河南省電力行業(yè)煤炭消費(fèi)總量控制及其環(huán)境影響評(píng)估

楊書(shū)嫻 王姍姍 王克 劉賽男 張鵬舉 張瑞芹

(鄭州大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，河南省鄭州市，450000)

★ 經(jīng)濟(jì)管理 ★

河南省電力行業(yè)煤炭消費(fèi)總量控制及其環(huán)境影響評(píng)估

楊書(shū)嫻 王姍姍 王克 劉賽男 張鵬舉 張瑞芹

(鄭州大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，河南省鄭州市，450000)

利用情景分析法和LEAP模型預(yù)測(cè)2015-2030年河南省電力行業(yè)煤炭消費(fèi)總量和環(huán)境污染物排放情況，主要設(shè)置5種情景：基準(zhǔn)情景、新能源情景、能效改善情景、天然氣替代情景和煤炭總量控制情景。結(jié)果表明：在煤炭總量控制情景中，煤炭消費(fèi)總量在2025年達(dá)到峰值128 Mt，提高能源利用效率相對(duì)于發(fā)展新能源發(fā)電和天然氣替代煤炭發(fā)電在實(shí)現(xiàn)煤炭消費(fèi)總量控制目標(biāo)方面的實(shí)施效果更好；2030年新能源情景、能效改善情景、天然氣替代情景和煤炭總量控制情景相對(duì)于基準(zhǔn)情景CO2減排潛力分別為11.85%、19.59%、0.69%和28.84%；2030年煤炭總量控制情景下SO2、NOX和TSP的排放量將比2015年減少247.0 kt、412.4 kt和119.3 kt，要實(shí)現(xiàn)超低排放目標(biāo)，必須采用更加先進(jìn)的末端治理技術(shù)。

電力行業(yè) 情景分析 煤炭消費(fèi)總量控制 CO2排放 污染物排放

作為發(fā)展中國(guó)家，能源的安全穩(wěn)定供應(yīng)是關(guān)系到我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)資源，我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)決定了煤炭的重要地位，煤炭消費(fèi)促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，滿足了人類生產(chǎn)生活的需求，為國(guó)家發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。然而煤炭在開(kāi)發(fā)和利用的同時(shí)也在破環(huán)生態(tài)環(huán)境和危害公眾身體健康。

關(guān)于煤炭消費(fèi)總量控制，大多數(shù)學(xué)者著重于對(duì)中國(guó)整體的研究。陳瀟君基于情景分析方法，研究了2020年、2030年空氣質(zhì)量改善需求對(duì)地區(qū)大氣污染物排放總量與煤炭消費(fèi)總量的約束作用；袁家海對(duì)中國(guó)電力行業(yè)煤炭消費(fèi)總量進(jìn)行了預(yù)測(cè)；羅宏基于大氣污染的約束分析，將中國(guó)煤炭消費(fèi)總量控制分解到地方層面。針對(duì)省級(jí)及以下層面，謝放尖對(duì)南京市未來(lái)煤炭消費(fèi)趨勢(shì)進(jìn)行了情景分析；金穎對(duì)上海市煤炭消費(fèi)現(xiàn)狀進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。

針對(duì)電力行業(yè)的節(jié)能減排，國(guó)內(nèi)外都做了大量的研究。Kale、Perwez和?zer分別對(duì)印度特拉省、巴基斯坦和土耳其的電力行業(yè)需求側(cè)與供應(yīng)側(cè)進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出相對(duì)于基準(zhǔn)情景下具體的CO2減排潛力比例；Mishra從印度潔凈煤技術(shù)不同推廣比例角度對(duì)其CO2減排潛力進(jìn)行了情景預(yù)測(cè)。張穎、Cai利用LEAP模型模擬分析了3種不同政策情景下中國(guó)電力行業(yè)的排放情況。在省級(jí)層面，王麗輝等對(duì)河北省的火力發(fā)電及新能源發(fā)電的CO2減排量進(jìn)行了計(jì)算；崔繼憲對(duì)山東省電力行業(yè)的溫室氣體和SO2、NOX、PM等主要大氣污染減排以及排放核算進(jìn)行了研究。

河南省作為華中電網(wǎng)的火電基地，電力行業(yè)的碳排放峰值目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是河南省早日實(shí)現(xiàn)碳排放峰值目標(biāo)的首要挑戰(zhàn)之一。因此，對(duì)河南省電力行業(yè)未來(lái)煤炭消費(fèi)總量控制目標(biāo)和溫室氣體及大氣污染物減排潛力進(jìn)行研究具有非常重要的意義。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 LEAP模型

根據(jù)河南省電力行業(yè)的火電機(jī)組規(guī)模、發(fā)電能源種類以及發(fā)電技術(shù)等特點(diǎn)設(shè)定模型結(jié)構(gòu)。LEAP模型的計(jì)算過(guò)程分為行業(yè)活動(dòng)水平、能源需求計(jì)算、CO2與污染物排放量計(jì)算3個(gè)階段。

1.1.1 行業(yè)活動(dòng)水平

Gi=G×ai

(1)

式中：G——電力行業(yè)的總發(fā)電量，kWh；

Gi——技術(shù)設(shè)備i的發(fā)電量，kWh；

ai——技術(shù)設(shè)備i的發(fā)電量占總發(fā)電量的比例，%。

1.1.2 能源需求計(jì)算

(2)

式中：D——電力行業(yè)能源需求總量，GJ；

en,i——技術(shù)設(shè)備i需要的能源品種n的單位能耗，GJ/kWh。

1.1.3 CO2與污染物排放量計(jì)算

(3)

式中：GE——電力行業(yè)CO2或污染物排放總量，t；

fn,i——排放因子，t/GJ。

1.2 情景設(shè)置與分析

1.2.1 情景描述

本研究以2015年為基準(zhǔn)年，設(shè)定5種情景：基準(zhǔn)情景、新能源情景、能效改善情景、天然氣替代情景和煤炭總量控制情景，分析技術(shù)及政策調(diào)整對(duì)發(fā)電比例的影響，如表1所示。在不同情景中進(jìn)行了不同能源、發(fā)電機(jī)組及技術(shù)的發(fā)電量比例設(shè)定，來(lái)反映河南省電力行業(yè)未來(lái)的政策調(diào)整和發(fā)展趨勢(shì)，如表2所示。

1.2.2 電力需求量與發(fā)電量的預(yù)測(cè)

本研究利用組合預(yù)測(cè)法對(duì)2015-2030年河南省電力需求量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，對(duì)于河南省電力年凈調(diào)入量則是根據(jù)2006-2015年的歷史數(shù)據(jù)通過(guò)趨勢(shì)法分析確定的，如表3所示。

表1 河南省電力行業(yè)5種情景描述

表2 不同情景下發(fā)電量比例設(shè)定 %

表3 2015-2030年電力行業(yè)發(fā)電量情況 億kWh

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

計(jì)算燃煤電廠二氧化碳和污染物排放所需數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)電力年鑒》以及對(duì)河南省燃煤電廠的調(diào)查等。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 河南省電力行業(yè)發(fā)電結(jié)構(gòu)

2020年和2030年不同情景下河南省電力行業(yè)發(fā)電結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可以看出，電力行業(yè)的燃煤發(fā)電一直處于主導(dǎo)地位，預(yù)計(jì)到2020年河南省燃煤發(fā)電所占比例在80%左右，到2030年，新能源情景和綜合情景中燃煤發(fā)電比例下降到65%。通過(guò)積極發(fā)展以氣代煤和新能源發(fā)電比例提高，到2020年基準(zhǔn)情景和能效改善情景中非化石能源發(fā)電量占總發(fā)電量的11.67%，到2030年比重增加到18.58%。而在新能源情景和煤炭總量控制情景中，到2020年河南省非化石能源發(fā)電量占總發(fā)電量的15.37%，到2030年所占比例提升到28.08%。

圖1 2020年不同情景下河南省電力行業(yè)發(fā)電結(jié)構(gòu)

圖2 2030年不同情景下河南省電力行業(yè)發(fā)電結(jié)構(gòu)

2.2 燃煤發(fā)電中煤炭消費(fèi)總量分析

不同情景下河南省燃煤發(fā)電中煤炭消費(fèi)總量的預(yù)測(cè)情況如圖3所示。基準(zhǔn)情景中2020年河南省發(fā)電耗煤為147.86 Mt，2030年發(fā)電耗煤為183.62 Mt，煤炭消費(fèi)量一直處于增長(zhǎng)趨勢(shì)。而新能源情景、能效改善情景和天然氣替代情景中，2020年發(fā)電耗煤分別為141.26 Mt、132.52 Mt和145.19 Mt，2030年發(fā)電耗煤分別為160.18 Mt、149.73 Mt和176.22 Mt。在煤炭總量控制情景中，2020年發(fā)電耗煤為124.20 Mt，2030年發(fā)電耗煤為124.58 Mt，有望在2025年達(dá)到峰值，實(shí)現(xiàn)煤炭消費(fèi)總量的控制目標(biāo)。

2.3 河南省電力行業(yè)CO2減排潛力分析

2014-2030年河南省電力行業(yè)CO2排放量預(yù)測(cè)情況如圖4所示。

圖3 不同情景中2014-2030年河南省燃煤發(fā)電煤炭消費(fèi)總量預(yù)測(cè)

圖4 不同情景中2014-2030年河南省電力行業(yè)CO2排放量預(yù)測(cè)

基準(zhǔn)情景中，2020年電力行業(yè)CO2排放量為284.63 Mt，2030年排放量達(dá)361.03 Mt。新能源情景中，2015-2025年，河南省電力行業(yè)CO2排放量穩(wěn)定增長(zhǎng)，2025-2030年，增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，2030年CO2排放量達(dá)318.24 Mt。能效改善情景中，受一系列控煤措施的影響，2030年CO2排放量為290.29 Mt。而在天然氣替代情景中，CO2的減排效果不太明顯，主要是由于河南省電力行業(yè)一次能源消費(fèi)中煤炭占比過(guò)高，天然氣等清潔能源占比過(guò)低。煤炭總量控制情景中，2020年CO2排放量為245.41 Mt，2030年排放量為256.96 Mt，與基準(zhǔn)情景相比，碳減排潛力達(dá)到28.84%，在2025年左右達(dá)到碳排放峰值。

2.4 河南省電力行業(yè)污染物減排潛力分析

2.4.1 河南省電力行業(yè)污染物排放情況

考慮未來(lái)河南省電力行業(yè)超低排放的要求，假設(shè)基準(zhǔn)情景和煤炭總量控制情景下2020年燃煤電廠全部達(dá)到《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的排放限值，2030年全部達(dá)到超低排放要求。基準(zhǔn)情景下河南省2020年SO2、NOX、TSP的排放量分別為83.2 kt、166.4 kt、33.28 kt，2030年各污染物的排放量分別減少到72.3 kt、103.3 kt、10.3 kt。煤炭總量控制情景下河南省2020年SO2、NOX、TSP的排放量分別為69.9 kt、139.8 kt、28.0 kt，2030年分別為49.1 kt、70.1 kt、7.0 kt。在更為嚴(yán)格的污染物排放約束條件下，煤炭總量控制情景與基準(zhǔn)情景相比，2020年SO2、NOX、TSP的污染物排放量分別比基準(zhǔn)情景下降了13.3 kt、26.6 kt、5.3 kt，2030年分別下降了23.3 kt、32.2 kt、3.3 kt。

圖5 2020年基準(zhǔn)情景與煤炭總量控制情景電力行業(yè)污染物排放比較

圖6 2030年基準(zhǔn)情景與煤炭總量控制情景電力行業(yè)污染物排放比較

根據(jù)情景設(shè)定及分析預(yù)測(cè)結(jié)果，如圖5、圖6所示，2020年、2030年電力行業(yè)污染物排放量相比2015年的排放水平呈現(xiàn)較大的下降幅度。具體來(lái)說(shuō)，在煤炭總量控制情景中，相比2015年的排放水平，2020年SO2排放量下降至2015年的23.60%，2030年下降至16.57%；NOX的排放量在2020年時(shí)下降至2015年水平的28.97%，2030年下降至14.53%；TSP的排放量在2020年時(shí)下降至2015年水平的22.13%，2020年進(jìn)一步下降至5.55%。

2.4.2 不同措施對(duì)大氣污染物減排的貢獻(xiàn)

對(duì)煤炭總量控制情景中2030年相對(duì)于2015年水平的污染物減排量進(jìn)行分解分析，如圖7所示，從圖7可以看出，污染物去除措施對(duì)污染物減排的貢獻(xiàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降低能耗的措施，而發(fā)電量的增長(zhǎng)是驅(qū)動(dòng)排放增長(zhǎng)的因素。以SO2為例，在247.05 kt的減排量中，247.79 kt是由污染物去除措施引起的，28.42 kt是由降低能耗措施引起的，發(fā)電量的增長(zhǎng)導(dǎo)致了29.16 kt的排放增長(zhǎng)。

圖7 煤炭總量控制情景大氣污染物排放變化分解

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

(1)河南省2015-2030年的電力行業(yè)煤炭消費(fèi)總量將呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。預(yù)計(jì)到2020年煤炭消費(fèi)總量為124.20～147.86 Mt，到2030年將達(dá)到124.58～183.62 Mt。

(2)煤炭消費(fèi)量增加的同時(shí)伴隨著大量的CO2排放，2020年河南省電力行業(yè)的CO2排放量為245.41～291.38 Mt，到2030年電力行業(yè)的CO2排放量將達(dá)到256.91～361.03 Mt。

(3)河南省電力行業(yè)污染物排放量的下降潛力是巨大的，末端治理技術(shù)的升級(jí)和改造對(duì)于減少污染物的排放有著重要作用。

3.2 建議

(1)提高火力發(fā)電的能效和技術(shù)。提高火電發(fā)電效率、降低發(fā)電煤耗是實(shí)現(xiàn)煤炭消費(fèi)總量控制和降低CO2及污染物排放的有效途徑?？梢酝ㄟ^(guò)不斷提升超超臨界等高效燃煤發(fā)電機(jī)組比例，積極推動(dòng)IGCC及CCS等潔凈煤技術(shù)研發(fā)，降低機(jī)組發(fā)電煤耗，運(yùn)用國(guó)內(nèi)外大型火電廠先進(jìn)、成熟、可靠的優(yōu)化技術(shù)和成功經(jīng)驗(yàn)，加大節(jié)能新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品在新建機(jī)組中的應(yīng)用，促進(jìn)商業(yè)化應(yīng)用、持續(xù)推進(jìn)節(jié)能技術(shù)改造等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

(2)提高非化石能源發(fā)電比重。未來(lái)新能源發(fā)電占比的提高對(duì)CO2及污染物減排的貢獻(xiàn)將會(huì)越來(lái)越大。因此應(yīng)大力發(fā)展風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、核電以及生物質(zhì)能發(fā)電等新能源發(fā)電方式，穩(wěn)步提升新能源發(fā)電比例，逐漸降低燃煤發(fā)電比例。

(3)優(yōu)化火力發(fā)電結(jié)構(gòu)與布局。未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)河南省電力行業(yè)仍將以燃煤發(fā)電為主，因此需要特別重視煤電綠色發(fā)展。例如：持續(xù)推進(jìn)“上大壓小”，對(duì)煤電機(jī)組結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行優(yōu)化，淘汰落后機(jī)組，積極發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)，重視提高清潔化石能源在電力行業(yè)中的發(fā)電占比，使火電機(jī)組向清潔方向發(fā)展。

(4)加大末端治理技術(shù)的升級(jí)改造及推廣。超低排放改造對(duì)于河南省電力行業(yè)污染物的節(jié)能減排起著重要的作用。河南省在對(duì)電力行業(yè)進(jìn)行超低排放改造的同時(shí)應(yīng)加大對(duì)小機(jī)組超低排放改造的重視；進(jìn)一步加大對(duì)煤電節(jié)能減排重大關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備研發(fā)的支持力度，通過(guò)引進(jìn)與自主開(kāi)發(fā)相結(jié)合，掌握最先進(jìn)的燃煤發(fā)電除塵、脫硫、脫硝等技術(shù)，同時(shí)，通過(guò)排污收費(fèi)等措施為超低排放改造提供政策和制度激勵(lì)。

[1] 陳瀟君，金玲，雷宇等.大氣環(huán)境約束下的中國(guó)煤炭消費(fèi)總量控制研究[J].中國(guó)環(huán)境管理，2015(5)

[2] 袁家海，徐燕，雷祺.電力行業(yè)煤炭消費(fèi)總量控制方案和政策研究[J].中國(guó)能源，2015(3)

[3] 呂連宏，羅宏，王曉.大氣污染態(tài)勢(shì)與全國(guó)煤炭消費(fèi)總量控制[J].中國(guó)煤炭，2015(4)

[4] 羅宏，張保留，呂連宏等.基于大氣污染控制的中國(guó)煤炭消費(fèi)總量控制方案初步研究[J].氣候變化研究進(jìn)展，2016(3)

[5] 謝放尖，盧寧川，郭蓉等.南京市煤炭消費(fèi)總量控制對(duì)策研究[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2013(6)

[6] 金穎.上海市煤炭消費(fèi)總量控制研究[J].上海煤氣，2013(6)

[7] Kale R.V，Pohekar S.D.Electricity demand and supply scenarios for Maharashtra (India) for 2030：An application of long range energy alternatives planning[J].Energy Policy，2014(3)

[8] Perwez U，Sohail A，Hassan S.F，et al.The long-term forecast of Pakistan's electricity supply and demand：An application of long range energy alternatives planning[J].Energy，2015(93)

[9] ?zer B，G?rgün E，Incecik S.The scenario analysis on CO2emission mitigation potential in the Turkish electricity sector：2006-2030[J]. Energy，2013(49)

[10] Mishra M.K，Khare N，Agrawal A.B. Scenario analysis of the CO2emissions reduction potential through clean coal technology in India's power sector：2014-2050[J]. Energy Strategy Reviews，2015(7)

[11] 張穎，王燦，王克等.基于LEAP的中國(guó)電力行業(yè)CO2排放情景分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(3)

[12] Cai Wenjia，Wang Can，Wang Ke，et al. Scenario analysis on CO2emissions reduction potential in China's electricity sector[J].Energy Policy，2007(35)

[13] 王麗輝，王侃宏，桂林平等.河北省電力行業(yè)CO2減排潛力研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(3)

AssessmentoftotalcoalconsumptioncontrolandenvironmentalimpactintheutilityindustryofHenanprovince

Yang Shuxian, Wang Shanshan, Wang Ke, Liu Sainan, Zhang Pengju, Zhang Ruiqin

(College of Chemistry and Molecular Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan 450000, China)

Scenario analysis and LEAP model were used to study the amount of coal consumption, pollutant emission of the utility industry under five scenarios (baseline scenario, new energy scenario, energy improvement scenario, natural gas alternative scenario and total coal control scenario) during 2015-2030 in Henan province. The results showed that in total coal control scenario, the total coal consumption reached its peak of 128 million tons in 2025. In the realization of total coal consumption control objectives, energy improvement scenario was better than new energy scenario and natural gas alternative scenario. Compared with baseline scenario, by 2030, the CO2emission reduction potentials of new energy scenario, energy improvement scenario, natural gas alternative scenario and total coal control scenario were 11.85%, 19.59%, 0.69% and 28.84%, respectively. Compared with the level of 2015, the SO2, NOXand TSP emissions in the integrated scenario of 2030 were reduced by 247.0 kilotons, 412.4 kilotons and 119.3 kilotons. To realize the ultra-low emission target, more advanced end managing treatment technology must be adopted.

utility industry, scenario analysis, total control of coal consumption, carbon emission, pollutant emission

楊書(shū)嫻，王姍姍，王克等.河南省電力行業(yè)煤炭消費(fèi)總量控制及其環(huán)境影響評(píng)估[J].中國(guó)煤炭，2017，43(10):15-20.

Yang Shuxian, Wang Shanshan, Wang Ke，et al. Assessment of total coal consumption control and environmental impact in the utility industry of Henan province [J].China Coal，2017，43(10):15-20.

TD-9

A

楊書(shū)嫻(1991-)，女，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣?jié)能減排。

(責(zé)任編輯 宋瀟瀟)