鋼鐵企業煤氣摻燒發電機組的碳配額分配方法分析

蔡震綱，盧 笛

（1 寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2 中碳能投科技有限公司，北京100084）

1 綜述

大型聯合鋼鐵企業在冶煉生產時需要大量電力，也伴隨產生了大量煤氣需要消納，自備電廠應運而生。自備電廠一般分為兩類機組：純燒煤氣的發電機組與摻燒煤粉和煤氣的發電機組。富余煤氣隨生產變化比較大，對于純燒煤氣的發電機組，負荷調整頻繁，很多時間發電效率處于較低水平。對于煤粉和煤氣摻燒的發電機組，煤氣變化時，調整煤粉量穩定發電負荷，效率較高，也是鋼鐵企業煤氣平衡和降低放散的重要手段[1]。

從2013 年開始，全國在8 個省市進行碳交易試點工作。碳排放配額（簡稱配額）是指參與碳排放權交易的單位和個人依法取得，可用于交易和重點排放單位溫室氣體排放量抵扣的指標[2]?？嘏牌髽I實際碳排放量大于配額時，需要從碳市場購買足夠配額滿足履約要求；實際排放量小于配額時，差額部分可在碳市場上出售。8 個國內試點碳市場都采用了歷史總量下降法來給自備電廠發放配額，歷史總量下降法的局限性限制了鼓勵先進的初衷，本文的重點是如何科學合理地使用基準值法向煤氣摻燒發電機組發放配額。

2 煤氣對發電機組碳排放的影響

煤氣摻燒發電機組的碳排放除了受與常規燃煤發電機組的一致的煤品種、年運行小時數、供熱比等因素影響之外，煤氣品種差異和煤氣摻燒率也有很大關系。

2.1 煤氣特性差異

高爐生產時，在高溫下焦炭中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成一氧化碳，進一步發生還原反應去除鐵礦石中的氧，最終產生二氧化碳和鐵。這種爐氣由原空氣中的氮氣、過量一氧化碳和二氧化碳為主組成的混和氣體，就是“高爐煤氣”，每噸鐵產生1400～1800 m3高爐煤氣。煤氣組成如表1 所示，其發熱量比較低，約為天然氣的10%，但由于其發生量巨大，是鋼鐵企業中可利用的重要能源之一。

表1 煤氣組成和熱值

轉爐中，鐵水的碳在高溫下與氧氣發生化學反應，生產一氧化碳和二氧化碳，完成“鐵變鋼”過程，而產生的煙氣經過凈化降溫后，回收的部分被稱為“轉爐煤氣”，每生產一噸鋼，大約可回收100 m3轉爐煤氣。

焦爐煤氣是煤在焦爐中隔絕空氣經過高溫干餾后，在產出焦炭和焦油產品的同時所產生的可燃性氣體，每噸焦炭伴隨產生450～480 m3焦爐煤氣。

三種煤氣的碳全部來自于煤，但在煉焦、高爐和轉爐生產時沒有全部轉化為二氧化碳，而是通過其它工序的燃燒最終變為二氧化碳排放，因此煤氣兼有過程排放和燃燒排放的特點。三種煤氣的熱值從天然氣的10%～50%，其原始二氧化碳的含量又不相同，對于相同供熱量，其碳排放差異巨大。如圖1 所示，單位熱值含碳量高爐煤氣約為煙煤的2.7 倍，而焦爐煤氣僅為煙煤的0.5倍。正是這個巨大的差異，造成了不同燃料結構下，自備電廠碳排放差異顯著，難以采用燃煤或燃氣機組的單一基準值進行碳配額發放。

圖1 不同燃料的單位熱值含碳量缺省值對比圖

2.2 煤氣摻燒率

圖2 供電碳排放強度和高爐煤氣熱量占比相關性分析

作者研究了三種煤氣對供電碳排放強度之間的關系，其中高爐煤氣的影響是最高的，統計了不同機組、不同高爐煤氣摻燒比例和供電碳排放強度的相關性分析，數據表明，呈顯著的線性相關，如圖2所示。

回歸公式可以簡單歸納為：供電排放強度=0.707+1.73×高爐煤氣熱量占比，S=0.0178818，RSq=99.9%，R-Sq（調整）=99.9%。由于統計量14 個還比較少，更為嚴格和精確的回歸分析需要更多的數據去驗證。

高爐煤氣燃燒溫度低，產生不發光火焰，火焰黑度小，輻射放熱能力差，燃燒煙氣體積龐大。高爐煤氣摻燒率越高，燃燒需用空氣量越小，最大摻燒時空氣量約為全燒煤時的85%左右，而煙氣量為全燒煤時的170%。隨著高爐煤氣摻燒率的增加，排煙溫度上升，鍋爐效率下降。排煙量和排煙溫度要高于燃煤爐[2]，同時要兼顧不同比例的燃料特性[3]和環保達標排放要求，其鍋爐效率必然要下降5%，但仍然是鋼鐵企業節能減排的有力手段。如圖3。

圖3 高爐煤氣摻燒率的影響

3 煤氣摻燒發電機組的碳排放配額方法

煤氣摻燒發電機組獨特的碳排放特性需要探索一種相適應的碳排放配額方法。這里基于實踐和文獻查閱，提出了三種碳排放基準值配額分配方法。

3.1 按燃料配比的碳排放配額方法

盡管三種副產煤氣的單位熱值含碳量缺省值差異比較大，但對單一燃料，單位發電碳排放強度同供電煤耗成正比，因此可以按照此原理設定各種燃料的基準值。燃煤部分的碳排放按常規燃煤發電機組基準值發放，煤氣的碳配額按照等效供電煤耗（略考慮效率下降，乘以調整系數）相對應的碳排放基準值修正后發放配額。也就是說，對于三種副產煤氣分別制定碳排放基準值，煤氣摻燒發電機組的碳排放基準值是燃煤、各種煤氣碳排放基準值的加權平均，權重分別為其燃料的熱量比。其公式如下：

式中：A——煤氣摻燒發電機組的碳排放基準值，t/MWh;

wi——各種燃料的熱量占總熱量的比值，%;

Bi——煤炭、副產煤氣的碳排放基準值，t/MWh。

式中：NCVi——各種燃料的標準低位發熱值，GJ/t或GJ/m3;

Qi——發電機組各燃料的使用量，t或m3。

式中：B煤炭——煤炭的碳排放基準值，t/MWh;

CCi——各種副產煤氣的單位熱值含碳量，tC/TJ，缺省值見圖1;

CC煤炭——發電煤的單位熱值含碳量，tC/TJ，缺省值見圖1;

Fi——各種煤氣調整系數，缺省取值1.05。

參照公式（1）和圖1 的缺省值，可得煤氣摻燒發電機組的碳排放配額各種的基準值，見表2。

表2 各種燃料碳排放基準值

該方法對不同燃料設置了碳排放基準值，不同的燃料結構采用加權平均設置總的碳排放基準值，對不同燃料的適應性比較好，但核查計算量相對比較大，而且對副產煤氣的體積計量的準確性提出了較高要求。通常副產煤氣的計量采用體積量計算，但由于同一種煤氣的溫度、壓力和成分波動比較大，要形成統一的計量標準，需要多種計量補正和歸一：

(1)溫度和壓力補正。燃氣應在標況下計量。標況：通常指溫度為0 ℃（273.15 k）和壓強為101.325 kPa（1 標準大氣壓）的情況，實際測量時要同時檢測溫度和壓力對體積補正。

(2)熱值補正。即使是同一種煤氣，成分波動比較大，要統一折算到標準熱值后的體積量。例如，轉爐煤氣設定2000×4.18 kJ/m3在標況下為標準立方米，則1800×4.18 kJ/m3的1 m3轉爐煤氣只能折算為0.9 m3。

(3)水份補正。副產煤氣在發生端是富含飽和水的狀態，隨著管道的輸送，溫度下降，大量冷凝水析出。水分壓差異導致了流量體積差異，因此需要折算到標況下的干煤氣體積量。

3.2 天然氣替代法碳排放配額方法

歐洲碳排放交易體系是世界上最大的碳排放交易市場，其建設歷程分為四個階段：2005～2007 年為初始運行階段，目的是積累運行數據和經驗。2008～2012 年為第二階段，配額超發，碳價走低至3€/tCO2。第三階段是從2013～2020 年，排放配額總量持續收緊，每年以1.74% 的速度下降，以確保2020 年溫室氣體排放要比1990 年至少低20%。第四階段，2021～2030年，排放總量要比2005年下降43%。在研究了鋼鐵工業副產煤氣既有過程排放又有燃料排放的特點的情況下，由Ecofys 主導研究的《Methodology for the free allocation of emission allowances in the EU ETS post 2012》“Sector report for the iron and steel industry”[4]對鋼鐵工業相關的碳排放配額做了研究并指出相應對策。核心問題是副產煤氣的碳排放應該計在使用端、發生端還是兩者都承擔，討論了三種方法：

(1)副產煤氣的碳排放全部記在發生端。亦即高爐煤氣的碳排放都計算在高爐工序，所有后續工序使用的高爐煤氣的碳排放都不重復計算。

(2)副產煤氣的碳排放全部記在使用端。亦即高爐煤氣的碳排放全部計算在使用高爐煤氣的軋鋼、發電等用戶。

(3)副產煤氣的碳排放由高爐和用戶共同承擔。其中引入了天然氣替代法，即使用高爐煤氣的用戶像使用天然氣一樣，采用天然氣的碳排放因子。由于天然氣的單位熱量碳排放低于高爐煤氣，因此高于天然氣的部分碳排放歸結在高爐。焦爐煤氣和轉爐煤氣的處理方法同理亦然。

經過歐盟內部的討論研究，三種方法各有利弊。但由于歐盟的碳排放最小的核算單位是裝置，而不是公司法人，因此需要對大量的裝置都核算碳排放。如果采用方法1，有些使用高爐煤氣的裝置就沒有碳排放，不適合歐盟碳排放交易體系。方法2 由于煤氣品種比例的不同，難以對同一類型的裝置制定統一的碳排放基準值。方法3將因煤氣品種不同造成的碳排放交易全部歸結在發生端，使用端就像使用天然氣，不僅能對所有的裝置核算，也可以制定統一的基準值，適合歐盟碳排放交易體系，因此經多次討論最終采用方法3。

2016 年7 月，歐盟發布了碳排放標準EN 19694-2《Stationary source emissions-Greenhouse Gas(GHG)emissions in energy-intensive industries-Part 2：Iron and steel industry》，煤氣的碳排放因子推薦數據如表3。

表3 副產煤氣的統計碳排放因子 t/GJ

對于我國摻燒煤氣的自備電廠來說，由于天然氣的單位熱值碳排放低于煤炭，因此如采用常規燃煤電廠的碳排放基準，摻燒煤氣自備電廠的碳排放配額就會富余，電廠將缺少進一步降低碳排放的動力，因此有必要針對這種類型的自備電廠制定相應的基準值?？梢詤⒄铡鞍慈剂吓浔鹊奶寂欧排漕~方法”，只需引用表2天然氣的基準值。

3.3 只計算煤炭的碳排放配額分配方法

煤氣摻燒發電避免了能源的浪費，提高了企業整體能源利用率，可以視為一種余熱余能的利用。根據國家碳市場的相關規定，對于企業余熱余能利用發電的排放因子應按零計算。按照這個思路，對于煤氣摻燒發電機組可以參考碳市場初期對于燃氣電廠的處理方式，燃氣部分不需承擔履約責任。因此，核算鋼鐵企業自備電廠的碳排放量時只需要按照發電行業核算指南計算煤粉燃燒產生的二氧化碳排放。

至于配額端，目前國家碳市場發電行業采用基準法進行配額分配[7]。由于煤氣摻燒機組的電量中有一部分是來自煤氣，另一部分來自煤炭，如果按照目前全口徑發電量的配額分配方案，會導致煤氣摻燒機組的配額過量。此外，考慮到煤氣對于發電機組整體發電效率的影響，應對機組供電量進行修正：根據熱量占比計算煤氣所貢獻的電量或熱量后對其進行扣除；給予煤氣摻燒機組5%的額外配額照顧。

具體計算方法如下：

式中：A——煤氣摻燒機組配額，t;

Be——供電碳排放基準值，t/MWh;

E——供電量，MWh;

Bh——供熱碳排放基準值，t/GJ;

Q——修正供熱量（參考國家發電行業配額分配方法），GJ;

Fr——供熱量修正系數，2019 年為1-0.23×供熱比?！?019 年發電行業重點排放單位（含自備電廠、熱聯產）二氧化碳排放配額實施》;

w——煤氣熱量占比，%;

Fg——煤氣摻燒修正系數，取1.05。

式中：NCVi——各種煤氣的標準低位發熱值，GJ/m3;

Qi——發電機組各種煤氣的使用量，m3;

NCVj——各種燃料的標準低位發熱值，GJ/t或GJ/m3;

Qj——發電機組各種燃料的使用量，t或m3。

此方法的好處在于可以匹配國家目前通用發電行業的核查方法，不用改變目前自備電廠發電機組的碳排放核算結果，只需要在核算配額時進行修正；且對煤氣的計量要求不是很高，只需要計量電廠煤氣消耗量，國內大部分企業均能夠做到，可操作性較高。采用此方法，使用《2019 年發電行業重點排放單位（含自備電廠、熱聯產）二氧化碳排放配額實施方案》的基準，模擬某自備電廠的實際數據進行試算，結果如表4。

表4 某自備電廠的碳排放情況

注：以上數據以排放配額量為100%，實際排放量是和配額量的比值，非絕對數值。

發電機組1 比機組2 供電煤耗低1.5%，供電排放強度和配額基準值相比低1.7%，說明供電煤耗低，供電碳排放強度低，而且呈比較明顯的線性相關性,符合原理和預期。

3.4 煤氣摻燒發電機組的碳排放配額的幾種方法比較

對于如圖4 燃料結構的自備電廠，可以采用上述三種方法進行碳排放配額分配，如圖5所示，顯然只計算煤炭的方法比較簡單，不需要涉及各種煤氣或天然氣發電碳排放的基準值，而且和目前的常規燃煤機組的碳排放基準值保持兼容，無論是否同鋼鐵行業還是發電行業一同進入全國碳市場，技術準備條件相同，碳排放的基準值相同。由于都是致力于驅動煤炭部分的碳排放降低，因此內在的驅動力相同，容易使得內在的碳價值統一。

圖4 典型煤氣摻燒機組燃料結構

圖5 配額方法比較

4 結論

鋼鐵企業副產煤氣的碳排放既有過程排放也有燃料排放的兩種特性，對于副產煤氣碳排放的不同核算方法導致了摻燒煤氣機組配額分配方法的不同。作者研究了歐盟碳交易體系十幾年來對鋼鐵企業碳配額分配方法的評估報告，結合我國碳交易試點實踐經驗，推薦只計算煤炭的碳排放配額分配方法，該方法不僅和常規燃煤發電機組采用統一通用的基準值，而且核查方法簡單高效，有利于發電行業和鋼鐵行業的全國碳交易市場無縫交接。