产业共生推进节能减排协同管理的不确定性分析

　　摘要：采用拉丁超立方采样法模拟了“钢铁-电力-水泥”共生系统的10.5万个未来发展情景，辅助设定合理的共生节能减排管理目标；并结合区域灵敏度分析方法，识别了影响目标实现的关键共生技术.结果表明：(1)产业共生的节能减排效益显著.以使75%的未来发展情景达标为基准，共生系统2015-2030年应节能3227.4万吨标煤，减排SO216.4万吨、NOx14.2万吨、PM4.3万吨，总投资成本低于3887.4亿元.(2)51项共生技术对共生系统的节能减排效果有显著影响，据此确定了2015-2030年共生技术的推广路线.

　　关键词：产业共生；节能减排；不确定性分析；灵敏度分析

　　通过产业共生，实现废弃物、副产品的跨行业高值化循环利用，推动节能与多种污染物排放的协同控制成为工业节能减排的重要突破口[1].由于涉及多行业，多废弃物、副产品，多共生利用技术及多种共生产品，产业共生系统的工艺技术体系结构复杂，行业规模、产业结构及技术效果等参数数量较多，各参数均存在突出的不确定性.同时，各行业的内部规模波动、结构调整、工艺技术变动等也将沿着共生技术链不断传递和累积，进一步加大共生系统中的不确定性.这种不确定性会导致理论预测与产业共生实际情况产生很大偏差，削弱产业共生政策的有效性.因此，如何基于产业共生系统的不确定性，设定合理的节能减排管理目标，并识别影响共生系统节能减排效果的关键技术路径，辅助制定科学的共生技术推广政策，是产业共生管理应用的关键.

　　当前，产业共生系统的推广政策设计仍基于简单的情景预测或经验判断，对共生系统的不确定性分析常通过若干情景设置，简单模拟未来发展变化，政策的科学性和合理性难以保障.例如，Chopra等[2]对卡伦堡工业园区设置一系列干扰情景，判断影响园区运行效果的关键技术节点；Dong等[3]以柳州市为例，设计10种共生情景，分析不同共生技术组合对城市环境的影响；Ohnishi等[4]结合情景分析和物质流分析方法，量化川崎市工业共生的效益.基于简单情景分析方法的产业共生系统不确定性研究依赖人为的情景参数设置，主观性强，且情景个数有限，难以准确、全面预测产业共生系统可能出现的各种变动.

　　与此相对应的是基于蒙特卡罗采样、拉丁超立方采样等随机采样的不确定性分析方法.这种方法对不确定的发展情景进行大样本采样模拟，以替代情景分析方法的有限次数预测，并结合灵敏度分析对采样结果的达标概率进行统计检验，以确定合理的管理目标并规避可能出现的高风险发展情景.该方法在行业节能减排领域已得到广泛应用，例如Wen等[5]以造纸业作为研究对象，利用蒙特卡洛采样和灵敏度分析方法，识别主体工艺技术对行业水污染物排放的影响程度；Karlsson[6]等运用灵敏度分析法研究影响造纸行业可持续生产的关键参数及参数间的相互作用.

　　综上，基于大样本采样的不确定性分析和基于灵敏度分析的关键参数识别在工业节能减排领域已有较多应用，但却鲜用于研究产业共生系统的不确定性.这一方面由于共生系统“源行业”、“汇行业”间独特的关联反馈机制，使该系统的不确定性相比单行业系统，具有不确定性来源更多、各不确定性因素间的作用及传导机制更复杂等特点，增加了分析难度；另一方面由于共生系统的技术参数庞杂，数据难以获取，开展定量分析困难.

　　为此，本研究基于产业共生复杂系统不确定性的特点，引入大样本随机采样方法模拟产业共生系统未来发展的各种可能情景，进而结合灵敏度分析和统计分析确定产业共生系统未来合理的节能减排管理目标，识别影响管理目标可达性的关键共生技术路径，辅助确定合理的共生技术推广政策.

　　1研究方法

　　1.1研究边界确定

　　行业边界：本文研究范围以钢铁、电力、水泥3个行业的耦合共生系统为核心，同时关注3个行业与其他行业间，以及与社会部门间共生的复合大系统.

　　管理目标边界：本文关注共生系统的节能量，SO2、NOx、PM减排量，以及所需技术改造投资成本共5项环境经济管理目标.以上目标选择兼顾了3行业能源密集、大气污染密集特征，以及节能减排成本控制的实际需求.

　　技术边界：本文参考《节能减排与低碳技术成果转化推广清单》等国家技术推广目录[7-9]和指南[10]，并通过对我国118个园区循环化改造示范试点的实地调研，共识别出75项共生技术.

　　时间边界：本文以2015年为基准，预测该共生系统2030年的节能减排效果.

　　1.2不确定性分析模型构建

　　本文构建的不确定性分析模型包括4个模块(见图1)：模块一识别共生系统的各种不确定性因素及其关联关系；以此为基础，模块二明确各不确定性因素的采样空间[11]及采样策略，通过拉丁超立方采样对产业共生系统的未来发展情景进行大样本随机采样模拟，并引入约束检验，筛选得到10万次以上的可行情景方案；模块三模拟核算各可行方案下产业共生系统的节能减排潜力及所需成本，结合样本统计分析设定合理的节能减排管理目标；模块四采用区域灵敏度分析方法量化各不确定性因素对于节能减排管理目标实现的影响程度，识别关键技术路径，辅助设计2015-2030年共生技术推广路线.

　　1.3不确定性因素识别

　　本研究问题包括产量规模的不确定性和工艺技术结构的不确定性.前者指各源、汇行业生产规模，原料结构以及各废弃物，副产品产量的不确定性，具体参数包括：粗钢产量、发电量、水泥产量等3项行业规模参数(见表1)，钢比系数(见表2)及转炉钢产量、电炉钢产量、煤炭发电量、熟料产量(见表1)等9项行业结构参数，高炉渣、粉煤灰等30项废弃物、副产品的产生系数(见表3).工艺技术结构的不确定性指各共生技术普及率的不确定性，共75项(见表4).

　　其中，表1中2015年各行业的规模及结构参数来源于国家统计年鉴.2030年粗钢产量来源于冶金工业规划研究院专家预测结果，2030年转炉钢产量和电炉钢产量来自《世界钢铁统计数据2016》[12]的情景展望；2030年总发电量采用弹性系数法预测[13-14]，其中煤炭发电量占比来自《中国能源展望2030》[15]；2030年水泥行业规模及熟料产量采用中国水泥协会的预测数据.

　　由于不同钢铁、电力、水泥生产企业的原料品位和生产工艺等差别，废弃物、副产品的产生系数也会有一定差异，并有部分系数波动较大(例如高炉矿渣的出渣率在采用贫铁矿炼铁时为1～1.2t高炉矿渣·t-1铁，而富铁矿出渣率为0.25t高炉矿渣·t-1铁).本研究参考相关文献和案例研究结果，得到各类废弃物、副产品的产生系数取值范围，并通过专家咨询和企业调研的方式，校准得到本研究中所取各废弃物、副产品的产生系数如表3所示.

　　为更充分地了解各项共生技术在实际项目应用中的节能、减排、经济效果，本研究调研了我国6个批次，共118个国家级循环化改造示范试点工业园区，获取所选75项共生技术已有应用案例的相关信息，并结合专家访谈，确定了各项共生技术在2015年和2030年的普及应用情况，如表4所示.

　　1.4大样本采样及模拟计算

　　1.4.1拉丁超立方采样

　　(1)确定采样空间.本研究简化认为各不确定性因素以2030年的预测值(见表1，2，3，4)为基准，在上下浮动10%的范围内均匀分布.

　　(2)确定采样策略.本研究采用拉丁超立方采样方法[16-17]对模型所涉各类不确定性因素同时采样，模拟所有变量同时波动的情况下，各变量及变量间相互影响机制对产业共生系统节能减排效果及所需投资成本的共同影响.

　　(3)基于约束条件的采样结果筛选.采样方案应该代表客观可行的发展情景，需满足3类约束：①单项技术普及率不高于100%；②一种废弃物、副产品通过各项共生技术再利用的总量不超过其在源行业的产生量；③各废弃物、副产品的共生利用量不超过其在汇行业的可消纳量.通过对采样方案进行约束检验，筛选出符合3项约束条件的采样方案，当可行方案超过10万个后停止采样.

　　1.4.2采样情景的节能减排效果及投资成本核算

　　核算各可行方案在未来发展情景下共生系统的节能减排效果及所需投资成本.共生技术通过原料替代、节煤、节电、节天然气等多种方式实现能源节约和污染物减排的效果，需要根据废弃物、副产品的节能减排途径具体选择各项共生技术环境影响核算对应的参考基准技术，全面衡量共生技术相对参考基准技术的能耗和污染物排放水平差异，通过所节约原材料、能源的折标煤系数统一计算共生技术的节能量；根据所节约原材料、能源的具体类型确定各原材料、能源生产或燃烧过程中的污染物排放系数，并考虑共生技术所作用的具体工序环节的污染物排放末端削减率，计算共生技术的污染物减排效果.对于通过原料替代方式实现节能减排的共生技术，衡量技术效果所选的参考基准技术为未使用该废弃物、副产品情景下，生产具有同等使用价值产品所应用的技术；对于通过节煤、节电、节天然气等节约其他能源的方式实现节能减排的共生技术，衡量技术效果所选参考基准为废弃物、副产品自然耗散，不回收、不利用情景.

　　共生系统的节能效果核算如公式(1)所示：

　　width=621，height=29，dpi=110

　　(1)

　　共生系统的减排效果核算如公式(2)所示：

　　width=636，height=29，dpi=110

　　width=563，height=29，dpi=110

　　(2)

　　共生系统的技术改造投资成本核算如公式(3)所示：

　　width=217，height=29，dpi=110

　　(3)

　　其中，t为基准年，t+Δt为预测年，TEC为产业共生系统的总节能量，E为技术的能源消耗，M为技术的原料消耗，i为共生技术，i-ref为共生技术i对应的参考基准情景，k为能源种类，l为原料种类，ζ为原料生产中的能耗系数，ξ为能源的折标煤系数，PR为共生技术普及率，P为废弃物或副产品的产量；TPER为产业共生系统的污染物总减排量，p为污染物种类(SO2、NOx、PM)，DPE为技术的污染物直接排放量，elec为技术i的电耗量，EP为电力生产的排污系数，EI为煤炭、石油等能源燃烧的产污系数，θproi∈pro，p为技术i对应的工序pro对污染物p的末端削减率，β为原料生产的排污系数；TIC为技术改造总投资成本，I为共生技术的初始固定投资.

　　1.5样本统计分析

　　本文对各可行采样方案下，产业共生系统的节能减排潜力及所需投资成本进行统计分析.基于规避风险和有效推进节能减排工作的双重考虑(目标过高时难以实现，过低则难以实现有效的节能减排激励和约束)，参考张晨凯在其硕士学位论文中采用的基于不确定性采样统计结果的目标设定方法[18]，本文以能够实现各项目标(节能，SO2、NOx、PM减排，以及投资成本控制目标)的可行采样方案数占总可行方案数的75%为标准，设定产业共生系统2015-2030年的节能、减排及投资成本管理目标.

　　1.6灵敏度分析

　　基于设定的节能减排管理目标，识别可行采样方案中的达标样本和不达标样本，采用灵敏度分析识别影响共生系统节能减排效果的关键技术路径[19-20].本文采用区域灵敏分析法，并借鉴已有研究对环境影响敏感程度的量化方法[21-22]，设定共生技术i在目标j(节能，SO2、NOx、PM减排，以及投资成本控制目标)上的灵敏度值(Isi，j)如下：

　　width=123，height=49，dpi=110

　　(4)

　　Ui，j和width=26，height=23，dpi=110分别为针对目标j的达标方案集与不达标方案集在共生技术i上的普及率均值，σi，j为标准差.

　　Isi，jwidth=11，height=8，dpi=110width=246，height=114，dpi=110

　　2结果与讨论

　　2.1产业共生系统的节能减排管理目标分析

　　采用拉丁超立方采样方法对产业共生系统的117项参数采样30万次，得到可行采样方案10.5万个，代表了10.5万种产业共生系统未来可能的发展情景.各情景下，产业共生系统2015-2030年可实现的节能减排效果及所需投资成本的概率分布如图2所示.在90%的置信水平下，该共生系统2015-2030年可节能2207.5～3671.1万吨标煤，减排SO2排放10.2～20.5万吨，NOx5.6～17.9万吨，PM2.1～5.7万吨，同时需投资成本2054.4～4446.0亿元.以75%的可行采样方案可达标为基准，产业共生系统2030年的节能减排及投资成本控制目标设定如下：节能3227.4万吨标煤，减排SO216.4万吨、NOx14.2万吨、PM4.3万吨，总技术改造投资成本在3887.4亿元以内.

　　对比已有研究预测结果[23-24]，通过产业共生可实现的节能量约占2015-2030年中国钢铁、电力、水泥3行业总节能量的23%，通过产业共生可实现的SO2、NOx、PM减排量分别约占3行业同期可实现各项污染物减排总量的34%、27%和12%.由此可见，通过产业共生实现废弃物、副产品的跨行业协同利用是3行业节能以及SO2、NOx、PM减排的重要途径，可有力拓宽工业部门节能减排的潜力空间.

　　2.2关键共生技术路径识别与技术推广路线分析

　　根据1.6小节所述的灵敏度判别方法，以2.1小节设定的产业共生系统2015-2030年的节能减排目标及投资成本控制目标为基础，判定10.5万个可行采样方案在各目标上的达标性，对比达标和不达标两类采样方案所对应的75项共生技术的普及率概率分布，识别出影响该产业共生系统环境及经济效果的敏感技术共51项，如图3所示.其中，节能目标敏感技术28项，SO2减排目标敏感技术20项，NOx减排目标敏感技术22项，PM减排目标敏感技术17项，投资成本目标敏感技术24项.可以看出，考虑未来发展情景的不确定性，同一共生技术在不同目标上的影响效果差别显著；反之，产业共生系统在不同目标上的关键共生技术路径也各不相同.

　　汇总共生技术在各项目标上的区域灵敏度如表4所示.结合灵敏度分析结果，本研究将关键共生技术分为3类，并识别了制约共生技术推广的主要因素，辅助进行科学的技术推广政策设计，具体如下.

　　重点推广型技术：此类技术的推广对产业共生系统的一项或多项节能减排目标实现具有突出的正向影响效果(Isi，j>0.3)，共36项.整体上，上述技术多为工业固体废弃物生产新型建材和环保材料技术(16项)、钢铁行业余热余压利用技术(10项)、副产煤气生产高附加值化工产品技术(5项).这些技术的大力推广是共生系统节能减排管理目标实现的基础，应将其纳入国家重点推广节能减排技术目录.其中11项技术在投资成本上负向敏感(S8、S9、S12、S14、S15、S21、S24、S28、S30、S46、S48)，说明这几项技术所需改造投资成本偏高.在推广过程中，政府应提供必要经济补偿，以减轻企业负担.

　　非重点型推广技术：此类技术的节能减排潜力空间相对较小(-0.3<Isi，j<0.3)，不应纳入2015-2030年重点推广技术目录，共26项.其中部分技术节能减排效果不突出(Isi，j<0.3)且所需投资成本过高(Isi，j<-0.3)，如S27、S29、S41等；部分技术当前的普及率已达到较高水平(>95%)，进一步推广空间有限，如G6、G7、G8、G9等.对照已发布的国家重点推广节能减排技术目录，发现其中8项共生技术在列(S31、S32、L1、G15、G16、G21、G22、G24)，建议不作为技术目录推广重点.

　　淘汰型技术：此类技术的推广对产业共生系统的一项或多项节能减排目标实现具有突出的负向影响效果(Isi，j<-0.3)，共13项.从整体上看，该类技术均为针对高炉渣、粉煤灰、脱硫石膏、炉渣四类废弃物跨行业低附加值利用的传统共生技术.这主要是由于四类废弃物当前的共生利用率均已达65%以上，2015-2030年共生利用总量提高的空间极其有限.应逐步调整13项传统共生技术退出国家重点推广技术目录，同时加快四类废弃物的新型高附加值共生技术推广(S7、S8、S9、S21、S24、S28、S30).

　　3结论

　　本研究立足于产业共生系统的不确定性，采用拉丁超立方采样方法对钢铁、水泥、电力行业构成的产业共生体系的117项关键参数变动进行大样本模拟，得到10.5万次可行方案，并核算各方案的节能减排效果及投资成本.同时，结合区域灵敏度分析，量化各项共生技术对管理效果目标实现的影响程度.本研究共对产业共生系统政策提供两方面建议：

　　第一，辅助设定产业共生系统的节能减排管理及成本控制目标.在使75%的可行采样方案达标的条件下，设定产业共生系统2015-2030年的管理目标为节能3227.4万吨标煤，减排SO217.8万吨、NOx18.2万吨、PM4.3万吨，投资成本不高于3887.4亿元.

　　第二，辅助确定75项共生技术的未来推广方向.根据区域灵敏度结果，将各项共生技术划分为3类，包括36项重点推广技术，26项非重点推广技术，以及13项淘汰型技术，并提出针对性的推广路线和建议.