中國動力煤全產業鏈環境成本分析?

宋建新徐 亮

(1.中國礦業大學(北京),北京市海淀區,100083; 2.中國煤炭建設協會,北京市東城區,100713)

中國動力煤全產業鏈環境成本分析?

宋建新1徐 亮2

(1.中國礦業大學(北京),北京市海淀區,100083; 2.中國煤炭建設協會,北京市東城區,100713)

以占我國煤炭產量2/3的動力煤為例,按照煤炭洗選－運輸－利用等全產業鏈條的環境成本構成,開展基于技術－經濟－環境的綜合評價,分析能源消耗和污染物排放對提高煤炭質量的影響。

環境成本 動力煤 煤質

煤炭消費帶來嚴重的資源環境問題。燃煤排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、煙粉塵分別占中國排放總量的75%、90%、75%、60%。目前中國的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和有害重金屬排放均列世界第一位,酸雨面積高達120萬km2,占全國國土面積的1/8。動力煤質量低下和大量煤炭低效燃燒是引起大氣環境污染的主要原因。因此,煤炭燃燒排放是中國空氣質量改善、應對全球氣候變化、提高公眾環境健康水平、實現節能減排目標的關鍵。

1 動力煤生產和消費情況

我國動力煤煤種主要包括不粘煤、長焰煤、褐煤、無煙煤、貧煤、弱粘煤等煤種。從動力煤資源分布的地域結構看,內蒙古最多,占全國動力煤儲量的32.52%,其次是陜西、新疆、山西和貴州,分別占全國的18.42%、17.23%、12.61%和5.23%。

1.1 動力煤產銷量現狀

從世界范圍來看,動力煤產量占煤炭總產量的80%以上。我國的動力煤主要應用于發電煤粉鍋爐、工業鍋爐和工業窯爐中,其中電力行業是動力煤消費的主體。2014年,我國電力行業動力煤消費量為19.59億t,占動力煤總消費量的82%。除此以外,中小型燃煤工業鍋爐是我國除電站鍋爐外的主要用煤裝備,總量約54.6萬臺,占目前在役工業鍋爐總數的85%,且每年以1.5%左右的速度快速增長,年煤炭消耗量達5～6億t。2005－2014年我國火力發電量和電煤消費量見圖1。

1.2 動力煤運輸格局

運輸是動力煤運輸的關鍵環節。從我國動力煤各省(區、市)的供需結構看,華北、西南和西北地區產大于需,屬于動力煤凈調出地區;華東、中南和東北地區屬于動力煤凈調入地區,其中華東和中南地區為主要凈調入地區。

圖1 2005－2014年來我國火力發電量和電煤消費量

從動力煤的現貨貿易流向看,我國動力煤的調出路徑主要有兩條:一條通過大秦、神朔黃等重要的鐵路運輸線路運往北方七港(秦皇島港、唐山港、天津港、黃驊港、青島港、日照港、連云港),再通過海運路線,最終到達華東和華南地區;另一條通過密集的華北鐵路運輸網絡,運往南方各地和長江航道。總體呈現西煤東調、北煤南運、鐵海聯運的流通格局。

2 動力煤終端消費模型假設

本文以煤炭洗選后可節約的能耗、減少污染物排放指標為約束指標,考慮不同等級的煤炭質量指標,建立動力煤終端消費的洗選加工成本和環境邊際效應之間的關聯模型。

2.1 終端消費的煤質要求

通過大量調查和數據統計,煤質主要因素(水分、灰分和發熱量等)對電廠的影響和電廠對煤質的要求主要體現在如下:

(1)發熱量:發熱量降低會導致煤耗增加,還會影響鍋爐的效率。大型電廠宜使用低位發熱量大于20.9 MJ/kg的煤炭。當然低位發熱量的量值與煤的灰分和水分密切相關。

(2)灰分:灰分嚴重影響煤的發熱量,隨著灰分的增高,燃燒溫度下降,鍋爐飛灰和爐渣帶走的物理熱損失以及排灰量均增加。

(3)水分:水分的增加,會使煤的發熱量降低。電廠鍋爐用煤全水分不宜超過10%。

(4)硫分:電廠宜使用硫分不大于1%的低硫煤,硫分在1%～3%的中硫煤通常應該先選煤降硫,力求硫分不超過1%。

(5)揮發分:對鍋爐的設計制造有重要影響。考慮到煤炭揮發分的高低,不是選煤所能改變的,這里我們不考察揮發分對鍋爐性能的影響。

2.2 終端消費的煤質影響

動力煤煤質對終端消費的影響主要體現在熱能轉換系統、機械設備、污染排放等環節。發電成本包括固定成本和可變成本,煤質變化主要影響可變成本,因此本文主要探討由發電煤耗、輔機煤耗、灰渣處理和污染物排放等組成的部分可變成本,見圖2。下面以燃煤電廠作為終端消費的實證分析對象進行分析。

圖2 煤質與煤價對電廠發電成本的影響

(1)熱能轉換效率。終端消費的能效主要由能量轉換環節確定,則電廠的發電效率ηcp為:

式中:ηb——鍋爐效率,取決于機組鍋爐的各項熱量損失,包括排煙損失,化學未完全燃燒損失,固體未完全燃燒損失,散熱損失和灰渣物理熱損失;

ηi——汽輪機的絕對內效率,煤質能通過改變在鍋爐中不同熱交換面上的熱量分配,從而影響蒸汽參數,進而影響汽機效率,通常汽輪機絕對內效率取為ηi＝0.458。

ηg——發電機效率,由于不同機組的冷卻方式不一樣,效率稍有差別。一般取值為:96%～99%(雙水內冷),97%～98%(空冷),98%～99%(氫冷);

ηp——管道效率;

ηm——機械傳遞效率,取99%。

(2)輔機系統。燃煤電廠的輔機系統主要包括煤處理設備、磨煤機、鍋爐風扇、給水泵、除塵器等,一般而言,輔機設備的總耗電量占電廠總發電量的5%～10%,具體的比例跟機組容量、機組運行工況有關,并受燃煤煤質的影響。通常通過經驗模型計算輔機效率ξcp。

(3)發電煤耗。根據熱能轉換效率和輔機電耗,即可得出發電煤耗和供電煤耗:

(4)污染物排放。燃煤發電的污染物包括廢水、廢氣、殘渣、噪聲等,其中與煤質相關的污染物主要為煙氣、煙塵、二氧化硫和灰渣。排污成本根據國家制定的《排污費征收標準管理辦法》和對應的污染物排放量計算,其計算模型為:

式中:λ1——地區收費調整系數,一般地區為1,發達地區為1.2,不發達地區0.8;

λe——環境功能區收費調整系數,一類1.1,二類1.0,三類0.9;

Si——第i種污染物的收費標準;

Ni——第i種污染物的污染當量值。電廠將在排放達標的情況下,繳納排污費。

參考我國污染物排放總量收費標準,一般認為各單項排污收費的補償度均為20%,則借鑒國外相關研究機構(IIASA)相應的環境成本數據,初步確定各類燃煤發電方式的污染物排放率和排放環境成本,見表1和表2。

表1 燃煤發電的污染物排放率kg/t

表2 燃煤發電污染物單位排放環境成本元/kg

由此可得,各類燃煤發電方式的環境成本如下:常規亞臨界燃煤電廠13.75分/k Wh,常規亞臨界燃煤電廠(帶FGD)7分/k Wh,超超臨界燃煤電廠11.75分/k Wh,超超臨界燃煤電廠(帶FGD)5.91分/k Wh,PFBC－CC 6.66分/k Wh; IGCC 3.58分/k Wh。

3 動力煤終端消費經濟分析

3.1 基礎參數設定

根據動力煤產業鏈的綜合評價需求,設定2臺300 MW亞臨界機組(年利用小時數為5300 h)進行煤炭洗選的經濟評價和敏感性分析。

參考我國相關學者提出的煤質之間的關系模型,本文分析中用到的煤質假定有:

(1)原煤中的硫分含量如下,硫酸鹽硫Ss占10%,有機硫So占30%,黃鐵礦硫Sp占60%。

(2)原煤的發熱量和水分與灰分的關系:

原煤中所含的煤矸石的發熱量與灰分的關系:

此外,選取一個典型的原煤價做基準,如取Q5500的動力煤(原煤,低位發熱量23.0 MJ/kg)的價格為400元/t。運輸等物流成本取300元/t。假定選煤的成本主要在洗選加工費用和原煤排矸石成本,未單獨計入洗煤廠的原煤和洗選煤的運輸成本。

3.2 全產業鏈成本分析

根據上述設定的機組參數,燃煤電廠的發電總成本中的固定成本約為0.094元/k Wh。可變成本包括購煤成本(煤價)、運輸成本、環境成本(包括煙氣脫硫成本、除塵成本、SO2以及粉塵排放成本、灰渣排放成本等)以及各種稅費。

通過設定原煤和四種不同洗選程度的洗選煤指標,分析由洗選帶來的煤質變化對發電成本的影響,見表3。

表3 不同煤質的情景設定

根據五種情景的指標數據,結合上述各階段的評價模型,將動力煤基于煤炭洗選—運輸—終端消費全產業鏈的煤質影響進行分析。

根據上表中煤質不同帶來的環境成本、運輸成本、購煤成本、維修成本和投資成本的變化,形成情景變化見圖3。

圖3 不同煤質的全產業鏈成本情景變化

僅從經濟指標來看,電廠利用高灰分、低發熱量的劣質煤時,其實際耗煤量大,運輸環節費用會高。如果劣質煤相對優質煤來講價格足夠低,低到購煤成本的下降大于煤炭運輸成本的增加,那么電廠燃用劣質煤就有相對的經濟性。通常,洗選煤(精煤)運輸費用比原煤高10%。根據表3數據,情景WA30洗選煤發電就沒有經濟性,而對情景WA25、WA20、WA15具有經濟性,且隨著洗選程度的提高而增加。因此,洗選煤成本越低、運輸價格越高,相對于直接燃用原煤,洗選煤發電利用的經濟性就越好。另外,隨著洗選程度的提高,燃煤發電的能效不斷提高、煤耗逐步減小,CO2的減排量和減排強度也不斷增加。

4 結論

本研究的結果顯示,洗選煤發電利用大體可以獲得如下節能減排效果:

(1)能效提高:洗選提高了煤炭的發熱量,減少電廠的磨煤量,可使相關的一系列輔機電耗降低;煤質的提高帶來鍋爐效率提高,同時降低了鍋爐和輔機的磨損,電廠維護費用下降。比如,燃用灰分15%～20%的洗選煤,比起燃用灰分30%～35%的原煤,鍋爐效率可提高約2個百分點,降低發電標煤耗約8 g/k Wh。若按全國現在的發電量計算,年可等效節約標準煤約2000萬t。

(2)環保和減排:洗選可以降低煤的灰分和硫分,洗選煤發電顯著地減少顆粒物和二氧化硫的排放。同時由于電廠能效的提高,也帶來溫室氣體CO2排放的降低,減排強度大概可在3%～4%的水平。

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[6] 郭云濤.關于電煤價格的幾個問題[J].中國煤炭, 2003(12)

Analysis on environment costs of China＇s steam coal whole industrial chain

Song Jianxin1,Xu Liang2
(1.China University of Mining&Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.China National Coal Construction Association,Dongcheng,Beijing 100713,China)

Taking steam coal as an example which are two thirds of China＇s coal production, and according to environment costs construction of coal preparation,transportation and utilization,the authors launched comprehensive assessment basing upon technology,economy and environment,and also analyzed influences of energy consumption and pollutant emissions to improve quality of coal.

environment costs,steam coal,quality of coal

TD－9

A

宋建新(1972－),男,山東鄒城人,中國礦業大學(北京)管理學院在讀博士生,從事資源經濟與低碳經濟的研究。

(責任編輯 張大鵬)

能源基金會中國可持續能源項目——加強動力煤質量標準體系研究(G－1303－17775)