基于产业关联度分析与煤相关行业节能技术评价
摘 要：为评价与煤炭相关重点行业的节能技术，利用因子分析和聚类分析得出与煤相关的重点行业，计算出这些行业的产业联系广度与产业联系深度，分析了这些行业节能技术的使用方式及使用优势，运用优劣机威分析法分析了这些行业使用煤炭节能技术的实际因素，运用生命周期分析法分析了这些行业使用煤炭的节能技术的生命周期。与煤相关重点产业节能技术的使用方式主要为该产业产品直接消耗煤炭或间接消耗煤炭、煤炭直接消耗该产业产品或被该产业产品替代，使用优势主要为节约成本、节能减排、技术简便；与煤相关重点行业主要包括4个主要节能技术方向：煤天然气共气化制备合成气及煤气化技术、高效转换二次能源技术、高效喷吹塑料及喷煤技术、窑炉替代燃料混烧代煤技术。
关键词：煤炭；产业联系广度；产业联系深度；聚类分析；优劣机威；生命周期
0 引 言
我国煤炭消费约占总能耗的70%，这是造成能源和环境问题的主要原因。2014年我国工业消耗煤炭39.05万tce，其中石油和天然气开采业、黑色金属矿采选业、纺织业、石油加工、炼焦及核燃料加工业、化学原料及化学制品制造业、非金属矿物制品业、电力、煤气及水生产和供应业等重点行业消耗煤炭占工业用煤的73%以上。因此，可持续发展战略的重要要求便是重点行业使用煤炭过程中的节能。1995—2014年，我国钢铁、建材、石化、有色金属、化工、纺织6个重点行业消耗煤炭占全国煤炭消耗量的40%左右。其中，钢铁、建材、石化和化工4个行业的煤炭消费量约占六大行业煤炭总消费量的90%。随着各行业的迅速增长带动了煤炭增长，为延续重点行业的可持续发展，需将主要的发展方向定位为发展清洁煤炭技术。通过分析我国煤炭产业的产业关联度，评价出与煤炭相关的重点行业并研究其节能技术。付欣欣[1]基于全国2002年40部门和2007年42部门投入产出情况，运用投入产出模型，对我国的煤炭产业的产业关联进行测算，得出了煤炭产业中间需求大中间投入率小，前向关联度强而后向关联度弱的结论。高文静等[2]选择了5个与煤炭高度相关的产业，建立了煤炭相关产业价格影响模型，找出6条煤炭相关产业价格影响路径。刘丹[3]以陕西煤炭产业为例，运用投入产出模型定量分析了煤炭产业与其相关产业的关联度，发现煤炭产业对其前向关联产业具有推动作用[4]。笔者利用因子分析和聚类分析得出与煤相关的重点行业，总结了重点行业的相关节能技术，即前向关联的行业的节能技术，以期得到与煤相关重点产业节能技术的使用方式、优势，并对其进行节能技术评价。
1 产业关联度公式及煤炭产业关联度计算
由于本文研究的是煤炭行业对其他行业的重要性，以及其他行业对煤炭行业的重要性，进而评价出与煤炭相关的重点行业，首先需要分析煤炭产业与其他产业的投入品与产出品为连接纽带的技术经济联系。产业关联公式[5]如下。
直接消耗系数aij表示生产单位j产品所直接消耗的i产品数量，公式为
式中，xij为第j产业部门生产中所消耗第i部门产品数量价值；Xj为第j产业部门的年产品总产出量。
感应度系数Si表示其他部门均增加1个单位最终产品时,i产业受到的感应程度(利用直接消耗系数计算)，公式为
影响力系数Tj表示j部门增加1个单位最终使用时对其他部门所产生的需求波及程度(利用直接消耗系数计算)，公式为
直接折旧系数aDj表示j产业生产单位产品提取的直接折旧费用，公式为
式中，Dj为第j产业部门全年提取的折旧基金。
国民收入系数aNj表示j产业生产单位产品创造的净产值，公式为
式中，Nj为第j产业部门在一年内创造的国民收入。
劳动报酬系数aVj表示j产业生产单位产品需支付的劳动报酬量，公式为
式中，Vj为第j产业部门劳动者1 a内的劳动报酬。
社会纯收入系数aMj表示j产业生产单位产品所提供的社会纯收入量，公式为
式中，Mj为第j产业部门劳动者1 a内的纯收入。
中间需求率Gi表示其他产业部门对i产业产品的中间需求与所有产业对i产业产品的总需求之比，公式为
式中，Yi为第i产业部门所提供的年最终产品价值。
中间投入率Fj表示j产业部门在1 a生产过程中的中间投入与总投入之比，公式为
产业联系广度Sij等同于直接消耗系数，即生产单位j产品所直接消耗的i产品数量，公式为
产业联系深度rij为生产单位j产品在总直接消耗中所占比例，公式为
2 煤炭产业关联度各指标的因子分析
根据2012年的投入产出表与2014年中国统计年鉴[5]、2014年中国能源统计年鉴[6]计算得出煤炭产业的直接消耗系数、感应度系数、影响力系数、直接折旧系数、国民收入系数、劳动报酬系数、社会纯收入系数、中间需求率、中间投入率、产业联系广度、产业联系深度，为了淘汰一些与煤炭联系不紧密甚至无关的产业，需对各指标进行因子分析和聚类分析。
因子分析和聚类分析是用较少个数的公共因子的线性函数和特定因子之和来表达原有观测的每个变量的多元变量统计方法[7]。经过因子分析后，得出解释的总方差表(表1)。由表1可知，前3个因子的特征根值分别为2.993、2.089、1.011，分别占总方差的37.412%、26.117%、12.639%，这3个取值大于1的特征根的累积方差贡献率达76.168%，说明这3个因子是主因子，基本包含了全部变量的主要信息。
因子旋转后的载荷矩阵见表2。其中，主因子1在国民收入系数、劳动报酬系数上具有较大载荷，可称为增值因子，不考虑利润是否增加，产值和工资随着产品生产量的增加而增加，所以这2项是正值；主因子2在感应度系数、中间需求率上具有较大载荷，可称为灵敏因子，由于增加本产业产品生产势必增加对其他产业产品的消耗，所以这2项是正值；主因子3在影响力系数上具有较大载荷，可称为带动因子，因为其他产业产品增产会增加本产业产品的消耗。
表1 因子分析的总方差分析
Table 1 Total variance analysis of factor analysis
表2 因子旋转后的载荷矩阵
Table 2 Loading matrix after factor rotation
表3列出了采用回归法估计的因子得分系数，根据表3可以计算出3个因子得分及因子综合得分排名(表4)。3个主因子分别从不同方面反映了产业间波及效果，以方差贡献率为权数计算主因子综合得分，再按照分值挑选重点行业。① 增值因素方面：石油和天然气开采产品、林产品、农产品的增产对国民收入、人民收入带动力最大；② 灵敏因素方面：石油和天然气开采产品、黑色金属矿采选产品、有色金属矿采选产品具有原材料性质，其增产与减产依赖于其他产业产品的增产和减产；③ 带动因素方面：钢压延产品、农产品、精炼石油和核燃料加工品具有终端产品性质，其增产与减产势必会带动其他产业产品的增产和减产。
3 行业聚类结果和节能技术
3.1 聚类分析
聚类的结果将18个部门分为2个类别：第1类为石油和天然气开采产品、林产品、农产品、黑色金属矿采选产品、钢压延产品、有色金属及其合金和铸件、有色金属矿采选产品、非金属矿采选产品、商务服务、精炼石油和核燃料加工品、钢、铁及其铸件、管道运输、炼焦产品、耐火材料制品、水泥、石灰和石膏、基础化学原料、棉、化纤纺织及印染精加工品。第2类为开采辅助服务和其他采矿产品、铁路运输，由于其与煤炭采选产品的广度和深度不够大，可以省略分析。
表3 成分得分系数矩阵
Table 3 Component score coefficient matrix
表4 各行业主因子得分及因子综合得分排名
Table 4 All the main factor score and comprehensive score ranking
至此，计算出剩下的16个行业产品的产业联系广度和产业联系深度，以判定其他产业与煤炭行业的联系程度。表5列出了一些与煤相关产业的产业联系广度与产业联系深度，得出与煤炭相关产业的主要节能减排技术及其作用形式、使用方式。重点行业节能包括3个途径：一是技术节能，提高使用煤炭过程的技术水平与研发节能技术；二是结构节能，通过寻找能源替代品、改变能源结构提高能效；三是管理节能，通过建立健全管理能源的制度提高能效。
3.2 与煤相关重点产业节能技术使用方式及优势 1)石油和天然气开采产品可由煤炭采选产品提炼得来，在提炼过程中可脱除煤炭中的硫及无机矿物质等有害物、无用物。煤炭也可以通过甲烷化技术转化为低分子气态物质，这些煤制油、煤制气的使用方式是应用于钢铁、机械、建材、轻纺等部门，属于节能减排的高附加值煤炭产品，优势是原料丰富、技术简单、清洁高效[8]。由煤炭采选产品对石油和天然气开采产品的产业联系深度值0.006 62可知，煤炭对石油和天然气有较强的替代作用。
2)林产品加工过程中的许多废料、边角料可用于小型工业锅炉替代煤炭。林产品废料CO2排放量低，烟气中硫氧化物含量少，可避免硫酸、亚硫酸对锅炉的腐蚀[9]。优势是排放少、腐蚀低、成本低。由煤炭采选产品对林产品的产业联系广度值0.004 48可知，林产品对煤炭采选产品有较强的替代作用。
表5 与煤炭相关产业的产业联系广度与产业联系深度
Table 5 Industry contact depth and breadth of industries associated with coal
3)生产农产品的化肥可由煤炭产品得到。但在煤化工生产尿素的过程中，降低尿素装置消耗的方法是提高合成塔的转化率[10]，优势是增加产量，减少废水、废气排放。由煤炭采选产品对农产品的产业联系深度值0.000 10可知，农产品对煤炭产品存在间接消耗。
4)高碳粉煤灰微波还原钢渣，大量难以利用的炭黑对微波吸收能力强，可对钢渣进行还原，是一种以废治废的新途径，对钢渣还原回收利用的节能方法[11]，优势是提高经济效益，充分利用废物。由煤炭采选产品对黑色金属矿采选产品的产业联系深度值0.009 32可知，黑色金属矿采选产品对煤炭采选产品存在较强的直接消耗。
5)使用超高铬稀土钢球进行磨煤，可降低钢球的消耗，增加钢球的破碎力，降低钢球装载量，降低磨煤机电耗，优化煤粉细度，优势是提高锅炉效率，降低电厂耗能。由煤炭采选产品与钢压延产品的产业联系广度值0.017 60可知，煤炭采选产品对钢压延产品存在较强的直接消耗。采用高效蓄热式加热炉技术轧钢，优点是可利用低热值的高炉煤气，加热到1 100 ℃以上，可实现节能30%～50%，炉子热效率可达70%，优势是降低成本、节能减排。由煤炭采选产品与钢压延产品的产业联系深度值0.044 93可知，钢压延产品对煤炭采选产品有明显的直接消耗。
6)以煤冶炼有色金属的节能技术首先是冶炼烟气余热回收技术。一是余热锅炉，通过吸取一定热量后产生热水或蒸汽的换热设备。二是气热交换器和气液热交换器，企业通过安装空气预热器来回收工业炉中的余热，这也是最简单有效的回收余热的方法，起到最直接节约煤炭资源的目的。优势是降低排烟温度，减轻热污染，减少NOx和SOx的排放。由煤炭采选产品对有色金属矿采选产品的产业联系深度值0.010 80可知，有色金属矿采选产品对煤炭采选产品存在明显的直接消耗。
7)非金属矿物钙、镁盐可以吸收燃煤产生的CO、CO2、SO2等有害气体。黏土矿物还可以处理燃煤产生的废水、固体废弃物[12]，作为有害物质吸收剂使用，优势是原料易得、成本低廉。由煤炭采选产品对非金属矿采选产品的产业联系广度值0.000 77可知，非金属矿采选产品对煤炭采选产品具有较强的替代作用。
8)服务于煤炭采选的商务服务首推合同能源管理服务，节能服务公司的利润从改造煤炭开采分选后的节能效益中获取。优势是煤炭企业与合同管理企业双赢，促进节能减排。由煤炭采选产品对商务服务的产业联系广度值0.013 76可知，煤炭采选产品对商务服务具有明显的消耗作用。
9)由煤炭采选产品对精炼石油的产业联系广度值0.004 24和产业联系深度值0.004 75可知，精炼石油与煤炭采选产品可以相互替代，如沥青生产的优势是用炼焦煤炭生产沥青比用精炼石油生产沥青更为清洁，价格低廉，补充了石油缺口，回收余热，提高热效率。
10)钢铁铸造加工主要使用焦炭。采用脱湿送风法在冲天炉内熔化焦炭，提高了焦炭使用率，焦炭用量降低到83%[13]，优势是减少粉尘、噪声、能耗。由煤炭采选产品对钢、铁及其铸件的产业联系深度值0.050 06可知，钢、铁及其铸件对煤炭采选产品存在明显的间接消耗。
11)管道输煤是一种节能的运煤方式，将煤矿石在泵驳机内加工成煤水混合浆体，再将煤浆制成粉煤。优势是运量大、占地少、建设周期短、费用低、连续性强、耗能少、效益好。由煤炭采选产品对管道运输的产业联系广度值0.007 01可知，煤炭采选产品对管道运输有明显的消耗作用。
12)炼焦产品主要来源于煤炭，节能技术有捣固炼焦技术、煤预热炼焦技术、干熄焦技术等。捣固炼焦可以减少煤粒间空隙，增大煤料的堆密度。煤预热炼焦可提高炼焦煤源的堆密度，改善焦炭质量，提高焦炉生产能力20%～25%，比传统湿煤炼焦能耗降低4%，去除了平煤时带出的烟尘，优势是提高煤质、减少污染、方便使用。由煤炭采选产品对炼焦产品的产业联系深度值0.635 45可知，炼焦产品对煤炭采选产品有明显的直接消耗。
13)以富氧煤气为燃料煅烧耐火材料，提高了炉窑的热效率，提高了煅烧耐火材料的温度，优势是提高热效率、节约煤炭、减少排放。由煤炭采选产品对耐火材料的产业联系深度值0.063 57可知，耐火材料对煤炭产品存在明显的直接消耗。
14)可燃性废弃物替代水泥窑燃料技术；水泥窑中低温余热发电技术以煤炭煅烧水泥时有350 ℃废气排出，可用余热发电技术将这部分热量回收发电，优势是充分利用废物、节约煤炭、减少废气排放。由煤炭采选产品对水泥、石灰和石膏的产业联系深度值0.102 80可知，水泥、石灰和石膏对煤炭产品存在明显的直接消耗。
15)将变频调速技术应用于煤化工的泵类和风机类设备中，提高了工艺控制效率与控制精度，节省了生产成本，增加利润[14]，优势是提高了碳转化率，合成气技术化学稳定性与热稳定性好，调速器精度高，安装简单。由煤炭采选产品对基础化学原料的产业联系深度值0.056 90可知，基础化学原料对煤炭产品存在明显的直接消耗。
16)纺织业需要煤炭燃烧的蒸汽，这些蒸汽余热可继续用来发电。由煤炭采选产品对棉、化纤纺织及印染精加工品的产业联系深度值0.004 18可知，棉、化纤纺织及印染精加工品对煤炭采选产品有明显的直接消耗。
4 重点行业煤炭利用节能优劣分析
我国能源以煤为主的现状为节能与环保带来了许多管理难题、技术难题，但世界绿色节能产业的发展为我国产业调整升级提供了机会。国家利用财税手段支持研发与推广节能技术，并且建立了相关的法律法规。考虑重点行业发展的优势、劣势、机会和威胁等因素，建立了优劣机威分析模型，以对重点行业使用煤炭中的节能问题进行系统探讨。重点行业使用煤炭节能问题的优劣机威分析结果见表6。
表6 重点行业使用煤炭节能问题的优劣机威分析
Table 6 SWOT analysis of coal energy saving problem in the key industries
5 重点行业使用煤炭的节能技术生命周期
结合生命周期分析法，从市场需求、产业目标、研发需求、技术壁垒4方面列出了6个重点行业在生命周期不同阶段使用煤炭过程中的节能技术方向，具体见表7。
表7 6个重点行业在生命周期不同阶段使用煤炭的节能技术方向
Table 7 Coal energy saving technology direction of six key industries in the different stages of life cycle
6 结 语
以节能减排为目标，运用优劣机威分析和生命周期研究方法，对我国6大重点行业使用煤炭过程进行分析，强调了重点行业使用煤炭过程中节能的重要作用。6大重点行业消耗煤炭比例占所有工业用煤的1/3，应进行重点节能。6大重点行业包括4个主要的节能技术方向：煤天然气共气化制备合成气及煤气化技术、高效转换二次能源技术、高效喷吹塑料及喷煤技术、窑炉替代燃料混烧代煤技术。最后提出应重视技术节能、结构节能和管理节能的平衡发展。
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Evaluation of key industries associated with coal energy saving technologiesbased on industrial correlativeness degree analysis
Abstract:In order to investigate some key energy saving technologies which were associated with coal industry,the key industries were determined through factor analysis and clustering analysis.The breadth and depth of industry contact were calculated.The using methods and advantages of the industries were analyzed.The SWOT method was adopted to analyze the lifetime of the energy saving technologies.The energy saving technologies associated with coal were that the products of the industries consumed coal directly or indirectly,coal industry consumed the products of the industries or the coal could be replaced by the products of the industries.The advantages of the energy saving technologies were that saving cost and energy, using sample technologies.The industries associated with coal contained four energy saving directions which were coal natural gas co-gasification to produce synthesis gas and coal gasification technology,secondary energy techologies,high efficient plastic and coal injection technologies,mixed coal combustion technologies.
Key words:coal；industry contact breadth；industry contact depth；clustering analysis；SWOT；life cycle
中图分类号：F407.21
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2017)01-0115-07
收稿日期：2016-07-13；责任编辑白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.01.022
基金项目：山西省科技攻关资助项目(20140313007-1)
引用格式：刘翠玲，杨 昆，王永胜.基于产业关联度分析与煤相关行业节能技术评价[J].洁净煤技术，2017，23(1)：115-121,126.
LIU Cuiling,YANG Kun,WANG Yongsheng.Evaluation of key industries associated with coal energy saving technologies based on industrial correlativeness degree analysis[J].Clean Coal Technology，2017，23(1)：115-121，126.
