基于碳排放的鋼鐵供應鏈界定及測算模型構建

王忠偉，羅杏玲，鄒安全,2

（1.中南林業科技大學 交通運輸與物流學院，湖南 長沙 410004；2.長沙大學 工商管理系，湖南 長沙 410022）

1 引言

2013 年中國粗鋼產量7.79 億t，占據全球粗鋼產量的48.5%，位居世界第一。但與世界先進國家相比仍存在一定差距，且面臨著產能過剩、大氣污染等問題。目前，全球碳排放量約達360 億t，我國人均碳排量約為7t。而鋼鐵行業的碳排放已達到全國總排放的15%左右[1]。因此，對鋼鐵供應鏈碳排放測算、影響因素和控制策略進行研究，解決現有問題，對我國鋼鐵產業發展具有重要意義，也可為國家和企業實施節能減排措施提供決策依據。

從已有研究看，碳排放測算的方法主要有碳排放系數法和模型法。一般的簡單碳排放測算都采用IPCC 提供的碳排放系數法，而對于復雜系統的處理則采用模型法，根據應用目標的不同，主要有投入產出模型、CGE 模型、生命周期法及混合方法。由于我國能源利用水平與國際發達國家存在差距，上述方法存在碳泄露、排放公平性、關聯性和計算精確性等問題，其計算結果不完全適合我國[2]。對于碳排放影響因素的研究主要基于國家、省域、城市、家庭和行業等層面。關于碳排放控制方面，從宏觀上講，主要有基于價格控制的稅收和基于總量控制的碳排放權交易這兩大經濟手段來對碳排放進行控制；從供應鏈上看，Kokkinaki 等[3]從資源約束的角度對鋼鐵制造業供應鏈的采購、生產、銷售、回收及廢棄物處理等各個環節的協調管理實現減排進行了研究。龐燕等[4]從分析供應鏈網絡結構特點入手，構建了低碳經濟環境下鋼鐵制造業綠色供應鏈管理模型，以實現整條供應鏈的低消耗、低排放。從國內外研究來看，存在幾點局限：（1）對碳排放問題研究多是基于宏觀或微觀層面，而從供應鏈中觀層面研究不夠，尤其缺乏針對鋼鐵供應鏈碳排放的專題研究；（2）對鋼鐵企業碳排放影響因素和測算方法的研究尚不充分，且基于供應鏈角度的量化研究很薄弱；（3）對于如何進一步挖掘鋼鐵供應鏈碳排放的對策研究有待深入。因此，從鋼鐵供應鏈角度出發，構建合理的碳排放測算模型，找出碳排放量較大的部門或環節，是有效實現碳排放控制的關鍵。本文以鋼鐵供應鏈為研究對象，采用碳排放系數法構建鋼鐵供應鏈碳排放測算模型，最后通過實例驗證提出相應的控制策略。

2 鋼鐵供應鏈的界定及結構特征

鋼鐵供應鏈是以鋼鐵企業為核心，由原材料供應商（包括礦山等）、鋼鐵企業、分銷商、用戶組成的網絡，通過這個網絡，為用戶提供鋼鐵產品，實現價值鏈的增值[5-6]。鋼鐵供應鏈結構如圖1所示。在鋼鐵供應鏈中，鋼鐵企業通過自己所處的核心地位，使所有企業有效連接起來形成一體化的供應鏈，并對整個供應鏈的運行進行信息和物流的協調與控制。同時，在所有供應鏈成員之間建立戰略合作伙伴關系，促使各節點企業（供應商、中間倉庫、工廠、配送中心、門店）在需求信息的驅動下，通過供應鏈的職能分工與合作（供應、生產、庫存、裝配、分銷、回收等），以資金流、物流和服務流為媒介，實現整個鋼鐵供應鏈不斷增值。

圖1 鋼鐵供應鏈結構圖

該供應鏈是包括鋼鐵鏈、經濟、社會、環境的綜合可持續鋼鐵供應鏈，基本活動包括原材料開采、鋼鐵的生產、運輸、倉儲、銷售、回收等，同時涉及各環節中鋼鐵鏈與經濟、社會、環境系統的復雜聯系。該鏈以客戶需求為導向，以先進生產技術和信息技術為基礎，鋼鐵供應商、生產商、運輸商、流通商、消費企業等形成一條高效的鋼鐵供應鏈。其運作不是完全封閉的，它不斷與外界進行經濟、社會、環境方面的物質和能量交流，互相影響，互相配合，在滿足供應鏈經濟利益的同時，綜合考慮了各環節活動所帶來的社會和環境效益[7]。

為適應鋼鐵產能過剩、鋼鐵產品多樣化、企業間合作復雜化以及客戶要求個性化的現狀，鋼鐵供應鏈中的供應商、鋼鐵產品生產商和分銷商被有機組織起來，形成了供應—生產—銷售的供應鏈[8]。從圖1鋼鐵供應鏈的結構模型可以看出，原材料供應商、鋼鐵企業和鋼鐵產品分銷商在戰略、任務、資源和能力方面相互依賴，構成了一個十分復雜的網鏈結構。一個企業是一個節點，節點企業之間是一種供需關系。通過分析發現，鋼鐵供應鏈具有如下特征：

（1）主導性。從組織邊界的角度看，雖然每個業務實體都是鋼鐵供應鏈的成員，但是在整個鋼鐵供應鏈的運作過程中，鋼鐵企業是供應鏈中連接上下游之間的交點，是信息流、服務流、資金流運作的核心，這就使得鋼鐵供應鏈結構具有明顯的主導性。

（2）特殊性。鋼鐵產品和原材料品種較固定，如鋼鐵產品主要為線材、型鋼、帶鋼、管材等；鋼鐵供應商提供的原材料主要是礦石，如鐵礦石等。另外鋼鐵企業內部也有明顯的供應鏈結構。如鋼鐵生產主要包括煤炭焦化、燒結、煉鐵、煉鋼和軋鋼等環節，相鄰單元間也是供應與需求的關系。因此，原材料和鋼鐵產品的特殊性以及鋼鐵企業內部的供應鏈結構使得鋼鐵供應鏈表現為特殊性。

（3）復雜性。隨著鋼鐵供應鏈成員的增多，供應、生產和銷售關系趨向多元化。鋼鐵供應鏈的多級交叉結構增加了供應鏈管理的困難，但也為其優化提供了基礎。所以鋼鐵供應鏈的結構模式比一般單個企業的結構模式更復雜。

（4）動態性。鋼鐵供應鏈的成員通過“四流”（信息流、物流、服務流和資金流）聯結起來，并根據鋼鐵企業戰略的轉變和市場需求的變化動態地進行更新。而且各節點企業之間的關系也隨著客戶需求的不同做出相應的調整。這就體現了鋼鐵供應鏈結構的動態性。

3 鋼鐵供應鏈碳排放測算

3.1 鋼鐵供應鏈碳排放體系構建

結合鋼鐵供應鏈的特征，分析了鋼鐵供應鏈碳排放與社會、環境、經濟系統的關聯，構建了如圖2所示的鋼鐵供應鏈整體碳排放體系。

圖2 鋼鐵供應鏈碳排放體系模型

虛線框表示鋼鐵供應鏈的總碳排放，主要包括鋼鐵供應鏈涉及的原材料開采、洗選加工、鋼鐵生產、運輸儲存、鋼鐵產品消費、逆向物流等環節。由于多級供應和消費環節中產生的碳排放量比其他環節少，所以在此模型中忽略不計；且本模型也不考慮原材料的開采與洗選加工環節。原材料及鋼鐵產品運輸中長途大宗運輸工具會排放二氧化碳；鋼鐵產品的生產、儲存和流通加工中有大量二氧化碳排放；冶金渣等固體廢棄物以及余熱余壓的回收利用等逆向物流環節也有二氧化碳產生和抵消。構建鋼鐵供應鏈碳排放體系模型便于測算出供應鏈上各個環節的碳排放量，便于找出碳排放量較大的環節和部門，以此作為碳排放控制的依據。

虛線框上方表示鋼鐵供應鏈碳排放與環境、社會之間的關聯，是一個相互影響的動態協調過程。鋼鐵供應鏈的碳排放總量會受到政府或環境部門的監督和管理，并進行碳審計；進而將獲取的碳排放數據與鋼鐵行業碳排放標準比對，得出鋼鐵供應鏈碳排放的合格程度；根據比對結果，國家和政府相關部門出臺相關政策、法規以及碳排放標準反饋至鋼鐵供應鏈系統，使其做出相應調整和改善。

3.2 鋼鐵供應鏈碳排放測算模型構建

鋼鐵供應鏈總碳排放主要分為采購碳排放、生產碳排放、銷售碳排放、逆向物流產生的碳排放四個方面。即：

式（1）中：Eco2為鋼鐵供應鏈總碳排放量（t）；E采購為鋼鐵供應鏈原材料采購過程所產生的碳排放量（t）；E生產為鋼鐵生產過程產生的碳排放量（t）；E銷售為鋼鐵供應鏈鋼鐵產品銷售過程中所產生的碳排放量（t）；E回收為鋼鐵供應鏈回收過程產生的碳排放量（t）；E抵扣為鋼鐵供應鏈固碳產品碳排放以及余熱余壓碳排放的抵扣量（t）。為方便計算，將采購碳排放和銷售碳排放轉換成運輸碳排放計算；將生產碳排放分解為化石燃料燃燒、工業生產過程、電熱力消耗來核算碳排放量；而回收等逆向物流過程產生的碳排放則暫不考慮。具體計算如下：

3.2.1 鋼鐵供應鏈采購碳排放測算模型。鋼鐵供應鏈采購過程產生的碳排放量主要轉換成原材料的運輸碳排放計算。根據鋼鐵行業的自身特點，原材料的運輸主要是以鐵路為主、公路水運為輔。除電氣化鐵路以電力為主外，內燃機機車、原材料和鋼鐵產品運輸卡車的燃料以柴油為主，船舶的主要能源為燃油(汽油和柴油)。這些運輸工具的燃料產生一定的碳排放。根據《2006 年IPCC 指南》，在“全球平均方法—移動源排放”條件下，鋼鐵供應鏈運輸過程產生的碳排放量為鐵路、公路、水路運輸的碳排放量之和。

采購過程主要是原材料的運輸，故假設原材料運輸量為Q1（t）；主要采用水路、鐵路和公路三種運輸方式，各種運輸方式的運輸量分擔率分別為nsl、ntl、ngl；鐵路運輸中內燃機車運輸量占比取knrj=1；水路、鐵路和公路的平均運距為Lsl、Ltl、Lgl（km）；水路、鐵路和公路運輸的噸公里油耗水平為ysl、ytl、ygl（kg/(t·km)）；a型燃料的燃燒值為qa（TJ/kg）；a型燃料的排放因子為EFa（kg/TJ）。設采購過程的運輸總碳排放、水路、鐵路和公路運輸的碳排放量分別為E采購、Eys-sl1、Eys-tl1、Eys-gl1，即：

其中，nsl+ntl+ngl=1；CCa為a型燃料的單位熱值含碳量（tc/GJ）；OFa為a型燃料的碳氧化率（%）。

3.2.2 鋼鐵供應鏈生產碳排放測算模型。將鋼鐵供應鏈生產過程生產的碳排放量分解為化石燃料燃燒、工業生產過程、電熱力消耗來核算[9-10]，設生產過程的總碳排放量、化石燃料燃燒產生的碳排放量、工業生產過程產生的碳排放量和消耗電力、熱力（如蒸汽）產生的碳排放量分別為E生產、E1、E2、E3。即：

（1）化石燃料燃燒產生的碳排放。根據IPCC指南[11]公式：

式（8）中，E1表示鋼鐵供應鏈中所有化石燃料消耗產生的碳排放總量（t）；ADi為第i 種化石燃料的活動水平（GJ）；EFi為第i種化石燃料的二氧化碳排放因子。

（2）工業生產過程產生的碳排放。鋼鐵供應鏈中，工業生產過程產生的碳排放量E2主要分為消耗溶劑等原材料產生的碳排放量Ea和煉鐵工序中還原反應所產生的碳排放量Eb。

①消耗溶劑等原材料產生的碳排放可用公式（9）來計算：

式（9）中，Ea表示消耗溶劑等原材料產生的碳排放量（t）；Pi表示第i種溶劑等原材料的凈消耗量（t）；ni為第i種溶劑等原材料的利用率（%）；EFi表示第i種溶劑等原材料的碳排放因子（tCO2/t）；i為消耗溶劑或原材料的種類，如白云石、石灰石等。

②煉鐵工序中還原反應所產生的碳排放可用公式（10）來計算：

式（10）中，Eb為煉鐵工序中還原反應所產生的碳排放量（t）；FCj為煉鐵工序中第j 種還原劑質量（t）；nj為第j 種還原劑還原反應的利用率（%）；EFj為第j 種還原劑的排放因子（tCO2/t）；j 為煉鐵工序中消耗的還原劑種類，如焦炭、天然氣等。

（3）電力、熱力消耗產生的碳排放。鋼鐵供應鏈由電力、熱力消耗產生的碳排放量按公式（11）計算：

式（11）中，E3為電力、熱力消耗產生的碳排放量（t）；AD電、AD熱分別為凈購入的電量和熱力量（MWh、GJ）；EF電、EF熱分別為電力和熱力的碳排放因子（tCO2/MWh、tCO2/GJ）。

3.2.3 鋼鐵供應鏈銷售碳排放測算模型。鋼鐵供應鏈銷售過程中產生的碳排放量主要轉換成鋼鐵產品銷售過程的運輸碳排放和鋼鐵產品再加工產生的碳排放來計算。由于鋼鐵再加工產品種類繁多，工藝復雜，本文暫只考慮生鐵、粗鋼、鋼材這三大類鋼鐵產品。鋼鐵供應鏈銷售過程產生的碳排放量與其采購過程碳排放測算模型類似，由此可得銷售過程中鋼鐵產品運輸產生的碳排放量。假設鋼鐵產品運輸量為Q2（t）；其他因素同采購過程，設銷售過程的運輸總碳排放、水路、鐵路和公路運輸的碳排放量分別為E銷售、Eys-sl2、Eys-tl2、Eys-gl2，則：

3.2.4 鋼鐵供應鏈逆向物流碳排放抵扣量。鋼鐵供應鏈核心企業不僅需要關注其自身生產環節的減排，還要考慮所處供應鏈中產品全生命周期的減排[12]。由于鋼鐵供應鏈中逆向物流產生的碳排放較小，故此過程碳排放的測算忽略不計。而鋼鐵供應鏈中抵扣碳排放量E抵扣主要分為余熱余壓的回收利用抵扣的碳排放量R電熱和固碳產品所隱含的碳排放量R固碳兩部分，即：

其中，余熱余壓的回收利用抵扣的碳排放量R電熱主要轉換成余熱余壓發電，發電量轉化為碳排放量。固碳產品所隱含的碳排放量按公式（17）計算：

式（17）中，R固碳為固碳產品所隱含的碳排放量（t）；AD固碳為第i 種固碳產品的產量（t）；EF固碳為第i 種固碳產品的碳排放因子（tCO2/t）；i為固碳產品的種類（如粗鋼、甲醇等）。

4 應用實例

以湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司（簡稱湘鋼）為實例，對鋼鐵供應鏈碳排放測算模型進行驗證。由實地調研結果，整理得出2013年湘鋼不同運輸方式承運占比（見表1）以及部分能源消耗（見表2）。根據本文理論和模型計算得出湘鋼鋼鐵供應鏈各階段的碳排放數據見表3。

表1 2013年湘鋼不同運輸方式承運占比

表2 2013年湘鋼部分能源消耗 單位：萬t

表3 湘鋼鋼鐵供應鏈各階段的碳排放量

從表3 可以看出，湘鋼噸鋼碳排放量為1.9。鋼鐵供應鏈中的碳排放除了由燃料燃燒產生外，還有鋼鐵生產流程中產生的碳排放，主要包括燒結、煉鐵和煉鋼等環節，占整個供應鏈上碳排放量的80.81%。優化鋼鐵生產流程是研究和解決鋼鐵企業資源、能源和碳減排的關鍵。企業應提高能源效率，優化生產流程，實行低碳生產；推進技術創新，強化物流控制，實行低碳物流。

5 結論

本文界定了鋼鐵供應鏈的邊界，結合鋼鐵供應鏈的特征，構建了由采購碳排放、生產碳排放、銷售碳排放、逆向物流產生的碳排放四個方面組成的碳排放測算模型，并以湘鋼為實例驗證。結果表明，該模型科學合理，適用于我國鋼鐵供應鏈碳排放量的測算以及減排潛力的分析，為管理者制定碳排放控制策略提供參考。當然，每一個測算指標及其計算公式對鋼鐵供應鏈碳排放影響因素的貢獻等問題，還需選用相應的評價方法進行評價，這將在以后的研究中完成。

[1]徐匡迪.低碳經濟與鋼鐵行業[J].鋼鐵,2010,45(3):1-12.

[2]鄒安全,羅杏玲,全春光.基于EIO—LCA的鋼鐵產品生命周期碳排放研究[J].管理世界,2013,(12):178-179.

[3]A I Kokkinaki,R Decker,Van Nunce,C Pappis.An exploratory study on electronic commerce for reverse logistics[J].Supply chain form:An international journal,2002,(1).

[4]龐燕,王忠偉,汪洪波.低碳經濟環境下鋼鐵制造業綠色供應鏈管理模型研究[J].企業經濟,2011,(2):66-68.

[5]李建祥,唐立新.鋼鐵供應鏈生產計劃與調度研究綜述[J].控制工程,2010,(1):123-126.

[6]呂品.基于最小碳排放的綠色供應鏈網絡設計模型研究[J].物流技術,2013,(7):224-226.

[7]于華.煤炭供應鏈排放測算與控制研究[D].北京:北京交通大學,2011.

[8]馬士華,林勇.供應鏈管理[M].北京:機械工業出版社,2005.

[9]發展改革委網站公文公報.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) [EB/OL].http://www.gov.cn/gzdt/att/att/site1/20131104/001e3741a2cc13e13f1803.pdf,2013-11-04.

[10]侯玉梅,梁聰智,田歆,潘登.我國鋼鐵行業碳足跡及相關減排對策研究[J].生態經濟, 2012,(12):105-108.

[11]IPCC,OECD.IEA Revised 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories[Z].2006.

[12]孫崢,王鳳忠,營剛.基于碳交易的供應鏈企業生產及減排機制研究[J].物流技術,2014,(5):372-376.