基于比率估计量的钢铁供应链碳排放测算

陈启明，赵明华，蒋 琦，黄军福

(1.安徽工业大学 商学院 安徽 马鞍山 243002；2.合肥职业技术学院 建筑工程学院 合肥 238000)

0 引 言

当前，全球气候变暖、大气污染严重已成为人类社会面临的共同难题，其中工业生产过程中的碳排放是造成气候变化的一个主要原因。据统计，目前全球碳排放量约达360亿吨，而钢铁行业的碳排放量占总排放量的15%左右，在全球化竞争背景下，市场主体的竞争已不再是单个企业间的竞争，而是演变成供应链企业间的竞争。因此，对钢铁供应链碳排放的测算及优化研究，解决现有问题，为供应链链上企业实施节能减排提供决策依据具有重要意义。

通过对国内相关文献的梳理发现，关于钢铁供应链碳排放测算的研究主要从以下几个方面展开研究：罗杏玲等根据钢铁产业高能耗、高污染的特点，将钢铁企业的生产划分为产、供、销及运输四个阶段，设计一种基于钢铁产品生命周期过程的碳排放控制系统，运用EIO-LCA方法对各阶段的碳排放进行测算。[1]洪江涛等对钢铁供应链企业低碳排放的创新机制做了研究，对企业生产的投入产出相关资料数据进行分析构建钢铁企业碳排放测度模型，并由此推导出衡量供应链链上企业碳排放的强度指标。[2]王忠伟，谢鑫鹏在对钢铁供应链排放系统因果关系分析的基础上，构建了碳排放系统动力学模型及仿真分析。[3-4]上述研究大多数是根据钢铁企业不同生产阶段、不同环节工艺流程中所消耗的各种能源、燃料，再通过相关的国家标准转换成碳排放因子，从而累计计算出整个供应链系统碳排放总量。由于矿石原料的冶炼、结烧是一种复杂的工艺技术，主要包括溶剂消耗产生碳排放及冶炼工艺中的物理化学反应产生的碳排放，一些能源及原材料消耗的指标数据不易获得，因而测得的碳排放量不够准确。在大数据背景下，本文将在统计抽样技术及优化理论的基础上，通过构建比率估计量的方法对钢铁供应链企业的碳排放量测度方法进行研究。

1 钢铁供应链企业碳排放体系

钢铁供应链是以钢铁企业的生产、运输及销售为核心，吸引钢铁产业链上下游企业和相关的服务业组成的一种动态联盟组织形式。主要包括钢铁产品生产、钢材采购、加工、组装到形成商品出售的供应链条的闭环[5-6],图1所示。

图1 钢铁供应链结构体系

虚线框内钢铁供应链的构成环节表明了供应链总碳排放主要有以下几个方面组成：原材料供应；钢铁制品的生产、运输、消费；逆向物流。具体来说就是钢铁供应链企业碳排放源主要由四部分构成：铁矿石、矿砂等原材料由原产地输送到生产车间的过程中，各种运输设备都会产生CO2排放；钢铁企业在加工原材料的过程中要消耗包括电力、煤焦炭在内的多种能源资源，同时排放大量的CO2；在物流领域钢铁产品从生产厂家运送到分销商及消费者的过程中也有CO2排放；此外，废旧金属的分类、拆解，冶炼矿渣的二次利用等逆向物流过程中也会产生大量CO2排放。相对于钢铁制品的生产、加工和流通等环节产生的碳排放量，多级供应链和消费环节中产生的碳排放量比较少，数据资料收集有一定的难度，文中没有考虑。

2 比率估计量的相关理论

在统计调查实践中，当存在与我们调查的主要变量Y高度相关的其他辅助变量X的有效信息，而且这些辅助变量X的信息质量较好时，充分利用这些信息无疑会提高主要变量Y估计的精度。一般来说，辅助变量的选择遵循如下原则：辅助变量必须与主要变量高度相关；辅助变量与主要变量之间的相关关系整体上相对稳定；辅助变量的总体总值必须是已知的，或者相对容易获得；辅助变量的信息质量更好，或信息更容易获取及调查成本更低。

3 基于能源消耗的比率估计量的构建

在上述分析碳排放体系的基础上，接合钢铁产品的生产工艺流程特点，将钢铁供应链上企业的碳排放总量分解为采购、生产、销售和逆向物流四个组成部分。[7-10]

YCO2=Y采购+Y生产+Y销售+Y逆向

其中Y表示各阶段的碳排放量(单位：吨)。由于阶段之间的差异性，影响碳排放量因素比较多，本文选择与其高度相关的能源消耗量作为辅助变量，首先通过统计分析得到各阶段的能源消耗量，其次，根据国家能源标准《2006年IPCC指南》规定的a型燃料的燃烧值qa(TJ/kg)及a型燃料燃烧的排放因子为EFa(kg/TJ)，经过合成作为a型燃料的比率估计量ra，最后通过合理抽取供应链链上企业作为样本，获取辅助变量资料数据，根据定理3即可求得供应链系统碳排放总量。

由于采购、销售和逆向物流三个阶段的共同点是通过交通运输的方式来实现的，因而可将这三个阶段的碳排放量统一用运输工具的能源消耗量换算，即该阶段的碳排放主要由铁路运输、水路航运和公路运输的交通运输工具的燃料燃烧均产生碳排放来承担，而不同的交通工具的运载比例、承运量及运输距离各不相同。因此，假设矿石原材料采购总量为Q1(t),铁路、水路和公路三种交通工具运量的分摊比例为ntl,nsl,ngl;运输的平均距离用Ltl,Lsl,Lgl(km)表示,三种运输工具的吨公里油耗水平用ytl,ysl,ygl(kgt.km)表示,根据国家标准《2006年IPCC指南》,a型燃料的燃烧值为qa(TJ/kg),a型燃料燃烧的排放因子为EFa(kg/TJ)，燃料a燃烧比率估计量可定义为：

其中S是铁路、公路和水路的集合，qa(TJ/kg)是a型燃料的燃烧值，EFa(kg/TJ)是a型燃料燃烧的排放因子为，CCa(tc/GJ)是a型燃料的单位热值含碳量,OFa为a型燃料的CO2率(%)。

生产阶段的碳排放源则比较复杂、多样，主要有电力生产、煤碳生产、焦炭生产，各种能源燃料的单位碳排放量是不同的，必须分别核算构建比率估计量：

(1)电力(热力)消耗的比率估计量

(1)

式中AD电、AD热分别为净购入的电量和热力量。

(2)化石燃料燃烧消耗的比率估计量计算方法：根据《2006年IPCC指南》有：

(2)

其中ADi表示第i种化石燃料的消耗水平,EFi则为《指南》规定的ADi的碳排放因子。

(3)溶剂燃料消耗的比率估计量的构建：

(3)

式中Pi表示溶剂i的消耗水平，ni表示溶剂i的的利用率(%)，EFi则为溶剂i的的碳排放因子。

4 基于简单比率估计量的供应链碳排放量测算模型

由上述理论分析可知，供应链系统的非生产阶段(采购、销售和逆向物流)的能源消耗主要是溶剂燃料X3，溶剂燃料种类比较多，而不同的种类的溶剂燃料在非生产阶段的利用率ni及排放因子EFi存在差异，由公式(3)可以计算出溶剂燃料的比率估计量r3，r2及r1同理可得。在非生产阶段与生产阶段按照简单随机抽样的原则分别选择一定的企业作为样本，其辅助变量的抽样比分别是W1、W2、W3，如表1所示。

表1 钢铁供应链企业能源消耗

(4)

以马鞍山市长江钢铁厂为例，通过实地调研和网上调查找相结合的方法得到该企业2015年生产阶段中各种能源、燃材料消耗的相关数据表2。

表2 2015年长江钢铁公司主要能源消耗量 单位：万吨

根据本文提出的公式(1)-(4)，可计算出长江钢铁公司钢铁供应链系统2015年的碳排放量如表3。

表3 2015年长江钢铁公司钢铁供应链系统的碳排放量 单位：吨

5 总 结

由于供应链企业的采购、生产、销售及逆向物流过程复杂，指标因素之间区别不显著，传统的直接测度的方法成本较高，对于冶炼过程中的一些指标数据不易准确获得，碳排放量测量精度不高。通过大数据相关理论，采用构建比率估计量的方法，通过对供应链链上企业原材料及燃料的消耗量的统计，充分利用燃料耗损与碳排放之间高度相关性特点，从而测算供应链系统碳排放量。该方法利用统计抽样的原理对于测度链上企业较多的供应链系统碳排放量具有简单、易行的特点。