山西省煉焦行業(yè)CO2排放影響因素分析

吉紅潔,袁 進(jìn),蘇旭東,葛曉華

（山西省生態(tài)環(huán)境研究中心， 山西 太原 030009）

0 引言

氣候變暖被公認(rèn)為全球重要的環(huán)境問題，目前已得到全世界各國的廣泛關(guān)注[1]。自2007年起，中國已成為世界CO2排放的第一大國[2]，且排放總量持續(xù)增加，尤其以工業(yè)為主，嚴(yán)重威脅我國的環(huán)境安全和能源安全[3]。另外，我國面臨的溫室氣體減排壓力也持續(xù)高漲，一直處于國際碳減排談判的風(fēng)口浪尖。

我國是世界重要的焦炭生產(chǎn)基地，山西省是全國最大的煉焦生產(chǎn)省份，多年來山西焦炭產(chǎn)量分別占全國產(chǎn)量的40%和全球產(chǎn)量的18%。煉焦行業(yè)既是耗能大戶，生產(chǎn)的焦炭又是鋼鐵行業(yè)主要的二次能源[4]。研究結(jié)果表明，山西省煉焦過去一直是僅次于鋼鐵的第二大高碳行業(yè)[5]。山西省煉焦行業(yè)碳減排壓力巨大，是山西省碳減排研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。因此，基于山西省對煉焦行業(yè)碳排放影響因素及減排潛力進(jìn)行研究分析是非常必須的，同時(shí)可為煉焦行業(yè)低碳發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

本文基于山西省煉焦行業(yè)生產(chǎn)工藝和設(shè)備技術(shù)水平現(xiàn)狀，分析樣本企業(yè)生產(chǎn)流程中CO2排放情況和運(yùn)行參數(shù)等，建立煉焦行業(yè)CO2排放影響因素指標(biāo)體系，然后利用系統(tǒng)分析綜合模型，定量評(píng)價(jià)各指標(biāo)對CO2排放的影響貢獻(xiàn)度，并由此提出煉焦行業(yè)CO2減排建議。

1 煉焦行業(yè)CO2排放影響因素指標(biāo)體系建立

根據(jù)《中國獨(dú)立焦化企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南》[6]和國際鋼鐵協(xié)會(huì)（WSA）煉焦企業(yè)CO2核算方法（第1版[7]和第2版[8]）等國內(nèi)外有關(guān)煉焦行業(yè)溫室氣體核算方法，以及煉焦行業(yè)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)[9]，對煉焦行業(yè)碳排放影響因素指標(biāo)進(jìn)行初選，然后通過企業(yè)實(shí)際調(diào)研并采用主成分分析方法篩選和行業(yè)專家意見反復(fù)征詢，最終構(gòu)建煉焦行業(yè)CO2排放影響因素指標(biāo)體系[10－11]，見圖1。該體系遵循綜合性、科學(xué)性、獨(dú)立性和可操作性原則，基本能反映目標(biāo)系統(tǒng)各方面的特征，具有一定的代表意義。

圖1 煉焦行業(yè)溫室氣體排放影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

煉焦行業(yè)CO2排放影響指標(biāo)體系分為3個(gè)層次，第1層是評(píng)價(jià)目標(biāo)，是評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的影響結(jié)果；第2層是定量指標(biāo)（二級(jí)指標(biāo)），根據(jù)企業(yè)CO2排放類型劃分，包括直接排放（化石燃料燃燒排放和工業(yè)生產(chǎn)過程排放）、間接排放（電力熱力消耗隱含排放）和排放低扣（余熱回收利用）；第3層是具體各因素表征指標(biāo)（三級(jí)指標(biāo)），包含定性和定量2種指標(biāo)，但均選取了有代表性并易于評(píng)價(jià)的企業(yè)生產(chǎn)能耗指標(biāo)或設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等。

2 系統(tǒng)分析綜合評(píng)價(jià)模型建立

對于煉焦行業(yè)CO2排放影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，二級(jí)指標(biāo)是企業(yè)具體CO2排放量，便于量化和比較；三級(jí)指標(biāo)中涉及煉焦生產(chǎn)工藝和設(shè)備運(yùn)行各類參數(shù)，部分指標(biāo)難以量化或平行比較。因此，本文采用系統(tǒng)分析法中定性和定量相結(jié)合的方法模型，在指標(biāo)篩選時(shí)采用主成分分析法，在綜合評(píng)價(jià)時(shí)采用層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法相結(jié)合。

2.1 主成分分析法

主成分分析法[12]是在指標(biāo)較多的情況下，基于因素之間相關(guān)性將多個(gè)因素轉(zhuǎn)化為較少的綜合指標(biāo)。主成分分析法計(jì)算原理和過程較為復(fù)雜，但是現(xiàn)已開發(fā)了成熟的分析軟件SPSS，因而本文在此不對計(jì)算過程做過多介紹。主成分分析需要首先建立數(shù)據(jù)矩陣A（其中行為樣本，列為因素指標(biāo)），即在選定指標(biāo)的基礎(chǔ)上，收集同一時(shí)間多個(gè)樣本數(shù)據(jù)；另外，在應(yīng)用主成分分析過程中，一般需要對因素指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)（即KMO檢驗(yàn)），若KMO檢驗(yàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)剔除或重新補(bǔ)充部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。

本文在煉焦行業(yè)CO2排放影響因素篩選時(shí)采用了主成分分析方法，但因?yàn)闃颖酒髽I(yè)數(shù)據(jù)較少（一般樣本容量與指標(biāo)數(shù)量之比達(dá)到5∶1時(shí)評(píng)價(jià)效果最好），并且KMO檢驗(yàn)值為0.543（KMO值檢驗(yàn)在0.5～0.6區(qū)間時(shí)評(píng)價(jià)效果較差），因此僅采用主成分分析法進(jìn)行了因素篩選，具體因素指標(biāo)影響評(píng)價(jià)和權(quán)重排序采用了灰色關(guān)聯(lián)分析法。

2.2 層次分析法

層次分析法[13]的評(píng)價(jià)過程和計(jì)算原理相對簡單。一般采用9標(biāo)度法[14]通過兩兩比較的方式建立判斷矩陣B，然后計(jì)算判斷矩陣B的最大特征根λmax和正規(guī)化特征向量W。

另外，在評(píng)價(jià)之前也需要對矩陣B的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，即將其一致性指標(biāo)CI與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI進(jìn)行比較，當(dāng)兩者比例CR小于0.1時(shí)認(rèn)為判斷矩陣一致性符合要求，否則需要調(diào)整判斷矩陣直到滿足要求。

煉焦行業(yè)工業(yè)生產(chǎn)過程CO2排放影響因素多為煉焦生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，企業(yè)現(xiàn)有檢測計(jì)量條件不完善，無法進(jìn)行定量表征；另外，生產(chǎn)過程CO2排放量相對較小，因此本文采用了層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合經(jīng)典德爾菲法，即大量征詢行業(yè)專家和一線技術(shù)人員進(jìn)行賦值并加以綜合平均，最終確定判斷矩陣。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法[15]主要是有效評(píng)價(jià)各因素之間的灰色關(guān)系，即主觀很難定性主導(dǎo)性和非主導(dǎo)性、密切性和不密切性。灰色關(guān)聯(lián)分析法首先需要將各因素組成的序列數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，具體計(jì)算公式如下：

（1）成本型（越小越好）指標(biāo)：

（2）效益型（越大越好）指標(biāo)：

（3）固定型（穩(wěn)定最佳值β）指標(biāo)：

灰色關(guān)聯(lián)分析法中各因素指標(biāo)x（k）與目標(biāo)的關(guān)聯(lián)度（r）和關(guān)聯(lián)系數(shù)（L0）計(jì)算公式如下：

化石燃料燃燒CO2排放影響因素評(píng)價(jià)是指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)重點(diǎn)，同時(shí)該部分影響因素較多，涉及生產(chǎn)過程中主要環(huán)節(jié)的運(yùn)行參數(shù)，無法進(jìn)行主觀定性和判斷，因此采用灰色關(guān)聯(lián)分析法和主成分分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3 樣本企業(yè)評(píng)價(jià)與分析

通過煉焦企業(yè)實(shí)際調(diào)研并收集樣本數(shù)據(jù)情況見表1。需要說明，12號(hào)企業(yè)生產(chǎn)工藝為清潔熱回收，與其它化產(chǎn)回收企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)情況差異較大；另外，我國和山西省的煉焦生產(chǎn)均以化產(chǎn)回收為主。因此，本文以化產(chǎn)回收企業(yè)為重點(diǎn)進(jìn)行CO2排放影響因素評(píng)價(jià)分析。

表1 煉焦企業(yè)溫室氣體排放影響因素指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)

3.1 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重確定

煉焦行業(yè)CO2排放影響因素指標(biāo)體系中二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)是基于焦炭產(chǎn)量對CO2排放量進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 化產(chǎn)回收工藝二級(jí)指標(biāo)影響權(quán)重

對于清潔熱回收企業(yè)，核算方法采用物料平衡法，即化石燃料燃燒和工業(yè)生產(chǎn)過程排放合并計(jì)量，其二級(jí)指標(biāo)影響權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 清潔熱回收工藝二級(jí)指標(biāo)影響權(quán)重

3.2 三級(jí)指標(biāo)權(quán)重確定

3.2.1 化石燃料燃燒排放影響因素指標(biāo)評(píng)價(jià)

（1）主成分分析法指標(biāo)篩選

本文主成分分析采用軟件SPSS 19.0進(jìn)行分析，提取了3個(gè)主成分并得出各因素指標(biāo)的組合系數(shù)和荷載矩陣見表4和表5。

表4 解釋的總方差

表5 主成分荷載矩陣

從而得到各因素主表關(guān)于主成分的線性組合并計(jì)算出化石燃料燃燒排放綜合評(píng)價(jià)模型FZ如下所示：

評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。本文選取了累計(jì)權(quán)重達(dá)80%的影響因素作為指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即煉焦耗熱量（V11）、入爐煤水分（V12）、燃?xì)夂剂浚╒13）、結(jié)焦時(shí)間（V14）和空氣過剩系數(shù)（V15）。

表6 采用主成分分析法的影響因素評(píng)價(jià)結(jié)果

（2）灰色關(guān)聯(lián)法權(quán)重分析

根據(jù)上述指標(biāo)篩選結(jié)果，本文采用灰色關(guān)聯(lián)法對其影響權(quán)重進(jìn)一步分析，評(píng)價(jià)結(jié)果見表7。

表7 采用灰色關(guān)聯(lián)法的影響因素評(píng)價(jià)結(jié)果

（3）化石燃料燃燒排放因素指標(biāo)綜合權(quán)重確定

對比主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)分析2種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果可知，指標(biāo)體系中化石燃料燃燒排放因素的影響權(quán)重基本一致，本文取2種評(píng)價(jià)結(jié)果的平均值，具體計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 化石燃料燃燒排放影響因素指標(biāo)權(quán)重

3.2.2 工業(yè)生產(chǎn)過程排放影響因素指標(biāo)評(píng)價(jià)

工業(yè)生產(chǎn)過程排放影響因素的判斷矩陣B為：

一致性檢驗(yàn)符合要求：

各因素指標(biāo)的影響權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 工業(yè)生產(chǎn)過程排放影響因素指標(biāo)權(quán)重

3.2.3 電力熱力隱含排放影響因素指標(biāo)評(píng)價(jià)

電力和熱力隱含排放影響因素評(píng)價(jià)類似二級(jí)指標(biāo)影響權(quán)重的確定，將各樣本企業(yè)的噸焦耗電量和蒸汽量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤，然后分別計(jì)算各企業(yè)的消耗比重情況，最后基于焦炭產(chǎn)量進(jìn)行加權(quán)平均，具體計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 電力熱力隱含排放影響因素指標(biāo)權(quán)重

3.2.4 溫室氣體排放抵扣影響因素指標(biāo)評(píng)價(jià)

該部分評(píng)價(jià)方法同二級(jí)指標(biāo)權(quán)重確定。目前企業(yè)相關(guān)技術(shù)普及率不高，計(jì)算結(jié)果可能有偏差，因此該部分指標(biāo)權(quán)重為附加權(quán)重，不直接計(jì)入總排放權(quán)重，評(píng)價(jià)結(jié)果見表11。

表11 排放抵扣影響因素指標(biāo)權(quán)重

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

煉焦行業(yè)溫室氣體排放影響因素各指標(biāo)權(quán)重見表12。

表12 指標(biāo)體系中各影響因素的貢獻(xiàn)度

綜上可得，煉焦行業(yè)CO2減排可從以下4方面進(jìn)行著手：①工藝設(shè)備方面，建議推進(jìn)新建焦?fàn)t先進(jìn)化和大型化，減少溫室氣體逸散排放；②生產(chǎn)運(yùn)行方面，建議使用高能質(zhì)低碳量的焦?fàn)t煤氣，并配備焦?fàn)t加熱自動(dòng)控制系統(tǒng)，加強(qiáng)入爐煤水分和空燃比等參數(shù)改善，另外，減少非全負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；③節(jié)能降耗方面，建議繼續(xù)加強(qiáng)用電設(shè)備的變頻改造和導(dǎo)熱油利用，減少二次能源消耗；④資源回收方面，建議加快干法熄焦和煙道氣廢熱回收技術(shù)的推廣，最大可能回收余熱，從而增加CO2排放抵扣。

4 結(jié)論

本文建立了煉焦行業(yè)CO2排放影響指標(biāo)體系，該體系包含煉焦生產(chǎn)過程主要能耗參數(shù)和生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，基本能夠涵蓋煉焦行業(yè)CO2排放的主要影響因素；同時(shí)建立了系統(tǒng)分析綜合評(píng)價(jià)模型，定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)相結(jié)合，從而使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)與客觀；然后通過山西省12個(gè)樣本企業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)證分析，評(píng)價(jià)結(jié)果可信、可操作性強(qiáng)。

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：①煉焦行業(yè)樣本企業(yè)CO2排放以化石燃料燃燒排放為主，占比達(dá)66%以上；②煉焦行業(yè)CO2排放主要影響因素有燃?xì)夂剂俊⒔Y(jié)焦時(shí)間、煉焦耗熱量和噸焦耗電量，累計(jì)總貢獻(xiàn)度達(dá)60%，其它影響因素貢獻(xiàn)度次之。因此，煉焦行業(yè)低碳發(fā)展，應(yīng)從工藝設(shè)備、生產(chǎn)運(yùn)行、節(jié)能降耗和資源回收等方面有側(cè)重點(diǎn)地綜合入手，區(qū)域或企業(yè)可根據(jù)本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)結(jié)果，篩選減排技術(shù)或制定減排方案。

[1]Intergovernmental Panel on Climate Change.IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories[M].Japan:IGES,2006:4-12.

[2]張 云.國際碳排放交易與中國排放權(quán)出口規(guī)模管理[D].上海:華東師范大學(xué),2013:1-8.

[3]高華建,陰曙光,馬祖軍.重慶市城鎮(zhèn)化進(jìn)程中家庭間接CO2排放的測算及分解分析[J].環(huán)境科技,2017,30(3):1-6.

[4]嚴(yán)文福,鄭明東.焦?fàn)t加熱調(diào)節(jié)與節(jié)能[M].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2005:103-107.

[5]侯 博.1991～2011年山西省碳排放特征及其氣候影響研究[D].太原:山西大學(xué),2013:28-36.

[6]國家發(fā)展與改革委員會(huì).第二批4個(gè)行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）[EB/OL].(2014-12-03)[2017-06-14].http://www.sdpc.gov.cn/gzdt/201502/W020150 209400115689210.pdf.

[7]InternationalIronandSteelInstitute.ClimateChange Emissions Caculation Tool User Guide[M].7th ed.USA:International Iron and Steel Institute,2004:1-18.

[8]World Steel Association.CO2emissions data collection,User guide,version 6[EB/OL].[2017-07-16].http://www.worlds teel1change/files/2/2/Data%20collection%20user%20guide 1pdf.org/steel-by-topic/climate-change/data-collection.html.

[9]國家環(huán)境保護(hù)總局.清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)煉焦行業(yè)：HJ/T1126—2003[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,2003:1-14.

[10]吉紅潔.煉焦行業(yè)溫室氣體排放核算及影響因素研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2015:55-70.

[11]劉 妍,劉 薇,李 爽，等.焦化行業(yè)清潔生產(chǎn)指標(biāo)體系的建立及應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2014,39(7):161-165.

[12]沈洪艷,高雷更,萬寶春，等.基于主成分分析的焦化行業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2011,34(4):200-205.

[13]SAATY T.How to make a decision:The analytic hierardny process[J].European journal of operational research,1990,2(4):16-23.

[14]張 蕓,張 敬,張樹森，等.基于層次灰關(guān)聯(lián)的鋼鐵行業(yè)CO2排放影響因素研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(4):656-659.

[15]劉莉娜,曲建升,曾靜靜，等.灰色關(guān)聯(lián)分析在中國農(nóng)村家庭碳排放影響因素分析中的應(yīng)用[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2013,22(3):498-505.