基于碳排放的鋼鐵供應(yīng)鏈界定及測(cè)算模型構(gòu)建

王忠偉，羅杏玲，鄒安全,2

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.長沙大學(xué) 工商管理系，湖南 長沙 410022）

1 引言

2013 年中國粗鋼產(chǎn)量7.79 億t，占據(jù)全球粗鋼產(chǎn)量的48.5%，位居世界第一。但與世界先進(jìn)國家相比仍存在一定差距，且面臨著產(chǎn)能過剩、大氣污染等問題。目前，全球碳排放量約達(dá)360 億t，我國人均碳排量約為7t。而鋼鐵行業(yè)的碳排放已達(dá)到全國總排放的15%左右[1]。因此，對(duì)鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放測(cè)算、影響因素和控制策略進(jìn)行研究，解決現(xiàn)有問題，對(duì)我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義，也可為國家和企業(yè)實(shí)施節(jié)能減排措施提供決策依據(jù)。

從已有研究看，碳排放測(cè)算的方法主要有碳排放系數(shù)法和模型法。一般的簡單碳排放測(cè)算都采用IPCC 提供的碳排放系數(shù)法，而對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的處理則采用模型法，根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)的不同，主要有投入產(chǎn)出模型、CGE 模型、生命周期法及混合方法。由于我國能源利用水平與國際發(fā)達(dá)國家存在差距，上述方法存在碳泄露、排放公平性、關(guān)聯(lián)性和計(jì)算精確性等問題，其計(jì)算結(jié)果不完全適合我國[2]。對(duì)于碳排放影響因素的研究主要基于國家、省域、城市、家庭和行業(yè)等層面。關(guān)于碳排放控制方面，從宏觀上講，主要有基于價(jià)格控制的稅收和基于總量控制的碳排放權(quán)交易這兩大經(jīng)濟(jì)手段來對(duì)碳排放進(jìn)行控制；從供應(yīng)鏈上看，Kokkinaki 等[3]從資源約束的角度對(duì)鋼鐵制造業(yè)供應(yīng)鏈的采購、生產(chǎn)、銷售、回收及廢棄物處理等各個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)管理實(shí)現(xiàn)減排進(jìn)行了研究。龐燕等[4]從分析供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，構(gòu)建了低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)境下鋼鐵制造業(yè)綠色供應(yīng)鏈管理模型，以實(shí)現(xiàn)整條供應(yīng)鏈的低消耗、低排放。從國內(nèi)外研究來看，存在幾點(diǎn)局限：（1）對(duì)碳排放問題研究多是基于宏觀或微觀層面，而從供應(yīng)鏈中觀層面研究不夠，尤其缺乏針對(duì)鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放的專題研究；（2）對(duì)鋼鐵企業(yè)碳排放影響因素和測(cè)算方法的研究尚不充分，且基于供應(yīng)鏈角度的量化研究很薄弱；（3）對(duì)于如何進(jìn)一步挖掘鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放的對(duì)策研究有待深入。因此，從鋼鐵供應(yīng)鏈角度出發(fā)，構(gòu)建合理的碳排放測(cè)算模型，找出碳排放量較大的部門或環(huán)節(jié)，是有效實(shí)現(xiàn)碳排放控制的關(guān)鍵。本文以鋼鐵供應(yīng)鏈為研究對(duì)象，采用碳排放系數(shù)法構(gòu)建鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放測(cè)算模型，最后通過實(shí)例驗(yàn)證提出相應(yīng)的控制策略。

2 鋼鐵供應(yīng)鏈的界定及結(jié)構(gòu)特征

鋼鐵供應(yīng)鏈?zhǔn)且凿撹F企業(yè)為核心，由原材料供應(yīng)商（包括礦山等）、鋼鐵企業(yè)、分銷商、用戶組成的網(wǎng)絡(luò)，通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供鋼鐵產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈的增值[5-6]。鋼鐵供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示。在鋼鐵供應(yīng)鏈中，鋼鐵企業(yè)通過自己所處的核心地位，使所有企業(yè)有效連接起來形成一體化的供應(yīng)鏈，并對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈的運(yùn)行進(jìn)行信息和物流的協(xié)調(diào)與控制。同時(shí)，在所有供應(yīng)鏈成員之間建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，促使各節(jié)點(diǎn)企業(yè)（供應(yīng)商、中間倉庫、工廠、配送中心、門店）在需求信息的驅(qū)動(dòng)下，通過供應(yīng)鏈的職能分工與合作（供應(yīng)、生產(chǎn)、庫存、裝配、分銷、回收等），以資金流、物流和服務(wù)流為媒介，實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋼鐵供應(yīng)鏈不斷增值。

圖1 鋼鐵供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)圖

該供應(yīng)鏈?zhǔn)前ㄤ撹F鏈、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的綜合可持續(xù)鋼鐵供應(yīng)鏈，基本活動(dòng)包括原材料開采、鋼鐵的生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、銷售、回收等，同時(shí)涉及各環(huán)節(jié)中鋼鐵鏈與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜聯(lián)系。該鏈以客戶需求為導(dǎo)向，以先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，鋼鐵供應(yīng)商、生產(chǎn)商、運(yùn)輸商、流通商、消費(fèi)企業(yè)等形成一條高效的鋼鐵供應(yīng)鏈。其運(yùn)作不是完全封閉的，它不斷與外界進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境方面的物質(zhì)和能量交流，互相影響，互相配合，在滿足供應(yīng)鏈經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí)，綜合考慮了各環(huán)節(jié)活動(dòng)所帶來的社會(huì)和環(huán)境效益[7]。

為適應(yīng)鋼鐵產(chǎn)能過剩、鋼鐵產(chǎn)品多樣化、企業(yè)間合作復(fù)雜化以及客戶要求個(gè)性化的現(xiàn)狀，鋼鐵供應(yīng)鏈中的供應(yīng)商、鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)商和分銷商被有機(jī)組織起來，形成了供應(yīng)—生產(chǎn)—銷售的供應(yīng)鏈[8]。從圖1鋼鐵供應(yīng)鏈的結(jié)構(gòu)模型可以看出，原材料供應(yīng)商、鋼鐵企業(yè)和鋼鐵產(chǎn)品分銷商在戰(zhàn)略、任務(wù)、資源和能力方面相互依賴，構(gòu)成了一個(gè)十分復(fù)雜的網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)。一個(gè)企業(yè)是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)企業(yè)之間是一種供需關(guān)系。通過分析發(fā)現(xiàn)，鋼鐵供應(yīng)鏈具有如下特征：

（1）主導(dǎo)性。從組織邊界的角度看，雖然每個(gè)業(yè)務(wù)實(shí)體都是鋼鐵供應(yīng)鏈的成員，但是在整個(gè)鋼鐵供應(yīng)鏈的運(yùn)作過程中，鋼鐵企業(yè)是供應(yīng)鏈中連接上下游之間的交點(diǎn)，是信息流、服務(wù)流、資金流運(yùn)作的核心，這就使得鋼鐵供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)具有明顯的主導(dǎo)性。

（2）特殊性。鋼鐵產(chǎn)品和原材料品種較固定，如鋼鐵產(chǎn)品主要為線材、型鋼、帶鋼、管材等；鋼鐵供應(yīng)商提供的原材料主要是礦石，如鐵礦石等。另外鋼鐵企業(yè)內(nèi)部也有明顯的供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)。如鋼鐵生產(chǎn)主要包括煤炭焦化、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼和軋鋼等環(huán)節(jié)，相鄰單元間也是供應(yīng)與需求的關(guān)系。因此，原材料和鋼鐵產(chǎn)品的特殊性以及鋼鐵企業(yè)內(nèi)部的供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)使得鋼鐵供應(yīng)鏈表現(xiàn)為特殊性。

（3）復(fù)雜性。隨著鋼鐵供應(yīng)鏈成員的增多，供應(yīng)、生產(chǎn)和銷售關(guān)系趨向多元化。鋼鐵供應(yīng)鏈的多級(jí)交叉結(jié)構(gòu)增加了供應(yīng)鏈管理的困難，但也為其優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。所以鋼鐵供應(yīng)鏈的結(jié)構(gòu)模式比一般單個(gè)企業(yè)的結(jié)構(gòu)模式更復(fù)雜。

（4）動(dòng)態(tài)性。鋼鐵供應(yīng)鏈的成員通過“四流”（信息流、物流、服務(wù)流和資金流）聯(lián)結(jié)起來，并根據(jù)鋼鐵企業(yè)戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)變和市場(chǎng)需求的變化動(dòng)態(tài)地進(jìn)行更新。而且各節(jié)點(diǎn)企業(yè)之間的關(guān)系也隨著客戶需求的不同做出相應(yīng)的調(diào)整。這就體現(xiàn)了鋼鐵供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性。

3 鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放測(cè)算

3.1 鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放體系構(gòu)建

結(jié)合鋼鐵供應(yīng)鏈的特征，分析了鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放與社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建了如圖2所示的鋼鐵供應(yīng)鏈整體碳排放體系。

圖2 鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放體系模型

虛線框表示鋼鐵供應(yīng)鏈的總碳排放，主要包括鋼鐵供應(yīng)鏈涉及的原材料開采、洗選加工、鋼鐵生產(chǎn)、運(yùn)輸儲(chǔ)存、鋼鐵產(chǎn)品消費(fèi)、逆向物流等環(huán)節(jié)。由于多級(jí)供應(yīng)和消費(fèi)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的碳排放量比其他環(huán)節(jié)少，所以在此模型中忽略不計(jì)；且本模型也不考慮原材料的開采與洗選加工環(huán)節(jié)。原材料及鋼鐵產(chǎn)品運(yùn)輸中長途大宗運(yùn)輸工具會(huì)排放二氧化碳；鋼鐵產(chǎn)品的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和流通加工中有大量二氧化碳排放；冶金渣等固體廢棄物以及余熱余壓的回收利用等逆向物流環(huán)節(jié)也有二氧化碳產(chǎn)生和抵消。構(gòu)建鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放體系模型便于測(cè)算出供應(yīng)鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)的碳排放量，便于找出碳排放量較大的環(huán)節(jié)和部門，以此作為碳排放控制的依據(jù)。

虛線框上方表示鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放與環(huán)境、社會(huì)之間的關(guān)聯(lián)，是一個(gè)相互影響的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)過程。鋼鐵供應(yīng)鏈的碳排放總量會(huì)受到政府或環(huán)境部門的監(jiān)督和管理，并進(jìn)行碳審計(jì)；進(jìn)而將獲取的碳排放數(shù)據(jù)與鋼鐵行業(yè)碳排放標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)，得出鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放的合格程度；根據(jù)比對(duì)結(jié)果，國家和政府相關(guān)部門出臺(tái)相關(guān)政策、法規(guī)以及碳排放標(biāo)準(zhǔn)反饋至鋼鐵供應(yīng)鏈系統(tǒng)，使其做出相應(yīng)調(diào)整和改善。

3.2 鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放測(cè)算模型構(gòu)建

鋼鐵供應(yīng)鏈總碳排放主要分為采購碳排放、生產(chǎn)碳排放、銷售碳排放、逆向物流產(chǎn)生的碳排放四個(gè)方面。即：

式（1）中：Eco2為鋼鐵供應(yīng)鏈總碳排放量（t）；E采購為鋼鐵供應(yīng)鏈原材料采購過程所產(chǎn)生的碳排放量（t）；E生產(chǎn)為鋼鐵生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳排放量（t）；E銷售為鋼鐵供應(yīng)鏈鋼鐵產(chǎn)品銷售過程中所產(chǎn)生的碳排放量（t）；E回收為鋼鐵供應(yīng)鏈回收過程產(chǎn)生的碳排放量（t）；E抵扣為鋼鐵供應(yīng)鏈固碳產(chǎn)品碳排放以及余熱余壓碳排放的抵扣量（t）。為方便計(jì)算，將采購碳排放和銷售碳排放轉(zhuǎn)換成運(yùn)輸碳排放計(jì)算；將生產(chǎn)碳排放分解為化石燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)過程、電熱力消耗來核算碳排放量；而回收等逆向物流過程產(chǎn)生的碳排放則暫不考慮。具體計(jì)算如下：

3.2.1 鋼鐵供應(yīng)鏈采購碳排放測(cè)算模型。鋼鐵供應(yīng)鏈采購過程產(chǎn)生的碳排放量主要轉(zhuǎn)換成原材料的運(yùn)輸碳排放計(jì)算。根據(jù)鋼鐵行業(yè)的自身特點(diǎn)，原材料的運(yùn)輸主要是以鐵路為主、公路水運(yùn)為輔。除電氣化鐵路以電力為主外，內(nèi)燃機(jī)機(jī)車、原材料和鋼鐵產(chǎn)品運(yùn)輸卡車的燃料以柴油為主，船舶的主要能源為燃油(汽油和柴油)。這些運(yùn)輸工具的燃料產(chǎn)生一定的碳排放。根據(jù)《2006 年IPCC 指南》，在“全球平均方法—移動(dòng)源排放”條件下，鋼鐵供應(yīng)鏈運(yùn)輸過程產(chǎn)生的碳排放量為鐵路、公路、水路運(yùn)輸?shù)奶寂欧帕恐汀?/p>

采購過程主要是原材料的運(yùn)輸，故假設(shè)原材料運(yùn)輸量為Q1（t）；主要采用水路、鐵路和公路三種運(yùn)輸方式，各種運(yùn)輸方式的運(yùn)輸量分擔(dān)率分別為nsl、ntl、ngl；鐵路運(yùn)輸中內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)輸量占比取knrj=1；水路、鐵路和公路的平均運(yùn)距為Lsl、Ltl、Lgl（km）；水路、鐵路和公路運(yùn)輸?shù)膰嵐镉秃乃綖閥sl、ytl、ygl（kg/(t·km)）；a型燃料的燃燒值為qa（TJ/kg）；a型燃料的排放因子為EFa（kg/TJ）。設(shè)采購過程的運(yùn)輸總碳排放、水路、鐵路和公路運(yùn)輸?shù)奶寂欧帕糠謩e為E采購、Eys-sl1、Eys-tl1、Eys-gl1，即：

其中，nsl+ntl+ngl=1；CCa為a型燃料的單位熱值含碳量（tc/GJ）；OFa為a型燃料的碳氧化率（%）。

3.2.2 鋼鐵供應(yīng)鏈生產(chǎn)碳排放測(cè)算模型。將鋼鐵供應(yīng)鏈生產(chǎn)過程生產(chǎn)的碳排放量分解為化石燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)過程、電熱力消耗來核算[9-10]，設(shè)生產(chǎn)過程的總碳排放量、化石燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放量、工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳排放量和消耗電力、熱力（如蒸汽）產(chǎn)生的碳排放量分別為E生產(chǎn)、E1、E2、E3。即：

（1）化石燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放。根據(jù)IPCC指南[11]公式：

式（8）中，E1表示鋼鐵供應(yīng)鏈中所有化石燃料消耗產(chǎn)生的碳排放總量（t）；ADi為第i 種化石燃料的活動(dòng)水平（GJ）；EFi為第i種化石燃料的二氧化碳排放因子。

（2）工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳排放。鋼鐵供應(yīng)鏈中，工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳排放量E2主要分為消耗溶劑等原材料產(chǎn)生的碳排放量Ea和煉鐵工序中還原反應(yīng)所產(chǎn)生的碳排放量Eb。

①消耗溶劑等原材料產(chǎn)生的碳排放可用公式（9）來計(jì)算：

式（9）中，Ea表示消耗溶劑等原材料產(chǎn)生的碳排放量（t）；Pi表示第i種溶劑等原材料的凈消耗量（t）；ni為第i種溶劑等原材料的利用率（%）；EFi表示第i種溶劑等原材料的碳排放因子（tCO2/t）；i為消耗溶劑或原材料的種類，如白云石、石灰石等。

②煉鐵工序中還原反應(yīng)所產(chǎn)生的碳排放可用公式（10）來計(jì)算：

式（10）中，Eb為煉鐵工序中還原反應(yīng)所產(chǎn)生的碳排放量（t）；FCj為煉鐵工序中第j 種還原劑質(zhì)量（t）；nj為第j 種還原劑還原反應(yīng)的利用率（%）；EFj為第j 種還原劑的排放因子（tCO2/t）；j 為煉鐵工序中消耗的還原劑種類，如焦炭、天然氣等。

（3）電力、熱力消耗產(chǎn)生的碳排放。鋼鐵供應(yīng)鏈由電力、熱力消耗產(chǎn)生的碳排放量按公式（11）計(jì)算：

式（11）中，E3為電力、熱力消耗產(chǎn)生的碳排放量（t）；AD電、AD熱分別為凈購入的電量和熱力量（MWh、GJ）；EF電、EF熱分別為電力和熱力的碳排放因子（tCO2/MWh、tCO2/GJ）。

3.2.3 鋼鐵供應(yīng)鏈銷售碳排放測(cè)算模型。鋼鐵供應(yīng)鏈銷售過程中產(chǎn)生的碳排放量主要轉(zhuǎn)換成鋼鐵產(chǎn)品銷售過程的運(yùn)輸碳排放和鋼鐵產(chǎn)品再加工產(chǎn)生的碳排放來計(jì)算。由于鋼鐵再加工產(chǎn)品種類繁多，工藝復(fù)雜，本文暫只考慮生鐵、粗鋼、鋼材這三大類鋼鐵產(chǎn)品。鋼鐵供應(yīng)鏈銷售過程產(chǎn)生的碳排放量與其采購過程碳排放測(cè)算模型類似，由此可得銷售過程中鋼鐵產(chǎn)品運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量。假設(shè)鋼鐵產(chǎn)品運(yùn)輸量為Q2（t）；其他因素同采購過程，設(shè)銷售過程的運(yùn)輸總碳排放、水路、鐵路和公路運(yùn)輸?shù)奶寂欧帕糠謩e為E銷售、Eys-sl2、Eys-tl2、Eys-gl2，則：

3.2.4 鋼鐵供應(yīng)鏈逆向物流碳排放抵扣量。鋼鐵供應(yīng)鏈核心企業(yè)不僅需要關(guān)注其自身生產(chǎn)環(huán)節(jié)的減排，還要考慮所處供應(yīng)鏈中產(chǎn)品全生命周期的減排[12]。由于鋼鐵供應(yīng)鏈中逆向物流產(chǎn)生的碳排放較小，故此過程碳排放的測(cè)算忽略不計(jì)。而鋼鐵供應(yīng)鏈中抵扣碳排放量E抵扣主要分為余熱余壓的回收利用抵扣的碳排放量R電熱和固碳產(chǎn)品所隱含的碳排放量R固碳兩部分，即：

其中，余熱余壓的回收利用抵扣的碳排放量R電熱主要轉(zhuǎn)換成余熱余壓發(fā)電，發(fā)電量轉(zhuǎn)化為碳排放量。固碳產(chǎn)品所隱含的碳排放量按公式（17）計(jì)算：

式（17）中，R固碳為固碳產(chǎn)品所隱含的碳排放量（t）；AD固碳為第i 種固碳產(chǎn)品的產(chǎn)量（t）；EF固碳為第i 種固碳產(chǎn)品的碳排放因子（tCO2/t）；i為固碳產(chǎn)品的種類（如粗鋼、甲醇等）。

4 應(yīng)用實(shí)例

以湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司（簡稱湘鋼）為實(shí)例，對(duì)鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放測(cè)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。由實(shí)地調(diào)研結(jié)果，整理得出2013年湘鋼不同運(yùn)輸方式承運(yùn)占比（見表1）以及部分能源消耗（見表2）。根據(jù)本文理論和模型計(jì)算得出湘鋼鋼鐵供應(yīng)鏈各階段的碳排放數(shù)據(jù)見表3。

表1 2013年湘鋼不同運(yùn)輸方式承運(yùn)占比

表2 2013年湘鋼部分能源消耗 單位：萬t

表3 湘鋼鋼鐵供應(yīng)鏈各階段的碳排放量

從表3 可以看出，湘鋼噸鋼碳排放量為1.9。鋼鐵供應(yīng)鏈中的碳排放除了由燃料燃燒產(chǎn)生外，還有鋼鐵生產(chǎn)流程中產(chǎn)生的碳排放，主要包括燒結(jié)、煉鐵和煉鋼等環(huán)節(jié)，占整個(gè)供應(yīng)鏈上碳排放量的80.81%。優(yōu)化鋼鐵生產(chǎn)流程是研究和解決鋼鐵企業(yè)資源、能源和碳減排的關(guān)鍵。企業(yè)應(yīng)提高能源效率，優(yōu)化生產(chǎn)流程，實(shí)行低碳生產(chǎn)；推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，強(qiáng)化物流控制，實(shí)行低碳物流。

5 結(jié)論

本文界定了鋼鐵供應(yīng)鏈的邊界，結(jié)合鋼鐵供應(yīng)鏈的特征，構(gòu)建了由采購碳排放、生產(chǎn)碳排放、銷售碳排放、逆向物流產(chǎn)生的碳排放四個(gè)方面組成的碳排放測(cè)算模型，并以湘鋼為實(shí)例驗(yàn)證。結(jié)果表明，該模型科學(xué)合理，適用于我國鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放量的測(cè)算以及減排潛力的分析，為管理者制定碳排放控制策略提供參考。當(dāng)然，每一個(gè)測(cè)算指標(biāo)及其計(jì)算公式對(duì)鋼鐵供應(yīng)鏈碳排放影響因素的貢獻(xiàn)等問題，還需選用相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，這將在以后的研究中完成。

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