山西省煉焦行業(yè)CO2排放影響因素分析

吉紅潔,袁 進,蘇旭東,葛曉華

（山西省生態(tài)環(huán)境研究中心， 山西 太原 030009）

0 引言

氣候變暖被公認為全球重要的環(huán)境問題，目前已得到全世界各國的廣泛關(guān)注[1]。自2007年起，中國已成為世界CO2排放的第一大國[2]，且排放總量持續(xù)增加，尤其以工業(yè)為主，嚴重威脅我國的環(huán)境安全和能源安全[3]。另外，我國面臨的溫室氣體減排壓力也持續(xù)高漲，一直處于國際碳減排談判的風口浪尖。

我國是世界重要的焦炭生產(chǎn)基地，山西省是全國最大的煉焦生產(chǎn)省份，多年來山西焦炭產(chǎn)量分別占全國產(chǎn)量的40%和全球產(chǎn)量的18%。煉焦行業(yè)既是耗能大戶，生產(chǎn)的焦炭又是鋼鐵行業(yè)主要的二次能源[4]。研究結(jié)果表明，山西省煉焦過去一直是僅次于鋼鐵的第二大高碳行業(yè)[5]。山西省煉焦行業(yè)碳減排壓力巨大，是山西省碳減排研究的重點領(lǐng)域。因此，基于山西省對煉焦行業(yè)碳排放影響因素及減排潛力進行研究分析是非常必須的，同時可為煉焦行業(yè)低碳發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

本文基于山西省煉焦行業(yè)生產(chǎn)工藝和設(shè)備技術(shù)水平現(xiàn)狀，分析樣本企業(yè)生產(chǎn)流程中CO2排放情況和運行參數(shù)等，建立煉焦行業(yè)CO2排放影響因素指標體系，然后利用系統(tǒng)分析綜合模型，定量評價各指標對CO2排放的影響貢獻度，并由此提出煉焦行業(yè)CO2減排建議。

1 煉焦行業(yè)CO2排放影響因素指標體系建立

根據(jù)《中國獨立焦化企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南》[6]和國際鋼鐵協(xié)會（WSA）煉焦企業(yè)CO2核算方法（第1版[7]和第2版[8]）等國內(nèi)外有關(guān)煉焦行業(yè)溫室氣體核算方法，以及煉焦行業(yè)清潔生產(chǎn)標準[9]，對煉焦行業(yè)碳排放影響因素指標進行初選，然后通過企業(yè)實際調(diào)研并采用主成分分析方法篩選和行業(yè)專家意見反復征詢，最終構(gòu)建煉焦行業(yè)CO2排放影響因素指標體系[10－11]，見圖1。該體系遵循綜合性、科學性、獨立性和可操作性原則，基本能反映目標系統(tǒng)各方面的特征，具有一定的代表意義。

圖1 煉焦行業(yè)溫室氣體排放影響因素評價指標體系

煉焦行業(yè)CO2排放影響指標體系分為3個層次，第1層是評價目標，是評價指標體系的影響結(jié)果；第2層是定量指標（二級指標），根據(jù)企業(yè)CO2排放類型劃分，包括直接排放（化石燃料燃燒排放和工業(yè)生產(chǎn)過程排放）、間接排放（電力熱力消耗隱含排放）和排放低扣（余熱回收利用）；第3層是具體各因素表征指標（三級指標），包含定性和定量2種指標，但均選取了有代表性并易于評價的企業(yè)生產(chǎn)能耗指標或設(shè)備運行參數(shù)等。

2 系統(tǒng)分析綜合評價模型建立

對于煉焦行業(yè)CO2排放影響因素評價指標體系，二級指標是企業(yè)具體CO2排放量，便于量化和比較；三級指標中涉及煉焦生產(chǎn)工藝和設(shè)備運行各類參數(shù)，部分指標難以量化或平行比較。因此，本文采用系統(tǒng)分析法中定性和定量相結(jié)合的方法模型，在指標篩選時采用主成分分析法，在綜合評價時采用層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法相結(jié)合。

2.1 主成分分析法

主成分分析法[12]是在指標較多的情況下，基于因素之間相關(guān)性將多個因素轉(zhuǎn)化為較少的綜合指標。主成分分析法計算原理和過程較為復雜，但是現(xiàn)已開發(fā)了成熟的分析軟件SPSS，因而本文在此不對計算過程做過多介紹。主成分分析需要首先建立數(shù)據(jù)矩陣A（其中行為樣本，列為因素指標），即在選定指標的基礎(chǔ)上，收集同一時間多個樣本數(shù)據(jù)；另外，在應(yīng)用主成分分析過程中，一般需要對因素指標進行相關(guān)性檢驗（即KMO檢驗），若KMO檢驗不符合標準，應(yīng)剔除或重新補充部分數(shù)據(jù)進行檢驗和評價。

本文在煉焦行業(yè)CO2排放影響因素篩選時采用了主成分分析方法，但因為樣本企業(yè)數(shù)據(jù)較少（一般樣本容量與指標數(shù)量之比達到5∶1時評價效果最好），并且KMO檢驗值為0.543（KMO值檢驗在0.5～0.6區(qū)間時評價效果較差），因此僅采用主成分分析法進行了因素篩選，具體因素指標影響評價和權(quán)重排序采用了灰色關(guān)聯(lián)分析法。

2.2 層次分析法

層次分析法[13]的評價過程和計算原理相對簡單。一般采用9標度法[14]通過兩兩比較的方式建立判斷矩陣B，然后計算判斷矩陣B的最大特征根λmax和正規(guī)化特征向量W。

另外，在評價之前也需要對矩陣B的一致性進行檢驗，即將其一致性指標CI與平均隨機一致性指標RI進行比較，當兩者比例CR小于0.1時認為判斷矩陣一致性符合要求，否則需要調(diào)整判斷矩陣直到滿足要求。

煉焦行業(yè)工業(yè)生產(chǎn)過程CO2排放影響因素多為煉焦生產(chǎn)實際運行參數(shù)，企業(yè)現(xiàn)有檢測計量條件不完善，無法進行定量表征；另外，生產(chǎn)過程CO2排放量相對較小，因此本文采用了層次分析法進行評價，結(jié)合經(jīng)典德爾菲法，即大量征詢行業(yè)專家和一線技術(shù)人員進行賦值并加以綜合平均，最終確定判斷矩陣。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法[15]主要是有效評價各因素之間的灰色關(guān)系，即主觀很難定性主導性和非主導性、密切性和不密切性?；疑P(guān)聯(lián)分析法首先需要將各因素組成的序列數(shù)據(jù)進行標準化，具體計算公式如下：

（1）成本型（越小越好）指標：

（2）效益型（越大越好）指標：

（3）固定型（穩(wěn)定最佳值β）指標：

灰色關(guān)聯(lián)分析法中各因素指標x（k）與目標的關(guān)聯(lián)度（r）和關(guān)聯(lián)系數(shù)（L0）計算公式如下：

化石燃料燃燒CO2排放影響因素評價是指標體系的評價重點，同時該部分影響因素較多，涉及生產(chǎn)過程中主要環(huán)節(jié)的運行參數(shù)，無法進行主觀定性和判斷，因此采用灰色關(guān)聯(lián)分析法和主成分分析法進行綜合評價。

3 樣本企業(yè)評價與分析

通過煉焦企業(yè)實際調(diào)研并收集樣本數(shù)據(jù)情況見表1。需要說明，12號企業(yè)生產(chǎn)工藝為清潔熱回收，與其它化產(chǎn)回收企業(yè)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)情況差異較大；另外，我國和山西省的煉焦生產(chǎn)均以化產(chǎn)回收為主。因此，本文以化產(chǎn)回收企業(yè)為重點進行CO2排放影響因素評價分析。

表1 煉焦企業(yè)溫室氣體排放影響因素指標樣本數(shù)據(jù)

3.1 二級指標權(quán)重確定

煉焦行業(yè)CO2排放影響因素指標體系中二級指標評價是基于焦炭產(chǎn)量對CO2排放量進行加權(quán)平均，計算結(jié)果見表2。

表2 化產(chǎn)回收工藝二級指標影響權(quán)重

對于清潔熱回收企業(yè)，核算方法采用物料平衡法，即化石燃料燃燒和工業(yè)生產(chǎn)過程排放合并計量，其二級指標影響權(quán)重計算結(jié)果見表3。

表3 清潔熱回收工藝二級指標影響權(quán)重

3.2 三級指標權(quán)重確定

3.2.1 化石燃料燃燒排放影響因素指標評價

（1）主成分分析法指標篩選

本文主成分分析采用軟件SPSS 19.0進行分析，提取了3個主成分并得出各因素指標的組合系數(shù)和荷載矩陣見表4和表5。

表4 解釋的總方差

表5 主成分荷載矩陣

從而得到各因素主表關(guān)于主成分的線性組合并計算出化石燃料燃燒排放綜合評價模型FZ如下所示：

評價結(jié)果見表6。本文選取了累計權(quán)重達80%的影響因素作為指標體系的評價指標，即煉焦耗熱量（V11）、入爐煤水分（V12）、燃氣含碳量（V13）、結(jié)焦時間（V14）和空氣過剩系數(shù)（V15）。

表6 采用主成分分析法的影響因素評價結(jié)果

（2）灰色關(guān)聯(lián)法權(quán)重分析

根據(jù)上述指標篩選結(jié)果，本文采用灰色關(guān)聯(lián)法對其影響權(quán)重進一步分析，評價結(jié)果見表7。

表7 采用灰色關(guān)聯(lián)法的影響因素評價結(jié)果

（3）化石燃料燃燒排放因素指標綜合權(quán)重確定

對比主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)分析2種方法的評價結(jié)果可知，指標體系中化石燃料燃燒排放因素的影響權(quán)重基本一致，本文取2種評價結(jié)果的平均值，具體計算結(jié)果見表8。

表8 化石燃料燃燒排放影響因素指標權(quán)重

3.2.2 工業(yè)生產(chǎn)過程排放影響因素指標評價

工業(yè)生產(chǎn)過程排放影響因素的判斷矩陣B為：

一致性檢驗符合要求：

各因素指標的影響權(quán)重計算結(jié)果見表9。

表9 工業(yè)生產(chǎn)過程排放影響因素指標權(quán)重

3.2.3 電力熱力隱含排放影響因素指標評價

電力和熱力隱含排放影響因素評價類似二級指標影響權(quán)重的確定，將各樣本企業(yè)的噸焦耗電量和蒸汽量轉(zhuǎn)化為標準煤，然后分別計算各企業(yè)的消耗比重情況，最后基于焦炭產(chǎn)量進行加權(quán)平均，具體計算結(jié)果見表10。

表10 電力熱力隱含排放影響因素指標權(quán)重

3.2.4 溫室氣體排放抵扣影響因素指標評價

該部分評價方法同二級指標權(quán)重確定。目前企業(yè)相關(guān)技術(shù)普及率不高，計算結(jié)果可能有偏差，因此該部分指標權(quán)重為附加權(quán)重，不直接計入總排放權(quán)重，評價結(jié)果見表11。

表11 排放抵扣影響因素指標權(quán)重

3.3 評價結(jié)果分析

煉焦行業(yè)溫室氣體排放影響因素各指標權(quán)重見表12。

表12 指標體系中各影響因素的貢獻度

綜上可得，煉焦行業(yè)CO2減排可從以下4方面進行著手：①工藝設(shè)備方面，建議推進新建焦爐先進化和大型化，減少溫室氣體逸散排放；②生產(chǎn)運行方面，建議使用高能質(zhì)低碳量的焦爐煤氣，并配備焦爐加熱自動控制系統(tǒng)，加強入爐煤水分和空燃比等參數(shù)改善，另外，減少非全負荷運行狀態(tài)；③節(jié)能降耗方面，建議繼續(xù)加強用電設(shè)備的變頻改造和導熱油利用，減少二次能源消耗；④資源回收方面，建議加快干法熄焦和煙道氣廢熱回收技術(shù)的推廣，最大可能回收余熱，從而增加CO2排放抵扣。

4 結(jié)論

本文建立了煉焦行業(yè)CO2排放影響指標體系，該體系包含煉焦生產(chǎn)過程主要能耗參數(shù)和生產(chǎn)運行參數(shù)，基本能夠涵蓋煉焦行業(yè)CO2排放的主要影響因素；同時建立了系統(tǒng)分析綜合評價模型，定性評價和定量評價相結(jié)合，從而使評價結(jié)果更加科學與客觀；然后通過山西省12個樣本企業(yè)數(shù)據(jù)進行實證分析，評價結(jié)果可信、可操作性強。

評價結(jié)果顯示：①煉焦行業(yè)樣本企業(yè)CO2排放以化石燃料燃燒排放為主，占比達66%以上；②煉焦行業(yè)CO2排放主要影響因素有燃氣含碳量、結(jié)焦時間、煉焦耗熱量和噸焦耗電量，累計總貢獻度達60%，其它影響因素貢獻度次之。因此，煉焦行業(yè)低碳發(fā)展，應(yīng)從工藝設(shè)備、生產(chǎn)運行、節(jié)能降耗和資源回收等方面有側(cè)重點地綜合入手，區(qū)域或企業(yè)可根據(jù)本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和評價結(jié)果，篩選減排技術(shù)或制定減排方案。

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