一种基于高斯分布拟合及滚动修正的钢铁企业全流程碳排放核算方法与流程

1.本发明属于软测量领域，具体涉及一种基于高斯分布拟合及滚动修正的钢铁企业全流程碳排放核算方法。


背景技术：

2.全球变暖等环境问题日益突出，在此背景下，世界各国以协约方式减排温室气体，我国做出了“3060”的承诺。目前我国的能源消费结构中，工业是国民经济的支柱产业，二氧化碳排放量最大，而钢铁行业在工业中的碳排放量仅次于电力行业，截至2018年，co2排放量达1884.4百万吨，占工业co2排放总量达18.72％。
3.目前国内外主流的钢铁生产过程二氧化碳计算方式主要包括wsa方法、ipcc方法和《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南》，三种方法的计算方式大同小异，均为基于碳排放因子和物料量的碳排放计算，后续基于这些方法提出的一些改进方法也都遵循这一基本原则。因此在实际碳排放测算过程中，碳排放因子的测算精度极为重要。
4.企业在计算生产过程二氧化碳排放量时采用的物料碳排放因子为第三方提供或通过对实际物料的成分检测获得，前者具有获取成本低、计算便捷等优势，但是对于不同的生产企业生产过程难以反映实际的碳排放量；后者随着各类实时检测技术的普及，逐渐为各企业所采纳，但其没有改善目前多次碳排放因子测算之间的孤立性。尽管实时检测能够获得大量物料成分数据，但是对于一组数据所计算出的多个碳排放因子无法兼顾，这些碳排放因子经过测量确定数值后相对独立，对于过去的测量结果没有继承，也不对后续的测量有修正效果，使得其较难反映钢铁生产过程当中实际的二氧化碳排放因子。
5.本发明能有效克服钢铁企业生产过程二氧化碳排放计算没有针对性、波动大、较难贴合实际的问题，具备处理大量数据实测数据并实时计算碳排放量的能力，对于基于大数据的实时碳排放测算具有极好适应性。


技术实现要素：

6.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于高斯分布拟合及滚动修正的钢铁企业全流程碳排放核算方法，能有效克服钢铁企业生产过程二氧化碳排放计算没有针对性、波动大、较难贴合实际的问题，具备处理大量数据实测数据并实时计算碳排放量的能力，对于基于大数据的实时碳排放测算具有极好适应性。
7.技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.一种基于高斯分布拟合及滚动修正的钢铁企业全流程碳排放核算方法，包括以下步骤：
9.步骤1，针对不同生产企业流程中不同的原料配比和产物，建立有针对性的各工序原料和产物数据库，收集其成分测量数据；
10.不同物料采集的周期可能不同，部分物料采用pgnaa技术进行实时成分测量，如铁
矿石、球团矿、烧结矿、煤粉等成分可以进行在线成分检测，有效减少误差，同时能够快速大量获取成分信息；其他物料采取传统实验室成分分析方式，周期较长且具有一定的滞后性。
11.为确保计算的精确性，要明确全生产流程中占据碳排放量较大的物料，尽量缩短采样周期；而碳排放因子较小、对整体碳排放量影响小的物料，采样周期可以适当延长，减小测量导致的误差。
12.步骤2，根据采集数据构建不同工序各类原材料高斯分布拟合模型并迭代；
13.基于matlab平台，通过对采集数据的高斯分布拟合，获取均值和方差，其中均值作为碳排放因子计算的物料成分比例，方差用于估计碳排放计算的误差。
14.给各类物料成分的数据集设定容量，采集数量未达到上限前均将新数据全部录入，且每次采集后根据已有数据进行正态分布拟合获得均值和方差；在采集数量达到上限后，每次采集数据后便进行迭代更新，取缔最老的数据，每次录入后同样对已有数据进行正态分布拟合，实现原料成分的迭代更新。
15.步骤3，参考wsa方法的碳排放计算框架，采用碳物质量平衡的方法，针对不同生产过程实际物料成分计算碳排放因子，以获得更为精确的碳排放量；
16.计算方法如下：
17.步骤3.1：计算直接碳排放因子；
18.直接碳排放包括合碳物质以及合碳能源的碳排放，其碳排放因子由以下公式确定：
[0019][0020]
其中，efi为第i项的碳排放因子，单位为tco2/t；(c)i为第i项的碳含量，单位为％。
[0021]
步骤3.2：计算间接碳排放因子；
[0022]
间接碳排放包括动力消耗以及部分辅料的碳排放，如电力和制造氧气等气体所造成的碳排放，但其碳排放地点并不在钢铁联合企业中，因此属于间接碳排放。而由于气体的制造过程大多通过消耗电力进行生产，因此，可以通过电力碳排放因子对其进行计算。
[0023]
根据实际用电所在区域，结合上述电力碳排放因子，可获得其余物料的间接碳排放因子，如下公式所示：
[0024]
efi＝efe·qei
[0025]
式中，efi为第i项的碳排放因子，单位为tco2/t；efe为当地电网碳排放因子，单位，tco2/mwh；q
ei
为单位第i件产品消耗电量，单位mwh/t。
[0026]
步骤3.3：计算抵扣碳排放因子；
[0027]
在碳素流模型中，进入钢铁联合企业的碳物质，一部分以二氧化碳的形式排放到环境中，另一部分以各工序的产品、副产品的形式离开钢铁联合企业或循环回收利用，如产品烧结矿、球团矿，或是副产品各种煤气。其具体计算方式与直接碳排放因子的计算类似。
[0028]
步骤4，将碳排放因子带入各工序计算碳排放量；
[0029]
碳排放量计算公式如下：
[0030]
ce＝∑ef
idirect
×midirect
∑ef
ie
×mie-∑ef
ip
×mip
其中，ef
idirect
以及m
idirect
分别表示直接碳排放因子及其对应的物质量，ef
ie
以及m
ie
分别表示间接碳排放因子及其对应的物质量，ef
ip
以及m
ip
分别表示抵扣碳排放因子及其对应的物质量。
[0031]
有益效果：本发明相比现有技术，具有以下有效效果：
[0032]
(1)有效克服钢铁企业生产过程二氧化碳排放计算没有针对性、波动大、较难贴合实际的问题；
[0033]
(2)具备处理大量数据实测数据并实时计算碳排放量的能力，对于基于大数据的实时碳排放测算具有极好适应性。
附图说明
[0034]
图1为本发明的计算流程图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
[0036]
一种基于高斯分布拟合及滚动修正的钢铁企业全流程碳排放核算方法，包括以下步骤：
[0037]
步骤i、基于钢铁实际生产流程构建对应物料数据库
[0038]
钢铁联合企业生产全流程主要为五个工序，分别是烧结、球团、炼焦、高炉、转炉，各工序对应主要原料不同。
[0039]
烧结工序主要原料包括白云石、生石灰、铁矿石、焦炭等，最终产物为烧结矿及其副产物；球团工序主要原料包括铁矿精粉、粘结剂、添加剂和水分等，最终产物为球团矿及其副产物；炼焦工序主要原料包括各类煤、煤气，产物为焦炭、粗苯、焦油等；高炉工序原材料主要为球团矿、烧结矿、焦炭、铁矿石和各类煤气，产物主要为铁水和高炉煤气；转炉工序主要原料为铁水、石灰石和各类配料，最终产物为钢水和转炉煤气等。
[0040]
针对不同生产企业流程中不同的原料配比和产物，建立有针对性的各工序原料和产物数据库，收集其成分测量数据。
[0041]
不同物料采集的周期可能不同，部分物料采用pgnaa技术进行实时成分测量，如铁矿石、球团矿、烧结矿、煤粉等成分可以进行在线成分检测，有效减少误差，同时能够快速大量获取成分信息；其他物料采取传统实验室成分分析方式，周期较长且具有一定的滞后性。
[0042]
为确保计算的精确性，应当明确全生产流程中占据碳排放量较大的物料，例如各类煤粉及矿石等，相较于石灰石、氧气、鼓风等碳排放因子大且碳排放量也大，对于这类物料，应当尽量缩短采样周期，而碳排放因子较小、对整体碳排放量影响小的物料，采样周期可以适当延长，减小测量导致的误差。
[0043]
总体而言，不同的采样周期会使得后续计算的周期具备选择的余地，较短的计算周期能够快速反映原料的变化，但相应的也会增加计算的负担，应当根据实际情况恰当选择采样周期。
[0044]
步骤ii、根据采集数据构建不同工序各类原材料高斯分布拟合模型并迭代
[0045]
在钢铁联合企业的历史生产数据中，基于测量获得的各批次物料的成分比例存在一定数据波动，而在碳排放因子的计算中，各物料的成分比例须为定值，因此，对历史生产数据进行数据拟合，以获得可供使用的各物料的统计成分比例。而在现实情况中，来源固定
的各物料的成分比例虽然存在起伏不定的情况，但是其不确定性主要由各种不相关的随机因素构成，所以高斯分布可适用于这种情况。
[0046]
高斯分布，也被称为正态分布，其在数学、物理和工程等众多领域都有着重要意义，并且在统计学有着重要应用意义。一维高斯分布与多维高斯分布的概率密度函数如下所示。
[0047][0048][0049]
式中，x、x分别代表一维变量与多维变量，μ分别代表一维均值与向量均值，σ2、∑代表方差。
[0050]
基于matlab平台，通过对采集数据的高斯分布拟合，获取均值和方差，其中均值作为碳排放因子计算的物料成分比例，方差用于估计碳排放计算的误差。
[0051]
给各类物料成分的数据集设定容量，采集数量未达到上限前均将新数据全部录入，且每次采集后根据已有数据进行正态分布拟合获得均值和方差；在采集数量达到上限后，每次采集数据后便进行迭代更新，取缔最老的数据，每次录入后同样对已有数据进行正态分布拟合，实现原料成分的迭代更新。其流程图1所示。
[0052]
数据库的大小根据实际运行情况确定，较小的数据库能够适应物料成分的较快变化，而较大的数据库在能够稳定物料成分的波动，减小因为测量偶然性导致的成分测量的误差。
[0053]
步骤iii、基于各类物料成分确定对应碳排放因子
[0054]
参考wsa方法的碳排放计算框架，采用碳物质量平衡的方法，针对不同生产过程实际物料成分计算碳排放因子，以获得更为精确的碳排放量。
[0055]
(1)直接碳排放因子确定
[0056]
直接碳排放包括含碳物质以及含碳能源的碳排放，其碳排放因子由以下公式确定：
[0057][0058]
其中，efi为第i项的碳排放因子，单位为tco2/t；(c)i为第i项的碳含量，单位为％。
[0059]
例如，某种煤碳含量63％，则其对应碳排放因子为2.31tco2/t。
[0060]
(2)间接碳排放因子确定
[0061]
间接碳排放包括动力消耗以及部分辅料的碳排放，如电力和制造氧气等气体所造成的碳排放，但其碳排放地点并不在钢铁联合企业中，因此属于间接碳排放。而由于气体的制造过程大多通过消耗电力进行生产，因此，可以通过电力碳排放因子对其进行计算。表1给出了目前各大电网om计算条件下的碳排放因子。
[0062]
表1电力碳排放因子
[0063]
电网名称efgrid(tco2/mwh)
华北电网0.9437东北电网1.0886华东电网0.7888华中电网0.8444西北电网0.8990南方电网0.8139
[0064]
根据实际用电所在区域，结合上述电力碳排放因子，可获得其余物料的间接碳排放因子，如下公式所示：
[0065]
efi＝efe·qei
ꢀꢀ
(4)
[0066]
式中，efi为第i项的碳排放因子，单位为tco2/t；efe为当地电网碳排放因子，单位，tco2/mwh；q
ei
为单位第i件产品消耗电量，单位mwh/t。
[0067]
表2所示为部分物料的以华东电网为基础计算获得的参考碳排放因子，具体结果应当结合实际。
[0068]
表2部分物料间接碳排放因子表
[0069][0070][0071]
(3)抵扣碳排放因子确定
[0072]
在碳素流模型中，进入钢铁联合企业的碳物质，一部分以二氧化碳的形式排放到环境中，另一部分以各工序的产品、副产品的形式离开钢铁联合企业或循环回收利用，如产品烧结矿、球团矿，或是副产品各种煤气。其具体计算方式与直接碳排放因子的计算类似，因此此处不予以赘述。
[0073]
步骤iv、将碳排放因子带入各工序计算碳排放量
[0074]
根据wsa方法的原则，二氧化碳排放量的基本原理如下式所示。
[0075]eco2
＝直接排放 间接排放-抵扣排放
ꢀꢀ
(5)
[0076]
其中，直接排放是指排放源由报告实体所有或控制的在生产过程中排放的co2。即企业自身化石燃料和熔剂等消耗所产生的co2排放。间接排放是指报告实体活动所使用的，但是排放是发生在其它实体所控制的排放源上。如电力，其排放是由电力生产部门所产生的在钢铁企业使用外购电时计算其co2排放即为间接排放。抵扣排放是指副产品的外售(如
焦油、粗苯)或冶金渣用作水泥等引起的co2排放权抵扣量。
[0077]
碳排放量计算：
[0078]
ce＝∑ef
idirect
×midirect
∑ef
ie
×mie-∑ef
ip
×mip
ꢀꢀꢀ
(6)
[0079]
其中，ef
idirect
以及m
idirect
分别表示直接碳排放因子及其对应的物质量，ef
ie
以及m
ie
分别表示间接碳排放因子及其对应的物质量，ef
ip
以及m
ip
分别表示抵扣碳排放因子及其对应的物质量。
[0080]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。