中國跨區域鐵路煤炭運輸CO2排放及運輸格局優化研究

呂 濤 王 飛 劉 風

(中國礦業大學，江蘇省徐州市，221116)

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中國跨區域鐵路煤炭運輸CO2排放及運輸格局優化研究

呂 濤 王 飛 劉 風

(中國礦業大學，江蘇省徐州市，221116)

為了明確國內目前煤炭調運格局下的省際鐵路CO2排放量并理清省間差異原因，在計算各省內燃機車與電力機車單位周轉排放量的基礎上結合兩類機車的周轉比例，最終得到各省鐵路的排放系數，利用該系數對全國2014年各省鐵路在煤炭調運過程中產生的CO2排放量進行測算。在此基礎上引入全局排放量最低情景，通過比較分析可得國內目前鐵路煤炭調運所存在的問題并提出相應的優化方案。

鐵路排放系數 低碳運輸 碳排放 煤炭運輸

煤炭作為中國能源結構中的核心部分，占國內一次能源生產和消費比例的65%以上。但是國內煤炭賦存卻呈現出顯著的“西多東少、北富南貧”的特征，90%以上的煤炭存量在秦嶺—太行山以西。與此同時，國內煤炭需求旺盛的區域則集中在經濟較為發達的東南沿海地區，煤炭生產和需求在地理上的顯著不匹配使得煤炭成為中國運輸網絡中占比最高的貨物。中國煤炭鐵路調運量于2013年達到了16.8億t，在大規模、長距離的運輸過程中產生了大量的碳排放，使得國內運輸業實現節能減排戰略目標的形勢更為嚴峻。為了明確目前國內由煤炭運輸而產生的碳排放總量以及各省鐵路運輸的排放效率，本研究在省際鐵路煤炭調運數據的基礎上，計算各省鐵路排放系數，以明確現實中省際排放情況。通過引入在滿足國家煤炭供需平衡下達到煤炭調運排放量最低的情景，進一步對國內各主要產煤省份的鐵路煤炭調運現狀進行評價并指明優化方向。

已有研究根據各類能源的消耗量及排放系數計算鐵路運輸中的碳排放量，并以此為基礎計算鐵路各主要能耗指標的碳排放情況。與此同時，以碳排放彈性系數為基礎，通過投入產出法和感應度系數對鐵路碳排放總量進行量化也起到了較好效果。為了評價鐵路從建設到回收的全過程碳排放情況，部分學者引入了全生命周期管理的思想，根據各階段二氧化碳的計算公式得到總體排放量。當前有關鐵路運輸排放的研究大都以國家為對象，計算一定時間內的碳排放情況并提出相應的改進建議。然而由于國內各省份鐵路在機車結構、技術水平以及單位能耗等指標上的不同，導致省際鐵路單位排放量差異明顯，因此國內平均排放系數只能對整體路網優化升級提供借鑒與指導，而對于省際鐵路優化作用有限。本研究在前人研究的基礎上，對各省鐵路CO2排放系數進行分別測算，并以國內煤炭流動為研究對象測算各省份鐵路由煤炭運輸導致的CO2排放量，分析省際差異原因，最終得到針對性的評價結果與優化方案。

1 省際鐵路排放系數

為了準確測算省際煤炭鐵路調運過程中的CO2排放情況，除了需要收集相關的省際煤炭流動數據外，還需要科學準確的省際鐵路排放系數，本研究提出測算公式如下：

(1)

式中：αi——i省的鐵路排放系數；

eij——i省第j類機車的周轉比例；

kij——i省第j類機車的單位CO2排放量，由省內機車的單位能耗、能源使用結構與基礎能源排放系數決定。

1.1 基礎能源排放系數

目前主流的基礎能源CO2排放量計算往往采取IPCC(2006)的方法，公式如下：

(2)

式中：EC——某一行業中的CO2排放系數；

CFk——第k種能源的發熱量；

CCk——第k種能源的碳含量；

COFk——第k種能源的氧化因子；

44/12——單位量的C以CO2形式排放的排放量。

本研究在實際操作中相較于原公式做了兩方面改進：第一，為貼近國家實際，以我國的統計機構發布的《中國能源統計年鑒2014》和《省級溫室氣體清單編制指南》中各類能源的CF、CC和COF值為主體，并利用IPCC數據進行補充；第二，IPCC默認各類能源的碳氧化率均為“1”，本研究則將各形態能源之間的碳氧化率之間存在差異考慮入內，大致為COF氣>COF液>COF固。

1.2 省際鐵路機車類型及能耗

我國鐵路在運機車主要分為內燃機車和電力機車兩類(蒸汽機車全國范圍內不超過15輛，可忽略不計)，其中內燃機車和電力機車在2012年的周轉量分別占全國的27.9%和72.1%，并且有內燃機車占比進一步降低的趨勢。內燃機車的主要動力能源為柴油，2012年全路內燃機車平均能耗可折合為39 kg標準煤/萬 t·km，電力機車的主要動力能源為電，2012年全路電力機車平均能耗可折合為13 kg標準煤/萬 t·km。從單位能耗數據可以直觀的看到，電力機車在能耗方面具有顯著優勢，目前我國也正在逐步擴大電力機車比例。根據《中國鐵道年鑒2013》，各省兩類機車的周轉比例及單位排放情況見表1。

通過表1可知，各鐵路局所轄省份的內燃機車與電力機車周轉比例存在顯著差異，總體來看煤炭高產區域往往電力機車周轉份額較高。與此同時，同類型機車的單位周轉能耗也存在省際差異，這類差異在內燃機車上體現的尤為明顯。

表1 各省鐵路機車組成結構

1.3 省際發電排放系數

由于不同省份間內燃機車所使用的柴油在單位排放方面不存在顯著差異，因此可以利用柴油排放系數結合省際內燃機車單位能耗計算內燃機車排放系數。然而各省電力機車所用電力在生產過程中的排放差異則較為明顯，需要根據各省發電的供能結構進行分別計算。

我國目前乃至未來很長一段時間都將是火電為主的電源結構，所以在測算各省發電單位CO2排放時采用了火電的數據，具體公式如下：

(3)

式中：Ei——i省生產單位煤電的CO2排放量，萬t/億kWh；

Hi——i省生產單位熱能排放量，萬t/萬GJ；

Di——i省用于發電的熱能總量，萬GJ；

Qj——第j種能源的發電用量，萬t/億m3；

Cj——j能源的CO2排放系數；

Ti——i省的發電總量，億kWh。

值得注意的是熱能作為間接能源無法直接得到，同樣需要根據各省熱力消費的能源供給結構來計算，公式如下：

(4)

式中：Hi——i省生產單位熱能的排放量，萬t/萬GJ；

Pj——第j種能源用于發熱總量，萬t/億m3；

Cj——j能源的CO2排放系數；

Ki——i省發熱總量，萬GJ。

根據上述公式以能源統計年鑒相關數據為基礎，結合各省電力機車單位耗能情況，可得省際發電及電力機車排放系數，如表2所示。

表2 各省單位發熱及單位發電CO2排放量

1.4 省際鐵路排放系數

經過上述準備工作，本研究已經具備公式(1)中計算省際鐵路排放系數所需的條件，即省際機車周轉比例，以及內燃機車和電力機車的排放系數，將上述數據帶入計算可得圖1。

圖1 省際鐵路排放系數

由圖1可知，省際鐵路的排放系數存在較為顯著的差異，單位排放量最高的云南省是北京市的2倍以上，這種差異由機車結構、機車單位能耗以及省際發電排放系數共同引起。本文將以此為基礎，測算目前國內煤炭流動中的各省排放情況，并制定相應的優化方案。

2 省際煤炭鐵路運輸排放現狀與理想情景分析

2.1 鐵路運煤排放現狀

為明確當前國內及各省鐵路運煤過程中的排放情況，本研究以《中國交通統計年鑒2015》中的省際煤炭流動統計數據為基礎，以省會城市作為各省煤炭調運的中心。與此同時，由于路網的復雜性及運煤線路的不確定性，本研究以省會間的直線距離代表煤炭省際鐵路調運路線，并將調出省份鐵路排放系數作為衡量省際運煤線路排放水平的重要指標。在此基礎上，可得各省由煤炭調出而引起的鐵路交通排放情況如表3所示。

全國鐵路在2014年省際煤炭調運過程中共產生CO2639萬t，其中山西、內蒙古和陜西三省(區)共運輸煤炭103540萬t，占運輸總量的63.3%，期間共產生CO2498萬t，占排放總量的77.9%。由于國內煤炭供需重心間存在顯著的地理差異，并且尚未對煤炭調運進行科學的規劃，在省際煤炭傳輸的過程中難免存在運輸效率低下及產生不必要CO2排放量等問題。本部分僅是根據省際鐵路運輸CO2排放系數對國內各省煤炭調運過程中產生的CO2排放情況進行了初步的描述?？蛇M一步設置相應的優化目標，通過對比分析現實情況與理想情景的差距對現狀進行適當的評價，就特定省份提出優化建議。

表3 2014年省際鐵路運煤排放現狀

2.2 最低全局排放情景

為了貼近國內外節能減排的政策導向，本研究在各輸入省份與輸出省份總需求量和供給量不變的情況下建立優化模型如下：

(5)

(6)

(7)

式中：ti——第i個輸出省份的鐵路CO2排放系數；

αij——第i省經鐵路調入至第j省的煤炭量；

Lij——i省與j省間的鐵路運輸距離，用兩省省會間的直線距離表示；

Rj——第j省的外來煤炭需求總量；

Ci——第i省的煤炭總調出量。

(5)為目標函數，(6)和(7)為限制條件。

根據上述模型，可得優化結果與現實情景的對比，如圖2所示。

優化情景中全國由煤炭運輸而引起的CO2排放量為492萬t，比真實情景下降了23.1%，其中排放量降低幅度最大的三個省(區)依次為內蒙古(190萬t)、黑龍江(17萬t)、陜西(12萬t)。與之相對應的是，山西、山東、天津等省(市)的鐵路排放量出現了或多或少的提升。這意味著相較于排放量可能達到最低情況，當前鐵路煤炭運輸格局確實存在一定的優化空間，可通過國家的統籌規劃實現整體升級與局部優化。

圖2 優化結果與真實情景的比較

3 結論

為了計算當前中國省際鐵路煤炭運輸過程中的CO2排放量，本研究通過計算各類能源排放系數以及省際發電排放系數，并收集各省鐵路機車組成結構與能耗信息，最終得到了30個省份的鐵路運輸的CO2排放系數。結果表明包括云南、四川、重慶在內的西南地區CO2排放系數普遍較高，而山西、內蒙古等煤炭主產區以及江蘇、浙江等東南沿海區域的鐵路運輸CO2排放系數則處于較低水平?？傮w來看，省際鐵路機車類型結構并不對總體排放系數產生顯著影響。造成鐵路排放差異的主要原因在于鐵路機車的單位能耗及電力機車耗電而產生的間接排放量水平差距，其中鐵路機車單位能耗差異主要與機車技術水平有關，技術先進的機車往往具有更高的能源使用效率，從而產生較低的單位排放量。而省際發電單位排放量則主要與用于發電的能源結構與發電機組技術水平密切相關，發電量較高的主要煤炭輸出省份以及經濟發達省份往往配套較為先進的發電技術，進而在對電力機車供能的過程中產生相對較低的間接CO2排放量。

在得到省際CO2排放系數的基礎上，通過對國內煤炭運輸的現實情況進行刻畫并通過整體排放量最低目標的引入，可以得到兩種情景下的國內省際煤炭鐵路調運情況，如圖3所示。

我國目前鐵路真實情景中省與省之間的煤炭運輸網絡較為復雜，各主要煤炭生產省份分別向全國各地供給煤炭，各主要需求省份的煤炭來源也包含國內各煤炭主產地，煤炭運輸的整體格局呈現出較為分散且無規律的狀態。而通過引入全局排放量最低目標后，國內煤炭運輸格局實現了顯著的簡化。該情景雖然在實現上存在一定的難度，但是此情景得到的結果可以較為鮮明地表現出國內煤炭鐵路調運潛在的發展方向，即為達成國內煤炭鐵路運輸的排放量優化，煤炭主產省份需要各自形成煤炭調出的輻射范圍，形成分工明確的煤炭調運體系，主要調出省份表現為山西省主要供給東北三省及東部沿海區域，內蒙古主要供給中部地區，陜西省主要供給西部及南部區域的趨勢。通過比較兩種情景下的省際排放情況還可以發現，煤炭運輸網絡經過升級后可能產生主要排放省份的身份互換情況，通過圖3可知，引入全局排放量最低目標后，山西和內蒙古以及山東和河南的排放地位兩兩交換，這說明實現國內煤炭鐵路運輸排放的優化需要對現有的運輸格局進行深入變革。與此同時，以山西、貴州、新疆為代表的國內煤炭產地在優化情景中的排放量均有降低，這說明目前國內鐵路煤炭調運存在顯著的減排空間，可進行產業升級。

圖3 兩種情景下的國內煤炭鐵路調運情況

4 政策建議

4.1 深化機車改造與結構升級，提升能源使用效率

通過對各省鐵路運輸排放系數進行分解可知，單位能耗區別是造成省際鐵路排放系數差異的最主要原因。因此可將存在較大煤炭外運需求且現有機車能量消耗顯著高于全國平均水平的省份(如陜西、貴州)為重點，進行有針對性的路網在運機車的改造和升級。與此同時，為全面降低鐵路能源消耗、提升能源使用效率，可在全國范圍內有針對性地展開鐵路機車的評估與技術升級，對于使用年限較長且排放超標的鐵路機車，可通過循環淘汰機制逐步更新。通過對各省內燃機車和電力機車單位排放量的比較可知，電力機車的排放系數要普遍低于內燃機車，同時還具有經濟、能源使用效率高、間接污染危害小等優勢。然而內燃機車目前在國內鐵路網中仍占有45%以上的份額，因此逐步提升電力機車比例既是國內路網機車結構升級的主要趨勢，同時也是有效降低運輸終端CO2排放量的另一個重要途徑。

4.2 以煤炭分類分級利用為指導，因地制宜組織煤炭調運

隨著國家煤炭生產重心和消費重心地理差異的不斷擴大，煤炭運輸的平均距離也在逐步提升，煤炭中的雜質在此過程中產生了大量的不必要能耗和排放量。然而，目前國家鐵路運煤網絡中來自不同省份、不同質量的煤炭都以平等的身份進行調運，這種現狀不僅會產生大量的鐵路運力浪費，還將降低下游煤炭終端消費者的使用效率，進而間接提升煤炭使用量與排放量，因此推進以煤炭質量確定運輸距離的模式勢在必行。在2015年1月正式實施的《商品煤質量評價與控制技術指南》中，也首次明確將煤炭質量與銷售距離聯系起來以達到高質煤外銷、低質煤地銷或者提質后外銷的目標，應以該指南為依據深入推進煤炭分級分類調運，確保國內鐵路煤炭運輸網絡優化升級順利實施。

4.3 匹配煤炭供需，統籌規劃煤炭鐵路運輸網絡

我國煤炭市場在從國家計劃到現今市場主導的過程中得到了迅猛發展，也在此過程中充分顯示出了市場自主調節的優勢。當前的國內煤炭調運情景能夠在鐵路運力限制下較好地滿足國內煤炭供需協調，但是從國家的視角看，現有的運輸網絡中存在一定的供需不合理匹配情況，進而導致不必要排放情況的出現。國家可在煤炭供需匹配過程中充分發揮體制優勢，以國內各省所處地理位置及其對于煤炭的供需情況為基礎，結合 鐵路網絡分布及運輸能力，對于宏觀上的煤炭流動方向提供指導性建議以避免由于長距離煤炭調運而產生的無效排放情況。煤炭主要輸出省份之間可在此基礎上通過有效的溝通協調機制分配各自煤炭供給的輻射范圍，加強配合協作，最終達成低碳高效的煤炭鐵路運輸格局。

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(責任編輯 宋瀟瀟)

Study on CO2emission from interprovincial railway coal transportation and transport pattern optimization

Lv Tao, Wang Fei, Liu Feng

(China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

In order to calculate provincial CO2emission in present coal transportation pattern and find out the reason of provincial differences, the provincial emission coefficients of each province were achieved after calculating each province's emission factors of diesel locomotive and electric locomotive and collecting data of turnover ratios of these two kinds of locomotives. Using this coefficient to calculate railway emissions of coal transportation of 2014. Based on that, a scenario of minimized total CO2emission was introduced to analyze the existing problems of present railway coal transportation and some feasible optimization plans were offered.

railway emission coefficient, low-carbon transportation, CO2emission, coal transportation

教育部博士點基金(20130095110002)，教育部人文社科規劃基金(16YJA790037)，國家自然基金項目(71173218)

呂濤，王飛，劉風. 中國跨區域鐵路煤炭運輸CO2排放及運輸格局優化研究[J].中國煤炭，2017，43(5)：16-21，33. Lv Tao, Wang Fei, Liu Feng. Study on CO2emission from interprovincial railway coal transportation and transport pattern optimization[J].China Coal，2017，43(5)：16-21，33.

TD-9

A

呂濤(1974-)，男，江蘇沛縣人，博士，中國礦業大學教授、博士生導師，江蘇高校國際能源政策研究中心、江蘇能源經濟管理基地主任，主要研究方向為能源經濟管理、煤炭物流與供應鏈管理等。