大氣環境約束下的中國煤炭消費總量控制研究

陳瀟君，金　玲，雷　宇*，薛文博，蘇　銘，楊金田，王金南

（1. 環境保護部環境規劃院，北京 100012；2. 國家發展和改革委員會能源研究所，北京 100038）

大氣環境約束下的中國煤炭消費總量控制研究

陳瀟君1，金玲1，雷宇1*，薛文博1，蘇銘2，楊金田1，王金南1

（1. 環境保護部環境規劃院，北京 100012；2. 國家發展和改革委員會能源研究所，北京 100038）

摘要煤炭消費過程中排放的大氣污染物已成為我國大氣污染的重要來源。本文采用WRF-CAMx空氣質量模型定量分析了煤炭消費-污染物排放-空氣質量之間的影響關系，基于情景分析方法，研究了2020年、2030年空氣質量改善需求對地區大氣污染物排放總量與煤炭消費總量的約束作用。在此基礎上，結合重點地區行業發展與能源供需等因素，提出各省煤炭消費總量控制目標與控煤對策建議。研究結果表明，要實現2020年、2030年空氣質量改善階段性目標，全國煤炭消費總量應分別控制在40.8億噸和37.7億噸左右，京津冀魯豫等11個重點省份2020年煤炭消費量應控制在15.8億噸、2030年控制在13.1億噸，全國煤炭清潔化利用水平需要在當前基礎上大幅度提升。

關鍵詞煤炭消費總量控制；大氣環境約束；PM2.5濃度

責任作者：雷宇（1980—），男，副研究員，環境保護部環境規劃院大氣環境規劃部副主任，主要研究領域為大氣污染防治。

改革開放以來，中國經濟取得了跨越式發展，大量煤炭消費支撐了經濟的高速增長，也帶來了嚴重的空氣污染問題。2012年，發電、供熱、工業鍋爐以及民用燃煤等煤炭直接燃燒設備排放的SO2、NOx和一次顆粒物分別占我國人為源排放量的79%、57%和31%，鋼鐵、焦化、水泥、煤化工等重點用煤行業排放的SO2、NOx和一次顆粒物分別占我國人為源排放量的15%、13%和31%。運用WRF-CAMx模型研究煤炭消費對我國環境PM2.5濃度的影響，結果表明：煤炭直接燃燒對我國環境空氣PM2.5的濃度貢獻為37%，煤炭相關重點行業的排放對我國環境空氣PM2.5濃度的貢獻為24%，煤炭使用對我國環境PM2.5濃度的貢獻總體在61%左右[1]。這一結果既考慮了各類污染源直接排放的一次PM2.5，也考慮了SO2、NOx、NH3、VOCs等氣態污染物在大氣中經過化學轉化所形成的二次PM2.5。

當前，我國各種大氣污染物排放量遠超環境容量[2]，要實現顯著改善空氣質量的目標，如果僅依靠污染治理工程、從末端削減污染物排放，幾乎是不可能完成的任務，必須依靠經濟轉型和能源結構調整，從源頭減少污染物的產生量。2013年國務院發布《大氣污染防治行動計劃》，明確指出要制定國家煤炭消費總量中長期控制目標，實行目標責任管理，京津冀、長三角、珠三角等區域力爭實現煤炭消費總量負增長。為科學制定國家和地區煤炭消費總量控制目標，必須在充分研究經濟-能源-環境相互影響的基礎上，基于合理的經濟發展速度、優化調整產業結構、能源供需平衡、環境與資源約束等多方面因素，建立煤炭消費總量控制目標的研究方法，提出促進煤炭消費總量控制的政策措施，推動煤炭消費總量控制制度的建立和落實。

1　研究思路與方法

1.1研究思路

以2012年為基準年，2020年和2030年為目標年，運用情景分析方法對我國各省2020和2030年空氣質量改善目標、煤炭消費行業結構與總量規模、重點領域大氣污染物排放控制水平等進行定量化分析，結合重點地區行業發展與能源供需等因素，提出空氣質量改善目標約束下的地區煤炭消費總量控制目標，具體研究思路如圖1所示。首先基于各省重點行業發展規模、能源供需等因素分析煤炭消費需求；結合不同時期、不同行業的污染物排放控制水平，分析各省大氣污染物排放情景；運用WRF-CAMx空氣質量模型模擬不同情景下的PM2.5濃度，考察其是否滿足地區空氣質量目標，若不滿足則結合模擬結果與階段性空氣質量目標之間的差距，對各省煤炭消費結構和總量進行調整優化，經過多次迭代計算得到滿足階段性空氣質量目標的控煤情景，即大氣環境約束下的煤炭消費總量控制目標。

圖1　研究思路圖

1.2情景分析方法

本文情景分析主要包括以下三方面內容：

（1）空氣質量目標情景

基于各省空氣質量現狀和污染控制政策要求，提出2020年、2030年各省空氣質量目標，以此作為地區煤炭消費總量的約束條件。

（2）大氣污染物排放控制情景

以電力、鋼鐵、水泥、燃煤鍋爐以及居民燃煤五類污染源作為研究重點，在分析大氣污染物排放控制現狀的基礎上，結合最新大氣污染防治政策，充分考慮未來環境治理技術進步以及污染源排放達標要求，預測2020年、2030年排放控制水平，重點測算SO2、NOx和煙粉塵三項主要大氣污染物排放量。除上述五大類污染源以外的其他排放源，按照排放量每年下降1%的減排速率測算。在以上情景中，VOCs和NH3排放變化情況暫未考慮。

重點行業污染物排放量預測采用排放系數法，即行業活動水平乘以大氣污染物排放系數。其中，行業活動水平為該行業工業產品產量或煤炭消費量，根據國家和地方政策、產業發展規劃、資源稟賦等因素預測；排放系數為單位產品污染物排放量或噸煤污染物排放量，根據該行業排放現狀、污染物排放標準、國際先進排放水平，考慮污染治理技術的發展趨勢，并結合國家污染控制政策趨勢等因素綜合確定。

（3）煤炭消費情景

包括基準情景和控煤情景，首先設定分省分部門的煤炭消費基準情景，所謂基準情景是指充分考慮國家既有政策導向、各省發展訴求以及各省已采取的相關控煤行動等因素的情景。控煤情景是在基準情景的基礎上，根據基準情景下空氣質量模擬結果與空氣質量目標之間的差距，進一步調整優化煤炭消費情景，通過空氣質量模型多次迭代計算，最終得到滿足空氣質量目標的煤炭消費情景。

1.3空氣質量模擬方法

本文采用WRF中尺度氣象模式、CAMx空氣質量模式模擬不同煤炭消費情景及相應的污染物排放控制情景下的PM2.5濃度。CAMx是當前主流的第三代空氣質量模型,是美國ENVIRON公司在UAM-V模式基礎上開發的綜合空氣質量模式，它將“科學級”空氣質量模型所需要的各種技術特征合成為單一系統，考慮了實際大氣中不同物種之間的相互轉換和影響，可以用來對氣態和顆粒態的大氣污染物在城市和區域等多種尺度上進行綜合性模擬[3]。

WRF-CAMx模型模擬時段為2020年和2030年1、4、7、10四個月份，時間間隔為1h。研究區域包括中國全部陸域范圍。CAMx模型所需排放清單的化學物種主要包括SO2、NOx、顆粒物（PM10、PM2.5及其組份）、NH3和VOCs（含多種化學組份）等多種污染物，其中SO2、NOx、顆粒物排放數據采用2020年、2030年排放情景數據，人為源NH3、VOCs（含主要組份）等排放數據采用2012年清華大學MEIC排放清單[4]，生物源VOCs排放數據源于全球排放清單GEIA[5]。WRF-CAMx模型參數設置及模擬結果的可靠性驗證見前期研究成果[6]。

2　煤炭消費總量控制情景分析

2.1空氣質量目標情景

經過“十一五”、“十二五”主要污染物總量減排與大氣污染防治工作的努力，我國城市SO2濃度顯著下降，但當前多種大氣污染物濃度仍然處于高位。2014年全國開展空氣質量新標準監測的161個城市中，僅有16個城市空氣質量年均值達標，145個城市空氣質量超標，SO2、NO2、PM10、PM2.5年均濃度分別為35μg/m3、38μg/m3、105μg/m3以及62μg/m3，四項污染物年均值濃度達標城市比例分別為88.2%、62.7%、21.7%和11.2%[7]。大氣顆粒物（PM10和PM2.5）已成為城市空氣質量達標的主要制約因素，同時考慮到污染物濃度與煤炭消費的相關關系，本文以PM2.5濃度作為我國環境空氣質量的衡量指標，在此基礎上分析空氣質量改善對煤炭消費的反向約束作用。

我國城市PM2.5超標情況普遍且差距巨大，2014 年161個城市中PM2.5濃度超標90%以上的城市占比高達40%，因此空氣質量的改善無法一蹴而就，需要根據不同城市的達標差距，設定分階段控制目標，堅持不懈地削減多種大氣污染物排放量，爭取到2030年左右實現城市空氣質量基本達標，2030年之前全國PM2.5年平均濃度每5年下降20%以上。結合不同地區的空氣質量現狀、《大氣污染防治行動計劃》要求以及2030年空氣質量基本達標的遠景目標，分析不同地區PM2.5濃度降低進程，如表1所示。

表1　不同時期PM2.5年均值改善目標設想 單位：μg/m3

2.2大氣污染物排放控制情景

基于以下基本原則，研究各省大氣污染物排放控制水平。一是地區差異化原則，北京、天津、河北、山東、上海、江蘇、浙江、廣東、重慶9省市按照大氣污染物特別排放限值，設定嚴于其他地區的污染物排放控制要求。二是排放標準從嚴原則，北京等地出臺了一系列嚴于國家標準的地方標準，參照地方排放標準分析污染物排放控制水平。三是污染控制水平逐步提高原則，按照污染治理技術水平逐年提高進行測算。重點污染源2020年、2030年排放控制水平如表2所示。

表2　2020年、2030年大氣污染物排放控制水平預測

在上述大氣污染物排放控制水平情景下，全國各行業噸煤排放系數變化趨勢如表3所示。可見，隨著脫硫、脫硝和除塵治理設施普及率的提高以及去除效率的提高，到2030年電力、鋼鐵、水泥和工業鍋爐的噸煤大氣污染物排放系數將較大幅度下降。從不同部門的噸煤排放系數來看，生活用煤和燃煤鍋爐的噸煤大氣污染物排放量明顯高于其他行業，因此削減居民生活、小型燃煤鍋爐的煤炭消費量具有更高的環境效益，電力行業的污染物排放控制水平最高，應逐步將煤炭消費向電力行業集中。

表3　重點部門的全國平均大氣污染物排放系數* 單位：kg/t煤

2.3煤炭消費情景

（1）基準情景

煤炭消費基準情景預測是基于煤炭消費的驅動因素和消費結構，具體思路如下：首先，參考國家發展目標和各省經濟社會發展規劃，對未來15年（2015—2030年）各省經濟社會發展情景進行設定，主要包括人口、GDP、產業結構等宏觀指標。其次，根據各省宏觀經濟指標，考慮國家主體功能區規劃、產業布局規劃以及節能減排等既有政策導向，同時基于各省能源、水、土地資源條件以及自身的發展取向，結合各省已采取的相關控煤行動，包括京津冀魯、長三角、珠三角以及中西部一些省區采取的控煤計劃，分析各省未來主要用煤行業發展前景。第三，分析各部門煤炭利用技術潛力及前景，對各部門煤炭利用特征指標進行預測，主要包括單位產品煤耗、單位增加值煤耗及人均煤耗等。最后，部門用煤加總得到各省煤炭需求。

情景預測結果表明，基準情景下煤炭消費需求增長將在2025年左右達到頂峰，之后逐漸下降，2020年和2030年全國煤炭消費總量分別比2012年增加10.3億噸和12.0億噸左右。電力用煤持續增長是最主要的拉動力量，其次是現代煤化工，這些煤炭消費量增長主要集中于西北省份。

（2）控煤情景

在煤炭消費基準情景基礎上，基于不同區域的大氣環境質量約束，考慮不同部門削減煤炭消費的環境效果和可行性，對煤炭消費基準情景進行調整，通過反復多次迭代計算，最終得到滿足空氣質量階段性目標（如表1所示）的控煤情景。煤炭削減的重點是生活原煤散燒、小型工業鍋爐及水泥、鋼鐵等行業。

基于空氣質量約束的控煤情景分析結果表明：要實現2020年和2030年空氣質量改善目標，全國煤炭消費總量應在2020年控制在40.8億噸左右，較2012年增長約1.7億噸，到2030年控制在37.7億噸以內。煤炭消費總量控制的重點地區為北京、天津、河北、山東、河南、上海、江蘇、浙江、安徽、湖北和廣東11個省，重點地區煤炭消費量2020年應控制在15.8億噸，2030年控制在13.1億噸，較2012年煤炭消費量分別下降12%和27%。空氣質量約束下各省煤炭消費總量控制目標詳見表4。

實現全國和重點地區煤炭消費總量下降，將主要依靠優化產業結構，淘汰鋼鐵、水泥等高耗煤行業落后產能，加快燃煤供熱鍋爐以及工業鍋爐、窯爐改造和燃料替代，提高工業行業能源效率等措施。到2030年，鋼鐵、水泥、工業鍋爐和居民生活用煤量分別比2012年下降44%、38%、34%和63%，而發電用煤量比2012年增長39%，煤炭使用將由生活、工業向更為清潔的電力行業集中。

表4　基于空氣質量約束的各省煤炭消費總量控制目標 單位：億噸

續表

從全國整體來看，按照上述控煤情景實施煤炭消費總量和污染物排放控制后，將有效減少大氣污染物排放量。在控煤情景中，到2020年全國SO2、NOx和煙粉塵排放量將比2012年分別下降27%、38%、29%；到2030年全國SO2、NOx和煙粉塵排放量將比2012年分別下降58%、57%、58%，詳見圖2。

利用WRF-CAMx空氣質量模型對控煤情景的PM2.5濃度進行模擬，結果表明：2020年全國PM2.5平均濃度在2012年的基礎上下降28%；2030年，全國大部分城市PM2.5年均濃度達到或低于35μg/m3，不達標區域大面積減少，各省PM2.5年均濃度下降幅度在20%～67%之間，其中PM2.5年均濃度下降比例大于55%的省份包括北京、天津、河北、湖南、四川、重慶等。各省控煤情景下2020年、2030年PM2.5年均濃度分布見圖3。

圖2　控煤情景下全國主要大氣污染物排放量變化趨勢

圖3　2020年、2030年控煤情景PM2.5模擬結果

2.4結果與討論

根據表4中各省煤炭消費總量控制目標分析結果，可將煤炭消費總量控制地區分為以下3種類型：①絕對削減型，如北京、天津、河北和山東等省，該類地區空氣質量較差，單位面積煤炭消費量大，應在2030年之前持續削減煤炭消費總量。北京將關停所有煤電廠并力爭建設無煤城市，天津、河北和山東等省將通過嚴格控制新增煤電建設項目，大力淘汰鋼鐵、水泥等落后產能，加大燃煤鍋爐燃料替代，發展熱電聯產等措施實現煤炭消費持續削減。②控制增量型，如內蒙古、新疆和寧夏等省、自治區，這類地區是我國重要的煤電基地和煤化工基地，未來允許其煤炭消費量在一定范圍內增長，但應注重合理控制耗煤行業發展規模，提高大氣污染治理水平。③維持不變型，如海南、西藏等省、自治區，這類省份煤炭削減潛力有限，在2030年之前保持煤炭消費總量不增長即可。

需要說明的是，表4中基于空氣質量約束的各省煤炭消費總量控制目標是以控煤情景中假定的污染物排放控制水平和分省、分行業煤炭消費結構為前提的，存在一定的不確定性。一是對區域空氣質量有一定影響的揚塵、秸稈焚燒、非道路移動源等的排放量變化趨勢未納入本研究；VOCs和NH3排放量的變化趨勢也暫未納入研究；二是由于不同行業噸煤消費量的污染物排放系數差別較大，因此，控煤情景中煤炭消費的行業結構如果出現變化，將對各省污染物排放控制情景和PM2.5濃度預測結果產生一定影響。

3　我國實施煤炭消費總量控制的措施途徑

實施煤炭消費總量控制，必須依托于整個社會經濟與能源發展模式的轉變。應將節能、提效、合理控制能源需求總量作為首要戰略措施；并積極發展天然氣、水電、核電以及風能、太陽能、生物質能等清潔能源，實現能源的多元化供應，逐步實現以非煤能源滿足能源需求增量；同時優化煤電、鋼鐵、焦化、石化、建材等產業布局；通過政策引導，促使煤炭消費結構向大型燃煤設施集中；大力推廣先進的能源利用與污染治理技術，降低煤炭消費對環境的影響。概括而言，可以總結為以下指導方針：需求控制，多元供應，優化布局，清潔利用。

3.1重點地區實行煤炭總量控 制，從源頭減少空氣污染

實施煤炭消費總量控制不應全國一刀切，全面限制煤炭消費增長，而應科學劃定煤炭消費總量控制區范圍，并針對不同地區設定差異化的煤炭消費總量控制目標。煤炭消費總量控制的重點區域劃分，其核心依據是空氣質量改善要求與煤炭消費強度，同時需要綜合考慮大氣污染嚴重程度、煤炭相關行業對大氣污染的貢獻、地區社會經濟發展水平、能源消費特征、相關國家政策要求等因素，建議將北京、天津、河北、山東、河南、上海、江蘇、浙江、安徽、湖北和廣東11個省作為我國煤炭消費總量控制的重點區域。煤炭控制目標需綜合考慮產業結構調整、能源替代的可行性、空氣質量和污染物總量減排要求等因素。

3.2優化耗煤產業布局，調整重點區域產業結構

在產業發展規劃和重大項目布局方面，要充分考慮地區環境容量、資源稟賦、行業發展現狀等因素，將煤炭消費總量控制指標作為重點區域建設項目審批的前置條件，嚴格項目準入。重點是優化調整煤電和鋼鐵產業布局。在煤電生產布局方面，京津冀、長三角、珠三角等重點區域新建項目禁止配套建設自備燃煤電站，除熱電聯產外禁止審批新建燃煤發電項目，未來發電裝機缺口主要通過接受區外來電、增加非化石能源發電等方式解決；積極發展西電東送，在新疆、內蒙古、山西、寧夏等煤炭資源富集地區，按照最先進的節能環保標準，建設大型燃煤電站（群），繼續合理擴大西部煤電東送規模，同時要注意防止煤電基地及周邊地區空氣質量惡化；因地制宜發展熱電聯產，滿足新型中小城鎮熱力需求，貫徹以熱定電原則，同時采用高效污染治理技術，最大限度降低污染物排放量。在鋼鐵布局方面，京津冀魯和長三角區域的大規模鋼鐵產能必須得到有效控制，粗放低效的落后產能應逐步加以淘汰，新增高效產能可適當向絲綢之路經濟帶和長江經濟帶腹地轉移。

3.3優化能源結構，重點地區增加清潔能源供應

著力優化能源結構，把發展清潔低碳能源作為調整能源結構的主攻方向，逐步降低煤炭占一次能源消費比重，大幅增加天然氣、風電、太陽能、地熱和核電等清潔能源消費比重，全面降低非電煤占煤炭消費比重。到2020年，全國非化石能源占一次能源消費比重達到15%，煤炭占一次能源消費比重控制在62%以內，非電煤占煤炭消費總量比例降低到40%以內。

在能源供應方面，對于煤炭消費總量重點控制地區，要增加天然氣供應，提高風電、太陽能、地熱和核電等清潔能源比重，并增加電力輸入量。努力擴大天然氣供給與利用規模，加大國內常規天然氣勘探開發力度，盡快實現頁巖氣規模化商業性生產，突破煤層氣關鍵技術，實現產量快速增長，積極擴大天然氣進口來源和進口規模。加快完善天然氣價格形成機制，形成比價合理、消費者可以承受的天然氣價格。大力提高清潔能源比重，在安全高效的前提下推動核電發展，按照生態優先原則統籌水電建設和運行，協調有序發展風電，因地制宜發展太陽能發電。

3.4優化煤炭利用方式，降低污染物排放水平

大力實施居民生活用煤替代，加快燃煤供熱鍋爐以及工業鍋爐窯爐改造和替代，積極推進熱電聯產為工業和民用采暖供熱，使煤炭消費向污染物排放強度較低的電力行業集中。在城市內劃定煤炭禁燃區，分散的燃煤鍋爐逐步改用清潔能源或由集中供熱鍋爐替代。對于農村民用炊事、采暖用煤，應積極推進太陽能、沼氣、電力、天然氣等替代燃煤。

嚴格執行污染物排放標準，在重點控制區執行大氣污染物特別排放限值，提高排污費征收標準，推動電力、鋼鐵、焦化、水泥、大型燃煤鍋爐等重點污染源安裝高效脫硫、脫硝、除塵設施，提高污染治理水平，實現穩定達標排放，2030年污染治理水平全面達到新源排放標準或特別排放限值。

3.5優化煤炭質量，提高煤炭洗選比例

制定和實施煤炭清潔高效利用規劃，積極推進煤炭分級分質梯級利用。加大煤炭洗選比重，鼓勵煤矸石等低熱值煤和劣質煤就地清潔轉化利用。通過選煤、配煤、型煤、水煤漿、低階煤提質等煤炭優質化加工技術，提高、優化煤炭質量，形成分區域優質化清潔化供應煤炭產品的格局，實現煤炭精細化加工配送。建立健全煤炭質量管理體系，加強對煤炭開發、加工轉化和使用過程的監督管理。加強進口煤炭質量監管，禁止進口高灰分、高硫分的劣質煤炭。重點區域限制銷售和使用灰分高于16%、硫分高于1%的散煤，京津冀地區民用煤炭硫分不得高于0.4%，鼓勵農村地區使用潔凈型煤。

參考文獻

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Study on China Coal Consumption Control under Air Quality Constraints

Chen Xiaojun1, Jin Ling1, Lei Yu1*, Xue Wenbo1, Su Ming2, Yang Jintian1, Wang Jinnan1
(1. Chinese Academy for Environmental Planning, Beijing 10012;2.Energy Research Institute of National Development and Reform Commission, Beijing 100038 )

Abstract：Air pollutants emissions from coal consumption have become important sources of air pollution in China. In this paper, the quantitative relationship among coal consumption, air pollutants emissions and air quality has been studied by applying WRF-CAMx model. The constraints of air quality improvements on the air pollutants emissions and coal consumption have been investigated. The regional coal comsumption control targets in 2020 and 2030 under the air quality constraints have been proposed, considering the requirements of industry development and energy supply in key regions based on scenarios studies.The results indicated that to achieve the air quality improvement target, the total coal consumption of China should be controlled within 4.08 billion tons in 2020 and 3.77 billion tons in 2030. The total coal consumption in the 11 key provinces, including Beijing, Tianjin, Hebei, etc., should be controlled within 1.58 billion tons in 2020 and 1.31 billion tons in 2030. The coal clean utilization should be widely promoted.

Keywords:coal consumption control; air quality constraints; PM2.5concentration

中圖分類號：X37；F205

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6252（2015）05-0042-08

作者簡介：陳瀟君（1979—），女，副研究員，環境保護部環境規劃院大氣部能源-環境政策研究室主任，主要研究領域為大氣污染控制規劃與政策、能源-環境系統分析。