唐山市钢铁行业碳排放核算及达峰预测

研究背景：中国是钢铁生产大国。2018年中国钢铁产量占全球的51.3%，生铁、粗钢和钢材产量分别为7.71亿,9.28亿,11.06亿t。2018年唐山市生铁、粗钢和钢材产量分别为1.19亿,1.33亿,1.43亿t，约占全国总产量的15%。高产量意味着高能耗和高排放。以唐山市为例，2017年工业能源消耗占唐山社会总能耗的86.84%，钢铁行业占工业能源消耗的74.56%。若核算碳排放并研究城市碳达峰，唐山市钢铁行业应作为研究重点。对钢铁生产碳排放核算的研究，可分为单个企业和整个钢铁行业两个层面，对于单个企业更多的是根据其碳足迹分析碳排放。研究碳足迹的方法可分为投入产出法、生命周期法和IPCC法。王韵铭用定量分析方法，借助实地调研得到的京津冀地区8家钢铁生产企业(含4家钢压延加工企业、4家钢铁联合企业)的生产排放数据，对各工序碳排放、综合能源消耗、产量等进行对比分析，指出炼铁工序所占的排放量比重最大，年平均比重达到28.27%，且钢压延加工工序能耗波动明显，有较大的改进空间。针对企业的研究更加微观，每一道工序的能源消耗和碳排放均在研究范围内，排放边界的界定也很清晰，并且会比较分析不同核算方法的可行性。企业尺度的研究可以使碳排放核算更为精确，对于自下而上地建立碳排放清单有借鉴意义。同时，精确的核算意味着严格的数据要求，由于近年中国钢铁生产工艺未有较大改变，因此在现有研究基础上，根据典型企业数据可以建立行业较为通用的碳排放核算方法，以快速建立区域内的碳排放清单并核算碳排放量。为了实现“两度”目标，中国要在2020—2030年间完成碳排放达峰。随着经济结构的转型和单位GDP能源强度的下降，2025年左右可以实现碳排放达峰是一个共识性结论。针对行业层面的钢铁生产碳排放研究，可分为历史排放变化和未来情景预测两个方面，结合来看，中国钢铁生产碳排放自2010—2050年将整体呈现一个先增长后下降的趋势。

目前针对典型企业和整个行业的研究较为全面，但是对于区域内全部企业的生产碳排放研究较少。唐山市作为工业密集型城市，以能源消耗密集的钢铁行业为主，分析其碳排放变化，不仅可以掌握钢铁行业碳排放的变化趋势及达峰时间，还可为研究城市碳达峰提供参考。本文对唐山市2010—2030年钢铁生产的能源消耗及碳排放进行核算和预测，第1部分分析唐山市钢铁生产现状并建立快速核算方法，核算2017年全部企业的碳排放量；第2部分根据政策目标和发展规划设定未来发展情景，分析至2030年能源消耗和碳排放的变化，并确定了唐山市钢铁行业的碳达峰时间。

摘 要

唐山市作为工业密集型城市，2018年生铁、粗钢和钢材产量约占全国总产量的15%，同时也排放了大量的温室气体和大气污染物。以唐山市为例，研究唐山市钢铁生产碳排放2010—2030年的变化趋势，并确定达峰时间。基于《温室气体排放核算与报告要求》的计算方法，初步建立了可根据设备规模、运行时长、产能利用率和单位产品能耗参数来核算企业CO₂排放的数值算式，并将其应用于唐山市全部钢铁联合企业，计算得出2017年唐山市钢铁行业碳排放量为14042.52万t，碳排放系数为1.616 t CO₂/t钢。与文献、统计年鉴数据对比误差均<10%，表明数值算式有一定的准确性，可为自下而上地快速核算企业或区域的钢铁生产碳排放提供参考。同时，结合唐山市钢铁历史生产情况、生产现状及未来规划，借助LEAP构建了能源需求模型，得到2010—2030年唐山市钢铁生产化石能源消耗和碳排放量的变化趋势，并确定唐山市钢铁生产碳排放已于2018年达峰。

01唐山市钢铁行业现状

1.生产工艺及能源消耗

钢铁联合企业生产流程包括炼焦、烧结、炼铁、炼钢、轧钢5个环节，根据是否具有焦化工序，又可分为全流程企业和中长流程企业。具体工艺流程如图1所示(根据2018年实地调研的唐山市3家典型钢铁联合生产企业绘制，灰色为生产工序，红色为产品，黑色为原料消耗，蓝色为燃料消耗，绿色为污染物排放，黄色虚线方框内为钢铁生产化石能源消耗的部分)。通过调研和企业热设备数据收集可知：唐山市烧结工序涉及设备为带式烧结机(64%)和步进式烧结机(36%)；球团工序的设备分为竖炉(72%)和回转窑(28%)；炼铁借助高炉；炼钢设备则分为电炉和转炉。截至2018年底，具备电弧炉炼钢生产能力的企业只有4家，其中最为复杂的是炼铁工序。大量研究表明，炼铁消耗了整个钢铁生产70%以上的能源。炼铁工序中，为高炉提供热量的化石能源有喷吹煤和焦炭。喷吹煤是将煤粉从高炉风口向炉内直接喷吹的燃料，可以瞬时提高发热量，现多使用混煤，即烟煤和无烟煤的混合煤粉。提高烟煤的掺混比有利于提高喷吹煤的燃烧性能，降低焦比。现有研究提出，可以用喷吹煤气置换煤粉以简化冶炼过程。另外，焦炭是高炉炼铁消耗最多的化石能源，约占工序能耗的70%以上。唐山市钢铁联合企业大部分为中长流程企业，不具备焦化工序，高炉生产的副产品高炉煤气和焦炉生产的副产品焦炉煤气均会再次进入高炉和焦炉提供热量。此外，唐山钢铁企业炼钢工序均为负能炼钢。在轧制过程中，部分企业的热轧工艺会用到加热炉，消耗化石能源并排放温室气体，但其比重很小。

图1 典型钢铁联合企业生产流程

2.企业数量及位置

通过实地调研和资料收集可知：唐山市只有约10%的大型钢铁企业具备焦化工序，企业生产所用焦炭大部分从周边焦化企业购入。本文共收集到唐山市37家钢铁联合企业的烧结机、竖炉、高炉和转炉的设备信息，其中具备焦炉的企业只有4家。通过比较各网站、协会和地方性文件的企业数量，全国排污许可证管理信息平台(38家)、钢铁协会行业报告(37家)和唐发改环资[2018]392号《关于唐山市2018年度钢铁水泥行业能耗及达标情况的通报》(35家)可见，本文收集到的企业信息较为全面。以炼铁产能分布为例，唐山市钢铁生产多集中于迁安市、古冶区和曹妃甸区，详见图2。

图2 唐山市炼铁产能分布示意

唐山市钢铁生产设备规模如表1所示。将高炉按照炉容规模分为≤1000 m³、1000～4000 m³和≥4000 m³三类。截至2017年，唐山市钢铁行业小型高炉数量仍很多，占比约为51.7%；而大型高炉数量较少。将转炉按照容积的设计总吨位分为≤30t、30～100 t和≥100 t三类，其中大型转炉数量占比最大，为63.3%。

表1 唐山市钢铁生产设备分类

02唐山钢铁企业2017年碳排放量的核算

为快速掌握区域内全部钢铁企业的碳排放情况，在未知部分企业实际生产数据时，也能核算其碳排放数值，本节初步建立了可根据设备规模、运行时长、产能利用率和单位能耗参数来核算企业CO₂排放的数值算式，将其应用于唐山市全部钢铁联合企业，计算2017年碳排放量和各工序碳排放系数。

1.钢铁生产碳排放核算方法

国际上针对钢铁行业碳排放的核算有3种应用较为广泛的方法，分别是由政府间气候变化专门委员会(IPCC)提出的国家温室气体清单CO₂排放计算方法、国际钢铁协会(WSA)给出的碳排放计算方法和世界资源研究所(WRI)与世界可持续发展工商理事会(WBCSD)共同开发的碳排放核算方法。我国也陆续出台了《省级温室气体清单编制指南》《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》和《温室气体排放核算与报告要求》。核算的目的和数据基础不同，选择的计算方法也不同。目前，国际上应用最广泛的是由WSA提出的方法，WSA计算方法和《温室气体排放核算与报告要求》计算方法对比如表2所示。国际钢铁协会提出的算法对于生产过程中物质、能量和碳的流动都有涉及，可以直观展示出各个工序间的碳足迹，因此碳排放核算的内容更加丰富和精细，但是所需数据量较大，且部分数据在钢铁企业中并不进行统计或没有统一的标准。《温室气体排放核算与报告要求》体现的是企业整体的CO₂排放情况，数据易获得，且排放因子的设定更符合我国生产现状。结合本文的核算目标和收集到的数据类型，采用《温室气体排放核算与报告要求》中给出的算法。

表2 碳排放计算方法的比较

基于《温室气体排放核算与报告要求》中的算法，碳排放为化石燃料燃烧、过程排放、企业购入电力和热力之和，再扣除固碳产品中的碳含量(粗钢)。本文在核算过程中不考虑电力排放，且在调研时发现企业在生产过程中会完全利用副产品高炉煤气和转炉煤气，煤气也由一次能源产生，为避免重复，只核算化石燃料产生的碳排放。根据《温室气体排放核算与报告要求》中第5部分钢铁生产企业和《省级温室气体清单编制指南》中的数据，钢铁生产中所用到的燃料热值和排放因子以及过程排放因子如表3所示。

表3 燃料热值及碳排放因子

2.数据及核算过程

上节详细介绍了钢铁企业碳排放的核算方法以及数据需求，碳排放因子已确定，再结合燃料、原料的活动水平数据即可完成企业碳排放量的核算。在实际调研中发现钢铁企业工序较多，各能源消耗较为复杂，直接获得企业的产品产量和能源消耗等数据很困难，工作量大且企业生产数据多涉密。因此本文在获得企业生产设备信息的基础上，结合政府规范性文件、3家典型企业数据(调研获得)和相关文献，初步建立了基于设备规模的唐山市钢铁企业生产碳排放核算方法。

2.1设备规模与产品产量

一般来说，设备规模越大，产量也越高，单位能耗就会越低。为得出高炉容积与产能间的关系，根据《国务院关于化解产能严重过剩矛盾的指导意见》(国发〔2013〕41号)和《国务院关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》(国发〔2016〕6号)所制定的钢铁行业产能置换实施方法附件中的数据，将两者间的关系拟合如图3所示。

图3 高炉产能与容积间的关系

烧结矿产量可根据烧结机面积、产能利用系数与生产时长乘积获得。根据全国排污许可证管理信息平台所发布的生产报告，唐山带式烧结机产能利用系数均值为1.224 t/(h·m²)，步进式烧结机产能利用系数均值为1.44 t/(h·m²)。转炉产能也按照置换方法附件中的表格对照关系取值，再乘以唐山钢铁行业2017年均产能利用率。由此，在获得唐山地区钢铁企业设备信息的基础上，可由设备产能、生产时长和产能利用率的乘积获得企业各产品产量。根据文献和调研核算，在生产过程中，烧结矿与生铁的质量比≈0.7∶1，球团矿与生铁的质量比≈0.4∶1。

2.2生产时长与产能利用率

根据Wind数据库中唐山钢铁生产数据可知：唐山地区2017年高炉开工率均值为73.4%，折合年运行时长约为267.91 d。唐山地区2017年钢铁产能负荷率均值为77.06%。

2.3单位产品能耗

唐山市发改委于2018年发布的《关于对唐山市2018年度钢铁水泥行业能耗及达标情况的通报》附件1中给出了2017年唐山市28家钢铁企业的烧结、球团、高炉、转炉的单位产品能耗。烧结和炼铁工序均有化石能源消耗详见如图4、5所示。烧结单位产品能耗在46.76～53.53 kgce/t，均值为51.54 kgce/t；高炉单位产品能耗在381.11～431.83 kgce/t，均值为416.11 kgce/t。根据调研的3家企业的能源平衡表，烧结工序能源消耗能源中焦炭与无烟煤比例=7∶3，炼铁工序消耗能源中焦炭占比为77%，喷吹煤占比为23%(烟煤9%、无烟煤14%)。根据《中国废钢铁产业研究》数据，每吨生铁消耗石灰石1.7 t，白云石0.014 t。

图4 唐山市各企业烧结单位产品能耗

图5 唐山市各企业烧结和炼铁单位产品能耗

通过核算，唐山市2017年钢铁生产共计排放14042.52万tCO₂，生铁核算产量为9631.87万t，粗钢核算产量为8687.36万t，具体工序排放及与其他文献的对比见表4。可知：核算的碳排放系数与文献中的数值相近，核算生铁、粗钢产量与唐山市统计年鉴中的数据相差7.9%和4.7%，证明该计算方法有一定可行性。

表4 唐山市钢铁生产碳排放数据及对比

03唐山市钢铁行业碳排放达峰分析

为分析唐山市钢铁生产能源消耗及碳排放的变化趋势，确定其达峰时间，本节基于LEAP系统模型提供的建模基础框架构建唐山钢铁行业能源消耗模型。模型的搭建涵盖烧结、球团、炼铁和炼钢4个终端消费子部门，根据其活动水平和能源消耗强度，确定能源需求，再根据不同能源品种(本文只涉及化石能源消耗)，录入碳排放因子，核算其碳排放量。唐山市钢铁行业自2005年以来一直产能过剩。2015年12月，习近平总书记在中央经济工作会议上明确提出，钢铁去产能是结构性改革任务的重点。唐山市去产能政策的导向是“兼并重组+产能置换”，并非持续的压减产能，而是将“小、落后”置换为“大、先进”，在提高产能利用率的同时，也降低了单位产品能源消耗，减少了能源需求量和碳排放量。由于钢铁企业在产业结构和能源品种上均未出现变革，因此研究唐山市钢铁生产能源需求及碳排放的变化，最主要的影响因素是产能。唐山经信委提出，唐山市计划于2020年淘汰1000 m³以下高炉、100 t以下转炉和180 m²以下烧结机，并逐步淘汰1500 m³以下高炉、150 t以下转炉。钢铁生产企业从2017年40余家整合至30家以内，到2025年减少至25家。根据经信委所制定的减产目标，2020年唐山市炼铁总产能为8686万t/a。2020年逐步淘汰落后产能后，唐山市钢铁产能应保持平稳，产能利用率有所上升后也将保持平稳。如图6所示，以2018—2019年唐山钢铁产能利用率的变化趋势为参考，利用率整体呈现缓慢提高的趋势，但会由于限产政策施行等因素的影响，在1年中有所波动(数据来源于Wind数据库)。卢峰将产能过剩的程度划分为8个区间，产能利用率在60%～75%为显著过剩；75%～80%为轻度过剩；80%～85%为基本适度。因此，本节设定年均钢铁产能利用率上升至85%后保持不变。

图6 2018—2019年唐山市钢铁产能利用率

为确定钢铁生产的碳达峰时间，构建的模型以2017年为基准年，研究时间范围为2010—2030年。2010—2017年数据来源于唐山市统计年鉴、调研数据及相关文献。2018—2030年的能源消耗和碳排放量则根据历史期的产品产量、单位产品能耗和不同能源消耗占比等数据的变化趋势，结合区域发展规划，给出2020和2030年的数值，再借助差值函数确定其发展趋势，具体参数设定见表5。

表5 唐山市钢铁生产2018—2030年参数设定

根据LEAP模型核算的能源消费量以及碳排放变化趋势如图7、8所示。唐山市钢铁行业能源需求及碳排放量于2010—2018年持续上涨，于2018年达峰，化石能源燃料的碳排放峰值为11800万t，之后开始下降。前期的持续上涨是由于产量的持续增加，通过调研与企业交流得知，去产能在初期阶段去除的是停产、废弃产能，对于企业生产影响不大。但近年来去产能力度逐渐增大，其中2019年国家发展改革委、工业和信息化部、国家能源局联合发布《关于做好2019年重点领域化解过剩产能工作的通知》，标志着全面转入结构性去产能、系统性优产能的新阶段。现阶段重点是去除小、旧设施，而唐山市1000 m³以下的高炉数量较多，产能占比在30% 以上。2018年唐山市开展产能置换工作，将于2021年完成设施的拆除和新建，且无新增产能。此后，无论总产能是保持不变还是减小，能源消耗都会减小，相应的碳排放量也会减少。

图7 2010—2030年钢铁生产能源消费量变化

图8 2010—2030年唐山钢铁生产CO2排放量

《“十三五”控制温室气体排放工作方案》对中国和河北省分别设立了到2020年碳强度比2015年下降18%和20.5%的目标, 而《河北省“十三五”控制温室气体排放工作实施方案》则进一步对唐山市提出了碳强度比2015年下降22%的要求。按照目前发展趋势，唐山市钢铁行业2030年碳排放量将相较2015年下降23%。若达到《巴黎协定》制定的长期努力方向，即全球温升低于1.5 ℃，到2030年，全球碳排放量需要比2010年的水平下降约45%，2050年碳排放量减少75%～90%。为完成这一目标，仅仅去产能不够的，还需要结合节能减排技术。而循环经济和清洁生产技术是钢铁企业降低能耗的主要途径之一，比如提高废钢原料占比，增加电弧炉炼钢占比，发展碳捕捉技术(CCUS)。尤其是近年研究的重点CCUS技术被认为能够实现化石能源利用产生的 CO₂近零排放，甚至实现负碳。多种减排措施的组合使用，将更好地完成减排目标，也可将本节作为基准情景，在此基础上根据不同的措施制定相应的减排情景，分析其影响因素。

04结论及展望

本文基于《温室气体排放核算与报告要求》的计算方法，初步建立了可根据设备规模、运行时长、产能利用率和单位产品能耗参数来核算企业CO₂排放的数值算式，将其应用于唐山市全部钢铁联合企业，计算了2017年碳排放量和各工序碳排放系数。同时，通过研究唐山市钢铁历史生产、生产现状及未来规划，借助LEAP模型构建了基准情景，得出2010—2030年唐山市钢铁生产化石能源消耗和碳排放量的变化趋势，得出以下主要结论：

1)初步建立钢铁生产CO₂排放核算算式，可对企业、区域和行业的生产碳排放进行核算。唐山市钢铁生产并不具有特殊性，其原料、燃料及工艺均可代表国内现阶段生产水平。根据生产政策等差异对产能利用率、生产时长和单位产品能耗进行修正后，也可以快速计算出其他时间或区域内的钢铁生产碳排放。

2)计算得出唐山市钢铁生产2017年碳排放量14042.52万t，碳排放系数为1.616 t CO2/t，其中，烧结工序的碳排放系数为0.19 t CO₂/t，炼铁工序的碳排放系数为1.27 t CO₂/t。生铁和粗钢的核算值与统计年鉴中的报告值相差7.9%和4.7%，一定程度上证明了算式的准确性。

3)唐山市钢铁生产碳排放约在2018年达峰，之后随着产能置换、能效提高和节能减排技术的完善而持续下降。但若要完成《巴黎协定》的长期努力方向，需要多种措施的组合进行。

目前国际上碳排放数据皆存在一定的滞后性，且监测的准确性难以保证，例如卫星遥感CO₂探测、CO₂移动检测设备等均难以精确量化，因此快速核算碳排放的方法尤为重要。若要进一步提高核算的准确性，则应通过加快企业能源监测管理系统的完善，设定更精确的碳排放因子来实现。为获得更精确的碳达峰时间，可以在后续研究中将国际钢铁市场的发展趋势作为驱动因素来预测碳排放的变化。产能和单位产品能源消耗现阶段虽然不会再增加，但产量受市场的需求影响可能会上涨，或出现较大波动。所以，今后的研究应将各种影响因素更好地统筹，以减少不确定性。