 北京科技大学冶金工业节能减排北京市重点实验室，北京 100083 4) 北京科技大学东凌经济管理学院，北京 100083  通信作者，E-mail: zyjiang@ ustb． edu． cn 摘 要 为了准确预报我国钢铁工业未来生产结构、能耗和排放情况，构建了钢铁生产、加工、消费、折旧的全生命周期模型 和基于人均钢铁存储量的产量预测模型，结合工序能耗和排放特征，针对基准、折旧寿命延长、废钢回收率提升、能源效率提 高及综合等五种情景进行了情景预测． 中国钢铁产量、能耗和排放会历经一个峰值后下降，电炉短流程会逐渐替代高炉长流 程成为主流． 流程结构转变是未来中国钢铁行业节能减排的关键“红利”，而节能技术的作用在后期越发凸显． 中国钢铁行业 要达到 2050 年减排一半的目标，需结合综合情景实施生产结构调整、废钢回收、节能减排技术推广等相应措施． 关键词 废钢; 钢铁生产; 生产流程分析; 能耗; 二氧化碳排放; 情景分析 分类号 F 407. 3; TK 01--9 收稿日期: 2013--09--07 基金项目: 国家重点基础研究发展规划资助项目( 2012CB720405) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( FＲF--SD--12--006B) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 12． 016; http: / /journals． ustb． edu． cn Long-term scenario forecast of production routes，energy consumption and emissions for Chinese steel industry WANG Peng1) ，JIANG Ze-yi1，2)  ，ZHANG Xin-xin3) ，GENG Xin-yi4) ，HAO Shi-yu1) 1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Engineering Ｒesearch Center of Energy Saving and Environmental Protection，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083， China 3) Beijing Key Laboratory of Energy Saving and Emission Ｒeduction for Metallurgical Industry，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 4) Dongling School of Economics and Management，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: zyjiang@ ustb． edu． cn ABSTＲACT A whole life cycle model covering steel production，manufacturing，consumption and end-of-life，together with an out￾put prediction model on the basis of per capita steel stock，is constructed to accurately forecast the trends of production routes，energy consumption and emissions for Chinese steel industry． Predictions with five scenarios including business as usual scenario，scrap recy￾cle rate improvement scenario，steel lifetime improvement scenario，energy intensity improvement scenario and ALL scenario were con￾ducted in combination with the analysis of energy use and CO2 emissions of each production unit． The results show that Chinese steel production，energy consumption and CO2 emissions will decline after a peak and the EAF production route will become the mainstream after replacing the BF--BOF route gradually． Meanwhile，production route change is the key“dividend”to cut the future energy con￾sumption and emissions． The role of technical improvement will gradually emerge in the latter． To meet the goal of reducing emissions by half in 2050，many strategies，referring to ALL scenario，should be applied to promote the production route adjustment，steel recy￾clability and technologies of energy conservation and emission reduction． KEY WOＲDS steel scrap; iron and steel production; production flow analysis; energy consumption; carbon dioxide emissions; sce￾nario analysis

·1684 北京科技大学学报 第36卷 经过较长时间的演变，中国钢铁生产流程逐渐 于人均钢铁库存量模型得到未来中国各行业钢铁消 形成以铁矿石、煤炭等为源头的高炉一转炉“长流 费量增长规律，分析这五种情景下中国未来钢铁行 程”(BF-BOF流程)和以废钢、电力为源头的电炉 业的流程结构、能耗及排放的变化情况。本研究对 “短流程”(EAF流程)两类，其中电炉“短流程”要 废钢资源系统研究具有重要的理论意义，在一定程 较高炉一转炉“长流程”具有更加良好的节能减排 度上填补国内对废钢系统研究的空白，同时本文提 环保效果，吨钢可节约铁矿石1.3t,降低能耗350kg 出的研究方法可以为其他金属资源的研究提供借鉴 标煤，减排C021.4t,减排废渣600kg0.因此，大力 作用 发展电炉“短流程”成为解决日益增长的钢铁社会 1中国钢铁生命周期物质流及能耗、排放的 需求与生产过程的铁矿资源短缺、能耗高和环境污 计算方法 染严重矛盾的重要途径.然而，废钢是由钢铁生产、 制品加工和制品使用这一复杂漫长生命周期过程产 1.1中国钢铁生命周期物质流分析与建模 生的自产废钢、加工废钢和折旧废钢组成.由于中 钢铁由采选得到的铁矿石及废钢等原料进入治 国钢铁产量的增长迅速，而钢铁工业废钢资源增长 炼生产之后，经由钢铁加工企业加工成具有不同用 相对缓慢，致使中国电炉钢比出现与世界背道而驰 途的多种产品，之后进入到使用环节，成为社会钢铁 的现象（见图1）回.但可以预期的，随着中国逐渐 资源库存，并有一部分前期的钢铁折旧变成现期的 完成现代化和工业化的使命及钢铁行业进入和西方 废钢.因此，钢铁的生命周期循环可分为钢铁材料 发达国家一样的“成熟期”，中国废钢产量会逐渐增 生产、钢铁制品制造加工、钢铁制品的使用或消费和 多并替代铁矿石成为钢铁生产的关键主流资源，钢 库存废钢折旧四个阶段0.为了更加精确、全面地 铁行业迈向“废钢世纪”回.在这种大背景下，对中 展示和分析钢铁生命周期物质流特征及废钢资源的 国废钢未来的产生量、回收量展开全面的情景预测， 消耗、产生情况，本文在相关学者研究的基础 并深入、定量分析不同情景下废钢增长趋势对钢铁 上，结合本文研究目的忽略采选阶段，建立符合 流程的结构演变及其能耗和排放的影响，对于未来 中国国情的包含还原阶段、炼钢阶段、铸造阶段、热 中国钢铁行业调整产业结构以及实现节能减排、清 轧、冷轧、镀层、产品加工、使用消费及折旧废钢产生 洁生产和循环经济显得极为重要和迫切. 的钢铁生命周期物质流模型（见图2）.其中下文如 100- 无特别说明，钢铁产品的量都折算为含铁量.关于 ·一转炉钢比，CN 0 +转炉钢比，WD 钢铁生命周期物质流模型有以下几点说明： 80 。-电炉钢比，CN (1)图中的损失量为离开本系统的铁素量，具 一电炉钢比，WD 70 平炉钢比，CN 体包含散失环境的铁素量以及净出口量 出 60 平炉钢比，WD （2)图中n:(i=1,2,…,24)为各工序的生产 50 率，并按重点企业的技术经济参数来计算 40* (3)本模型在参考文献9]基础上，结合钢铁 730 统计年鉴的相关数据和相关文献的整理数据，并采 20 用铁素平衡的原理来推算其他物质的量，对于某生 0 产率为n的工序的铁素平衡原理由 97419791984198919941999 2004 2009 年份 ∑m,()×a(0]=∑m()×a()]+ 图11974一2010年中国(CN)和世界(WD)粗钢生产方式对比 ∑m)×a(0]=(1/m)×∑m)×a()] Fig.I Comparison of crude steel production by route between China (1) and world in 1974-2010 计算得到.其中，m,(t)、m(t)和m”(t)为t年各项 为此，本文在中国钢铁行业1949一2010年统计 物质的量，心，(t)、a(t)和a(t)为t年进入、离开此 数据的基础上，首先以钢铁生命周期详细的物质流 工序和工序损失的钢折算系数. 为基础，得到三大废钢的产生规律及计算模型.其 (4)废钢按来源分为自产废钢、加工废钢和折 次，分析得到不同流程的能源消耗和C0,排放结果. 旧废钢.其中自产废钢是指产生于钢铁治炼内部的 之后，本文创建基准情景、延长折旧寿命、废钢回收 废钢（即钢铁生产过程中的各项工序产生的废钢 率提升、能源效率提升及综合情景五种情景，利用基 和)，加工废钢是指制造加工工业在对金属产品进

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 经过较长时间的演变，中国钢铁生产流程逐渐 形成以铁矿石、煤炭等为源头的高炉—转炉“长流 程”( BF--BOF 流程) 和以废钢、电力为源头的电炉 “短流程”( EAF 流程) 两类，其中电炉“短流程”要 较高炉—转炉“长流程”具有更加良好的节能减排 环保效果，吨钢可节约铁矿石 1. 3 t，降低能耗 350 kg 标煤，减排 CO2 1. 4 t，减排废渣600 kg［1］． 因此，大力 发展电炉“短流程”成为解决日益增长的钢铁社会 需求与生产过程的铁矿资源短缺、能耗高和环境污 染严重矛盾的重要途径． 然而，废钢是由钢铁生产、 制品加工和制品使用这一复杂漫长生命周期过程产 生的自产废钢、加工废钢和折旧废钢组成． 由于中 国钢铁产量的增长迅速，而钢铁工业废钢资源增长 相对缓慢，致使中国电炉钢比出现与世界背道而驰 的现象( 见图 1) ［2］． 但可以预期的，随着中国逐渐 完成现代化和工业化的使命及钢铁行业进入和西方 发达国家一样的“成熟期”，中国废钢产量会逐渐增 多并替代铁矿石成为钢铁生产的关键主流资源，钢 铁行业迈向“废钢世纪”［3］． 在这种大背景下，对中 国废钢未来的产生量、回收量展开全面的情景预测， 并深入、定量分析不同情景下废钢增长趋势对钢铁 流程的结构演变及其能耗和排放的影响，对于未来 中国钢铁行业调整产业结构以及实现节能减排、清 洁生产和循环经济显得极为重要和迫切． 图 1 1974—2010 年中国( CN) 和世界( WD) 粗钢生产方式对比 Fig． 1 Comparison of crude steel production by route between China and world in 1974—2010 为此，本文在中国钢铁行业 1949—2010 年统计 数据的基础上，首先以钢铁生命周期详细的物质流 为基础，得到三大废钢的产生规律及计算模型． 其 次，分析得到不同流程的能源消耗和 CO2排放结果． 之后，本文创建基准情景、延长折旧寿命、废钢回收 率提升、能源效率提升及综合情景五种情景，利用基 于人均钢铁库存量模型得到未来中国各行业钢铁消 费量增长规律，分析这五种情景下中国未来钢铁行 业的流程结构、能耗及排放的变化情况． 本研究对 废钢资源系统研究具有重要的理论意义，在一定程 度上填补国内对废钢系统研究的空白，同时本文提 出的研究方法可以为其他金属资源的研究提供借鉴 作用． 1 中国钢铁生命周期物质流及能耗、排放的 计算方法 1. 1 中国钢铁生命周期物质流分析与建模 钢铁由采选得到的铁矿石及废钢等原料进入冶 炼生产之后，经由钢铁加工企业加工成具有不同用 途的多种产品，之后进入到使用环节，成为社会钢铁 资源库存，并有一部分前期的钢铁折旧变成现期的 废钢． 因此，钢铁的生命周期循环可分为钢铁材料 生产、钢铁制品制造加工、钢铁制品的使用或消费和 库存废钢折旧四个阶段［4］． 为了更加精确、全面地 展示和分析钢铁生命周期物质流特征及废钢资源的 消耗、产 生 情 况，本文在相关学者研究的基础 上［4--8］，结合本文研究目的忽略采选阶段，建立符合 中国国情的包含还原阶段、炼钢阶段、铸造阶段、热 轧、冷轧、镀层、产品加工、使用消费及折旧废钢产生 的钢铁生命周期物质流模型( 见图 2) ． 其中下文如 无特别说明，钢铁产品的量都折算为含铁量． 关于 钢铁生命周期物质流模型有以下几点说明: ( 1) 图中的损失量为离开本系统的铁素量，具 体包含散失环境的铁素量以及净出口量． ( 2) 图中 ni ( i = 1，2，…，24) 为各工序的生产 率，并按重点企业的技术经济参数来计算． ( 3) 本模型在参考文献［9］基础上，结合钢铁 统计年鉴的相关数据和相关文献的整理数据，并采 用铁素平衡的原理来推算其他物质的量，对于某生 产率为 n 的工序的铁素平衡原理由 ∑［mi ( t) × αi ( t) ］= ∑［m'i ( t) × α' i ( t) ］+ ∑［m″i ( t) × α″i ( t) ］= ( 1 / n) × ∑［m'i ( t) × α' i ( t) ］ ( 1) 计算得到． 其中，mi ( t) 、m'i ( t) 和 m″i ( t) 为 t 年各项 物质的量，αi ( t) 、α' i ( t) 和 α″i ( t) 为 t 年进入、离开此 工序和工序损失的钢折算系数． ( 4) 废钢按来源分为自产废钢、加工废钢和折 旧废钢． 其中自产废钢是指产生于钢铁冶炼内部的 废钢( 即钢铁生产过程中的各项工序产生的废钢 和) ，加工废钢是指制造加工工业在对金属产品进 · 4861 ·

第12期 汪鹏等：中国钢铁工业流程结构、能耗和排放长期情景预测 ·1685· 还原阶段 炼钢阶段 铸造 烧结 阶段 工序n, 高炉工序 转炉 次 工序n 治金 浇注 球团 生铸n 工序H, 电炉 DRL 工序 热 初轧。 工序n 轧 平护 阶 工序n 段 型钢 条钢 板坏 铸造 钢 工序n 轧机, 轧机n, 加工废钢 轧机n 轧机 废钢 处理 厂内废钢 冷轧 无缝钢管 焊管 轧钢 阶段 轧机 轧机红 轧机" 建筑业n 折拨钢 交通业n。 镀锌 镀锡 轧机n 轧机n 机碱业nw 层阶段 家电业n1 涂层n 其他行业， 产品加工n, 使用消费阶段 产品加工阶段 图2中国钢铁生命周期循环物质流图 Fig.2 Life-eycle material flow diagram of Chinese iron and steel 行机械加工时产生的废钢，折旧废钢是指各种金属 (4) 制品使用一定年限后报废形成的废钢.由于折旧废 i=r+合) 钢并未由当期的使用消费钢量产生，所以模型中将 式中，T为伽玛函数 该线画成虚线. Weibull分布的方差为 1.2折旧废钢的产生规律及估算方法 。=[r+合)-r+)] (5) 折旧废钢的计算是废钢量计算的关键部分，不 利用寿命分布法计算思想，在n年进入钢铁积 少学者对此展开研究，国内学者通过计算废钢的平 蓄量的钢铁消费量为P(),其废钢产生的可能 均折旧寿命，然后整体将废钢折算入折旧年得到折 性为 旧废钢量一.实际上，社会生活上的钢铁随时都 R(n)=F(n)-F(n-1)= 会报废，在统计上存在寿命分布因，显然固定年限 折旧不能很好的反应实际情况.因此，国外相关学 m【-号]-卿(-号} (6) 者等利用Weibull分布方法得到折旧废钢量6-) 通过叠加可以得到？年的折旧废钢产生量为 为此，本文采用Weibull寿命分布的动态物质流分 (能产生废钢的起始年为s) 析计算方法展开计算.具体如下. S()= P(n)R(T-n). (7) F=l-e【-()] (2) 为了便于分析，本文按钢铁消费分成建筑、交 其密度函数为 通、机械、家电和其他行业展开计算.同时，利用文 0=(号)（号）m【-(片)] (3) 献5]得到的五大行业使用寿命结果数据进行加权 平均来确定平均寿命，并利用文献6]方法将形状 式中，t为使用寿命，B≥0为形状参数，7≥0为尺度 参数值取为5，采用式(4)求得尺度参数，从而计算 参数. 得到的不同行业寿命分布数据如表1.显然，以建筑 平均使用寿命t和形状参数及尺度参数的关 业为例，通过式(7)可以了解到为了计算本年的折 系为 旧废钢，需要至少得到过去约58a(平均寿命的2

第 12 期 汪 鹏等: 中国钢铁工业流程结构、能耗和排放长期情景预测 图 2 中国钢铁生命周期循环物质流图 Fig． 2 Life-cycle material flow diagram of Chinese iron and steel 行机械加工时产生的废钢，折旧废钢是指各种金属 制品使用一定年限后报废形成的废钢． 由于折旧废 钢并未由当期的使用消费钢量产生，所以模型中将 该线画成虚线． 1. 2 折旧废钢的产生规律及估算方法 折旧废钢的计算是废钢量计算的关键部分，不 少学者对此展开研究，国内学者通过计算废钢的平 均折旧寿命，然后整体将废钢折算入折旧年得到折 旧废钢量［4--5，8］． 实际上，社会生活上的钢铁随时都 会报废，在统计上存在寿命分布［6］，显然固定年限 折旧不能很好的反应实际情况． 因此，国外相关学 者等利用 Weibull 分布方法得到折旧废钢量［6--7］． 为此，本文采用 Weibull 寿命分布的动态物质流分 析计算方法展开计算． 具体如下． F( t) = 1 － exp － [ ( t ) η ] β ． ( 2) 其密度函数为 f( t) = ( β ) ( η t ) η β － 1 [ ( exp － t ) η ] β ． ( 3) 式中，t 为使用寿命，β≥0 为形状参数，η≥0 为尺度 参数． 平均使用寿命 t 和形状参数及尺度参数的关 系为 t = ηΓ ( 1 + 1 ) β . ( 4) 式中，Γ 为伽玛函数． Weibull 分布的方差为 σ2 = η [ 2 Γ ( 1 + 2 ) β － Γ ( 1 + 1 ) β ] 2 . ( 5) 利用寿命分布法计算思想，在 n 年进入钢铁积 蓄量的钢铁消费量为 P ( n) ，其废钢产生的可能 性为 Ｒ( n) = F( n) － F( n － 1) = [ ( exp － n － 1 ) η ] β － exp － ( n ) η β . ( 6) 通过叠加可以得到 τ 年的折旧废钢产生量为 ( 能产生废钢的起始年为 s) S( τ) = ∑ τ－1 n = s P( n) Ｒ( τ － n) ． ( 7) 为了便于分析，本文按钢铁消费分成建筑、交 通、机械、家电和其他行业展开计算． 同时，利用文 献［5］得到的五大行业使用寿命结果数据进行加权 平均来确定平均寿命，并利用文献［6］方法将形状 参数值取为 5，采用式( 4) 求得尺度参数，从而计算 得到的不同行业寿命分布数据如表 1． 显然，以建筑 业为例，通过式( 7) 可以了解到为了计算本年的折 旧废钢，需要至少得到过去约 58 a ( 平均寿命的 2 · 5861 ·

·1686 北京科技大学学报 第36卷 表1各行业折旧寿命的Weibull模型的相关参数 各个行业的钢铁消费数据为基础@，计算得到 Table 1 Relevant parameters of the Weibull model on the lifetime of va- 1975一2010年各行业的折旧废钢量，并利用式(8) rious industries 得到i行业的1975一2010年的社会钢铁库存量为 行业 平均寿命/a形状参数 尺度参数 方差 K(x)=K(x-1)+P()-S(x)= 建筑 29.08 31.67 6.66 交通 11.18 5 12.17 2.56 (m）-s,(m)+P,()-8 (8) 机械 15.19 16.54 3.48 利用上述钢铁生命周期物质流计算模型和折旧 家电 10.89 5 10.89 2.29 废钢Weibull分布的计算方法，可以得到钢铁生命 其他行业 13 14.16 2.98 周期物质流的各项数据.限于篇幅，本文只利用桑 倍)的钢铁消费量.本文假设在1949年以前中国钢 基图展示2010年的中国钢铁生命周期物质流的情 铁消费量很小，可以忽略不计，利用1949一2010年 况如图3所示. 烧结 高炉 转炉二次冶金 小方坯连铸条钢轧制 加工工序 312 354 245 建筑 517 486 577 572 型钢 交通 66 30 球团 有村 机械 100 板坯连， 余层 9 18 直接还原 3 带钢 家电 10 其他 折旧废钢 铸造 废钢处丑 2焊管 自产废钢 5 干陵钢 图32010年中国钢铁生产过程物质流桑基图（单位：M) Fig.3 Sankey diagram of Chinese steel production in 2010 (unit:Mt) 1.3中国钢铁流程能耗及排放计算 企业的工序能耗作为基础，假设工序能源结构和 中国钢铁工业是全球最为典型的资源能源密集 欧洲钢铁流程各工序一致，利用式(11)计算得到 型产业，科学分析和评价钢铁生产过程的耗能和排 工序综合排放因子，从而折算得到重点企业的工序 放是其实现节能减排的基础.本文在借鉴陆钟武院 排放.通过上文中得到的物质流数据折算为工序的 士等提出的“工序产量一工序能耗”思想的基础 产品比系数，利用式(9)和式(10)的计算方法得到 上，从工序层次出发，以图2中钢铁生产阶段作为 流程的总能耗和总排放，具体计算结果见表2.其 核算边界“自下而上”的叠加得到流程的综合能耗 中，转炉工序排放无法通过能耗对应得到排放因子 和排放.具体计算如下： 计算，本文假设工序C0,排放固定为每吨产品0.211 E=P×∑ [e(i)xp(i)] (9) t网.通过计算得到流程的CO2综合排放因子为 T=P×∑()×p()], (10) 10.08G创-1（每吨标煤3.44t),与文献2]中对中 c()=() 国某钢铁企业的计算结果每吨标煤3.10t较为接 (11) e(i) 近，说明模型计算较为可靠 式中，E和T为流程的总能耗和总排放，P为钢铁产 2中国废钢未来产生量的情景预测 量（钢铁消费量与钢铁产量在数值上是相同的）， p(i)为各个工序的产量系数，e(i)、t(i)和c(i)为工 2.1中国钢铁分行业消费量的长期预测 序的工序能耗、工序排放和工序综合排放因子回 对中国钢铁需求量展开预测是对中国未来流程 由于相关能源统计数据的缺失，本文无法得到 结构、能耗及排放的变化趋势情景分析的基础.由 中国钢铁工业的工序排放.为此，本文以重点钢铁 于关注点不同，很多学者对中国粗钢生产量、表观消

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 表 1 各行业折旧寿命的 Weibull 模型的相关参数 Table 1 Ｒelevant parameters of the Weibull model on the lifetime of va￾rious industries 行业 平均寿命/a 形状参数 尺度参数 方差 建筑 29. 08 5 31. 67 6. 66 交通 11. 18 5 12. 17 2. 56 机械 15. 19 5 16. 54 3. 48 家电 10. 89 5 10. 89 2. 29 其他行业 13 5 14. 16 2. 98 倍) 的钢铁消费量． 本文假设在 1949 年以前中国钢 铁消费量很小，可以忽略不计，利用 1949—2010 年 各个行 业 的 钢 铁 消 费 数 据 为 基 础［10］，计算 得 到 1975—2010 年各行业的折旧废钢量，并利用式( 8) 得到 i 行业的 1975—2010 年的社会钢铁库存量为 Ki ( τ) = Ki ( τ － 1) + Pi ( τ) － Si ( τ) = ∑ τ－1 n = s ( Pi ( n) － Si ( n) ) + Pi ( τ) － Si ( τ) ． ( 8) 利用上述钢铁生命周期物质流计算模型和折旧 废钢 Weibull 分布的计算方法，可以得到钢铁生命 周期物质流的各项数据． 限于篇幅，本文只利用桑 基图展示 2010 年的中国钢铁生命周期物质流的情 况如图 3 所示． 图 3 2010 年中国钢铁生产过程物质流桑基图( 单位: Mt) Fig． 3 Sankey diagram of Chinese steel production in 2010 ( unit: Mt) 1. 3 中国钢铁流程能耗及排放计算 中国钢铁工业是全球最为典型的资源能源密集 型产业，科学分析和评价钢铁生产过程的耗能和排 放是其实现节能减排的基础． 本文在借鉴陆钟武院 士等提出的“工序产量--工序能耗”思想［11］的基础 上，从工序层次出发，以图 2 中钢铁生产阶段作为 核算边界，“自下而上”的叠加得到流程的综合能耗 和排放． 具体计算如下: E = P × ∑［e( i) × p( i) ］， ( 9) T = P × ∑［t( i) × p( i) ］， ( 10) c( i) = t( i) e( i) ． ( 11) 式中，E 和 T 为流程的总能耗和总排放，P 为钢铁产 量( 钢铁消费量与钢铁产量在数值上是相同的) ， p( i) 为各个工序的产量系数，e( i) 、t( i) 和 c( i) 为工 序的工序能耗、工序排放和工序综合排放因子［12］． 由于相关能源统计数据的缺失，本文无法得到 中国钢铁工业的工序排放． 为此，本文以重点钢铁 企业的工序能耗作为基础［13］，假设工序能源结构和 欧洲钢铁流程各工序一致［14］，利用式( 11) 计算得到 工序综合排放因子，从而折算得到重点企业的工序 排放． 通过上文中得到的物质流数据折算为工序的 产品比系数，利用式( 9) 和式( 10) 的计算方法得到 流程的总能耗和总排放，具体计算结果见表 2． 其 中，转炉工序排放无法通过能耗对应得到排放因子 计算，本文假设工序 CO2排放固定为每吨产品 0. 211 t ［14］． 通过计算得到流程的 CO2 综合排放因子为 10. 08 t·GJ － 1 ( 每吨标煤 3. 44 t) ，与文献［12］中对中 国某钢铁企业的计算结果每吨标煤 3. 10 t 较为接 近，说明模型计算较为可靠． 2 中国废钢未来产生量的情景预测 2. 1 中国钢铁分行业消费量的长期预测 对中国钢铁需求量展开预测是对中国未来流程 结构、能耗及排放的变化趋势情景分析的基础． 由 于关注点不同，很多学者对中国粗钢生产量、表观消 · 6861 ·

第12期 汪鹏等：中国钢铁工业流程结构、能耗和排放长期情景预测 ·1687· 表2钢铁各生产工序的能耗及排放值 Table 2 Specific energy consumption (SEC)and emissions of iron and steel production processes 参数 烧结球团 高炉 转炉电炉 铸造热轧冷轧 镀层直接还原总体 工序每吨产品能耗/GJ 1.5410.86011.936-0.0052.1630.6581.6252.0501.475 16.48 工序C0,综合排放因子/(tGJ1)0.129 0.0630.099 0.096 0.0490.048 0.011 0.040 0.4269.63 工序每吨产品C02排放1 0.1990.0541.1820.2110.2070.0320.0780.0220.058 1.71 产品比系数 0.84 0.171.00 0.980.111.081.01 0.21 0.06 0.00 1.00 费量或者钢材的消费量、需求量展开预测，基本方法2.2情景设定 为基于时间序列趋势递推的方法、分用途预测法、行 (1)基准情景(Business as Usual-一BAU Scenar-- 业发展阶段规律法、关联指标的计量经济学预测等， o).基准情景设定为：首先，生产、产品制造和使 钢铁需求量的关联指标主要有GDP、钢铁资源价 用折旧产生大量的废钢，但只有一部分被回收运 格、经济结构、城市化率和社会财富积累水平 用到钢铁流程中，因此废钢回收率对废钢资源的 等一切.然而上述预测都是短期预测，对于几十年 获取十分重要.通过前文第一节计算可知，2010 以上的长期预测，Hatayama等a和Muller等通 年废钢回收率为53.7%，而世界平均水平和发达 过对众多发达国家钢铁消费分析发现钢产量达到一 国家水平分别为82.5%和90%，差距巨大.为此， 定水平之后就与经济增长的相关指标没有关系，而 本文基准假设在没有国家相关政策大力提倡的条 人均钢铁库存量表现出很好“S”型规律，很多学者 件下，未来废钢回收率会小幅提升，使得废钢回收 采用此规律并结合物质流分析展开预测.18-9.为 率在2020年达到70%，2040年达到80%，2060年 此，对于长期预测，本文利用Pauliuk等提出的复 达到90%. 合Gompertz模型的广义Logistic模型： 为了计算转炉钢产量x和电炉钢产量y,需要 L(r)= 在1.2节的基础上，通过计算得到各个工序之间的 物质流和钢铁产品的关系（即产品比），依据消费和 1+(zO-lxep{a×ǖ-ep(b×)]} 生产两个环节建立物质守恒关系如下： 「x+y=rP, (13) (12) Bx/n1o +Bzy/n1o =ra(Sa +r2P+rP). 其中，L(x)为人均钢储存量，L为饱和人均钢储存 式中，P为钢铁产品量，S:为折旧废钢产量，B1和B2 量，L(0)为初始年份人均钢铁储存量，a和b为形状 为转炉、电炉工序用废钢比，no为二次治金生产率， 系数 112和3分别为粗钢产品比、自产废钢产品比和加 本文采用发达国家的各行业饱和人均钢储存量 工废钢产品比，”4为废钢回收率 值作为该模型的定值，为保证模型的准确性，利用 钢铁产品消费量和折旧废钢产量可以通过本文 1975一2010（1975年为初始年份)的数据，采用 模型展开计算.B、n1o12和r3按2010年的值计 Matlab的拟合分析软件eftool得到各行业的相关参 算，其值分别为0.07、0.992、1.1、0.08和0.059.与 数见表3.其中SSE为拟合误差，RMSE为均方根误 此同时，转炉用废钢比维持稳定不变，而电炉用废钢 差.可以看出，模型的拟合度十分好，拟合系数R 比2010年为52.1%，本文以每5a增长10%的比例 都在0.95以上，适合运用此模型展开回归. 依次上涨至90%，直接还原铁按每5a增长2%~ 表3中国人均钢铁存储量分行业长期回归系数 10%展开计算. Table 3 Long-erm regression coefficients of Chinese per capita steel 另外，钢铁产品的折旧年限对折旧废钢的产生 storage by industries 影响较大，目前中国钢铁产品的使用寿命都比较短， 行业 SSE RMSE 如建筑钢铁平均寿命英国为60a,而中国仅为29a 建筑 5 1.2240.035270.998 0.04130.03255 因此，考虑到未来城市化、工业化的速度放缓以及 交通 1.91.1320.034660.9930.00370.00978 “再制造”水平提升，钢铁产品的使用寿命也会进一 机械 2.31.1130.03110.986 0.02630.02597 步的提升，主要体现在建筑行业钢铁使用上，其他行 家电 0.30.1910.0750.9740.00180.00688 业由于和发达国家水平相差不大，因此基准情景只 其他行业0.50.9270.0410.9520.00340.00934 考虑建筑业钢铁使用寿命在2020年达到30a,2040

第 12 期 汪 鹏等: 中国钢铁工业流程结构、能耗和排放长期情景预测 表 2 钢铁各生产工序的能耗及排放值 Table 2 Specific energy consumption ( SEC) and emissions of iron and steel production processes 参数 烧结 球团 高炉 转炉 电炉 铸造 热轧 冷轧 镀层 直接还原 总体 工序每吨产品能耗/GJ 1. 541 0. 860 11. 936 － 0. 005 2. 163 0. 658 1. 625 2. 050 1. 475 — 16. 48 工序 CO2综合排放因子/( t·GJ － 1 ) 0. 129 0. 063 0. 099 — 0. 096 0. 049 0. 048 0. 011 0. 040 0. 426 9. 63 工序每吨产品 CO2排放/t 0. 199 0. 054 1. 182 0. 211 0. 207 0. 032 0. 078 0. 022 0. 058 — 1. 71 产品比系数 0. 84 0. 17 1. 00 0. 98 0. 11 1. 08 1. 01 0. 21 0. 06 0. 00 1. 00 费量或者钢材的消费量、需求量展开预测，基本方法 为基于时间序列趋势递推的方法、分用途预测法、行 业发展阶段规律法、关联指标的计量经济学预测等， 钢铁需求量的关联指标主要有 GDP、钢铁资源价 格、经 济 结 构、城市化率和社会财富积累水平 等［15--17］． 然而上述预测都是短期预测，对于几十年 以上的长期预测，Hatayama 等［18］和 Muller 等［19］通 过对众多发达国家钢铁消费分析发现钢产量达到一 定水平之后就与经济增长的相关指标没有关系，而 人均钢铁库存量表现出很好“S”型规律，很多学者 采用此规律并结合物质流分析展开预测［3，18--19］． 为 此，对于长期预测，本文利用 Pauliuk 等［3］提出的复 合 Gompertz 模型的广义 Logistic 模型: L( τ) = ^ L 1 + ( ^ L L( 0) － 1 × exp ) { a ×［1 － exp ( b × τ) ］} ． ( 12) 其中，L( τ) 为人均钢储存量，^ L 为饱和人均钢储存 量，L( 0) 为初始年份人均钢铁储存量，a 和 b 为形状 系数． 本文采用发达国家的各行业饱和人均钢储存量 值作为该模型的定值，为保证模型的准确性，利用 1975—2010 ( 1975 年 为 初 始 年 份) 的 数 据，采 用 Matlab 的拟合分析软件 cftool 得到各行业的相关参 数见表 3． 其中 SSE 为拟合误差，ＲMSE 为均方根误 差． 可以看出，模型的拟合度十分好，拟合系数 Ｒ2 都在 0. 95 以上，适合运用此模型展开回归． 表 3 中国人均钢铁存储量分行业长期回归系数 Table 3 Long-term regression coefficients of Chinese per capita steel storage by industries 行业 ^ L a b Ｒ2 SSE ＲMSE 建筑 5 1. 224 0. 03527 0. 998 0. 0413 0. 03255 交通 1. 9 1. 132 0. 03466 0. 993 0. 0037 0. 00978 机械 2. 3 1. 113 0. 0311 0. 986 0. 0263 0. 02597 家电 0. 3 0. 191 0. 075 0. 974 0. 0018 0. 00688 其他行业 0. 5 0. 927 0. 041 0. 952 0. 0034 0. 00934 2. 2 情景设定 ( 1) 基准情景( Business as Usual—BAU Scenar￾io) ． 基准情景设定为: 首先，生产、产品制造和使 用折旧产生大量的废钢，但只有一部分被回收运 用到钢铁流程中，因此废钢回收率对废钢资源的 获取十分重要． 通过前文第一节计算可知，2010 年废钢回收率为 53. 7% ，而世界平均水平和发达 国家水平分别为 82. 5% 和 90% ，差距巨大． 为此， 本文基准假设在没有国家相关政策大力提倡的条 件下，未来废钢回收率会小幅提升，使得废钢回收 率在 2020 年达到 70% ，2040 年达到 80% ，2060 年 达到 90% ． 为了计算转炉钢产量 x 和电炉钢产量 y，需要 在 1. 2 节的基础上，通过计算得到各个工序之间的 物质流和钢铁产品的关系( 即产品比) ，依据消费和 生产两个环节建立物质守恒关系如下: x + y = r1P， β1 x / n10 + β2 y / n10 = r4 ( Sd + r2P + r { 3P) ． ( 13) 式中，P 为钢铁产品量，Sd 为折旧废钢产量，β1 和 β2 为转炉、电炉工序用废钢比，n10为二次冶金生产率， r1、r2 和 r3 分别为粗钢产品比、自产废钢产品比和加 工废钢产品比，r4 为废钢回收率． 钢铁产品消费量和折旧废钢产量可以通过本文 模型展开计算． β1、n10、r1、r2 和 r3 按 2010 年的值计 算，其值分别为 0. 07、0. 992、1. 1、0. 08 和 0. 059． 与 此同时，转炉用废钢比维持稳定不变，而电炉用废钢 比 2010 年为 52. 1% ，本文以每 5 a 增长 10% 的比例 依次上涨至 90% ，直接还原铁按每 5 a 增长 2% ～ 10% 展开计算． 另外，钢铁产品的折旧年限对折旧废钢的产生 影响较大，目前中国钢铁产品的使用寿命都比较短， 如建筑钢铁平均寿命英国为 60 a，而中国仅为 29 a． 因此，考虑到未来城市化、工业化的速度放缓以及 “再制造”水平提升，钢铁产品的使用寿命也会进一 步的提升，主要体现在建筑行业钢铁使用上，其他行 业由于和发达国家水平相差不大，因此基准情景只 考虑建筑业钢铁使用寿命在 2020 年达到 30 a，2040 · 7861 ·