李慶偉, 陳振明, 岳清瑞, 馮 鵬

(1 清華大學土木工程系，北京 100084；2 中國鋼結構協(xié)會，北京 100088；3 中建鋼構工程有限公司，深圳 518118；4 北京科技大學城鎮(zhèn)化與城市安全研究院，北京 100083)

0 概述

隨著我國經濟的快速發(fā)展,碳排放總量迅速增加,自2005年起我國碳排放量超越美國成為世界第一位。作為世界公認的基建大國,我國建筑領域碳排放量巨大?！吨袊ㄖ芎呐c碳排放研究報告(2021)》[1]指出,建筑領域(含鋼鐵、水泥等建材)碳排放占比高達50.6%。建筑領域是最具潛力的減排領域之一,建筑業(yè)應積極節(jié)能減排轉型升級,實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。鋼結構作為典型的綠色環(huán)保型建筑,應在建筑業(yè)實現(xiàn)雙碳目標中發(fā)揮更大作用。與現(xiàn)澆混凝土結構相比,鋼結構建造需要在工廠預制構件并運到現(xiàn)場安裝,因此鋼結構制造過程的碳排放是其全生命周期的重要一環(huán)。而與發(fā)達國家鋼結構普遍使用熱軋型材不同,我國鋼結構普遍采用鋼板作為原材料進行鋼構件的加工制作,主要制造工序包括鋼板下料、構件組立焊接、表面清理及涂裝等,因此我國鋼結構制造全過程的碳排放具有其獨特性。

國內常用的鋼構件包括H型梁柱、箱形梁柱、十字柱、空間桁架等。通過多年來對鋼結構加工廠生產情況調研[2]可知,我國鋼結構加工所消耗鋼材品種中,鋼板使用占比達60%以上,而熱軋H型鋼占比僅為15%～20%左右,如圖1所示。與發(fā)達國家普遍采用熱軋型材相比,我國鋼結構繁瑣的加工工藝流程造成了更多能源消耗,從而產生了更多的碳排放。因此應針對我國鋼結構行業(yè)的獨特性,重點研究鋼結構制造全過程的碳排放量。

目前國內針對鋼構件制造全過程中碳排放的研究非常少,部分學者[3-7]對預制混凝土構件加工過程碳排放開展了初步研究,對鋼構件制造碳排放有所啟示。國外學者多從精益管理的角度分析鋼構件制造過程中碳減排效果。G. Heravi等[8-9]對Value Stream Mapping(價值流程圖)管理模式在鋼結構生產線上的應用做了研究,采用精益加工可節(jié)省工期34%,降低成本16%,降低鋼構件生產過程的碳排放量4.4%。

1 制造全過程界面劃分及碳排放來源分析

1.1 制造全過程界面劃分

鋼結構制造全過程,從狹義角度可以理解為鋼構件制造工藝全流程,包括鋼材下料、組焊、表面清理及涂裝等全工序;從廣義角度可以理解為鋼構件產品形成的全過程,包括原材生產、材料運輸、加工制作等環(huán)節(jié),也就是“從搖籃到大門”的范圍。為了更準確地研究鋼結構碳排放量,本文從廣義角度對制造全過程進行界面劃分,如圖2所示。后續(xù)的鋼結構運輸安裝、運營維護、拆除回收等階段不包括在內。

圖2 鋼結構制造全過程界面劃分

1.2 制造全過程碳排放來源

鋼結構制造全過程中,鋼材生產和運輸?shù)奶寂欧艁碓聪鄬Ρ容^明確,而工廠內加工制作環(huán)節(jié)的碳排放是關注重點,可從制造全工序和加工廠能源消耗兩個角度進行分析。從鋼結構制造全工序來看,碳排放的來源及產生機理如表1所示。

表1 鋼結構制造全過程碳排放來源

從加工廠的能源消耗角度來看,鋼構件加工制作過程中產生CO2的來源主要包括:化石能源燃燒、構件加工工藝釋放、加工所用輔料隱含排放、外購電力排放等。其中化石能源包括天然氣、乙炔等用于切割鋼材的氣體,場內運輸貨車及拖車消耗的柴油等;構件加工釋放主要為焊接過程中釋放的CO2,尤其是二氧化碳保護焊工藝;加工用輔料隱含CO2包括用于焊接的焊條、焊絲、焊劑、碳棒,用于除銹的鋼丸,用于噴涂的油漆涂料等輔料;外購電力間接排放CO2包括加工廠主要設備的消耗電力等。

2 鋼結構制造全過程碳排放計算模型

考慮到鋼結構制造的特殊性,鋼結構制造全過程的碳排放采用噸鋼碳排放量的數(shù)值來衡量,定義為鋼構件制造全過程碳排放總量除以鋼構件的總重量,計量單位為kg/t。

鋼結構制造全過程可分為原材生產環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)、構件加工制作環(huán)節(jié)。鋼結構制造全過程的碳排放為三個環(huán)節(jié)的碳排放之和,按式(1)～(4)計算。

Cm=C1+C2+C3

(1)

式中:Cm為鋼結構制造全過程碳排放量,kg;C1為原材生產環(huán)節(jié)碳排放量,kg;C2為原材運輸環(huán)節(jié)碳排放量,kg;C3為鋼構件加工制作環(huán)節(jié)碳排放量,kg。

(2)

式中:Mi為第i種主要建材的消耗量,t;Fi為第i種主要建材的碳排放因子,kg/t;ai為材料損耗系數(shù),鋼材一般取3%～6%。

(3)

式中:Mi為第i種主要建材的消耗量,t;Di為第i種主要建材的運輸距離,km;Ti為第i種主要建材運輸?shù)膯挝恢亓?、單位距離的碳排放因子,kg CO2/t·km;ai為材料損耗系數(shù),鋼材一般取3%～6%。

(4)

式中:Ei為第i種主要建材的消耗電量,kWh;Fe為加工廠所在地區(qū)的電力碳排放系數(shù);Oi為第i種主要建材的消耗油量,t;Fo為油料碳排放系數(shù),kg /t;Gi為第i種主要建材的消耗液化天然氣量,t;FG為液化天然氣碳排放系數(shù),kg /t;Ai為第i種輔材的消耗量,t;Fi為第i種輔材的碳排放因子,kg /t;C0為焊接保護氣體直接釋放出CO2量。

3 鋼結構制造全過程碳排放測算

3.1 鋼材生產及運輸環(huán)節(jié)碳排放測算

鋼材生產環(huán)節(jié)的碳排放,按照式(2)進行計算。Mi按照1t取值,根據(jù)中國某鋼鐵公司提供的熱連軋鋼板Environmental Product Declaration(EPD)平臺產品聲明[10],不考慮廢鋼循環(huán)的情況下,Fi按照2 280kg/t取值,考慮廢鋼循環(huán)時,Fi按照1 090kg/t取值。ai按照鋼構件加工廠普通水平4%取值,則:不考慮廢鋼循環(huán)時,C1=1×2 280×(1+4%)=2 371.2kg;考慮廢鋼循環(huán)時,C1=1×1 090×(1+4%)=1 133.6kg。

鋼材運輸環(huán)節(jié)的碳排放按照公式(3)進行計算。Mi按照1t取值,Di按照500km取值,Ti按照公路運輸?shù)奶寂欧乓蜃覽11],ai按照鋼構件加工廠普通水平4%取值,則C2=1×500×0.057×(1+4%)=29.64kg。

3.2 鋼構件加工制作環(huán)節(jié)碳排放測算

鋼構件加工制作環(huán)節(jié)的碳排放按照式(4)計算,需要在加工廠內統(tǒng)計構件加工制作過程所消耗的電力、油料、燃氣、焊絲焊劑及油漆等輔材、焊接工藝釋放的CO2。因鋼構件加工場景復雜,制作環(huán)節(jié)的碳排放可采用基于制作工序的碳排放測算,也可采用基于投入產出法的加工制作碳排放測算。

以山西某鋼結構加工廠作為研究,詳細記錄了該廠2021年每月生產構件所消耗的電力、燃氣、焊絲焊劑等相關用量,針對采集數(shù)據(jù)結合制造工藝進行分析,得出鋼構件加工制作環(huán)節(jié)碳排放數(shù)值。該加工廠生產的鋼構件主要有H梁柱、箱形梁柱、十字柱、鋼桁架、橋梁構件等。其生產加工流程見圖3。

圖3 山西某鋼結構加工廠生產流程

3.2.1 基于制作工序的碳排放測算

統(tǒng)計期間,該加工廠主要生產的構件為H型鋼、箱形梁柱、十字柱、空間桁架、橋梁構件等。由2021全年統(tǒng)計結果來看,每月的消耗電量、焊絲焊劑用量、燃氣用量均有所不同,如圖4～6所示,這與加工廠當月生產主要構件類型不同有關。一般而言,當月生產H型鋼較多時,其耗電及輔料用量較少,而生產復雜的構件如十字柱、箱形梁柱、橋梁構件等時,其耗電及輔料用量較多。

圖4 鋼結構加工消耗電量實際統(tǒng)計

圖5 鋼結構加工消耗焊絲焊劑實際統(tǒng)計

圖6 鋼結構加工消耗天然氣量實際統(tǒng)計

由于在加工廠內進行能耗統(tǒng)計時,很難準確追蹤每個工序的能耗,只能按照實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對每道工序的碳排放進行估算。從鋼構件加工制作全工序考慮,主要產生碳排放的工序有:鋼板切割下料、制孔、構件組立焊接、構件矯正、除銹及油漆噴涂、其他零星工序等。鋼結構加工制作碳排放測算時,各類能源消耗碳排放因子取值如表2所示。

表2 加工廠能源消耗碳排放因子取值

(1)鋼板切割下料工序

目前鋼板下料常用的方法有火焰切割、等離子切割和激光切割?？紤]到大多數(shù)加工廠的技術水平和設備更新程度,以火焰切割為主來計算碳排放?；鹧媲懈钪饕玫奖?、乙炔等液化天然氣,切割過程中因氣體燃燒產生化學反應從而釋放出CO2。根據(jù)車間實際統(tǒng)計,該部分的噸鋼構件消耗液化天然氣為3kg,其碳排放量為7.08kg。

(2)制孔工序

本工序主要為制孔設備的電力消耗,碳排放與構件節(jié)點設計有較大關系,鉆孔多則碳排放多,鉆孔少則碳排放少。根據(jù)車間實際統(tǒng)計數(shù)據(jù),本工序噸鋼耗電約2～3kWh,取2.5kWh,噸鋼碳排放為2.21kg。

(3)構件組立焊接工序

鋼結構加工廠焊接工藝通常采用埋弧焊和氣體保護焊。碳排放來源為焊絲消耗、焊接電能消耗、CO2保護氣體直接消耗等。焊絲用量與焊縫面積、焊縫長度、焊絲質量、焊接人員操作水平等密切相關,CO2保護氣體直接排放量與CO2的流量和焊接時間直接相關,焊接消耗電能為焊接設備功率與焊接時間的乘積。該部分為鋼構件加工制造工藝中最主要的排放來源,根據(jù)車間實際統(tǒng)計數(shù)據(jù),該工序噸鋼構件消耗焊材平均為19.86kg,耗電118kWh,消耗CO2保護氣體30kg,由此計算出該工序碳排放量為172.28kg,該工序在鋼構件加工制造碳排放中占比最大。

(4)構件矯正工序

構件矯正主要包括火焰矯正、錘擊矯正及設備矯正。設備矯正主要為電力消耗,火焰矯正主要為燃燒氣體釋放。該工藝碳排放量非常少,根據(jù)車間統(tǒng)計數(shù)據(jù),噸鋼構件碳排放為1～1.5kg。

(5)拋丸除銹及油漆噴涂工序

主要為拋丸除銹、油漆消耗和噴涂過程中電能的消耗。根據(jù)車間統(tǒng)計數(shù)據(jù),拋丸除銹工藝中每噸鋼結構消耗鋼丸約1.5kg,電能消耗噸鋼約2～3kWh;鋼結構每平米消耗油漆約0.3kg(考慮損耗為20%),鋼構件噴涂面積按照平均每噸25m2考慮,則拋丸除銹及油漆噴涂工序中,噸鋼碳排放為31.91kg。

(6)其他零星工序

包含場內零部件運輸、成品場內運輸?shù)?可通過柴油消耗、電消耗來測算,根據(jù)車間統(tǒng)計,一般噸鋼碳排放約1kg,基本可以忽略不計。

綜上所述,鋼構件加工制作環(huán)節(jié)的碳排放量為215.98kg/t,如表3所示。其中構件組立焊接工序占比最高,為79.77%,油漆噴涂工藝占比為14.77%,二者之和約占碳排放量的95%,切割工序占比為3.28%,這三個工序是加工制作環(huán)節(jié)中需要重點關注的工序,尤其是構件組立焊接。其他工序碳排放均在1%以下,基本可以忽略不計。鋼結構加工制作全工序碳排放對比如圖7所示。

表3 基于制作工序的碳排放量統(tǒng)計

圖7 鋼結構加工制作工序碳排放量占比分析

3.2.2 基于投入產出法的加工制作碳排放測算

通過調研全國各地數(shù)十家鋼結構加工廠,采集相關加工數(shù)據(jù),并根據(jù)各加工廠2021年的鋼結構加工量、消耗化石能源量、消耗電量、消耗加工輔材數(shù)量等相關數(shù)據(jù),列出典型企業(yè)鋼結構加工制作階段噸鋼碳排放量統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表4)進行對比分析。

表4 基于投入產出平衡的鋼結構加工制作噸鋼碳排放量統(tǒng)計

分析表明,在各加工廠所處省份不同、區(qū)域劃分不同以及電力排放系數(shù)有差異的情況下,各典型加工廠鋼結構加工制作環(huán)節(jié)噸鋼碳排放量在170.94～248.90kg之間,平均值為206.06kg,如圖8所示。鋼結構加工制作環(huán)節(jié),電力消耗碳排放占比例最大,基本占加工制作階段的45.64%,其次為焊接焊劑碳排放,因二氧化碳氣體保護焊應用廣泛,焊接過程中釋放出的CO2直接排放占比達到加工制作階段的19.07%,焊材焊劑、油漆涂料、液化天然氣分別占比為16.29%、14.05%、4.95%,如圖9所示。

圖8 典型企業(yè)鋼構件加工制作碳排放統(tǒng)計

圖9 鋼結構加工制作碳排放情況統(tǒng)計

對于鋼結構加工制作環(huán)節(jié)碳排放,基于鋼結構制造全工序統(tǒng)計與基于投入產出法統(tǒng)計的數(shù)值分別為215.98kg/t和206.06kg/t?？紤]到各加工廠采取的工藝有所差異,加工制作的鋼構件類型有所不同,存在一定的偏差是正常的。

通過上述相關測算數(shù)據(jù)可得知,鋼結構制造全過程噸鋼碳排放量為:不考慮廢鋼循環(huán)時,Cm=C1+C2+C3=2 371.2+29.64+215.98(或206.06)=2 606.90～2 616.82kg;考慮廢鋼循環(huán)時,Cm=C1+C2+C3=1 133.6+29.64+215.98(或206.06)=1 369.30～1 379.22kg。

4 鋼結構制造全過程碳減排措施

鋼結構制造全過程的碳排放量與鋼結構主材、制造工序、加工用輔材等因素密切相關,因此可采取下列碳減排措施。

(1)推廣應用高強鋼等高性能鋼材

結合對鋼結構制造全過程碳排放的分析可知,每噸鋼構件的碳排放主要來自于鋼材生產。單個建筑工程在鋼結構體系不變的情況下,可采用輕量化設計,降低單位面積用鋼量來減少碳排放,具體可通過推廣應用高強鋼材料、高性能構件等方法實現(xiàn)。目前國內鋼結構工程中,Q420、Q460鋼材應用已經較為成熟,Q550、Q690鋼材也開始在多個項目中應用。

(2)推廣應用軋制型材等高效能鋼材

結合對制造工序碳排放的分析可知,鋼構件組焊的碳排放占比最大,接近制造工序總排放的80%。構件組焊過程中,主要工作是鋼板加工成型材,即構件本體的焊接占比太大。鋼結構制造,可通過加大應用高效能標準化型材比重以減少本體的組焊工作,如鋼柱、鋼支撐可應用冷成型方矩管或熱軋H型鋼,鋼梁采用熱軋H型鋼等,減少制造過程中的碳排放,同時也可提高制造效率。另外,在結構設計深優(yōu)化過程中,可以通過歸并型材規(guī)格,減少截面種類,以適應數(shù)字化流程型生產的同時減少制造工序中的碳排放。

(3)推進制造工藝優(yōu)化和生產線升級

傳統(tǒng)鋼結構制造過程包括鋼板下料、組焊、表面清理及涂裝等主要工序,下料主要采用氣體火焰切割,組焊工序也劃分為多個工位加工,表面清理采用拋丸或噴砂等工藝,制造效能不高,這些都會導致碳排放處于高位。需要進一步優(yōu)化制造工藝,如采用激光下料、組焊矯一體化、高效焊接、激光除銹等先進工藝,降低各工序的碳排放。另外,生產線制造工序流程較長且單條生產線物流距離較長。通過調研發(fā)現(xiàn),有的生產線建設長度不是根據(jù)最優(yōu)工藝流線設計,而是根據(jù)用地尺寸確定。由此可見,碳減排措施需要對既有生產線診斷,進一步基于數(shù)字化、智能化制造優(yōu)化工序和生產線。

(4)推廣應用清潔能源及低排放輔材

根據(jù)本文的分析,加工制作過程中,外購電力的碳排放占比較高,建議工廠根據(jù)自身廠房情況,設置光伏發(fā)電等清潔能源,以增加清潔電力的使用,有效降低該部分碳排放。組立焊接工序中,采用低碳焊劑將有助于減少該工序產生的碳排放。鋼板切割下料工序中,采用丙烷類氣體比乙炔類氣體碳排放少。

從長遠來看,鋼結構行業(yè)應通過設立合理的鋼構件加工制作碳排放的限制指標,淘汰小作坊式加工企業(yè),鼓勵具備實力的大中型企業(yè)節(jié)能減排。鼓勵鋼鐵廠做進一步產品延伸,跨界競爭,推動鋼結構加工的技術進步和節(jié)能減排。

5 結語

鋼結構是典型的預制裝配式、綠色環(huán)保型建筑,應在建筑業(yè)節(jié)能減排和轉型升級中發(fā)揮出更大作用。鋼結構制造全過程的碳排放計算非常重要,通過對全國多家加工廠調研及實際鋼結構制造碳排放測量統(tǒng)計分析,得出以下結論:

(1)從鋼結構產品的角度對制造全過程碳排放進行界面劃分,以方便碳排放量計算,具體環(huán)節(jié)包括原材生產環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)和構件加工制作環(huán)節(jié)。不考慮廢鋼循環(huán)時,制造全過程碳排放為2 606.90～2 616.82kg;考慮廢鋼循環(huán)時,制造全過程碳排放為1 369.30～1 379.22kg。

(2)根據(jù)加工各工序,對制造全過程碳排放進行了具體來源分析,并給出了鋼結構制造全過程碳排放計算模型。

(3)構件加工制作環(huán)節(jié)是研究重點,其中構件組立焊接工序和油漆噴涂工序的碳排放占比最大,分別達到79.77%和14.77%,是重點關注減排的工序。從能源消耗角度看,電力碳排放占比最大,達到45.64%,二氧化碳保護焊工藝排放占比19.07%。

(4)根據(jù)鋼結構制造全過程碳排放計算模型和實際案例分析,給出了碳排放量參考值和具體的碳減排措施,方便相關從業(yè)者參考使用。