鋼鐵行業(yè)碳素流評(píng)價(jià)系統(tǒng)及應(yīng)用研究

陳洪智,王 斌

(1.中冶南方鋼鐵工程技術(shù)有限公司技術(shù)研究院,湖北 武漢 430223;2.青島特殊鋼鐵有限公司,山東 青島 266409)

2022年,全球多國(guó)出現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的高溫天氣,以及隨之伴生的干旱災(zāi)害。中國(guó)南方地區(qū)也面臨著高溫、干旱和電荒對(duì)生活和生產(chǎn)造成的困擾。毫無(wú)疑問(wèn),全球變暖產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)正以前所未有的廣度和程度困擾著人類社會(huì)。而導(dǎo)致全球變暖的主要原因是人類生產(chǎn)活動(dòng)所排放的巨量溫室氣體,尤其是自工業(yè)革命以來(lái)累計(jì)排放的二氧化碳?xì)怏w。

鋼鐵行業(yè)作為工業(yè)部門(mén)的重要組成,目前其二氧化碳年度排放量約占全球排放總量的6%～8%[1]。這一情況在中國(guó)則更為嚴(yán)峻,中國(guó)鋼鐵行業(yè)目前約排放全國(guó)總量的15%～17%[2],而中國(guó)的排放總量約為全球總量的30%,數(shù)量很大。考慮到當(dāng)前全球粗鋼產(chǎn)量半數(shù)以上均在中國(guó),因此中國(guó)鋼鐵行業(yè)將近貢獻(xiàn)全球鋼鐵生產(chǎn)碳排放的50%。

“30·60雙碳目標(biāo)”的確立展現(xiàn)了中國(guó)作為發(fā)展中大國(guó)的責(zé)任擔(dān)當(dāng),也是踐行人類命運(yùn)共同體的重要體現(xiàn),堅(jiān)定了中國(guó)社會(huì)走“綠色低碳”高質(zhì)量發(fā)展之路的信心和決心,也為中國(guó)鋼鐵行業(yè)的“脫碳化”指明了方向和道路。

然而,在鋼鐵行業(yè)“脫碳化”進(jìn)程中,準(zhǔn)確把握各個(gè)企業(yè)的碳排放量和排放結(jié)構(gòu),是合理開(kāi)展碳排放優(yōu)化、碳市場(chǎng)交易和碳減排等工作的重要前提。行業(yè)企業(yè)可據(jù)此開(kāi)展碳排放水平和結(jié)構(gòu)分析評(píng)價(jià),找準(zhǔn)減碳措施實(shí)施的落腳點(diǎn),科學(xué)統(tǒng)籌、合理規(guī)劃減碳技術(shù)的組合實(shí)施。

為此,本文擬從鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的碳排放核算評(píng)價(jià)模型出發(fā),得到機(jī)組級(jí)、工序級(jí)、產(chǎn)品級(jí)和企業(yè)級(jí)碳排放水平和結(jié)構(gòu),進(jìn)而為分析評(píng)價(jià)企業(yè)不同運(yùn)行時(shí)期和不同企業(yè)的碳排放情況提供參考依據(jù)。

1 鋼鐵生產(chǎn)碳素流核算評(píng)價(jià)模型

本文介紹的鋼鐵生產(chǎn)碳素流核算評(píng)價(jià)模型,是基于目前權(quán)威、通用的碳排放核算方法學(xué)進(jìn)行構(gòu)建的。不僅可以應(yīng)用于采用各類工藝流程的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè),如廢鋼-電爐短流程、高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程、直接還原-電爐短流程等,還適用于鋼鐵生產(chǎn)流程的各個(gè)構(gòu)成工序和機(jī)組。因此,可從機(jī)組級(jí)、工序級(jí)、產(chǎn)品級(jí)和企業(yè)級(jí)4個(gè)維度對(duì)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)展全方位碳排放實(shí)時(shí)精準(zhǔn)核算評(píng)價(jià),如圖1所示,從而建立起典型鋼鐵產(chǎn)品的碳足跡標(biāo)簽。

圖1 鋼鐵生產(chǎn)多層級(jí)碳排放核算評(píng)價(jià)體系

1.1 機(jī)組級(jí)和工序級(jí)碳排放核算評(píng)價(jià)模塊

機(jī)組級(jí)和工序級(jí)碳排放核算以世界鋼鐵協(xié)會(huì)發(fā)布的《CO2數(shù)據(jù)收集用戶指南 第10版》[3]和《生命周期清單方法學(xué)報(bào)告 2017版》[4]作為方法學(xué)基礎(chǔ)。

機(jī)組級(jí)碳排放核算評(píng)價(jià)以鋼鐵生產(chǎn)各構(gòu)成機(jī)組為基本單元開(kāi)展。各機(jī)組核算的一般性流程如圖2所示。首先,需要?jiǎng)澐指鳈C(jī)組的核算邊界。接著,在確定的核算邊界內(nèi)進(jìn)行排放源識(shí)別,排放源可按化石燃料、生產(chǎn)過(guò)程、電力熱力和固碳產(chǎn)品分類,與國(guó)內(nèi)企業(yè)級(jí)碳排放核算分類方法保持一致,也可按產(chǎn)生特征分為直接、上游和信用排放源,保持與國(guó)際接軌。然后,根據(jù)各排放源的活動(dòng)水平計(jì)量特點(diǎn)制定針對(duì)性的數(shù)據(jù)采集儀表配置方案。數(shù)據(jù)采集優(yōu)先使用各生產(chǎn)管理系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù),對(duì)于因客觀條件限制而無(wú)法實(shí)時(shí)采集的非主要活動(dòng)數(shù)據(jù)則結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)估計(jì),并對(duì)核算結(jié)果開(kāi)展不確定性分析。

圖2 鋼鐵生產(chǎn)多層級(jí)碳排放核算一般性流程

隨后,從前文引述的核算方法學(xué)等出版物或生命周期評(píng)價(jià)商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件中獲取對(duì)應(yīng)排放源的排放因子缺省值。對(duì)于有條件的企業(yè),也可針對(duì)本企業(yè)的原燃料和產(chǎn)品條件,委托有資質(zhì)的機(jī)構(gòu),遵循相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)修正對(duì)應(yīng)排放因子。

接下來(lái),可根據(jù)公式(1)開(kāi)展國(guó)內(nèi)通用的分類核算和匯總計(jì)算:

Epl=∑ADfuel×EFfuel+∑ADproc×EFproc+∑ADpowe×EFpowe-∑ADprod×EFprod

(1)

式中,Epl為機(jī)組級(jí)碳排放;AD為排放源活動(dòng)水平;EF為排放源排放因子;下標(biāo)fuel、proc、powe和prod分別表示化石燃料、生產(chǎn)過(guò)程、電力熱力和固碳產(chǎn)品這些排放源組成。

也可根據(jù)公式(2)進(jìn)行國(guó)際慣例的分類核算和匯總計(jì)算:

Epl=ΣADd×EFd+ΣADu×EFu-ΣADc×EFc

(2)

式中,Epl為機(jī)組級(jí)碳排放;AD為排放源活動(dòng)水平;EF為排放源排放因子;下標(biāo)d、u和c分別表示直接、上游和信用這些排放源組成。

工序級(jí)碳排放則可由各工序的構(gòu)成機(jī)組匯總得到,可按公式(3)計(jì)算:

(3)

1.2 產(chǎn)品級(jí)碳排放核算評(píng)價(jià)模塊

產(chǎn)品級(jí)碳排放核算則以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30052-2013《鋼鐵產(chǎn)品制造生命周期評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(產(chǎn)品種類規(guī)則)》[5]和《生命周期清單方法學(xué)報(bào)告 2017版》[4]作為方法學(xué)基礎(chǔ)。

產(chǎn)品級(jí)碳排放核算評(píng)價(jià)建立在工序級(jí)的基礎(chǔ)之上。通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤鋼鐵產(chǎn)品制造階段在各個(gè)工序之間的碳素流轉(zhuǎn)移,可按公式(4)計(jì)算產(chǎn)品的碳足跡。

(4)

1.3 企業(yè)級(jí)碳排放核算評(píng)價(jià)模塊

企業(yè)級(jí)碳排放核算以發(fā)改委發(fā)布的《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(試行)》[6]和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32151.5-2015《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求 第5部分:鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)》[7]作為方法學(xué)基礎(chǔ)。由于二者在核算方法和排放因子推薦值的選取上存在一些差異,因此本文對(duì)二者進(jìn)行了兼容處理,用戶可結(jié)合實(shí)際情況按需自由選擇,從而保證了核算過(guò)程的權(quán)威性和通用性。

企業(yè)級(jí)碳排放核算的一般性流程如圖2所示。在確定的核算邊界內(nèi),可通過(guò)公式(5)得到企業(yè)級(jí)碳排放水平和組成結(jié)構(gòu)。

Eco=ΣADfuel×EFfuel+ΣADproc×EFproc+ΣADpowe×EFpowe-ΣADprod×EFprod

(5)

式中,Eco為企業(yè)級(jí)碳排放;AD為排放源活動(dòng)水平;EF為排放源排放因子;下標(biāo)fuel、proc、powe和prod分別表示化石燃料、生產(chǎn)過(guò)程、電力熱力和固碳產(chǎn)品這些排放源組成。

企業(yè)級(jí)碳排放也可由前文述及的工序級(jí)碳排放匯總得到,由公式(6)計(jì)算得到。

(6)

2 鋼鐵生產(chǎn)碳素流評(píng)價(jià)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

在鋼鐵生產(chǎn)碳素流核算評(píng)價(jià)理論體系的指導(dǎo)下,基于中冶南方先進(jìn)、智能的WISDRI DPlant?工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),開(kāi)發(fā)出了鋼鐵生產(chǎn)碳素流評(píng)價(jià)系統(tǒng),可幫助鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)厘清碳排放現(xiàn)狀和碳資產(chǎn)數(shù)據(jù),優(yōu)化降碳技術(shù)措施,評(píng)估減排潛力,規(guī)劃低碳技術(shù)方案,并可為企業(yè)提供碳市場(chǎng)適時(shí)交易決策支持。

2.1 系統(tǒng)功能架構(gòu)介紹

如圖3所示,系統(tǒng)功能大致分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)效果層四個(gè)層次。其中數(shù)據(jù)采集層可實(shí)現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的最大化再利用,如PLC、SCADA、PCS、EMS和MES系統(tǒng)等。對(duì)于重要的碳排放源,如果企業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)未做監(jiān)測(cè),本文系統(tǒng)也支持通過(guò)加裝相應(yīng)基礎(chǔ)感知元件開(kāi)展活動(dòng)水平數(shù)據(jù)采集。對(duì)于受限于客觀條件而無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的非主要排放源,可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)專家的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定出其活動(dòng)水平數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)核算數(shù)據(jù)開(kāi)展不確定性分析,以保持結(jié)果的科學(xué)合理性。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)介紹

數(shù)據(jù)處理層包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)方面。其中,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要包括系統(tǒng)配置參數(shù)、用戶權(quán)限配置、排放因子推薦值和修正值、企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)信息、機(jī)組和工序配置信息、產(chǎn)品制造工藝信息、排放源活動(dòng)水平和排放核算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等,涉及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用。數(shù)據(jù)處理包括排放核算邊界的定義和劃分、排放源清單的盤(pán)查、排放活動(dòng)水平數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)、排放活動(dòng)和核算數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、排放因子與排放源匹配、機(jī)組級(jí)-工序級(jí)-產(chǎn)品級(jí)-企業(yè)級(jí)碳排放核算、核算報(bào)告(報(bào)表)一鍵生成、典型產(chǎn)品碳足跡跟蹤、排放水平量化評(píng)價(jià)、排放趨勢(shì)跟蹤分析和核算結(jié)果不確定性分析等。處理和分析過(guò)后的數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

在數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)上,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多場(chǎng)景應(yīng)用,這時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用層便應(yīng)運(yùn)而生。主要包括數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)和分析(如按日、周、月、季、年等時(shí)間顆粒度從機(jī)組、工序 、產(chǎn)品和企業(yè)四個(gè)維度呈現(xiàn)碳排放歷史跟蹤、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和超排預(yù)警等信息)、碳足跡標(biāo)簽的標(biāo)定(如典型鋼鐵產(chǎn)品的碳標(biāo)簽和碳素流圖譜生成、用于EPD認(rèn)證的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)出和供應(yīng)鏈碳素流數(shù)據(jù)協(xié)同等)、碳排放水平量化評(píng)價(jià)(如碳排放歷史水平自評(píng)和同行量化評(píng)價(jià)對(duì)標(biāo)等)、低碳技術(shù)減碳績(jī)效評(píng)價(jià)(如低碳類技術(shù)的政策符合度、技術(shù)成熟度、環(huán)境友好度和經(jīng)濟(jì)可行度等)以及碳資產(chǎn)管理(如碳排放報(bào)告信息的披露、碳市場(chǎng)交易指南、碳排放配額預(yù)測(cè)和履約預(yù)警等)。

在上述多場(chǎng)景應(yīng)用后,可取得對(duì)企業(yè)碳排放數(shù)據(jù)開(kāi)展多維度多時(shí)間顆粒度全方位分析評(píng)價(jià)、助力低碳技術(shù)遴選開(kāi)發(fā)績(jī)效評(píng)價(jià)推廣應(yīng)用和碳減排績(jī)效管理提升支撐等多方面的效果,這便是數(shù)據(jù)效果層的具體表現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)介紹

系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示,采用的是經(jīng)典的B/S結(jié)構(gòu),系統(tǒng)服務(wù)端通過(guò)多功能數(shù)據(jù)接口與鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)管理系統(tǒng)及外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。采集和分析處理的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)(如influxdb)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)(如mysql)中。用戶可通過(guò)桌面端和移動(dòng)端瀏覽器向服務(wù)端發(fā)送請(qǐng)求,服務(wù)端則根據(jù)請(qǐng)求類型向用戶實(shí)時(shí)響應(yīng)碳排放核算-分析-評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)、低碳技術(shù)減碳績(jī)效評(píng)價(jià)結(jié)果和碳資產(chǎn)管理決策支持等信息。對(duì)于諸如碳排放配額履約預(yù)警和碳市場(chǎng)適時(shí)交易決策建議等高時(shí)效功能,服務(wù)端會(huì)及時(shí)向?yàn)g覽端進(jìn)行數(shù)據(jù)主動(dòng)推送,確保數(shù)據(jù)服務(wù)準(zhǔn)時(shí)可達(dá)。

圖4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)介紹

系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖5所示,系統(tǒng)架設(shè)在信息管理層級(jí),與MES和EMS等生產(chǎn)管理系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連通,與各生產(chǎn)過(guò)程控制和管理系統(tǒng)之間通過(guò)裝有隔離網(wǎng)關(guān)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相連,確保外部網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全隔離和有限互連。

圖5 系統(tǒng)硬件架構(gòu)介紹

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行界面設(shè)計(jì)

以典型高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程為例,其系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)如圖6所示,適用于駕駛倉(cāng)管理場(chǎng)景,主要功能菜單位于頂部菜單欄,并且一站式提供諸如企業(yè)級(jí)、工序級(jí)和產(chǎn)品級(jí)在不同時(shí)間顆粒度下的碳排放歷史、現(xiàn)狀和趨勢(shì)數(shù)據(jù)直觀展示,同時(shí)還提供該生產(chǎn)企業(yè)各構(gòu)成工序的碳排放地圖,以位于各工序標(biāo)簽上方的圓形面積(取對(duì)數(shù)后)大小直觀比較它們之間的碳排放差異。

圖6 典型長(zhǎng)流程系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用情況介紹

目前,系統(tǒng)在某鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的軋線機(jī)組上開(kāi)展了實(shí)證應(yīng)用,并率先在業(yè)內(nèi)揭示了機(jī)組層面的碳足跡,如圖7所示。

圖7 不同牌號(hào)產(chǎn)品的機(jī)組碳足跡標(biāo)簽

在選定的統(tǒng)計(jì)周期內(nèi),該軋線機(jī)組間的碳素流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖譜如圖8所示,清楚展示了該時(shí)間段內(nèi)的碳素流動(dòng)結(jié)構(gòu)和結(jié)轉(zhuǎn)關(guān)系,為企業(yè)采取針對(duì)性措施開(kāi)展降碳行動(dòng)提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

圖8 機(jī)組間的碳素流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖譜

系統(tǒng)在機(jī)組層面的成功應(yīng)用,也為目前正在開(kāi)展的工序?qū)用婧腿鞒躺暇€測(cè)試探明了道路并提供了必要的技術(shù)保障。

3 結(jié)語(yǔ)

在全球鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展的大背景下,一方面鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)面臨碳排放限額轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)成本的內(nèi)部壓力,鋼鐵工業(yè)在國(guó)內(nèi)外都屬于首先被納入碳減排范疇的重點(diǎn)行業(yè),另一方面全球市場(chǎng)未來(lái)對(duì)鋼鐵下游企業(yè)產(chǎn)品的碳足跡要求會(huì)回溯,鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)還將面臨為下游企業(yè)提供鋼鐵產(chǎn)品碳足跡報(bào)告的外部壓力。鋼鐵產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)將從以往的成本、質(zhì)量二元轉(zhuǎn)向成本、質(zhì)量、綠色和低碳多元模式。特別是政府相關(guān)政策的制定逐步在導(dǎo)向強(qiáng)化減污降碳協(xié)同推進(jìn)方面,因此碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、時(shí)效性、全面性和排污關(guān)聯(lián)性等就顯得尤為關(guān)鍵和重要。

目前鋼鐵行業(yè)正處于低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期,為助力鋼鐵行業(yè)和生產(chǎn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)后進(jìn)入新一輪高質(zhì)量發(fā)展,中冶南方憑借在鋼鐵全流程工程技術(shù)領(lǐng)域的豐富服務(wù)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)能效監(jiān)測(cè)評(píng)估技術(shù)的深刻理解和豐富實(shí)踐,基于目前權(quán)威、通用的碳排放核算方法學(xué),建立起了鋼鐵行業(yè)碳素流核算評(píng)價(jià)模型,并以此為理論指導(dǎo)成功開(kāi)發(fā)出鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)碳素流評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

該評(píng)價(jià)系統(tǒng)作為目前鋼鐵生產(chǎn)領(lǐng)域的碳排放在線評(píng)價(jià)工具,主要有如下三大技術(shù)特點(diǎn):

其一,通過(guò)精細(xì)化界面設(shè)計(jì),建立了鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程機(jī)組級(jí)、工序級(jí) 、產(chǎn)品級(jí)和企業(yè)級(jí)碳排放評(píng)價(jià)體系,并搭建完整的在線核算評(píng)價(jià)系統(tǒng),助力企業(yè)建立完整的產(chǎn)品碳足跡標(biāo)簽,全方位實(shí)時(shí)掌握自身碳排放水平及變化情況,使降碳措施的實(shí)施更加有的放矢;

其二,通過(guò)生命周期法進(jìn)行溯源,建立了典型鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)的碳排放評(píng)價(jià)量化指標(biāo),支撐企業(yè)產(chǎn)品碳排放歷史自評(píng)和同行數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo),助力企業(yè)明確碳排放現(xiàn)狀差距和挖掘減排潛力;

其三,通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的WISDRI DPlant?工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),以大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知技術(shù)為支撐,建立了碳排放配額盈虧動(dòng)態(tài)模型,通過(guò)對(duì)碳配額盈虧動(dòng)態(tài)跟蹤,為企業(yè)適時(shí)開(kāi)展碳交易提供智能決策,并支持一鍵生成定制化碳排放報(bào)告,可用于碳排放批露和核查,為企業(yè)碳排放管理合規(guī)化保駕護(hù)航。