大氣質量紅線約束下西安煤炭消費總量控制研究

文 _ 謝宏皓 西安節能協會

當前，我國面臨著資源、環境、生態和氣候變化等多個方面的嚴峻挑戰，“十三五”規劃中也明確提出要堅決遏制生態環境惡化的趨勢，并且在總體上使之有明顯的改善。同時，“十三五”中后期是我國能源消費結構轉型的關鍵階段，控制煤炭消費總量是調整和優化能源消費結構的關鍵舉措，也是貫徹落實國家《能源發展戰略行動計劃（2014—2020年）》、《重點地區煤炭消費減量替代管理暫行辦法》、《陜西省鐵腕治霾打贏藍天保衛戰三年行動方案（2018—2020年）》等有關文件精神的必要舉措。

西安市煤控目標的制定必須要滿足空氣質量、公共健康、水資源和氣候變化等約束條件。經多方研究表明，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PM2.5形成的貢獻率約為25%左右。因此，在大氣質量紅線約束下，研究調整能源結構，控制煤炭消費總量，降低污染物排放，對改善空氣質量具有長遠的戰略和現實意義。

1 西安地區空氣質量現狀分析

西安位于關中盆地中部，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季稍冷少雨。2017年，優良天數比例為49.3%，同比下降3.2個百分點，主要污染物為細顆粒物（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持續下降的情況下，PM2.5不降反升。2017年冬季供暖期間空氣質量明顯好轉，未出現極端空氣污染天氣，但全市的NOX、PM10和PM2.5年均濃度依然不達標，大氣質量持續惡劣。

冬季供暖期空氣質量較差的原因，主要有3個方面：①由于采暖導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，導致污染物不容易向外擴散，并且使地面風力減弱，空氣中的懸浮離子因而在近地面層積聚使空氣質量變得惡劣；③西安地區冬季降水稀少，僅占全年降水量的3.7%，使得在冬季降雨對大氣中顆粒物的清除作用明顯減弱，因此冬季空氣質量遠比其余時間差；④關中盆地獨特的地理和冬季氣象條件，不利于污染物的擴散，輸入性污染物占地區污染物總量的20%～33%。

2 西安能源消費結構分析

西安市能源消費品種以煤炭為主。據相關統計和研究，2016年全社會能源消費總量為2483.06萬t標準煤，比2015年下降3.59%，能源消費彈性系數為-0.422。煤炭消費總量為1350.08萬t，占全市一次能源消費總量的50.97%；原油占全市一次能源消費總量的33.01%；天然氣占全市一次能源消費總量的14.96%；可再生能源發電量占全市一次能源消費總量的1.06%。其中電力占了西安煤炭消耗量占比達46.9%，供熱耗煤占總燃煤量的22.4%，所以電力和供熱行業是實施煤炭總量控制的關鍵所在。

3 大氣污染物約束下西安煤炭消費情景測算

以2020年PM2.5全面達標為目標來計算2020年西安市污染物的排放量目標，主要針對SO2、NOX以及煙塵。首先進行污染源調查，采取支持向量機模型建模，對于機動車和揚塵這部分完全不受煤炭的影響的排放源，本研究對其進行固化處理，以機動車所排放的PM2.5和NOX、散煤燃燒、蒸發量是10～50t/h的工業鍋爐、集中供熱鍋爐、電站鍋爐和生物質燃燒所釋放的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，并根據實際監測結果，對污染源估算進行修正。

通過迭代計算分別得出: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總量，利用短板效應分析，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年的基礎上削減煤炭消費278萬t，即煤炭消費紅線為1121萬t。

4 大氣污染物約束下控制煤炭消費的有效措施

4.1 清潔替代能源

（1）以電代煤

根據居民散燒煤、工業窯爐（未加裝污染物脫除設備）和電站鍋爐的排放系數，結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到97.91%、93.27%和56.91%。如果用電能替代工業窯爐燃煤，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到98.35%、90.86%和85.37%。

以電代煤可以使西安地區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。預計到2020年，全社會的用電量將達到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逐步納入“煤改氣”實施計劃。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現粉塵顆粒物和SO2的超低排放。并且對于改用燃燒天然氣的工業鍋爐加裝冷凝式換熱器，吸收煙氣中水蒸汽的氣化潛熱，進一步提高效率，減少燃料用量，降低碳排放。同時冷凝式換熱器能回收煙氣中約50%的水，可達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、地熱能技術來控制煤炭消費總量，改善大氣質量。到2020年，西安市利用地熱能供暖（制冷）面積達到6600萬m2，其中淺層地溫能和水源、污水源供暖（制冷）面積達到2800萬m2，水熱型地熱能供暖（制冷）面積達到800萬m2，地熱能中深層取熱供暖（制冷）面積達到3000萬m2，將折合替代燃煤消費56.12萬tce。預計2020年西安市使用太陽能集熱系統面積達到238萬m2，新增太陽能光伏發電裝機容量31萬kW，太陽能路燈達到4萬盞。可替代折合10.74萬tce的發電煤炭消費，可實現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

煤炭潔凈利用技術主要包括大型熱電聯產鍋爐的節能減排；鼓勵現役燃煤發電機組實施大氣污染物排放濃度達到或接近燃氣輪機組排放限值的環保改造；對于較大容量的燃煤工業鍋爐，加強對其污染物減排的要求，實施超低排放改造，確保滿足最低技術出力以上全負荷、全時段穩定達標排放要求。

實行相應潔凈煤技術后，可大幅度減少污染物排放，提升大氣質量。根據西安市第二產業中燃煤工業鍋爐的分布情況，對于30蒸噸以上的大型工業鍋爐，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標煤。

5 結束語

煤炭消費，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，因此控制煤炭消費成為解決能源環境問題的有效辦法。由于煤炭消費總量的控制值是一個動態和相對的約束值，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等因素息息相關，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、保障供應”的原則，大力實施減量化、替代化和清潔利用將有效控制煤炭的消費總量，優化能源消費結構，提升大氣質量。