鋼鐵行業碳素流評價系統及應用研究

陳洪智,王 斌

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

2022年,全球多國出現創紀錄的高溫天氣,以及隨之伴生的干旱災害。中國南方地區也面臨著高溫、干旱和電荒對生活和生產造成的困擾。毫無疑問,全球變暖產生的負面效應正以前所未有的廣度和程度困擾著人類社會。而導致全球變暖的主要原因是人類生產活動所排放的巨量溫室氣體,尤其是自工業革命以來累計排放的二氧化碳氣體。

鋼鐵行業作為工業部門的重要組成,目前其二氧化碳年度排放量約占全球排放總量的6%～8%[1]。這一情況在中國則更為嚴峻,中國鋼鐵行業目前約排放全國總量的15%～17%[2],而中國的排放總量約為全球總量的30%,數量很大?？紤]到當前全球粗鋼產量半數以上均在中國,因此中國鋼鐵行業將近貢獻全球鋼鐵生產碳排放的50%。

“30·60雙碳目標”的確立展現了中國作為發展中大國的責任擔當,也是踐行人類命運共同體的重要體現,堅定了中國社會走“綠色低碳”高質量發展之路的信心和決心,也為中國鋼鐵行業的“脫碳化”指明了方向和道路。

然而,在鋼鐵行業“脫碳化”進程中,準確把握各個企業的碳排放量和排放結構,是合理開展碳排放優化、碳市場交易和碳減排等工作的重要前提。行業企業可據此開展碳排放水平和結構分析評價,找準減碳措施實施的落腳點,科學統籌、合理規劃減碳技術的組合實施。

為此,本文擬從鋼鐵生產企業的碳排放核算評價模型出發,得到機組級、工序級、產品級和企業級碳排放水平和結構,進而為分析評價企業不同運行時期和不同企業的碳排放情況提供參考依據。

1 鋼鐵生產碳素流核算評價模型

本文介紹的鋼鐵生產碳素流核算評價模型,是基于目前權威、通用的碳排放核算方法學進行構建的。不僅可以應用于采用各類工藝流程的鋼鐵生產企業,如廢鋼-電爐短流程、高爐-轉爐長流程、直接還原-電爐短流程等,還適用于鋼鐵生產流程的各個構成工序和機組。因此,可從機組級、工序級、產品級和企業級4個維度對鋼鐵生產企業開展全方位碳排放實時精準核算評價,如圖1所示,從而建立起典型鋼鐵產品的碳足跡標簽。

圖1 鋼鐵生產多層級碳排放核算評價體系

1.1 機組級和工序級碳排放核算評價模塊

機組級和工序級碳排放核算以世界鋼鐵協會發布的《CO2數據收集用戶指南 第10版》[3]和《生命周期清單方法學報告 2017版》[4]作為方法學基礎。

機組級碳排放核算評價以鋼鐵生產各構成機組為基本單元開展。各機組核算的一般性流程如圖2所示。首先,需要劃分各機組的核算邊界。接著,在確定的核算邊界內進行排放源識別,排放源可按化石燃料、生產過程、電力熱力和固碳產品分類,與國內企業級碳排放核算分類方法保持一致,也可按產生特征分為直接、上游和信用排放源,保持與國際接軌。然后,根據各排放源的活動水平計量特點制定針對性的數據采集儀表配置方案。數據采集優先使用各生產管理系統的接口數據,對于因客觀條件限制而無法實時采集的非主要活動數據則結合專家經驗估計,并對核算結果開展不確定性分析。

圖2 鋼鐵生產多層級碳排放核算一般性流程

隨后,從前文引述的核算方法學等出版物或生命周期評價商業數據庫軟件中獲取對應排放源的排放因子缺省值。對于有條件的企業,也可針對本企業的原燃料和產品條件,委托有資質的機構,遵循相應國家標準修正對應排放因子。

接下來,可根據公式(1)開展國內通用的分類核算和匯總計算:

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

(1)

式中,Epl為機組級碳排放;AD為排放源活動水平;EF為排放源排放因子;下標fuel、proc、powe和prod分別表示化石燃料、生產過程、電力熱力和固碳產品這些排放源組成。

也可根據公式(2)進行國際慣例的分類核算和匯總計算:

Epl=ΣADd×EFd+ΣADu×EFu-ΣADc×EFc

(2)

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

工序級碳排放則可由各工序的構成機組匯總得到,可按公式(3)計算:

(3)

1.2 產品級碳排放核算評價模塊

產品級碳排放核算則以國家標準GB/T 30052-2013《鋼鐵產品制造生命周期評價技術規范(產品種類規則)》[5]和《生命周期清單方法學報告 2017版》[4]作為方法學基礎。

產品級碳排放核算評價建立在工序級的基礎之上。通過實時跟蹤鋼鐵產品制造階段在各個工序之間的碳素流轉移,可按公式(4)計算產品的碳足跡。

(4)

1.3 企業級碳排放核算評價模塊

企業級碳排放核算以發改委發布的《中國鋼鐵生產企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》[6]和國家標準GB/T 32151.5-2015《溫室氣體排放核算與報告要求 第5部分:鋼鐵生產企業》[7]作為方法學基礎。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,因此本文對二者進行了兼容處理,用戶可結合實際情況按需自由選擇,從而保證了核算過程的權威性和通用性。

企業級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,可通過公式(5)得到企業級碳排放水平和組成結構。

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

(5)

式中,Eco為企業級碳排放;AD為排放源活動水平;EF為排放源排放因子;下標fuel、proc、powe和prod分別表示化石燃料、生產過程、電力熱力和固碳產品這些排放源組成。

企業級碳排放也可由前文述及的工序級碳排放匯總得到,由公式(6)計算得到。

(6)

2 鋼鐵生產碳素流評價系統開發與應用

在鋼鐵生產碳素流核算評價理論體系的指導下,基于中冶南方先進、智能的WISDRI DPlant?工業互聯網平臺,開發出了鋼鐵生產碳素流評價系統,可幫助鋼鐵生產企業厘清碳排放現狀和碳資產數據,優化降碳技術措施,評估減排潛力,規劃低碳技術方案,并可為企業提供碳市場適時交易決策支持。

2.1 系統功能架構介紹

如圖3所示,系統功能大致分為數據采集層、數據處理層、數據應用層和數據效果層四個層次。其中數據采集層可實現企業現有生產管理系統數據的最大化再利用,如PLC、SCADA、PCS、EMS和MES系統等。對于重要的碳排放源,如果企業現有系統未做監測,本文系統也支持通過加裝相應基礎感知元件開展活動水平數據采集。對于受限于客觀條件而無法實時監測的非主要排放源,可結合現場專家的生產經驗確定出其活動水平數據,同時對核算數據開展不確定性分析,以保持結果的科學合理性。

圖3 系統功能架構介紹

數據處理層包含數據存儲和數據處理兩個方面。其中,數據存儲主要包括系統配置參數、用戶權限配置、排放因子推薦值和修正值、企業生產經營信息、機組和工序配置信息、產品制造工藝信息、排放源活動水平和排放核算統計數據等,涉及關系數據庫和時序數據庫的應用。數據處理包括排放核算邊界的定義和劃分、排放源清單的盤查、排放活動水平數據的檢驗、排放活動和核算數據的統計、排放因子與排放源匹配、機組級-工序級-產品級-企業級碳排放核算、核算報告(報表)一鍵生成、典型產品碳足跡跟蹤、排放水平量化評價、排放趨勢跟蹤分析和核算結果不確定性分析等。處理和分析過后的數據則存儲在對應的數據庫中。

在數據分析處理的基礎上,可實現數據的多場景應用,這時數據應用層便應運而生。主要包括數據的可視化呈現和分析(如按日、周、月、季、年等時間顆粒度從機組、工序 、產品和企業四個維度呈現碳排放歷史跟蹤、趨勢預測和超排預警等信息)、碳足跡標簽的標定(如典型鋼鐵產品的碳標簽和碳素流圖譜生成、用于EPD認證的基礎數據導出和供應鏈碳素流數據協同等)、碳排放水平量化評價(如碳排放歷史水平自評和同行量化評價對標等)、低碳技術減碳績效評價(如低碳類技術的政策符合度、技術成熟度、環境友好度和經濟可行度等)以及碳資產管理(如碳排放報告信息的披露、碳市場交易指南、碳排放配額預測和履約預警等)。

在上述多場景應用后,可取得對企業碳排放數據開展多維度多時間顆粒度全方位分析評價、助力低碳技術遴選開發績效評價推廣應用和碳減排績效管理提升支撐等多方面的效果,這便是數據效果層的具體表現。

2.2 系統軟硬件架構介紹

系統軟件架構如圖4所示,采用的是經典的B/S結構,系統服務端通過多功能數據接口與鋼鐵生產企業現有生產管理系統及外部系統進行數據交互。采集和分析處理的數據分別存儲在時序數據庫(如influxdb)和關系數據庫(如mysql)中。用戶可通過桌面端和移動端瀏覽器向服務端發送請求,服務端則根據請求類型向用戶實時響應碳排放核算-分析-評價結果數據、低碳技術減碳績效評價結果和碳資產管理決策支持等信息。對于諸如碳排放配額履約預警和碳市場適時交易決策建議等高時效功能,服務端會及時向瀏覽端進行數據主動推送,確保數據服務準時可達。

圖4 系統軟件架構介紹

系統硬件架構如圖5所示,系統架設在信息管理層級,與MES和EMS等生產管理系統通過工業網絡連通,與各生產過程控制和管理系統之間通過裝有隔離網關的工業網絡相連,確保外部網絡與生產網絡環境的安全隔離和有限互連。

圖5 系統硬件架構介紹

2.3 系統運行界面設計

以典型高爐-轉爐長流程為例,其系統主界面設計如圖6所示,適用于駕駛倉管理場景,主要功能菜單位于頂部菜單欄,并且一站式提供諸如企業級、工序級和產品級在不同時間顆粒度下的碳排放歷史、現狀和趨勢數據直觀展示,同時還提供該生產企業各構成工序的碳排放地圖,以位于各工序標簽上方的圓形面積(取對數后)大小直觀比較它們之間的碳排放差異。

圖6 典型長流程系統主界面設計

2.4 系統應用情況介紹

目前,系統在某鋼鐵生產企業的軋線機組上開展了實證應用,并率先在業內揭示了機組層面的碳足跡,如圖7所示。

圖7 不同牌號產品的機組碳足跡標簽

在選定的統計周期內,該軋線機組間的碳素流動網絡圖譜如圖8所示,清楚展示了該時間段內的碳素流動結構和結轉關系,為企業采取針對性措施開展降碳行動提供了重要的數據支撐。

圖8 機組間的碳素流動網絡圖譜

系統在機組層面的成功應用,也為目前正在開展的工序層面和全流程上線測試探明了道路并提供了必要的技術保障。

3 結語

在全球鋼鐵行業低碳發展的大背景下,一方面鋼鐵生產企業面臨碳排放限額轉化為生產成本的內部壓力,鋼鐵工業在國內外都屬于首先被納入碳減排范疇的重點行業,另一方面全球市場未來對鋼鐵下游企業產品的碳足跡要求會回溯,鋼鐵生產企業還將面臨為下游企業提供鋼鐵產品碳足跡報告的外部壓力。鋼鐵產品的競爭將從以往的成本、質量二元轉向成本、質量、綠色和低碳多元模式。特別是政府相關政策的制定逐步在導向強化減污降碳協同推進方面,因此碳排放基礎數據的準確性、時效性、全面性和排污關聯性等就顯得尤為關鍵和重要。

目前鋼鐵行業正處于低碳轉型的關鍵期,為助力鋼鐵行業和生產企業轉型升級后進入新一輪高質量發展,中冶南方憑借在鋼鐵全流程工程技術領域的豐富服務經驗和對鋼鐵生產系統能效監測評估技術的深刻理解和豐富實踐,基于目前權威、通用的碳排放核算方法學,建立起了鋼鐵行業碳素流核算評價模型,并以此為理論指導成功開發出鋼鐵生產企業碳素流評價系統。

該評價系統作為目前鋼鐵生產領域的碳排放在線評價工具,主要有如下三大技術特點:

其一,通過精細化界面設計,建立了鋼鐵生產過程機組級、工序級 、產品級和企業級碳排放評價體系,并搭建完整的在線核算評價系統,助力企業建立完整的產品碳足跡標簽,全方位實時掌握自身碳排放水平及變化情況,使降碳措施的實施更加有的放矢;

其二,通過生命周期法進行溯源,建立了典型鋼鐵產品生產的碳排放評價量化指標,支撐企業產品碳排放歷史自評和同行數據對標,助力企業明確碳排放現狀差距和挖掘減排潛力;

其三,通過自主開發的WISDRI DPlant?工業互聯網平臺,以大數據實時感知技術為支撐,建立了碳排放配額盈虧動態模型,通過對碳配額盈虧動態跟蹤,為企業適時開展碳交易提供智能決策,并支持一鍵生成定制化碳排放報告,可用于碳排放批露和核查,為企業碳排放管理合規化保駕護航。