河南省电力行业煤炭消费总量控制及其环境影响评估

杨书娴 王姗姗 王克 刘赛男 张鹏举 张瑞芹

(郑州大学化学与分子工程学院，河南省郑州市，450000)

★ 经济管理 ★

河南省电力行业煤炭消费总量控制及其环境影响评估

杨书娴 王姗姗 王克 刘赛男 张鹏举 张瑞芹

(郑州大学化学与分子工程学院，河南省郑州市，450000)

利用情景分析法和LEAP模型预测2015-2030年河南省电力行业煤炭消费总量和环境污染物排放情况，主要设置5种情景：基准情景、新能源情景、能效改善情景、天然气替代情景和煤炭总量控制情景。结果表明：在煤炭总量控制情景中，煤炭消费总量在2025年达到峰值128 Mt，提高能源利用效率相对于发展新能源发电和天然气替代煤炭发电在实现煤炭消费总量控制目标方面的实施效果更好；2030年新能源情景、能效改善情景、天然气替代情景和煤炭总量控制情景相对于基准情景CO2减排潜力分别为11.85%、19.59%、0.69%和28.84%；2030年煤炭总量控制情景下SO2、NOX和TSP的排放量将比2015年减少247.0 kt、412.4 kt和119.3 kt，要实现超低排放目标，必须采用更加先进的末端治理技术。

电力行业 情景分析 煤炭消费总量控制 CO2排放 污染物排放

作为发展中国家，能源的安全稳定供应是关系到我国经济发展和社会稳定的基础资源，我国以煤为主的能源结构决定了煤炭的重要地位，煤炭消费促进了经济的增长，满足了人类生产生活的需求，为国家发展做出了突出贡献。然而煤炭在开发和利用的同时也在破环生态环境和危害公众身体健康。

关于煤炭消费总量控制，大多数学者着重于对中国整体的研究。陈潇君基于情景分析方法，研究了2020年、2030年空气质量改善需求对地区大气污染物排放总量与煤炭消费总量的约束作用；袁家海对中国电力行业煤炭消费总量进行了预测；罗宏基于大气污染的约束分析，将中国煤炭消费总量控制分解到地方层面。针对省级及以下层面，谢放尖对南京市未来煤炭消费趋势进行了情景分析；金颖对上海市煤炭消费现状进行了预测分析。

针对电力行业的节能减排，国内外都做了大量的研究。Kale、Perwez和Özer分别对印度特拉省、巴基斯坦和土耳其的电力行业需求侧与供应侧进行了详细分析，得出相对于基准情景下具体的CO2减排潜力比例；Mishra从印度洁净煤技术不同推广比例角度对其CO2减排潜力进行了情景预测。张颖、Cai利用LEAP模型模拟分析了3种不同政策情景下中国电力行业的排放情况。在省级层面，王丽辉等对河北省的火力发电及新能源发电的CO2减排量进行了计算；崔继宪对山东省电力行业的温室气体和SO2、NOX、PM等主要大气污染减排以及排放核算进行了研究。

河南省作为华中电网的火电基地，电力行业的碳排放峰值目标的实现是河南省早日实现碳排放峰值目标的首要挑战之一。因此，对河南省电力行业未来煤炭消费总量控制目标和温室气体及大气污染物减排潜力进行研究具有非常重要的意义。

1 研究方法及数据来源

1.1 LEAP模型

根据河南省电力行业的火电机组规模、发电能源种类以及发电技术等特点设定模型结构。LEAP模型的计算过程分为行业活动水平、能源需求计算、CO2与污染物排放量计算3个阶段。

1.1.1 行业活动水平

Gi=G×ai

(1)

式中：G——电力行业的总发电量，kWh；

Gi——技术设备i的发电量，kWh；

ai——技术设备i的发电量占总发电量的比例，%。

1.1.2 能源需求计算

(2)

式中：D——电力行业能源需求总量，GJ；

en,i——技术设备i需要的能源品种n的单位能耗，GJ/kWh。

1.1.3 CO2与污染物排放量计算

(3)

式中：GE——电力行业CO2或污染物排放总量，t；

fn,i——排放因子，t/GJ。

1.2 情景设置与分析

1.2.1 情景描述

本研究以2015年为基准年，设定5种情景：基准情景、新能源情景、能效改善情景、天然气替代情景和煤炭总量控制情景，分析技术及政策调整对发电比例的影响，如表1所示。在不同情景中进行了不同能源、发电机组及技术的发电量比例设定，来反映河南省电力行业未来的政策调整和发展趋势，如表2所示。

1.2.2 电力需求量与发电量的预测

本研究利用组合预测法对2015-2030年河南省电力需求量进行了预测，对于河南省电力年净调入量则是根据2006-2015年的历史数据通过趋势法分析确定的，如表3所示。

表1 河南省电力行业5种情景描述

表2 不同情景下发电量比例设定 %

表3 2015-2030年电力行业发电量情况 亿kWh

1.3 数据来源

计算燃煤电厂二氧化碳和污染物排放所需数据主要来源于《河南省统计年鉴》和《中国电力年鉴》以及对河南省燃煤电厂的调查等。

2 结果分析与讨论

2.1 河南省电力行业发电结构

2020年和2030年不同情景下河南省电力行业发电结构如图1和图2所示。由图1和图2可以看出，电力行业的燃煤发电一直处于主导地位，预计到2020年河南省燃煤发电所占比例在80%左右，到2030年，新能源情景和综合情景中燃煤发电比例下降到65%。通过积极发展以气代煤和新能源发电比例提高，到2020年基准情景和能效改善情景中非化石能源发电量占总发电量的11.67%，到2030年比重增加到18.58%。而在新能源情景和煤炭总量控制情景中，到2020年河南省非化石能源发电量占总发电量的15.37%，到2030年所占比例提升到28.08%。

图1 2020年不同情景下河南省电力行业发电结构

图2 2030年不同情景下河南省电力行业发电结构

2.2 燃煤发电中煤炭消费总量分析

不同情景下河南省燃煤发电中煤炭消费总量的预测情况如图3所示。基准情景中2020年河南省发电耗煤为147.86 Mt，2030年发电耗煤为183.62 Mt，煤炭消费量一直处于增长趋势。而新能源情景、能效改善情景和天然气替代情景中，2020年发电耗煤分别为141.26 Mt、132.52 Mt和145.19 Mt，2030年发电耗煤分别为160.18 Mt、149.73 Mt和176.22 Mt。在煤炭总量控制情景中，2020年发电耗煤为124.20 Mt，2030年发电耗煤为124.58 Mt，有望在2025年达到峰值，实现煤炭消费总量的控制目标。

2.3 河南省电力行业CO2减排潜力分析

2014-2030年河南省电力行业CO2排放量预测情况如图4所示。

图3 不同情景中2014-2030年河南省燃煤发电煤炭消费总量预测

图4 不同情景中2014-2030年河南省电力行业CO2排放量预测

基准情景中，2020年电力行业CO2排放量为284.63 Mt，2030年排放量达361.03 Mt。新能源情景中，2015-2025年，河南省电力行业CO2排放量稳定增长，2025-2030年，增长趋势变缓，2030年CO2排放量达318.24 Mt。能效改善情景中，受一系列控煤措施的影响，2030年CO2排放量为290.29 Mt。而在天然气替代情景中，CO2的减排效果不太明显，主要是由于河南省电力行业一次能源消费中煤炭占比过高，天然气等清洁能源占比过低。煤炭总量控制情景中，2020年CO2排放量为245.41 Mt，2030年排放量为256.96 Mt，与基准情景相比，碳减排潜力达到28.84%，在2025年左右达到碳排放峰值。

2.4 河南省电力行业污染物减排潜力分析

2.4.1 河南省电力行业污染物排放情况

考虑未来河南省电力行业超低排放的要求，假设基准情景和煤炭总量控制情景下2020年燃煤电厂全部达到《火电厂大气污染物排放标准》中的排放限值，2030年全部达到超低排放要求。基准情景下河南省2020年SO2、NOX、TSP的排放量分别为83.2 kt、166.4 kt、33.28 kt，2030年各污染物的排放量分别减少到72.3 kt、103.3 kt、10.3 kt。煤炭总量控制情景下河南省2020年SO2、NOX、TSP的排放量分别为69.9 kt、139.8 kt、28.0 kt，2030年分别为49.1 kt、70.1 kt、7.0 kt。在更为严格的污染物排放约束条件下，煤炭总量控制情景与基准情景相比，2020年SO2、NOX、TSP的污染物排放量分别比基准情景下降了13.3 kt、26.6 kt、5.3 kt，2030年分别下降了23.3 kt、32.2 kt、3.3 kt。

图5 2020年基准情景与煤炭总量控制情景电力行业污染物排放比较

图6 2030年基准情景与煤炭总量控制情景电力行业污染物排放比较

根据情景设定及分析预测结果，如图5、图6所示，2020年、2030年电力行业污染物排放量相比2015年的排放水平呈现较大的下降幅度。具体来说，在煤炭总量控制情景中，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年时下降至2015年水平的28.97%，2030年下降至14.53%；TSP的排放量在2020年时下降至2015年水平的22.13%，2020年进一步下降至5.55%。

2.4.2 不同措施对大气污染物减排的贡献

对煤炭总量控制情景中2030年相对于2015年水平的污染物减排量进行分解分析，如图7所示，从图7可以看出，污染物去除措施对污染物减排的贡献要远远大于降低能耗的措施，而发电量的增长是驱动排放增长的因素。以SO2为例，在247.05 kt的减排量中，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，发电量的增长导致了29.16 kt的排放增长。

图7 煤炭总量控制情景大气污染物排放变化分解

3 结论与建议

3.1 结论

(1)河南省2015-2030年的电力行业煤炭消费总量将呈显著增长趋势。预计到2020年煤炭消费总量为124.20～147.86 Mt，到2030年将达到124.58～183.62 Mt。

(2)煤炭消费量增加的同时伴随着大量的CO2排放，2020年河南省电力行业的CO2排放量为245.41～291.38 Mt，到2030年电力行业的CO2排放量将达到256.91～361.03 Mt。

(3)河南省电力行业污染物排放量的下降潜力是巨大的，末端治理技术的升级和改造对于减少污染物的排放有着重要作用。

3.2 建议

(1)提高火力发电的能效和技术。提高火电发电效率、降低发电煤耗是实现煤炭消费总量控制和降低CO2及污染物排放的有效途径。可以通过不断提升超超临界等高效燃煤发电机组比例，积极推动IGCC及CCS等洁净煤技术研发，降低机组发电煤耗，运用国内外大型火电厂先进、成熟、可靠的优化技术和成功经验，加大节能新技术、新工艺、新产品在新建机组中的应用，促进商业化应用、持续推进节能技术改造等方式来实现这一目标。

(2)提高非化石能源发电比重。未来新能源发电占比的提高对CO2及污染物减排的贡献将会越来越大。因此应大力发展风电、太阳能发电、核电以及生物质能发电等新能源发电方式，稳步提升新能源发电比例，逐渐降低燃煤发电比例。

(3)优化火力发电结构与布局。未来相当长的一段时间内河南省电力行业仍将以燃煤发电为主，因此需要特别重视煤电绿色发展。例如：持续推进“上大压小”，对煤电机组结构不断进行优化，淘汰落后机组，积极发展热电联产，重视提高清洁化石能源在电力行业中的发电占比，使火电机组向清洁方向发展。

(4)加大末端治理技术的升级改造及推广。超低排放改造对于河南省电力行业污染物的节能减排起着重要的作用。河南省在对电力行业进行超低排放改造的同时应加大对小机组超低排放改造的重视；进一步加大对煤电节能减排重大关键技术和设备研发的支持力度，通过引进与自主开发相结合，掌握最先进的燃煤发电除尘、脱硫、脱硝等技术，同时，通过排污收费等措施为超低排放改造提供政策和制度激励。

[1] 陈潇君，金玲，雷宇等.大气环境约束下的中国煤炭消费总量控制研究[J].中国环境管理，2015(5)

[2] 袁家海，徐燕，雷祺.电力行业煤炭消费总量控制方案和政策研究[J].中国能源，2015(3)

[3] 吕连宏，罗宏，王晓.大气污染态势与全国煤炭消费总量控制[J].中国煤炭，2015(4)

[4] 罗宏，张保留，吕连宏等.基于大气污染控制的中国煤炭消费总量控制方案初步研究[J].气候变化研究进展，2016(3)

[5] 谢放尖，卢宁川，郭蓉等.南京市煤炭消费总量控制对策研究[J].环境保护科学，2013(6)

[6] 金颖.上海市煤炭消费总量控制研究[J].上海煤气，2013(6)

[7] Kale R.V，Pohekar S.D.Electricity demand and supply scenarios for Maharashtra (India) for 2030：An application of long range energy alternatives planning[J].Energy Policy，2014(3)

[8] Perwez U，Sohail A，Hassan S.F，et al.The long-term forecast of Pakistan's electricity supply and demand：An application of long range energy alternatives planning[J].Energy，2015(93)

[9] Özer B，GÖrgÜn E，Incecik S.The scenario analysis on CO2emission mitigation potential in the Turkish electricity sector：2006-2030[J]. Energy，2013(49)

[10] Mishra M.K，Khare N，Agrawal A.B. Scenario analysis of the CO2emissions reduction potential through clean coal technology in India's power sector：2014-2050[J]. Energy Strategy Reviews，2015(7)

[11] 张颖，王灿，王克等.基于LEAP的中国电力行业CO2排放情景分析[J].清华大学学报(自然科学版)，2007(3)

[12] Cai Wenjia，Wang Can，Wang Ke，et al. Scenario analysis on CO2emissions reduction potential in China's electricity sector[J].Energy Policy，2007(35)

[13] 王丽辉，王侃宏，桂林平等.河北省电力行业CO2减排潜力研究[J].河北工程大学学报(自然科学版)，2008(3)

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

杨书娴，王姗姗，王克等.河南省电力行业煤炭消费总量控制及其环境影响评估[J].中国煤炭，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

杨书娴(1991-)，女，河北邢台人，硕士研究生，主要研究方向为节能减排。

(责任编辑 宋潇潇)