大氣質(zhì)量紅線約束下西安煤炭消費(fèi)總量控制研究

文 _ 謝宏皓 西安節(jié)能協(xié)會(huì)

當(dāng)前，我國面臨著資源、環(huán)境、生態(tài)和氣候變化等多個(gè)方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，“十三五”規(guī)劃中也明確提出要堅(jiān)決遏制生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢(shì)，并且在總體上使之有明顯的改善。同時(shí)，“十三五”中后期是我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，控制煤炭消費(fèi)總量是調(diào)整和優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵舉措，也是貫徹落實(shí)國家《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》、《重點(diǎn)地區(qū)煤炭消費(fèi)減量替代管理暫行辦法》、《陜西省鐵腕治霾打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)方案（2018—2020年）》等有關(guān)文件精神的必要舉措。

西安市煤控目標(biāo)的制定必須要滿足空氣質(zhì)量、公共健康、水資源和氣候變化等約束條件。經(jīng)多方研究表明，煤炭燃燒是造成西安大氣污染物PM10和PM2.5濃度過高的主要原因之一，燃煤對(duì)PM2.5形成的貢獻(xiàn)率約為25%左右。因此，在大氣質(zhì)量紅線約束下，研究調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，控制煤炭消費(fèi)總量，降低污染物排放，對(duì)改善空氣質(zhì)量具有長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略和現(xiàn)實(shí)意義。

1 西安地區(qū)空氣質(zhì)量現(xiàn)狀分析

西安位于關(guān)中盆地中部，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季稍冷少雨。2017年，優(yōu)良天數(shù)比例為49.3%，同比下降3.2個(gè)百分點(diǎn)，主要污染物為細(xì)顆粒物（PM2.5）。PM2.5濃度為73μg/m3，同比上升2.8%；PM10濃度為130μg/m3，同比下降5.1%；在PM10持續(xù)下降的情況下，PM2.5不降反升。2017年冬季供暖期間空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，未出現(xiàn)極端空氣污染天氣，但全市的NOX、PM10和PM2.5年均濃度依然不達(dá)標(biāo)，大氣質(zhì)量持續(xù)惡劣。

冬季供暖期空氣質(zhì)量較差的原因，主要有3個(gè)方面：①由于采暖導(dǎo)致煤炭尤其是散燒煤的消耗量大幅度增大，各種大氣污染物的排放量隨之增加；②冬季地面輻射冷卻作用導(dǎo)致早晚近地面層氣溫迅速下降，容易在大氣垂直面上形成逆溫層，導(dǎo)致污染物不容易向外擴(kuò)散，并且使地面風(fēng)力減弱，空氣中的懸浮離子因而在近地面層積聚使空氣質(zhì)量變得惡劣；③西安地區(qū)冬季降水稀少，僅占全年降水量的3.7%，使得在冬季降雨對(duì)大氣中顆粒物的清除作用明顯減弱，因此冬季空氣質(zhì)量遠(yuǎn)比其余時(shí)間差；④關(guān)中盆地獨(dú)特的地理和冬季氣象條件，不利于污染物的擴(kuò)散，輸入性污染物占地區(qū)污染物總量的20%～33%。

2 西安能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)分析

西安市能源消費(fèi)品種以煤炭為主。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)和研究，2016年全社會(huì)能源消費(fèi)總量為2483.06萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，比2015年下降3.59%，能源消費(fèi)彈性系數(shù)為-0.422。煤炭消費(fèi)總量為1350.08萬t，占全市一次能源消費(fèi)總量的50.97%；原油占全市一次能源消費(fèi)總量的33.01%；天然氣占全市一次能源消費(fèi)總量的14.96%；可再生能源發(fā)電量占全市一次能源消費(fèi)總量的1.06%。其中電力占了西安煤炭消耗量占比達(dá)46.9%，供熱耗煤占總?cè)济毫康?2.4%，所以電力和供熱行業(yè)是實(shí)施煤炭總量控制的關(guān)鍵所在。

3 大氣污染物約束下西安煤炭消費(fèi)情景測(cè)算

以2020年P(guān)M2.5全面達(dá)標(biāo)為目標(biāo)來計(jì)算2020年西安市污染物的排放量目標(biāo)，主要針對(duì)SO2、NOX以及煙塵。首先進(jìn)行污染源調(diào)查，采取支持向量機(jī)模型建模，對(duì)于機(jī)動(dòng)車和揚(yáng)塵這部分完全不受煤炭的影響的排放源，本研究對(duì)其進(jìn)行固化處理，以機(jī)動(dòng)車所排放的PM2.5和NOX、散煤燃燒、蒸發(fā)量是10～50t/h的工業(yè)鍋爐、集中供熱鍋爐、電站鍋爐和生物質(zhì)燃燒所釋放的SO2、NOX及煙塵量等為二次變量，以SO2、NOx和PM2.5年均濃度為輸出變量，并根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)污染源估算進(jìn)行修正。

通過迭代計(jì)算分別得出:①SO2減排17%；②NOX減排21%；③PM2.5年均濃度下降至51μg/m3；④NOX年均濃度降至40μg/m3。在滿足以上條件下，2020年西安市煤炭的消費(fèi)總量，利用短板效應(yīng)分析，選取PM2.5年均濃度降至51μg/m3為煤控的大氣紅線約束條件，需要在2015年的基礎(chǔ)上削減煤炭消費(fèi)278萬t，即煤炭消費(fèi)紅線為1121萬t。

4 大氣污染物約束下控制煤炭消費(fèi)的有效措施

4.1 清潔替代能源

（1）以電代煤

根據(jù)居民散燒煤、工業(yè)窯爐（未加裝污染物脫除設(shè)備）和電站鍋爐的排放系數(shù)，結(jié)合煤炭在終端的能量使用效率，可以得出：用電能代替居民散燒煤，每替代1t散煤可以使煙塵排放量降低9.79kg、SO2降低19.34kg、NOX降低0.922kg，三種大氣污染物的降幅分別達(dá)到97.91%、93.27%和56.91%。如果用電能替代工業(yè)窯爐燃煤，每替代1t燃煤可以使煙塵的排放量降低19.67kg、SO2降低21.81kg、NOX降低6.40kg，三種大氣污染物的降幅分別達(dá)到98.35%、90.86%和85.37%。

以電代煤可以使西安地區(qū)年度煙塵排放量降低3630t、SO2降低6874t、NOX降低1662t，CO2減排92.4萬t。預(yù)計(jì)到2020年，全社會(huì)的用電量將達(dá)到430億kWh，其中替煤用電7.28億kWh，折合24.57萬tce。

（2）以氣代煤

城市集中供熱的大型鍋爐應(yīng)逐步納入“煤改氣”實(shí)施計(jì)劃。使用天然氣替代散煤可以使NOX降低0.392 kg/t，減排幅度為24.19%；替代窯爐燃煤可以使NOX降低5.93kg/t，減排幅度為79.05%；替代工業(yè)鍋爐燃煤可以使NOX降低5.944 kg/t，減排幅度為79.26%。

另外，使用天然氣替代燃煤基本可以實(shí)現(xiàn)粉塵顆粒物和SO2的超低排放。并且對(duì)于改用燃燒天然氣的工業(yè)鍋爐加裝冷凝式換熱器，吸收煙氣中水蒸汽的氣化潛熱，進(jìn)一步提高效率，減少燃料用量，降低碳排放。同時(shí)冷凝式換熱器能回收煙氣中約50%的水，可達(dá)32.13萬t。

到2020年，西安市每年有128.44萬t的煤改為天然氣，需要消耗天然氣6.39億m3，替代后可以使粉塵顆粒物的排放每年降低6763.94t、NOX排放量降低4151.81t、SO2排放量降低9024.67t。

（3）新能源

采用太陽能、秸稈成型燃料供熱技術(shù)、地?zé)崮芗夹g(shù)來控制煤炭消費(fèi)總量，改善大氣質(zhì)量。到2020年，西安市利用地?zé)崮芄┡ㄖ评洌┟娣e達(dá)到6600萬m2，其中淺層地溫能和水源、污水源供暖（制冷）面積達(dá)到2800萬m2，水熱型地?zé)崮芄┡ㄖ评洌┟娣e達(dá)到800萬m2，地?zé)崮苤猩顚尤峁┡ㄖ评洌┟娣e達(dá)到3000萬m2，將折合替代燃煤消費(fèi)56.12萬tce。預(yù)計(jì)2020年西安市使用太陽能集熱系統(tǒng)面積達(dá)到238萬m2，新增太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)容量31萬kW，太陽能路燈達(dá)到4萬盞。可替代折合10.74萬tce的發(fā)電煤炭消費(fèi)，可實(shí)現(xiàn)NOX減排114t、SO2減排228t、煙塵減排34t、CO2減排34.73萬t。

4.2 煤炭潔凈利用技術(shù)

煤炭潔凈利用技術(shù)主要包括大型熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐的節(jié)能減排；鼓勵(lì)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)施大氣污染物排放濃度達(dá)到或接近燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值的環(huán)保改造；對(duì)于較大容量的燃煤工業(yè)鍋爐，加強(qiáng)對(duì)其污染物減排的要求，實(shí)施超低排放改造，確保滿足最低技術(shù)出力以上全負(fù)荷、全時(shí)段穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放要求。

實(shí)行相應(yīng)潔凈煤技術(shù)后，可大幅度減少污染物排放，提升大氣質(zhì)量。根據(jù)西安市第二產(chǎn)業(yè)中燃煤工業(yè)鍋爐的分布情況，對(duì)于30蒸噸以上的大型工業(yè)鍋爐，可以通過提高燃燒效率、合理利用余熱等方式減少燃煤消耗6.11萬t標(biāo)煤。

5 結(jié)束語

煤炭消費(fèi)，特別是散煤燃燒造成大氣顆粒物PM10和PM2.5濃度過高的主要原因之一，因此控制煤炭消費(fèi)成為解決能源環(huán)境問題的有效辦法。由于煤炭消費(fèi)總量的控制值是一個(gè)動(dòng)態(tài)和相對(duì)的約束值，與煤炭使用情況、大氣污染物的排放和削減情況以及控制目標(biāo)等因素息息相關(guān)，因此在大氣污染物排放的總量約束下，按照“控制總量、提高效率、梯次推進(jìn)、保障供應(yīng)”的原則，大力實(shí)施減量化、替代化和清潔利用將有效控制煤炭的消費(fèi)總量，優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，提升大氣質(zhì)量。