钢铁行业碳素流评价系统及应用研究

陈洪智,王 斌

(1.中冶南方钢铁工程技术有限公司技术研究院,湖北 武汉 430223;2.青岛特殊钢铁有限公司,山东 青岛 266409)

2022年,全球多国出现创纪录的高温天气,以及随之伴生的干旱灾害。中国南方地区也面临着高温、干旱和电荒对生活和生产造成的困扰。毫无疑问,全球变暖产生的负面效应正以前所未有的广度和程度困扰着人类社会。而导致全球变暖的主要原因是人类生产活动所排放的巨量温室气体,尤其是自工业革命以来累计排放的二氧化碳气体。

钢铁行业作为工业部门的重要组成,目前其二氧化碳年度排放量约占全球排放总量的6%～8%[1]。这一情况在中国则更为严峻,中国钢铁行业目前约排放全国总量的15%～17%[2],而中国的排放总量约为全球总量的30%,数量很大。考虑到当前全球粗钢产量半数以上均在中国,因此中国钢铁行业将近贡献全球钢铁生产碳排放的50%。

“30·60双碳目标”的确立展现了中国作为发展中大国的责任担当,也是践行人类命运共同体的重要体现,坚定了中国社会走“绿色低碳”高质量发展之路的信心和决心,也为中国钢铁行业的“脱碳化”指明了方向和道路。

然而,在钢铁行业“脱碳化”进程中,准确把握各个企业的碳排放量和排放结构,是合理开展碳排放优化、碳市场交易和碳减排等工作的重要前提。行业企业可据此开展碳排放水平和结构分析评价,找准减碳措施实施的落脚点,科学统筹、合理规划减碳技术的组合实施。

为此,本文拟从钢铁生产企业的碳排放核算评价模型出发,得到机组级、工序级、产品级和企业级碳排放水平和结构,进而为分析评价企业不同运行时期和不同企业的碳排放情况提供参考依据。

1 钢铁生产碳素流核算评价模型

本文介绍的钢铁生产碳素流核算评价模型,是基于目前权威、通用的碳排放核算方法学进行构建的。不仅可以应用于采用各类工艺流程的钢铁生产企业,如废钢-电炉短流程、高炉-转炉长流程、直接还原-电炉短流程等,还适用于钢铁生产流程的各个构成工序和机组。因此,可从机组级、工序级、产品级和企业级4个维度对钢铁生产企业开展全方位碳排放实时精准核算评价,如图1所示,从而建立起典型钢铁产品的碳足迹标签。

图1 钢铁生产多层级碳排放核算评价体系

1.1 机组级和工序级碳排放核算评价模块

机组级和工序级碳排放核算以世界钢铁协会发布的《CO2数据收集用户指南 第10版》[3]和《生命周期清单方法学报告 2017版》[4]作为方法学基础。

机组级碳排放核算评价以钢铁生产各构成机组为基本单元开展。各机组核算的一般性流程如图2所示。首先,需要划分各机组的核算边界。接着,在确定的核算边界内进行排放源识别,排放源可按化石燃料、生产过程、电力热力和固碳产品分类,与国内企业级碳排放核算分类方法保持一致,也可按产生特征分为直接、上游和信用排放源,保持与国际接轨。然后,根据各排放源的活动水平计量特点制定针对性的数据采集仪表配置方案。数据采集优先使用各生产管理系统的接口数据,对于因客观条件限制而无法实时采集的非主要活动数据则结合专家经验估计,并对核算结果开展不确定性分析。

图2 钢铁生产多层级碳排放核算一般性流程

随后,从前文引述的核算方法学等出版物或生命周期评价商业数据库软件中获取对应排放源的排放因子缺省值。对于有条件的企业,也可针对本企业的原燃料和产品条件,委托有资质的机构,遵循相应国家标准修正对应排放因子。

接下来,可根据公式(1)开展国内通用的分类核算和汇总计算:

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

(1)

式中,Epl为机组级碳排放;AD为排放源活动水平;EF为排放源排放因子;下标fuel、proc、powe和prod分别表示化石燃料、生产过程、电力热力和固碳产品这些排放源组成。

也可根据公式(2)进行国际惯例的分类核算和汇总计算:

Epl=ΣADd×EFd+ΣADu×EFu-ΣADc×EFc

(2)

式中,Epl为机组级碳排放;AD为排放源活动水平;EF为排放源排放因子;下标d、u和c分别表示直接、上游和信用这些排放源组成。

工序级碳排放则可由各工序的构成机组汇总得到,可按公式(3)计算:

(3)

1.2 产品级碳排放核算评价模块

产品级碳排放核算则以国家标准GB/T 30052-2013《钢铁产品制造生命周期评价技术规范(产品种类规则)》[5]和《生命周期清单方法学报告 2017版》[4]作为方法学基础。

产品级碳排放核算评价建立在工序级的基础之上。通过实时跟踪钢铁产品制造阶段在各个工序之间的碳素流转移,可按公式(4)计算产品的碳足迹。

(4)

1.3 企业级碳排放核算评价模块

企业级碳排放核算以发改委发布的《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》[6]和国家标准GB/T 32151.5-2015《温室气体排放核算与报告要求 第5部分:钢铁生产企业》[7]作为方法学基础。由于二者在核算方法和排放因子推荐值的选取上存在一些差异,因此本文对二者进行了兼容处理,用户可结合实际情况按需自由选择,从而保证了核算过程的权威性和通用性。

企业级碳排放核算的一般性流程如图2所示。在确定的核算边界内,可通过公式(5)得到企业级碳排放水平和组成结构。

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

(5)

式中,Eco为企业级碳排放;AD为排放源活动水平;EF为排放源排放因子;下标fuel、proc、powe和prod分别表示化石燃料、生产过程、电力热力和固碳产品这些排放源组成。

企业级碳排放也可由前文述及的工序级碳排放汇总得到,由公式(6)计算得到。

(6)

2 钢铁生产碳素流评价系统开发与应用

在钢铁生产碳素流核算评价理论体系的指导下,基于中冶南方先进、智能的WISDRI DPlant®工业互联网平台,开发出了钢铁生产碳素流评价系统,可帮助钢铁生产企业厘清碳排放现状和碳资产数据,优化降碳技术措施,评估减排潜力,规划低碳技术方案,并可为企业提供碳市场适时交易决策支持。

2.1 系统功能架构介绍

如图3所示,系统功能大致分为数据采集层、数据处理层、数据应用层和数据效果层四个层次。其中数据采集层可实现企业现有生产管理系统数据的最大化再利用,如PLC、SCADA、PCS、EMS和MES系统等。对于重要的碳排放源,如果企业现有系统未做监测,本文系统也支持通过加装相应基础感知元件开展活动水平数据采集。对于受限于客观条件而无法实时监测的非主要排放源,可结合现场专家的生产经验确定出其活动水平数据,同时对核算数据开展不确定性分析,以保持结果的科学合理性。

图3 系统功能架构介绍

数据处理层包含数据存储和数据处理两个方面。其中,数据存储主要包括系统配置参数、用户权限配置、排放因子推荐值和修正值、企业生产经营信息、机组和工序配置信息、产品制造工艺信息、排放源活动水平和排放核算统计数据等,涉及关系数据库和时序数据库的应用。数据处理包括排放核算边界的定义和划分、排放源清单的盘查、排放活动水平数据的检验、排放活动和核算数据的统计、排放因子与排放源匹配、机组级-工序级-产品级-企业级碳排放核算、核算报告(报表)一键生成、典型产品碳足迹跟踪、排放水平量化评价、排放趋势跟踪分析和核算结果不确定性分析等。处理和分析过后的数据则存储在对应的数据库中。

在数据分析处理的基础上,可实现数据的多场景应用,这时数据应用层便应运而生。主要包括数据的可视化呈现和分析(如按日、周、月、季、年等时间颗粒度从机组、工序 、产品和企业四个维度呈现碳排放历史跟踪、趋势预测和超排预警等信息)、碳足迹标签的标定(如典型钢铁产品的碳标签和碳素流图谱生成、用于EPD认证的基础数据导出和供应链碳素流数据协同等)、碳排放水平量化评价(如碳排放历史水平自评和同行量化评价对标等)、低碳技术减碳绩效评价(如低碳类技术的政策符合度、技术成熟度、环境友好度和经济可行度等)以及碳资产管理(如碳排放报告信息的披露、碳市场交易指南、碳排放配额预测和履约预警等)。

在上述多场景应用后,可取得对企业碳排放数据开展多维度多时间颗粒度全方位分析评价、助力低碳技术遴选开发绩效评价推广应用和碳减排绩效管理提升支撑等多方面的效果,这便是数据效果层的具体表现。

2.2 系统软硬件架构介绍

系统软件架构如图4所示,采用的是经典的B/S结构,系统服务端通过多功能数据接口与钢铁生产企业现有生产管理系统及外部系统进行数据交互。采集和分析处理的数据分别存储在时序数据库(如influxdb)和关系数据库(如mysql)中。用户可通过桌面端和移动端浏览器向服务端发送请求,服务端则根据请求类型向用户实时响应碳排放核算-分析-评价结果数据、低碳技术减碳绩效评价结果和碳资产管理决策支持等信息。对于诸如碳排放配额履约预警和碳市场适时交易决策建议等高时效功能,服务端会及时向浏览端进行数据主动推送,确保数据服务准时可达。

图4 系统软件架构介绍

系统硬件架构如图5所示,系统架设在信息管理层级,与MES和EMS等生产管理系统通过工业网络连通,与各生产过程控制和管理系统之间通过装有隔离网关的工业网络相连,确保外部网络与生产网络环境的安全隔离和有限互连。

图5 系统硬件架构介绍

2.3 系统运行界面设计

以典型高炉-转炉长流程为例,其系统主界面设计如图6所示,适用于驾驶仓管理场景,主要功能菜单位于顶部菜单栏,并且一站式提供诸如企业级、工序级和产品级在不同时间颗粒度下的碳排放历史、现状和趋势数据直观展示,同时还提供该生产企业各构成工序的碳排放地图,以位于各工序标签上方的圆形面积(取对数后)大小直观比较它们之间的碳排放差异。

图6 典型长流程系统主界面设计

2.4 系统应用情况介绍

目前,系统在某钢铁生产企业的轧线机组上开展了实证应用,并率先在业内揭示了机组层面的碳足迹,如图7所示。

图7 不同牌号产品的机组碳足迹标签

在选定的统计周期内,该轧线机组间的碳素流动网络图谱如图8所示,清楚展示了该时间段内的碳素流动结构和结转关系,为企业采取针对性措施开展降碳行动提供了重要的数据支撑。

图8 机组间的碳素流动网络图谱

系统在机组层面的成功应用,也为目前正在开展的工序层面和全流程上线测试探明了道路并提供了必要的技术保障。

3 结语

在全球钢铁行业低碳发展的大背景下,一方面钢铁生产企业面临碳排放限额转化为生产成本的内部压力,钢铁工业在国内外都属于首先被纳入碳减排范畴的重点行业,另一方面全球市场未来对钢铁下游企业产品的碳足迹要求会回溯,钢铁生产企业还将面临为下游企业提供钢铁产品碳足迹报告的外部压力。钢铁产品的竞争将从以往的成本、质量二元转向成本、质量、绿色和低碳多元模式。特别是政府相关政策的制定逐步在导向强化减污降碳协同推进方面,因此碳排放基础数据的准确性、时效性、全面性和排污关联性等就显得尤为关键和重要。

目前钢铁行业正处于低碳转型的关键期,为助力钢铁行业和生产企业转型升级后进入新一轮高质量发展,中冶南方凭借在钢铁全流程工程技术领域的丰富服务经验和对钢铁生产系统能效监测评估技术的深刻理解和丰富实践,基于目前权威、通用的碳排放核算方法学,建立起了钢铁行业碳素流核算评价模型,并以此为理论指导成功开发出钢铁生产企业碳素流评价系统。

该评价系统作为目前钢铁生产领域的碳排放在线评价工具,主要有如下三大技术特点:

其一,通过精细化界面设计,建立了钢铁生产过程机组级、工序级 、产品级和企业级碳排放评价体系,并搭建完整的在线核算评价系统,助力企业建立完整的产品碳足迹标签,全方位实时掌握自身碳排放水平及变化情况,使降碳措施的实施更加有的放矢;

其二,通过生命周期法进行溯源,建立了典型钢铁产品生产的碳排放评价量化指标,支撑企业产品碳排放历史自评和同行数据对标,助力企业明确碳排放现状差距和挖掘减排潜力;

其三,通过自主开发的WISDRI DPlant©工业互联网平台,以大数据实时感知技术为支撑,建立了碳排放配额盈亏动态模型,通过对碳配额盈亏动态跟踪,为企业适时开展碳交易提供智能决策,并支持一键生成定制化碳排放报告,可用于碳排放批露和核查,为企业碳排放管理合规化保驾护航。