基于钢铁厂层面的全球钢铁行业二氧化碳排放核算方法

摘要

一种基于钢铁厂层面的二氧化碳排放核算方法，包括以下步骤：基础数据采集，包括采集钢铁厂数据及钢铁行业数据；利用降尺度手段，匹配所述钢铁厂各生产单元产能数据及所述钢铁行业数据，核算各钢铁厂年度活动水平数据；采用排放因子方法，利用碳排放因子数据以及钢铁厂年度活动水平数据，获得基于工艺装置、高精度的全球钢铁厂二氧化碳排放数据。该方法解决了碳排放评估中工艺设备信息不完备问题，提高了钢铁行业碳排放评估数据的精确度，有效降低评估结果的不确定性，提高了钢铁行业二氧化碳排放核算的准确性和预估的可靠度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳排放核算方法，特别是一种基于钢铁厂层面的二氧化碳排放核算方法。

背景技术

钢铁行业是国家经济的支柱，也是世界上能源密集度最高的行业之一，其在能源经济体系和气候变化中的作用至关重要。目前钢铁生产工艺流程，钢铁行业发展阶段和相应的环境影响方面，在全球各区域间存在着巨大的差异。然而，目前的钢铁行业的二氧化碳排放计算方法大多局限于国家层面或极个别具有特定工艺的假设工厂；鉴于世界范围内钢铁行业生产工艺和发展阶段的空间差异，这样的钢铁行业的二氧化碳排放核算方法带来很大的不确定性，无法推广，不足以支持全球化钢铁行业精准碳减排工作。因此，迫切需要依据区域特征，基于钢铁厂生产工艺流程、年龄结构的厂级层面的二氧化碳排放核算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于钢铁厂层面的二氧化碳排放核算方法，以解决现有全球钢铁厂二氧化碳排放核算方法存在的不足。

本发明提供一种基于钢铁厂层面的全球钢铁行业二氧化碳排放核算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S01、基础数据采集，包括采集钢铁厂数据及钢铁行业数据；其中，钢铁厂数据包括全球钢铁厂各生产单元产能数据，以及钢铁厂地理位置数据；钢铁行业数据包括全球各国家钢铁行业分冶炼工艺、分产品的年度产量数据、产能数据以及碳排放因子数据；

步骤S02、利用降尺度手段，匹配所述钢铁厂各生产单元产能数据及所述钢铁行业数据，核算各钢铁厂年度活动水平数据；

步骤S03、采用排放因子方法，利用步骤S01中获得的碳排放因子数据以及步骤S02中获得的钢铁厂年度活动水平数据，获得基于工艺装置、高精度的全球钢铁厂二氧化碳排放数据。

进一步地，所述钢铁厂数据还包括各国钢铁行业焦炭燃料消费量数据。

进一步地，所述碳排放因子数据包括各工艺碳排放因子数据以及燃料燃烧碳排放因子数据。

进一步地，所述步骤S01中，获取所述钢铁厂数据及钢铁行业数据后，对所述数据进行预处理，预处理按照下列步骤进行：

(1)去除重复项和剔除异常值；

(2)将获得的钢铁厂数据按照生产单元分类整理；

(3)依据获得的全球所有国家钢铁行业分冶炼工艺、分产品的产能数据、产量数据，采用降尺度或插值手段，对缺失产能信息的钢铁厂数据进行校正或补充。

进一步地，所述钢铁厂年度活动水平数据具体为各生产单元钢铁产品产量或焦炭燃料消耗量。

进一步地，所述步骤S02中，以所述钢铁行业年度产量数据作为基准，以国家或地区为单位，按照所述钢铁厂各生产单元的产能进行分配，可以得到全球各钢铁厂各生产单元的钢铁产品产量：

其中，A代表每个钢铁厂的具体钢铁产品产量；c代表钢铁加工单位的具体产能；i、k、p、t分别代表钢铁厂、国家或地区、产品类型、计算年份。

进一步地，所述步骤S02中，以所述钢铁行业燃料消耗数据作为基准，以国家或地区为单位，按照所述钢铁厂各生产单元的产能进行分配，可以得到全球各无自备焦化厂冶金焦生产单元的具体燃料消耗量：

其中，F代表每个钢铁厂的具体燃料消耗量；c代表钢铁加工单位的具体产能；i、j、k、p、t分别代表钢铁厂、燃料类型、国家、产品类型、计算年份。

进一步地，对于自备焦化装置的钢铁厂，以及采用其他工艺流程的钢铁厂：

对于无自备焦化装置的钢铁厂：

进一步地，对于自备焦化装置的钢铁厂，以及采用其他工艺流程的钢铁厂，各钢铁厂每个生产单元的碳排放量计算方式如下：

其中，

对于无自备焦化装置的钢铁厂，除焦化装置外的每个生产单元的碳排放量计算方式如下：

其中，

本发明的基于钢铁厂层面的全球钢铁行业二氧化碳排放评估方法，采用微观层面钢铁厂工艺装置、运营特征、地理位置数据、以及宏观层面钢铁行业产品产量数据，形成多尺度、精细化全球钢铁厂碳排放数据库，实现对分工艺单元、年龄结构的全球钢铁厂二氧化碳排放数据的提取。将厂级层面全球钢铁厂碳排放数据库引入碳排放评估领域，解决了碳排放评估中工艺设备信息不完备问题，提高了钢铁行业碳排放评估数据的精确度，有效降低评估结果的不确定性，提高了钢铁行业二氧化碳排放核算的准确性和预估的可靠度，为国家实现钢铁行业的精准减排和钢铁行业的碳达峰、碳中和提供数据支撑。

附图说明

为了更完整地理解本发明，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1为本发明的基于钢铁厂层面的全球钢铁行业二氧化碳排放核算方法的流程图。

具体实施方式

为说明清楚本发明的目的、技术细节及有效应用，使之便于本领域普通技术人员理解与实施，下面将结合本发明实施例及附图作进一步的详细阐述。显然，此处描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于钢铁厂层面的全球钢铁行业二氧化碳排放核算方法，包括以下步骤：

步骤S01、基础数据采集，包括采集钢铁厂数据及钢铁行业数据。

其中，钢铁厂数据为包括全球钢铁厂的点源数据，主要包括全球钢铁厂各生产单元产能数据，以及钢铁厂地理位置数据。

所述钢铁厂各类生产单元活动水平数据的采集，利用Steelonthenet数据集(https://www.steelonthenet.com/)进行，并用Bloomberg数据集(https://www.bloomberg.com/markets)作为补充；利用上述数据集，获取全球钢铁厂的运营状态、开始服役时间、退役时间、更新升级时间、包含生产单元工艺装置及产能数据、以及地址信息等。

以日照钢铁厂为例，获得其运营状态为：运转，退役时间为：未退役，开始服役时间为：2004年，更新升级时间为：未更新升级，其钢铁冶炼关键生产单元工艺装置为：烧结装置、高炉炼铁装置、及转炉炼钢装置；年产能分别为：1326万吨、1293万吨、及1754万吨；其地址为：中国山东省日照市岚山区沿海路600号。

对于所述钢铁厂地理位置数据，利用OpenStreetMap和百度地图采集。依据获取的钢铁厂的地址信息，在对应地图网站中获得精确的地理位置数据，例如经度、纬度等。

其中，钢铁行业数据包括全球各国家钢铁行业的年度产量数据、产能数据、钢铁行业焦炭燃料消费量数据以及碳排放因子数据。对于所述年度产量数据、产能数据，利用世界钢铁协会报告获取全球所有国家钢铁行业分冶炼工艺、分产品的年度产量数据、以及产能数据；利用IEA能源消费量数据获得全球各国家钢铁行业焦炭燃料消费量数据。对于所述碳排放因子数据，利用IPCC获取钢铁生产过程中各工艺碳排放因子数据

获取所述钢铁厂数据及钢铁行业数据后，需要对所述数据进行预处理。预处理按照下列步骤进行：

(1)去除重复项和剔除异常值；其中一般将生产单元数据大于其相邻年份的四倍标准差视为异常值；

(2)将获得的钢铁厂数据按照生产单元分类整理，以便后期对应；

前期收集的数据是以钢铁厂为分类的，而一个钢铁厂可能对应多个生产单元，该步骤中，将数据以生产单元归集，例如，以高炉炼铁装置、转炉炼钢装置等进行分类整理。

(3)依据获得的全球所有国家钢铁行业分冶炼工艺、分产品的产能、产量数据，采用降尺度或插值手段，对一些缺失产能信息的钢铁厂数据进行校正或补充。

例如，依据钢铁行业数据获得的中国转炉炼钢装置2019年的产能为8.25亿吨，2018年的产能8.3亿吨，而日照钢铁厂2019年转炉炼钢装置的产能为1754万吨，据此可推断日照钢铁厂2018年转炉炼钢装置的产能为1764万吨。

步骤S02、利用降尺度手段，匹配所述钢铁厂各生产单元产能数据及所述钢铁行业数据，核算各钢铁厂年度活动水平数据。

钢铁厂各生产单元活动水平数据具体为各生产单元钢铁产品产量或焦炭燃料消耗量。例如，焦化生产单元碳排放的主要来源是冶金焦炭的生产，因此可使用冶金焦炭产量来表征焦化生产单元的活动水平；高炉炼铁单元碳排放的主要来源是焦炭还原铁矿石生产生铁的过程，因此可使用生铁产量来表征高炉炼铁生产单元的活动水平。参照表1，梳理全球钢铁厂各类生产单元活动水平数据，包括：

对于焦化生产单元，将冶金焦炭产量作为焦化生产单元的活动水平数据；对于烧结生产单元，将烧结矿产量作为烧结生产单元的活动水平数据；对于高炉炼铁生产单元，将生铁产量作为高炉炼铁生产单元的活动水平数据；对于直接还原铁生产单元，将直接还原铁产量作为直接还原铁生产单元的活动水平数据；对于转炉炼钢生产单元，将转炉粗钢产量作为转炉炼钢生产单元的活动水平数据；对于电炉炼钢生产单元，将电炉粗钢产量作为电炉炼钢生产单元的活动水平数据；对于平炉炼钢生产单元，将平炉粗钢产量作为平炉炼钢生产单元的活动水平数据。

表1钢铁厂各类生产单元活动水平数据

钢铁厂炼钢能源主要为焦炭，对于没有自备焦化厂来说，可以用冶金焦生产燃料消费量数据来表征焦化生产单元的活动水平。参照表2，无自备焦化厂冶金焦生产单元可以将燃料消费量数据作为活动水平数据。

表2无自备焦化装置钢铁厂燃料消耗活动水平数据

以所述钢铁行业年度产量数据作为基准，利用步骤S01中获得的各钢铁厂的地理位置数据，以国家或地区为单位，按照所述钢铁厂各生产单元的产能进行分配，具体的计算方式如公式(1)所示，可以得到全球各钢铁厂各生产单元的钢铁产品产量。

其中，A代表每个钢铁厂的具体钢铁产品产量；c代表钢铁加工单位的具体装机容量(产能)；i、k、p、t分别代表钢铁厂、国家或地区、产品类型、计算年份。

以所述钢铁行业燃料消耗数据作为基准，利用步骤S01中获得的各钢铁厂的地理位置数据，以国家或地区为单位，按照所述钢铁厂各生产单元的产能进行分配，具体的计算方式如公式(2)所示，可以得到全球各无自备焦化厂冶金焦生产单元的具体燃料消耗量。

其中，F代表每个钢铁厂的具体燃料消耗量；c代表钢铁加工单位的具体装机容量(产能)；i、j、k、p、t分别代表钢铁厂、燃料类型、国家、产品类型、计算年份。

步骤S03、采用排放因子方法，利用步骤S01中获得的不同工艺的碳排放因子数据以及步骤S02中获得的钢铁厂年度活动水平数据，获得基于工艺装置、高精度的全球钢铁厂二氧化碳排放数据。

由于各钢铁厂具备不同的钢铁冶炼生产流程，因此不同冶炼生产流程对应的碳排放量计算方式有所不同，具体而言：

对于无自备焦化装置的钢铁厂：

对于自备焦化装置的钢铁厂，以及采用其他工艺流程的钢铁厂：

对于无自备焦化装置的钢铁厂，每个生产单元(即烧结、炼铁、炼钢生产装置，不包含焦化装置)的碳排放量计算方式如下：。

其中，

对于自备焦化装置的钢铁厂，以及采用其他工艺流程的钢铁厂，各钢铁厂每个生产单元的碳排放量计算方式如下：

其中，

按照上述各步骤，可以计算出基于工艺装置、高精度、全覆盖的全球钢铁厂二氧化碳排放量，并且，可以依据全球钢铁厂的二氧化碳排放量，提炼出国家、区域、全球不同空间尺度的钢铁厂二氧化碳排放强度、空间分布、年龄结构等特征，厘清钢铁厂的运营特征与其二氧化碳排放之间的联系，提供了精确到工厂层面的全球钢铁产能和相关二氧化碳排放的详细情况。

按照本发明所述的计算方法得到的工厂层面的二氧化碳排放量，可以通过国家发布的能源消耗排放等数据进行验证。通过多角度的验证，可以证明本发明计算得到的二氧化碳排放量具有很高的精度。