关键词：废钢；主成分分析；资源利用；系统动力学；山西省
山西省作为资源型地区，矿产资源丰富，其中煤炭、铝土矿、铁矿石储量最大，2020年山西省铁矿石储量占全国10%以上，多年来其钢铁产量位居全国各省第五位，钢铁产业基础良好。作为钢铁行业回收利用的主要废弃物和再生资源种类，山西省废钢产量也逐年增加。2006年以来，山西省相继出台《山西省人民政府关于印发山西省建设资源节约型社会行动纲要的通知》（金政发[2006]50号）等一系列涵盖废钢行业的宏观政策，旨在鼓励中小型回收企业扩大经营范围，提高转炉废钢利用率，建立规范有序的再生资源回收体系。 因此，积极探索废钢回收体系建设，形成稳定、高效、规范的回收再利用渠道具有十分重要的现实意义。由于山西省对废钢回收产业缺乏有针对性的扶持政策，导致回收体系建设进展缓慢。建立高效有序的废钢回收体系，提高废钢回收率和利用水平是亟待解决的现实问题。
近年来，学术界研究主要集中在碳中和背景下我国钢铁工业低碳发展的探索。废钢回收是钢铁行业低碳行动之一，因此废钢供给是制约钢铁行业低碳发展的关键条件[2-3]。幸毅等[4]认为废钢作为电炉短流程炼钢工艺的主要原料，具有很高的利用价值；张艳华等[5]建立废钢再制造供应链优化模型，研究碳交易机制对废钢再制造行业的影响；刘琳等[6]研究了废钢资源回收利用中的污染问题，并对我国废钢产业的可持续发展提出了建议；孙静娅[7]分析了日本废钢的产生、消费和管理模式，指出了我国废钢产业的发展方向。在方法方面，王鹏等[8]对废钢再制造供应链优化模型进行了研究。 [8]利用复合模型的广义模型对我国人均钢铁存量做了长期预测；卜庆才等[9]利用钢铁产品生命周期的铁流图对未来粗钢产量达到峰值后我国废钢资源量进行了预测。现有研究侧重于国家层面的战略分析，缺乏省级层面的特色研究，缺乏微观层面的影响因素识别和资源潜力评估；在方法上，往往采用单一的预测模型进行分析，缺乏系统全面的考虑，结合多种方法进行综合评价的文献较少。因此，笔者立足省级层面，从山西省废钢回收影响因素的角度拓展钢铁行业绿色低碳发展的视角；同时，综合运用系统动力学、灰色预测模型和生命周期方法，探讨山西省废钢资源利用潜力，进而对山西省废钢回收产业发展升级提出建议。
1. 研究方法与数据来源
1.1 研究方法
1.1.1 PEST模型确定指标变量
PEST（,,,）模型最早由英国学者[10]提出，该模型将影响组织系统的各种因素划分为政治、经济、社会和技术四个维度，从而帮助系统分析影响其发展的关键因素。废钢铁可以无限循环利用，影响其循环利用的因素很多，该模型中的四维分析涵盖内容广泛，适用于本文确定2005—2020年山西省废钢铁循环利用的影响因素。因此，基于PEST模型，参考闫启平等[11-20]的研究文献，秉承全面性、科学性和数据可得性的原则，总结出影响废钢铁循环利用的15个指标变量（表1）。
1.1.2 利用主成分分析提取影响因素
采用主成分分析法（PCA）找出山西省废钢回收利用的主要因素及因素间的关系[21]。具体计算步骤为：1）原始数据标准化；2）计算样本相关矩阵R；3）计算矩阵特征值、方差贡献率、累计贡献率；4）确定主成分。计算公式如下：
1.1.3资源利用潜力综合研究
1.1.3.1 系统动力学模拟
系统动力学是从系统工程的角度进行综合模拟和预测的模型，广泛应用于产业研究、环境生态等领域。具体研究步骤为：1）明确系统边界，识别各子系统变量；2）明确并绘制系统各因素之间的因果关系图；3）构建揭示变量间关系的存量流量模型；4）进行仿真模拟；5）检验模型的有效性[22]。
1.1.3.2 灰色预测模型
灰色预测模型是一种利用微分方程来发现序列的发展趋势，从而对信息不明确的研究对象进行数学分析的方法[23-24]。具体模型构建如下。
设M(0)为非负序列，其表达式为：
1.1.3.3 生命周期方法
参考贾以清等[26]的预测方法，对山西省废钢资源进行估算，公式为：
QF=QCG×VZF+QTG×VJF+QGC×VGF（15）
式中：QF为山西省废钢资源量，万吨；QCG为本年粗钢产量，万吨；VZF为自产废钢回收率，%；QTG为T年前钢材表观消费量，万吨；VJF为折旧废钢回收率，%；QGC为本年钢产量，万吨；VGF为加工废钢回收率，%。
1.2 数据来源
数据来源于中国钢铁工业年鉴、中国统计年鉴、山西统计年鉴以及网站（）。其中，政策环境下的低碳发展要求难以量化，因此基于政策背景，采用经验系数进行量化。社会环境下的汽车报废数量的计算以汽车15年使用年限[27]为基准，选取1995—2005年山西省新登记民用汽车数量进行估算。经济环境下各类产品的市场价格随时间波动，因此采用平均值进行估算；对于其他数据缺失的年份，采用插值法补充数据。在钢铁产品生命周期方法计算中，各参数数值解释如下：1）自产废钢回收率（VZF）。 随着钢铁企业生产工艺和技术的不断更新，自产废钢回收率逐年下降。近年来，由于钢铁生产技术没有明显提高，从厂内废钢生成率（厂内废钢产量/粗钢产量）来看，2004年至2018年VZF稳定在4.0%～5.5%[28]，未来的参考值为3.5%～4.5%[26]。2）钢材平均寿命（T）。根据中国钢铁协会统计，中国钢材平均使用寿命为20～27年，故T选取为17～26年[28]。3）T年前钢材表观消费量（QTG）。山西省是钢材消费小省，估算该省T年前钢材表观消费量为当年钢材产量的60%。 4）折旧废钢回收率（VJF）。根据山西省废钢回收利用现状，参考发达国家旧废钢产生量经验公式，定为17年前山西省钢铁产量的45%~50%。5）加工废钢回收率（VGF）。即钢铁生产过程中产生的废钢。目前，中国平均VGF为5%[26]。
2.结果与分析
2.1 主成分分析
利用相关SPSS统计分析软件对山西省废钢回收利用各指标层数据进行标准化处理后，采用KMO-球形度检验计算各变量的相关性。结果表明，KMO（-Meyer-Olkin）检验统计量为0.675，表明变量间信息重叠度较高，主成分分析方法适用；在球形度检验中，自由度为105，显著性为0.0，拒绝各变量独立性假设，主成分分析方法适用性检验成立[29]。软件得到的计算结果如表2、表3所示。
通常方差贡献率表示各指标所包含的信息量占总信息量的比重。从表2可以看出，前三个主成分对应的特征值和方差贡献率都比较大，因此共提取出三个关键因子，特征值分别为9.6、2.7、1.3；三个关键因子累计方差贡献率为90.7%，大于85%。可以认为这三个主成分基本能够反映原指标所携带的信息，从而对最初选取的15个指标进行降维得到三个新指标，因此影响山西省废钢回收利用的因素均归属于三个主成分。
如表3所示，X2(山西省符合废钢加工行业准入门槛的企业数量)、X7(山西省生铁产量)、X11(废弃资源利用行业研究与试验开发人员数量)、X14(钢铁冶炼及压延行业企业有效发明专利数量)、X15(废弃资源综合利用行业科技投入)在第一个主成分上的负载系数较高，这些指标都与废钢加工企业的科技创新能力和发展水平相关，因此影响山西省废钢回收利用的第一个主成分可以概括为废钢加工企业的综合实力； X1（废钢加工利用行业增值税退税比例）、X3（低碳发展要求）、X8（山西省钢铁产量）、X9（山西省粗钢产量）、X10（山西省建筑业房屋竣工面积）、X13（钢铁冶炼及压延加工业研发与试验发展投入）在第二个主成分上的载荷系数较高，这些指标均与废钢加工利用行业的政策环境有关，因此可以将第二个主成分概括为行业政策环境；X4（铁矿石价格）、X5（废钢价格）、X6（钢坯价格）、X12（山西省报废汽车量）在第三个主成分上的载荷系数较高，这些指标均与废钢加工利用行业的市场环境有关，因此可以将第三个主成分概括为行业市场环境。
综上所述，废钢加工利用企业的综合实力是山西省废钢回收利用的最大影响因素；行业政策环境、行业市场环境是次要影响因素。
2.2 资源潜力评价
2.2.1 系统动力学仿真
山西省废钢回收影响因素的主成分分析为构建系统动力学仿真模型提供了基础。本文从社会、经济、人口、产业结构出发，构建整体各系统内因素间相互作用的反馈回路，以此作为山西省废钢资源研究的系统边界；以2005—2020年为历史模拟时间，2021—2035年为模拟预测时间，时间步长为1年，建立存量流量图（图1）。
为了验证模型预测值的有效性和准确性，选取GDP、人口、粗钢产量、钢材产量作为检验对象，进行历史模型检验（表4）。从表4可以看出，2005年至2020年各指标模拟值与历史值的误差绝对值保持在10%以内，即模拟模型是有效的。除基准情景外，本文选取企业综合实力、政策环境、行业市场三个因素作为控制变量，对比分析三个变量对山西省废钢资源量的影响。通过调整变量值，得到4种情景（表5）。其中，企业综合实力、政策环境、行业市场均增长30%作为全面高质量发展情景。
各情景模拟结果如图2所示，基准情景下，2025年、2030年、2035年山西省废钢资源利用量分别为1388.73万吨、1759.70万吨、2174.37万吨；情景一设定为企业综合实力增长30%，该情景下，2035年山西省废钢资源量将增至2432.05万吨； 《山西省工业资源综合利用“十四五”规划》指出，鼓励大型钢铁、有色金属等企业与再生资源加工企业合作，建设废钢铁、废有色金属等一体化大型绿色加工配送中心，因此设置政策环境改善30%模拟情景2，该情景下山西省废钢铁资源量较基线情景增幅略低于情景1；根据主成分分析结果，行业市场环境是影响废钢铁回收利用的因素之一，因此设置情景3，该情景下山西省废钢铁资源量较基线情景略有增加； 情景4显示山西省废钢资源量较基准情景增幅最大，2035年将增至2651.52万吨。综上所述，系统动力学模拟结果与主成分分析的结论基本一致，废钢加工利用企业综合实力对废钢资源量的影响最大，其次是行业政策环境、行业市场环境，当三者同时改善时，山西省废钢资源利用潜力将大幅提升。
2.2.2 灰色预测模型及生命周期评价
依据GM（1,1）预测公式[公式（12）和公式（13）]，首先计算出2005—2020年山西省粗钢产量和钢材制品产量的预测值，利用公式（14）进行残差检验，结果表明，模拟值与实际值之间的相对残差均小于0.2，即GM（1,1）模型能够有效预测山西省粗钢及钢材制品产量，预测精度和结果满足统计要求[24]。预测结果表明，“十四五”期间，山西省粗钢产量和钢材制品产量将逐年增加，其中，粗钢产量将从2021年的6755.69万吨增加到2025年的9073.86万吨； 钢铁产品产量将从2021年的6606.17万吨增加到2025年的8913.34万吨。实际研究中，产量受钢铁行业碳减排现状及国家相关政策导向影响较大，因此需要利用行业整体发展趋势对灰色预测模型得到的理论产量进行修正。2021年，在国家产量不同比增目标、能耗双控及限电政策影响下，我国粗钢产量呈现负增长。在“双碳”目标背景下，钢铁行业产量将继续减少[29]。考虑到我国经济增速放缓、社会铁资源积累增加等因素，预计未来国内粗钢产量呈现缓慢下降趋势，总产量不会超过10亿吨[30-31]。 结合全国钢铁行业发展趋势，本文以2025年为山西省粗钢及钢材实际产量达到峰值的年份，2025年至2035年太原废钢铁回收公司，粗钢及钢材产量将出现峰顶回落，保持缓慢负增长，预计产量在6500万~8000万吨。
采用钢铁产品生命周期方法预测2021年至2031年山西省废钢资源利用量呈现波动上升趋势，2031年以后有所下降但总体趋于稳定（图3）。2025年、2030年、2035年山西省废钢资源利用量分别为1371.91万吨、1982.30万吨、1992.88万吨。其中社会回收废钢量分别为1008.96万吨、1667.41万吨、1727.29万吨，占废钢资源比重分别为73.54%、84.11%、86.67%。废钢社会回收量受17年前钢铁产量影响较大。 2008年山西省钢铁产量较2007年有所下降，2015-2017年山西省钢铁产量较2014年也有所下降，因此预测2025年、2032-2034年山西省废钢社会回收量较上年均会出现短暂下降趋势；公司自产废钢受当年粗钢产量影响较大，2025-2035年粗钢产量见顶回落，因此公司自身生产的废钢量变化并不大。
2.2.3 资源利用潜力综合评价结果
结合以上两种方法的预测结果，对山西省主要年份废钢资源进行评价（表6），两种预测方法结果相似，长期趋势一致，山西省废钢资源利用潜力较大，2020~2030年废钢资源呈上升趋势，2030~2035年废钢资源增速逐渐减缓，2035年达到2000万吨左右。
3. 结论与启示
3.1 结论
（1）废钢加工利用企业综合实力对山西省废钢回收行业发展起着引领作用，行业政策环境、行业市场环境也在一定程度上影响行业发展。目前，山西省废钢回收的参与主体主要是民营废钢回收点、废钢贸易公司和专业废钢加工企业，规模较大的废钢回收企业较少，导致山西省符合废钢加工行业准入门槛的企业不多，企业创新能力不足，规范发展难度大。根据系统动力学模拟结果，企业综合实力若较基准水平提高30%，山西省废钢资源利用水平将有较大提升；另外，对于政策主体而言，由于山西省奖励补贴政策力度较小，回收行业利润微薄，企业资金匮乏，影响企业综合实力的提升；对于行业市场而言，废钢回收价格受生铁价格、钢坯价格影响。 因此，要充分发挥市场调节作用，坚持市场导向。
（2）山西省废钢回收利用潜力巨大。预测结果显示，2021年至2030年山西省废钢资源利用量呈现快速增长态势，2030年以后趋于平稳，2035年达到2000万吨左右。其中，随着粗钢产量和钢材消费量逐渐达到稳定状态，山西省自产废钢和加工废钢产量相对稳定，而社会回收废钢在山西省废钢资源利用量中的占比呈现波动上升趋势。预计未来社会回收废钢将成为山西省废钢资源利用的主要来源太原废钢铁回收公司，到2035年，山西省社会回收废钢将占全省废钢资源总量的85%以上。
3.2 政策含义
（1）培育规范化、规模化的废钢回收企业是山西省废钢行业未来发展方向。针对山西省目前废钢利用率较低、符合废钢加工行业准入门槛的企业较少的现状，应在新一轮产能置换中大力推广短流程炼钢工艺，鼓励废钢加工企业做大做强、做大规模。对标世界一流，重点培育龙头企业，提高废钢回收综合服务能力和行业组织化，加强从业人员培训；充分发挥龙头企业的标杆引领作用，推动废钢回收体系建设，大幅提高行业集中度和协同发展能力。 《山西省“十四五”工业资源综合利用规划》指出，“十四五”期间山西省重点任务之一是加强再生资源规范利用，鼓励大型钢铁、有色等企业与再生资源加工企业合作，建设废钢铁、废有色等综合性大型绿色加工配送中心。推动长治、晋城、临汾、运城、太原等地区废钢铁产业回收加工处置环节规范化、一体化发展，加大对吕梁、晋中等地区的支持力度，推动废钢铁综合利用产业规模化、现代化，提升精深加工管理水平和废钢铁加工质量，促进废钢铁资源高效合理利用。从长远看，“双碳”背景下山西省废钢铁资源利用发展有良好的政策支持。
（二）推动废钢回收利用产业创新发展。山西省废钢回收利用潜力巨大。《吕梁市2022年大气质量巩固提升行动计划》指出，鼓励长流程钢铁企业通过就地改造发展电弧炉短流程炼钢是重点任务，将推动以废钢为原料炼钢的工艺发展。但废钢加工利用企业科技创新能力不足以支撑废钢资源量的持续增加。《山西省工业资源综合利用“十四五”规划》首次指出，要在再生资源分选加工、高价值废料精细化拆解等重点领域突破一批智能制造关键技术。 鼓励有能力的大型龙头企业或第三方机构建设产业互联网大数据平台，促进上下游信息共享、资源共享、利益共赢是未来发展的大趋势。
（3）山西省废钢回收行业长期向好态势将持续，社会回收废钢量将逐步增加。要加强市场监管，落实废钢回收加工企业或个人责任，严厉打击不规范回收企业，取缔非法回收加工企业，引导废钢回收市场健康发展。
参考：
