基于煤炭消費視角的北京市以電代煤減排效益研究

王振宇,王 冰,吳培肇,李 薇*,劉 磊(.南瑞武漢能效測評中心,湖北 武漢 000；.華北電力大學環(huán)境研究院,北京 006)

基于煤炭消費視角的北京市以電代煤減排效益研究

王振宇1,王 冰2,吳培肇2,李 薇2*,劉 磊2(1.南瑞武漢能效測評中心,湖北 武漢 211000；2.華北電力大學環(huán)境研究院,北京 102206)

基于北京市2014年煤炭消費情況,采用等效能值法具體量化了北京市及各行業(yè)實施以電代煤所能帶來SO2、NOx與CO2減排量,同時在此基礎上,分析了同等替代比例下各行業(yè)實施以電代煤的減排貢獻率.結果表明:實施以電代煤可以極大降低SO2、NOx與CO2的排放量,電能每替代100萬t的煤炭,SO2、NOx與CO2減排量分別為5.61×103t、0.42×103t、0.57×106t;城鎮(zhèn)居民生活消費實施以電代煤對SO2減排起主要作用,貢獻率達到53.11%,而NOx與CO2減排貢獻中,工業(yè)占據(jù)主導地位,貢獻率分別為94.06%和68.36%;具體煤炭消費行業(yè)的減排貢獻率與各行業(yè)煤炭消費總量有關,非金屬礦物制造業(yè)實施以電代煤可取得較大的工業(yè)行業(yè)減排效益,而房地產(chǎn)業(yè)則對服務業(yè)的減排貢獻較為突出.

以電代煤；等效能值；減排效益；貢獻率

長久以來,人口增長與經(jīng)濟發(fā)展導致了北京市煤炭消費總量居高不下,煤炭在能源消費結構中占較高比例[1].然而,燃煤燃燒過程中釋放的顆粒物、SO2、NOx等氣體也成為北京市大氣污染的重要來源[2-3].研究表明燃煤對北京市 PM2.5的貢獻率達 16%,燃煤源和工業(yè)源對北京地區(qū) SO2貢獻率為66.1%[4-6].近年來頻繁出現(xiàn)的霧霾天氣嚴重影響了北京的城市形象,也暴露了北京市能源發(fā)展方式的不合理性.因此,為解決北京市大氣污染問題,改善空氣質(zhì)量,必須改變以煤為主的能源利用結構.

電能替代作為轉變能源發(fā)展方式、實現(xiàn)能源戰(zhàn)略轉型的重大舉措引起了研究人員的廣泛關注[7-11].牛東曉等[12]采用等效能值的折算方法從經(jīng)濟性和環(huán)境影響兩方面分析多種終端生活用能,研究電能在終端能源中的替代可行性.張立輝等[13]基于系統(tǒng)動力學建立了以電代煤減排效益模型,核算了以電代煤的實施減排效果.劉俊等[14]通過分析甘肅省用戶用能的結構、特點以及用戶用能的趨勢,明確了電能替代的潛力用戶,為甘肅省實施電能替代戰(zhàn)略提供參考.然而,關于電能替代方面的研究多集中在對其社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的評價上[15?19],針對具體研究區(qū)域實施電能替代所產(chǎn)生的實際減排效益缺乏深入的量化研究.因此,本研究采用等效能值法對北京市未來以電代煤的潛力進行分析,核算北京市整體以及具體行業(yè)實施以電代煤的減排效應,分析各煤炭消費行業(yè)的減排貢獻率,以期為北京市制定以電代煤的相關政策提供科學的決策依據(jù).

1 北京市煤炭消費概況

近年來,隨著產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化升級、節(jié)能減排壓力加大及相關政策影響,北京市煤炭消費總量不斷降低(圖 1).2006年北京市煤炭消費總量為3056萬噸,而 2015年下降至 1200萬噸左右[20].由圖1可以看出,北京市煤炭消費負增長大致可分為兩個階段:“十一五”期間的煤炭消費總量緩慢下降;進入“十二五”以來,面對日益嚴峻的大氣污染形勢,受政策規(guī)劃及技術措施影響,煤炭消費量以較快的速率下降.

圖1 北京市煤炭消費變化趨勢Fig.1 Variation of the coal consumption in Beijing

除宏觀政策影響外,北京市煤炭消費還與產(chǎn)業(yè)結構相關.統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,北京市煤的消耗以工業(yè)和居民生活為主,2014年68.36%和16.90%的煤炭用于工業(yè)生產(chǎn)與居民生活消費.在工業(yè)用戶中,電力、熱力的生產(chǎn)和供應業(yè)消費煤炭最多,占到了 55.54%,這說明 2014年北京市內(nèi)火力發(fā)電依舊占據(jù)了電力結構的主導地位,然而,工業(yè)用煤比例與電力、熱力的生產(chǎn)和供應業(yè)煤炭消費比例正呈現(xiàn)逐年下降的趨勢.其他煤炭消費用戶占比依次為居民生活消費、服務業(yè)與農(nóng)林牧漁業(yè)(圖2),分別占比 16.90%、12.74%與 2.00%.近年來,電爐煉鋼、電磁爐、電采暖等技術措施的推廣大大減少了工業(yè)、居民生活、服務業(yè)以及農(nóng)林牧漁等行業(yè)的用煤量,北京市的煤炭消費需求有明顯的下降趨勢,電能替代空間巨大.

圖2 北京市煤炭消費流向Fig.2 The flow-gragh of coal consumption in Beijing

2 核算方法學與情景設定

2.1 基于等效能值的以電代煤核算

實施電能替代的減排效益核算以等效能值為基礎, C表示1單位某終端能源的燃燒值,t表示該能源的熱效益值,E表示1單位該能源的等效電能值為:

已知1kg原煤的燃燒值為21000kJ,熱效益值為50%,而1kW·h電能的燃燒值為3600kJ,熱效應值為95%,利用公式(1)計算得出原煤的等效電能值約為3.07,即1kg原煤約等于3.07kW·h的電能.

2.2 排放因子

計算過程中,各行業(yè)單位煤炭的 SO2、NOx與 CO2排放因子按照文獻[21-22]來確定,具體數(shù)值如表1所示.單位電力消耗的污染排放因子與發(fā)電能源結構有關,考慮北京市煤炭、天然氣、新能源和可再生能源、外調(diào)電力等組成的電力結構,因此單位電量的污染排放因子作如下分解:

式中: p1、p2為本地發(fā)電和調(diào)入電量占總電量的比例(%), i為煤炭、天然氣、新能源和可再生能源等4種能源種類; fi、EFi分別為對應能源在發(fā)電能源結構中占的比重和排放系數(shù); EF’為火力發(fā)電的污染排放系數(shù)(外調(diào)電默認為燃煤發(fā)電).北京市 2016年將關閉最后一座大型燃煤電站,這些燃煤火電站將被天然氣電站替代,因此,市內(nèi)發(fā)電計算不考慮燃煤發(fā)電,而可再生能源與新能源發(fā)電不考慮污染氣體排放.計算過程中,燃煤與燃氣發(fā)電的污染物排放系數(shù)參考了相關研究成果[23-25],根據(jù)公式(2)可計算得到 1kW·h電能的SO2、NOx與 CO2排放量分別為 2.54g/kW·h、0.22g/kW·h與 0.48kg/kW·h.需要指出的是,計算出的單位電量 CO2排放系數(shù)相比華北電網(wǎng)的CO2排放系數(shù)有大幅降低.

表1 主要氣體排放因子Table 1 Emission factors of main gases

2.3 減排效益核算

以電代煤的減排效益按消費煤炭所排放氣體與對應替代電能所產(chǎn)生的氣體減量計算,采用排放因子法,核算CO2及主要大氣污染物SO2、NOx的減排量如式(3)所示:

其中:ERthj為 t時期 j行業(yè)以電代煤所產(chǎn)生的 h氣體的減排量,(kg); CCtj為t時期j行業(yè)的煤炭替代量,(kg); CEFhj為j行業(yè)單位煤耗h氣體的排放因子;EEFh為單位電能h氣體的排放因子.

2.4 煤炭削減量與情景設定

根據(jù)《北京市2012-2020大氣污染治理措施》、《北京市2013～2017年清潔空氣行動計劃》,通過關停三大燃煤電廠、鍋爐清潔能源、控制低矮面源燃煤污染等措施,北京市 2016、2017及 2020年煤炭消費總量的控制目標分別為1100、1000與900萬t,而肖宏偉[26]的預測結果表明,北京市 2016～2020年煤炭消費預測值分別為 1216、1076、987、929、891萬噸.相比2014年煤炭消費量(1736.54萬t),北京市煤炭消費控制目標與預測值均有大幅降低.因此,本研究將2016、2017及2020年煤炭消費總量控制目標與 2014年消費量的差值、文獻[26]中2016～2020年預測值與2014年消費量的差值作為煤炭削減量進行電能替代,核算對應的減排效益.同時,在參考各行業(yè)煤炭消費量總體變化趨勢的基礎上,設定了20%、30%以及50%的以電代煤比例,分析各行業(yè)的減排效益及行業(yè)貢獻率.

3 減排效益分析

未來5年,北京市的煤炭消耗量將持續(xù)降低,若削減的煤炭由等能值的電能進行替代,則2016～2020年以電代煤的氣體減排量如圖3所示.由圖可以看出,實施以電代煤可以在一定程度上降低 SO2、NOx與 CO2等氣體的排放量.由于2016、2017年煤炭消費預測值高于北京市煤炭消費總量控制目標,其對應的以電代煤氣體減排量低于控制目標對應的減排量,而2020年的預測值低于控制目標,因此其減排量高于控制目標所對應的減排量.

圖3 不同年份以電代煤氣體排放與減排量Fig.3 Gases emissions and reduced emissions for electricity in place of coal under different years

隨著煤炭削減量的增加,電能替代燃煤的SO2、NOx與CO2減排量不斷上升(圖3虛線所示).以2016、2017、2020年煤炭消費總量控制目標為例,2016、2017、2020三年削減燃煤若由等能值電能進行替代,對應的 SO2減排量分別為35.68×103,41.69×103和46.89×103t,NOx減排量分別為2.70×103,3.13×103和 3.55×103t,CO2減排量分別為3.64×106,4.21×106和4.78×106t.電能每替代100萬噸的煤炭,SO2、NOx與CO2排放量分別降低 5.61×103t、0.42×103t、0.57×106t.由此可以看出,從能源消費視角來看,電能作為終端能源消費替代傳統(tǒng)煤炭能顯著降低 SO2、NOx與 CO2的排放量,未來提高電能消費的比例對于緩解北京市大氣污染具有重要的推動作用.

以2014年北京市煤炭消費數(shù)據(jù)為基礎,針對各行業(yè)煤炭消費設定3種電能替代比例,表2為不同電能替代比例下各行業(yè) SO2、NOx與 CO2的減排量.整體來看,隨著電能替代比例的提高,各行業(yè)內(nèi)三種氣體的減排量不斷增加.例如,2014年農(nóng)林牧漁業(yè) 20%的煤炭消費由電能替代后,產(chǎn)生的SO2、NOx與CO2減排量分別為391.02t、29.62t與39.88×103t,當電能替代比例增加到30%時,對應的氣體減排量分別增加至586.54t、44.43t與 59.81×103t.替代比例增加 10%,SO2、NOx與CO2氣體減排量分別增加 195.52t、14.81t與19.93×103t.而工業(yè)電能替代比例增加10%, SO2、NOx與 CO2氣體減排量分別增加 1074.62t、6435.00t及 678.55×103t.電能替代比例增加相同值,各行業(yè)氣體減排量的增加值不同,這是由于各行業(yè)的煤炭消費量不同所致.

各行業(yè)以電代煤氣體減排貢獻率如圖 4所示.由圖可以看出,電能替代煤炭作為終端能源消費時,不同行業(yè)對SO2、NOx與CO2氣體減排的貢獻率不盡相同.電能替代煤炭消費所帶來的SO2減排量中,工業(yè)與城鎮(zhèn)居民生活消費起主要作用,兩者的貢獻率達到 87.80%,農(nóng)林牧漁與服務業(yè)的貢獻率僅占12.20%,這與較高的煤炭消費量以及單位煤炭消費 SO2排放因子有關.兩者的煤炭消費量占北京市終端煤炭消費的85.26%,而較高的污染排放因子導致了燃煤的高 SO2排放.NOx減排量中,工業(yè)行業(yè)占據(jù)絕對的優(yōu)勢地位,以電代煤帶來了94.06%的NOx減排,服務業(yè)開展以電代煤的減排量超過了生活消費,兩者的比例分別為 3.89%和 1.82%.CO2減排量中,工業(yè)依舊占據(jù)主導地位,貢獻率達到了 68.36%,但生活消費與服務業(yè)開展以電代煤對于 CO2減排的貢獻率差距不大,分別為 16.90%與 12.73%,這種差異主要是由于煤炭消費量以及燃煤排放因子差異所導致.通過以電代煤減排效益貢獻率分析可知,為改善大氣環(huán)境質(zhì)量,在工業(yè)部門實施以電代煤能夠極大降低SO2、NOx與CO2的排放量,同時,在居民消費端與服務業(yè)實施以電代煤也可以在一定程度上降低各種氣體的排放,而農(nóng)林牧漁業(yè)由于煤炭消費基數(shù)較低,實施以電代煤所帶來的減排效益有限.

表2 不同替代比例下減排量Table 2 The reduced emissions under different substitute proportions

圖5為工業(yè)各部門的氣體減排貢獻率,由圖可以看出,電力、熱力生產(chǎn)與供應行業(yè)實施以電代煤的減排貢獻遠大于其他行業(yè),這是由于該行業(yè)的煤炭消費量較大所導致.據(jù)統(tǒng)計,2014年北京市電力熱力生產(chǎn)與供應行業(yè)消耗964.51萬噸煤炭,占工業(yè)煤炭消費的 81.25%,占北京市煤炭消費的 55.54%,為北京市第一大煤炭消費行業(yè).然而,隨著北京市四大燃氣熱電中心的投入運行,電力行業(yè)煤炭消耗量將會大幅下降,減排貢獻率也將不斷降低,而針對其他行業(yè)開展以電代煤將會是工業(yè)行業(yè)的重點.圖5的三個圖中,除電力、熱力生產(chǎn)與供應行業(yè)以外,SO2、CO2減排貢獻率順序為非金屬礦物制造＞其他行業(yè)＞酒、飲料與精制茶行業(yè)＞化學原料與制品行業(yè)＞農(nóng)副食品加工行業(yè);而NOx減排貢獻率順序為非金屬礦物制造＞其他行業(yè)＞酒、飲料與精制茶行業(yè)＞農(nóng)副食品加工行業(yè)＞化學原料與制品行業(yè).非金屬礦物制造、其他行業(yè)實施以電代煤的SO2、NOx與CO2減排效益大于酒、飲料與精制茶行業(yè)、化學原料與制品行業(yè)、農(nóng)副食品加工行業(yè)的減排效益,這是因為兩者的煤炭消耗量明顯高于其他三個行業(yè).因此,在非金屬礦物制造與其他行業(yè)開展蓄熱電鍋爐代替燃煤鍋爐等以電代煤舉措,將極大地降低工業(yè)行業(yè)SO2、NOx與CO2的排放.

圖4 不同行業(yè)以電代煤氣體減排貢獻率Fig.4 The contribution rates for electricity in place of coal under different industries

圖5 工業(yè)部門氣體減排貢獻率Fig.5 The contribution rates of each industrial sectors

圖6為服務業(yè)各具體行業(yè)的SO2、NOx與CO2減排效率.由餅狀圖可知,各行業(yè)減排貢獻率的順序依次為其他行業(yè)＞房地產(chǎn)業(yè)＞租賃和商務服務業(yè)＞教育＞住宿與餐飲業(yè)＞交通運輸、倉儲和郵政業(yè),但整體的減排貢獻率差距不大.考慮本研究使用的服務業(yè)燃煤排放因子為統(tǒng)一值,因此貢獻率的大小僅與煤炭消費量有關.未來在服務業(yè)各具體行業(yè)中開展以電代煤,采取熱泵替代燃煤鍋爐、電鍋爐代替燃煤鍋爐以及電采暖代替燃煤鍋爐等措施將大量削減服務行業(yè)的SO2、NOx與CO2排放.

圖6 服務業(yè)氣體減排貢獻率Fig.6 The contribution rates of each service sectors

4 結論

4.1 在分析 2014年北京市煤炭消費情況的基礎上,應用等效能值法核算了未來北京市及具體行業(yè)實施以電代煤的SO2、NOx與CO2減排效益,結果表明,實施以電代煤可以極大降低SO2、NOx與 CO2的排放量,電能每替代 100萬噸的煤炭, SO2、NOx與 CO2減排量分別為 5.61× 103t、0.42×103t、0.57×106t.

4.2 工業(yè)與城鎮(zhèn)居民生活實施以電代煤對 SO2減排起主要作用,兩者的貢獻率達到 87.80%,而NOx與CO2減排貢獻中,工業(yè)行業(yè)占據(jù)主導地位,貢獻率分別為94.06%和68.36%.

4.3 具體煤炭消費行業(yè)的減排貢獻率與各行業(yè)煤炭消費總量有關,非金屬礦物制造業(yè)實施以電代煤可取得較大的工業(yè)行業(yè)減排效益,而房地產(chǎn)業(yè)則對服務業(yè)的減排貢獻較為突出.

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Research on reduction benefits of substituting electricity for coal in Beijing-Based on the perspective of coal consumption.

WANG Zhen-yu1, WANG Bing2, WU Pei-zhao2, LI Wei2*, LIU Lei2(1.NARI Wuhan Efficiency Evaluation Center, Wuhan 211000, China；2.Environmental Research Academy, North China Electric Power University, Beijing 102206, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1995～2000

Based on the analysis of coal consumption in Beijing in 2014, the equivalent energy value method was applied to specifically quantifies the reduced emissions of SO2, NOxand CO2resulting from the measure of electricity in place of coal in Beijing and specific industry. Meanwhile, the reduction contribution rates of different industrial sectors were analyzed under the same substitute proportion. The results show the implementation of electricity in place of coal indeed reduces emission of SO2, NOxand CO2. The reduced emissions of three gases were 5.61×103t、0.42×103t、0.57×106t when 100t coal was substituted by electrial energy. For SO2, the implementation of electricity in place of coal in resident life plays a leading role and the corresponding contribution rate was 53.11%. However, for NOxand CO2, the industy occupies a leading position with contribute rates of 94.06% and 68.36%. The contribution rate of each industrial sector is associated with the corresponding coal consumption. The implementation of electricity in place of coal in Nonmetal Mineral Products and Real Estate would make prominent contribution to the reduction emission of SO2, NOxand CO2in industry and service industry.

electricity in place of coal；equivalent energy value；emission reduction benefits；contribution rate

X321

A

1000-6923(2017)05-1995-06

王振宇(1984-),男,湖北潛江人,博士,研究方向為智能電網(wǎng)、電力需求側管理、節(jié)能低碳研究.

2016-10-26

國家電網(wǎng)公司科技項目《智能用電環(huán)節(jié)低碳仿真與評價樣關技術研究》;環(huán)保部公益項目(201509010)

* 責任作者, 副教授, liweihd1201@gmail.com