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 ·

·1688 北京科技大学学报 第36卷 年达到35a,2060年达到40a.能耗方面，基准情景 而言，其折旧寿命2025年达到13a,2040年达到16 的长流程维持2010年的能耗水平，短流程工艺中由 a并一直维持在这个水平上；对其他行业而言，其折 于中国电炉中放入了大量的铁水使得其能耗要较世 I旧寿命2020年达到15a,2040年达到25a并一直维 界先进能耗水平要低，而随着废钢越来越充足，电炉 持在这个水平上. 放铁水的现象会逐渐减少，因此本情景假设2025年 (4)钢铁生产能效提升情景(Energy Intensity 之后中国电炉短流程的能耗和排放为世界先进 mprovement-一EI scenario).作为能耗和排放的大户 水平. 的钢铁行业承担起越来越大的节能减排的压力，通 (2)废钢回收效率提升情景(Scrap's Recycle 过技术进步已经成为钢铁行业节能减排的重要途径 rate Improvement-一RI scenario).本情景假设政府加 之一.为此，本文制定钢铁生产能效提升情景.首 强对各种废旧钢铁的循环回收水平，同时废钢的处 先，本情景假设在2010年的能耗及排放的基础上分 理、拆解和利用的产业链也十分完善，在2020年达 流程结构分别展开计算，预计中国钢铁行业在2020 到80%，到2040年达到世界先进水平90%，到2060 年达到世界最佳技术实践(world best practice, 年达到95%.其他条件维持在基准情景 WBP)的能耗和排放情况（见表4）四.其次，预计 (3)钢铁产品寿命提升情景(Steel Lifetime Im- 在世界最佳技术实践的情况下，钢铁行业还可通过 provement-一LI scenario).本情景假设中国未来城市 相应的新技术展开进一步的节能减排工作，通过对 化、工业化的速度放缓以及政府出台增加钢铁产品 文献21]列举的近30项先进的技术和措施(inmo- 耐用度及“再制造”水平提升的相关政策，使得相关 vative technologies,IT)的筛选，得到节能减排量，即 钢铁产品的使用寿命得到有效提升.对建筑行业而 在世界最佳技术实践的基础上对于BF-一BOF长流 言，其折旧寿命2020年达到40a,2040年达到50a, 程每吨产品可降低4.86GJ、减排0.76tC02,对于废 2060年达到60a;对交通行业而言，其折旧寿命 钢-EAF流程每吨产品可降低1.54G、减排0.083t 2020年达到13a并一直维持在这个水平上：对机械 C02,即本文设定其为钢铁行业于2040年达到的目 行业而言，其折旧寿命一直维持在15a;对家电行业 标值 表42010年中国重点钢铁企业与世界先进水平的流程能耗和排放 Table4 Energy consumption and emission of China's key steel enterprises in 2010 and WBP values 中国重点企业2010 WBP标杆值 流程 BF-BOF EAF BF-BOF EAf DRI-EAF 原料准备 1.6 1.9 2.5 炼铁 13.4 12.2 一 11.7 炼钢 -0.0055 0.23793 -0.4 2.4 2.5 连铸阶段 0.71 0.71 0.1 0.1 0.1 热轧 1.64 1.64 1.8 1.8 1.8 冷轧 0.43 0.43 0.4 0.4 0.4 镀层 0.086 0.086 0.086 0.086 0.086 每吨产品能耗总计/G】 17.8 5.2 16.1 4.8 18.4 每吨产品C02排放量/1 1.87 0.35 1.77 0.33 1.07 (5)综合情景(ALL scenario).本情景为考虑 可以得到中国未来钢铁库存量的变化，再根据两年 以上非基准情景全部发生的情况 的库存量之差可以得到本年库存变化量，而根据以 往各年的生产量可以得到本年折旧废钢产量，依据 3 情景预测结果分析 式(8)反算得到本年的钢铁产量.计算得到1949一 3.1钢铁物质流及流程结构 2100年的相关数据如图4所示.可以看出，各行业 (1)人均存储量的变化.中国未来人口增长趋 的人均钢铁存储量在经历快速增长之后2030年左 势由联合国获取网，据其预测，中国人口大约在 右先后进入饱和期，社会钢铁库存量表现出了相同 2028年到达顶峰13.89亿，之后就开始递减到2100 的趋势，但是由于人口量达到饱和后开始递减，使得 年的9亿人口.本文根据人口可以得到钢铁总库存 社会钢铁库存量预计在2037年左右达到12737.5 量的变化趋势，之后通过人均库存量和未来人口量 Mt这个饱和点后下滑

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 年达到 35 a，2060 年达到 40 a． 能耗方面，基准情景 的长流程维持 2010 年的能耗水平，短流程工艺中由 于中国电炉中放入了大量的铁水使得其能耗要较世 界先进能耗水平要低，而随着废钢越来越充足，电炉 放铁水的现象会逐渐减少，因此本情景假设 2025 年 之后中国电炉短流程的能耗和排放为世界先进 水平． ( 2) 废钢回收效率提升情景( Scrap's Ｒecycle rate Improvement—ＲI scenario) ． 本情景假设政府加 强对各种废旧钢铁的循环回收水平，同时废钢的处 理、拆解和利用的产业链也十分完善，在 2020 年达 到 80% ，到 2040 年达到世界先进水平 90% ，到 2060 年达到 95% ． 其他条件维持在基准情景． ( 3) 钢铁产品寿命提升情景( Steel Lifetime Im￾provement—LI scenario) ． 本情景假设中国未来城市 化、工业化的速度放缓以及政府出台增加钢铁产品 耐用度及“再制造”水平提升的相关政策，使得相关 钢铁产品的使用寿命得到有效提升． 对建筑行业而 言，其折旧寿命 2020 年达到 40 a，2040 年达到 50 a， 2060 年 达 到 60 a; 对交通行业而言，其 折 旧 寿 命 2020 年达到 13 a 并一直维持在这个水平上; 对机械 行业而言，其折旧寿命一直维持在 15 a; 对家电行业 而言，其折旧寿命 2025 年达到 13 a，2040 年达到 16 a 并一直维持在这个水平上; 对其他行业而言，其折 旧寿命 2020 年达到 15 a，2040 年达到 25 a 并一直维 持在这个水平上． ( 4) 钢铁生产能效提升情景( Energy Intensity Improvement—EI scenario) ． 作为能耗和排放的大户 的钢铁行业承担起越来越大的节能减排的压力，通 过技术进步已经成为钢铁行业节能减排的重要途径 之一． 为此，本文制定钢铁生产能效提升情景． 首 先，本情景假设在 2010 年的能耗及排放的基础上分 流程结构分别展开计算，预计中国钢铁行业在 2020 年达到世界最佳技术实践 ( world best practice， WBP) 的能耗和排放情况( 见表 4) ［20］． 其次，预计 在世界最佳技术实践的情况下，钢铁行业还可通过 相应的新技术展开进一步的节能减排工作，通过对 文献［21］列举的近 30 项先进的技术和措施( inno￾vative technologies，IT) 的筛选，得到节能减排量，即 在世界最佳技术实践的基础上对于 BF--BOF 长流 程每吨产品可降低 4. 86 GJ、减排 0. 76 t CO2，对于废 钢--EAF 流程每吨产品可降低 1. 54 GJ、减排 0. 083 t CO2，即本文设定其为钢铁行业于 2040 年达到的目 标值． 表 4 2010 年中国重点钢铁企业与世界先进水平的流程能耗和排放 Table 4 Energy consumption and emission of China’s key steel enterprises in 2010 and WBP values 流程 中国重点企业 2010 WBP 标杆值 BF—BOF EAF BF—BOF EAF DＲI--EAF 原料准备 1. 6 — 1. 9 — 2. 5 炼铁 13. 4 — 12. 2 — 11. 7 炼钢 － 0. 0055 0. 23793 － 0. 4 2. 4 2. 5 连铸阶段 0. 71 0. 71 0. 1 0. 1 0. 1 热轧 1. 64 1. 64 1. 8 1. 8 1. 8 冷轧 0. 43 0. 43 0. 4 0. 4 0. 4 镀层 0. 086 0. 086 0. 086 0. 086 0. 086 每吨产品能耗总计/GJ 17. 8 5. 2 16. 1 4. 8 18. 4 每吨产品 CO2排放量/t 1. 87 0. 35 1. 77 0. 33 1. 07 ( 5) 综合情景( ALL scenario) ． 本情景为考虑 以上非基准情景全部发生的情况． 3 情景预测结果分析 3. 1 钢铁物质流及流程结构 ( 1) 人均存储量的变化． 中国未来人口增长趋 势由联合国获取［22］，据其 预 测，中国人口大约在 2028 年到达顶峰 13. 89 亿，之后就开始递减到 2100 年的 9 亿人口． 本文根据人口可以得到钢铁总库存 量的变化趋势，之后通过人均库存量和未来人口量 可以得到中国未来钢铁库存量的变化，再根据两年 的库存量之差可以得到本年库存变化量，而根据以 往各年的生产量可以得到本年折旧废钢产量，依据 式( 8) 反算得到本年的钢铁产量． 计算得到 1949— 2100 年的相关数据如图 4 所示． 可以看出，各行业 的人均钢铁存储量在经历快速增长之后 2030 年左 右先后进入饱和期，社会钢铁库存量表现出了相同 的趋势，但是由于人口量达到饱和后开始递减，使得 社会钢铁库存量预计在 2037 年左右达到 12737. 5 Mt 这个饱和点后下滑． · 8861 ·

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 ·1689· 5.5 (a) 14000fb 模型预测值 5.0H 一建筑 13000 12000- 实际生产值 4.5 一-交通 110X00 2建筑 4.0 家电 10000 3.5 9000 机械 3.0 8000 家电 7000 2.5 其他 6000 2.0 5000 1.5 4000 1.0 3000 2000 0.5 1000 9601980200020202040206020802100 0 19601980200020202040206020802100 年份 年份 图4 钢铁库存量的预测值 Fig.4 Long-erm prediction of steel storage (2)折旧废钢产量及钢铁消费量的变化.根据 求量的变化，基准情景下，建筑业会在2017年达到 上文结果和相关情境假设条件，可以计算得到不同 峰值344M,之后由于折旧寿命变化开始下降直到 情境下的折旧废钢量和社会钢铁消费需求量见图 2054年达到新的高峰216M又开始下降，受建筑业 5.对比图5(a)和图5(b)可以看出，各行业折旧废 影响，总量会在2024年达到顶峰887Mt,之后缓慢 钢量总体显现先增长至饱和然后下降的趋势，折旧 下降，最终维持在600Mt左右.对比图5(d)可以发 寿命改变对总折旧废钢的饱和点对应的时间没有大 现在延长钢铁折旧寿命的情景下，虽然总量会和基 的变化，但对折旧废钢的产生量影响巨大，其中在 准情景一样历经一个快速增长至顶峰828.7M,但 BAU情景下总折I旧废钢在2052年达到饱和点871 是之后迅速下降，最后维持在550Mt左右，说明延 M,而LI情境下总折旧废钢在2058年达到饱和点 长折旧寿命会在一定程度下降低钢铁未来需求量， 722M.值得注意的是，虽然基准情景的饱和点较 相应地也会减少钢铁产量 高，但是后续废钢量一直下降，而寿命提升情景的后 (3)废钢产量及回收量的变化.本文通过计算 续变化较为缓和，说明延长寿命使得对应的折旧废 得到不同情景下折旧废钢、自产废钢和加工废钢 钢折现速度变缓，有利于废钢资源的长期保障.图5 的生产量如图6所示.由图6(a)和图6(b)可以 (c)和图5(d)表示在不同情景下社会钢铁消费需 得知，无论何种情景下未来中国废钢主要来自于 900 900r 800 建筑 800 建筑 700 一·交通 700 600 机械 600 机械 500 500 家电 400 其他 400 其他 300 总量 300 总量 200 200 入A 100 100 0 0 1960198020002020204020602080210 19601980200020202040206020802100 年份 年份 900 fe) 900 d 800 一建筑 800 建筑 700 一·交 700 一·交 600 城 600 机械 500 家电 500 八 家 400 其他 400 其他 300 总量 300 总量 200 200 100 100 0 19601980200020202040206020802100 19601980200020202040206020802100 年份 年份 图5 不同情境下折旧废钢产量及钢铁消费需求量. (a),(c)BAU-RI-EI:(b),(d)LI-ALL Fig.5 Iron and steel demand and end-of-ife scrap under different scenarios:(a),(c)BAU-RI-EI;(b),(d)LI-ALL

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 4 钢铁库存量的预测值 Fig． 4 Long-term prediction of steel storage ( 2) 折旧废钢产量及钢铁消费量的变化． 根据 上文结果和相关情境假设条件，可以计算得到不同 情境下的折旧废钢量和社会钢铁消费需求量见图 5． 对比图 5( a) 和图 5( b) 可以看出，各行业折旧废 钢量总体显现先增长至饱和然后下降的趋势，折旧 寿命改变对总折旧废钢的饱和点对应的时间没有大 的变化，但对折旧废钢的产生量影响巨大，其中在 BAU 情景下总折旧废钢在 2052 年达到饱和点 871 Mt，而 LI 情境下总折旧废钢在 2058 年达到饱和点 图 5 不同情境下折旧废钢产量及钢铁消费需求量 . ( a) ，( c) BAU--ＲI--EI; ( b) ，( d) LI--ALL Fig． 5 Iron and steel demand and end-of-life scrap under different scenarios: ( a) ，( c) BAU--ＲI--EI; ( b) ，( d) LI--ALL 722 Mt． 值得注意的是，虽然基准情景的饱和点较 高，但是后续废钢量一直下降，而寿命提升情景的后 续变化较为缓和，说明延长寿命使得对应的折旧废 钢折现速度变缓，有利于废钢资源的长期保障． 图 5 ( c) 和图 5( d) 表示在不同情景下社会钢铁消费需 求量的变化，基准情景下，建筑业会在 2017 年达到 峰值 344 Mt，之后由于折旧寿命变化开始下降直到 2054 年达到新的高峰 216 Mt 又开始下降，受建筑业 影响，总量会在 2024 年达到顶峰 887 Mt，之后缓慢 下降，最终维持在 600 Mt 左右． 对比图 5( d) 可以发 现在延长钢铁折旧寿命的情景下，虽然总量会和基 准情景一样历经一个快速增长至顶峰 828. 7 Mt，但 是之后迅速下降，最后维持在 550 Mt 左右，说明延 长折旧寿命会在一定程度下降低钢铁未来需求量， 相应地也会减少钢铁产量． ( 3) 废钢产量及回收量的变化． 本文通过计算 得到不同情景下折旧废钢、自产废钢和加工废钢 的生产量如图 6 所示． 由图 6 ( a) 和图 6 ( b) 可以 得知，无论何种情景下未来中国废钢主要来自于 · 9861 ·

·1690 北京科技大学学报 第36卷 折旧废钢（占比80%以上），保障折旧废钢供应对 看出，未来废钢回收量由多至少的情景依次为I、 于未来中国钢铁原料来源十分重要。与此同时， BAU&EI、ALL和LI情景，说明延长钢铁折I旧寿命 LI一ALL情景的废钢产量要比其他情景相对要低， 会在一定程度上降低废钢的回收量使得RI和 峰值要少176Mt(图6(c)).另一方面，通过调整 BAU-EI情景要比ALL情景回收量要大，而I情 废钢回收率得到不同情景的结果见图6(d).可以 景的回收量最低 2折旧废钢(a) 1h) 1000s白产废解 1000F ☑折旧废钢 盈加T废钢 圆自产废钢 800 800 酸加工废钢 三 三 60 600 400 400 200 200 210202020302040205020602070208020902100 2010202020302040205020602070208020902100 年份 年份 (e) 1000 1000 BAU-EI-RI 800 80 BAU-EI 600 600 400 1-A11 4 200 200 2010202020302040205020602070248020902100 2010202020302040205020602070208020902100 年份 年份 图6不同情景下废钢产量与回收量的对比.(a)BAU-E-R;(b)-ALL:(c)产量对比：(d)回收量对比 Fig.6 Total scrap production and recycled scrap under different scenarios:(a)BAU-EI-RI:(b)LI-ALL;(c)scrap production:(d)recycled scrap amount (4)钢铁流程结构的变化.通过模型计算得到 中国钢铁行业的能耗、排放、每吨产品能耗和每吨产 不同情景下中国钢铁生产流程结构的变化如图7所 品排放结果见图8. 示.可以看出，无论在何种情景下，转炉钢产量会快 就钢铁行业能耗变化而言，所有的情景在 速增长之后开始下滑，而电炉钢则一直增长至某一 2010一2019年的能耗变化趋势基本维持一致.之后 值或保持稳定.更为明显的是，未来中国钢铁的电 由于各个情景的钢铁生产量、钢铁流程结果和流程 炉短流程会在2035年左右超越长流程成为主要的 能耗不同而出现分化成为五种不同的曲线.对于 生产方式.与此同时，各种情景的电炉钢比增长趋 BAU情景而言，其能耗逐渐下降到2100年的6352 势也存在不少的差异.对于BAU一EI情景和I情 PJ,与此同时，每吨产品能耗也大幅下降，由2010年 景而言，电炉钢比历经2040年的跃迁逐渐上升至 的16.6G下降到2100年的8.1GJ,说明在BAU情 2065年之后稳定在0.84附近.对于I和ALL情 景下，流程结构的调整能使每吨产品能耗下降 景而言，电炉钢比一直快速增长至2040年之后就最 48.6%.对于EI情景而言，通过有效节能减排技术 终稳定在0.90左右.总而言之，电炉短流程会逐渐 使用使其能耗最终下降到2100年的4593PJ,相应 替代长流程并在21世纪30年代之后成为主流，废 的每吨产品能耗下降到5.83G,扣除BAU情景的 钢的回收率是对钢铁流程结构影响较大的因素，废 作用，EI只能降低每吨产品能耗2.3GJ,说明技术 钢回收率提升会提升电炉钢比值，有助于缩短到达 节能不如流程节能效果明显.对于山情景而言，其 钢铁流程结构稳定的时间. 能耗最终下降到2100年的5126PJ,相应的每吨产 3.2钢铁流程的能耗及排放的变化 品能耗下降到7.9G.可以看出，寿命提升可以有 通过情景假设数据和物质流计算结果可以得到 效降低社会对钢铁的需求（见图7(b)),从而降低

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 折旧废钢( 占比 80% 以上) ，保障折旧废钢供应对 于未来中国钢铁原料来源十分重要． 与此同时， LI--ALL 情景的废钢产量要比其他情景相对要低， 峰值要少 176 Mt( 图 6( c) ) ． 另一方面，通过调整 废钢回收率得到不同情景的结果见图 6( d) ． 可以 看出，未来废钢回收量由多至少的情景依次为 ＲI、 BAU＆EI、ALL 和 LI 情景，说明延长钢铁折旧寿命 会在一定程度上降低废钢的回收量使得 ＲI 和 BAU--EI 情景要比 ALL 情景回收量要大，而 LI 情 景的回收量最低． 图 6 不同情景下废钢产量与回收量的对比． ( a) BAU--EI--ＲI; ( b) LI--ALL; ( c) 产量对比; ( d) 回收量对比 Fig． 6 Total scrap production and recycled scrap under different scenarios: ( a) BAU--EI--ＲI; ( b) LI--ALL; ( c) scrap production; ( d) recycled scrap amount ( 4) 钢铁流程结构的变化． 通过模型计算得到 不同情景下中国钢铁生产流程结构的变化如图 7 所 示． 可以看出，无论在何种情景下，转炉钢产量会快 速增长之后开始下滑，而电炉钢则一直增长至某一 值或保持稳定． 更为明显的是，未来中国钢铁的电 炉短流程会在 2035 年左右超越长流程成为主要的 生产方式． 与此同时，各种情景的电炉钢比增长趋 势也存在不少的差异． 对于 BAU--EI 情景和 LI 情 景而言，电炉钢比历经 2040 年的跃迁逐渐上升至 2065 年之后稳定在 0. 84 附近． 对于 ＲI 和 ALL 情 景而言，电炉钢比一直快速增长至 2040 年之后就最 终稳定在 0. 90 左右． 总而言之，电炉短流程会逐渐 替代长流程并在 21 世纪 30 年代之后成为主流，废 钢的回收率是对钢铁流程结构影响较大的因素，废 钢回收率提升会提升电炉钢比值，有助于缩短到达 钢铁流程结构稳定的时间． 3. 2 钢铁流程的能耗及排放的变化 通过情景假设数据和物质流计算结果可以得到 中国钢铁行业的能耗、排放、每吨产品能耗和每吨产 品排放结果见图 8． 就钢铁 行 业 能 耗 变 化 而 言，所 有 的 情 景 在 2010—2019 年的能耗变化趋势基本维持一致． 之后 由于各个情景的钢铁生产量、钢铁流程结果和流程 能耗不同而出现分化成为五种不同的曲线． 对于 BAU 情景而言，其能耗逐渐下降到 2100 年的 6352 PJ，与此同时，每吨产品能耗也大幅下降，由 2010 年 的 16. 6 GJ 下降到 2100 年的 8. 1 GJ，说明在 BAU 情 景下，流程结构的调整能使每吨产品能耗下降 48. 6% ． 对于 EI 情景而言，通过有效节能减排技术 使用使其能耗最终下降到 2100 年的 4593 PJ，相应 的每吨产品能耗下降到 5. 83 GJ，扣除 BAU 情景的 作用，EI 只能降低每吨产品能耗 2. 3 GJ，说明技术 节能不如流程节能效果明显． 对于 LI 情景而言，其 能耗最终下降到 2100 年的 5126 PJ，相应的每吨产 品能耗下降到 7. 9 GJ． 可以看出，寿命提升可以有 效降低社会对钢铁的需求( 见图 7( b) ) ，从而降低 · 0961 ·

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 ·1691· 1.0 1400 11400 a 120) 1200 0.8 粗钢产量 1000 粗钢产量 1000 三 800 0.6 三 800 0.4 电炉钢比 600 04 电炉钢比 600 转炉钢 电炉钢 转炉钢 400 电炉钢 400 0.2 0.2 200 200 。 2010202020302040205020602070208020902100 2010202020302040205020602070208020902100 年份 年份 1.0 1400 1.0r 1400 (c) (d) 1200 1200 0.8 粗钢产量 0.8 100 粗钢产量 1000 出0.6 三 800 0.6 …… 三 800 电炉钢比y 0.4 '电炉钢比 600 0.4 600 转炉钢 电炉钢 400 转炉钢 电炉纲 400 0.2 0.2 200 200 2010202020302040205020602070208020902100 2010202020302040205020602070208020902100 年份 年份 图7不同情景下中国钢铁工业流程结构及电炉钢比的变化.(a)BAU-E;(b)L:(c)RI:(d)ALL Fig.7 Production route and EAF steel ratio of Chinese steel industry under different scenarios:(a)BAU-EI:(b)LI;(c)RI:(d)ALL 了总能耗和总排放，但每吨产品能耗和每吨产品排 是一直下降，说明在2010一2025年间的总排放上升 放却无明显变化.对于I情景而言，废钢有效回收 是由于产量变化引起的.最终2100年各情景每吨 的节能效果较为显著，主要原因是废钢的有效回收 产品C02排放值为0.644(BAU)、0.44(EI)、0.627 保障了废钢的充足供应从而使流程的短流程工序占 (LI)、0.568(RI)和0.397t(ALL).若分析各个情 比提升（见图7(c),降低流程能耗至2100年的 景对ALL情景较2010年的每吨产品排放下降的贡 5878G.对于ALL情景而言，通过提升行业钢铁折 献情况的话，可以发现流程结构变迁的BAU情景占 旧寿命、有效促进废钢回收和加大节能减排技术使 比为81.24%，钢铁使用寿命提升的LI情景占比为 用使总能耗下降到2100年的3503PJ,每吨产品能 1.3%,有效回收废钢的RI情景占比4.5%，积极推 耗下降到5.4G.如果分析各个情景对该下降值的 动节能减排技术的EI情景占比9.6%，各个情景共 贡献情况的话，发现流程结构变迁的BAU情景占比 同作用的效果占比为3.3%.由此可知，节能减排技 76%,钢铁使用寿命提升的山情景占比为1.2%，有 术对每吨产品CO2排放的下降十分有限，远远不及 效回收废钢的RI情景占比4.2%，积极推动节能减 流程结构调整作用大.根据PCC第四次评估报告， 排技术的EI情景占比14.7%，各个情景共同作用 如果温升控制在2~3℃，2010一2030年全球C02排 的效果占比为3.7%. 放将到达顶峰并开始下降，2050年的排放量要显著 对于流程的C0,排放而言，其相应的变化趋势 低于目前排放水平甚至减少一半以上.作为能耗和 和能耗情况类似，所有情景在2010一2025年间的 排放大户的中国钢铁行业而言，其在2019年达到顶 C0,排放值迅速上升至1847Mt,之后由于各个情景 峰之后开始下降，符合PCC报告的预期.但是，对 的差异开始分化成不同的情况.但通过图8可以看 于2050年减排一半(497Mt)的目标而言，只有ALL 到各个情景下的最终碳排放效果差距不如能耗差距 情景在2050年就下降到321Mt.其他情景实现该 明显，2100年BAU、EI、LI、RI和ALL情景的CO2排 目标值存在一定困难.因此，中国钢铁行业应该参 放量为507、347、405、447和256Mt.对每吨产品的 考ALL情景实施结构调整、加强废钢回收并积极推 排放而言，其值不像总排放一样会先上升后下降而 广节能减排技术

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 7 不同情景下中国钢铁工业流程结构及电炉钢比的变化 . ( a) BAU--EI; ( b) LI; ( c) ＲI; ( d) ALL Fig． 7 Production route and EAF steel ratio of Chinese steel industry under different scenarios: ( a) BAU--EI; ( b) LI; ( c) ＲI; ( d) ALL 了总能耗和总排放，但每吨产品能耗和每吨产品排 放却无明显变化． 对于 ＲI 情景而言，废钢有效回收 的节能效果较为显著，主要原因是废钢的有效回收 保障了废钢的充足供应从而使流程的短流程工序占 比提升( 见图 7 ( c) ) ，降低流程能耗至 2100 年的 5878 GJ． 对于 ALL 情景而言，通过提升行业钢铁折 旧寿命、有效促进废钢回收和加大节能减排技术使 用使总能耗下降到 2100 年的 3503 PJ，每吨产品能 耗下降到 5. 4 GJ． 如果分析各个情景对该下降值的 贡献情况的话，发现流程结构变迁的 BAU 情景占比 76% ，钢铁使用寿命提升的 LI 情景占比为 1. 2% ，有 效回收废钢的 ＲI 情景占比 4. 2% ，积极推动节能减 排技术的 EI 情景占比 14. 7% ，各个情景共同作用 的效果占比为 3. 7% ． 对于流程的 CO2排放而言，其相应的变化趋势 和能耗情况类似，所有情景在 2010—2025 年间的 CO2排放值迅速上升至 1847 Mt，之后由于各个情景 的差异开始分化成不同的情况． 但通过图 8 可以看 到各个情景下的最终碳排放效果差距不如能耗差距 明显，2100 年 BAU、EI、LI、ＲI 和 ALL 情景的 CO2排 放量为 507、347、405、447 和 256 Mt． 对每吨产品的 排放而言，其值不像总排放一样会先上升后下降而 是一直下降，说明在 2010—2025 年间的总排放上升 是由于产量变化引起的． 最终 2100 年各情景每吨 产品 CO2排放值为 0. 644 ( BAU) 、0. 44 ( EI) 、0. 627 ( LI) 、0. 568 ( ＲI) 和 0. 397 t ( ALL) ． 若分析各个情 景对 ALL 情景较 2010 年的每吨产品排放下降的贡 献情况的话，可以发现流程结构变迁的 BAU 情景占 比为 81. 24% ，钢铁使用寿命提升的 LI 情景占比为 1. 3% ，有效回收废钢的 ＲI 情景占比 4. 5% ，积极推 动节能减排技术的 EI 情景占比 9. 6% ，各个情景共 同作用的效果占比为 3. 3% ． 由此可知，节能减排技 术对每吨产品 CO2排放的下降十分有限，远远不及 流程结构调整作用大． 根据 IPCC 第四次评估报告， 如果温升控制在 2 ～ 3 ℃，2010—2030 年全球 CO2排 放将到达顶峰并开始下降，2050 年的排放量要显著 低于目前排放水平甚至减少一半以上． 作为能耗和 排放大户的中国钢铁行业而言，其在 2019 年达到顶 峰之后开始下降，符合 IPCC 报告的预期． 但是，对 于 2050 年减排一半( 497 Mt) 的目标而言，只有 ALL 情景在 2050 年就下降到 321 Mt． 其他情景实现该 目标值存在一定困难． 因此，中国钢铁行业应该参 考 ALL 情景实施结构调整、加强废钢回收并积极推 广节能减排技术． · 1961 ·

·1692 北京科技大学学报 第36卷 18000r 17r (a) (b) 16000 BAU --EI 15 —BAU 14000 · 14A -· 一·R 13 …L 12000 =··ALL 12 -·RI 11 -·ALL 10000 明10 9 8000 8 600 7 4010202020302040205020602070208020902100 2010202020302040205020602070208020902100 年份 年份 2000r (e) 1.8 1800 —BAU d 1.6 1600 --El --L1 1.4 —BAU 1400 --1 1200 -·ALL 1.2 - 1.0 -·BI 1000 -·AL 8 800 0.8 600 2050减排目标 0.6 400 0.4 .=.-3 200 0.2 0 2010202020302040205020602070208020902100 010202020302040205020602070208020902100 年份 年份 图8不同情景下中国钢铁工业能耗和排放的变化.(a)总能耗：(b)每吨产品能耗：（©）总排放：()每吨产品排放 Fig.8 Energy consumption and CO emission of Chinese steel industry under different scenarios:(a)total energy consumption:(b)specific energy consumption:(c)total CO2 emission:(d)specific CO2 emission 总体而言，在钢铁需求量的下降、废钢有效回 中国各行业钢铁消费量增长规律，并分析这五种情 收、节能减排技术进步等良好的背景下，未来中国钢 景下中国未来钢铁行业的流程结构、能耗及排放的 铁行业的能耗和排放会在2023年左右达到顶峰之 变化情况. 后开始下降，整体节能减排效果十分显著.从每吨 (2)建立符合中国国情的包含还原阶段、炼钢 产品能耗和每吨产品排放角度来看，相比于国外成 阶段、铸造阶段、热轧、冷轧、镀层、产品加工、使用消 熟的钢铁生产结构，中国的流程结构转变对于节能 费及折旧废钢产生的钢铁全生命周期物质流模型， 减排的作用效果十分明显（占每吨产品能耗下降的 并在分析折旧废钢的产生规律基础上，利用Weibull 76%,每吨产品排放下降的81%)，成为促进中国钢 分布将钢铁消费量分为建筑、交通、机械、家电和其 铁行业未来节能减排的关键“红利”，但到达一定时 他行业展开计算得到折旧废钢的结果，并由此得到 期后，技术推广的作用越来越明显.然而，未来中国 各行业的1975一2010年的社会钢铁库存量.最后 钢铁行业只有在ALL情景下才能达到2050年减排 利用桑基图展示2010年的中国钢铁生命周期物质 一半的目标，应参考该情景实施结构调整、废钢回收 流的情况.并在此基础上，利用复合Gompertz模型 措施并积极推动节能减排技术等政策. 的广义Logistic模型对人均钢储量自回归预测. (3)利用自工序出发的“自下而上”方法计算 4结论 得到中国钢铁工序的能耗和排放值.并利用物质流 (1)在中国钢铁行业1949一2010年统计数据 计算模型得到不同情景下2010一2100的折I旧废钢 的基础上，以钢铁生命周期详细的物质流为基础，得 产量及钢铁消费量、总废钢产量及回收量的变化 到三大废钢的产生规律及钢铁全生命周期结构的计 情况 算模型.其次，创建基准情景、延长折旧寿命、提升 (4)利用物质守恒原理得到各情景下中国钢铁 废钢回收、提升能源效率及综合最优五种情景，利用 生产流程的变化，结果发现无论在何种情景下，转炉 基于人均钢铁消费量的钢铁消费预测模型得到未来 钢产量会快速增长之后开始下滑，而电炉钢则一直

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 8 不同情景下中国钢铁工业能耗和排放的变化 . ( a) 总能耗; ( b) 每吨产品能耗; ( c) 总排放; ( d) 每吨产品排放 Fig． 8 Energy consumption and CO2 emission of Chinese steel industry under different scenarios: ( a) total energy consumption; ( b) specific energy consumption; ( c) total CO2 emission; ( d) specific CO2 emission 总体而言，在钢铁需求量的下降、废钢有效回 收、节能减排技术进步等良好的背景下，未来中国钢 铁行业的能耗和排放会在 2023 年左右达到顶峰之 后开始下降，整体节能减排效果十分显著． 从每吨 产品能耗和每吨产品排放角度来看，相比于国外成 熟的钢铁生产结构，中国的流程结构转变对于节能 减排的作用效果十分明显( 占每吨产品能耗下降的 76% ，每吨产品排放下降的 81% ) ，成为促进中国钢 铁行业未来节能减排的关键“红利”，但到达一定时 期后，技术推广的作用越来越明显． 然而，未来中国 钢铁行业只有在 ALL 情景下才能达到 2050 年减排 一半的目标，应参考该情景实施结构调整、废钢回收 措施并积极推动节能减排技术等政策． 4 结论 ( 1) 在中国钢铁行业 1949—2010 年统计数据 的基础上，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钢铁全生命周期结构的计 算模型． 其次，创建基准情景、延长折旧寿命、提升 废钢回收、提升能源效率及综合最优五种情景，利用 基于人均钢铁消费量的钢铁消费预测模型得到未来 中国各行业钢铁消费量增长规律，并分析这五种情 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． ( 2) 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全生命周期物质流模型， 并在分析折旧废钢的产生规律基础上，利用 Weibull 分布将钢铁消费量分为建筑、交通、机械、家电和其 他行业展开计算得到折旧废钢的结果，并由此得到 各行业的 1975—2010 年的社会钢铁库存量． 最后 利用桑基图展示 2010 年的中国钢铁生命周期物质 流的情况． 并在此基础上，利用复合 Gompertz 模型 的广义 Logistic 模型对人均钢储量自回归预测． ( 3) 利用自工序出发的“自下而上”方法计算 得到中国钢铁工序的能耗和排放值． 并利用物质流 计算模型得到不同情景下 2010—2100 的折旧废钢 产量及钢铁消费量、总废钢产量及回收量的变化 情况． ( 4) 利用物质守恒原理得到各情景下中国钢铁 生产流程的变化，结果发现无论在何种情景下，转炉 钢产量会快速增长之后开始下滑，而电炉钢则一直 · 2961 ·