煉鋼技術可持續評價與鋼鐵工業可持續發展*

王明旭楊建新

(1.廣東省環境科學研究院，廣東 廣州 510045;2.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085)

煉鋼技術可持續評價與鋼鐵工業可持續發展*

王明旭1楊建新2

(1.廣東省環境科學研究院，廣東 廣州 510045;2.中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085)

目前世界上的煉鋼流程主要分為兩種:一是以鐵礦石為主要原料的高爐轉爐長流程，二是以廢鋼為主要原料的電爐短流程。本文從可持續技術評價的角度，對轉爐和電爐煉鋼技術的可持續性進行了對比分析，評價結果表明，電爐煉鋼技術的可持續度要顯著高于轉爐煉鋼技術。因此，發展電爐煉鋼技術對我國鋼鐵工業的可持續發展具有重要意義。進而分析了我國發展電爐煉鋼的制約因素，并提出了大力發展電爐煉鋼技術的政策建議，推進鋼鐵工業循環經濟發展。

電爐煉鋼;評價;可持續性

隨著可持續發展思想在全球的普及和應用的推進，可持續技術的評價和篩選成為一個新的研究焦點。可持續技術貫穿產品生命周期的全過程，包括源頭預防，過程控制，末端治理以及循環再利用，同時是涉及單個企業，多企業、部門的聯合，以及整個自然—社會—經濟復合系統的多層次技術［1］。鋼鐵行業一直是高耗能、高污染產業，并且在國民經濟發展中占據重要地位，本文從可持續技術評價的角度對煉鋼技術進行了比較分析，在此基礎上探討了促進我國鋼鐵工業可持續發展的煉鋼模式。

1 煉鋼技術的可持續性評價

1.1 評價目標

目前世界上的鋼鐵生產主要有兩種流程，一種是以鐵礦石為主要原料的高爐轉爐長流程，二是以廢鋼為主要原料的電爐短流程，即“從礦石到鋼材”和“從廢鋼到鋼材”兩大流程。2006年的數據顯示，世界轉爐煉鋼產量為8.14億噸，占世界總鋼產量的32%;其中，中國的電爐鋼比例為10%。

本文選取兩種煉鋼技術(轉爐煉鋼和電爐煉鋼)作為評價對象。其中，轉爐煉鋼技術流程包括燒結、焦化—煉鐵—轉爐煉鋼—鑄鋼—軋鋼，其金屬原材料主要是鐵礦石，因此其流程可以概括為“從礦石到鋼材”;電爐煉鋼技術主要消耗的廢鋼原材料，考慮到在中國還沒有實現全廢鋼的電爐煉鋼模式，以“70%的廢鋼+30%生鐵片”作為電爐煉鋼流程的冷料，因此電爐煉鋼技術流程主要是“從廢鋼到鋼材”。對其中的30%生鐵片，考慮了其從鐵礦石到生鐵片(燒結、焦化—煉鐵)過程中的經濟成本，但并未對其分配環境負荷。

表1 煉鋼技術的可持續性評價指標

1.2 評價指標

從可持續發展的角度，為了綜合考慮鋼鐵技術流程的經濟—環境—社會效益，在參考鋼鐵行業清潔生產評價指標的基礎上，建立了綜合評價兩種煉鋼技術的指標，分為四個方面:經濟成本、資源與能源消耗、環境影響、生產與綜合利用效率;每一個方面再下設若干子指標。

1.3 TOPSIS評價模型

Topsis是指“逼近理想點的排序方法”(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)，是Hwang和Yoon于1981年提出的一種用于對多指標和多對象進行綜合比較評判的統計方法［2，3］。通過確定各指標在評價對象中的最優值和最劣值，然后求得方案的正理想值與負理想值(最不理想值)，并比較各方案與其的接近程度。其評價步驟如下:

1.4 評價過程

1.4.1 數據標準化

將15個評價指標分別記為R1，R2，……R15(R1表示投資成本，R15表示冶煉周期)，對其進行標準化處理:

對極大型指標，令Xij=

對極小型指標，令Xij=

其中，Rij為第i種技術的第j項指標值，Xij為其標準化之后的指標值為技術的第j項指標的平均值。

1.4.2 指標權重的確立

多指標綜合評價的權重確定有主觀賦權法和客觀賦權法。主觀賦權法有專家打分法、Dephi法和層次分析法等［9］。客觀賦權法有熵權法、標準離差法、CRITIC法等［10，11］。

由于主觀賦權法帶有很強的主觀性，缺乏理論基礎;而客觀賦權法又完全依賴數據本身質量特性，完全忽略了指標本身的相對重要性，在數據不充分或數據的各指標值分布不平衡時不適宜采用客觀賦權法。

Birgitte Hoffmann認為，沒有一種技術本身是可持續的，所謂“最優的”技術方案取決于當地的背景和實際情況［12］。因此，對于不同的地點，各指標對當地的重要性是不一樣的。比如，在水資源匱乏的地方，可能會優先選擇節水性能好的技術方案;而能量供應緊缺的地區會對低耗能的技術更感興趣;而在經濟落后，資本缺乏的地區會對經濟效益給予較大的權重。但是，從總體上或者從全球更普遍的視角來看，或許沒有哪一個指標顯得比另外一個指標重要。因為，如果缺乏一個宏觀經濟背景和社會文化狀況，也就無法判斷各指標的相對重要性。基于這一點，我們采用等權重的賦權方法，對選取的15個指標的每個指標賦權1/15。

1.4.3 確立理想值向量

在本評價中，每個指標對應電爐和轉爐兩個數值，以每個指標對應的最大值組成正理想值向量，每個指標對應的最小值組成負理想值向量。根據計算，正理想值向量與負理想值向量分別為:

Z+=(0.097，0.079，0.068，0.091，0.070，0.080，0.106，0.117，0.137，0.077，0.122，0.068，0.067，0.070，0.093).

Z－=(0.051，0.057，0.065，0.052，0.064，0.057，0.049，0.047，0.044，0.059，0.046，0.065，0.067，0.063，0.052).

1.5 評價結果

依據TOPSIS模型計算步驟，最后根據(式2－7)求得轉爐煉鋼流程與電爐煉鋼與理想值的接近程度分別為0.36和0.64，或者說轉爐煉鋼技術流程的可持續度為0.36，而電爐煉鋼技術流程的可持續度為0.64，由此可見電爐煉鋼的短流程的可持續度遠高于轉爐。這一評價結果也與徐匡迪［7］、傅杰［13］等人的觀點相吻合。

需要說明的是，由于電爐主要消耗的金屬料是廢鋼，屬于循環再利用的物質，而轉爐主要消耗的金屬料是鐵礦石;這兩種材料本質上是有差別的，但是對于廢鋼的環境負擔涉及到生命周期分配(allocation)的問題，由于這一問題目前存在較大爭議，故本評價中沒有考慮這一問題。初步估計，如果在評價時考慮這兩種材料的差別，可能會進一步拉大電爐與轉爐煉鋼的可持續度的差距(因為廢鋼是循環再利用的材料，而鐵礦石是初級礦石資源)。

2 世界與我國電爐煉鋼狀況分析

2.1 世界與我國電爐鋼比例

從過去十年的情況來看，世界電爐鋼的比例較穩定，約為33%左右，但是歐美發達國家、印度、韓國的電爐鋼的比例一直呈現上升趨勢:美國的電爐鋼比例從1995年的39%上升到2006年的57%，印度的電爐鋼比例則從30%上升為50%。這表明世界主要發達國家把發展電爐煉鋼作為實現鋼鐵工業可持續發展的重要途徑。

但是，過去十多年來，中國的電爐鋼比例趨勢卻出現不升反降的局面，從1995年的20%下降到2006年的10%。

2.2 我國發展電爐煉鋼存在的主要問題

對于我國電爐煉鋼比例不斷下降的問題，業內普遍認為我國發展電爐煉鋼存在兩個主要的客觀原因:其一是我國廢鋼資源短缺，其二是電力短缺。

圖1 1995－2006世界主要國家的電爐鋼比例

2.2.1 廢鋼資源短缺

自20世紀90年代以后，隨著我國鋼鐵產量的快速增長，我國廢鋼供應量出現缺口，進口量不斷上升。數據顯示，我國廢鋼的進口量在1990年為12萬噸，但是這一數字在2004年增長到1022萬噸。徐匡迪［7］認為，我國廢鋼資源短缺的局面還將持續一段時間，主要原因是:①在鋼產量持續高速增長的情況下，廢鋼資源必然出現短缺;②我國廢鋼積蓄量不足，20世紀以來我國廢鋼的總積蓄量約為21億噸，不到美國的1/3;③我國的廢鋼中以長材為主，其中大多數是回收周期很長的建筑材。

表2 廢鋼回收周期［7］

雖然受到金融危機的影響，但是按照我國廢鋼資源供需情況的測算，2009年國內廢鋼市場資源缺口仍在1000萬噸以上［14］。

2.2.2 電力短缺

由于電爐短流程煉鋼需要消耗大量的電能，充足的電力是發展電爐煉鋼的重要條件。根據國際鋼鐵工業協會的數據，廢鋼—電爐煉鋼—連鑄—熱軋成形的整個流程中，每噸鋼材需耗電約1 528kW·h［15］。

美國當初在發展電爐短流程時得益于充足的電力資源，我國過去幾年在發展短流程煉鋼的過程中，一直遭遇拉閘限電和電價過高的困擾，斷續供電和晝夜時段差價使電弧爐不能連續運行，會降低其技術經濟指標［7］。

同時，由于我國工業用電價格價格，使得電能費用在電爐鋼加工成本中占較大比例，這也抬高了電爐煉鋼的冶煉成本。

3 發展電爐煉鋼，促進鋼鐵工業可持續發展

3.1 電爐煉鋼對鋼鐵工業的可持續發展的意義

根據評價結果，從可持續發展的角度來看，電爐煉鋼對鋼鐵工業的可持續發展具有重要意義:一、電爐煉鋼主要以廢鋼為原料，減少了不可再生資源鐵礦石以及焦炭的消耗;二、從整個流程的能量消耗來看，短流程的電爐煉鋼的能量消耗水平較轉爐煉鋼的長流程要低;三、從環境排放的情況來看，電爐煉鋼過程中排放的廢棄物也較少。

傅杰認為，以我國年產鋼5億噸計算，若電爐鋼比例從10%提高到25%(2020年目標值)，則每年可節約鐵礦石0.975億噸，降低能耗0.2625億噸標煤，減少CO2排放1.192億噸［13］。

3.2 發展我國電爐煉鋼的政策建議

雖然從目前的情況來看，我國今后一段時間內仍然面臨廢鋼短缺的局面，但是是否要先發展轉爐流程，等廢鋼資源充足了，再大規模開建電爐煉鋼流程呢?結論是否定的。

首先，目前由于世界經濟遭受金融危機的重創，鋼鐵行業也進入深度調整期，產能急劇擴張的局面已經發生改變，我國鋼鐵行業要以此為契機，從盲目擴張產能轉到提升產業結構，切實發展鋼鐵產業循環經濟，提高產業發展的可持續度。而且，由于需求過剩，國際廢鋼的價格也呈現不斷下降的趨勢，這對我國廢鋼資源短缺的局面來說是一個好消息，可以大力進口廢鋼資源，這為提升我國電爐鋼比創造了一個有利條件。

其次，關于我國電力資源短缺的問題，在2005－2007年表現得比較突出。隨著國家近年來對電力的不斷投資建設，以及在金融危機的影響下，從2008年下半年開始我國電力增長需求呈現大幅下降的局面。目前，我國電力供需已經趨于平衡，因此，我們認為電力短缺已經不再是制約我國發展電爐煉鋼的主要因素了。

同時，新建電爐從調研、立項、簽訂合同到建設、投產、達產、超產有一個過程。據悉，我國從1993年即開始考慮第一輪投資電爐煉鋼，但是到2003年才使新增電爐潛力充分發揮出來［13］。

基于以上三個理由，從循環經濟與可持續發展的角度，我們建議國家開始考慮第二次投資建設電爐煉鋼流程，逐步擴大電爐煉鋼比例，力爭到2020年，我國電爐鋼比例達到25—30%，接近世界平均水平。

同時，電爐煉鋼流程需要繼續改進與發展，進一步提高資源與能源的利用率，減少環境排放。同時，要控制廢鋼循環過程中有害殘存元素(銅，錫，砷，銻等)的富集問題，進行廢鋼預處理;并對低質廢鋼處理中的“二惡英”污染進行控制，使其排放濃度達到安全值。真正使電爐短流程煉鋼技術成為鋼鐵生產可持續發展的模式與典范。

(編輯:李琪)

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AbstractThere are two kinds of the major steel-making processes now:one is converter steel-making process adopting ironstone as the main metallic raw material;the other is modern electric arc furnace steel-making adopting scrap steel as the main metallic raw material.This paper compares the sustainability of the two kinds of steel-making processes，from the perspective of sustainable technology assessment.And the assessing results show that the sustainability of electric arc furnace steel-making technology is obviously higher than the converter steel-making technology.Thus developing electric arc furnace steel-making technology is notably important for the sustainable development of steel industry in China.Then we analyze the restrictive factors of developing the electric arc furnace steelmaking process，and propose the suggestions for developing the electric arc furnace steel-making technology so as to develop circular economy of steel industry.

Key wordselectric arc furnace steel-making;assessment;sustainability

The Sustainability Assessment of Steel-making Technologies and Sustainable Development of Steel Industry

WANG Ming-xu1YANG Jian-xin2
(1.Guangdong Provincial Academy of Environmental Science，Guangzhou Guangdong 510045，China; 2.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology，Research Center for Eco-environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China)

F416.31

A

1002－2104(2010)05專－0125－04

2010-08-26

王明旭，工程師，主要研究方向為環境規劃與管理。

楊建新，博士，研究員，博導，主要研究方向為產業生態學、環境經濟與環境管理。

*國家973項目(No.:2005CB724206)，國家環保公益性行業科研專項(No.:200809025)資助。