作者：吴必善
出版社：中国铁道出版社
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煤化工产业链的碳足迹计量及控制机制研究试读：
前言
在全球低碳经济和我国“十二五”能源战略转型的背景下，优化以煤为主的能源结构和提高煤炭的清洁利用水平是必然选择。煤化工是煤炭洁净利用的重要方式，煤化工是否能够降低碳排放以及如何真正实现其降低碳排放的目标备受关注。全书主要内容如下：（1）在界定碳足迹、碳元素物质流、碳脉等定义的基础上，辨识出了新型煤化工核心产业链上各子系统GHG排放的根源或途径；并构建了煤化工核心产业链碳足迹计量的系统分析模型。（2）利用物料平衡法构建了GHG排放因子模型，分别研究了煤炭、SNG、油品等能源消费过程中的CO 、NO 、SO 等排放物的2x2计量方法，由此提出了煤炭生产（开采、洗、选）、煤化工煤炭物流、煤化工生产、煤化工下游部分产品消费等子系统的碳足迹核算方法和计量模型。（3）综合运用新型煤化工多联产业群的方式和CCS等低碳技术，研究降低区域性煤化工产业链的碳足迹控制机制。分析我国碳收支账户的平衡意义，提出了通过提升碳汇能力以增强区域性生态承载力的管理新模式；分析碳税与碳交易、CDM项目等清洁发展机制对煤化工企业、下游消费者边际效益的影响程度，提出了建立碳标签的低碳消费机制；再结合低碳运营成本管理，利用0-1整数规划法，构建了煤化工产业链网络结构优化模型。
本书以基于系统科学和绿色SCM的视角，综合运用物流管理、经济学、环境生态学、高级运筹学等相关理论及IPCC、PAS2050等协议所提供的研究方法，对我国煤化工产业链中碳足迹的计量和控制机制等问题进行了深入研究，构建了煤化工产业链网络结构优化模型，提出了我国煤化工产业链低碳模式和管理策略。
首先，分析了当前全球气候和环境不断恶化的现状，指出了节能减排的紧迫性和必要性；并借此分析我国能源结构与消费方式中存在的碳排放问题。通过对所收集的大量数据的整理和分析可以看出，煤炭仍是我国现阶段的主体能源。为了掌握当前国内外煤炭供应链及其煤化工产业链发展过程中所面临的瓶颈问题，作者通过设计调研问卷，征询涉及煤化工企业的管理人员以及相关学者的意见；然后，利用主成分分析法对调查数据进行因子分析，萃取出影响我国煤化工产业链低碳发展的关键因子。其中，随着我国能源结构转型和市场发展趋势的改变，煤化工产品的需求量及其对煤炭的消费量在急剧上升，但是煤化工产业链上的碳足迹强度也随之加大。作者通过构建生态足迹中能源消费的碳足迹比例预测模型，预测能源消费碳足迹的变化强度及其与煤化工产业链发展的关联度。
其次，在能量Exergy生命周期评估（ELCA）、可持续性生命周期分析法（LC-SA）基础上，作者对煤炭生产（开采、洗、选）、煤炭物流、煤化工生产、煤化工产品消费等子系统的GHG排放源进行辨识和建立排放量的预测模型，研究各子系统的碳排放因子核算方法和碳足迹计量模型。在对煤化工各子系统的碳排放因子核算方法和碳足迹计量模型等定量研究工作的基础上，作者再利用巴尖依斯基、DEA和双重红利等数学模型研究碳税、碳交易和碳标签在我国煤化工企业低碳生产和产品低碳消费的碳足迹控制技术机制和管理机制中的应用。
最后，将煤化工产业链上碳足迹的外部不经济性带来的相关技术变量和低碳成本指标纳入企业内部化管理基础上，构建了煤化工产业链网络结构优化模型，提出了我国煤化工产业链低碳模式管理优化方案，最大限度地降低我国煤化工产业链中GHG的排放量，缓解区域性碳足迹强度不断增大的趋势。
因此，本书通过定量研究我国目前煤气化-CH OH、煤气化-3SNG-IGCC以及煤液化-间接液化等核心煤化工产业链中碳足迹的计量方法和控制机制，不仅为我国煤化工产业可持续发展提供新的理念，也为我国制定和实施煤基能源低碳经济发展政策提供理论依据。
全书的具体研究内容如下：
第一章：节能减排的紧迫性与艰巨性。分析当前全球因大量使用碳基能源导致气候与环境的恶化，尤其是煤炭消费主力之一的煤化工产业链中碳足迹强度变化速度，令各国政府感到节 能减排的紧迫性和必要性。从实践出发，通过完善相关控制机制以实现我国对于相关产业可操作性的低碳管理模式。在研读大量国内外相关研究文献之后，吸取现有的部分专业理论及研究思路，本书简要介绍了研究背景、研究的目的及意义、研究技术线路，为本书每一步研究工作的顺利展开，做出详细规划与准备。
第二章：碳足迹与煤化工产业链低碳发展理论研究。为了分析影响煤化工产业可持续发展的因素，通过调查问卷收集、整理相关数据，采用主成分分析法分析出了影响煤化工产业发展的关键因素；再分析生物承载力构成指数（BCCI），建立生态足迹中能源消费的碳足迹比例预测模型，以此研究碳足迹强度与煤化工产业链低碳发展的关联度，从而指出了我国煤化工产业链低碳发展模式的设计原则，也是为进一步分析和计量煤化工产业链的碳足迹做准备。
第三章：基于ELCA-LCSA煤化工核心产业链碳脉与排放系统分析。借助LCA、ELCA、LCSA和Exergy等理论构建全生命周期内物质流、能量流在平衡状态时的转化效率数量模型，定量分析和评价煤基能源产品生命周期内的“负产出”对气候与环境的影响，明确了新型煤化工核心产业链内的碳脉机理；并在分析核心煤化工产业链中的C元素物质流的基础上，辨识出各子系统的GHG排放源，为下一阶段研究煤化工核心产业链的碳足迹计量方法和控制机制等工作奠定基础。
第四章：基于LCA煤化工核心产业链的碳足迹计量研究。在明确煤化工核心产业链各子系统GHG排放源的基础上，利用PAS 2050：2008、ISO 14064、GHG Protocol和IPCC等国际指导性文件的相关研究方法，给出各种能源的单位能耗、转换率、碳氧化率、GHG排放因子的核算模型，而且通过事例模拟验证相关碳足迹计量模型的实用性。
第五章：煤化工产业链的碳足迹控制机制研究。在煤化工核心产业链中各子系统碳足迹计量方法研究之后，再从两个方面去研究碳足迹控制机制，即技术机制和管理机制；并通过事例模拟煤化工产业链上碳足迹的相关控制机制的应用效果。
第六章：基于碳足迹煤化工产业链网络结构优化研究。将碳捕集、碳交易等成本作为相关企业生产或消费的约束条件，研究煤化工产业链网络结构优化的管理方法。通过利用高级运筹学等理论，构建煤化工产业链网络结构优化新模型，并以事例模拟在低碳经济模式下煤化工多联产业群优化重组情景，提出区域性资源型城市群可持续化发展的新模式。
第七章：研究结论。在定量与定性研究的基础上，针对需解决的关键问题提出研究结论与主要创新点，并客观总结出该项研究存在的不足之处，为待未来进一步研究工作打下更好的基础。
全书中引用了大量前人的研究成果，著者在此一并表示感谢！
由于著者水平有限，不足之处在所难免，敬请国内外专家学者不吝赐教。
著者2015年12月
主要符号对照表第一章节能减排的紧迫性与艰巨性
气候和环境问题已经成为当前世界各国讨论和研究的热点之一，导致问题的根源主要是人类各种活动中大量使用碳基能源（如煤炭、石油和天然气等）。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国的中国必须研究国内企业低碳经济的可持续化发展模式，尤其是煤炭消费主力之一的煤化工行业，开始研究抑制碳排放总量的清洁发展技术和管理机制，并通过产业发展模式的转变和产业结构的调整，实现煤化工行业的经济效益与环境效益相统一的目标。国际上现有的碳足迹的计量方法和指标，只是针对公共环境资源被污染的外部不经济性，却不能直接约束具体企业的内部化经营行为，而微观层面上的企业成本-利润又存在不平衡的现象；同时，现有的研究中很少计量某一行业的碳足迹，而针对煤化工产业链的碳足迹计量和控制手段的研究更为难得，这样的研究现状不利于该行业的低碳供应链管理政策的制定。从国内外煤化工行业调查和大量文献研究成果的基础上，本章提出了全书的研究背景、目的、意义、内容及方法，并设计了研究框架。第一节低碳经济发展的历史背景
一、全球节能减排的任务使命
伴随一系列（如“碳足迹”“低碳经济”“低碳社会”“低碳发展”“低碳生活方式”等）新概念的出现，既为各国家或地区在制定经济发展、社会价值、能源改革等宏观政策时，提供了科学思路；又为人类自身生存发展指明了方向。
无论是学术界，还是世界各国家或地区政府都感知到在过去的百年时间里，人类赖以生存的环境发生了诸多的不确定性变化，如地球表面的平均气温上升了0.8℃左右，这已经导致了世界范围内的干旱、沙漠化、水灾、饥荒等严重后果。常识告诉人们，全球的平均气温上升的临界值是2℃，如果到21世纪末世界范围内不能严格控制温室气体GHG（Greenhouse Gases，主要包括CO 、NO 、CH 、2x4氢氟氯碳化物、全氟碳化物及SF 等有害气体）的排放量，全球的6平均气温可能在2040年前就超过临界值2℃，甚至有的科学家预测有可能到21世纪末全球的平均气温上升4～6℃，如此人类会面临更为严峻的生存条件。因此，节能减排问题成为全球关注热点话题之一，无论是人们的生活方式的改变或是从全球工业、农业、第三产业等方面的可持续化发展考虑，人类需要通过能源技术创新、产业结构调整等手段，更加有效地利用现有能源，在各种活动中最大限度地减少不可再生的碳基能源（如煤炭、石油和天然气等）的消耗，也是为了减少污染物的排放。同时，这是人类应对全球变暖，追求绿色GDP经济发展目标的重要保证；也是实现人类生存和可持续性发展过程中的一次根本性变革。因此，世界各国家或地区都开始重视发展低碳经济，共同协商节能减排大计，如表1-1所示。
表1-1 国内外节能减排主要事件
续上表（ 数据来源： 作者根据部分会议纪实 [1] 自行整理。）
从表1-1可以看出，十几年来全球各国家或地区政府都在设法采用低能耗、低排放、低污染的低碳经济发展模式，为实现社会、经济与环境和谐发展的目的，也是为全人类创造更高质量的美好生活，也是当前全球节能减排的背景下一项艰巨任务。
在全球节能减排的大背景下，我国当前面临的节能减排的任务更为紧迫。
近几十年来，我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，同时也付出了很大的资源和环境代价。2013年3月17日，中国国务院总理李克强在北京表示，中国不能以牺牲环境来换取经济、社会的发展，中国发展的目的不是片面追求GDP，而是将提质增效和惠及民生结合起来，从根本上提升人民的生活水平；2014年3月5日，李克强总理在《政府工作报告》中提出中国政府“坚决向污染宣战”——将深入实施《大气污染防治行动计划》，实现中国经济、社会与环境和谐统一发展的目标。
2014年初以来，我国多地区的雾霾天气呈现时间长、范围广的特点，其主要污染物为化学需氧量（COD，Chemical Oxygen Demand）、二氧化硫（SO ）、氨氮（NH -N）、氮氧化物（NO ）23x的排放总量，以及煤炭直接燃烧释放出的二氧化碳（CO ）、一氧2化碳（CO）、二氧化硫（与空气接触可产生三氧化硫SO ）、二氧3化氮（NO ）（一定条件下可形成四氧化二氮N O ）、一氧化氮224（NO）、粉尘等，造成不少城市的颗粒物PM2.5浓度数据都达到了严重污染，甚至是危险水平，广大市民的日常生活因恶化的空气质量而受到了严重的影响。据相关专家的分析结果可知，其主要原因是当前我国碳基能源消费结构不合理、许多产业链上存在严重排放。因此，我国在“十二五”期间设定了碳基能源强度降低16％和碳强度降低17％的目标，并将此任务分解成若干子目标，分配到各个省和直辖市；此举措施，累计“十一五”及“十二五”期间共节能14亿吨标煤和减少排放30亿吨CO ，如表1-2所示。2
表1-2 “十一五”和“十二五”期间节能减排指标（数据来源： 作者根据北极星节能环保网http://huanbao.bjx.com.cn相关资料整理。）
同时，我国的再生资源利用量占总生产量的比重，比起国外先进水平低很多。这也反映出：当前我国经济社会发展中最突出的问题之一是经济增长的资源环境代价过大，需要建设文明生态环境，以促进经济社会可持续性的和谐发展。所以，对于节能减排的各方面工作自然就成为一项十分艰巨而又非常具体的实际任务。这需要全国各级政府加强宏观调控，加强行政监管，加强政策激励；各行业、各部门，到企业及个人从具体实际的生产和生活中去落实节能减排的工作。当前严重制约我国低碳经济发展的主要因素集中在我国诸多产业技术水平低、相关产业结构不合理、以煤炭为主的能源消费结构先天不良、能源利用率低、绿色供应链管理不到位等，体现出当前我国经济的发展是以环境资源惨重的代价为条件，违背了可持续性的要求，现状需要我国政府根据实际发展情况推出节能减排政策；同时，通过大力推动节能减排措施不断优化经济结构，也可以通过相关技术的创新寻找更多的经济增长点和就业机会。以此，国务院印发的《节能减排“十二五”规划》的通知中对国内部分工业单位节能要求的指标比例有大幅提高，如表1-3所示。
表1-3 “十二五”时期部分工业单位节能约束指标
续上表（数据来源： 作者根据《节能减排“十二五”规划》整理。）
在表1-3中，我国在“十二五”期间对相关工业或产业设定节能减排的具体约束指标：到2015年，部分工业或产业能耗必须降低到规定指标，有的产业降低率高达22.1％；最小的也达到2.4％；其中，对于部分煤基产业的能耗降低率最小也要求达到3.3％。
通过节能措施发展低碳经济，其中既要考虑提升产业技术及利用清洁能源实现节能效果，又要通过环保投资达到减排目的。目前，全球环保投资及相关产业市场的规模不断地发展，年均增长率在7％左右，越是经济发达的国家，其环保投入相对更多；就一个国家而言，其经济高速增长期的环保投入也是增加的。当节能减排的投入增大时，环境污染程度会降低，如图1-1所示。
图1-1 环保投入和污染水平关系图
通过图1-1环境库兹涅茨曲线（EKC） [2] 变化趋势可以看出，从最低点2001年开始，当环保投入的比例占本国或本地区年度GDP的1％～1.5％时，才有可能基本控制本国或本地区的污染恶化程度；当环保投入的比例达到2％～3％时，本国或本地区的环境质量的改善情况才有可能发生明显的变化；另外，来自世界银行的研究报告显示，当环保投入的比例超过年度GDP的1.49％之后，本国或本地区的环保产业市场将进入高速发展时期；因此，有理由相信我国各地区各部门在“十二五”期间如期兑现减排指标的情况下，我国的环保产业市场在强大的需求推动下会出现超预期的发展前景。
总之，发展低碳经济的当务之急是推行节能减排，以低能耗、低污染，减少GHG排放量为发展条件；增大环保投入比例，努力实现经济、环境和社会三大效益的和谐统一，达到我国社会系统、科学技术系统以及自然生态系统的有机结合，促进我国各项建设可持续发展；这也正体现出当前我国节能与减排任务具有紧迫性与艰巨性。
二、煤化工产业的碳足迹对环境影响的典型性
为了优化能源结构，以提高煤炭资源综合利用效率，全球范围内充分利用煤炭资源发展煤化工产业（coal-chemical industry，CCI），如煤制天然气（synthetic natural gas，SNG） [3-4] 、整体气化联合循环发电（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC） [5-6] 、煤制油、生产烯烃、甲醇、二甲醚、建材、居民燃气等化工产品生产，既可以满足CCI下游企业原料的需求，又可缓解各国家或地区长期缺乏类似天然气等资源的困境，最终实现可观的经济效益目标。例如，天然气作为全球发展最快的一种能源，其需求增长率在过去30年内从17.2％提高到22.8％，美国能源情报署预测到2020年全球天然气的需求量将增长一倍 [7] ，而中国的需求量更是巨大。这也正反映出我国“十二五”规划中有关能源战略发展的重要性。在“十二五”期间，我国将展开一系列煤化工项目的建设，借此促进我国能源领域的改革，既要科学控制煤炭产能，又要提高其他一次性能源在消费中的比重，保证全国能源自给率在2015年达到85％的目标。
在当前煤炭市场出现一系列问题的同时，我国能源需求市场也发生了变化，如天然气的需求量将在未来几年后超过煤炭及石油，并且CCI下游企业对煤制天然气的需求量也在增长。首先，无论是从我国城市化进程和环境保护的宏观政策的大局出发，还是从当前能源消费的供需市场来分析，国内对于CCI及工业燃料单纯的需求开始逐步向多元化市场发展。这说明未来我国以SNG等CCI产品作为其他能源的替代产品，其需求市场潜力巨大。仅CCI产品中的SNG的需求量在“十二五”期间，约2050亿立方米，到2015年工业燃料用气需求约935亿立方米、下游化工企业用气需求约120亿立方米、天然气发电用气需求约295亿立方米、城镇用气需求约701亿立方米；其次，其他CCI产品，如IGCC、煤制油、生产烯烃、甲醇、二甲醚技术也逐渐成熟，资源转化率也较高，需求量也大。因此，国内有大量的资本开始瞄准了煤化工项目。据相关统计，从2009—2013年，国内已经出现一批SNG项目的企业，总产能超过1600亿立方米 [8] 。其中，如鄂尔多斯的神华、克旗和阜新等地的大唐、新疆庆华等9个项目规模十分可观。
但是，CCI产品所属的整条产业的供应链管理（煤炭生产加工、煤炭物流、CCI生产、销售、消费等环节的管理）中不仅投资巨大、管理过程复杂，其中最致命的问题是环保问题。因为，CCI产业链的各环节中均排放GHG，而GHG对于人类赖以生存的环境存在很大程度的污染。人类生存的环境包括自然生态系统和社会经济系统。人类正在面临日益恶化的气候负面影响，可能危及未来的人类生存和社会发展。因此，低碳经济自然就成为当今全球热点问题之一。
与此同时，在2009年，中国科学院公布了我国可持续发展战略的报告，提出到2020年我国的低碳经济发展过程中的二氧化碳排放比之前低50％的战略目标 [9] 。我国政府在2009年伦敦G20峰会上，也郑重承诺我国同意尽量充分利用财政基金，刺激我国经济结构向低碳经济转型。中国在节能减排，发展低碳经济中所取得的成绩举世瞩目。在“十一五”期间，为了实现低排放目标，坚决关、停大量技术落后、效率低下的工业企业及部分发电厂；严格完成削减7.5亿吨原煤产能，减少15亿吨二氧化碳的排放量，相当于全球2010年碳排放总量的5％。同时，我国也制定了“十二五”期间能源使用强度削减16％和碳排放减少17％的目标，并将总目标分解成若干子目标严格地分配到各省、直辖市的多部门，多行业。我国此项减排目标约累计减少使用14亿吨原煤及减排30多亿吨二氧化碳 [10] 。
因此，节能减排这一硬指标对煤制天然气供应链管理来说，是一项大的挑战。本课题研究提出只有绿色供应链管理模式才能实现CCI市场目标，也才能保障该产业在低碳经济的大环境下可持续发展。在敏感的GHG低排放政策要求下和碳交易市场的指导下，结合碳排放成本重新优化煤制天然气行业的绿色供应链是势在必行，从而实现低碳经济环境下精益和敏捷的供应链管理目标：把降低碳足迹 [11-12] （carbon footprint）对一家企业经营管理中的能源效率或成本管理的影响优势，变为与低排放相关的上下游企业或用户的共同优势，才能实现整个低排放的绿色供应链，也才能保证每个企业或用户的利益和绿色发展的要求。
总之，在我国“十二五”期间的煤化工市场的需求和低碳经济条件下，研究绿色供应链网络的碳足迹计量以及我国碳交易市场的发展，对煤化工产业链的可持续发展具有实际意义。煤化工产业链管理通常是由上下游涉及煤炭的多个企业或CCI产品多元化用户组成的供应链管理，因此，选择以低碳经济条件下CCI的碳足迹为研究对象，以绿色供应链管理的关键技术与低排放综合控制机制为研究内容，既为大型煤化工企业的健康发展提供思路，又为我国能源经济可持续化发展的政策制定提供理论支持。因此，本课题符合目前我国低碳经济下优化煤化工产业链（Coal-Chemical Industry Chain，CCIC）的研究需要。
笔者于2012年10月—2013年12月参与：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（项目批准号20100023110002）、重庆国土资源可持续发展与创新研究会软科学研究项目（项目批准号YJH201302）以及部分大中型煤炭化工企业供应链管理及控制体系等项目的研究工作，认真听取相关知名专家对于我国能源经济与政策工作的意见与建议，分析能源、经济、环境之间的关系；并从绿色供应链或产业链的管理视角，研究CCIC的碳足迹及其控制机制问题，对实现我国CCIC的可持续发展目标具有很大意义。
笔者申请的2014年博士研究生拔尖创新人才培育基金项目（项目批准号：800015Z671）、2015年度廊坊师范学院出版基金项目（项目批准号：LSCB201504）、2016年度河北省高等学校科学研究（省教育厅项目）等科研项目业务费专项资金获得批准，为本书的研究提供了重要的资金支持，也为本书的编写创造了良好的条件。第二节国内外煤化工产业链低碳模式简介
一、煤化工产业链低碳模式演化现状
1.煤炭SC低碳模式研究现状（1）SC发展阶段。从20世纪80年代开始，企业经营管理面临诸多问题，如消费者对产品技术的全球化支持需求、对产品生命周期缩小的需求、对产品数量提出小批量多频次的需求、对产品售后提出更高的服务质量等需求，这些需求的演变使“纵向一体化”（Vertical Integration）管理模式逐渐被“横向一体化”（Horizontal Integration）管理模式所取代，即通过外包合同（Outsourced contract）与众多企业合作，从而不断满足国内外消费者的需求，以提高产品质量和市场占有率，降低单位产品成本、提高合作企业整体竞争力的新管理模式。这种新型管理模式好似一把“链条”将供应商、生产商、物流服务商、分销商等合作伙伴连接在一起，是为一种需求而自愿捆绑在一起的合作关系，被称为“供应链”（Supply Chain，SC），如图1-2所示；而协调供应链上众多合作企业关系的管理模式，就是通常所说的“供应链管理”（Supply Chain Management，SCM） [13-14] 。
图1-2 供应链结构图
SCM发展至今基本上经过了三个阶段：
第一阶段是在20世纪80年代末，以Stevens、Harland、Hau L.Lee、Lamming R、Christopher等学者对SC的定义及其本质特征进行研究为主，并总结出以价值增值为目标的相关管理模型 [15-18] 。
第二阶段是在20世纪90年代初，以SC的网络优化设计及实施为研究内容，并总结出相关研究成果，如Balanced Scoreboard（BS）、Logistics Scoreboard（LS）、SC流程绩效评价法等 [19-22] ，又如2009年傅玉颖等利用模糊理论对SC网络进行优化研究，其采用有序加权平均（OWA）算子对供应商评判优属度进行定量分析，以作为选择供应商的依据，具体算法模型如下：
式中，i、j分别代表供应商、生产商；n代表SC上下游相邻层次的企业个数；E n（i），n+1（j） 代表第n层次的第i个供应商相对于第j个生产商的优属度；Q、C分别代表产量和成本。
SCM发展的第三阶段，是以研究低碳SC及合作企业共同承担风险、共享利润的双赢（Win-Win）战略管理模式等为主要内容。（2）绿色SC研究现状。自20世纪90年代以来，全球制造业一直面临将环境污染外部不经济性转向内部化管理的压力 [23] 。国内外文献在绿色供应链（Green Supply Chain，GSC）研究结果是多样化的，研究显示越来越多的企业开始对包括工业和生活产品采用绿色设计、绿色制造、绿色包装等技术，集成SC上下游合作伙伴为共同的目标，自觉做到节能减排，如图1-3所示。
在图1-3中，将“绿色”的概念添加到SCM当中，以权衡生产、物流运输等运营活动和成本的新型关系。1996年R B Handfield等在国际制造研究协会上第一次提出GSC的概念，也是国际上对GSC研究的开始 [24] 。2000年Geffen等通过在组装厂的实际案例研究环境绩效目标对供应商与制造商之间战略伙伴关系的影响程度 [25] 。在2005年，Simpson等研究环境管理活动的水平对顾客和生产商之间的机构关系改变程度 [26] ，积极推动企业管理大步走向绿色SCM（本书简称GSCM）。2007年Preuss提出GSC的具体5种管理方法，并提倡制造商通过寻求ISO14001等环境认证标准建立对供应商的综合评估系统 [27] 。2008年Ramudhin等研究包括碳交易等环境管理费用对物流运输成本的影响，并利用混合整数规划模型开始规划设计GSC网络 [28] 。2009年Diabat等提出设置SC碳排放上限作为生产基地和物流中心经营规模大小的决策变量 [29] ；同年，Amy H I Lee在德尔菲法识别技术的基础上，通过建立模糊评估模型对绿色供应商绩效进行分析研究 [30] 。在2010年，叶飞、张婕研究整体SC效益优化，从企业内部产品的绿色设计到外部合作企业的绿色服务管理，进行深度剖析GSC给企业带来的效益 [31] ；韩志新则通过定量方法研究GSCM的成熟度 [32] 。2011年庞燕、王忠伟等在研究钢铁制造业对环境的影响时，通过建立优化模型提倡钢铁制造业实现GSCM [33] 。2012年Tarek Abdallah等研究利用一种不同的MIP模型实施碳交易机制，监测SC网络的碳排放，通过整条SC的碳足迹变化程度影响生产商选择供应商的决策，使SC的每个节点利益均受到碳足迹的影响 [34] 。在2013年，田一辉、朱庆华通过建立GSCM扩散系统框架和扩散模型，提倡政府对消费者购买绿色产品的行为、对企业实施GSCM进行经济补贴，研究GSCM在生产企业、消费者中的推广与应用 [35] ；同年，徐珺在研究我国汽车行业的国际竞争力时，通过构建SCOR模型将碳排放等影响因素加入到GSCM中，从而有效地缓解当前我国汽车产业生产经营活动可能与环境保护、资源可持续发展之间的矛盾 [36] ，如图1-4所示。
图1-3 GSC结构图
图1-4 汽车行业GSCM的SCOR模型（3）煤炭供应链低碳研究现状。国内外对GSCM的研究从未间断，多数是集中在GSCM的战略、评估等方面，但至今没有统一的定义，尤其是对煤炭产业链的研究甚少，而国内外针对煤炭绿色供应链（Coal-Green Supply Chain，C-GSC）、煤化工绿色供应链（the Coal Chemical-Green Supply Chain，CCI-GSC）的研究几乎未有人涉及。
在我国《煤炭工业发展“十二五”规划》（2012年3月22日发布）中，全面阐述我国煤炭行业“十二五”期间的发展方向，不断促进煤炭企业资源整合，提升煤矿现代化管理水平，保障煤炭能源市场的稳定，推进煤炭及其下游能源消费企业和消费者走绿色环境、资源可持续性的和谐发展道路。这本身就是给煤炭行业未来的发展提供科学理论的支撑和依据，也是要求涉及煤炭能源的企业必须考量行业碳足迹的影响，从煤炭行业整体的发展和企业自身利益出发，实行煤炭绿色供应链管理（Coal-Green Supply Chain Management，C-GSCM），即以环境和生态保护为前提，减少资源消耗为宗旨，降低排放成本为目的，从煤炭资源的绿色开采、绿色加工、绿色物流、绿色消费等环节自觉遵循环境保护的各项规章制度，极力达到降低碳足迹对环境影响的新型管理模式。在2013年，李丹，路世昌等从低碳经济、生态经济、循环经济和可持续发展理论分析C-GSCM在我国煤炭企业管理中的应用 [37] ，如图1-5所示；同年，关高峰和董千里通过建立多渠道演化博弈模型，研究煤电SC低碳化收益变化情况，结果显示整个煤电SC在实现低碳化管理之后，SC上企业的收益会有明显的提高 [38] 。同时，实现C-GSCM也是对涉及煤炭资源的企业进行重新规划、控制、评估和管理，为最终建立环境友好型、资源节约型、经济发展可持续型的和谐社会。
图1-5 C-GSCM结构图
2.煤化工及其技术发展研究现状
煤化工（Coal Chemical Industry，CCI）在18世纪的后半叶产生，并于19世纪形成较为完整的产业，但随着二战后石油化工的发展，以煤炭为原料的化工生产逐渐萧条，直到20世纪70年代石油危机的爆发，欧美等发达国家又开始研发CCI技术和设备，而CCI产业大规模的发展和应用却在南非和中国，尤其是CCI产业的发展适合少气、贫油、多煤的中国国情。
CCI产业是技术密集型、资金密集型的产业，各国发展CCI产业也是为了拉动和发展如运输业、大型装备制造业等相关产业，特别是在当前国际石油市场日益紧张和全球煤炭市场发展现状等大形势下，各国资源改革的一个大的方向是发展现代CCI以替代石油资源的需求。近年来随着全球化工技术的进步，国内外大规模发展煤化工的可行性已经成为现实，也引起全球诸多学者对CCI产业发展的浓厚兴趣，并着手致力于这方面的科学研究活动，众多科研成果也为各国CCI产业健康发展提供了许多帮助。在2003年，Larson等研究GHG的排放因素对CCI技术经济性的影响时，着重分析煤液化和煤基二甲醇的实用价值 [39] 。2006年John Shen、Gary Stiegel等在给美国能源部提交一份研究报告中分析：一旦能解决碳氢化合物的液变反应器技术，那么煤的间接液化产品就可以开始商业化生产 [40] 。在2009年，Vliet等从成本管理角度研究煤液化的技术经济性和实用性 [41] ；同年，周文戟等通过ROA理论分析和评估我国CCI产业发展的技术经济性和可行性 [42] 。2012年田广华，宋彩霞在研究CCI产品工艺路线时认为：当前CCI产品工艺路线主要是以煤制气（Synthetic natural gas，SNG）、煤制烯烃、煤制油、甲醇等 [43] ；并给出部分工艺流程图，如图1-6～图1-8所示。2013年张琳琳在研究煤化工技术发展时，归纳总结出传统CCI和现代CCI技术的演变 [44] ，如图1-9所示。
图1-6 煤制SNG工艺路线
图1-7 煤制甲醇工艺路线
图1-8 煤液化工艺路线
图1-9 煤化工技术的演变
3.煤化工核心产业链研究现状
当前，现代化煤化工产业链（Coal Chemical Industry Chain，CCIC）是以煤气化制烯烃、煤液化、煤焦化、煤气化制醇醚类燃料等化工生产为目的，其核心产业链还是以煤气化为主，以一碳化工技术为基础而进行制取与合成多种化工产品或通过电热工艺等实现多联产的产业链，国内外许多研究成果也集中体现了这点。
在2007年，边书田研究分析全球CCIC发展方向时，对现代CCIC的结构类型进行梳理：首先是利用Texaco的水煤浆气化法、UOP/Hydro的MTO等技术进行煤气化合成气、合成甲醇、二甲醚、催化合成烃类等CCI产品的产业链；其次是利用NEDOL、IGOR、HTI等工艺技术对煤进行加压、加热、加氢催化制液化油及其他化工产品的产业链；再者就是煤间接液化制合成气（CO、H ）后，再催化合成烃类2产品以及乙烯、丙烯、醛、酮等其他化工产品的产业链；最后是以煤制气为基础经过优化组合多种技术工艺进行跨部门跨行业的多联产化工产品制造网，也是多条CCIC的联合生产网络 [45] ，如结合IGCC（燃气蒸汽联合发电）等。在2008年，付广旭、钟晓燕等以鲁南化肥厂自行开发的新型气化炉技术为实践依据，研究煤化工热电联产产业链，为我国CCIC的延伸做出了很大贡献 [46] ；2009年孙静春、常琳在以YM公司为实践对象的基础上，利用格兰杰因果关系检验法建立分析模型，并以此研究结果的关联性，为CCIC的发展提供了重要的理论支撑 [47] 。在2011年，司训练、李鑫通过分析CCIC与技术链的耦合机理，对CCIC和技术链的关系进行更加具体的研究（见图1-10），为CCIC的健康发展提供了更好的指导作用 [48] 。
图1-10 煤化工产业链和技术链耦合机理
由于近年来，我国各地区的雾霾天气情况愈发恶化，PM2.5等污染物的治理已经到了刻不容缓的势态；同时，在我国《天然气“十二五”规划》中明确指出到2015年我国的天然气供应量将超过1760亿立方米，其中SNG供应量将超过天然气总量的10％，因此无论是从降低碳足迹对环境污染的需要，还是从“煤改气”“油改气”满足当前天然气市场需求的考虑，煤气化产业链终究是CCIC中的核心产业链之一。
4.煤化工产业链低碳发展研究现状
以煤气化为龙头并利用多种技术工艺的现代CCIC，如果能继续获得更多高附加值的煤化工产品必须考虑到低能耗、低污染、低排放的综合成本管理。尤其是低碳经济全球化的时代，我国CCIC上的企业必须从国际价值链的末端逐渐摆脱高耗能、低产出、高排放的束缚，充分利用节能减排和新型煤化工技术向低碳、高效经营管理模式转型，为此国内外许多学者也开始着力对此领域开展研究。
在2002年，马忠海从煤炭开采、加工到消费等环节分析煤电产业链的GHG排放系数，研究结果显示煤电供应链的碳排放系数是其他能源碳排放系数的几十倍 [49] ；但是该项研究没有具体定量核算各环节的碳足迹。2003年Henri在分析SNG产业的技术和设备时，研究认为SNG产业在利用煤炭资源过程中的碳排放比煤炭直接利用对环境的危害程度要小得多 [50] ，但此项研究没有定量比较过程。在2006年，Stiegel等从煤炭资源经济可持续性发展的角度研究认为，煤气化制氢等相关产业链是经济有效的低碳产业链 [51] ，但是该研究并没有给出CCIC低碳发展的具体途径，更没有定量研究CCIC的CF计量和控制方法。2011年张有国在定量研究CCI企业的能耗和定性分析行业的碳排放时，利用相关数理模型统计分析化工企业的能耗 [52] ，公式如下：
式中：i代表煤化工产品的类型；E 、Q 、V 分别代表不同化CCii工产品的单位能源消费量、化工产品数量和化工企业的产值。
但是，该项研究只是在能耗上进行定量分析，而对煤化工企业的碳排放只有定性分析过程。在2012年，阂剑通过分析不同煤炭在CCI生产过程中的碳排放因子的区别，定量研究煤化工合成氨、甲醇等产品的碳排放强度，为研究CCIC低碳管理模式提供了新的定量分析方法 [53] ，但该研究只是针对个别煤化工产品的低碳化研究。在2013年，纪鹏从CCI技术的发展角度研究新型CCIC低碳转型的条件，研究认为利用先进的煤化工技术工艺可以弥补产业的总体效率和降低碳排放总量，体现了CCI技术价值 [54] ，但未给出新型CCI行业低碳发展的具体技术。
二、煤化工核心产业链的碳足迹计量研究现状
1.碳足迹理论研究现状（1）碳足迹（CF）的概念。“碳足迹”（carbon footprint，CF）是近几年提出的新概念，对其内涵的理解众说纷纭，目前还未统一确定。在科学引文索引（Web of Science）上对“碳足迹”一词进行了检索，检索范围为25年内美国科技信息所数据库（Science Citation Index Expanded）收录的文献。文献中的大量著作所关注的是如何测量和减少特定过程、产品的温室气体排放量，对CF的概念问题并未精确地论述。在2008年，Wiedmann等所提出的CF定义较为准确，但是该定义中的CF仅指CO 的排放量 [55] ，而没有衡量其他GHG对于2气候变化的影响，即对排放物的诉述不够全面。在2009年，Druckman等对CF的概念诉述是由某一直接及间接活动引起的CO 排2放总量，或是某一产品在整个生命周期内累积的CO 排放总量 [56] ；2同年，Hertwich等研究称CF是用于最终消费的商品或服务在生产及消费过程中排放的CO 、CH 、N O及氟化物等GHG的量 [57] 。也242有的研究者认为CF是度量某一活动或产品在生命周期内排放GHG的量，但对于概念中涉及的GHG种类及系统边界仍存在争议 [58-62] 。在2011年，计军平等对CF定义的研究认为其概念的发展大致可分为两个阶段 [63] ：第一个阶段，非政府组织、公司和政府部门提出了众多定义，多数主张CF度量的是某一活动或产品直接排放CO 或2GHG的量，以及与电力消耗相关的排放量。这些定义大部分来自灰色文献而非经过严格同行评议的学术著作；第二个阶段，近两年学术界开始出现CF概念的讨论，认为CF的度量是某一活动或产品在生命周期内排放GHG的量。而大量研究表明，其他GHG尽管排放量相对较小，但其对于气候变化有着不可忽视的影响；而在《PAS2050规范》（BSI，2008）中所提出的碳足迹定义较为全面，但是，该定义中对于碳排放总量的核算说明不够准确。综合现有文献对CF的定义如表1-4所示。
表1-4 现有文献对CF的定义（ 资料来源： 由作者收集整理。）（2）CF的类型研究。2010年罗运阔等在对相关概念方面研究比较全面，将CF分为若干类型，按照产生方式的不同，CF可以分为直接CF和间接CF；按照产生主体的不同，可以分为个人CF、产品CF、企业CF、国家或城市CF；按照特定产业或部门的不同，可以分为工业CF、交通CF、建筑CF、供水CF、医疗CF等 [64] 。（3）CF内容的研究。对CF的内容研究，国外不少国家起步早，研究范畴也比较全面和深入。尤其是欧美一些发达国家已经从理论研究阶段向可操作性阶段过渡，甚至有的国家已经将CF研究成果应用到日常生活中，用于国家微观经济系统，最终惠及基层百姓。CF一词本身就来源于英国。英国为了能够以标准化方法来计算产品与服务的CF，Carbon Trust公司于2006年底便开始研究评价碳足迹的方法，并于2007年6月与Defra共同委托英国标准协会（BSI）进行此项标准方法的正式研拟工作，即PAS2050及其导则（《产品与服务生命周期温室气体排放评估规范》）。该标准已于2008年11月正式公布全球。2007年6月，英国政府环境、食品与农村事务部在网站上发表针对个人、家庭的CO 排放量计算器，使得公众通过网络便可计算个人、2家庭每天生活排放的CO 量。德国对CF的研究源于对产品CF项目2（于2008年7月）推出，目的在于为企业提供产品CF评价与交流方面的方法与经验，目的是为降低CO 的排放量，倡导环境友好型消2费。瑞典对于CF的研究开始于食品领域。给食物贴上碳排放标签的做法是受到瑞典2005年一项研究成果的启示。美国对于CF的研究是源于碳排放量制度标准的制定。旨在帮助消费者在购买过程中选择较低CF的产品和服务，培育一种环境友好的市场机制，从而减少碳排放。由Carbonfund公司推出的美国第一个适用于产品的碳标签，其CF计算方法则以LCA为基础。日本在2008年4月，由经济产业省成立“碳足迹制度实用化、普及化推动研究会”，并在2009年初推出碳标签计划，并确定了比较科学的CO 排出量计算方法、碳标签适用性2分类、统一碳标签图样等内容；同年，日本开始推动CF标签试行计划。目前，我国对CF的研究总体状况还是在理论水平上，未能将成熟的研究成果用于实践中。因此，希望通过本课题对煤化工产业链的CF研究为我国在相关领域的发展提供理论支持。
2.CF计量及评估技术研究现状
当前国内外研究学者把CF作为一种新的评估GHG对环境造成影响的手段，但是就其具体定量研究体系至今也未能形成，更没有现有针对CCIC的CF计量的研究成果。现有的CF计量及评估技术方法主要是指生命周期分析法（LCA）、投入-产出法（IO）、联合国政府间气候变化专业委员会（IPCC）碳排放计算法、碳汇法、碳强度（Carbon Intensity，CI）计量法、碳源计算法等。（1）采用LCA分析法。针对具体行业或具体产品的CF计量为当前最有代表性的研究手段之一。如2008年Matthews等在《商品和服务生命周期温室气体排放评估规范》（APS 2050）的基础上利用LCA分析法对美国491个经济部门产品及服务的GHG总量进行计量 [65] ；在2009年，Larsen等利用LCA分析法在分析产品供应链GHG的排放源时，研究结果显示在GHG的总排放量中，大部分是间接排放而直接排放仅占总量的26％ [66] 。Matthews、Larsen等计算产品CF的数量模型或公式是利用产品供应链生命周期中所有原材料、能源消耗量乘以排放因子之和作为研究数据来源，采用的计算公式如下：
式中 i——产品种类；
j——能源种类；
Q ——第i种产品供应链的活动数据；i
R ——第j种能源排放因子（即单位物质或能源所排放的CO 等i2价物，如表1-5所示）。
LCA分析法是一种自下到上的计算方法，在研究产品CF时存在如研究边际不容易界定等问题，即只有直接或少数间接的影响因素被考虑在内，结果存在截断误差大的缺陷。
表1-5 各种能源排放系数（数据来源： IPCC 2006 Guidelines for National Greenhouse Gas。）（2）采用投入-产出法（IO）。针对具体部门或具体产业的CF计量为比较适宜的研究手段。此方法在1936年由美国经济学家华西里·列昂惕夫（Wassily Leontief）研究得出的，此方法主要通过各项资源的投入表与部门产出表建立相应的数量统计模型，统计经济系统各个部门（产业间）在整个供应链上经济活动引起的GHG排放量。对于该方法的实用性，不少学者做出大量的研究，如2010年王微、林剑艺等以工业部门为例，分生产层面、行业层面、产业链层面三个层次对来自工业部门生产、物流运输等过程中的直接碳排放量进行研究 [67] ，根据实际宏观经济系统的投入-产出表建立相关参数矩阵，计算总产出Y：
Y=（I+A+A×A+A×A×A+…）×Q=（I-A） -1 ×Q （1-5）
式中：Y为总产出；I为单位矩阵；A为直接消耗矩阵；Q为最终需求；A×Q为部门的直接产出；A×A×Q为宏观系统经济部门的间接产出，以此类推计算，表达式为：
式（1-6～1-8）中：CF为碳足迹；R 为CO 排放矩阵，该矩阵i2的对角线值分别代表各子层面或子部门单位产值的CO 排放量（由2该子部门的总CO 排放量除以该子部门的生产总值得到）；A'为能源2提供部门的直接消耗矩阵。
IO计算法是一种自上到下的计算方法，根据利用投入-产出表进行计算GHG排放量，较适用于宏观经济系统层面的统计，但数据量大不易搜集，并且计算结果也不够精确。2009年Lenzen等在LCA、IO计算法的基础上，综合研究出新的CF计量模型，并对特定的一个城市的进行了实践，其核算的公式如下 [68] ：
式中：B'为微观系统的直接排放系数矩阵；A'为技术矩阵，表示分析对象在生命周期各阶段的投入与产出；D表示宏观经济系统向分析对象所在的微观系统的投入，是与投入-产出表中的特定部门相关联；C表示分析对象所在的微观系统向宏观经济系统的投入；F为外部需求向量；B为直接排放系数矩阵；A为直接消耗系数矩阵；I为单位矩阵，CF 为分析对象的GHG排放量。但是该计算模型对特定GHG研究对象的要求比较苛刻，不适合具体产业链CF的计量条件。（3）在国内外研究文献中，计量一个区域或国家层面上的CF常采用的方法有：碳源法或碳汇法（指自然界中碳的寄存体，通过计算吸收能源产生CO 所需的林地面积）、基于能源消费总量计量法、2基于能源碳排放系数计量法等。有少量研究采用碳源法或是碳汇法计量区域或国家层面的CF，如在2007年，赵荣钦等通过分析CF碳源的内涵，构建了能源消费的碳排放计算模型来计算某年度某区域或国家的碳排放量，即CF碳源计算法，其模型如下 [69] ：
式中：E 为碳排放总量；i表示化石能源类型；Q 表示第i种化ti石能源消费量；V 为能源净发热值；A 为缺省碳含量；B 为缺省氧iii化碳因子；12/44、12/16分别为CO 和CH 所含碳量的转化系数；24M 为缺省CH 排放因子；V 、A 、B 均采用IPCC的给定值；Q i4iiibj为第j种农村生物质能源消费量（主要为：薪柴、沼气和秸秆等）；D 为碳排放系数；R 为折标准煤的系数。bjbj
在2009年，Kitzes等通过分析区域内所有土地利用类型的碳吸收能力之后，构建计算在特定区域或特定国家的一段时间内CF的生态足迹模型 [70] ，即碳汇法。由于生态系统内产生与排放CO 的主体2较为复杂，按照不同CO 来源，可将CF账户分为能源消耗账户、土2壤账户及生物账户等（自然生态系统中的“碳载体”主要包括林地、农作物、土壤以及湿地等类型），通过计量以消纳生物体所释放的CO 的碳汇面积来表示该国家或该地区一段时间内的CF。国际上多2数文献采用净生态系统生产力（Net Eco-system Productivity，NEP）代替或表征土地的碳吸收能力，是指从净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）植物光合作用所固定的光合产物中扣除植物自身
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