基于能量流分析的大型工業企業低碳指標體系構建研究

［摘要］工業企業的低碳化生產是我國實現節能減排總目標的重要途徑。本文從大型工業企業的能量流分析入手，以大型鋼鐵企業為例研究了碳元素流動路徑，并在此基礎上利用AHP分析方法建立了評價指標體系。體系從能量流所反映出來的五個不同角度出發，以三級評價指標對鋼鐵企業的低碳生產水平給出了衡量。結果顯示能量的回收利用是實現大型工業企業低碳生產最為有效的途徑。

［關鍵詞］能量流；低碳生產；指標體系

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2013.02.017

［中圖分類號］F206［文獻標識碼］A［文章編號］1673-0194（2013）02-0035-06

１ 引言

工業企業是國家經濟發展的支柱，也是國家能耗產生的主要來源。ＤａｖｉｄＩ．Ｓｔｅｒｎ［１］認為處于工業化進程中的發展中國家，工業在國民經濟中的比例會在相當長的時期內占據主導地位。必然要在充分工業化之后，才可能由服務業來主導國民經濟。因此，能耗高的工業所占的比例不僅不會大幅降低，而且還可能升高。鋼鐵工業作為重要的原料生產和加工部門，是國民經濟的支柱產業，是國家實現經濟高速增長的重要保障之一，也是一個國家經濟和社會發展水平的重要標志之一。同時鋼鐵工業也是資金、資源、能源、技術密集型產業。隨著工業化、城市化進程的不斷加快，資源匱乏和生態環境惡化已經成為制約我國鋼鐵產業可持續發展的主要瓶頸之一。

鋼鐵行業在傳統產業中占據著重要的地位。我國鋼鐵行業連年來迅猛發展：圖１顯示，在進入２１世紀以來，中國鋼鐵產量有了數量上的飛躍，遠遠超越了美國和日本。至２０１０年，粗鋼產量突破６億噸，達到６．２７億噸，同比增長９．２６％。這已經是我國粗鋼產量連續１４年位居世界第一。與此同時，鋼鐵行業的能耗水平也受到了各界的關注。圖２顯示了２００２-２００９年粗鋼產量及噸鋼可比能耗的變化趨勢。

曲線顯示，７年來我國的粗鋼產量保持穩定持續增長的態勢；能耗水平在２００５年時達到峰值，隨后隨著環保政策的出臺，政府監管的加強和企業自身節能減排意識的提高，能耗呈現出下降趨勢。但隨著鋼產量的不斷上升和技術更新的速度有限，20０６－20０９年的下降速度放緩。根據工信部印發的《鋼鐵工業十二五發展規劃》，在十二五期間，鋼鐵行業單位工業增加值能耗和二氧化碳排放分別下降１８％，重點統計鋼鐵企業平均噸鋼綜合能耗低于５８０千克標準煤。為了實現十二五規劃的目標，鋼鐵企業需要進一步加大降耗力度，同時控制碳氧化物的排放。

殷瑞鈺院士曾提出，鋼廠的3項主要功能分別是：鋼鐵產品制造，能源轉換和廢棄物的消納、處理及再資源化［２］。能源轉化的過程主要就是Ｃ元素隨著能量的流動而發生化學反應的過程。Ｃ元素以煤炭和焦的形式進入流程，以ＣＯ２為主的碳氧化物形式耗散排放，另一部分以化合物的形式進入鋼材等最終產品［３］。在鋼鐵生產流程內部，碳元素經過了復雜的化學反應，例如完全和不完全的氧化反應、置換反應等。

Ｃ元素在整個流程中的運行與能量的運行軌跡是同步的。隨著工序的推進，能量在流程中呈現出流動的態勢，這就形成了鋼鐵企業的能量流的概念。

能量流（ＥｎｅｒｇｙＦｌｏｗ）源于生態學，是指能量在區域生態系統的食物鏈、食物網內轉變、轉移與消耗的過程。鋼鐵企業中，各種能源介質沿著轉換、使用、排放的路徑流動，形成了能量流［４］。能源經過一系列加工、轉換、改質環節到能源產品或排放物，組成能源轉換過程；各種能源產品經過分配進入各個用戶使用直到廢棄物排放組成了能源使用過程［５］。本文在鋼鐵生產過程中的能量流分析的基礎上，討論了一種低碳生產指標體系的構建思路。

２ 鋼鐵企業能量流分析

鋼鐵的生產是一個復雜的過程，主要有礦山開采→選礦→燒結→煉鐵→煉鋼→連鑄→軋鋼等工序。其中能耗大、污染嚴重的主要是鐵前系統。按重點企業能耗工序平均值計算，煉鐵系統三大工序——燒結、焦化、高爐煉鐵，就占了噸鋼綜合能耗的７２％左右。從世界范圍來看，鋼鐵生產流程ＣＯ２排放量占到人類活動ＣＯ２排量的５％～６％［６］。其中高爐煉鐵的能耗又位于各工序之首。圖3展示的是２００５-２０１０年間大型鋼鐵企業分工序能耗的分布狀態。為了方便繪制，數據取以10為底的對數進行處理。由圖3可以看出，燒結、焦化和高爐工序的能耗是最高的，軋鋼處于第二階層，轉爐則基本上已經實現了負能煉鋼。

*數據來源：中國鋼鐵工業年鑒

２．１ 分工序能量分析

在暫時不考慮電爐短流程煉鋼的前提下，鋼鐵企業五大主要工序和產量、可比能耗之間的相關關系如表1所示。

首先，從表中可以看出，噸鋼可比能耗與粗鋼產量呈負相關，體現出大型鋼鐵企業的規模效應在能耗控制方面的效果；其次，噸鋼可比能耗與5個主要工序能耗均密切相關，尤其是轉爐和焦化工序的能耗對其影響最為明顯。

在整個流程中，各個工序利用到的含碳原料和燃料不盡相同。根據國內某鋼廠的年度能源平衡表提供的原、燃料消耗數據和國家計委能源所１９９９年的《能源基礎數據匯編》提供的折算系數，各種類型的原、燃料及其他可燃氣體對應的年度ＣＯ２排放量如圖4所示。

本文用Ｅ（Ｘ，ｉ）來表示能量流，其中Ｘ代表名稱，ｉ代表相關工序。

鋼鐵企業能量流的6大組成部分為：外部輸入、前一道工序傳入、本工序傳出、系統耗散、回收自用、回收他用［７-８］。見圖6所示。

Ｅ（ｉｎ，ｉ）——外部供應給工序ｉ的能量，包括電力、燃料、熱力、蒸汽等（ｋｇｃｅ／ｔ）；

Ｅ（ｔｒ，ｉ）——工序ｉ從前期工序中接受的能量，包括化學能、熱能等（ｋｇｃｅ／ｔ）；

Ｅ（ｒｓ，ｉ）——工序ｉ回收自用的能量，包括燃料、熱力和動力等（ｋｇｃｅ／ｔ）；

Ｅ（ｄｉ，ｉ）——工序ｉ處理工程中耗散的能量，包括機器運轉消耗的熱能等（ｋｇｃｅ／ｔ）；

Ｅ（ｒｏ，ｉ）——工序ｉ回收并被用于其他工序的能量，包括蒸汽、熱能和電力等（ｋｇｃｅ／ｔ）；

Ｅ（ｏｕ，ｉ）——工序ｉ的產出品帶走的熱能和化學能等（ｋｇｃｅ／ｔ）［９］。

Ｅ（ｉｎ，ｉ）＋Ｅ（ｔｒ，ｉ）＋Ｅ（ｒｓ，ｉ）＝Ｅ（ｄｉ，ｉ）＋Ｅ（ｒｓ，ｉ）＋Ｅ（ｒｏ，ｉ）＋Ｅ（ｏｕ，ｉ）（１）

其中，傳入部分能量Ｅ（ｔｒ，ｉ）來自上一工序的輸出，而輸出部分能量Ｅ（ou，ｉ）是下一工序的能量輸入。因此可以將能量傳入和傳出統一表達為Ｅ（ｉ－１）和Ｅ（ｉ）．因此，有以下關系式：

Ｅ（ｉｎ，ｉ）＋Ｅ（ｉ－１）＋Ｅ（ｒｓ，ｉ）＝Ｅ（ｄｉ，ｉ）＋Ｅ（ｒｓ，ｉ）＋Ｅ（ｒｏ，ｉ）＋Ｅ（ｉ）（２）

Ｅ（ｉ）＝Ｅ（ｉ－１）＋Ｅ（ｉｎ，ｉ）＋Ｅ（ｒｓ，ｉ）－Ｅ（ｄｉ，ｔ）－Ｅ（ｒｓ，ｉ）－Ｅ（ｒｏ，ｉ）（３）

Ｅ（ｉ）＝ｆ（Ｅ（ｉ－１），Ｕ（ｉ），ｉ）（４）

其中，Ｕ（ｉ）包括兩組變量，一組是Ｅ（ｉｎ，ｉ）和Ｅ（ｒｓ，ｉ），它們使得本工序的能量數量上有所增加，為正向控制變量；另一組包括Ｅ（ｄｉ，ｉ）、Ｅ（ｒｓ，ｉ）和Ｅ（ｒｏ，ｉ），它們的增加使得工序的能量減少。

由分析可知，鋼鐵企業的能量流按照實際生產中的運轉情況可分為6類，而從不同的角度進行研究又可以將這6類分別納入幾個不同的大類：從能源變化角度，可分為正向變量和負向變量兩類；從能量流動角度，可分為輸入型變量和輸出型變量等。下一節將從能耗控制目標角度入手，建立基于鋼鐵企業能量流分析的評價指標體系。

３ 基于能量流的碳排放評價指標體系構建研究

３．１ 指標體系構建

根據上節分析，本文將6類能量流變量對應于3大類目標：每個工序的目標是減少本工序的能耗，也就是減少E（i-1）-E（ｉ），本文記作“目標１”，稱之為工序能耗控制目標；鋼鐵企業能耗控制的總體目標是“節能減排”，也就是減少Ｅ（ｉｎ，ｉ）和Ｅ（ｄｉ，ｉ），本文稱其為“目標２”，也就是系統節能減排目標；而有效達成這兩個目標的手段之一，就是增加能源回收，也就是增加Ｅ（Ｒ）＝Ｅ（ｒｓ，ｉ）＋Ｅ（ｒｏ，ｉ），討論中記作“目標３”，對應于回收利用目標。此外，由于企業的相關技術指標也會影響企業的碳排放量，因此選取８個代表性的比例指標，將他們也納入到指標分析體系當中去，記作“目標４”。

詳細的指標體系及符號表示見表２。

２．１和２．２節的分析表明，工序能耗對總能耗的影響非常明顯：所謂工序能耗即對應工序的輸入與輸出能量之差，對應于Ｉ１；根據原、燃料ＣＯ２放散圖的數據，可知原、燃料的用量和回收量對低碳生產的影響也是直接而明顯的，其消耗、放散和回收水平分別對應目標Ｉ２、Ｉ３和Ｉ４；另外，冶煉過程的鐵鋼比等指標對應于目標Ｉ５。在此基礎上，本文選取了３０個三級指標，能夠較為全面地對鋼鐵企業的低碳生產水平進行評價。其中，有１８項指標為“負向”指標，即指標值越小，對低碳生產的總目標貢獻越大；另有１２項為“正向”指標，即指標值越大，對總目標的貢獻越大［９］。

３．２ 指標權重確定

在評價指標體系基本構架完成后，采用ＡＨＰ方法對指標間的相對權重進行計算［１０］。權重矩陣建立的主要依據是某鋼廠２０１０年能源平衡表及２０１０年鋼鐵行業主要生產工序能耗指標標桿值。

５個二級指標及對應的三級指標之間的權重矩陣如下：

判斷矩陣構建完成后需要對它們進行一致性檢驗以確定矩陣的有效性。一致性判斷結果如下表所示。一般認為，該指標值小于０．１時，判斷矩陣的一致性是可以接受的［１１］。可見以上5個判斷矩陣都滿足一致性要求。

根據權重矩陣，計算可得如表10帶權重的指標體系：

由表１0可以看出，相對于一級目標，Ｉ４是較為關鍵的一個指標，即能源的回收量對節能減排、低碳生產的作用最為明顯；技術相關的比例指標和原、燃料消耗量對低碳生產的作用基本持平；工序能耗和煤氣放散率對低碳生產的影響程度基本相同。相對于二級指標，影響最為顯著的5個因素分別為：轉爐能耗、外購電力消耗量、焦爐煤氣放散率、回收焦炭量和爐外精煉比。

４ 結論

本文從能量流分析的角度入手，以鋼鐵企業為例建立了大型工業企業低碳生產評價指標體系。指標體系從工序能耗、能量輸入、能量耗散、能量回收利用和能量相關技術指標5個方面進行了構建，與鋼鐵企業生產過程中的能量流動狀況彼此對應，密切相關。結果顯示，能量回收再利用的理念與相關技術是低碳生產的最關鍵影響因素，也是在綠色環保理念下鋼鐵企業能耗管理的最有效途徑。

主要參考文獻

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