江蘇省固定CO2排放源空間分布及排放量特征分析

朱前林，龔懿杰，陳 浮，馬 靜

(1.江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

化石燃料燃燒釋放的CO2是造成全球氣候變暖的主要因素[1-2]。觀測資料表明，全球大氣CO2濃度平均值從工業(yè)化前的280×10-6增加到2020年的412×10-6[3]，并且增長趨勢仍在延續(xù)。溫室效應(yīng)引起全球氣候變暖，截至2020年，全球平均氣溫比工業(yè)化前升高(1.27±0.04)℃，依此速度繼續(xù)升高，2030—2052年全球升溫將達1.5 ℃。氣溫上升將加劇諸如冰川消融、海平面上升、城市淹沒、氣候帶變遷、部分物種滅亡、極端氣候增加、土壤退化等一系列環(huán)境惡化，對人類的生活造成了嚴重影響[1]。為避免環(huán)境的大幅惡化，全球必須努力將全球氣溫控制在比工業(yè)化前升高1.5 ℃范圍內(nèi)，實現(xiàn)這一目標，需在2030年將全球碳排放控制在至少2017年排放量的49%，且在2050年達到碳中和[2]。為此，世界各國陸續(xù)制定碳減排計劃，如：歐盟、加拿大、英國計劃2050年實現(xiàn)碳中和[3-5]；近期，美國政府表態(tài)，將與加拿大一起合作，爭取2050年實現(xiàn)碳中和[6]。同時，中國政府承諾2030年碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和。因此，如何實現(xiàn)碳減排目標已成為當今各國政府急需解決的問題，也是國內(nèi)外研究人員關(guān)注的重點。

中國是能源消費大國，2019年能源消耗總量約為4.87×109t標準煤，其中，煤、石油、天然氣3種化石能源占84.7%[7]。大量的化石能源消耗也帶來大量的CO2排放，據(jù)估算，2019年CO2排放量9.83×109t，約占全球總排放量的28.8%[8]。因此，面臨巨大的CO2減排壓力。

圍繞“2030年碳達峰和2060年碳中和”目標，各省根據(jù)自身地域與產(chǎn)業(yè)特點，陸續(xù)開展碳減排方案研究。江蘇省地處中國東部沿海中部地區(qū)，人口密集、經(jīng)濟發(fā)達，據(jù)統(tǒng)計，2020年江蘇省常住人口為8 475萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)位列全國各省第二，達10.27萬億元，其中，第二產(chǎn)業(yè)占43%。巨大的經(jīng)濟產(chǎn)值也伴隨著大量的能源消費，2019年江蘇省能源消費總量為3.25×108t，其中，化石能源仍是主要能源供給方式[9]。因此，也帶來大量的CO2排放。

CO2捕集與封存是減少CO2氣體排放最直接手段，IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)對全球1.5 ℃升溫限制的碳減排路徑評估結(jié)果表明，CO2捕集與封存技術(shù)將在碳減排策略中發(fā)揮重要作用，CO2捕集與封存還將是煤等化石能源使用的必需配套[1]。固定排放源更便于CO2捕集，而從成本與技術(shù)角度考慮，10萬t/a以上的大型固定排放源更便于實施CO2捕集，且固定排放源排放量也主要源于大型固定排放源[10]。

江蘇省在CO2排放研究方面，已開展了碳排放清單、碳排放總量預(yù)測等方面的研究[11-14]。趙榮欽等[12]根據(jù)江蘇省工業(yè)能源消費、生活能源消費、食物消費、交通能源消費、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動、廢棄物等的碳排放以及陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯，進行了全省碳排放清單定量核算；朱偉等[13]以2002—2013年江蘇省碳排放量為樣本，采用灰色馬爾科夫預(yù)測模型，預(yù)測2014—2020年江蘇省中短期的碳排放量，提出了江蘇省應(yīng)加大經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整力度、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展新能源和低碳技術(shù)等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的對策建議；徐鋮輝等[14]通過對江蘇省2000—2015年溫室氣體排放測算，采用對數(shù)均值迪氏分解法(LMDI)預(yù)測江蘇省CO2排放量變化趨勢；李廣眾等[11]從環(huán)境庫茲涅茨曲線(EKC)視角出發(fā)，利用江蘇省1985—2008年能源消費及工業(yè)產(chǎn)出數(shù)據(jù)，估算了CO2排放的EKC形態(tài)及排放峰值對應(yīng)的人均收入水平。

開展CO2捕集與封存，需要首先了解具有捕集潛力的固定排放源的地理分布及其排放量。因此，研究對江蘇省固定源進行調(diào)查，分析其地理分布特征，評價其CO2排放量，為該地區(qū)開展CO2運輸規(guī)劃、CO2捕集與封存策略提供參考。

1 江蘇省能源消耗概況

近20年來，江蘇經(jīng)濟快速發(fā)展，經(jīng)濟規(guī)模不斷擴大。截至2019年，GDP已接近10萬億元規(guī)模，20年間增加約12倍。江蘇省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)偏重，但經(jīng)過近十幾年的不斷調(diào)整，工業(yè)增加值占GDP的比例已由2006年的51%降至目前的38%(圖1)。經(jīng)濟的快速發(fā)展也伴隨著能源需求的大幅增加，2019年能源消費總量比2000年增加近2倍[9]；與此同時，工業(yè)能源消費也呈持續(xù)增加。但隨著江蘇省近幾年加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐，大力發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提檔升級、淘汰落后產(chǎn)能，工業(yè)企業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗明顯下降，工業(yè)能源消費量增速明顯減少，占總能源消費的比重呈持續(xù)下降趨勢，從2007年的82.6%降至2019年的72.2%(圖2)，但工業(yè)仍是該省能源消費的主要行業(yè)。

圖1 江蘇省GDP及工業(yè)增加值變化趨勢Fig.1 Change trend of GDP and industrial added value in Jiangsu Province

圖2 江蘇省能源消費總量及工業(yè)能源消費量Fig.2 Total energy consumption and industrial energy consumption in Jiangsu Province

在能源消費結(jié)構(gòu)方面(圖3)，由于城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)天然氣的進一步普及，社會環(huán)保意識的加強，煤炭在終端能源消費中的比例緩慢下降，天然氣和電力的消費比例不斷提高，能源消費結(jié)構(gòu)逐步呈現(xiàn)低碳化、清潔化趨勢。2011—2019年期間，煤炭消費比例從78.5%下降至66.2%，石油消費比例相對穩(wěn)定，維持在15%左右，天然氣消費比例已超過10%。能源結(jié)構(gòu)表明，江蘇省能源消費中，化石能源占比仍然很高，煤炭仍然是該地區(qū)主要能源來源方式，并且本地化石能源生產(chǎn)量很小，主要靠外省調(diào)入[15]。

圖3 江蘇省能源消費量結(jié)構(gòu)Fig.3 Energy consumption structure in Jiangsu Province

工業(yè)領(lǐng)域巨大的化石能源消費將帶來大量的CO2排放，且工業(yè)CO2排放都是固定排放源，便于CO2捕集，其中大規(guī)模固定CO2排放源主要包括火電廠、鋼鐵廠、水泥廠、合成氨廠等行業(yè)。因此，研究主要針對上述4類企業(yè)，根據(jù)企業(yè)的能源使用情況，評價固定源的CO2排放量。

2 排放量計算方法及參數(shù)確定

根據(jù)江蘇省火電、鋼鐵、水泥、合成氨4類企業(yè)運行情況，結(jié)合企業(yè)的燃料使用類型、機組燃燒效率、運行時長、企業(yè)產(chǎn)能等數(shù)據(jù)，評估企業(yè)的CO2排放量，具體方法如下。

2.1 火電廠CO2排放量

目前，火電廠可分為燃煤火電廠與燃氣火電廠，其中，燃煤電廠的CO2排放量采用式(1)計算：

Spc=Ep×Mc×CFc×t

(1)

式中，Spc為燃煤電廠每年CO2排放量；Ep為發(fā)電機組的功率；Mc為燃煤機組發(fā)電效率，采用標準煤耗為305 g/kWh[16]；CFc為煤的CO2排放因子，取2.725 5；t為燃煤機組平均年發(fā)電時間，取2017—2019年燃煤機組平均運行時長[9]。

燃氣電廠的CO2排放量采用式(2)計算：

Spg=Ep×Vg×CFg×t

(2)

式中，Spg為天然氣電廠CO2排放量；Vg燃氣機組發(fā)電效率，取0.18 m3/kWh[17]；CFg為天然氣CO2排放系數(shù)，取1.964 kg/m3。

2.2 鋼鐵廠CO2排放量

在鋼鐵生產(chǎn)過程中，粗鋼通過煉鐵、煉鋼轉(zhuǎn)化而來，該過程排放大量CO2。此次以粗鋼的產(chǎn)能為依據(jù)，通過企業(yè)粗鋼產(chǎn)能與粗鋼CO2綜合排放因子計算，即：

Sls=Els×CFls

(3)

式中，Sls為鋼鐵廠每年CO2排放量；Els為鋼鐵廠的每年產(chǎn)能；CFls為鋼鐵CO2排放因子，按IPCC建議值，取1.46[18]。

2.3 水泥廠CO2排放量

水泥熟料生產(chǎn)過程中，原料分解、燃料及電力使用將排放CO2，根據(jù)IPCC分析[19]，每噸水泥熟料生產(chǎn)過程中，原料分解直接排放0.52 t的CO2，燃料燃燒和電力使用約產(chǎn)生0.34 t的CO2。因此，水泥熟料企業(yè)的CO2排放量可以通過企業(yè)產(chǎn)能與水泥熟料的CO2綜合排放因子計算，即：

Sce=Ece×CFce

(4)

式中，Sce為水泥廠CO2排放量；Ece為水泥廠的每年產(chǎn)能；CFce為水泥生產(chǎn)的CO2排放因子，取為0.86。

2.4 合成氨廠CO2排放量

合成氨生產(chǎn)所需的大量能量消耗與原料氣制備釋放大量的CO2，其排放量通過合成氨產(chǎn)能與合成氨CO2排放因子計算，即：

Sam=Eam×CFam

(5)

式中，Sam為合成氨廠每年CO2排放量；Eam為合成氨產(chǎn)能；CFam為合成氨CO2排放因子，此次取煤原料合成氨過程的CO2排放因子4.582[20]。

3 CO2排放源及排放量分布特征

此次排放源統(tǒng)計，主要計算該地區(qū)2021年正在運行與新建的火電廠、鋼鐵廠、水泥廠、合成氨4類企業(yè)，并排除計劃關(guān)停的企業(yè)。統(tǒng)計結(jié)果顯示，江蘇省目前擁有火電廠169個、鋼鐵廠22個、水泥廠25個、合成氨廠11個，共計227個。其中，31個火電廠為CO2排放量小于10萬t/a的小型電廠，屬于熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)，其余197個企業(yè)均為大型固定排放源，這體現(xiàn)出該地區(qū)近年來推行“上大壓小，淘汰落后產(chǎn)能”的發(fā)展策略。

該地區(qū)火電、鋼鐵、水泥、合成氨4類固定CO2排放源空間分布及排放量如圖4所示，這4類固定源CO2排放量總共約為5.98×104萬t/a。其中，火電廠CO2排放量為3.59×104萬t/a，占60.04%；鋼鐵廠CO2排放量為1.64×104萬t/a，占27.42%；水泥廠與合成氨廠CO2排放量分別為5.92×103、1.58×103萬t/a，占比分別為9.90%、2.64%?？梢钥闯?，火電與鋼鐵是該地區(qū)CO2的主要固定排放源。169個火電廠中，具備實施CO2捕集潛力(排放量大于10萬t/a)的火電廠CO2排放量為3.57×104萬t/a，占總火電廠CO2排放量的99.33%。因此，從排放源規(guī)模判斷，該地區(qū)CO2固定排放源具備較好的實施CO2捕集條件。

從火電廠的空間分布可以看出，火電廠在南部的蘇州、無錫、常州、南京、鎮(zhèn)江地區(qū)以及長江沿岸空間分布較密集，這可能與蘇南經(jīng)濟發(fā)達對能源需求大以及長江便于煤炭運輸與發(fā)電用水有關(guān)。相比于火電廠，鋼鐵排放源數(shù)量雖少，但排放源強度較大，CO2排放量都為80萬t/a以上，最大可達2 981萬t/a。相較于火電與鋼鐵，水泥與合成氨排放強度都相對較小，水泥熟料生產(chǎn)主要集中在南京、鎮(zhèn)江、無錫、常州、徐州，這5個城市的水泥產(chǎn)能之和占全省的85.94%，CO2排放量也相應(yīng)占該行業(yè)的大部分。合成氨排放源數(shù)量較少，且分布較為分散。

相比于煤電，燃氣發(fā)電具有能源效率高、污染物排放少的特點，能夠改善能源效率、保護大氣環(huán)境。近年來，江蘇省積極推行清潔低碳的發(fā)展方向，持續(xù)降低碳排放強度。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，目前該地區(qū)所統(tǒng)計的169個火電廠中，燃氣發(fā)電裝機容量達2 804.2萬kW，占火電裝機容量的26.55%，每年減少煤炭使用約3.36×103萬t，減少CO2排放5.42×103萬t，減少比率為火電CO2排放量的13.12%。

4 結(jié)論

作為碳排放大國，中國政府承諾2030年碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和。圍繞該目標，各省根據(jù)自身地域與產(chǎn)業(yè)特點，陸續(xù)開展碳減排方案研究。作為人口密集、經(jīng)濟最發(fā)達的省份之一，江蘇省巨大的經(jīng)濟產(chǎn)值伴隨著大量的化石能源消費，同時也帶來大量的CO2排放，應(yīng)對處置這部分CO2是減排的關(guān)鍵之一。CO2捕集與封存是減少CO2排放最直接的手段，而該技術(shù)的實施需要首先了解該地區(qū)固定排放源的地理分布及其排放量。研究對作為江蘇省

圖4 CO2固定源分布及排放量Fig.4 Distribution and emissions of fixed CO2 sources

主要大規(guī)模固定CO2排放源的火電廠、鋼鐵廠、水泥廠、合成氨廠4類企業(yè)進行了調(diào)查，并評價其CO2排放量。

(1)目前，該地區(qū)正在運行與新建的火電廠、鋼鐵廠、水泥廠、合成氨廠4類企業(yè)其227個，其中火電廠169個、鋼鐵廠22個、水泥廠25個、合成氨廠11個；31個火電廠為CO2排放量小于10萬t/a的小型電廠，都是熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)，其余196個企業(yè)均為大型固定排放源。因此，規(guī)模條件上表現(xiàn)出具備較好的實施CO2捕集條件。

(2)4類固定源CO2排放量總共約5.98×104萬t/a，其中火電廠為3.59×104萬t/a，占60.04%，鋼鐵廠為1.64×104萬t/a，占27.42%，水泥廠與合成氨廠CO2排放量分別為5.92×103萬t/a、1.58×103萬t/a，占比分別為9.90%與2.64%，火電與鋼鐵是該地區(qū)CO2主要排放源。

(3)火電廠在南部的蘇州、無錫、常州、南京、鎮(zhèn)江地區(qū)以及長江沿岸空間分布較密集。相比于火電廠，鋼鐵排放源數(shù)量雖少，但排放源強度較大，CO2排放量都為80萬t/a以上，最大可達2 981萬t/a。水泥與合成氨排放強度都相對較小，水泥熟料生產(chǎn)主要集中在南京、鎮(zhèn)江、無錫、常州、徐州，這5個城市的水泥產(chǎn)能之和占全省的85.94%。合成氨排放源數(shù)量較少，且分布較為分散。

(4)目前該地區(qū)所統(tǒng)計的169個火電廠中，燃氣發(fā)電裝機容量達2 804.2萬kW，占火電裝機容量的26.55%，每年減少煤炭使用3.36×103萬t，減少CO2排放5.42×103萬t。