题目：A technology-based analysis of the water-energy-emission nexus of China’s steel industry

作者：Chunyan Wang, Ranran Wang, Edgar Hertwich, Yi Liu

第一作者单位：School of Environment, Tsinghua University, Beijing, China

期刊：Resources, Conservation & Recycling

时间：2017.09

注：由于微信推送排版限制，文中所有SO2的“2”和NOx的“x”均应为下标。

世界的钢产量排名中国第一，河北第二。这句半开玩笑的话，意思是仅河北一个省的钢产量就多于全球任何其他国家和地区。众所周知，钢铁行业是高耗能、高耗水、高排放的行业，华北的钢铁产业也带来了大量资源和环境问题。

目前的研究中，以同时高效节能节水为目标的水-能耦合关系研究，已经展开得比较充分了。此外，污染物减排系统与主生产流程平行运行，也消耗大量水资源和能源，但将减排与水-能消耗联系起来整体考察的研究比较少。由于这种水-能-污染物耦合关系的存在，目前我国针对单一要素管控政策在实施时有怎样的协同效果是不清楚的。

本文采用单元技术的方法，研究钢铁行业的水-能-污染物耦合（water-energy-emission nexus , WEEN）关系。首先将中国河北省的主流炼钢流程概化为：焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢五个流程（图1-process），每个流程有多个生产单元（图1-unit实线框），并可配套多种污染物控制单元（图1-unit虚线框），各生产单元和污染物控制单元均有若干可行的技术，对应不同的水、能消耗和污染物排放。各技术的输入输出物质流通过在工厂实地调研获得。这种基于工业流程的系统分析方法，已经在多个水-能耦合研究中得到了应用。

图1 钢铁生产工艺流程概化与分析框架图

研究发现，2015年河北省吨钢生产消耗6.2立方米水（其中新鲜水和再生水各占约一半）、299.6度电，节能减排设备的投资和运行成本是76.8～83.0元/吨钢，相应的SO2、NOx和粉尘的去除率分别为85%、11%和99%。

约有7%的电耗、66%的水耗与水-能-污染物耦合相关，其中95%的电耗用于排放控制，71%的水耗用于冷却。水-能-污染物耦合的紧密程度在各生产流程中有所差异：水-能-SO2的耦合关系在焦化和烧结最密切；水-能-NOx的耦合关系均较弱，因为目前脱硝技术应用较少；而水-能-粉尘耦合关系在烧结、炼铁、炼钢过程中较强。

图2 河北钢铁行业水-能-排放耦合关系图

研究进一步考察了未来在生产技术和污染物控制技术的进步带来的影响。根据工业与信息化部发布的相关技术导则，制定了6种未来新技术采用率提高的情景（S1~S6，表1）。经计算，在S6情景下（即生产技术、污染物去除技术均改进、且采用高质量原材料）时，SO2削减量达到最大，为57%；而NOx削减量在S3情景中达到最大，为25%；粉尘排放量在大多数情景下是增加的，增幅最高可达约8%（图3）。

表1 污染物控制技术扩散的各类情景

图3 技术扩散导致的排放、水耗、能耗变化

为识别更好的技术组合，本文对目前所有可行单元技术的组合进行采样，模拟了多种可能的生产技术组合。其中有32种组合的SO2、NOx、粉尘排放均较少，即这三个指标的位于帕累托前沿面上；进一步考虑各技术组合的水耗和能耗，可以提取出16种更优的技术组合（图4）。由于各技术的特点不同，水耗、能耗、污染物排放各有高低，但总的来说，优化后的技术组合可使SO2排放减少97%、NOx排放减少50%、粉尘排放减少75%，同时可以节约10%的水耗和2%的能耗，但和现状技术相比，其投资和运行成本将高出52%-74%。

图4 帕累托最优的技术组合下的污染物排放、水耗和能耗

本文视角新颖，在水-能耦合外增加了对排放控制的考量。对钢铁行业生产流程的概化准确，满足了水-能-物质耦合关系分析的要求，既识别出了耗水、耗能、排放的主要环节，也分析了三者的耦合强度受技术变化的影响。此外，本研究基础数据详实可靠，因此结论令人信服。

本文的专业性较强，需要详细掌握钢铁生产流程，对各流程的水耗、能耗、排放有深入了解，这也造成本文对环境专业的读者来说有一定困难。可以考虑对技术扩散情景的具体内容和设定依据进行更详细的叙述，并结合各流程的固有特点、旧工艺和新工艺的特点，对相关结论进行分析，以便使读者对钢铁生产作为一个复杂系统的减排和增耗的具体原理和路径有所把握，如此一来讨论也可以更加深入。