电煤供应过程碳足迹分析，本文主要内容关键词为：足迹论文,电煤论文,过程论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：X820.3 文献标识码：A 文章编号：1674-8425(2015)07-0028-09 doi：10.3969/j.issn.1674-8425(s).2015.07.005 “碳足迹”的概念源于“生态足迹”[1-2]，主要指人类生产和消费活动中排放与气候变化相关气体的总量，从生命周期的角度出发，分析产品生命周期或与活动间接和直接相关的碳排放过程。目前，“碳足迹”的标准定义还没有统一，如EATP认为碳足迹是指人类活动过程中所排放的温室气体转化为
的等价物，用来衡量人类活动对地球环境的影响[3]；Carbon Trust认为碳足迹是指某一种产品在其全生命周期内所排放的二氧化碳和其他温室气体排放总量，两者之间的转换关系用后者每千瓦时所产生的
等价物(g
eq/kW·h)表示[4]；世界资源研究所(WRI)和世界可持续发展工商理事会(WBCSD)将碳足迹定义为3个层面[5]：第一层面是机构自身的直接碳排放，第二层面是将边界扩大到为该机构功能部门的直接碳排放，第三层面是包括供应链全生命周期的直接和间接碳排放。 根据目前国内外碳足迹应用研究内容来看，可以分为两类： 第一类是特定产业或部门的碳足迹研究，例如工业、交通、建筑、供水和医疗等。罗希等通过构建交通运输业的碳足迹测算模型，并利用能源消费量、运输周转量数据对我国2004-2008年的交通运输业能源消费碳足迹进行测算，发现我国交通运输业的能源消费碳足迹总量呈持续增长的趋势[6]；魏小清等采用复杂系统建模与仿真的方法，构建了建筑碳足迹框架体系，为大型公共建筑对能源浪费严重和碳排放集中领域长期的监管与调整提供了依据[7]；Eleeja Shrestha等通过系统动态建模，从供水碳足迹和成本两个角度分析了拉斯维加斯的海水淡化和输送[8]，研究表明海水淡化的碳足迹比海水输送要高出96%，同样海水淡化所排出的
也要比输送高出47.5%；Laurent等采用全生命周期法对制造行业中热量生成和电能消耗进行了分析，并选取适当环节的碳足迹，建立制造行业环境绩效的评价指标[9]；Gilliam为了评价腹腔镜手术对气候变化的影响，对某医院10年间腹腔镜手术的手术气缸的碳足迹进行了计算[10]，发现平均一个气缸排出的
仅有0.9 kg，对全球气候变化的影响可以忽略不计；Argonne国际实验室提供了汽车原材料开采阶段，汽车组建制造阶段，汽车装配、处置和再循环阶段
排放量的计算方法，即汽车生命周期温室气体排放和能耗模型(GREET模型)，并评估了6种中型客车全生命周期的能耗和温室气体排放。 第二类是不同尺度的碳足迹研究，例如个人、产品、机构(组织)、城市(区域)、国家等。年鹤等针对瓦楞纸箱企业生产中的碳排放量大、对环境影响严重的情况，提出了瓦楞纸箱生产碳足迹的计算方法[11]，并对其碳足迹主要影响因素进行了分析，为瓦楞纸箱企业节能减排及碳排放标准提供了参考依据；甘玉凤等从重庆市水泥生产厂家的工艺流程分析碳足迹的影响要素，研究水泥工厂的碳足迹计算模型和计算过程，最终形成适用于水泥生产厂家的碳足迹计算方法，为水泥产业的碳足迹计算提供了计算依据[12]；蓝家程等采用碳排放模型、碳足迹模型，对重庆市13年来不同土地利用方式的碳排放量和能源碳足迹进行审核，对不同利用方式的碳排放量、碳排放效益的影响因素及能源消耗的碳足迹变化进行了分析[13]，发现重庆市碳排放总量呈快速增长趋势，其中建设用地是主要碳源；Ki-Hoon Lee以韩国现代汽车公司为案例，对汽车供应链碳足迹进行了分析[14]，首先对直接和间接碳足迹进行了识别和测量，然后设置了整个系统测量边界，最后将碳足迹标识在整个供应链流程之中；Browne等运用碳足迹方法计算了爱尔兰利默里克市固体废弃物回收率、处置率和产量等对环境的影响[15]，并通过增加回收率、进行填埋处理及降低废物产量等因素进行了预案分析，其中填埋率降至为14%的方案最优；Suzanne分别使用PAS 2050标准和GHG议定书标准对一个面包生产公司和其产品的碳足迹进行计算[16]，发现在不同标准下的碳足迹分别为1.01t
e(二氧化碳当量)和5.56t
e(二氧化碳当量)，相差近5倍。 基于以上研究，本文通过实地调研了解电煤的供应流程，及电煤供应流程中所需使用的设备机器等。在充分分析电煤供应流程的基础上，对电煤供应过程中每个环节能耗进行分析。其次，通过文献调研，对供应链碳足迹的数学建模、界定标准、评价方法等进行研究。在其基础上，结合电煤供应过程的特点，制定电煤供应过程中碳足迹的界定标准。同时，结合每个电煤供应环节，对不同的环节进行界定及分类。在电煤供应流程分析和碳足迹界定的基础上，计算电煤供应过程中不同类别碳足迹。最后，对电煤供应流程中的碳足迹进行分析评价，并为绿色电煤供应链的建设提出相应的建议及措施，其技术路线如图1所示。
图1 研究技术路线 二、基于生产流程分析法和生命周期法的电煤流程分析 (一)生产流程分析法及生命周期法简介 生产流程分析法(Production Flow Analysis，PFA)主要是将生产过程中的一切环节系统化、规律化，主要用于对不同生产流程、工艺、环节的风险分析，如文献[17-19]。而生命周期法(Life Cycle Assessment，LCA)主要通过确定和定量化研究能源(物质)利用及废弃物的排放来评估供应链系统中产品、工序和生产活动造成的环境负载，评价能源(物质)利用和废弃物排放的影响以及评价环境改善的方法[20]，如文献[21-25]。 基于此，文章将整个电煤供应过程视为生产流程，将供应过程涉及到的不同组织活动视为不同的生产环节，利用生产流程分析法对相同属性的组织活动进行归类，最终将电煤供应过程中的组织活动分为3类：电煤的生产加工、电煤的运输和电煤的销售。在电煤供应过程组织活动归类的基础上，以电煤为研究对象，运用生命周期法分别对3类组织活动碳排放进行分析。 (二)电煤生产流程分析 电煤的生产流程可以概括为两个部分：煤炭开采环节和洗选加工环节。我国煤炭开采，主要是采取井下作业方式，露天开采作业方式较少，故主要考虑井下作业方式的生产流程。煤炭井下作业开采方式的系统流程如图2所示。煤炭的生产环节可以分为三大部分：采煤系统、运输系统和保障系统。其中保障系统主要包含安全系统、供电系统、照明系统、排水系统、通风系统等子系统；运输系统包括运输系统和辅助运输系统。采煤系统主要涉及的设备及工具有风动凿岩机、空气压缩机、采煤机和液压支架等，运输系统主要设备有传送带、提升机等，通风系统主要相关设备有通风机、风门等，排水系统主要涉及设备有水泵等。
图2 煤炭生产系统流程 洗选加工方面主要流程如图3所示。首先是准备筛分，即根据煤块直径大小进行初步的筛分，初筛的一般标准是煤块的直径是否大于50 mm，大于50 mm的煤块被划分到重介洗煤流程，而直径小于50 mm的煤块，则进行进一步的筛选，经不同筛分机处理可形成粒煤和粉煤。而直径大于13 mm的煤块则进入到重介二次筛选环节。 在重介洗煤环节，直径大于50 mm的矸石由人工直接剔除，直径小于50 mm的则进入重介二次筛选环节。在重介二次筛分环节，直径大于20 mm的煤块与检查性手选的煤块一起进入破碎筛选加工环节，然后通过条缝筛筛选出直径小于2 mm的煤块。直径小于2 mm的煤块经过精煤脱介筛可分离出洗中块和洗混小块。精筛后的煤块加水，形成稀介质，并流入稀介质桶，运用磁选机将混杂在稀介质中的金属除去。去除金属的稀介质部分流入浓介质桶，部分进入捞坑。进入浓介质桶的则再次进入粉碎筛选环节，进入捞坑，直径较大的煤块则经过浓缩机和压滤机的处理，形成泥煤，直径较小的则经过脱水筛和离心机的处理，形成洗粉。 (三)电煤运输流程分析 电煤的运输方式主要可以分为两类，第一类：单一运输，即采用一种方式进行运输，主要有公路运输和铁路运输；第二类：多式联运，即采用多种不同的运输方式进行电煤的运输，主要有公路运输——铁路运输、公路运输——铁路运输——公路运输、公路运输——铁路运输——水路运输——公路运输、公路运输——铁路运输——水路运输——铁路运输——公路运输，具体如图4所示。虽然电煤的运输方式多种多样，但就基本运输环节来看，不同运输方式的基本流程相一致。其主要运输流程可以分为：装卸——运输——装卸，不同的运输方式只是重复了其主要基本流程。 在电煤运输过程中，电煤的仓储也扮演着相当重要的角色。由于电煤多具有易挥发、燃点低等特点，因此电煤的仓储管理对电煤的安全存储及电力供应的稳定性有着重要的意义。目前我国还没有形成电煤仓储管理的有效规章制度，绝大部分电煤都是露天堆放，并使用表面粘连剂控制扬尘。但随着存储时间的增长和天气的变化，表面粘连剂效果有限，产生大量的碳粉扬尘，对周围环境造成不可估量的污染。与此同时，由于电煤具有一定的挥发性，也造成大量温室气体的排放，主要挥发气体为
、
。
图3 电煤洗选流程
图4 电煤一般运输选择方式 (四)电煤销售流程分析 电煤的交易量一般较大，因此电力企业通常采用采购的方式对电煤进行购买。通常采购可以分为5个流程，分别为：市场调查、采购控制、落实采购细则、实施采购和订单验收入库。在市场调研方面主要包含：拟定调研成员、选定考察目标及咨询电煤信息(价格、品质)等；在市场调查完毕后，将市场调查结果汇报公司决策层。公司决策层根据市场调研结果，进入采购控制环节。在采购控制环节主要工作内容有落实采购质量协议、确定采购方式、确定采购的时间及数量。在与供应商初步达成交易之后，电力公司将与供应商确定采购的细则，主要包括确定采购的价格、确定付款方式、确定配送方式、确定其他相关事项。在采购细则落实之后，电力企业则开始实施采购，如：发出采购订单、洽谈签订采购合同、跟踪电煤质量等。最终根据采购订单对订单进行验收入库。
图5 电煤采购的一般流程 三、电煤供应过程碳足迹评估标准及计算方法构建 (一)电煤供应过程碳足迹评估标准设计 1.国内外主要碳足迹评估标准 目前国内外对碳足迹评价的执行规范和相关标准多种多样，主流的碳足迹评价标准及规范如表1所示。 对企业或组织碳足迹进行评价是指在一定的空间和时间边界内对碳足迹进行量化的过程，其结果可以是关于温室气体排放源和信息的碳排放清单，或者是一份完整的碳盘查报告。企业、组织碳足迹评价使用较广泛的评价标准主要为温室气体议定书的系列标准(GHG Protocol)和ISO 14064系列标准。 GHG Protocol标准是由WBCSD和WRI在2002年正式提出的，其目标是构建广泛接受的企业温室气体核算及报告准则，目前已被IBM、福特、SONY等900家企业采用。温室气体议定书是由《温室气体议定书企业核算与报告准则》及《温室气体议定书项目量化准则》两部分构成，其涵盖了京都议定书限制的6种气体，为企业(组织)温室气体的盘查提供了标准和指导，是全球针对企业温室气体盘查的第一项标准。 2006年，国际标准化组织提出了ISO 14064标准。ISO 14064标准适用于单个独立的企业(组织)，其主要内容包括3个部分，分别为ISO 14064-1《温室气体第一部分：组织的温室气体排放和削减的量化、检测和报告规范》；ISO 14064-2《温室气体第二部分：项目的温室气体排放和削减的量化、检测和报告规范》；ISO 14064-3《温室气体第三部分：温室气体声明审定与核查的规范及指
2.电煤供应过程碳足迹评估标准设计 从整个电煤供应的流程来看，其涉及到较多的跨组织活动，没有具体明确的边界组织。因此适用于边界组织碳足迹评估的ISO 14064碳足迹评价体系，将不能够完全适应电煤供应过程的碳盘查。而英国提出的PAS 2050碳足迹盘查标准是基于产品生命周期的，而在电煤供应过程中涉及到电煤的仓储、运输等，因此也不能直接套用PAS 2050碳足迹评价系统。而日本2009年提出的TSQ 0010准则与PAS 2050准则在内容和执行步骤上基本一致，因此电煤供应过程中的碳盘查也不能单一地采用TSQ 0010标准。因此，对电煤供应过程中的碳盘查，既不能照搬ISO 14064的标准框架模式，也不能照搬PAS 2050的标准，同样也不能照搬TSQ 0010标准。 在以上已有碳盘查标准的基础上，本文根据电煤供应过程中涉及跨组织活动的特点，结合电煤供应链结构和相关组织结构特征，在已有碳足迹评价标准上对电煤供应碳盘查的标准及流程进行了设计(如图6所示)。首先，根据电煤供应链结构对电煤供应链中的碳源进行盘查，即根据电煤供应过程中不同环节组织的组织边界对电煤供应不同环节中的碳源进行盘查，并确定电煤供应过程中的主要碳源区。其次，根据碳源的重要性和相关性，将碳源分为重碳环节和轻碳环节、直接碳源和间接碳源。最后，在从各碳源的可控性、降碳潜力、降碳的难易程度以及实现的优先性等方面，进一步对碳源进行分析。
图6 电煤供应过程碳计算标准及评价流程 (二)电煤供应过程碳足迹计算方法构建 从电煤的角度来看，电煤供应过程可以分为三个主要环节：电煤生产环节、电煤运输环节和电煤消费环节，如图7所示。电煤生产环节的主要环节包括：电煤生产、电煤集散及坑口电厂电煤的供给。坑口电厂是指建设在靠近煤矿坑口附近的发电厂，与坑口电厂相比，绝大多数电厂都远离电煤生产基地，因此对坑口电厂电煤供应过程的碳盘查，其实际意义不大，故在碳足迹盘查方法构建时忽略坑口电厂对电煤供应过程碳盘查的影响。 1.电煤生产环节碳足迹计算模型构建 在电煤生产环节，假设存在I个直接碳源和J个间接碳源。对直接碳源而言，其碳足迹可以表示为：
其中，
表示第i直接碳源的碳排放，
表示相关能源的直接消费量，
表示相关类型能源的碳排放系数。对间接碳源而言，其碳排放可以表示为：
其中，
表示第j间接碳源的碳排放，
表示间接活动的能源消费量，
表示间接活动能源的碳排放系数。则电煤生产环节的碳足迹可以表示为：
其中，
表示电煤生产环节碳足迹。
图7 电煤物流系统流程 2.电煤运输环节碳足迹计算模型构建 在电煤运输环节，假设存在N个直接碳源和M个间接碳源。对直接碳源而言，其碳排放可以表示为：
其中，
表示第n间接碳源的碳排放，
表示间接活动的能源消费量，
表示间接活动能源的碳排放系数。对间接碳源而言，其碳排放可以表示为：
其中，
表示第m间接碳源的碳排放，
表示间接活动的能源消费量，
表示间接活动能源的碳排放系数。则电煤运输环节的碳足迹可以表示为：
其中，
表示电煤运输环节碳足迹。 3.电煤消费环节碳足迹计算模型构建 在电煤消费环节，假设存在P个直接碳源和Q个间接碳源。对直接碳源而言，其碳排放可以表示为：
其中，
表示第p间接碳源的碳排放，
表示间接活动的能源消费量，
表示间接活动能源的碳排放系数。对间接碳源而言，其碳排放可以表示为：
其中，
表示第q间接碳源的碳排放，
表示间接活动的能源消费量，
表示间接活动能源的碳排放系数。则电煤运输环节的碳足迹可以表示为：
其中，
表示电煤消费环节碳足迹。 综上，则整个电煤供应过程中的碳足迹可以表示为：
四、电煤供应过程碳足迹计算 (一)电煤生产环节碳足迹计算 基于电煤生产加工环节的分析，在生产环节，直接碳源主要是相关开采设备的使用，间接碳源主要来自于二次能源耗损、瓦斯气体的排放(泄露)及部分煤矸石的自燃。由于瓦斯气体泄露量和煤矸石自燃的不确定性，不能有效地计算出碳排放值，故文中没有计算(下同)。在电煤加工环节，直接碳源主要是相关设备仪器的使用，间接碳源主要是部分能源损耗及煤炭加工过程中耗损。 在计算设备的能耗和单位碳排放时，选取主要的能耗分布，供电煤耗取2010年供电煤耗333gce/kW·h，碳排放系数取0.75。根据式(1)和式(2)分别对直接碳源和间接碳源的单位碳排放量进行计算，则电煤生产环节碳排放计算结果如表2所示。
(二)电煤运输环节碳足迹计算 基于对电煤运输及存储的分析，在电煤运输环节，其主要直接碳源在装卸环节、机车运输环节，其主要间接碳源是电煤挥发出的温室气体、运输过程中的煤炭扬尘及处理煤炭扬尘所产生的温室气体排放。在电煤仓储环节，其主要直接碳源为电煤挥发出的温室气体及电煤扬尘造成的能源损耗，其间接碳源主要为处理电煤扬尘所需的能源消耗。 在计算设备的能耗和单位碳排放时，选取设备主要能耗分布，供电煤耗取2010年供电煤耗333 gce/kW·h，碳排放系数取0.75。根据式(4)和式(5)分别对直接碳源和间接碳源的单位碳排放量进行计算，电煤运输及存储环节的碳排放清单如表3所示。
(三)电煤销售环节碳足迹计算 在整个电煤采购环节，其活动主要为电力公司与电煤供应商的会议洽谈。因此整个电煤销售环节的碳排放主要来自于电力公司与电煤供应商的洽谈过程，如洽谈会议、考察团的市场调研。在计算单位碳排放时，取2010年供电煤耗333 gce/kW·h，碳排放系数取0.75。根据式(7)和式(8)分别对直接碳源和间接碳源的单位碳排放量进行计算，则电煤销售环节的碳排放如表4所示。
(四)电煤供应过程碳足迹分析评价 从整个电煤供应过程来看，碳排放主要集中在电煤生产环节，占整个电煤供应流程总碳排放的91%。其次是电煤运输环节，约占总碳排放的8%。最后是电煤销售环节，约占总单位碳排放的1%。由此可见，电煤生产环节是电煤供应过程中的高碳排放区域，节能减排潜力巨大。而电煤运输环节、销售环节的碳排放相对较小，节能减排潜力较小。 在电煤生产环节中，主要碳排放来自于采煤机、掘进机、刮板运输机及水泵，从单位碳排放来看其分别占电煤生产环节直接碳源单位碳排放的48%、15%、16%和13%，其余碳源约占8%。从间接碳源来看，主要为电煤开采过程中的温室气体泄露、能源耗损等。与直接碳源相比，电煤开采环节的间接碳源不易控制，因此在电煤生产环节的碳减排应集中于直接碳源。 在电煤运输环节，主要碳排放来自于直接碳源，如动力机的碳排放(火车、货轮、卡车等)，而间接碳源主要为运输过程中的扬尘，电煤的自然挥发和电煤的不必要装卸，而运输过程中的扬尘和电煤的自然挥发可控性较差，因此在电煤运输环节的碳减排因集中于直接碳源和间接碳源中的操作不合理或重复作业。 在电煤销售环节，主要碳源来自于对电煤市场的市场调研和电煤采购过程中的反复协议和洽谈。因此在电煤销售环节的节能减排，主要集中于简化电煤采购程序，固定电煤供应商，并形成伙伴关系，可有效地化简采购程序，从而降低电煤销售环节过程中的碳排放。 五、结论与展望 电力行业是我国高污染、高能耗、高碳排放行业之一，如何有效地实现电力行业的碳减排，将对我国可持续发展有着重要的意义。而目前电力行业碳减排的研究主要集中于电力生产区，而对电力生产上游供应链的碳减排研究较少。对此，本文基于生产流程分析法和全生命周期法，对电煤供应过程中的碳足迹进行分析。结合电煤供应跨组织的特点和现有主流碳足迹分析评价方法，构建了基于碳源的有限组织边界的碳足迹评价分析法。研究发现：(1)电煤生产环节是电煤供应过程中主要的碳排放源，约占整个电煤供应流程总单位碳排放的91%。电煤开采环节单位碳排放要远远高于电煤洗选环节碳排放。在电煤生产环节主要碳源中，采煤机、掘进机、刮板运输机及水泵的单位碳排放量最大，是电煤生产环节碳排放的重要碳源。(2)在电煤运输环节中，主要碳源来自于电煤的装卸和电煤在运输过程中的扬尘。选择合理的多式联运的方式，能有效减少电煤装运的频数，对电煤运输过程中的碳减排有着重要的意义。(3)在电煤采购环节中，主要碳源来自于市场调查、洽谈环节，但占整个电煤供应过程中的碳排放比率较小，约为1%。 基于此，为了实现电煤供应过程中的碳减排，要加强电煤生产环节的管理，提高节能减排技术的使用比率，从而有效降低生产环节的碳排放。在电煤运输环节，要尽量避免电煤的多次装卸，与此同时要选择碳排放较小的运输方式，提高铁路、航运比例，减少公路运输；在电煤采购环节，要简化流程，减少不必要的调研和重复工作。 引用格式：阎建明，朱开伟，刘贞，等.电煤供应过程碳足迹分析[J].重庆理工大学学报：社会科学，2015(7)：28-36. Citation format:YAN Jian-ming,ZHU Kai-wei,LIU Zhen,et al.Carbon Footprint Analysis of Electric Coal Supply Chain[J].Journal of Chongqing University of Technology:Social Science,2015(7):28-36.
标签：碳足迹论文; 碳排放论文; 系统评价论文; 采购流程论文;
