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中国钢铁工业CO2和PM2.5污染共同缓解的多目标分析
Haozhe Yang a, Junfeng Liu a, *, Kejun Jiang b, Jing Meng a, c, Dabo Guan d, Yuan Xu e, Shu Tao a
a北京大学城市与环境科学学院地表过程实验室；
b能源研究所，国鸿大厦，西城区，北京100038；
c电子科学学院，东安格利亚大学，诺维奇，NR4 7TJ，英国；
d国际发展学院，东安格利亚大学，诺维奇NR4 NR4，英国；
e香港中文大学，环境能源及维持学研究所地理及资源管理系
摘要 中国近年来经历了严重的细颗粒物(PM2.5)污染，必须控制二氧化碳(CO2)排放，才能兑现到2030年减少二氧化碳排放的承诺。钢铁行业是能源密集型产业，对我国PM2.5污染贡献巨大。同时减少二氧化碳排放和PM2.5污染，同时最大限度地降低减排总成本，仍然是一个必须解决的关键问题。通过多目标分析，我们比较了基于不同政策偏好和目标的潜在技术组合。然而，仅仅侧重于减少二氧化碳排放的政策并不能有效地减少PM2.5.此外，二氧化碳排放量减少对应着巨大的财政成本，而PM2.5污染减少成本较低。我们的结果表明，在有限的预算下，决策者应该优先考虑PM2.5的减少，因为CO2的减少可能同时实现。要实现二氧化碳排放量的大幅度减少，就需要进一步的技术革新，以降低成本门槛。因此，中国应该在短期内减少采购成本，并为未来的采购做好准备，预期的挑战与未来二氧化碳减少有关。
关键词 多目标分析；钢铁行业；PM2.5；CO2减排；排放控制； 减排成本
1.引言
二氧化碳（CO2）是导致全球气温迅速升高的主要温室气体（政府间气候变化专门委员会，2013年）。由于气温升高，气候变化正在威胁着人类的生存（Knutti等人，2015年）。为了应对CO2和其他温室气体造成的气候变化，2015年联合国气候变化大会通过了《巴黎协定》。《巴黎协定》的主要目标是保持'全球平均气温比工业化前水平高出2摄氏度以下'，并努力将气温上升限制在比工业化前水平高1.5摄氏度（Rogelj等人，2016年）。作为CO2的最大排放国，占全球的24%（周等人，2012年），中国承诺到2030年，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年水平降低65%（国务院，2015年）。伴随着大量的温室气体排放，雾霾已经成为中国严重的环境问题。在雾霾事件中，由PM2.5（Li，Y.等人，2016年）和从SO2和NOx转换而成的二次PM2.5（Sun等人，2006年）为主要污染物（孟等人，2016年）。为改善空气质量，中国政府已采取行动，减少PM2.5的排放量（如《国家大气污染防治行动计划》）（国务院，2013年）。然而，为了实现这个目标，存在着一些主要挑战在于，政府需要保持经济发展，同时减少二氧化碳排放和PM2.5污染。基础设施建设一直是中国经济快速增长和排放增长的主要推动力，经济严重依赖碳密集型产业（如钢铁、水泥和电力，刘等人，2012年）。减少CO2排放需要高初始资本成本，采用低碳技术和去除空气污染物需要额外的运营成本（侯等人，2011年），这在短期内可能对欠发达地区的经济产生负面影响（东和梁，2014年;刘等人，2015年;孟等人，2017年）。因此，在保持经济增长的同时，平衡CO2和PM2.5的减少是一项挑战。
钢铁工业是中国二氧化碳排放和PM2.5污染的主要来源。2012年，该行业是能源密集型行业，消耗的能源占中国能源消费总量的14%（即煤炭的8%、焦炭的86%和电力的10%）（中国国家统计局，2013年）。据估计，该行业占二氧化碳排放的10-20%（郭和福，2010年;袁等人，2012年;曾等人，2009年），占中国主要PM2.5排放量的5%（雷等人，2010年;孟等人，2015年）。此外，钢铁行业排放的二氧化硫排放量占中国二氧化硫排放量的10%，是二次PM2.5（中国国家统计局;二氧化硫排放）的重要前奏（保护部，2011年）。因此，减少钢铁工业的CO2排放和PM2.5污染对于长期减缓气候变化或在短期内解决雾霾问题是必要的（徐等人，2014年）。工业和信息化部（2016年）提出了相当多的低碳技术，提高了能源利用效率，从而减少了CO2和空气污染的排放（Dong等人，2013年;张等人，2013年）。例如，焦炭淬火有助于减少化石燃料和电力消耗，从而减少二氧化碳排放和空气污染物（工业和信息化部，2012年）。根据中国“十二五”规划（国务院，2011年），还计划广泛应用减排技术来减少污染物排放。此外，碳捕获和储存是一种很有前途的技术，可以捕获和储存从爆炸中排放的CO2（Psarras等人，2017年）。然而，成本因素限制了中国同时减少CO2和PM2.5污染的能力，而采用减少CO2和PM2.5的技术取决于技术成本。由于预算有限，决策者必须减少PM2.5和CO2排放的同时尽量减少成本。
此前对中国钢铁工业的研究主要集中在二氧化碳减排和节能的成本有效性。钢铁需求已被用作估计CO2数量的指标（陈等人，1990年;高，2010;殷和陈，2013年）。中国钢铁工业的能耗远远落后于世界先进水平;因此，为了提高这一能源的效益，已经出现了具有成本效益的技术（Hasanbeigi等人，2011年;林和王，2015;马等人，2002年;张等人，2007年）。此外，研究人员还使用不同的能源模型来预测钢铁工业的二氧化碳排放量（陈等人，2014年;李，L.等人，2016年;王等人，2007年;温等人，2014年;徐和林，2016）。对空气污染物和CO2共同控制的研究表明，共同控制措施比单一减排措施更具成本效益（刘等人，2014年）。
然而，以前的研究很少侧重于同时减少二氧化碳和PM2.5的污染，同时控制中国钢铁工业的成本。此外，钢铁行业的环境评估经常通过比较一组有限的预置情景来进行，这给评估增加了不确定性。这项工作旨在为中国钢铁工业确定强有力的最佳战略，明确不同的政策目标和决策者的偏好。
我们将详细的技术和政策偏好和目标与数学多目标优化技术相结合，确定同时最小化 CO2排放、PM2.5污染和减排成本的最佳策略。
2.方法和材料
2.1. 可获得的技术选择
钢铁工业可用的技术组合包括两个部分：技术路径和减排技术。技术路径是指用于生产钢铁产品的技术，而去除技术是指末端污染物减排技术。图1显示了目前可用于钢铁工业的技术路径和去除技术。技术路径包括高炉和基本氧炉技术路径（BF-BOF）、电弧炉技术路径（EAF）、直接还原铁技术路径（DRI）和碳捕获和存储技术路径（CCS）。由于二氧化碳的排放量和空气污染物的排放，我们排除了冶炼还原铁的技术路径（胡和江，2001年）。BF-BOF是中国应用最广泛的技术路径，其传统路径包括炼焦、烧结、铁铸、炼钢、铸造和轧制工艺。BF-BOF 的替代技术路径是 EAF，其中废料代替铁矿石用于在电弧炉中生产粗铁。另一个有前途的新技术途径是DRI 技术。大多数DRI技术使用天然气来减少颗粒或烧结，然后直接还原铁技术作为废料的替代品。Midrex 技术是目前在 DRI 生产中广泛应用的技术。CCS技术路径将碳捕获和存储技术与高炉相结合。拆卸过程包括 PM2.5 和 SO2 移除设备。去除SO2对于减少PM2.5很重要，因为它代表了PM2.5的一个前体物。高表面颗粒哑光去除装置，如织物纤维，可去除PM2.5。有许多SO2去除方法，脱硫是一个通用术语，用于指这些去除过程（邢和卢，2013）我们在表1中对分析中使用的技术进行了分类研究。
图一 钢铁行业的技术路径和污染物减排技术
表 1
本研究中使用的技术选项摘要
|
类别 |
技术 |
参考 |
|
|
传统工艺 |
焦炉 |
胡和江（2001年） |
|
|
烧结炉 |
胡和江（2001年） |
||
|
高炉 |
胡和江（2001年） |
||
|
电弧炉 |
胡和江（2001年） |
||
|
基本氧气炉 |
胡和江（2001年） |
||
|
铸造 |
胡和江（2001年） |
||
|
热轧 |
胡和江（2001年） |
||
|
冷轧 |
胡和江（2001年） |
||
|
效率改进 |
可乐干淬火 |
胡和江（2001年） |
|
|
顶压回收涡轮 |
胡和江（2001年） |
||
|
BOF气体的回收 |
胡和江（2001年） |
||
|
连续铸造 |
胡和江（2001年） |
||
|
系统优化 |
直接还原铁技术 |
白格 （2016） |
|
|
碳捕获 |
碳捕获和储存 |
库拉莫奇等人(2012) |
|
|
污染物去除 |
布袋除尘 |
马等人(2016) |
|
|
脱硫 |
马等人(2016) |
2.2. 模型描述
2.2.1. 不同技术路径的排放系数和成本
CO2排放量基于能耗计算，一次PM2.5和SO2排放基于生产过程计算。每个技术路径的排放系数和成本计算如下：
其中EFCi代表当技术路径i生产一吨钢产品时CO2的排放，EFPi表示一次PM2.5排放;EFSi代表当技术路径i生产一吨纤维化钢产品SO2排放;CO2EFj表示技术路径i中燃油j的CO2 排放系数;PMEFij 代表技术路径i中工艺j的 PM2.5排放系数;燃料ij表示使用技术路径i生产一吨钢产品期间消耗的燃料j;成本i表示使用技术路径i生产一吨钢产品的成本;年化成本i代表使用技术路径i生产一吨钢制品的年度资本投资;Pj表示燃料j的价格;资本成本i表示使用技术路径i生产一吨钢产品n年的总资本成本。本文的利率为10%（张等人，2014年）。变量n是不同技术的生存期。每个技术路径的排放系数和成本如表2所示。
表 2
排放系数和技术路径（每吨纤维钢产品）和去除技术（每吨SO2和PM2.5）的排放系数和成本。
|
CO2（包括电力） t/t |
初级 PM2.5 千克/吨 |
成本元/吨 |
SO2 kg/t |
电力间接 SO2千克/吨 |
电力间接初级 PM2.5千克/吨 |
|
|
BF-BOF |
2.38 |
18.18 |
1954 |
8.23 |
0.78 |
0.05 |
|
EAF |
0.49 |
7.09 |
2043 |
0.35 |
0.44 |
0.03 |
|
DRI |
1.20 |
10.25 |
2575 |
8.07 |
0.68 |
0.05 |
|
CCS |
0.78 |
18.18 |
3129 |
8.23 |
1.38 |
0.09 |
|
脱硫 |
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