美国钢铁公司二氧化碳排放监测系统

作者:情报分会              发布时间:2010-12-16


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全球气候变化和温室气体排放议题在美国政界的讨论越来越频繁。由此,美国钢铁公司成功开发了一套计算、监测其主要生产装备产生主要温室气体↑↑CO↑2↑↑↑排放速度的系统,同时首次将此系统应用于该公司在斯洛伐克投资兴建的↑↑Košice↑↑钢厂(↑↑USSK↑↑)。被称为↑↑CO↑2↑↑↑平衡系统(↑↑BCO↑2↑↑↑)的计算机应用旨在遵守监测和报告与欧盟总量管制和交易制度相关的指导准则。尽管该系统只计算了一个单体炼钢集成设施的↑↑CO↑2↑↑↑排放情况,但这可作为进一步开发广泛适用于计算和总结美国钢铁公司各种主要生产设施↑↑CO↑2↑↑↑排放情况的系统的样板。该公司根据上述欧盟指导准则对主要设施的定义做出规定:能量消耗达↑↑20MW↑↑。↑↑↑↑↑ ↑

1 BCO↑2↑↑↑↑系统方法↑↑↑↑↑ ↑

2005↑↑↑年↑↑1↑↑↑月开始实施应用↑↑BCO↑2↑↑↑↑,根据质量平衡计算↑↑CO↑2↑↑↑↑的排放。第一步,计算出所有输入、输出设备的原材料、燃料或产品、副产品中的碳源总量。实际并不采用该法测量外排碳源,这种方法的实现在技术上很难,而且成本很高。输入物料包括含碳原料如冶金煤,外购焦炭,石灰石和白云石以及诸如锅炉用煤,燃油和天然气等燃料。根据生产工艺的不同,输出物料包括各种被转换的焦炭,轻质油和其他含碳副产品。炼钢设备生产的钢中碳也算作是一种输出,通过测量送去浇注的钢液可获得钢中的碳含量。从输入碳量中减去输出碳量,其差值换算为↑↑CO↑2↑↑↑↑当量吨,并假定排放至大气中。欧盟管理机构的要求规定,↑↑CO↑2↑↑↑↑排放的计算值与实际值的误差不得超过↑↑2.5%↑↑↑。因此除了非常小的碳源,所有的碳源都必须计算在内。虽然少量温室气体以↑↑CH↑4↑↑↑↑和↑↑N↑2↑O↑↑↑形式排放,但欧盟并没要求区分这些混合物,因而对其排放量的计算没有做出规定。↑↑↑↑ ↑

材料包含的碳源量是通过材料的含碳量乘以设备消耗的、转换的、排除的材料量而计算的。欧盟要求规定了用于测量材料重量装置的最大测量误差和校准频率,以确保测量结果的准确性。↑↑BCO↑2↑↑↑↑计算的精度取决于材料重量测量和碳分析的精度。为准确测定含碳量丰富材料如煤的含碳量,应定期取样。而对含碳量少的材料或可预测碳含量的材料,可不定期取样。↑↑↑↑ ↑

2006↑↑↑年夏天,美国钢铁公司的↑↑Košice↑↑↑钢厂输入输出的↑↑250↑↑↑多种材料重量及相应的碳含量都被输入↑↑BCO↑2↑↑↑↑系统。这些数据大部分是自动输入,但也有相当数量的数据需要人工输入。↑↑BCO↑2↑↑↑↑系统按天计算↑↑CO↑2↑↑↑↑排放量,并会统计月度累积值和年度总量。↑↑USSK↑↑↑钢厂制定了一套↑↑CO↑2↑↑↑↑排放年度分配管理制度,管理人员利用↑↑BCO↑2↑↑↑↑程序和其他工具可预测评估年终↑↑CO↑2↑↑↑↑的排放情况,以确保↑↑CO↑2↑↑↑↑排放不超标。↑↑↑↑ ↑

 ↑↑↑↑ ↑

2 GBCO↑2↑↑↑↑系统开发↑↑↑↑↑ ↑

美国钢铁公司的初衷是要开发一套应用系统来计算监测其主要生产设备排放的↑↑CO↑2↑↑↑↑,应用↑↑BCO↑2↑↑↑↑系统的方法和技术,根据设备类型不断积累总结,建立自己的↑↑CO↑2↑↑↑↑监测系统。当时,美国钢铁公司有↑↑7↑↑↑座联合钢铁厂(包括↑↑USSK↑↑↑),↑↑5↑↑↑座独立精轧机,↑↑2↑↑↑座矿山经营都是监测的目标。紧接着该公司要求监测↑↑USSK↑↑↑钢厂成千上万种材料重量及其碳含量。首先必须对众多数据来源进行鉴别,其次是必须开发多种有效的数据输入方法才能将所有需要的数据快而准确地输入系统。显然,其工作量相当庞大而繁杂。为便于管理和在合理的时间框架内制定出科学的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放计算法,这一举措将在第四阶段实施。↑↑↑↑ ↑

美国钢铁公司调配来自研究机构、环境事业部、商业服务中心、会计和生产一线的员工共同组成↑↑CO↑2↑↑↑↑数据组来实施该项目。大体方向是在北美开发设计规范(因为大多数钢厂设置在北美↑↑)↑↑↑,在欧洲(↑↑Košice↑↑↑)设计与开发该系统以利用在开发实施↑↑BCO↑2↑↑↑↑系统时积累的丰富经验。全球↑↑CO↑2↑↑↑↑平衡系统(↑↑GBCO↑2↑↑↑↑)应用所要求的硬件支撑设备也安置在↑↑USSK↑↑↑。↑↑↑↑ ↑

3 GBCO↑2↑↑↑↑系统的第一阶段↑↑↑↑↑ ↑

第一阶段的目标是分析大量输入和输出设备的碳源,并要将监测材料的品种数减至最小。↑↑USSK↑↑↑系统对↑↑23↑↑↑种材料和总量分析的结果表明,可对至少↑↑95%↑↑↑的流进流出炼钢设备的碳源进行分析计算,见表↑↑1↑↑↑。材料含碳量选择是根据广泛的文献综述,合理的分析数据、厂商信息和材料来源的相关知识确定的。同时记录了对每种材料是输入还是输出的分类。↑↑↑↑ ↑

表↑↑↑1 ↑             ↑↑↑↑↑典型钢铁生产设备的主要碳源↑↑↑↑↑↑ ↑

材料↑↑↑↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑/↑↑↑↑输出↑↑↑↑↑↑ ↑ ↑

含碳量↑↑↑↑↑↑ ↑ ↑ ↑ ↑

锅炉煤↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.8200 NT/NT↑↑↑ ↑ ↑ ↑

炼焦煤↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.8127 NT/NT↑↑↑ ↑ ↑ ↑

外购焦↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.8800 NT/NT↑↑↑ ↑ ↑ ↑

喷吹煤↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.8526 NT/NT↑↑↑ ↑ ↑ ↑

石灰石↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.1185 NT/NT↑↑↑ ↑ ↑ ↑

白云石↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.1304 NT/NT↑↑↑ ↑ ↑ ↑

煅烧白云石↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.0068 NT/NT↑↑↑ ↑ ↑ ↑

丙烷↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.0081 NT/gallon↑↑↑ ↑ ↑ ↑

柴油↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.0030 NT/gallon↑↑↑ ↑ ↑ ↑

燃油↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.0035 NT/gallon↑↑↑ ↑ ↑ ↑

天然气↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

18.25 NT/MMscf↑↑↑ ↑ ↑ ↑

焦炉煤气↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

6.90 NT/MMscf↑↑↑ ↑ ↑ ↑

外购蒸汽↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.0701 NT/NT↑↑↑ ↑ ↑ ↑

外购焦油↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.0041 NT/gallon↑↑↑ ↑ ↑ ↑

外购电力↑↑↑ ↑ ↑

输入↑↑↑ ↑ ↑

0.1900 NT/MWh↑↑↑ ↑ ↑ ↑

球团矿↑↑↑ ↑ ↑

输出↑↑↑ ↑ ↑

0.0120 NT/NT↑↑↑ ↑ ↑ ↑

焦炭↑↑/↑↑↑煤粉转换↑↑↑ ↑ ↑

输出↑↑↑ ↑ ↑

0.8800 NT/NT↑↑↑ ↑ ↑ ↑

轻质油↑↑/↑↑↑苯↑↑↑ ↑ ↑

输出↑↑↑ ↑ ↑

0.0034 NT/gallon↑↑↑ ↑ ↑ ↑

焦油转换↑↑↑ ↑ ↑

输出↑↑↑ ↑ ↑

0.0041 NT/gallon↑↑↑ ↑ ↑ ↑

高炉煤气转换↑↑↑ ↑ ↑

输出↑↑↑ ↑ ↑

8.90 NT/MMscf↑↑↑ ↑ ↑ ↑

蒸汽转换↑↑↑ ↑ ↑

输出↑↑↑ ↑ ↑

0.0701 NT/NT↑↑↑ ↑ ↑ ↑

电力转换↑↑↑ ↑ ↑

输出↑↑↑ ↑ ↑

0.1900 NT/MWh↑↑↑ ↑ ↑ ↑

销售的成品钢材↑↑↑ ↑ ↑

输出↑↑↑ ↑ ↑

0.0004 NT/NT↑↑↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑

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在测量总碳量的大量参数中选用少量参数进行分析。该方法与美国钢铁协会(↑↑AISI↑↑↑),国际钢铁协会(↑↑wo↑rldsteel↑↑↑,即以前的↑↑IISI↑↑↑)共同进行的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放量计算的方法类似。协会用钢铁公司提供的数据计算钢铁工业↑↑CO↑2↑↑↑↑排放量。美国钢铁公司已向这两组织提供了数据。美国钢铁协会和国际钢铁协会采用的典型含碳量与表↑↑1↑↑↑所列相似。为使↑↑GBCO↑2↑↑↑↑第一阶段的实施更加合理,不论材料的来源,各种级别的用一种材料都使用表↑↑1↑↑↑所列的典型含碳量。例如↑↑GBCO↑2↑↑↑↑第一阶段采用的方法是各种类型的锅炉用煤的含碳量均用同一值,↑↑0.82NT/NT↑↑↑。因此,↑↑GBCO↑2↑↑↑↑第一阶段的焦点便集中在如何系统地获得所有需要的数据,以确定材料输入和输出,之后在后续阶段考虑材料取样位置和如何测定含碳量。↑↑↑↑ ↑

用于计算↑↑CO↑2↑↑↑↑排放的欧盟指导准则实际上涉及到跨越厂界的碳量问题。除此之外,由美国钢铁协会或国际钢铁协会计算的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放量也包括蒸汽产生和发电过程中排放的↑↑CO↑2↑↑↑↑总量的评估。↑↑↑↑ ↑

GBCO↑2↑↑↑↑第一阶段要计算有外购电和无外购电的情况下↑↑CO↑2↑↑↑↑的排放量,因为在美国、斯洛伐克、塞尔维亚以及在第一阶段参与的国家因发电而消耗一定的碳量。外购碳和蒸汽的转换同样在↑↑GBCO↑2↑↑↑↑系统内会涉及。但在第一阶段并未制定有关单独考虑外购蒸汽中涉及碳量(就像外购电一样)的规定。表↑↑1↑↑↑中外购和转换电力的含碳量是美国本土电网的平均值。↑↑↑↑ ↑

由于已经对↑↑USSK↑↑↑的厂界进行了划分,必须确定材料的输入、输出,因为这些材料的消耗和转换已超出了钢厂的范围,如焦炭、焦油、轻质油的销售等。唯一例外的是钢液中的碳含量,且是送去浇注的钢液,在多数炼钢厂,钢液中碳含量的测量还是准确的。该方法能避免重复记账。例如列车运载的冶金煤在煤场卸货后要几个月才能消耗完,因为煤的调配受制于炼焦厂。由于厂界是按比例划分的,并以此来测量送入炼焦厂料仓的煤量,所以煤场的煤未计量。超过该比例,煤就算进入炼焦厂。用比例测量的方法同样适用于设备的输出。↑↑↑↑ ↑

有了上述对↑↑CO↑2↑↑↑排放计算方法的规定后,下一步就要确定监测的目标。欧盟过去开发↑↑BCO↑2↑↑↑系统时规定热能消耗达到或超过↑↑20MW↑↑的设施必须进行监测,此临界值不是一成不变的。美国钢铁公司的管理结构决定了设备之间的组合。根据以上准则,第一阶段要监测↑↑2↑↑座矿山设施;↑↑5↑↑座独立精轧厂设施;↑↑7↑↑座联合钢铁厂设施。因为管理体制的原因,决定暂不监测合资钢铁厂的设施。↑↑↑↑↑ ↑

上述方法常用来计算单个设施的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放总量,显然,生产水平直接决定了↑↑CO↑2↑↑↑↑排放的多少。计算的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放量就会表现出某种趋势。如果能够按照某种产品或强度计算↑↑CO↑2↑↑↑↑排放量,即单位产品排放的↑↑CO↑2↑↑↑↑量,那么对↑↑CO↑2↑↑↑↑排放的分析将更加有意义。例如计算矿山的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放强度,即生产↑↑1t↑↑↑球团矿排放的↑↑CO↑2↑↑↑↑量;联合钢铁的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放强度是生产↑↑1t↑↑↑钢液排放的↑↑CO↑2↑↑↑↑量;精轧厂的排放强度则是单位成品钢材的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放量。↑↑↑↑ ↑

然后对北美、欧洲和美国钢铁公司的生产排放强度进行了总结。需要注意北美、欧洲和美国钢铁公司的计算各自代表前面介绍的三种基本生产:钢液、粗钢和成品钢材。钢液生产被认为是最可靠的,因为所有的钢铁厂对该产品都有一致的、合理的精确测量。然而,钢铁工业的统计结果显示的却是粗钢或成品钢材的相关数据,而↑↑GBCO↑2↑↑↑↑报告提供的是参照数据。↑↑↑↑ ↑

GBCO↑2↑↑↑↑程序还可生成其他报告:即材料数量报告、碳的生成报告以及详细描述各种变化的趋势图。材料数量报告简单总结单体设施每月计算的材料总量;碳的生成报告则以材料总量为依据总结报告材料的含碳量。这些报告用于分析材料消耗的变化趋势和详细说明材料在碳平衡中的作用及最大贡献者。↑↑↑↑ ↑

GBCO↑2↑↑↑↑第一阶段于↑↑2007↑↑↑年↑↑9↑↑↑月↑↑30↑↑↑日↑↑↑正式实施。为准确可靠的进行监测,公司要求管理人员对所有数据质量和生成的报告负责。各厂协调员要监督各设施的数据输入。↑↑2007↑↑↑年第四季度向钢厂管理人员介绍了监测系统,同时进行了人工输入数据和数据有效性处理的培训。为了保证运行的高效、快捷,管理人员的技术能力和责任心尤其重要。为此,↑↑BCO↑2↑↑↑↑团队的管理人员由行政部门在厂内择优挑选。↑↑↑↑ ↑

系统运行数据的↑↑70%↑↑↑是按月自动传输的。数据质量通过各种操作报告和会计报告进行校核,应用统计方法确认输入↑↑GBCO↑2↑↑↑↑系统的材料数量的合理性,及判断是否在使用范围或生产强度期望的范围内。↑↑↑↑ ↑

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4 GBCO↑2↑↑↑↑系统的第二阶段↑↑↑↑↑ ↑

第二阶段的目标是用材料的实际含碳量代替典型含碳量,以改善↑↑CO↑2↑↑↑↑平衡的计算精度。为此,必须对↑↑GBCO↑2↑↑↑↑系统进行修改,作为附加输入方式使修改后的系统能按月接收输入每个工厂每种材料的实际含碳量。如果没有实际含碳量,则默认为第一阶段的碳含量。第二阶段的其它目标按照第一阶段的开发和实施模式进行,其中最重要的是利用↑↑GBCO↑2↑↑↑↑数据计算能量消耗。美国钢铁公司发起↑↑CO↑2↑↑↑↑监测项目不久,全球形势促使各大公司关注能量强度↑↑——↑↑↑生产↑↑1t↑↑↑钢材消耗的能量值。↑↑GBCO↑2↑↑↑↑系统几乎囊括了计算设施能量强度所需要的所有数据,因此,正好可满足能量强度的计算。↑↑↑↑ ↑

能量强度计算方法与↑↑CO↑2↑↑↑↑排放计算法基本相似。输入钢厂的总能量(例如燃油、外购电、蒸汽等)和以副产品形式输出工厂的能量(如焦油、轻质油等)以及直接转换的能量(即是蒸汽和电力)均以百万英国热量单位(↑↑MMBtu↑↑↑)进行计算。将它们之间的差值视为工艺过程的能量消耗。每种燃料或材料对能量的贡献值等于输入或输出设施的材料数量乘以其相应的发热值。能量强度计算的基础与↑↑CO↑2↑↑↑↑排放强度的确定相同,即生产↑↑1t↑↑↑球团矿、↑↑1t↑↑↑成品钢材或↑↑1t↑↑↑钢液需要消耗能量值。为了实施这些计算,正对↑↑GBCO↑2↑↑↑↑系统进行设计配置,以能接收材料实际所含的热值,或者在没有实际热值的情况下默认使用典型热值替代进行计算。默认的典型热值可从美国钢铁协会、国际钢铁协会,或综合文献中获得。↑↑↑↑ ↑

第二阶段的另一目标是扩展↑↑GBCO↑2↑↑↑↑系统的计算能力,包括计算上游或间接的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放和上游的能量消耗值。第一阶段计算的是两种情况下的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放强度,即有外购电和无外购电的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放强度。↑↑↑↑ ↑

以世界资源协会温室气体议定书提供的定义为标准,规定跨越厂界的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放强度作为计算范围一;包含外购能源的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放强度作为计算范围二;计算包含上游或间接排放的↑↑CO↑2↑↑↑↑排放强度作为计算范围三。↑↑↑↑ ↑

为了进行范围三的计算,↑↑GBCO↑2↑↑↑↑系统将设计成可接收附加的各种材料的含碳量和热值。如果没有实际数据,则美国钢铁协会、国际钢铁协会或公开发表的文献都可为范围三的计算提供典型含碳量和热值。在第二阶段,系统通过将范围一和范围三各种材料含碳量或热值之和乘以材料重量,从而实现范围三的↑↑CO↑2↑↑↑↑或能量的相关计算。注意仅电力和蒸汽涉及范围二的计算,因此不能将范围二的部分计入范围三内计算。↑↑↑↑ ↑

GBCO↑2↑↑↑↑第二阶段实施的另一特征是系统具有自动检测数据有效性的程序(↑↑ADV↑↑↑)。它能为每种材料的含碳量和热值确立一个数据接收范围。此范围是根据前↑↑12↑↑↑个月材料数量的平均值和平均偏差值计算出来的。如果输入系统的数据不在该范围内,系统将给钢厂的设备管理人员发送一封↑↑E-mail↑↑↑,同时也会给公司的管理者,以说明需对某些可能有错的数据进行检查。该程序虽然消除了手工统计评价数据的需要,但仍然需要为捕捉次要的数据输入错误进行人工对比检查数据。↑↑↑↑ ↑

GBCO↑2↑↑↑第二阶段的另一主要目标是扩大监测设施数量,从↑↑14↑↑座扩大到↑↑18↑↑座,包括美国钢铁公司最近并购的设施。有两座新设施是以前加拿大的↑↑Stelco↑↑,其他两座是美国的↑↑Lone Star Steel↑↑,均达到监测目标选择的能量消耗限制↑↑20MW↑↑。监测设施数量增多后需要对↑↑CO↑2↑↑↑和能量强度报告进行修改已添加增加的设备,并重新调整总计。↑↑↑↑↑ ↑

通过↑↑CO↑2↑↑↑↑数据组人员对系统进行为期↑↑6↑↑↑周的试验并排除故障后,↑↑2008↑↑↑年↑↑10↑↑↑月↑↑31↑↑↑日↑↑↑开始执行第二阶段的监测。在接下来的↑↑3↑↑↑个月培训所有管理人员和其他使用者。如果↑↑2009↑↑↑年↑↑1↑↑↑月的监测数据适用于↑↑2009↑↑↑年的监测报告,第二阶段的监测能力将于↑↑2009↑↑↑年↑↑2↑↑↑月开始充分发挥。↑↑↑↑ ↑

5 GBCO↑2↑↑↑↑系统的第三、四阶段↑↑↑↑↑ ↑

从概念上讲,第三阶段涉及在钢厂碳平衡中添加输入或输出材料,以及第一阶段未列入的材料。添加材料的默认碳含量用于第三阶段的计算。第四阶段要用第三阶段材料的实际含碳量(如果有实际含碳量)进行计算。然而,由于第三阶段的设计已具有添加更多材料以及与范围一和范围三中碳含量与热值相关的计算能力。所以,第三和第四阶段的概念性目标已经得到实现。↑↑↑↑ ↑

与第二阶段开发实施的经验相似,↑↑CO↑2↑↑↑↑数据组和开发人员为提高改善第二阶段的实施效果进行了测试与部署。目前,这些改进已成为第三阶段的附加目标。一般情况下,这些目标允许进行质量平衡计算时更换材料以及修改报告格式。预计第三阶段将于↑↑2010↑↑↑年部署并实施。↑↑↑↑