唐山市鋼鐵行業(yè)碳排放核算及達(dá)峰預(yù)測(cè)

大氣網(wǎng)訊:研究背景：中國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)。2018年中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量占全球的51.3%，生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量分別為7.71億,9.28億,11.06億t。2018年唐山市生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量分別為1.19億,1.33億,1.43億t，約占全國(guó)總產(chǎn)量的15%。高產(chǎn)量意味著高能耗和高排放。以唐山市為例，2017年工業(yè)能源消耗占唐山社會(huì)總能耗的86.84%，鋼鐵行業(yè)占工業(yè)能源消耗的74.56%。若核算碳排放并研究城市碳達(dá)峰，唐山市鋼鐵行業(yè)應(yīng)作為研究重點(diǎn)。對(duì)鋼鐵生產(chǎn)碳排放核算的研究，可分為單個(gè)企業(yè)和整個(gè)鋼鐵行業(yè)兩個(gè)層面，對(duì)于單個(gè)企業(yè)更多的是根據(jù)其碳足跡分析碳排放。研究碳足跡的方法可分為投入產(chǎn)出法、生命周期法和IPCC法。王韻銘用定量分析方法，借助實(shí)地調(diào)研得到的京津冀地區(qū)8家鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)(含4家鋼壓延加工企業(yè)、4家鋼鐵聯(lián)合企業(yè))的生產(chǎn)排放數(shù)據(jù)，對(duì)各工序碳排放、綜合能源消耗、產(chǎn)量等進(jìn)行對(duì)比分析，指出煉鐵工序所占的排放量比重最大，年平均比重達(dá)到28.27%，且鋼壓延加工工序能耗波動(dòng)明顯，有較大的改進(jìn)空間。針對(duì)企業(yè)的研究更加微觀，每一道工序的能源消耗和碳排放均在研究范圍內(nèi)，排放邊界的界定也很清晰，并且會(huì)比較分析不同核算方法的可行性。企業(yè)尺度的研究可以使碳排放核算更為精確，對(duì)于自下而上地建立碳排放清單有借鑒意義。同時(shí)，精確的核算意味著嚴(yán)格的數(shù)據(jù)要求，由于近年中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)工藝未有較大改變，因此在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，根據(jù)典型企業(yè)數(shù)據(jù)可以建立行業(yè)較為通用的碳排放核算方法，以快速建立區(qū)域內(nèi)的碳排放清單并核算碳排放量。為了實(shí)現(xiàn)“兩度”目標(biāo)，中國(guó)要在2020—2030年間完成碳排放達(dá)峰。隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和單位GDP能源強(qiáng)度的下降，2025年左右可以實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰是一個(gè)共識(shí)性結(jié)論。針對(duì)行業(yè)層面的鋼鐵生產(chǎn)碳排放研究，可分為歷史排放變化和未來(lái)情景預(yù)測(cè)兩個(gè)方面，結(jié)合來(lái)看，中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)碳排放自2010—2050年將整體呈現(xiàn)一個(gè)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。

目前針對(duì)典型企業(yè)和整個(gè)行業(yè)的研究較為全面，但是對(duì)于區(qū)域內(nèi)全部企業(yè)的生產(chǎn)碳排放研究較少。唐山市作為工業(yè)密集型城市，以能源消耗密集的鋼鐵行業(yè)為主，分析其碳排放變化，不僅可以掌握鋼鐵行業(yè)碳排放的變化趨勢(shì)及達(dá)峰時(shí)間，還可為研究城市碳達(dá)峰提供參考。本文對(duì)唐山市2010—2030年鋼鐵生產(chǎn)的能源消耗及碳排放進(jìn)行核算和預(yù)測(cè)，第1部分分析唐山市鋼鐵生產(chǎn)現(xiàn)狀并建立快速核算方法，核算2017年全部企業(yè)的碳排放量；第2部分根據(jù)政策目標(biāo)和發(fā)展規(guī)劃設(shè)定未來(lái)發(fā)展情景，分析至2030年能源消耗和碳排放的變化，并確定了唐山市鋼鐵行業(yè)的碳達(dá)峰時(shí)間。

摘 要

唐山市作為工業(yè)密集型城市，2018年生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量約占全國(guó)總產(chǎn)量的15%，同時(shí)也排放了大量的溫室氣體和大氣污染物。以唐山市為例，研究唐山市鋼鐵生產(chǎn)碳排放2010—2030年的變化趨勢(shì)，并確定達(dá)峰時(shí)間?；凇稖厥覛怏w排放核算與報(bào)告要求》的計(jì)算方法，初步建立了可根據(jù)設(shè)備規(guī)模、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、產(chǎn)能利用率和單位產(chǎn)品能耗參數(shù)來(lái)核算企業(yè)CO2排放的數(shù)值算式，并將其應(yīng)用于唐山市全部鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，計(jì)算得出2017年唐山市鋼鐵行業(yè)碳排放量為14042.52萬(wàn)t，碳排放系數(shù)為1.616 t CO2/t鋼。與文獻(xiàn)、統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)對(duì)比誤差均<10%，表明數(shù)值算式有一定的準(zhǔn)確性，可為自下而上地快速核算企業(yè)或區(qū)域的鋼鐵生產(chǎn)碳排放提供參考。同時(shí)，結(jié)合唐山市鋼鐵歷史生產(chǎn)情況、生產(chǎn)現(xiàn)狀及未來(lái)規(guī)劃，借助LEAP構(gòu)建了能源需求模型，得到2010—2030年唐山市鋼鐵生產(chǎn)化石能源消耗和碳排放量的變化趨勢(shì)，并確定唐山市鋼鐵生產(chǎn)碳排放已于2018年達(dá)峰。

01唐山市鋼鐵行業(yè)現(xiàn)狀

1.生產(chǎn)工藝及能源消耗

鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)流程包括煉焦、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼5個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)是否具有焦化工序，又可分為全流程企業(yè)和中長(zhǎng)流程企業(yè)。具體工藝流程如圖1所示(根據(jù)2018年實(shí)地調(diào)研的唐山市3家典型鋼鐵聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)繪制，灰色為生產(chǎn)工序，紅色為產(chǎn)品，黑色為原料消耗，藍(lán)色為燃料消耗，綠色為污染物排放，黃色虛線方框內(nèi)為鋼鐵生產(chǎn)化石能源消耗的部分)。通過(guò)調(diào)研和企業(yè)熱設(shè)備數(shù)據(jù)收集可知：唐山市燒結(jié)工序涉及設(shè)備為帶式燒結(jié)機(jī)(64%)和步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)(36%)；球團(tuán)工序的設(shè)備分為豎爐(72%)和回轉(zhuǎn)窯(28%)；煉鐵借助高爐；煉鋼設(shè)備則分為電爐和轉(zhuǎn)爐。截至2018年底，具備電弧爐煉鋼生產(chǎn)能力的企業(yè)只有4家，其中最為復(fù)雜的是煉鐵工序。大量研究表明，煉鐵消耗了整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)70%以上的能源。煉鐵工序中，為高爐提供熱量的化石能源有噴吹煤和焦炭。噴吹煤是將煤粉從高爐風(fēng)口向爐內(nèi)直接噴吹的燃料，可以瞬時(shí)提高發(fā)熱量，現(xiàn)多使用混煤，即煙煤和無(wú)煙煤的混合煤粉。提高煙煤的摻混比有利于提高噴吹煤的燃燒性能，降低焦比?，F(xiàn)有研究提出，可以用噴吹煤氣置換煤粉以簡(jiǎn)化冶煉過(guò)程。另外，焦炭是高爐煉鐵消耗最多的化石能源，約占工序能耗的70%以上。唐山市鋼鐵聯(lián)合企業(yè)大部分為中長(zhǎng)流程企業(yè)，不具備焦化工序，高爐生產(chǎn)的副產(chǎn)品高爐煤氣和焦?fàn)t生產(chǎn)的副產(chǎn)品焦?fàn)t煤氣均會(huì)再次進(jìn)入高爐和焦?fàn)t提供熱量。此外，唐山鋼鐵企業(yè)煉鋼工序均為負(fù)能煉鋼。在軋制過(guò)程中，部分企業(yè)的熱軋工藝會(huì)用到加熱爐，消耗化石能源并排放溫室氣體，但其比重很小。

圖1 典型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)流程

2.企業(yè)數(shù)量及位置

通過(guò)實(shí)地調(diào)研和資料收集可知：唐山市只有約10%的大型鋼鐵企業(yè)具備焦化工序，企業(yè)生產(chǎn)所用焦炭大部分從周邊焦化企業(yè)購(gòu)入。本文共收集到唐山市37家鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的燒結(jié)機(jī)、豎爐、高爐和轉(zhuǎn)爐的設(shè)備信息，其中具備焦?fàn)t的企業(yè)只有4家。通過(guò)比較各網(wǎng)站、協(xié)會(huì)和地方性文件的企業(yè)數(shù)量，全國(guó)排污許可證管理信息平臺(tái)(38家)、鋼鐵協(xié)會(huì)行業(yè)報(bào)告(37家)和唐發(fā)改環(huán)資[2018]392號(hào)《關(guān)于唐山市2018年度鋼鐵水泥行業(yè)能耗及達(dá)標(biāo)情況的通報(bào)》(35家)可見，本文收集到的企業(yè)信息較為全面。以煉鐵產(chǎn)能分布為例，唐山市鋼鐵生產(chǎn)多集中于遷安市、古冶區(qū)和曹妃甸區(qū)，詳見圖2。

圖2 唐山市煉鐵產(chǎn)能分布示意

唐山市鋼鐵生產(chǎn)設(shè)備規(guī)模如表1所示。將高爐按照爐容規(guī)模分為≤1000 m3、1000～4000 m3和≥4000 m3三類。截至2017年，唐山市鋼鐵行業(yè)小型高爐數(shù)量仍很多，占比約為51.7%；而大型高爐數(shù)量較少。將轉(zhuǎn)爐按照容積的設(shè)計(jì)總噸位分為≤30t、30～100 t和≥100 t三類，其中大型轉(zhuǎn)爐數(shù)量占比最大，為63.3%。

表1 唐山市鋼鐵生產(chǎn)設(shè)備分類

02唐山鋼鐵企業(yè)2017年碳排放量的核算

為快速掌握區(qū)域內(nèi)全部鋼鐵企業(yè)的碳排放情況，在未知部分企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，也能核算其碳排放數(shù)值，本節(jié)初步建立了可根據(jù)設(shè)備規(guī)模、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、產(chǎn)能利用率和單位能耗參數(shù)來(lái)核算企業(yè)CO2排放的數(shù)值算式，將其應(yīng)用于唐山市全部鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，計(jì)算2017年碳排放量和各工序碳排放系數(shù)。

1.鋼鐵生產(chǎn)碳排放核算方法

國(guó)際上針對(duì)鋼鐵行業(yè)碳排放的核算有3種應(yīng)用較為廣泛的方法，分別是由政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)提出的國(guó)家溫室氣體清單CO2排放計(jì)算方法、國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)(WSA)給出的碳排放計(jì)算方法和世界資源研究所(WRI)與世界可持續(xù)發(fā)展工商理事會(huì)(WBCSD)共同開發(fā)的碳排放核算方法。我國(guó)也陸續(xù)出臺(tái)了《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》《中國(guó)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南》和《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求》。核算的目的和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)不同，選擇的計(jì)算方法也不同。目前，國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的是由WSA提出的方法，WSA計(jì)算方法和《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求》計(jì)算方法對(duì)比如表2所示。國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)提出的算法對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中物質(zhì)、能量和碳的流動(dòng)都有涉及，可以直觀展示出各個(gè)工序間的碳足跡，因此碳排放核算的內(nèi)容更加豐富和精細(xì)，但是所需數(shù)據(jù)量較大，且部分?jǐn)?shù)據(jù)在鋼鐵企業(yè)中并不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)或沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求》體現(xiàn)的是企業(yè)整體的CO2排放情況，數(shù)據(jù)易獲得，且排放因子的設(shè)定更符合我國(guó)生產(chǎn)現(xiàn)狀。結(jié)合本文的核算目標(biāo)和收集到的數(shù)據(jù)類型，采用《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求》中給出的算法。

表2 碳排放計(jì)算方法的比較

基于《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求》中的算法，碳排放為化石燃料燃燒、過(guò)程排放、企業(yè)購(gòu)入電力和熱力之和，再扣除固碳產(chǎn)品中的碳含量(粗鋼)。本文在核算過(guò)程中不考慮電力排放，且在調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)完全利用副產(chǎn)品高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，煤氣也由一次能源產(chǎn)生，為避免重復(fù)，只核算化石燃料產(chǎn)生的碳排放。根據(jù)《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求》中第5部分鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)和《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》中的數(shù)據(jù)，鋼鐵生產(chǎn)中所用到的燃料熱值和排放因子以及過(guò)程排放因子如表3所示。

表3 燃料熱值及碳排放因子

2.數(shù)據(jù)及核算過(guò)程

上節(jié)詳細(xì)介紹了鋼鐵企業(yè)碳排放的核算方法以及數(shù)據(jù)需求，碳排放因子已確定，再結(jié)合燃料、原料的活動(dòng)水平數(shù)據(jù)即可完成企業(yè)碳排放量的核算。在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)工序較多，各能源消耗較為復(fù)雜，直接獲得企業(yè)的產(chǎn)品產(chǎn)量和能源消耗等數(shù)據(jù)很困難，工作量大且企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)多涉密。因此本文在獲得企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合政府規(guī)范性文件、3家典型企業(yè)數(shù)據(jù)(調(diào)研獲得)和相關(guān)文獻(xiàn)，初步建立了基于設(shè)備規(guī)模的唐山市鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)碳排放核算方法。

2.1設(shè)備規(guī)模與產(chǎn)品產(chǎn)量

一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備規(guī)模越大，產(chǎn)量也越高，單位能耗就會(huì)越低。為得出高爐容積與產(chǎn)能間的關(guān)系，根據(jù)《國(guó)務(wù)院關(guān)于化解產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩矛盾的指導(dǎo)意見》(國(guó)發(fā)〔2013〕41號(hào))和《國(guó)務(wù)院關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過(guò)剩產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》(國(guó)發(fā)〔2016〕6號(hào))所制定的鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能置換實(shí)施方法附件中的數(shù)據(jù)，將兩者間的關(guān)系擬合如圖3所示。

圖3 高爐產(chǎn)能與容積間的關(guān)系

燒結(jié)礦產(chǎn)量可根據(jù)燒結(jié)機(jī)面積、產(chǎn)能利用系數(shù)與生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)乘積獲得。根據(jù)全國(guó)排污許可證管理信息平臺(tái)所發(fā)布的生產(chǎn)報(bào)告，唐山帶式燒結(jié)機(jī)產(chǎn)能利用系數(shù)均值為1.224 t/(h·m2)，步進(jìn)式燒結(jié)機(jī)產(chǎn)能利用系數(shù)均值為1.44 t/(h·m2)。轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能也按照置換方法附件中的表格對(duì)照關(guān)系取值，再乘以唐山鋼鐵行業(yè)2017年均產(chǎn)能利用率。由此，在獲得唐山地區(qū)鋼鐵企業(yè)設(shè)備信息的基礎(chǔ)上，可由設(shè)備產(chǎn)能、生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)和產(chǎn)能利用率的乘積獲得企業(yè)各產(chǎn)品產(chǎn)量。根據(jù)文獻(xiàn)和調(diào)研核算，在生產(chǎn)過(guò)程中，燒結(jié)礦與生鐵的質(zhì)量比≈0.7∶1，球團(tuán)礦與生鐵的質(zhì)量比≈0.4∶1。

2.2生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)與產(chǎn)能利用率

根據(jù)Wind數(shù)據(jù)庫(kù)中唐山鋼鐵生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知：唐山地區(qū)2017年高爐開工率均值為73.4%，折合年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約為267.91 d。唐山地區(qū)2017年鋼鐵產(chǎn)能負(fù)荷率均值為77.06%。

2.3單位產(chǎn)品能耗

唐山市發(fā)改委于2018年發(fā)布的《關(guān)于對(duì)唐山市2018年度鋼鐵水泥行業(yè)能耗及達(dá)標(biāo)情況的通報(bào)》附件1中給出了2017年唐山市28家鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)、球團(tuán)、高爐、轉(zhuǎn)爐的單位產(chǎn)品能耗。燒結(jié)和煉鐵工序均有化石能源消耗詳見如圖4、5所示。燒結(jié)單位產(chǎn)品能耗在46.76～53.53 kgce/t，均值為51.54 kgce/t；高爐單位產(chǎn)品能耗在381.11～431.83 kgce/t，均值為416.11 kgce/t。根據(jù)調(diào)研的3家企業(yè)的能源平衡表，燒結(jié)工序能源消耗能源中焦炭與無(wú)煙煤比例=7∶3，煉鐵工序消耗能源中焦炭占比為77%，噴吹煤占比為23%(煙煤9%、無(wú)煙煤14%)。根據(jù)《中國(guó)廢鋼鐵產(chǎn)業(yè)研究》數(shù)據(jù)，每噸生鐵消耗石灰石1.7 t，白云石0.014 t。

圖4 唐山市各企業(yè)燒結(jié)單位產(chǎn)品能耗

圖5 唐山市各企業(yè)燒結(jié)和煉鐵單位產(chǎn)品能耗

通過(guò)核算，唐山市2017年鋼鐵生產(chǎn)共計(jì)排放14042.52萬(wàn)tCO2，生鐵核算產(chǎn)量為9631.87萬(wàn)t，粗鋼核算產(chǎn)量為8687.36萬(wàn)t，具體工序排放及與其他文獻(xiàn)的對(duì)比見表4?？芍汉怂愕奶寂欧畔禂?shù)與文獻(xiàn)中的數(shù)值相近，核算生鐵、粗鋼產(chǎn)量與唐山市統(tǒng)計(jì)年鑒中的數(shù)據(jù)相差7.9%和4.7%，證明該計(jì)算方法有一定可行性。

表4 唐山市鋼鐵生產(chǎn)碳排放數(shù)據(jù)及對(duì)比