鋼鐵企業(yè)煤氣摻燒發(fā)電機(jī)組的碳配額分配方法分析

蔡震綱，盧 笛

（1 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2 中碳能投科技有限公司，北京100084）

1 綜述

大型聯(lián)合鋼鐵企業(yè)在冶煉生產(chǎn)時需要大量電力，也伴隨產(chǎn)生了大量煤氣需要消納，自備電廠應(yīng)運(yùn)而生。自備電廠一般分為兩類機(jī)組：純燒煤氣的發(fā)電機(jī)組與摻燒煤粉和煤氣的發(fā)電機(jī)組。富余煤氣隨生產(chǎn)變化比較大，對于純燒煤氣的發(fā)電機(jī)組，負(fù)荷調(diào)整頻繁，很多時間發(fā)電效率處于較低水平。對于煤粉和煤氣摻燒的發(fā)電機(jī)組，煤氣變化時，調(diào)整煤粉量穩(wěn)定發(fā)電負(fù)荷，效率較高，也是鋼鐵企業(yè)煤氣平衡和降低放散的重要手段[1]。

從2013 年開始，全國在8 個省市進(jìn)行碳交易試點(diǎn)工作。碳排放配額（簡稱配額）是指參與碳排放權(quán)交易的單位和個人依法取得，可用于交易和重點(diǎn)排放單位溫室氣體排放量抵扣的指標(biāo)[2]?？嘏牌髽I(yè)實(shí)際碳排放量大于配額時，需要從碳市場購買足夠配額滿足履約要求；實(shí)際排放量小于配額時，差額部分可在碳市場上出售。8 個國內(nèi)試點(diǎn)碳市場都采用了歷史總量下降法來給自備電廠發(fā)放配額，歷史總量下降法的局限性限制了鼓勵先進(jìn)的初衷，本文的重點(diǎn)是如何科學(xué)合理地使用基準(zhǔn)值法向煤氣摻燒發(fā)電機(jī)組發(fā)放配額。

2 煤氣對發(fā)電機(jī)組碳排放的影響

煤氣摻燒發(fā)電機(jī)組的碳排放除了受與常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組的一致的煤品種、年運(yùn)行小時數(shù)、供熱比等因素影響之外，煤氣品種差異和煤氣摻燒率也有很大關(guān)系。

2.1 煤氣特性差異

高爐生產(chǎn)時，在高溫下焦炭中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成一氧化碳，進(jìn)一步發(fā)生還原反應(yīng)去除鐵礦石中的氧，最終產(chǎn)生二氧化碳和鐵。這種爐氣由原空氣中的氮?dú)?、過量一氧化碳和二氧化碳為主組成的混和氣體，就是“高爐煤氣”，每噸鐵產(chǎn)生1400～1800 m3高爐煤氣。煤氣組成如表1 所示，其發(fā)熱量比較低，約為天然氣的10%，但由于其發(fā)生量巨大，是鋼鐵企業(yè)中可利用的重要能源之一。

表1 煤氣組成和熱值

轉(zhuǎn)爐中，鐵水的碳在高溫下與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)一氧化碳和二氧化碳，完成“鐵變鋼”過程，而產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過凈化降溫后，回收的部分被稱為“轉(zhuǎn)爐煤氣”，每生產(chǎn)一噸鋼，大約可回收100 m3轉(zhuǎn)爐煤氣。

焦?fàn)t煤氣是煤在焦?fàn)t中隔絕空氣經(jīng)過高溫干餾后，在產(chǎn)出焦炭和焦油產(chǎn)品的同時所產(chǎn)生的可燃性氣體，每噸焦炭伴隨產(chǎn)生450～480 m3焦?fàn)t煤氣。

三種煤氣的碳全部來自于煤，但在煉焦、高爐和轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)時沒有全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳，而是通過其它工序的燃燒最終變?yōu)槎趸寂欧?，因此煤氣兼有過程排放和燃燒排放的特點(diǎn)。三種煤氣的熱值從天然氣的10%～50%，其原始二氧化碳的含量又不相同，對于相同供熱量，其碳排放差異巨大。如圖1 所示，單位熱值含碳量高爐煤氣約為煙煤的2.7 倍，而焦?fàn)t煤氣僅為煙煤的0.5倍。正是這個巨大的差異，造成了不同燃料結(jié)構(gòu)下，自備電廠碳排放差異顯著，難以采用燃煤或燃?xì)鈾C(jī)組的單一基準(zhǔn)值進(jìn)行碳配額發(fā)放。

圖1 不同燃料的單位熱值含碳量缺省值對比圖

2.2 煤氣摻燒率

圖2 供電碳排放強(qiáng)度和高爐煤氣熱量占比相關(guān)性分析

作者研究了三種煤氣對供電碳排放強(qiáng)度之間的關(guān)系，其中高爐煤氣的影響是最高的，統(tǒng)計(jì)了不同機(jī)組、不同高爐煤氣摻燒比例和供電碳排放強(qiáng)度的相關(guān)性分析，數(shù)據(jù)表明，呈顯著的線性相關(guān)，如圖2所示。

回歸公式可以簡單歸納為：供電排放強(qiáng)度=0.707+1.73×高爐煤氣熱量占比，S=0.0178818，RSq=99.9%，R-Sq（調(diào)整）=99.9%。由于統(tǒng)計(jì)量14 個還比較少，更為嚴(yán)格和精確的回歸分析需要更多的數(shù)據(jù)去驗(yàn)證。

高爐煤氣燃燒溫度低，產(chǎn)生不發(fā)光火焰，火焰黑度小，輻射放熱能力差，燃燒煙氣體積龐大。高爐煤氣摻燒率越高，燃燒需用空氣量越小，最大摻燒時空氣量約為全燒煤時的85%左右，而煙氣量為全燒煤時的170%。隨著高爐煤氣摻燒率的增加，排煙溫度上升，鍋爐效率下降。排煙量和排煙溫度要高于燃煤爐[2]，同時要兼顧不同比例的燃料特性[3]和環(huán)保達(dá)標(biāo)排放要求，其鍋爐效率必然要下降5%，但仍然是鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的有力手段。如圖3。

圖3 高爐煤氣摻燒率的影響

3 煤氣摻燒發(fā)電機(jī)組的碳排放配額方法

煤氣摻燒發(fā)電機(jī)組獨(dú)特的碳排放特性需要探索一種相適應(yīng)的碳排放配額方法。這里基于實(shí)踐和文獻(xiàn)查閱，提出了三種碳排放基準(zhǔn)值配額分配方法。

3.1 按燃料配比的碳排放配額方法

盡管三種副產(chǎn)煤氣的單位熱值含碳量缺省值差異比較大，但對單一燃料，單位發(fā)電碳排放強(qiáng)度同供電煤耗成正比，因此可以按照此原理設(shè)定各種燃料的基準(zhǔn)值。燃煤部分的碳排放按常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組基準(zhǔn)值發(fā)放，煤氣的碳配額按照等效供電煤耗（略考慮效率下降，乘以調(diào)整系數(shù)）相對應(yīng)的碳排放基準(zhǔn)值修正后發(fā)放配額。也就是說，對于三種副產(chǎn)煤氣分別制定碳排放基準(zhǔn)值，煤氣摻燒發(fā)電機(jī)組的碳排放基準(zhǔn)值是燃煤、各種煤氣碳排放基準(zhǔn)值的加權(quán)平均，權(quán)重分別為其燃料的熱量比。其公式如下：

式中：A——煤氣摻燒發(fā)電機(jī)組的碳排放基準(zhǔn)值，t/MWh;

wi——各種燃料的熱量占總熱量的比值，%;

Bi——煤炭、副產(chǎn)煤氣的碳排放基準(zhǔn)值，t/MWh。

式中：NCVi——各種燃料的標(biāo)準(zhǔn)低位發(fā)熱值，GJ/t或GJ/m3;

Qi——發(fā)電機(jī)組各燃料的使用量，t或m3。

式中：B煤炭——煤炭的碳排放基準(zhǔn)值，t/MWh;

CCi——各種副產(chǎn)煤氣的單位熱值含碳量，tC/TJ，缺省值見圖1;

CC煤炭——發(fā)電煤的單位熱值含碳量，tC/TJ，缺省值見圖1;

Fi——各種煤氣調(diào)整系數(shù)，缺省取值1.05。

參照公式（1）和圖1 的缺省值，可得煤氣摻燒發(fā)電機(jī)組的碳排放配額各種的基準(zhǔn)值，見表2。

表2 各種燃料碳排放基準(zhǔn)值

該方法對不同燃料設(shè)置了碳排放基準(zhǔn)值，不同的燃料結(jié)構(gòu)采用加權(quán)平均設(shè)置總的碳排放基準(zhǔn)值，對不同燃料的適應(yīng)性比較好，但核查計(jì)算量相對比較大，而且對副產(chǎn)煤氣的體積計(jì)量的準(zhǔn)確性提出了較高要求。通常副產(chǎn)煤氣的計(jì)量采用體積量計(jì)算，但由于同一種煤氣的溫度、壓力和成分波動比較大，要形成統(tǒng)一的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，需要多種計(jì)量補(bǔ)正和歸一：

(1)溫度和壓力補(bǔ)正。燃?xì)鈶?yīng)在標(biāo)況下計(jì)量。標(biāo)況：通常指溫度為0 ℃（273.15 k）和壓強(qiáng)為101.325 kPa（1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）的情況，實(shí)際測量時要同時檢測溫度和壓力對體積補(bǔ)正。

(2)熱值補(bǔ)正。即使是同一種煤氣，成分波動比較大，要統(tǒng)一折算到標(biāo)準(zhǔn)熱值后的體積量。例如，轉(zhuǎn)爐煤氣設(shè)定2000×4.18 kJ/m3在標(biāo)況下為標(biāo)準(zhǔn)立方米，則1800×4.18 kJ/m3的1 m3轉(zhuǎn)爐煤氣只能折算為0.9 m3。

(3)水份補(bǔ)正。副產(chǎn)煤氣在發(fā)生端是富含飽和水的狀態(tài)，隨著管道的輸送，溫度下降，大量冷凝水析出。水分壓差異導(dǎo)致了流量體積差異，因此需要折算到標(biāo)況下的干煤氣體積量。

3.2 天然氣替代法碳排放配額方法

歐洲碳排放交易體系是世界上最大的碳排放交易市場，其建設(shè)歷程分為四個階段：2005～2007 年為初始運(yùn)行階段，目的是積累運(yùn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。2008～2012 年為第二階段，配額超發(fā)，碳價走低至3€/tCO2。第三階段是從2013～2020 年，排放配額總量持續(xù)收緊，每年以1.74% 的速度下降，以確保2020 年溫室氣體排放要比1990 年至少低20%。第四階段，2021～2030年，排放總量要比2005年下降43%。在研究了鋼鐵工業(yè)副產(chǎn)煤氣既有過程排放又有燃料排放的特點(diǎn)的情況下，由Ecofys 主導(dǎo)研究的《Methodology for the free allocation of emission allowances in the EU ETS post 2012》“Sector report for the iron and steel industry”[4]對鋼鐵工業(yè)相關(guān)的碳排放配額做了研究并指出相應(yīng)對策。核心問題是副產(chǎn)煤氣的碳排放應(yīng)該計(jì)在使用端、發(fā)生端還是兩者都承擔(dān)，討論了三種方法：

(1)副產(chǎn)煤氣的碳排放全部記在發(fā)生端。亦即高爐煤氣的碳排放都計(jì)算在高爐工序，所有后續(xù)工序使用的高爐煤氣的碳排放都不重復(fù)計(jì)算。

(2)副產(chǎn)煤氣的碳排放全部記在使用端。亦即高爐煤氣的碳排放全部計(jì)算在使用高爐煤氣的軋鋼、發(fā)電等用戶。

(3)副產(chǎn)煤氣的碳排放由高爐和用戶共同承擔(dān)。其中引入了天然氣替代法，即使用高爐煤氣的用戶像使用天然氣一樣，采用天然氣的碳排放因子。由于天然氣的單位熱量碳排放低于高爐煤氣，因此高于天然氣的部分碳排放歸結(jié)在高爐。焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的處理方法同理亦然。

經(jīng)過歐盟內(nèi)部的討論研究，三種方法各有利弊。但由于歐盟的碳排放最小的核算單位是裝置，而不是公司法人，因此需要對大量的裝置都核算碳排放。如果采用方法1，有些使用高爐煤氣的裝置就沒有碳排放，不適合歐盟碳排放交易體系。方法2 由于煤氣品種比例的不同，難以對同一類型的裝置制定統(tǒng)一的碳排放基準(zhǔn)值。方法3將因煤氣品種不同造成的碳排放交易全部歸結(jié)在發(fā)生端，使用端就像使用天然氣，不僅能對所有的裝置核算，也可以制定統(tǒng)一的基準(zhǔn)值，適合歐盟碳排放交易體系，因此經(jīng)多次討論最終采用方法3。

2016 年7 月，歐盟發(fā)布了碳排放標(biāo)準(zhǔn)EN 19694-2《Stationary source emissions-Greenhouse Gas(GHG)emissions in energy-intensive industries-Part 2：Iron and steel industry》，煤氣的碳排放因子推薦數(shù)據(jù)如表3。

表3 副產(chǎn)煤氣的統(tǒng)計(jì)碳排放因子 t/GJ

對于我國摻燒煤氣的自備電廠來說，由于天然氣的單位熱值碳排放低于煤炭，因此如采用常規(guī)燃煤電廠的碳排放基準(zhǔn)，摻燒煤氣自備電廠的碳排放配額就會富余，電廠將缺少進(jìn)一步降低碳排放的動力，因此有必要針對這種類型的自備電廠制定相應(yīng)的基準(zhǔn)值?？梢詤⒄铡鞍慈剂吓浔鹊奶寂欧排漕~方法”，只需引用表2天然氣的基準(zhǔn)值。

3.3 只計(jì)算煤炭的碳排放配額分配方法

煤氣摻燒發(fā)電避免了能源的浪費(fèi)，提高了企業(yè)整體能源利用率，可以視為一種余熱余能的利用。根據(jù)國家碳市場的相關(guān)規(guī)定，對于企業(yè)余熱余能利用發(fā)電的排放因子應(yīng)按零計(jì)算。按照這個思路，對于煤氣摻燒發(fā)電機(jī)組可以參考碳市場初期對于燃?xì)怆姀S的處理方式，燃?xì)獠糠植恍璩袚?dān)履約責(zé)任。因此，核算鋼鐵企業(yè)自備電廠的碳排放量時只需要按照發(fā)電行業(yè)核算指南計(jì)算煤粉燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放。

至于配額端，目前國家碳市場發(fā)電行業(yè)采用基準(zhǔn)法進(jìn)行配額分配[7]。由于煤氣摻燒機(jī)組的電量中有一部分是來自煤氣，另一部分來自煤炭，如果按照目前全口徑發(fā)電量的配額分配方案，會導(dǎo)致煤氣摻燒機(jī)組的配額過量。此外，考慮到煤氣對于發(fā)電機(jī)組整體發(fā)電效率的影響，應(yīng)對機(jī)組供電量進(jìn)行修正：根據(jù)熱量占比計(jì)算煤氣所貢獻(xiàn)的電量或熱量后對其進(jìn)行扣除；給予煤氣摻燒機(jī)組5%的額外配額照顧。

具體計(jì)算方法如下：

式中：A——煤氣摻燒機(jī)組配額，t;

Be——供電碳排放基準(zhǔn)值，t/MWh;

E——供電量，MWh;

Bh——供熱碳排放基準(zhǔn)值，t/GJ;

Q——修正供熱量（參考國家發(fā)電行業(yè)配額分配方法），GJ;

Fr——供熱量修正系數(shù)，2019 年為1-0.23×供熱比?！?019 年發(fā)電行業(yè)重點(diǎn)排放單位（含自備電廠、熱聯(lián)產(chǎn)）二氧化碳排放配額實(shí)施》;

w——煤氣熱量占比，%;

Fg——煤氣摻燒修正系數(shù)，取1.05。

式中：NCVi——各種煤氣的標(biāo)準(zhǔn)低位發(fā)熱值，GJ/m3;

Qi——發(fā)電機(jī)組各種煤氣的使用量，m3;

NCVj——各種燃料的標(biāo)準(zhǔn)低位發(fā)熱值，GJ/t或GJ/m3;

Qj——發(fā)電機(jī)組各種燃料的使用量，t或m3。

此方法的好處在于可以匹配國家目前通用發(fā)電行業(yè)的核查方法，不用改變目前自備電廠發(fā)電機(jī)組的碳排放核算結(jié)果，只需要在核算配額時進(jìn)行修正；且對煤氣的計(jì)量要求不是很高，只需要計(jì)量電廠煤氣消耗量，國內(nèi)大部分企業(yè)均能夠做到，可操作性較高。采用此方法，使用《2019 年發(fā)電行業(yè)重點(diǎn)排放單位（含自備電廠、熱聯(lián)產(chǎn)）二氧化碳排放配額實(shí)施方案》的基準(zhǔn)，模擬某自備電廠的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行試算，結(jié)果如表4。

表4 某自備電廠的碳排放情況

注：以上數(shù)據(jù)以排放配額量為100%，實(shí)際排放量是和配額量的比值，非絕對數(shù)值。

發(fā)電機(jī)組1 比機(jī)組2 供電煤耗低1.5%，供電排放強(qiáng)度和配額基準(zhǔn)值相比低1.7%，說明供電煤耗低，供電碳排放強(qiáng)度低，而且呈比較明顯的線性相關(guān)性,符合原理和預(yù)期。

3.4 煤氣摻燒發(fā)電機(jī)組的碳排放配額的幾種方法比較

對于如圖4 燃料結(jié)構(gòu)的自備電廠，可以采用上述三種方法進(jìn)行碳排放配額分配，如圖5所示，顯然只計(jì)算煤炭的方法比較簡單，不需要涉及各種煤氣或天然氣發(fā)電碳排放的基準(zhǔn)值，而且和目前的常規(guī)燃煤機(jī)組的碳排放基準(zhǔn)值保持兼容，無論是否同鋼鐵行業(yè)還是發(fā)電行業(yè)一同進(jìn)入全國碳市場，技術(shù)準(zhǔn)備條件相同，碳排放的基準(zhǔn)值相同。由于都是致力于驅(qū)動煤炭部分的碳排放降低，因此內(nèi)在的驅(qū)動力相同，容易使得內(nèi)在的碳價值統(tǒng)一。

圖4 典型煤氣摻燒機(jī)組燃料結(jié)構(gòu)

圖5 配額方法比較

4 結(jié)論

鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣的碳排放既有過程排放也有燃料排放的兩種特性，對于副產(chǎn)煤氣碳排放的不同核算方法導(dǎo)致了摻燒煤氣機(jī)組配額分配方法的不同。作者研究了歐盟碳交易體系十幾年來對鋼鐵企業(yè)碳配額分配方法的評估報告，結(jié)合我國碳交易試點(diǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，推薦只計(jì)算煤炭的碳排放配額分配方法，該方法不僅和常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組采用統(tǒng)一通用的基準(zhǔn)值，而且核查方法簡單高效，有利于發(fā)電行業(yè)和鋼鐵行業(yè)的全國碳交易市場無縫交接。