河南省電力行業煤炭消費總量控制及其環境影響評估

楊書嫻 王姍姍 王克 劉賽男 張鵬舉 張瑞芹

(鄭州大學化學與分子工程學院，河南省鄭州市，450000)

★ 經濟管理 ★

河南省電力行業煤炭消費總量控制及其環境影響評估

楊書嫻 王姍姍 王克 劉賽男 張鵬舉 張瑞芹

(鄭州大學化學與分子工程學院，河南省鄭州市，450000)

利用情景分析法和LEAP模型預測2015-2030年河南省電力行業煤炭消費總量和環境污染物排放情況，主要設置5種情景：基準情景、新能源情景、能效改善情景、天然氣替代情景和煤炭總量控制情景。結果表明：在煤炭總量控制情景中，煤炭消費總量在2025年達到峰值128 Mt，提高能源利用效率相對于發展新能源發電和天然氣替代煤炭發電在實現煤炭消費總量控制目標方面的實施效果更好；2030年新能源情景、能效改善情景、天然氣替代情景和煤炭總量控制情景相對于基準情景CO2減排潛力分別為11.85%、19.59%、0.69%和28.84%；2030年煤炭總量控制情景下SO2、NOX和TSP的排放量將比2015年減少247.0 kt、412.4 kt和119.3 kt，要實現超低排放目標，必須采用更加先進的末端治理技術。

電力行業 情景分析 煤炭消費總量控制 CO2排放 污染物排放

作為發展中國家，能源的安全穩定供應是關系到我國經濟發展和社會穩定的基礎資源，我國以煤為主的能源結構決定了煤炭的重要地位，煤炭消費促進了經濟的增長，滿足了人類生產生活的需求，為國家發展做出了突出貢獻。然而煤炭在開發和利用的同時也在破環生態環境和危害公眾身體健康。

關于煤炭消費總量控制，大多數學者著重于對中國整體的研究。陳瀟君基于情景分析方法，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；袁家海對中國電力行業煤炭消費總量進行了預測；羅宏基于大氣污染的約束分析，將中國煤炭消費總量控制分解到地方層面。針對省級及以下層面，謝放尖對南京市未來煤炭消費趨勢進行了情景分析；金穎對上海市煤炭消費現狀進行了預測分析。

針對電力行業的節能減排，國內外都做了大量的研究。Kale、Perwez和?zer分別對印度特拉省、巴基斯坦和土耳其的電力行業需求側與供應側進行了詳細分析，得出相對于基準情景下具體的CO2減排潛力比例；Mishra從印度潔凈煤技術不同推廣比例角度對其CO2減排潛力進行了情景預測。張穎、Cai利用LEAP模型模擬分析了3種不同政策情景下中國電力行業的排放情況。在省級層面，王麗輝等對河北省的火力發電及新能源發電的CO2減排量進行了計算；崔繼憲對山東省電力行業的溫室氣體和SO2、NOX、PM等主要大氣污染減排以及排放核算進行了研究。

河南省作為華中電網的火電基地，電力行業的碳排放峰值目標的實現是河南省早日實現碳排放峰值目標的首要挑戰之一。因此，對河南省電力行業未來煤炭消費總量控制目標和溫室氣體及大氣污染物減排潛力進行研究具有非常重要的意義。

1 研究方法及數據來源

1.1 LEAP模型

根據河南省電力行業的火電機組規模、發電能源種類以及發電技術等特點設定模型結構。LEAP模型的計算過程分為行業活動水平、能源需求計算、CO2與污染物排放量計算3個階段。

1.1.1 行業活動水平

Gi=G×ai

(1)

式中：G——電力行業的總發電量，kWh；

Gi——技術設備i的發電量，kWh；

ai——技術設備i的發電量占總發電量的比例，%。

1.1.2 能源需求計算

(2)

式中：D——電力行業能源需求總量，GJ；

en,i——技術設備i需要的能源品種n的單位能耗，GJ/kWh。

1.1.3 CO2與污染物排放量計算

(3)

式中：GE——電力行業CO2或污染物排放總量，t；

fn,i——排放因子，t/GJ。

1.2 情景設置與分析

1.2.1 情景描述

本研究以2015年為基準年，設定5種情景：基準情景、新能源情景、能效改善情景、天然氣替代情景和煤炭總量控制情景，分析技術及政策調整對發電比例的影響，如表1所示。在不同情景中進行了不同能源、發電機組及技術的發電量比例設定，來反映河南省電力行業未來的政策調整和發展趨勢，如表2所示。

1.2.2 電力需求量與發電量的預測

本研究利用組合預測法對2015-2030年河南省電力需求量進行了預測，對于河南省電力年凈調入量則是根據2006-2015年的歷史數據通過趨勢法分析確定的，如表3所示。

表1 河南省電力行業5種情景描述

表2 不同情景下發電量比例設定 %

表3 2015-2030年電力行業發電量情況 億kWh

1.3 數據來源

計算燃煤電廠二氧化碳和污染物排放所需數據主要來源于《河南省統計年鑒》和《中國電力年鑒》以及對河南省燃煤電廠的調查等。

2 結果分析與討論

2.1 河南省電力行業發電結構

2020年和2030年不同情景下河南省電力行業發電結構如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可以看出，電力行業的燃煤發電一直處于主導地位，預計到2020年河南省燃煤發電所占比例在80%左右，到2030年，新能源情景和綜合情景中燃煤發電比例下降到65%。通過積極發展以氣代煤和新能源發電比例提高，到2020年基準情景和能效改善情景中非化石能源發電量占總發電量的11.67%，到2030年比重增加到18.58%。而在新能源情景和煤炭總量控制情景中，到2020年河南省非化石能源發電量占總發電量的15.37%，到2030年所占比例提升到28.08%。

圖1 2020年不同情景下河南省電力行業發電結構

圖2 2030年不同情景下河南省電力行業發電結構

2.2 燃煤發電中煤炭消費總量分析

不同情景下河南省燃煤發電中煤炭消費總量的預測情況如圖3所示。基準情景中2020年河南省發電耗煤為147.86 Mt，2030年發電耗煤為183.62 Mt，煤炭消費量一直處于增長趨勢。而新能源情景、能效改善情景和天然氣替代情景中，2020年發電耗煤分別為141.26 Mt、132.52 Mt和145.19 Mt，2030年發電耗煤分別為160.18 Mt、149.73 Mt和176.22 Mt。在煤炭總量控制情景中，2020年發電耗煤為124.20 Mt，2030年發電耗煤為124.58 Mt，有望在2025年達到峰值，實現煤炭消費總量的控制目標。

2.3 河南省電力行業CO2減排潛力分析

2014-2030年河南省電力行業CO2排放量預測情況如圖4所示。

圖3 不同情景中2014-2030年河南省燃煤發電煤炭消費總量預測

圖4 不同情景中2014-2030年河南省電力行業CO2排放量預測

基準情景中，2020年電力行業CO2排放量為284.63 Mt，2030年排放量達361.03 Mt。新能源情景中，2015-2025年，河南省電力行業CO2排放量穩定增長，2025-2030年，增長趨勢變緩，2030年CO2排放量達318.24 Mt。能效改善情景中，受一系列控煤措施的影響，2030年CO2排放量為290.29 Mt。而在天然氣替代情景中，CO2的減排效果不太明顯，主要是由于河南省電力行業一次能源消費中煤炭占比過高，天然氣等清潔能源占比過低。煤炭總量控制情景中，2020年CO2排放量為245.41 Mt，2030年排放量為256.96 Mt，與基準情景相比，碳減排潛力達到28.84%，在2025年左右達到碳排放峰值。

2.4 河南省電力行業污染物減排潛力分析

2.4.1 河南省電力行業污染物排放情況

考慮未來河南省電力行業超低排放的要求，假設基準情景和煤炭總量控制情景下2020年燃煤電廠全部達到《火電廠大氣污染物排放標準》中的排放限值，2030年全部達到超低排放要求。基準情景下河南省2020年SO2、NOX、TSP的排放量分別為83.2 kt、166.4 kt、33.28 kt，2030年各污染物的排放量分別減少到72.3 kt、103.3 kt、10.3 kt。煤炭總量控制情景下河南省2020年SO2、NOX、TSP的排放量分別為69.9 kt、139.8 kt、28.0 kt，2030年分別為49.1 kt、70.1 kt、7.0 kt。在更為嚴格的污染物排放約束條件下，煤炭總量控制情景與基準情景相比，2020年SO2、NOX、TSP的污染物排放量分別比基準情景下降了13.3 kt、26.6 kt、5.3 kt，2030年分別下降了23.3 kt、32.2 kt、3.3 kt。

圖5 2020年基準情景與煤炭總量控制情景電力行業污染物排放比較

圖6 2030年基準情景與煤炭總量控制情景電力行業污染物排放比較

根據情景設定及分析預測結果，如圖5、圖6所示，2020年、2030年電力行業污染物排放量相比2015年的排放水平呈現較大的下降幅度。具體來說，在煤炭總量控制情景中，相比2015年的排放水平，2020年SO2排放量下降至2015年的23.60%，2030年下降至16.57%；NOX的排放量在2020年時下降至2015年水平的28.97%，2030年下降至14.53%；TSP的排放量在2020年時下降至2015年水平的22.13%，2020年進一步下降至5.55%。

2.4.2 不同措施對大氣污染物減排的貢獻

對煤炭總量控制情景中2030年相對于2015年水平的污染物減排量進行分解分析，如圖7所示，從圖7可以看出，污染物去除措施對污染物減排的貢獻要遠遠大于降低能耗的措施，而發電量的增長是驅動排放增長的因素。以SO2為例，在247.05 kt的減排量中，247.79 kt是由污染物去除措施引起的，28.42 kt是由降低能耗措施引起的，發電量的增長導致了29.16 kt的排放增長。

圖7 煤炭總量控制情景大氣污染物排放變化分解

3 結論與建議

3.1 結論

(1)河南省2015-2030年的電力行業煤炭消費總量將呈顯著增長趨勢。預計到2020年煤炭消費總量為124.20～147.86 Mt，到2030年將達到124.58～183.62 Mt。

(2)煤炭消費量增加的同時伴隨著大量的CO2排放，2020年河南省電力行業的CO2排放量為245.41～291.38 Mt，到2030年電力行業的CO2排放量將達到256.91～361.03 Mt。

(3)河南省電力行業污染物排放量的下降潛力是巨大的，末端治理技術的升級和改造對于減少污染物的排放有著重要作用。

3.2 建議

(1)提高火力發電的能效和技術。提高火電發電效率、降低發電煤耗是實現煤炭消費總量控制和降低CO2及污染物排放的有效途徑。可以通過不斷提升超超臨界等高效燃煤發電機組比例，積極推動IGCC及CCS等潔凈煤技術研發，降低機組發電煤耗，運用國內外大型火電廠先進、成熟、可靠的優化技術和成功經驗，加大節能新技術、新工藝、新產品在新建機組中的應用，促進商業化應用、持續推進節能技術改造等方式來實現這一目標。

(2)提高非化石能源發電比重。未來新能源發電占比的提高對CO2及污染物減排的貢獻將會越來越大。因此應大力發展風電、太陽能發電、核電以及生物質能發電等新能源發電方式，穩步提升新能源發電比例，逐漸降低燃煤發電比例。

(3)優化火力發電結構與布局。未來相當長的一段時間內河南省電力行業仍將以燃煤發電為主，因此需要特別重視煤電綠色發展。例如：持續推進“上大壓小”，對煤電機組結構不斷進行優化，淘汰落后機組，積極發展熱電聯產，重視提高清潔化石能源在電力行業中的發電占比，使火電機組向清潔方向發展。

(4)加大末端治理技術的升級改造及推廣。超低排放改造對于河南省電力行業污染物的節能減排起著重要的作用。河南省在對電力行業進行超低排放改造的同時應加大對小機組超低排放改造的重視；進一步加大對煤電節能減排重大關鍵技術和設備研發的支持力度，通過引進與自主開發相結合，掌握最先進的燃煤發電除塵、脫硫、脫硝等技術，同時，通過排污收費等措施為超低排放改造提供政策和制度激勵。

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[6] 金穎.上海市煤炭消費總量控制研究[J].上海煤氣，2013(6)

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AssessmentoftotalcoalconsumptioncontrolandenvironmentalimpactintheutilityindustryofHenanprovince

Yang Shuxian, Wang Shanshan, Wang Ke, Liu Sainan, Zhang Pengju, Zhang Ruiqin

(College of Chemistry and Molecular Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan 450000, China)

Scenario analysis and LEAP model were used to study the amount of coal consumption, pollutant emission of the utility industry under five scenarios (baseline scenario, new energy scenario, energy improvement scenario, natural gas alternative scenario and total coal control scenario) during 2015-2030 in Henan province. The results showed that in total coal control scenario, the total coal consumption reached its peak of 128 million tons in 2025. In the realization of total coal consumption control objectives, energy improvement scenario was better than new energy scenario and natural gas alternative scenario. Compared with baseline scenario, by 2030, the CO2emission reduction potentials of new energy scenario, energy improvement scenario, natural gas alternative scenario and total coal control scenario were 11.85%, 19.59%, 0.69% and 28.84%, respectively. Compared with the level of 2015, the SO2, NOXand TSP emissions in the integrated scenario of 2030 were reduced by 247.0 kilotons, 412.4 kilotons and 119.3 kilotons. To realize the ultra-low emission target, more advanced end managing treatment technology must be adopted.

utility industry, scenario analysis, total control of coal consumption, carbon emission, pollutant emission

楊書嫻，王姍姍，王克等.河南省電力行業煤炭消費總量控制及其環境影響評估[J].中國煤炭，2017，43(10):15-20.

Yang Shuxian, Wang Shanshan, Wang Ke，et al. Assessment of total coal consumption control and environmental impact in the utility industry of Henan province [J].China Coal，2017，43(10):15-20.

TD-9

A

楊書嫻(1991-)，女，河北邢臺人，碩士研究生，主要研究方向為節能減排。

(責任編輯 宋瀟瀟)