基于碳排放的钢铁供应链界定及测算模型构建

王忠伟，罗杏玲，邹安全,2

（1.中南林业科技大学 交通运输与物流学院，湖南 长沙 410004；2.长沙大学 工商管理系，湖南 长沙 410022）

1 引言

2013 年中国粗钢产量7.79 亿t，占据全球粗钢产量的48.5%，位居世界第一。但与世界先进国家相比仍存在一定差距，且面临着产能过剩、大气污染等问题。目前，全球碳排放量约达360 亿t，我国人均碳排量约为7t。而钢铁行业的碳排放已达到全国总排放的15%左右[1]。因此，对钢铁供应链碳排放测算、影响因素和控制策略进行研究，解决现有问题，对我国钢铁产业发展具有重要意义，也可为国家和企业实施节能减排措施提供决策依据。

从已有研究看，碳排放测算的方法主要有碳排放系数法和模型法。一般的简单碳排放测算都采用IPCC 提供的碳排放系数法，而对于复杂系统的处理则采用模型法，根据应用目标的不同，主要有投入产出模型、CGE 模型、生命周期法及混合方法。由于我国能源利用水平与国际发达国家存在差距，上述方法存在碳泄露、排放公平性、关联性和计算精确性等问题，其计算结果不完全适合我国[2]。对于碳排放影响因素的研究主要基于国家、省域、城市、家庭和行业等层面。关于碳排放控制方面，从宏观上讲，主要有基于价格控制的税收和基于总量控制的碳排放权交易这两大经济手段来对碳排放进行控制；从供应链上看，Kokkinaki 等[3]从资源约束的角度对钢铁制造业供应链的采购、生产、销售、回收及废弃物处理等各个环节的协调管理实现减排进行了研究。庞燕等[4]从分析供应链网络结构特点入手，构建了低碳经济环境下钢铁制造业绿色供应链管理模型，以实现整条供应链的低消耗、低排放。从国内外研究来看，存在几点局限：（1）对碳排放问题研究多是基于宏观或微观层面，而从供应链中观层面研究不够，尤其缺乏针对钢铁供应链碳排放的专题研究；（2）对钢铁企业碳排放影响因素和测算方法的研究尚不充分，且基于供应链角度的量化研究很薄弱；（3）对于如何进一步挖掘钢铁供应链碳排放的对策研究有待深入。因此，从钢铁供应链角度出发，构建合理的碳排放测算模型，找出碳排放量较大的部门或环节，是有效实现碳排放控制的关键。本文以钢铁供应链为研究对象，采用碳排放系数法构建钢铁供应链碳排放测算模型，最后通过实例验证提出相应的控制策略。

2 钢铁供应链的界定及结构特征

钢铁供应链是以钢铁企业为核心，由原材料供应商（包括矿山等）、钢铁企业、分销商、用户组成的网络，通过这个网络，为用户提供钢铁产品，实现价值链的增值[5-6]。钢铁供应链结构如图1所示。在钢铁供应链中，钢铁企业通过自己所处的核心地位，使所有企业有效连接起来形成一体化的供应链，并对整个供应链的运行进行信息和物流的协调与控制。同时，在所有供应链成员之间建立战略合作伙伴关系，促使各节点企业（供应商、中间仓库、工厂、配送中心、门店）在需求信息的驱动下，通过供应链的职能分工与合作（供应、生产、库存、装配、分销、回收等），以资金流、物流和服务流为媒介，实现整个钢铁供应链不断增值。

图1 钢铁供应链结构图

该供应链是包括钢铁链、经济、社会、环境的综合可持续钢铁供应链，基本活动包括原材料开采、钢铁的生产、运输、仓储、销售、回收等，同时涉及各环节中钢铁链与经济、社会、环境系统的复杂联系。该链以客户需求为导向，以先进生产技术和信息技术为基础，钢铁供应商、生产商、运输商、流通商、消费企业等形成一条高效的钢铁供应链。其运作不是完全封闭的，它不断与外界进行经济、社会、环境方面的物质和能量交流，互相影响，互相配合，在满足供应链经济利益的同时，综合考虑了各环节活动所带来的社会和环境效益[7]。

为适应钢铁产能过剩、钢铁产品多样化、企业间合作复杂化以及客户要求个性化的现状，钢铁供应链中的供应商、钢铁产品生产商和分销商被有机组织起来，形成了供应—生产—销售的供应链[8]。从图1钢铁供应链的结构模型可以看出，原材料供应商、钢铁企业和钢铁产品分销商在战略、任务、资源和能力方面相互依赖，构成了一个十分复杂的网链结构。一个企业是一个节点，节点企业之间是一种供需关系。通过分析发现，钢铁供应链具有如下特征：

（1）主导性。从组织边界的角度看，虽然每个业务实体都是钢铁供应链的成员，但是在整个钢铁供应链的运作过程中，钢铁企业是供应链中连接上下游之间的交点，是信息流、服务流、资金流运作的核心，这就使得钢铁供应链结构具有明显的主导性。

（2）特殊性。钢铁产品和原材料品种较固定，如钢铁产品主要为线材、型钢、带钢、管材等；钢铁供应商提供的原材料主要是矿石，如铁矿石等。另外钢铁企业内部也有明显的供应链结构。如钢铁生产主要包括煤炭焦化、烧结、炼铁、炼钢和轧钢等环节，相邻单元间也是供应与需求的关系。因此，原材料和钢铁产品的特殊性以及钢铁企业内部的供应链结构使得钢铁供应链表现为特殊性。

（3）复杂性。随着钢铁供应链成员的增多，供应、生产和销售关系趋向多元化。钢铁供应链的多级交叉结构增加了供应链管理的困难，但也为其优化提供了基础。所以钢铁供应链的结构模式比一般单个企业的结构模式更复杂。

（4）动态性。钢铁供应链的成员通过“四流”（信息流、物流、服务流和资金流）联结起来，并根据钢铁企业战略的转变和市场需求的变化动态地进行更新。而且各节点企业之间的关系也随着客户需求的不同做出相应的调整。这就体现了钢铁供应链结构的动态性。

3 钢铁供应链碳排放测算

3.1 钢铁供应链碳排放体系构建

结合钢铁供应链的特征，分析了钢铁供应链碳排放与社会、环境、经济系统的关联，构建了如图2所示的钢铁供应链整体碳排放体系。

图2 钢铁供应链碳排放体系模型

虚线框表示钢铁供应链的总碳排放，主要包括钢铁供应链涉及的原材料开采、洗选加工、钢铁生产、运输储存、钢铁产品消费、逆向物流等环节。由于多级供应和消费环节中产生的碳排放量比其他环节少，所以在此模型中忽略不计；且本模型也不考虑原材料的开采与洗选加工环节。原材料及钢铁产品运输中长途大宗运输工具会排放二氧化碳；钢铁产品的生产、储存和流通加工中有大量二氧化碳排放；冶金渣等固体废弃物以及余热余压的回收利用等逆向物流环节也有二氧化碳产生和抵消。构建钢铁供应链碳排放体系模型便于测算出供应链上各个环节的碳排放量，便于找出碳排放量较大的环节和部门，以此作为碳排放控制的依据。

虚线框上方表示钢铁供应链碳排放与环境、社会之间的关联，是一个相互影响的动态协调过程。钢铁供应链的碳排放总量会受到政府或环境部门的监督和管理，并进行碳审计；进而将获取的碳排放数据与钢铁行业碳排放标准比对，得出钢铁供应链碳排放的合格程度；根据比对结果，国家和政府相关部门出台相关政策、法规以及碳排放标准反馈至钢铁供应链系统，使其做出相应调整和改善。

3.2 钢铁供应链碳排放测算模型构建

钢铁供应链总碳排放主要分为采购碳排放、生产碳排放、销售碳排放、逆向物流产生的碳排放四个方面。即：

式（1）中：Eco2为钢铁供应链总碳排放量（t）；E采购为钢铁供应链原材料采购过程所产生的碳排放量（t）；E生产为钢铁生产过程产生的碳排放量（t）；E销售为钢铁供应链钢铁产品销售过程中所产生的碳排放量（t）；E回收为钢铁供应链回收过程产生的碳排放量（t）；E抵扣为钢铁供应链固碳产品碳排放以及余热余压碳排放的抵扣量（t）。为方便计算，将采购碳排放和销售碳排放转换成运输碳排放计算；将生产碳排放分解为化石燃料燃烧、工业生产过程、电热力消耗来核算碳排放量；而回收等逆向物流过程产生的碳排放则暂不考虑。具体计算如下：

3.2.1 钢铁供应链采购碳排放测算模型。钢铁供应链采购过程产生的碳排放量主要转换成原材料的运输碳排放计算。根据钢铁行业的自身特点，原材料的运输主要是以铁路为主、公路水运为辅。除电气化铁路以电力为主外，内燃机机车、原材料和钢铁产品运输卡车的燃料以柴油为主，船舶的主要能源为燃油(汽油和柴油)。这些运输工具的燃料产生一定的碳排放。根据《2006 年IPCC 指南》，在“全球平均方法—移动源排放”条件下，钢铁供应链运输过程产生的碳排放量为铁路、公路、水路运输的碳排放量之和。

采购过程主要是原材料的运输，故假设原材料运输量为Q1（t）；主要采用水路、铁路和公路三种运输方式，各种运输方式的运输量分担率分别为nsl、ntl、ngl；铁路运输中内燃机车运输量占比取knrj=1；水路、铁路和公路的平均运距为Lsl、Ltl、Lgl（km）；水路、铁路和公路运输的吨公里油耗水平为ysl、ytl、ygl（kg/(t·km)）；a型燃料的燃烧值为qa（TJ/kg）；a型燃料的排放因子为EFa（kg/TJ）。设采购过程的运输总碳排放、水路、铁路和公路运输的碳排放量分别为E采购、Eys-sl1、Eys-tl1、Eys-gl1，即：

其中，nsl+ntl+ngl=1；CCa为a型燃料的单位热值含碳量（tc/GJ）；OFa为a型燃料的碳氧化率（%）。

3.2.2 钢铁供应链生产碳排放测算模型。将钢铁供应链生产过程生产的碳排放量分解为化石燃料燃烧、工业生产过程、电热力消耗来核算[9-10]，设生产过程的总碳排放量、化石燃料燃烧产生的碳排放量、工业生产过程产生的碳排放量和消耗电力、热力（如蒸汽）产生的碳排放量分别为E生产、E1、E2、E3。即：

（1）化石燃料燃烧产生的碳排放。根据IPCC指南[11]公式：

式（8）中，E1表示钢铁供应链中所有化石燃料消耗产生的碳排放总量（t）；ADi为第i 种化石燃料的活动水平（GJ）；EFi为第i种化石燃料的二氧化碳排放因子。

（2）工业生产过程产生的碳排放。钢铁供应链中，工业生产过程产生的碳排放量E2主要分为消耗溶剂等原材料产生的碳排放量Ea和炼铁工序中还原反应所产生的碳排放量Eb。

①消耗溶剂等原材料产生的碳排放可用公式（9）来计算：

式（9）中，Ea表示消耗溶剂等原材料产生的碳排放量（t）；Pi表示第i种溶剂等原材料的净消耗量（t）；ni为第i种溶剂等原材料的利用率（%）；EFi表示第i种溶剂等原材料的碳排放因子（tCO2/t）；i为消耗溶剂或原材料的种类，如白云石、石灰石等。

②炼铁工序中还原反应所产生的碳排放可用公式（10）来计算：

式（10）中，Eb为炼铁工序中还原反应所产生的碳排放量（t）；FCj为炼铁工序中第j 种还原剂质量（t）；nj为第j 种还原剂还原反应的利用率（%）；EFj为第j 种还原剂的排放因子（tCO2/t）；j 为炼铁工序中消耗的还原剂种类，如焦炭、天然气等。

（3）电力、热力消耗产生的碳排放。钢铁供应链由电力、热力消耗产生的碳排放量按公式（11）计算：

式（11）中，E3为电力、热力消耗产生的碳排放量（t）；AD电、AD热分别为净购入的电量和热力量（MWh、GJ）；EF电、EF热分别为电力和热力的碳排放因子（tCO2/MWh、tCO2/GJ）。

3.2.3 钢铁供应链销售碳排放测算模型。钢铁供应链销售过程中产生的碳排放量主要转换成钢铁产品销售过程的运输碳排放和钢铁产品再加工产生的碳排放来计算。由于钢铁再加工产品种类繁多，工艺复杂，本文暂只考虑生铁、粗钢、钢材这三大类钢铁产品。钢铁供应链销售过程产生的碳排放量与其采购过程碳排放测算模型类似，由此可得销售过程中钢铁产品运输产生的碳排放量。假设钢铁产品运输量为Q2（t）；其他因素同采购过程，设销售过程的运输总碳排放、水路、铁路和公路运输的碳排放量分别为E销售、Eys-sl2、Eys-tl2、Eys-gl2，则：

3.2.4 钢铁供应链逆向物流碳排放抵扣量。钢铁供应链核心企业不仅需要关注其自身生产环节的减排，还要考虑所处供应链中产品全生命周期的减排[12]。由于钢铁供应链中逆向物流产生的碳排放较小，故此过程碳排放的测算忽略不计。而钢铁供应链中抵扣碳排放量E抵扣主要分为余热余压的回收利用抵扣的碳排放量R电热和固碳产品所隐含的碳排放量R固碳两部分，即：

其中，余热余压的回收利用抵扣的碳排放量R电热主要转换成余热余压发电，发电量转化为碳排放量。固碳产品所隐含的碳排放量按公式（17）计算：

式（17）中，R固碳为固碳产品所隐含的碳排放量（t）；AD固碳为第i 种固碳产品的产量（t）；EF固碳为第i 种固碳产品的碳排放因子（tCO2/t）；i为固碳产品的种类（如粗钢、甲醇等）。

4 应用实例

以湖南华菱湘潭钢铁有限公司（简称湘钢）为实例，对钢铁供应链碳排放测算模型进行验证。由实地调研结果，整理得出2013年湘钢不同运输方式承运占比（见表1）以及部分能源消耗（见表2）。根据本文理论和模型计算得出湘钢钢铁供应链各阶段的碳排放数据见表3。

表1 2013年湘钢不同运输方式承运占比

表2 2013年湘钢部分能源消耗 单位：万t

表3 湘钢钢铁供应链各阶段的碳排放量

从表3 可以看出，湘钢吨钢碳排放量为1.9。钢铁供应链中的碳排放除了由燃料燃烧产生外，还有钢铁生产流程中产生的碳排放，主要包括烧结、炼铁和炼钢等环节，占整个供应链上碳排放量的80.81%。优化钢铁生产流程是研究和解决钢铁企业资源、能源和碳减排的关键。企业应提高能源效率，优化生产流程，实行低碳生产；推进技术创新，强化物流控制，实行低碳物流。

5 结论

本文界定了钢铁供应链的边界，结合钢铁供应链的特征，构建了由采购碳排放、生产碳排放、销售碳排放、逆向物流产生的碳排放四个方面组成的碳排放测算模型，并以湘钢为实例验证。结果表明，该模型科学合理，适用于我国钢铁供应链碳排放量的测算以及减排潜力的分析，为管理者制定碳排放控制策略提供参考。当然，每一个测算指标及其计算公式对钢铁供应链碳排放影响因素的贡献等问题，还需选用相应的评价方法进行评价，这将在以后的研究中完成。

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