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中国钢铁产业能耗与碳排放关系的研究

鲁淳兮++夏凌娟

[摘 要]我国钢铁生产流程中二氧化碳的排放量居高不下。在经济下行压力的加剧、产能严重过剩、能源结构亟待调整以及技术水平日趋进步的背景下，我国钢铁产业的能源消耗与二氧化碳排放量之间会呈现怎样的关系？本文基于我国钢铁产业“能源消耗与碳排放”系统动力学的模型，同时分三种不同的低碳情景，分析能源消耗与二氧化碳排放量之间关系的变动。
[关键词]钢铁产业；能耗；碳排放；系统动力学
doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.04.080
[]F426；F205 []A []1673-0194（2017）04-0-03
近年来，我国钢铁企业通过不断提高炼钢技术、升级炼钢设备等措施降低能源消耗和减少二氧化碳的排放量。这些节能减排措施的实施促使我国吨钢综合能耗从1994年1 178千克标准煤/吨下降到2013年的591.88千克标准煤/吨，年均下降率为3.5%。然而与发达国家钢铁产业相比，我国钢铁产业的能源利用效率仍然处于劣势，因此，二氧化碳的排放量还有较大的下降空间。
1 钢铁产业能耗与碳排放关系的研究背景
钢铁产业是典型的能源密集型工业，其对煤炭资源的需求占据着主导地位，这也导致我国钢铁产业成为全国工业部门中二氧化碳排放的大户。因此，钢铁产业是我国重点需要节能减排的对象。能源消耗与二氧化碳排放量之间具有较强的正相关性和因果关系。本文利用系统动力学（System Dynamics）构建了我国钢铁产业“能源消耗与碳排放”的模型，划分为三种不同情景，并分析能源消耗与二氧化碳排放量之间关系的变动。
2 钢铁产业能耗与碳排放关系的研究方法
本文构建了我国钢铁产业“能源消耗与碳排放”的系统动力学模型。其包含了四个子系统，分别是：人口经济、钢铁产业、钢铁生产流程能源消耗和钢铁产业碳排放。其中，人口子系统，如图1所示，其主要反映社会经济的发展趋势，人口总量的变化以及城镇化的发展趋势；钢铁产业子系统，如图2所示，图中的因素之间存在着动态的反馈关系，影响着钢铁资源供给和消费的变动，同时还影响着能源消耗量的变动，主要反映了钢铁资源的供给状况；能源消耗子系统如图3所示，其主要分为长流程和短流程来反映钢铁生产过程中的能耗状况；碳排放子系统，如图4所示，反映了生产过程中，由于不同程度的能耗结构和能耗程度所产生的不同碳排放水平。依据历史数据的方法，结果显示模型所得出的数据和历史数据之间的误差值基本在10%以内。因此，证明“能源消耗与碳排放”的模型是合理的。
3 钢铁产业能耗与碳排放关系的情景分析
3.1 情景设定
本文设定了三种情景分析钢铁行业能耗和碳排放之间的联动关系。这三种情景分别是基准情景（Base）、弱低碳情景（Low）、强低碳情景（High）。基准情景表示在2013年发展趋势的基础上，进行顺势外推。炼钢生产流程中，转炉炼钢占比不低于70%，处于主要的利用地位。焦炭和煤炭仍属于主要的能源消耗种类。弱低碳情景中考虑国家“十二五”规划中对节能减排的要求。电炉炼钢的占比开始提升，化石能源的使用逐渐下降。经济增长和人口的增长速度均开始放缓。强低碳情景意味着经济增长和人口的增长继续放缓，人口老龄化严重。电炉钢比例有了进一步的提高，化石能源的消耗得到进一步的下降。
3.2 源消耗与碳排放的关系讨论
基于情景分析得到的结果，进行炼钢总能耗与总碳排放量、吨钢综合能耗与吨钢碳排放量之间关系的分析。
3.2.1 炼钢总能耗与总碳排放量关系的分析
从2013年到2030年的情景结果可以看出，三种情景下的炼钢总能耗与二氧化碳总排放量都呈现出明显的下降趋势。炼钢总能耗和总碳排放量之间是线性相关的关系，如图5和图6所示。
与总碳排放量的线性关系与总碳排放量的线性关系，如图7所示。
从图5，6，7中可以看出，在三种不同情景下，炼钢总能耗和总碳排放关系。
在基准情景下，炼钢总能耗与总碳排放之间的线性关系为：
y=4.267x–4E+07（1）
弱低碳情景下，炼钢总能耗与总碳排放之间的线性关系为：
y=3.7418x–3E+07（2）
强低碳情景下，炼钢总能耗与总碳排放之间的线性关系为：
y=3.2262x-2E+07（3）

3.2.2 噸钢综合能耗与吨钢碳排放量
吨钢综合能耗与吨钢碳排放量，如图8和图9所示。
与吨钢碳排放量的线性关系与吨钢碳排放量的线性关系，如图10所示。
从图8～图10中可以看出，在三种不同情景下，吨钢综合能耗与吨钢碳排放量关系。
基准情景下，吨钢综合能耗与吨钢碳排放量之间的线性关系为：
y=4.6422x–664.22（4）
弱低碳情景下，吨钢综合能耗与吨钢碳排放量之间的线性关系为：
y=4.4076x–741.44（5）
强低碳情景下，吨钢综合能耗与吨钢碳排放量之间的线性关系为：
y=3.9894x–717.7（6）
4 结 语
通过建立我国钢铁“能源消耗与碳排放”系统动力模型，并依据三种不同情景对其进行分析，得出的结果表明，三种情景下的能源消耗和碳排放量均呈现出正相关的线性关系。根据以上情景结果的分析，可提出钢铁产业相关政策。第一，继续产业结构的优化，淘汰落后产能，增加企业进入钢铁行业的准入门槛。第二，积极推广碳排放量较低的清洁能源的使用，同时鼓励技术进步。第三，限制低效、低附加值钢铁企业的固定资产投资额。同时，鼓励高附加值、高技术含量钢铁制品的生产。第四，政府鼓励各省市建立自己的钢铁产业信息库，适应当地钢铁产业的产业信息、企业规模、污染情况等。并根据钢铁产业能源消耗所处的环境来制定相关节能减排的政策。
主要参考文献
[1]S Zeng，Y LanJ Huang.Mitigation Paths for Chinese Iron and Steel Industry to Tackle Global Climate Change[J].International Journal of Greenhouse Gas Control，2009（6）.
[2]L Dong，H Zhang，S Ohnishi，et，al.Environmental and Economic Gains of Industrial Symbiosis for Chinese Iron/Steel Industry：Kawasakis Experience and Practice In Liuzhou and Jinan[J].Journal of Cleaner Production，2013（59）.
[3]白皓，刘璞，李宏煦，等.钢铁企业CO2排放模型及减排策略[J].工程科学学报，2010（12）.
[4]薛正良.钢铁冶金概论[M].北京：冶金工业出版社，2008.

-全文完-