朱漢雄,潘克西,劉治星
(復(fù)旦大學(xué)能源研究中心,上海 200433)
煤炭消費(fèi)量可決定上海能源消費(fèi)總量控制目標(biāo)的層級(jí),可影響上??諝赓|(zhì)量改善的進(jìn)程,需要對(duì)煤炭消費(fèi)的系統(tǒng)研究,要求方法科學(xué)、數(shù)據(jù)透明、格式一致、結(jié)果可比。本文將在全面介紹復(fù)旦大學(xué)能源研究中心有關(guān)“2012年上海煤炭流向與消費(fèi)總量控制路線圖”和“上海煤炭分用途需求量預(yù)測(cè)(2014年4月)”(簡稱“SCP201404”)等最新研究成果的基礎(chǔ)上,分析新成果與“2010年上海煤炭流向與先進(jìn)燃煤發(fā)電路線圖[1]”(簡稱“SCF2010”)和“上海煤炭分用途需求量預(yù)測(cè)(2013年9月)”(簡稱“SCP201309”)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的差異,及其造成這種差異的政策因素和實(shí)踐內(nèi)涵,目的是明晰不同階段上海煤炭消費(fèi)總量控制的核心任務(wù)和戰(zhàn)略部署。
上海煤炭流向始于外省市調(diào)入和進(jìn)口,經(jīng)運(yùn)輸中轉(zhuǎn)(主要指市外的水陸聯(lián)運(yùn)、內(nèi)河與鐵路運(yùn)輸)、加工轉(zhuǎn)換(發(fā)電、供熱、煉焦、制氣),止于鍋爐窯爐等終端利用設(shè)備,具有清晰的、系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系和數(shù)據(jù)相關(guān)性,如圖1所示[2-4]。圖1數(shù)據(jù)來源于復(fù)旦大學(xué)能源流向與碳排放因子數(shù)據(jù)庫http://dvn.fudan.edu.cn/dvn/dv/FDED。
在圖1中用縱向線分割、標(biāo)注出上海煤炭流向的5個(gè)主要節(jié)點(diǎn)、3個(gè)關(guān)鍵年份及其相關(guān)數(shù)據(jù),具體為原產(chǎn)地調(diào)入量、運(yùn)輸中轉(zhuǎn)量、可供消費(fèi)量、分品種消費(fèi)量、分用途消費(fèi)量,以及2015年、2017年和2020年優(yōu)化情景下的煤炭消費(fèi)總量控制目標(biāo)等。圖1中2015年、2017年、2020年的消費(fèi)量為總量控制的優(yōu)化目標(biāo),對(duì)應(yīng)的基本目標(biāo)為5500、5400、5200萬tce,強(qiáng)化目標(biāo)為5200、5000、4700萬tce。
1)原產(chǎn)地調(diào)入量 上海煤炭全部由外埠調(diào)入,國內(nèi)為主、進(jìn)口為輔。2012年上??傆?jì)調(diào)入煤炭8350.4萬t,其中來自山西、內(nèi)蒙古、陜西、河北、河南、山東以及東北三省等主產(chǎn)地的煤炭累計(jì)7348.1萬t,占調(diào)入總量的88.0%;來自安徽、江蘇等鄰近省份的煤炭341.0萬t,占調(diào)入總量的4.1%;進(jìn)口煤炭為661.3萬t,比2010年增長了509.3萬t,繼續(xù)呈現(xiàn)快速增加的態(tài)勢(shì)。
2)運(yùn)輸中轉(zhuǎn)量 煤炭通過水陸聯(lián)運(yùn)、鐵路和內(nèi)河運(yùn)輸進(jìn)入上海,其中水陸聯(lián)運(yùn)是最主要的運(yùn)輸方式。2012年經(jīng)水陸聯(lián)運(yùn)進(jìn)入上海的煤炭累計(jì)為8125.5萬t。2012年經(jīng)上海中轉(zhuǎn)調(diào)出煤炭2621.3萬t,主要去向?yàn)榻K、浙江,主要品種為煙煤、褐煤(多為進(jìn)口之后的中轉(zhuǎn)調(diào)出)。
3)可供本地消費(fèi)量 2012年,可供上海本地消費(fèi)的煤炭為5701.89萬t,《上海能源統(tǒng)計(jì)年鑒2013》的消費(fèi)量為5703.22萬t,統(tǒng)計(jì)平衡差額為1.30萬t。
4)分品種消費(fèi)量 上海煤炭消費(fèi)以煙煤為主,用于發(fā)電、供熱、制氣、化工原料和中小鍋爐窯爐等分散燃燒;上海煉焦煤全部用于煉焦;無煙煤主要為寶鋼高爐噴吹、燒結(jié)用煤,來源于河南永城、山西晉城;褐煤全部用于電廠摻燒,近年來消費(fèi)量快速增加,主要為進(jìn)口。2012年,消費(fèi)煙煤4309.0萬t、褐煤258.0萬t、煉焦煤951.8萬t、無煙煤184.4萬t。
5)分用途消費(fèi)量 上海煤炭的主要利用途徑為發(fā)電(含自備電廠)、供熱(發(fā)電供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)供熱、集中供熱)、分散鍋爐窯爐、制煤氣、冶金煉焦、寶鋼高爐噴吹和化工原料等;主要用煤部門為電力(包括發(fā)電和供熱用煤)、工商業(yè)(除電力、寶鋼以外的鍋爐窯爐用煤)、冶金(包括煉焦、高爐噴吹、燒結(jié)用煤)、化工(化工原料用煤)等。其中,發(fā)電、供熱、鍋爐窯爐為通過燃燒的能源利用,制氣為非燃燒的能源利用,煉焦、高爐噴吹、化工原料為非能源利用(見圖2)。圖2數(shù)據(jù)來源于復(fù)旦大學(xué)能源流向與碳排放因子數(shù)據(jù)庫http://dvn.fudan.edu.cn/dvn/dv/FDED。
圖12012 年上海煤炭流向與消費(fèi)總量控制路線圖(圖中數(shù)據(jù)單位為萬t)
2012年上海發(fā)電用煤3397.3萬t,比2011年減少270.3萬t,是近10年來下降幅度最大的一年。這主要是由于外來電的增加速度快于本市電力消費(fèi)的增長速度,因此壓減了本地燃煤機(jī)組的發(fā)電量。供熱用煤322.6萬t,其中包括發(fā)電供熱18.9萬t、熱電供熱231.4萬t和集中供熱72.1萬t。這是由于天然氣置換煤氣工作的大面積完成,2012年制氣用煤依舊維持較低水平,僅為9.2萬t。煉焦用煤繼續(xù)保持長期的遞減趨勢(shì)比2011年再減5.7萬t;化工原料用煤比2011年增加21.7萬t,上升15.87%。
圖22001 —2012年上海煤炭分用途消費(fèi)量變化趨勢(shì)圖
直接燃燒用煤主要由工商業(yè)分散中小鍋爐窯爐用煤、寶鋼高爐噴吹用煤、寶鋼羅涇綜合板廠Corex爐用煤、市內(nèi)配送損失量以及規(guī)模以下企業(yè)用煤估算量等構(gòu)成。2012年,直接燃燒用煤合計(jì)828.9萬t,比2011年下降185.2萬t,是近10年來下降量和下降幅度最大的一年。高爐噴吹用煤(包括燒結(jié)用煤)由寶鋼本部和寶鋼不銹鋼廠用煤兩部分組成,2012年為339.6萬t;2012年寶鋼Corex爐消耗塊煤64.2萬t,伴隨寶鋼羅涇綜合板廠2號(hào)Corex爐的關(guān)停(2012年9月),以后Corex爐的煤炭消費(fèi)量將歸零;工商業(yè)分散中小鍋爐窯爐消費(fèi)的洗塊煤長期穩(wěn)定在每年15.0萬t左右,消費(fèi)的原煤由10年前的每年700.0萬t左右,逐步減少到2012年的409.5萬t。值得指出的是,目前統(tǒng)計(jì)在冊(cè)的中小燃煤鍋爐窯爐的煤炭消費(fèi)量僅約250.0萬t,剩余的約150.0萬t計(jì)作規(guī)模以下企業(yè)煤炭消費(fèi)的估算量,準(zhǔn)確數(shù)據(jù)需進(jìn)一步核實(shí)、查證。
2013年9月以來,上海市相繼出臺(tái)了一系列大氣污染防治政策,責(zé)任清晰、時(shí)限明確、行動(dòng)有力,對(duì)未來影響重大。為此,有必要對(duì)“SCP201309”中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正(見表1)?!癝CP201309”給出的照常情景是考慮上海煤炭按照2012年以前利用模式和消費(fèi)趨勢(shì)慣性發(fā)展的情景,正如“SCL2010”所述“不會(huì)出現(xiàn),也不允許出現(xiàn)”。因此,在“SCP201404”中取消了照常情景,并將原來的基準(zhǔn)情景微調(diào)為規(guī)劃情景,增設(shè)基礎(chǔ)情景。
按照《上海市能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》、《上海市電力發(fā)展“十二五”規(guī)劃》、《上海市節(jié)能和應(yīng)對(duì)氣候變化“十二五”規(guī)劃》、《上海市環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)“十二五”規(guī)劃》等政府規(guī)劃,規(guī)劃情景以2015年上海煤炭消費(fèi)總量5800萬t為控制目標(biāo),并對(duì)2017年、2020年煤炭消費(fèi)總量的負(fù)增長進(jìn)行分項(xiàng)測(cè)算。
表1 上海煤炭分用途需求量預(yù)測(cè)表 萬t
隨著上海焦化廠、浦東煤氣廠的關(guān)閉,上海煉焦用煤全部為寶鋼的煉焦用煤。按照寶鋼的生產(chǎn)計(jì)劃測(cè)算,2015年比2012年削減煉焦用煤約為100萬t。根據(jù)《上海市鋼鐵產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》以及寶鋼集團(tuán)的企業(yè)規(guī)劃,2012—2017年將完成鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,寶鋼在上海地區(qū)減少鐵產(chǎn)能約580萬t,鋼產(chǎn)能約660萬t(約為目前產(chǎn)能的三分之一),相應(yīng)減少煤炭消費(fèi)量約為110萬t,主要包括2015年比2012年減少Corex爐用煤64.21萬t,2017年削減完畢寶鋼不銹鋼廠高爐噴吹煤減少42萬t。伴隨著天然氣置換工作的進(jìn)行,到2015年人工煤氣用煤將歸零,比2012年削減煤炭消費(fèi)量約為10萬t。2015年上海中小鍋爐窯爐的分散燃煤基本削減完畢,累計(jì)減量約為280萬t。同時(shí)按照集中供熱鍋爐關(guān)停計(jì)劃,到2015年削減供熱燃煤約20萬t。化工原料用煤全部為華誼集團(tuán)的煤化工用煤,2012年底華誼集團(tuán)位于吳涇的4號(hào)工程建成,年耗煤量有所增加,預(yù)計(jì)2015年化工原料用煤為220萬t。根據(jù)上海的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃,煤化工項(xiàng)目將逐步遷出上海,并且未來將不再新建煤化工項(xiàng)目。因此,今后化工原料用煤量將主要隨市場(chǎng)需求波動(dòng),2015—2020年按煤化工產(chǎn)能負(fù)荷80%測(cè)算,預(yù)計(jì)化工原料用煤量約在200萬t。
此外,按照《上海市電力發(fā)展“十二五”規(guī)劃》,預(yù)計(jì)到2017年新增超超臨界煤機(jī)360萬k W,相應(yīng)增加電煤約600萬t,但實(shí)際未予建設(shè)。因此,鑒于當(dāng)前的控煤減量形勢(shì),規(guī)劃情景將不會(huì)出現(xiàn)。
基礎(chǔ)情景著重考慮上海煤炭消費(fèi)行業(yè)、企業(yè)的實(shí)際情況。未來,上海將禁止新建除煤炭等量替代發(fā)電項(xiàng)目和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)以外的燃煤、用煤設(shè)施,電力需求增量主要通過增加外來電和本市現(xiàn)役機(jī)組出力等方式滿足。同時(shí),鑒于近年來全市電煤平均熱值下降,獲得同等電量需要消耗更多實(shí)物量煤炭的具體情況,預(yù)計(jì)2015年、2017年發(fā)電用煤會(huì)在2012年基礎(chǔ)上小幅增加。
供熱用煤到2017年將削減至200萬t,主要是通過進(jìn)一步關(guān)停集中供熱機(jī)組和小的熱電聯(lián)供機(jī)組來實(shí)現(xiàn)。強(qiáng)化中小鍋爐窯爐等分散燃煤設(shè)備的關(guān)停、替代力度,到2017年將相關(guān)用煤減至80萬t。適度控制煉焦用煤,以寶鋼現(xiàn)役焦?fàn)t產(chǎn)焦率73.5%,焦炭產(chǎn)能553萬t,并考慮產(chǎn)量波動(dòng),測(cè)算到2017年、2020年煉焦用煤分別比規(guī)劃情景減少30、50萬t?;ぴ嫌妹盒枨髮儆趧傂孕枨螅诋a(chǎn)量不出現(xiàn)較大波動(dòng)的情況下,耗煤量應(yīng)穩(wěn)定在200萬t左右。
綜上,基礎(chǔ)情景下2015年、2017年、2020年上海煤炭消費(fèi)總量將分別比2012年削減200、300、500萬t,控制目標(biāo)比較客觀、易于實(shí)現(xiàn)。
優(yōu)化情景考慮到了國家《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、《上海市清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃》等一系列控制煤炭消費(fèi)總量、改進(jìn)煤炭利用方式的政策措施和目標(biāo)時(shí)限,特別是用煤行業(yè)承擔(dān)的源頭治理責(zé)任。
在中短期內(nèi),上海發(fā)電用煤控制在3600萬t以內(nèi)。供熱用煤到2020年比基礎(chǔ)情景再壓減100萬t,主要為上海石化、金山石化熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的改造替代減量。通過進(jìn)一步加強(qiáng)中小鍋爐窯爐等分散燃煤和規(guī)模以下企業(yè)用煤估算量的數(shù)據(jù)測(cè)算和核實(shí),確保2015年、2020年比基礎(chǔ)情景再分別壓減50、20萬t。
與“SCP201309”相比,“SCP201404”著重考慮了規(guī)模以下企業(yè)煤炭消費(fèi)的不確定性及其監(jiān)管的不可達(dá)性,分散燃煤不會(huì)完全歸零;煉焦和高爐噴吹用煤均為寶鋼煉鐵工藝用煤,由于寶鋼煉鐵工藝已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平,在產(chǎn)量不變的前提下,用煤需求較為剛性,因此壓減潛力很小。如果寶鋼不銹鋼廠提前至2015年停產(chǎn),可減少高爐噴吹用煤約50萬t。2020年考慮工藝進(jìn)步可再減少30萬t。相較于“SCP201309”,“SCP201404”著重考慮了寶鋼集團(tuán)上海地區(qū)鐵產(chǎn)量和燒結(jié)礦的增加,以及高爐噴吹用煤的剛性約束。
綜上,優(yōu)化情景下2015年、2017年、2020年上海煤炭消費(fèi)總量將分別比2012年削減300、500、700萬t,控制目標(biāo)高于現(xiàn)實(shí),但只要政府組織得力、企業(yè)響應(yīng)積極,應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)。
強(qiáng)化情景是在優(yōu)化情景上的進(jìn)一步挖潛,以更強(qiáng)的政策決心、更快的行動(dòng)速度減煤控量。這主要潛力來自電力部門。
1)嚴(yán)格控制電煤消費(fèi)實(shí)物量,將2015年、2017年的電煤消耗量控制在3550萬t以下,2020年控制在3500萬t以下。
2)強(qiáng)化關(guān)閉和改造供熱機(jī)組的具體措施,2015年比優(yōu)化情景減少集中供熱和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組用煤約100萬t,2017年將再進(jìn)一步壓減至100萬t,到2020年全部關(guān)閉或改造除發(fā)電供熱之外的所有燃煤供熱機(jī)組,主要為高橋石化、金山石化的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(目前年耗量約為180萬t)。
3)細(xì)化分散用煤管理,到2015年基本消除在冊(cè)中小鍋爐窯爐的用煤。設(shè)定煉焦煤消費(fèi)上限,缺口焦炭通過外購彌補(bǔ)。可將化工生產(chǎn)負(fù)荷降低至70%,再減少煤耗30萬t。
綜上,強(qiáng)化情景下2015年、2017年、2020年上海煤炭消費(fèi)總量將分別比2012年削減500、700、1000萬t,控制目標(biāo)主要源于政府的治污決心,但因涉及眾多利益相關(guān)方,會(huì)導(dǎo)致耗費(fèi)巨大的社會(huì)成本,工作難度極高。
生產(chǎn)相同量的電力,所用煤炭熱值越低,消耗的煤炭實(shí)物量就會(huì)越高,見表2。參照以往年平均發(fā)電小時(shí),現(xiàn)役上海燃煤機(jī)組年發(fā)電量最大可達(dá)到938億k Wh,扣除電廠自用電,年供電量約為900億k Wh。按2012年市內(nèi)燃煤電廠平均供電煤耗307g/k Wh計(jì)算,應(yīng)消費(fèi)電煤2763萬tce。但是如果使用不同熱值的煤炭,比如采用熱值為21.77 MJ/kg(5200 kcal/kg)和19.25 MJ/kg(4600 kcal/kg)的原煤,所消費(fèi)的煤炭實(shí)物量分別為3719萬t和4205萬t,差額高達(dá)486萬t。
表2 不同供電煤耗水平下不同熱值及原煤耗量
不同于鋼鐵、化工部門對(duì)所用煤炭質(zhì)量要求嚴(yán)格,發(fā)電用煤對(duì)質(zhì)量要求比較松。同時(shí),國家政策也“鼓勵(lì)低熱值煤發(fā)電”(《2014年能源工作指導(dǎo)意見》)。一方面由于現(xiàn)代燃燒技術(shù)的進(jìn)步,發(fā)電鍋爐能夠大量摻燒低熱值煤;另一方面,伴隨發(fā)電終端處理設(shè)施的不斷改造升級(jí),除塵、脫硫、脫硝率分別達(dá)到99%、95%、80%以上,將發(fā)電燃煤對(duì)大氣的污染降低到了較低限度,能夠滿足環(huán)保的要求。由于在技術(shù)上可行、環(huán)保上達(dá)標(biāo),加大電廠低熱值經(jīng)濟(jì)性煤種摻燒力度就成為當(dāng)前發(fā)電企業(yè)的工作重點(diǎn)和追求利益最大化的主要做法。由此,近年來發(fā)電用煤熱值快速下降成為必然,2010—2013年上海發(fā)電用煤熱值變化趨勢(shì)圖見圖3。
圖32010 —2013年上海發(fā)電用煤熱值變化趨勢(shì)
不同于以熱量為基準(zhǔn)的國際通行方法,我國煤炭一直沿用前蘇聯(lián)20世紀(jì)30年代的實(shí)物計(jì)量方法,導(dǎo)致虛高的煤炭生產(chǎn)量、消費(fèi)量,由此對(duì)當(dāng)前消費(fèi)總量的測(cè)算、考核也造成極其不利的影響,需要特別關(guān)注[5]。
上海的煤炭消費(fèi)近期主要通過削減分散燃煤來控制總量,中遠(yuǎn)期主要通過將低效、高污染用煤轉(zhuǎn)向高效發(fā)電機(jī)組集中清潔利用來控制總量。在優(yōu)化情景下,上海發(fā)電用煤占比將從2012年的不足60%上升至2017年、2020年的70%左右,因此發(fā)電用煤估算量的準(zhǔn)確性對(duì)上海煤炭消費(fèi)總量估算的準(zhǔn)確性影響重大。
在估算電力部門煤炭消費(fèi)量時(shí),需要綜合考慮機(jī)組類型、機(jī)組容量、機(jī)組效率、成本(包括燃料、人力、設(shè)備、管理與維護(hù)等)、廠用電、電網(wǎng)損失等諸多因素,同時(shí)也要考慮電力需求量、資源量(包括土地、能源等)、污染物排放容量等約束條件。數(shù)學(xué)建模一般都以系統(tǒng)成本最小為目標(biāo)函數(shù),綜合權(quán)衡經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)成本的基礎(chǔ)上,在裝機(jī)量、發(fā)電量、設(shè)備服役退役時(shí)間、機(jī)組類型選擇、調(diào)度規(guī)則(優(yōu)先順序/發(fā)電占比)等方面進(jìn)行仿真、模擬,進(jìn)而提供決策備選方案,直觀、動(dòng)態(tài)展示問題的多維度、復(fù)雜性,有助于發(fā)電用煤估算量準(zhǔn)確性的提高。
1)上海煤炭消費(fèi)在2011年出現(xiàn)“飽和點(diǎn)”之后,負(fù)增長的態(tài)勢(shì)逐步鞏固。2015年之前消費(fèi)總量控制以削減中小鍋爐窯爐等分散燃煤為主;2017年之前的減控難點(diǎn)在于集中供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐的關(guān)停和替代改造;2020年之前的主要任務(wù)在于將分散燃煤集中于電力、鋼鐵、化工等部門。
2)上海煤炭消費(fèi)總量在基礎(chǔ)情景下,2015年、2017年和2020年比2012年分別削減200、300、500萬t,控制目標(biāo)比較客觀、易于實(shí)現(xiàn);在優(yōu)化情景下,2015年、2017年和2020年比2012年分別削減300、500、700萬t,控制目標(biāo)高于現(xiàn)實(shí),如果政府組織得力、企業(yè)響應(yīng)積極,應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)。
3)借助于現(xiàn)代燃燒技術(shù)的進(jìn)步和終端處理設(shè)施的升級(jí),發(fā)電企業(yè)為追求經(jīng)濟(jì)利益最大化,大量摻燒低熱值煤,技術(shù)上可行、環(huán)保上達(dá)標(biāo),導(dǎo)致近年來發(fā)電用煤熱值快速下降,需要研究有針對(duì)性的消費(fèi)總量測(cè)算、考核辦法。
4)我國長期使用的煤炭實(shí)物計(jì)量方法,導(dǎo)致虛高的生產(chǎn)量、消費(fèi)量,對(duì)當(dāng)前消費(fèi)總量的測(cè)算、考核造成極其不利的影響,需要特別關(guān)注。
5)先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型能夠直觀、動(dòng)態(tài)地展示問題的多維度、復(fù)雜性,有助于發(fā)電用煤估算量準(zhǔn)確性的提高。
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