炼钢技术可持续评价与钢铁工业可持续发展*

王明旭杨建新

(1.广东省环境科学研究院，广东 广州 510045;2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085)

炼钢技术可持续评价与钢铁工业可持续发展*

王明旭1杨建新2

(1.广东省环境科学研究院，广东 广州 510045;2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085)

目前世界上的炼钢流程主要分为两种:一是以铁矿石为主要原料的高炉转炉长流程，二是以废钢为主要原料的电炉短流程。本文从可持续技术评价的角度，对转炉和电炉炼钢技术的可持续性进行了对比分析，评价结果表明，电炉炼钢技术的可持续度要显著高于转炉炼钢技术。因此，发展电炉炼钢技术对我国钢铁工业的可持续发展具有重要意义。进而分析了我国发展电炉炼钢的制约因素，并提出了大力发展电炉炼钢技术的政策建议，推进钢铁工业循环经济发展。

电炉炼钢;评价;可持续性

随着可持续发展思想在全球的普及和应用的推进，可持续技术的评价和筛选成为一个新的研究焦点。可持续技术贯穿产品生命周期的全过程，包括源头预防，过程控制，末端治理以及循环再利用，同时是涉及单个企业，多企业、部门的联合，以及整个自然—社会—经济复合系统的多层次技术［1］。钢铁行业一直是高耗能、高污染产业，并且在国民经济发展中占据重要地位，本文从可持续技术评价的角度对炼钢技术进行了比较分析，在此基础上探讨了促进我国钢铁工业可持续发展的炼钢模式。

1 炼钢技术的可持续性评价

1.1 评价目标

目前世界上的钢铁生产主要有两种流程，一种是以铁矿石为主要原料的高炉转炉长流程，二是以废钢为主要原料的电炉短流程，即“从矿石到钢材”和“从废钢到钢材”两大流程。2006年的数据显示，世界转炉炼钢产量为8.14亿吨，占世界总钢产量的32%;其中，中国的电炉钢比例为10%。

本文选取两种炼钢技术(转炉炼钢和电炉炼钢)作为评价对象。其中，转炉炼钢技术流程包括烧结、焦化—炼铁—转炉炼钢—铸钢—轧钢，其金属原材料主要是铁矿石，因此其流程可以概括为“从矿石到钢材”;电炉炼钢技术主要消耗的废钢原材料，考虑到在中国还没有实现全废钢的电炉炼钢模式，以“70%的废钢+30%生铁片”作为电炉炼钢流程的冷料，因此电炉炼钢技术流程主要是“从废钢到钢材”。对其中的30%生铁片，考虑了其从铁矿石到生铁片(烧结、焦化—炼铁)过程中的经济成本，但并未对其分配环境负荷。

表1 炼钢技术的可持续性评价指标

1.2 评价指标

从可持续发展的角度，为了综合考虑钢铁技术流程的经济—环境—社会效益，在参考钢铁行业清洁生产评价指标的基础上，建立了综合评价两种炼钢技术的指标，分为四个方面:经济成本、资源与能源消耗、环境影响、生产与综合利用效率;每一个方面再下设若干子指标。

1.3 TOPSIS评价模型

Topsis是指“逼近理想点的排序方法”(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)，是Hwang和Yoon于1981年提出的一种用于对多指标和多对象进行综合比较评判的统计方法［2，3］。通过确定各指标在评价对象中的最优值和最劣值，然后求得方案的正理想值与负理想值(最不理想值)，并比较各方案与其的接近程度。其评价步骤如下:

1.4 评价过程

1.4.1 数据标准化

将15个评价指标分别记为R1，R2，……R15(R1表示投资成本，R15表示冶炼周期)，对其进行标准化处理:

对极大型指标，令Xij=

对极小型指标，令Xij=

其中，Rij为第i种技术的第j项指标值，Xij为其标准化之后的指标值为技术的第j项指标的平均值。

1.4.2 指标权重的确立

多指标综合评价的权重确定有主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法有专家打分法、Dephi法和层次分析法等［9］。客观赋权法有熵权法、标准离差法、CRITIC法等［10，11］。

由于主观赋权法带有很强的主观性，缺乏理论基础;而客观赋权法又完全依赖数据本身质量特性，完全忽略了指标本身的相对重要性，在数据不充分或数据的各指标值分布不平衡时不适宜采用客观赋权法。

Birgitte Hoffmann认为，没有一种技术本身是可持续的，所谓“最优的”技术方案取决于当地的背景和实际情况［12］。因此，对于不同的地点，各指标对当地的重要性是不一样的。比如，在水资源匮乏的地方，可能会优先选择节水性能好的技术方案;而能量供应紧缺的地区会对低耗能的技术更感兴趣;而在经济落后，资本缺乏的地区会对经济效益给予较大的权重。但是，从总体上或者从全球更普遍的视角来看，或许没有哪一个指标显得比另外一个指标重要。因为，如果缺乏一个宏观经济背景和社会文化状况，也就无法判断各指标的相对重要性。基于这一点，我们采用等权重的赋权方法，对选取的15个指标的每个指标赋权1/15。

1.4.3 确立理想值向量

在本评价中，每个指标对应电炉和转炉两个数值，以每个指标对应的最大值组成正理想值向量，每个指标对应的最小值组成负理想值向量。根据计算，正理想值向量与负理想值向量分别为:

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 评价结果

依据TOPSIS模型计算步骤，最后根据(式2－7)求得转炉炼钢流程与电炉炼钢与理想值的接近程度分别为0.36和0.64，或者说转炉炼钢技术流程的可持续度为0.36，而电炉炼钢技术流程的可持续度为0.64，由此可见电炉炼钢的短流程的可持续度远高于转炉。这一评价结果也与徐匡迪［7］、傅杰［13］等人的观点相吻合。

需要说明的是，由于电炉主要消耗的金属料是废钢，属于循环再利用的物质，而转炉主要消耗的金属料是铁矿石;这两种材料本质上是有差别的，但是对于废钢的环境负担涉及到生命周期分配(allocation)的问题，由于这一问题目前存在较大争议，故本评价中没有考虑这一问题。初步估计，如果在评价时考虑这两种材料的差别，可能会进一步拉大电炉与转炉炼钢的可持续度的差距(因为废钢是循环再利用的材料，而铁矿石是初级矿石资源)。

2 世界与我国电炉炼钢状况分析

2.1 世界与我国电炉钢比例

从过去十年的情况来看，世界电炉钢的比例较稳定，约为33%左右，但是欧美发达国家、印度、韩国的电炉钢的比例一直呈现上升趋势:美国的电炉钢比例从1995年的39%上升到2006年的57%，印度的电炉钢比例则从30%上升为50%。这表明世界主要发达国家把发展电炉炼钢作为实现钢铁工业可持续发展的重要途径。

但是，过去十多年来，中国的电炉钢比例趋势却出现不升反降的局面，从1995年的20%下降到2006年的10%。

2.2 我国发展电炉炼钢存在的主要问题

对于我国电炉炼钢比例不断下降的问题，业内普遍认为我国发展电炉炼钢存在两个主要的客观原因:其一是我国废钢资源短缺，其二是电力短缺。

图1 1995－2006世界主要国家的电炉钢比例

2.2.1 废钢资源短缺

自20世纪90年代以后，随着我国钢铁产量的快速增长，我国废钢供应量出现缺口，进口量不断上升。数据显示，我国废钢的进口量在1990年为12万吨，但是这一数字在2004年增长到1022万吨。徐匡迪［7］认为，我国废钢资源短缺的局面还将持续一段时间，主要原因是:①在钢产量持续高速增长的情况下，废钢资源必然出现短缺;②我国废钢积蓄量不足，20世纪以来我国废钢的总积蓄量约为21亿吨，不到美国的1/3;③我国的废钢中以长材为主，其中大多数是回收周期很长的建筑材。

表2 废钢回收周期［7］

虽然受到金融危机的影响，但是按照我国废钢资源供需情况的测算，2009年国内废钢市场资源缺口仍在1000万吨以上［14］。

2.2.2 电力短缺

由于电炉短流程炼钢需要消耗大量的电能，充足的电力是发展电炉炼钢的重要条件。根据国际钢铁工业协会的数据，废钢—电炉炼钢—连铸—热轧成形的整个流程中，每吨钢材需耗电约1 528kW·h［15］。

美国当初在发展电炉短流程时得益于充足的电力资源，我国过去几年在发展短流程炼钢的过程中，一直遭遇拉闸限电和电价过高的困扰，断续供电和昼夜时段差价使电弧炉不能连续运行，会降低其技术经济指标［7］。

同时，由于我国工业用电价格价格，使得电能费用在电炉钢加工成本中占较大比例，这也抬高了电炉炼钢的冶炼成本。

3 发展电炉炼钢，促进钢铁工业可持续发展

3.1 电炉炼钢对钢铁工业的可持续发展的意义

根据评价结果，从可持续发展的角度来看，电炉炼钢对钢铁工业的可持续发展具有重要意义:一、电炉炼钢主要以废钢为原料，减少了不可再生资源铁矿石以及焦炭的消耗;二、从整个流程的能量消耗来看，短流程的电炉炼钢的能量消耗水平较转炉炼钢的长流程要低;三、从环境排放的情况来看，电炉炼钢过程中排放的废弃物也较少。

傅杰认为，以我国年产钢5亿吨计算，若电炉钢比例从10%提高到25%(2020年目标值)，则每年可节约铁矿石0.975亿吨，降低能耗0.2625亿吨标煤，减少CO2排放1.192亿吨［13］。

3.2 发展我国电炉炼钢的政策建议

虽然从目前的情况来看，我国今后一段时间内仍然面临废钢短缺的局面，但是是否要先发展转炉流程，等废钢资源充足了，再大规模开建电炉炼钢流程呢?结论是否定的。

首先，目前由于世界经济遭受金融危机的重创，钢铁行业也进入深度调整期，产能急剧扩张的局面已经发生改变，我国钢铁行业要以此为契机，从盲目扩张产能转到提升产业结构，切实发展钢铁产业循环经济，提高产业发展的可持续度。而且，由于需求过剩，国际废钢的价格也呈现不断下降的趋势，这对我国废钢资源短缺的局面来说是一个好消息，可以大力进口废钢资源，这为提升我国电炉钢比创造了一个有利条件。

其次，关于我国电力资源短缺的问题，在2005－2007年表现得比较突出。随着国家近年来对电力的不断投资建设，以及在金融危机的影响下，从2008年下半年开始我国电力增长需求呈现大幅下降的局面。目前，我国电力供需已经趋于平衡，因此，我们认为电力短缺已经不再是制约我国发展电炉炼钢的主要因素了。

同时，新建电炉从调研、立项、签订合同到建设、投产、达产、超产有一个过程。据悉，我国从1993年即开始考虑第一轮投资电炉炼钢，但是到2003年才使新增电炉潜力充分发挥出来［13］。

基于以上三个理由，从循环经济与可持续发展的角度，我们建议国家开始考虑第二次投资建设电炉炼钢流程，逐步扩大电炉炼钢比例，力争到2020年，我国电炉钢比例达到25—30%，接近世界平均水平。

同时，电炉炼钢流程需要继续改进与发展，进一步提高资源与能源的利用率，减少环境排放。同时，要控制废钢循环过程中有害残存元素(铜，锡，砷，锑等)的富集问题，进行废钢预处理;并对低质废钢处理中的“二恶英”污染进行控制，使其排放浓度达到安全值。真正使电炉短流程炼钢技术成为钢铁生产可持续发展的模式与典范。

(编辑:李琪)

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［14］2008－2009年中国废钢市场研究咨询报告［R］，摘要部分.

［15］李士琦，林纲，陈煜，等.中国电炉流程与工程技术文集［A］.关于电炉炼钢能量问题的讨论［C］.北京:冶金工业出版社，2005: 42–56.

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专－0125－04

2010-08-26

王明旭，工程师，主要研究方向为环境规划与管理。

杨建新，博士，研究员，博导，主要研究方向为产业生态学、环境经济与环境管理。

*国家973项目(No.:2005CB724206)，国家环保公益性行业科研专项(No.:200809025)资助。