钢铁企业煤气掺烧发电机组的碳配额分配方法分析

蔡震纲，卢 笛

（1 宝山钢铁股份有限公司，上海 201900；2 中碳能投科技有限公司，北京100084）

1 综述

大型联合钢铁企业在冶炼生产时需要大量电力，也伴随产生了大量煤气需要消纳，自备电厂应运而生。自备电厂一般分为两类机组：纯烧煤气的发电机组与掺烧煤粉和煤气的发电机组。富余煤气随生产变化比较大，对于纯烧煤气的发电机组，负荷调整频繁，很多时间发电效率处于较低水平。对于煤粉和煤气掺烧的发电机组，煤气变化时，调整煤粉量稳定发电负荷，效率较高，也是钢铁企业煤气平衡和降低放散的重要手段[1]。

从2013 年开始，全国在8 个省市进行碳交易试点工作。碳排放配额（简称配额）是指参与碳排放权交易的单位和个人依法取得，可用于交易和重点排放单位温室气体排放量抵扣的指标[2]。控排企业实际碳排放量大于配额时，需要从碳市场购买足够配额满足履约要求；实际排放量小于配额时，差额部分可在碳市场上出售。8 个国内试点碳市场都采用了历史总量下降法来给自备电厂发放配额，历史总量下降法的局限性限制了鼓励先进的初衷，本文的重点是如何科学合理地使用基准值法向煤气掺烧发电机组发放配额。

2 煤气对发电机组碳排放的影响

煤气掺烧发电机组的碳排放除了受与常规燃煤发电机组的一致的煤品种、年运行小时数、供热比等因素影响之外，煤气品种差异和煤气掺烧率也有很大关系。

2.1 煤气特性差异

高炉生产时，在高温下焦炭中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成一氧化碳，进一步发生还原反应去除铁矿石中的氧，最终产生二氧化碳和铁。这种炉气由原空气中的氮气、过量一氧化碳和二氧化碳为主组成的混和气体，就是“高炉煤气”，每吨铁产生1400～1800 m3高炉煤气。煤气组成如表1 所示，其发热量比较低，约为天然气的10%，但由于其发生量巨大，是钢铁企业中可利用的重要能源之一。

表1 煤气组成和热值

转炉中，铁水的碳在高温下与氧气发生化学反应，生产一氧化碳和二氧化碳，完成“铁变钢”过程，而产生的烟气经过净化降温后，回收的部分被称为“转炉煤气”，每生产一吨钢，大约可回收100 m3转炉煤气。

焦炉煤气是煤在焦炉中隔绝空气经过高温干馏后，在产出焦炭和焦油产品的同时所产生的可燃性气体，每吨焦炭伴随产生450～480 m3焦炉煤气。

三种煤气的碳全部来自于煤，但在炼焦、高炉和转炉生产时没有全部转化为二氧化碳，而是通过其它工序的燃烧最终变为二氧化碳排放，因此煤气兼有过程排放和燃烧排放的特点。三种煤气的热值从天然气的10%～50%，其原始二氧化碳的含量又不相同，对于相同供热量，其碳排放差异巨大。如图1 所示，单位热值含碳量高炉煤气约为烟煤的2.7 倍，而焦炉煤气仅为烟煤的0.5倍。正是这个巨大的差异，造成了不同燃料结构下，自备电厂碳排放差异显著，难以采用燃煤或燃气机组的单一基准值进行碳配额发放。

图1 不同燃料的单位热值含碳量缺省值对比图

2.2 煤气掺烧率

图2 供电碳排放强度和高炉煤气热量占比相关性分析

作者研究了三种煤气对供电碳排放强度之间的关系，其中高炉煤气的影响是最高的，统计了不同机组、不同高炉煤气掺烧比例和供电碳排放强度的相关性分析，数据表明，呈显著的线性相关，如图2所示。

回归公式可以简单归纳为：供电排放强度=0.707+1.73×高炉煤气热量占比，S=0.0178818，RSq=99.9%，R-Sq（调整）=99.9%。由于统计量14 个还比较少，更为严格和精确的回归分析需要更多的数据去验证。

高炉煤气燃烧温度低，产生不发光火焰，火焰黑度小，辐射放热能力差，燃烧烟气体积庞大。高炉煤气掺烧率越高，燃烧需用空气量越小，最大掺烧时空气量约为全烧煤时的85%左右，而烟气量为全烧煤时的170%。随着高炉煤气掺烧率的增加，排烟温度上升，锅炉效率下降。排烟量和排烟温度要高于燃煤炉[2]，同时要兼顾不同比例的燃料特性[3]和环保达标排放要求，其锅炉效率必然要下降5%，但仍然是钢铁企业节能减排的有力手段。如图3。

图3 高炉煤气掺烧率的影响

3 煤气掺烧发电机组的碳排放配额方法

煤气掺烧发电机组独特的碳排放特性需要探索一种相适应的碳排放配额方法。这里基于实践和文献查阅，提出了三种碳排放基准值配额分配方法。

3.1 按燃料配比的碳排放配额方法

尽管三种副产煤气的单位热值含碳量缺省值差异比较大，但对单一燃料，单位发电碳排放强度同供电煤耗成正比，因此可以按照此原理设定各种燃料的基准值。燃煤部分的碳排放按常规燃煤发电机组基准值发放，煤气的碳配额按照等效供电煤耗（略考虑效率下降，乘以调整系数）相对应的碳排放基准值修正后发放配额。也就是说，对于三种副产煤气分别制定碳排放基准值，煤气掺烧发电机组的碳排放基准值是燃煤、各种煤气碳排放基准值的加权平均，权重分别为其燃料的热量比。其公式如下：

式中：A——煤气掺烧发电机组的碳排放基准值，t/MWh;

wi——各种燃料的热量占总热量的比值，%;

Bi——煤炭、副产煤气的碳排放基准值，t/MWh。

式中：NCVi——各种燃料的标准低位发热值，GJ/t或GJ/m3;

Qi——发电机组各燃料的使用量，t或m3。

式中：B煤炭——煤炭的碳排放基准值，t/MWh;

CCi——各种副产煤气的单位热值含碳量，tC/TJ，缺省值见图1;

CC煤炭——发电煤的单位热值含碳量，tC/TJ，缺省值见图1;

Fi——各种煤气调整系数，缺省取值1.05。

参照公式（1）和图1 的缺省值，可得煤气掺烧发电机组的碳排放配额各种的基准值，见表2。

表2 各种燃料碳排放基准值

该方法对不同燃料设置了碳排放基准值，不同的燃料结构采用加权平均设置总的碳排放基准值，对不同燃料的适应性比较好，但核查计算量相对比较大，而且对副产煤气的体积计量的准确性提出了较高要求。通常副产煤气的计量采用体积量计算，但由于同一种煤气的温度、压力和成分波动比较大，要形成统一的计量标准，需要多种计量补正和归一：

(1)温度和压力补正。燃气应在标况下计量。标况：通常指温度为0 ℃（273.15 k）和压强为101.325 kPa（1 标准大气压）的情况，实际测量时要同时检测温度和压力对体积补正。

(2)热值补正。即使是同一种煤气，成分波动比较大，要统一折算到标准热值后的体积量。例如，转炉煤气设定2000×4.18 kJ/m3在标况下为标准立方米，则1800×4.18 kJ/m3的1 m3转炉煤气只能折算为0.9 m3。

(3)水份补正。副产煤气在发生端是富含饱和水的状态，随着管道的输送，温度下降，大量冷凝水析出。水分压差异导致了流量体积差异，因此需要折算到标况下的干煤气体积量。

3.2 天然气替代法碳排放配额方法

欧洲碳排放交易体系是世界上最大的碳排放交易市场，其建设历程分为四个阶段：2005～2007 年为初始运行阶段，目的是积累运行数据和经验。2008～2012 年为第二阶段，配额超发，碳价走低至3€/tCO2。第三阶段是从2013～2020 年，排放配额总量持续收紧，每年以1.74% 的速度下降，以确保2020 年温室气体排放要比1990 年至少低20%。第四阶段，2021～2030年，排放总量要比2005年下降43%。在研究了钢铁工业副产煤气既有过程排放又有燃料排放的特点的情况下，由Ecofys 主导研究的《Methodology for the free allocation of emission allowances in the EU ETS post 2012》“Sector report for the iron and steel industry”[4]对钢铁工业相关的碳排放配额做了研究并指出相应对策。核心问题是副产煤气的碳排放应该计在使用端、发生端还是两者都承担，讨论了三种方法：

(1)副产煤气的碳排放全部记在发生端。亦即高炉煤气的碳排放都计算在高炉工序，所有后续工序使用的高炉煤气的碳排放都不重复计算。

(2)副产煤气的碳排放全部记在使用端。亦即高炉煤气的碳排放全部计算在使用高炉煤气的轧钢、发电等用户。

(3)副产煤气的碳排放由高炉和用户共同承担。其中引入了天然气替代法，即使用高炉煤气的用户像使用天然气一样，采用天然气的碳排放因子。由于天然气的单位热量碳排放低于高炉煤气，因此高于天然气的部分碳排放归结在高炉。焦炉煤气和转炉煤气的处理方法同理亦然。

经过欧盟内部的讨论研究，三种方法各有利弊。但由于欧盟的碳排放最小的核算单位是装置，而不是公司法人，因此需要对大量的装置都核算碳排放。如果采用方法1，有些使用高炉煤气的装置就没有碳排放，不适合欧盟碳排放交易体系。方法2 由于煤气品种比例的不同，难以对同一类型的装置制定统一的碳排放基准值。方法3将因煤气品种不同造成的碳排放交易全部归结在发生端，使用端就像使用天然气，不仅能对所有的装置核算，也可以制定统一的基准值，适合欧盟碳排放交易体系，因此经多次讨论最终采用方法3。

2016 年7 月，欧盟发布了碳排放标准EN 19694-2《Stationary source emissions-Greenhouse Gas(GHG)emissions in energy-intensive industries-Part 2：Iron and steel industry》，煤气的碳排放因子推荐数据如表3。

表3 副产煤气的统计碳排放因子 t/GJ

对于我国掺烧煤气的自备电厂来说，由于天然气的单位热值碳排放低于煤炭，因此如采用常规燃煤电厂的碳排放基准，掺烧煤气自备电厂的碳排放配额就会富余，电厂将缺少进一步降低碳排放的动力，因此有必要针对这种类型的自备电厂制定相应的基准值。可以参照“按燃料配比的碳排放配额方法”，只需引用表2天然气的基准值。

3.3 只计算煤炭的碳排放配额分配方法

煤气掺烧发电避免了能源的浪费，提高了企业整体能源利用率，可以视为一种余热余能的利用。根据国家碳市场的相关规定，对于企业余热余能利用发电的排放因子应按零计算。按照这个思路，对于煤气掺烧发电机组可以参考碳市场初期对于燃气电厂的处理方式，燃气部分不需承担履约责任。因此，核算钢铁企业自备电厂的碳排放量时只需要按照发电行业核算指南计算煤粉燃烧产生的二氧化碳排放。

至于配额端，目前国家碳市场发电行业采用基准法进行配额分配[7]。由于煤气掺烧机组的电量中有一部分是来自煤气，另一部分来自煤炭，如果按照目前全口径发电量的配额分配方案，会导致煤气掺烧机组的配额过量。此外，考虑到煤气对于发电机组整体发电效率的影响，应对机组供电量进行修正：根据热量占比计算煤气所贡献的电量或热量后对其进行扣除；给予煤气掺烧机组5%的额外配额照顾。

具体计算方法如下：

式中：A——煤气掺烧机组配额，t;

Be——供电碳排放基准值，t/MWh;

E——供电量，MWh;

Bh——供热碳排放基准值，t/GJ;

Q——修正供热量（参考国家发电行业配额分配方法），GJ;

Fr——供热量修正系数，2019 年为1-0.23×供热比。《2019 年发电行业重点排放单位（含自备电厂、热联产）二氧化碳排放配额实施》;

w——煤气热量占比，%;

Fg——煤气掺烧修正系数，取1.05。

式中：NCVi——各种煤气的标准低位发热值，GJ/m3;

Qi——发电机组各种煤气的使用量，m3;

NCVj——各种燃料的标准低位发热值，GJ/t或GJ/m3;

Qj——发电机组各种燃料的使用量，t或m3。

此方法的好处在于可以匹配国家目前通用发电行业的核查方法，不用改变目前自备电厂发电机组的碳排放核算结果，只需要在核算配额时进行修正；且对煤气的计量要求不是很高，只需要计量电厂煤气消耗量，国内大部分企业均能够做到，可操作性较高。采用此方法，使用《2019 年发电行业重点排放单位（含自备电厂、热联产）二氧化碳排放配额实施方案》的基准，模拟某自备电厂的实际数据进行试算，结果如表4。

表4 某自备电厂的碳排放情况

注：以上数据以排放配额量为100%，实际排放量是和配额量的比值，非绝对数值。

发电机组1 比机组2 供电煤耗低1.5%，供电排放强度和配额基准值相比低1.7%，说明供电煤耗低，供电碳排放强度低，而且呈比较明显的线性相关性,符合原理和预期。

3.4 煤气掺烧发电机组的碳排放配额的几种方法比较

对于如图4 燃料结构的自备电厂，可以采用上述三种方法进行碳排放配额分配，如图5所示，显然只计算煤炭的方法比较简单，不需要涉及各种煤气或天然气发电碳排放的基准值，而且和目前的常规燃煤机组的碳排放基准值保持兼容，无论是否同钢铁行业还是发电行业一同进入全国碳市场，技术准备条件相同，碳排放的基准值相同。由于都是致力于驱动煤炭部分的碳排放降低，因此内在的驱动力相同，容易使得内在的碳价值统一。

图4 典型煤气掺烧机组燃料结构

图5 配额方法比较

4 结论

钢铁企业副产煤气的碳排放既有过程排放也有燃料排放的两种特性，对于副产煤气碳排放的不同核算方法导致了掺烧煤气机组配额分配方法的不同。作者研究了欧盟碳交易体系十几年来对钢铁企业碳配额分配方法的评估报告，结合我国碳交易试点实践经验，推荐只计算煤炭的碳排放配额分配方法，该方法不仅和常规燃煤发电机组采用统一通用的基准值，而且核查方法简单高效，有利于发电行业和钢铁行业的全国碳交易市场无缝交接。