钢铁工业生态效率分析范文

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《环境科学研究杂志》2014年第九期

1研究方法

总物流分析模型如图1所示［15-19］．由于研究对象为我国钢铁工业，所以应用该模型时考察对象是含有铁元素的各股物流，不含其他物流．由图1可见，模型中穿过社会经济系统边界的物流属于直接流，在投入端包括进口资源量和国内开采量;在产出端包括出口资源量和国内排放量;在社会经济系统内包括存量中金属的流入和流出，它们之间的净值为存量的净增量．以开展钢铁工业的总物流分析为例，各项物流所代表的含义:DEU(国内开采量):每年从自然界中获取的用于投入到社会经济系统生产过程中的铁矿资源量．PI和PE(进、出口资源量):通过进、出口贸易进口到国内或出口到国外的含铁资源和产品．NAS(存量净增量):用于衡量经济系统的“物质增长(physicalgrowthoftheeconomy)”，是建筑物、基础设施、机器和交通工具等各种物资的新增量与其淘汰量的差值．DPO(国内排放量):指国内开采的铁矿资源或进口含铁资源经过生产、加工和消费等环节后排放到自然环境中的物质量，主要包括排放到空气、水和土地中的废物和产品耗散排放．HF(隐藏流)［20-22］:是指在资源开采过程中必须开挖的，但又没有进入市场和产品制造过程的开挖量．如为了开采铁矿石而必须剥离的大量岩石，后者并未直接进入钢铁产品的生产过程，更没有作为商品进入消费过程．隐藏流包含国内隐藏流(DHF)和国外隐藏流(FHF)．国内隐藏流会对本国的环境造成影响，国外隐藏流由于是国外在开采矿石时剥离的岩石，留在了国外，所以并不对本国环境造成影响，但对进口国的环境会造成影响．这些剥离的岩石等会对生态环境造成较大冲击，所以要尽可能降低铁矿石开采过程中的隐藏流．DMI(直接物质投入量):代表直接进入经济系统供人类使用的资源量，DMI为国内开采量与进口资源量之和，即DMI=DEU+PI．TMR(总物质需求):其不仅包括直接进入经济系统供人类使用的物质，还包括没有直接进入经济系统的隐藏流．TMR为直接物质投入量与国内隐藏流、国外隐藏流之和，即TMR=DMI+DHF+FHF．根据图1，对1995—2011年我国钢铁系统总物流进行分析，同时结合钢铁系统的总物流分析过程数据，分别从资源(经济)效率、能源(经济)效率以及脱钩情况3个方面进行分析，三者分别从不同角度反映了钢铁工业的生态效率情况．其中，资源(经济)效率反映的是粗钢产量(钢铁工业增加值)与铁矿原矿消耗之间的相互关系，能源(经济)效率反映的是粗钢产量(钢铁工业增加值)与钢铁工业能耗之间的相互关系，二者的提高反映了钢铁工业铁矿石原矿以及能源等天然资源生产效率的提高;而脱钩分析反映的是钢铁工业含铁资源投入量、废物排放量与钢铁工业增加值之间的变化关系，它们的提高反映了钢铁工业资源节约和环境保护工作效率的提升．

2资源与能源效率分析

2.1相关数据收集根据文献［2，23-25］，获得1995—2011年我国钢铁工业的相关数据，如表1所示。由表1可见，2003年以来国内开采的铁矿原矿产量快速增长，2011年产量已突破13.00×108t．而据国土资源部公布，2011年我国查明铁矿资源量743.90×108t，其中储量56.67×108t，基础储量192.76×108t，资源量551.14×108t，但大部分为贫矿，铁品位20%～30%，富矿只有9.27×108t，占全国资源储量的1.2%［26］．可见，我国铁矿石供应非常紧张．

2.2钢铁工业总物流分析1995年和2011年我国钢铁系统的总物流分析917结果如表2所示．1995年进口资源量与国内开采量的比值为1∶4.69，金属流出社会存量与流入社会存量的比值为1∶4.09．2011年钢铁系统的物流分析结果表明，虽然国内开采铁矿石产量已突破13×108t，但进口资源量与国内开采量的比值已经达到1∶1.82;与1995年相比，2011年我国进口各种含铁资源量增幅很大，二者比值已达到13∶1．金属流出社会存量与流入社会存量的比值为1∶8.99，与1995年相比，该比值大幅下降，而流出社会存量的金属是可供回收的折旧废钢的来源．表明随着我国钢产量和钢铁制品消费量的增加，报废的钢铁制品越来越短缺．对其他年份的钢铁系统总物流进行类似分析，得到1995—2011年我国钢铁工业含铁资源投入及排放的相关指标(见表3)．表3表明DEU、DMI、TMR和DPO的年均增长率均超过了10%，其中TMR的年均增长率最高，达12.61%．

2.3资源效率、能源效率指标分析

2.3.1资源效率资源效率定义为粗钢产量与铁矿原矿消耗的比值(tt)．资源效率愈大，单位铁矿生产出的粗钢量愈大，反之则愈小，即资源效率越高越好．由图2可见，1995—2004年资源效率逐步攀升，至2004年达到最大值(0.54tt);之后随着钢产量的快速增加，钢铁工业的资源效率逐步下降．资源经济效率定义为钢铁工业增加值与铁矿原矿消耗的比值(元t)．资源经济效率愈大，单位铁矿产生的工业增加值愈大，反之则愈小，即资源经济效率越高越好．由图2可见，资源经济效率在2004年达到最大值(827.66元t)。2005—2011年我国资源(经济)效率逐步下降．主要原因:在钢铁生产的原料(铁矿石和废钢)中，很大一部分废钢资源来源于报废的钢铁制品(折旧废钢)，而我国目前可供回收的折旧废钢量并不多．原因在于钢铁制品存在着一个“平均使用寿命”(约为20a)，而20a之前的钢产量及钢铁制品消费量与现在相比，只占到很小的份额．近年来我国钢产量快速增长，而废钢资源的增长速度低于钢产量的增长速度，故废钢资源非常短缺，钢铁生产在很大程度上依赖于铁矿石资源，所以钢铁工业的资源(经济)效率有所下降．未来在钢产量保持基本平稳或缓慢下降的情况下，废钢资源在钢铁生产中所占的比例将逐步上升，钢铁工业的资源效率也将会逐步有所提高．

2.3.2能源效率能源效率定义为粗钢产量与钢铁工业能耗的比值(tt)．能源效率愈大，单位能源投入生产出的粗钢量愈大，反之则愈小．能源效率越高，表明生产同样的粗钢量，投入的能源越少，相应地对环境排放(CO2、SO2和烟粉尘等)也较小．由图3可见，1995年以来能源效率一直在逐步攀升，2011年达到最大值(1.53tt)．能源经济效率定义为钢铁工业增加值与钢铁工业能耗的比值(元t)．能源经济效率愈大，单位能源投入产生的工业增加值愈大，反之则愈小，即能源经济效率越高越好．由图3可见，能源经济效率从1999年开始一直在逐步攀升，2011年达到最大值(2976.65元t)．综上，我国钢铁企业的能源(经济)效率逐步上升，这与近年来钢铁企业实施清洁生产和发展循环经济等措施密切相关．由图2、3可见，1995—1998年我国钢铁工业的资源经济效率和能源经济效率逐步降低，这是由该时段内钢铁工业增加值逐步降低所致．

3脱钩分析

脱钩指数(decouplingindicator)是由控制方程(或主方程)经过推演得到的一个重要指标［27-28］，可用于衡量资源投入或废物排放与经济指标的相互关系。式中:D为脱钩指数，无量纲;d为单位经济指标资源投入(或废物排放)的年下降率，%;g为经济指标的年变化率，%．在经济指标上升(g为正值)的情况下，D值大，脱钩程度越好，其中D≥1为绝对脱钩，0＜D＜1为相对脱钩，D≤0为未脱钩;在经济指标下降(g为负值)的情况下，D值越小，脱钩程度越好，其中D≥1为未脱钩，0＜D＜1为相对脱钩，D≤0为绝对脱钩．根据表3及式(1)，得到1996—2011年DEU、DMI、TMR和DPO的脱钩指数DDEU、DDMI、DTMR和DDPO(见表4)．1995—1998年工业增加值逐步下滑，DDEU最小，表明DEU的脱钩程度最好，其余依次是DDMI、DTMR和DDPO．这与该时段内国内自产铁矿石产量比较稳定密切相关;1999—2011年工业增加值逐步上升，而DDEU最大，表明DEU的脱钩程度最好，其余依次是DDMI、DTMR和DDPO．由表4可见，1999—2004年，DDEU相对较高，同时DDPO最大．这是由于该时段国内开采铁矿石数量虽然有所增长，但增幅并不大，国内粗钢生产很大程度上依赖于进口铁矿石和废钢(自产及进口)．国内铁矿生产产生的尾矿等数量相对较少，所以DDPO较大;2005—2011年，DDEU相对较小，这是由于该时段内钢产量很高且增加较快，对于铁矿石和废钢等资源的需求量很大，国内废钢在钢产量如此高速增长的情况更加显得相对不足，而进口铁矿和废钢的价格又很高，刺激了国内的铁矿石生产，铁矿产量有了很大增长，故DDEU降低．但应指出，我国铁矿资源不足的形势很严峻，国产矿增幅虽然很大，但仍不能满足冶炼的要求，不得不大量进口铁矿石和废钢以补不足．国内铁矿生产产生的尾矿等数量相对较大，所以DDPO较小．我国钢铁行业的资源效率、能源效率及脱钩分析结果显示，2004年资源效率最高，2005年之后一直下降，并且多次出现未脱钩情况．所以，我国要进一步提高钢铁工业矿山开采回采率、选矿回收率，提高矿产资源综合利用率，减少铁矿资源的损失，并且加大对国外铁矿资源的开发利用．同时要重视对钢铁工业废钢资源的回收利用，尽可能地提高废钢的回收率和使用率，这样也会减少矿山资源的消耗和钢铁生产的能源消耗;同时要通过能源的梯级利用及循环利用等措施进一步提高能源利用效率，减少CO2、SO2、烟粉尘等的排放．上述举措将有效提高我国钢铁行业的资源效率、能源效率和脱钩指标．

4结论

a)1995—2011年，我国钢铁工业的资源效率和资源经济效率在2004年达到最大值，分别为0.54tt和827.66元t;能源效率和能源经济效率在1999年后逐步攀升，2011年达到最大值，分别为1.53tt和2976.65元t．b)1995—2011年我国DEU、DMI、TMR和DPO的脱钩情况中，DDEU为0.189，脱钩程度最好．这与我国铁矿石产量不足，钢铁生产更多依赖进口资源密切相关．

作者：岳强王鹤鸣陆钟武单位：东北大学材料与冶金学院国家环境保护生态工业重点实验室