大氣污染物和碳排放協同約束下的山西煤炭消費總量控制目標研究

吉紅潔，王恒康，蘇旭東

(山西省生態環境研究中心 低碳發展研究所，太原 030009)

煤炭消費對于山西的發展來說是一把“雙刃劍”，既帶來山西經濟社會的快速發展，也帶來了大氣污染、生態環境破壞和溫室氣體排放等一系列嚴重問題，是山西轉型發展之路上必須攻克的一個難題[1]。近年來，大氣污染物減排和碳減排是山西乃至全國的重要考核指標，煤炭消費總量控制是實現減排的關鍵舉措。但是一直以來我國對大氣污染物和碳排放進行獨立考核和研究，沒有進行協同控制和管理[2-3]；另外，煤炭消費總量控制多集中在全國性的總量控制建議[4-5]，山西省的煤炭消費總量控制規劃目標僅僅從能源自身發展角度提出相關發展建議[6]，未結合環境約束條件的定量研究，也未綜合考慮大氣污染物和碳排放的協同約束作用。實際上，為實現國家煤炭消費總量控制目標，實施地方層面煤炭消費量分解，才是最根本最有效的方法[7]。因此，基于大氣污染物和碳排放協同約束條件計算山西省煤炭消費量目標，是目前亟需解決的問題。

本文利用大量煤炭消費歷史數據和環境經濟統計數據進行模擬，探索主要大氣污染物與煤炭消費之間的量化關系，同時結合二氧化碳減排目標校驗，在大氣污染物和碳排放協同控制的條件下，定量評估山西煤炭消費總量控制目標，對于山西省綠色低碳轉型發展具有重要意義。

1 山西省煤炭消費現狀

山西省煤炭生產量在2013年之前整體呈快速增長趨勢，2013年之后迅速下降，這與相關產能限制政策基本一致。根據歷年山西省統計年鑒數據，山西省煤炭消費量在2013年以前，一直呈增長趨勢，2013年消費量達到3.35億t，隨后受經濟及產業結構調整，2014年和2015年煤炭消費總量呈下降趨勢，2015年為2.94億t，2016年和2017年有小幅度反彈。山西省煤炭消費量與煤炭生產量差距較大，煤炭消費量占生產量比例總體呈下降趨勢，2015年占比最低為30%，說明山西省煤炭消費得到一定的控制。具體情況見圖1.

山西省煤炭消費強度呈明顯指數下降趨勢，個別年份略有波動，萬元GDP煤炭消費量從2002年7.13 t下降至2017年2.07 t，說明煤炭消費經濟環境效益有明顯的提升，具體見圖2.

2 大氣污染物排放約束下的煤控目標研究

2.1 大氣污染物和煤炭消費總量的關系

本文利用山西省近20年來SO2排放量(y，萬t)和去除量(z，萬t)數據與相應年份的煤炭消費量(x，億t)數據構成面板數據集，進行數據模擬，選取相關系數(R2)最大即最能體現相關性的模擬方程，得到SO2排放量、去除量和煤炭消費總量的關系式如表1所示，相關系數R2為0.882，表明其關系式具有較強的擬合能力。

圖1 2000-2017年山西省煤炭生產量和消費量Fig.1 Coal production and consumption of Shanxi in 2000-2017

圖2 2000-2017年山西省煤炭消費強度Fig.2 Coal consumption intensity of Shanxi in 2000-2017

對于煙粉塵排放與煤炭消費之間的關系，本文借鑒環境學習曲線[8]中變量關系構建方法，基于山西省統計年鑒數據和生態環境廳統計數據，引入GDP，消除中間變量，建立煙粉塵排放強度與煤炭消費強度之間的關系。根據山西省2003-2017年煤炭消費和GDP統計數據，以煤炭消費強度(x，億t/萬元GDP)和去除量強度(z，萬t/萬元GDP)為自變量，煙粉塵排放強度(y，萬t/萬元GDP)為因變量，進行SPSS回歸分析，得出擬合方程如表1.

表1 大氣污染物與煤炭消費總量的關系Table 1 Relationship between the air pollutants and total coal consumption

需要說明，表1中擬合方程的使用范圍應為煤炭消費量和強度x大于0的區間，對于SO2的模擬方程使用范圍不包含最小極值之后的范圍。

2.2 氮氧化物排放情況分析

由于山西省NOx統計數據較少，且隨著工業NOx排放量減少，機動車NOx排放已逐漸成為山西省NOx最大排放源；而機動車NOx排放主要是由于燃料消耗產生，而非煤炭消耗。山西省“十二五”期間NOx排放數據主要源自省生態環境廳統計數據，具體見圖3.因此，本文在此僅對山西省NOx排放趨勢進行分析。

圖3 山西省氮氧化物排放趨勢Fig.3 NOx emissions trend of Shanxi province

山西省NOx排放一開始以工業排放為主，但近年來工業排放量和占比持續減少，截至2016年底，工業NOx排放占比已下降至48%；其中，工業NOx排放以火電行業排放為主，近年來排放量和占比也持續下降。機動車NOx排放量基本持平，有小幅度上升或下降。由此可見，山西省未來NOx排放總量仍會持續下降，工業NOx排放占比會持續減少，NOx排放控制需要重點關注生活源，尤其是機動車排放。

2.3 基于大氣污染物控制的煤控目標確定

根據《山西省“十三五”環境保護規劃》[9]中主要污染物總量控制目標：2020年，二氧化硫、氮氧化物和煙粉塵排放總量消減比例按照環保部下達的指標，較2015年分別下降20%、20%和10%；即2020年排放量分別為100.85萬t、83.76萬t和130.40萬t.

《中國環境宏觀戰略研究》[10]和《大氣污染防治行動計劃》[11]中2030年戰略目標：污染物排放總量得到全面控制，環境質量全面改善(全國城市空氣質量基本達到要求)。根據環境保護部環境規劃院薛文博等人關于“大氣環境容量模擬”的研究成果[12]，山西省SO2和NOx的環境容量分別為85.37萬t、66.08萬t；根據環境保護部環境規劃院王金南等人關于“煤炭消費與大氣污染控制”的研究成果[13]，為實現城市空氣質量(PM2.5)達標，全國各項大氣污染物排放量要減少50%左右(以2012年為基準)，若山西按全國平均水平算，則SO2、煙粉塵和NOx的排放量分別為65.09萬t、53.10萬t和62.20萬t.綜合以上，取山西省實現空氣質量達標的情景，故2030年主要污染物SO2、煙粉塵和NOx的控制目標為65.09萬t、53.10萬t和62.20萬t.

基于上述主要大氣污染物2020年和2030年總量控制目標，解方程得山西省煤炭消費總量目標如表2所示。其中，2020年和2030年SO2去除量根據2000-2017年的去除量進行趨勢外推進行預測，預測值分別為316.62萬t和481.60萬t；2020年GDP根據《山西省國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》[14]中GDP年均增長率預期性指標6.5%預測，2030年GDP根據《中國能源展望2030》[15]全國年均增長率預測值(2021-2025年為5.5%，2026-2030年為4.5%)估算，分別為1.905萬億、3.104萬億。

表2 山西省基于主要大氣污染物控制的煤炭消費總量控制目標Table 2 Total coal consumption control target based on the control of major atmospheric pollutants in Shanxi province

3 碳排放約束下的煤控目標研究

3.1 碳排放核算方法

本文中山西省碳排放量和碳排放強度的計算參考《2017年度省級人民政府控制溫室氣體排放目標責任評價考核》[16]的核算方法，具體如下：

二氧化碳排放指化石燃料消費產生的排放量。核算公式為：

(1)

其中：

燃煤排放量=當年煤炭消費量×
燃煤綜合排放因子 .

(2)

燃油排放量=當年油品消費量×
燃油綜合排放因子 .

(3)

燃氣排放量=當年天然氣消費量×
燃氣綜合排放因子 .

(4)

3.2 未來能源消費總量規劃和預測

根據《山西省“十三五”綜合能源發展規劃》[17]：到2020年，山西能源消費總量2.27億t標煤，煤炭消費量4億t，石油消費量840萬t，天然氣消費量46億m3，非化石能源消費量2002萬t標煤。

目前山西省沒有官方公布的2030年能源消費總量預測和規劃，《山西打造全國能源革命排頭兵行動方案》[18]提出“2025年、2030年增長幅度低于全國平均水平”，《中國能源展望2030》[15]報告預計“能源消費總量2016-2030年年均增長1.4%”，即山西省2030年能源消費總量預計2.61億t標煤。

關于煤炭、石油和天然氣的轉換系數，本研究通過山西省統計局提供的分能源品種分消費類型的折標煤系數基于實物量加權平均，然后再對2012-2014年的綜合折標煤系數進行幾何平均，得出其綜合折標煤系數分別為：0.658、1.463和11.744.

對于山西省2030年能源消費結構，本文基于山西2010-2017年能源消費結構歷史數據，選定2017年的能源消費結構作為初始狀態，采用馬爾科夫預測法[19-20]進行預測：

S(2030)=S(2017+13)=S(2017)×P13.

(5)

式中：S代表各時期各類能源在能源消費總量中總的份額，P為平均一步轉移概率矩陣，它表示從狀態Si起始，經過n步到達最終狀態Sj所平均經過的一步轉移概率。一步轉移概率與一次轉移概率之間的關系為：

Pij(n)=Pn.

(6)

根據山西省2010-2017年能源消費結構狀態變化方向，可得7步狀態轉移矩陣為：

再運用幾何平均法可以計算出2010-2017年各類能源之間的平均一步馬爾科夫轉移概率矩陣為：

據此可以進一步計算得出山西省2030年無新的能源目標約束條件下能源消費結構預測狀態如表3.

表3 山西省無約束條件下2030年能源消費結構Table 3 Energy demand structure of Shanxi without constraints in 2030

3.3 規劃條件下能源消費的碳減排目標檢驗

根據《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》[21]中要求“到2020年，單位國內生產總值二氧化碳排放比2015年下降18%”；《山西打造全國能源革命排頭兵行動方案》[18]中要求：到2020年，單位地區生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%.

根據中國提交的應對氣候變化國家自主貢獻文件《強化應對氣候變化行動——中國國家自主貢獻》[22]中 “到2030年，單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%”，確定山西省2030年碳排放目標為“單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%”.

基于上述山西省能源消費總量規劃和結構預測，采用《2017年度省級人民政府控制溫室氣體排放目標責任評價考核》中主要化石燃料碳排放因子，即可得到主要化石燃料燃燒的碳排放情況如表4所示。

表4 山西省2020年、2030年主要化石燃料燃燒CO2排放量Table 4 CO2 emissions from the combustion of fossil fuel in 2020 and 2030

經與基準年比較，以上目標年份碳排放強度均已達到規劃碳減排目標，因此基于碳排放約束條件下煤炭消費總量控制目標為現行規劃目標：2020年4.0億t，2030年3.068億t.

4 結論

綜合上述分析可得，山西省基于大氣污染物和碳排放協同控制的煤炭消費總量控制情況如表5所示。

表5 山西省煤炭消費總量控制目標Table 5 Total control target of coal consumption in Shanxi Province

1) 由表5可知，山西省煤炭消費總量控制最嚴格的約束情景，在2020年是SO2排放，在2030年是碳排放；因此本文建議山西省2020年、2030年煤炭消費總量應分別控制在3.327億t、3.068億t.

2) 本研究2020年煤炭消費總量控制目標3.327億t與《山西省“十三五”綜合能源發展規劃》目標4.0億t相比更為嚴格；這主要是因為規劃目標是在2016年左右基于“山西省‘十三五’期間將承接東部地區部分高載能產業、現代煤化工和煤炭清潔高效利用項目的示范推廣，預計全省煤炭消費將保持一定增長”的背景下預測的，而且主要是基于電力、煉焦、化工、冶金和建材等重點行業需求預測的，預測值理論上會偏大。但與2017年煤炭消費量3.217億t相比雖有增長，但幅度不大；這與目前各重點行業經濟發展趨勢和環境保護約束力度不斷加大基本符合。因此，2020年3.327億t的預測目標基本處于實際經濟社會發展的合理范圍，且可能略嚴于實際煤炭需求。

3) 本研究2030年煤炭消費總量控制目標3.068億t是基于《山西打造全國能源革命排頭兵行動方案》控制要求預測，是現有政策規劃最嚴格的控制情景。根據2015-2017年省級人民政府控制溫室氣體排放目標責任評價考核結果，山西省目前碳排放強度逐漸接近環保部每年下達的目標，另外《山西打造全國能源革命排頭兵行動方案》中提出“2030年前二氧化碳排放總量率先達到峰值”，故本研究2030年目標基本符合山西省碳排放控制逐漸加大的趨勢。但可能比煤炭消費實際需求嚴格很多，這雖然與山西省污染物控制水平日漸提高以及發展替代能源的趨勢相一致，但實現時間有待進一步研究分析。因此，2030年3.068億t的預測目標應是“十四五”大氣污染和碳排放協同控制最理想狀態。

4) 另外，從表1中所體現出的煤炭消費量與大氣污染物排放規律可發現，一開始污染物排放量隨著煤炭消費量的增長而升高，當到達某一極點后，污染物排放量反而隨著煤炭消費量增長而減少，這是因為涉及到污染物控制政策的嚴格和處理技術的提高，與歷史統計數據規律吻合。因此，隨著污染物控制技術水平的提高，煤炭消費量與污染物存在一定的非線性反比關系，在某種程度上是符合規律的。

5) 從馬爾科夫轉移概率矩陣P可以看出，主對角線上的各能源保留概率最高，這表明山西省能源消費結構狀態分布具有較高的穩定性，不同能源結構之間的轉化率較低，尤其是煤炭；但非化石能源的保留概率為1，說明山西省目前政策情景下能源結構的演變趨勢是其他形式能源逐步向非化石能源轉化。在此基礎上，未來如果結合新的能源結構調整政策，煤炭消費總量控制應優于本研究預測趨勢。

5 山西省煤炭消費總量控制建議

目前，煤炭、電力、煉焦等資源型高耗能產業在山西的經濟發展過程中仍然處于主導地位，短時間內很難完全擺脫對煤炭資源的依賴，因此山西省煤炭消費總量控制應首先從控制高耗能行業發展入手，提高煤炭利用效率和煤炭清潔化利用率，聚焦煤炭清潔、高效、低碳、綠色利用重大關鍵共性技術問題和需求，加大科技攻關。

另外，散煤使用也是煤炭消費控制的重要內容之一，是居民生活煤炭消費的重要組成部分。隨著清潔供暖工程的不斷推進，以及國家針對重點城市煤炭消費減量替代工作考核， 該部分煤炭消費控制也應該是山西省煤炭消費總量控制的關鍵點。