“雙碳”背景下吉林省集中供熱行業(yè)碳排放基準線及降碳潛力研究

林曉晟,史雙銘,王 玉,于鳳洋,劉 穎,孫大光

(吉林省環(huán)境科學研究院，吉林 長春 130012)

1 引言

集中供熱的概念是將熱能通過熱網(wǎng)管路進行傳輸，由熱源分送到用戶室內(nèi)的系統(tǒng)。相比于分散供熱，集中供熱的優(yōu)勢十分明顯，在燃料的使用量方面，集中供熱比分散供熱需要的燃料少，這樣就能提高燃料的利用率、降低成本[1]。在對環(huán)境的保護方面，集中供熱能夠減少排放污染氣體，鍋爐的體量更大、更集中[2]。然而，新時期的集中供暖也暴露出了一些弊端，這些弊端造成了資源的浪費與對環(huán)境的破壞[3]。

湯亞龍[4]提出當前集中供熱存在鍋爐運行效率低，污染物排放量大和自動化節(jié)能效果較差的問題，需要從更新集中供熱設備、積極調(diào)整和優(yōu)化供熱結(jié)構(gòu)、提高過濾熱效率、引進先進設備等方面解決問題。連慧敏[5]認為，在保證溫度與管網(wǎng)使用效率的基礎上，增加綠色環(huán)保材料的應用。朱光偉[6]則系統(tǒng)的闡述了城市集中供熱節(jié)能技術包括熱源節(jié)能技術和熱網(wǎng)節(jié)能技術兩類。高光躍[7]認為單一清潔能源對傳統(tǒng)能源的替代不能完全滿足實際需求，傳統(tǒng)的單一熱源供熱向清潔能源多能互補、綜合能源利用轉(zhuǎn)型。已有學者的研究從集中供熱技術環(huán)節(jié)的節(jié)能入手，以期更好的降低碳排放量，但對于吉林省來說，應該根據(jù)省情及行業(yè)現(xiàn)狀來提出行業(yè)降碳技術的建議，因此，亟需對吉林省集中供熱行業(yè)碳排放現(xiàn)狀及降碳潛力開展研究，為實現(xiàn)行業(yè)碳減排提供科學依據(jù)。

為了實現(xiàn)“雙碳”目標，在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、環(huán)境保護與污染治理的現(xiàn)實要求下，2020年4月，《吉林省新基建“761”工程方案》提出吉林省供熱改造項目總計315項，總投資228.96億元，其中2020年計劃投資76.83億元，“十四五”期間計劃投資131.07億元。截至2020年底，吉林省全省現(xiàn)有20 t/h以上鍋爐集中供熱企業(yè)共計270余家，隨著節(jié)能減排淘汰落后產(chǎn)能政策在我省的全面推廣，以及大氣污染治理設施的不斷完善，一定程度上的緩解了SO2、NOX、PM2.5、PM10等大氣污染物的排放壓力，環(huán)境空氣質(zhì)量改善明顯[8]。目前，吉林省還沒有開展集中供暖行業(yè)二氧化碳排放量的核算工作，以“碳達峰”“碳中和”的“雙碳”為背景，開展吉林省集中供熱行業(yè)碳排放基準線和降碳潛力研究，對實現(xiàn)行業(yè)的低碳發(fā)展具有理論與實踐的借鑒價值。

2 行業(yè)多年碳排放特征研究

2.1 計算方法

本文基于《IPCC國家溫室氣體清單指南(2006)》提供的相應參考方法，其基本操作邏輯是通過能源消耗量與對應的碳排放因子的乘積進行計算，對集中供熱碳排放量展開核算。化石燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放量計算公式如下：

(1)

式(1)中：C為燃料燃燒產(chǎn)生碳排放總量，單位為萬t；E為燃料消費量，采用折標煤系數(shù)折算成標準煤表示，單位為萬t標煤；NCVs為燃料凈發(fā)熱值，單位為TJ/Gg；CEC為碳排放因子，單位為kg/GJ；COF為燃料的碳氧化率，IPCC推薦為1； 44和12分別為 CO2和碳的分子量。

相關參數(shù)的取值見表1。

表1 相關參數(shù)

2.2 行業(yè)多年碳排放量研究

全省多年均碳排放量的計算結(jié)果為3140.8萬t/年，碳排放量呈逐年遞增趨勢，2011～2016年的排放量趨于平穩(wěn)，在2017年開始大幅上升，到2020年上升到7290.5萬t/年。由此可見，在未來一段時間里集中供熱仍是北方城市主要的供暖方式，行業(yè)碳排放量并未達到峰值(圖1)[9]。

圖1 集中供暖行業(yè)多年碳排放量

對全省各地市行業(yè)多年碳排放量的研究結(jié)果表明(圖2)，長春和吉林2個城市為碳排放主要貢獻城市，其次為延邊州和遼源市，這幾個城市是人口聚集型城市，集中供熱面積較大，行業(yè)碳排放量高，且在2017年以后，碳排放量呈逐年遞增的趨勢。

圖2 各地市集中供暖行業(yè)多年碳排放量

四平和松原2個城市的碳排放量在2019～2020呈增加趨勢，隨著城市化的發(fā)展，這2個城市的集中供暖需求正在逐步增加。白山市、梅河口市和長白山管委會3個地區(qū)的碳排放量增長較平緩，并沒有體現(xiàn)出對集中供暖的大幅需求，說明城市人口和經(jīng)濟發(fā)展較為穩(wěn)定。通化、白城和公主嶺3個地區(qū)的碳排放量在2017年后呈降低趨勢，城市集中供暖需求逐年降低。

3 行業(yè)碳排放基準線研究

3.1 計算方法

基準線即碳排放強度行業(yè)基準值，是某行業(yè)代表某一生產(chǎn)水平的單位活動水平碳排放量。依據(jù)《吉林省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標綱要》提高城市供熱保障能力，支持利用棄風電能、生物質(zhì)發(fā)電和背壓機組供熱，推行智能化供熱，到2025年新增供熱能力 4000 MW[10]。長春市《關于深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的實施方案》(征求意見稿)中要求，嚴控新建燃煤鍋爐，市區(qū)及縣(市)建成區(qū)原則上不再新建40 t/h以下燃煤鍋爐，其他區(qū)域原則上不再新建20 t/h以下燃煤鍋爐[11]。按照國家和省級要求，逐步推進小鍋爐淘汰工作。推動65 t/h及以上燃煤鍋爐(含電力)實施超低排放改造，主城區(qū)推廣“熱電聯(lián)產(chǎn)、區(qū)域鍋爐房集中供熱為主，其他供熱方式為輔”的供熱體系。到2025年，各地市集中供熱率為：延邊州93%、吉林市96%、四平市97.5%、松原市90%以上、遼源90%以上、白山市90%。

因此，吉林省未來集中供熱主要以熱電聯(lián)產(chǎn)和大容量鍋爐房為主。以單體鍋爐容量20 t/h以上區(qū)域鍋爐房碳排放強度和熱電聯(lián)產(chǎn)碳排放強度設置基準線更具有現(xiàn)實意義和減排意義。本文設置以下5種基準線情景[12]。

(1)歷史排放情景：按照歷史排放量法，設置供熱行業(yè)2011～2020年的單位面積碳排放量平均值為行業(yè)碳排放基準線。

(2)實際排放情景：按照實際排放量法，設置供熱行業(yè)2020年單位面積碳排放量平均值作為行業(yè)碳排放基準線。

(3)單體容量20 t/h以上區(qū)域鍋爐房排放情景：按照技術類別法，選取單體鍋爐容量20 t/h以上區(qū)域鍋爐房2011～2020年單位面積碳排放量平均值作為行業(yè)碳排放基準線。

(4)熱電聯(lián)產(chǎn)排放情景：按照技術類別法，選取熱電聯(lián)產(chǎn)供熱企業(yè)2011～2020年單位面積碳排放量平均值為行業(yè)碳排放基準線。

(5)煤炭消耗等級劃分排放情景：根據(jù)供熱行業(yè)2016～2020年實際煤炭消耗情況對企業(yè)進行類別劃分，單位面積碳排放量作為行業(yè)碳排放基準線。

3.2 碳排放強度分析

根據(jù)前文中的5種基準線的判定標準來分析吉林省各地市供暖行業(yè)的碳排放強度，由于各地市人口數(shù)量和經(jīng)濟發(fā)展情況不同，根據(jù)各城市多年平均碳排放情況進行等級劃分，年均碳排放量7～10萬t/年、5～7萬t/年和小于5萬t/年。如此，吉林省各地市劃分為3類，劃分結(jié)果如下：①長春市、松原市和遼源市；②延邊州、通化市、白山市、白城市；③四平市和吉林市。得到分析結(jié)果如下：

(1)歷史排放情景。2011～2020年各地市平均碳排放量如圖3所示，松原(10.57)>長春(9.2)>延邊州(6.82)>通化(6.73)>遼源(6.7)>白山(5.06)>白城(5.02)>四平(4.8)>吉林(3.4)。以各地市實際情況劃分等級后制訂碳排放量的基準線，那么， 2011～2020年的碳排放量平均值為：第一類城市8.82萬t/年；第二類城市5.9萬t/年；第三類城市4.1萬t/年。

圖3 各地市集中供暖行業(yè)2011～2020年平均碳排放量

(2)實際排放情景。2020年各地市碳排放量如圖4所示，根據(jù)上述城市碳排放量等級劃分，碳排放量平均值為：①8.0萬t/年；②4.67萬t/年；③2.8萬t/年。

圖4 各地市集中供暖行業(yè)2020年平均碳排放量

歷史排放情景和實際排放情景是根據(jù)單一企業(yè)的年平均煤炭消費量來計算地區(qū)多年平均碳排放量，從二者的分析結(jié)果可見，松原市供熱企業(yè)的碳排放量較其它城市高，分析原因為(表2)，松原市供熱面積1987萬m2，鍋爐總數(shù)量僅為50臺，對比四平市供熱面積2300萬m3，鍋爐數(shù)111臺，松原市鍋爐數(shù)量較低，為了滿足供熱需求，單一鍋爐的煤炭消耗量高，所以碳排放量較高。對比白城市供熱面積1918萬m2，鍋爐臺數(shù)43，松原市80%以上區(qū)域為鍋爐供熱，而白城市鍋爐供熱面積為262萬m2，為了保障大面積供熱需求，單一鍋爐的碳排放量較高。上述兩個因素是導致松原市單一鍋爐的平均碳排放量較其它城市高的主要原因。

表2 吉林省各地區(qū)供熱面積及鍋爐數(shù)量(數(shù)據(jù)截至2020年)

(3)單體容量20 t/h以上區(qū)域鍋爐房排放情景。碳排放量平均值為：①10.57萬t/年；②7.42萬t/年；③4.47萬t/年。在2011～2020年間第一類城市的長春市、遼源市和松原市的碳排放量呈先增長后下降的趨勢，第二類城市的延邊州、通化市、白城市和白山市與第三類城市的四平和吉林市均呈波動式變化。到“十三五”末期第一類和第三類城市碳排放量均趨于穩(wěn)定，第二類城市呈上升趨勢。隨著人口、經(jīng)濟和社會發(fā)展，各類城市群對集中供暖需求不盡相同，需要根據(jù)各地市實際情況進行調(diào)整(圖5)。

圖5 單體容量20 t/h以上區(qū)域鍋爐房2011～2020年平均碳排放量

(4)熱電聯(lián)產(chǎn)排放情景。吉林省在2017年推行熱電聯(lián)產(chǎn)以來，平均碳排放量為111萬t(圖6)，除2018年碳排放量下降外，2019～2020年呈逐年上升的趨勢。熱電聯(lián)產(chǎn)方式的供熱主要集中在長松遼的第一類城市和四平吉林的第三類城市，到2020年，上述城市的區(qū)域鍋爐房供熱趨于平穩(wěn)，而熱電聯(lián)產(chǎn)依然呈增加趨勢，說明熱電聯(lián)產(chǎn)的供暖方式需求還在增加，其碳排放量并未達到峰值。

圖6 熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)年均碳排放量

(5)煤炭消耗量排放情景。由于吉林省各地市社會經(jīng)濟發(fā)展的差異，集中供熱企業(yè)煤炭消耗量等級各不相同，因此，根據(jù)2016～2020年全省集中供暖企業(yè)的實際煤炭消耗情況將排放等級劃分為：①50～100萬t/年；②26～50萬t/年；③5.3～26萬t/年；④0.53～5.3萬t/年；⑤0～0.53萬t/年。

通過劃分企業(yè)煤炭消耗量得到碳排放量平均值為：①122萬t/年；②67萬t/年；③19萬t/年；④3.6萬t/年；⑤0.49萬t/年。如圖7所示， 2016年到2020年間，煤炭消耗量在50～100萬t/年的集中供熱企業(yè)共計2家，分別在吉林市和松原市。煤炭消耗量在26～50萬t/年的集中供熱企業(yè)共計3家，主要在長春和松原。煤炭消耗量在5.3～26萬t/年的集中供熱企業(yè)由2016年的31家增長到2019年50家，在2020年降至45家，上述企業(yè)的碳排放量為10～50萬t/年。煤炭消耗量在0.53～5.3萬t/年的企業(yè)從2016年的128家增長至2020年共計206家，其碳排放量為1～10萬t/年。煤炭消耗量在0～0.53萬t/年的企業(yè)從2016年的51家增長至2020年共計120家，其碳排放量為0～1萬t/年。

圖7 煤炭消耗等級劃分排放情景

3.3 行業(yè)碳排放基準線確定

根據(jù)文中設置的5種基準線排放情景，基準線制定結(jié)果如表3所示。

表3 行業(yè)碳排放基準線情景

在各類基準線中(表3)，碳排放量的數(shù)值越低，說明需要參與減排的企業(yè)越多，減排量就越大。反映了供熱行業(yè)2020年的碳排放平均水平是通過實際排放情景來呈現(xiàn)，其代表行業(yè)在2020年的供熱技術水平。歷史排放情景反映了行業(yè)2011～2020年間碳排放的平均水平。單體鍋爐容量20t/h以上區(qū)域鍋爐房排放情景和熱電聯(lián)產(chǎn)排放情景代表了供熱行業(yè)發(fā)展的兩種主要熱源形式，具有典型性。以上4種碳排放基準線情景，均有不足40%的企業(yè)碳排放強度高于基準線，若采用此類基準線，減排量小，減排意義不大。煤炭消耗量排放情景，不僅代表了社會對集中供暖的需求性，在市場機制下，碳排放強度高于基準線的企業(yè)比例占40%以上。這有利于促進企業(yè)間良性競爭，使大部分企業(yè)自發(fā)進行技術升級改造，也有利于完成節(jié)能減排任務。因此本文建議選擇“煤炭消耗排放情景”作為區(qū)域鍋爐房供熱行業(yè)的碳排放基準線，另外，對于熱電聯(lián)產(chǎn)形式的供熱企業(yè)，選擇“熱電聯(lián)產(chǎn)排放情景”作為碳排放基準線。

4 行業(yè)碳減排潛力研究

根據(jù)前文對行業(yè)碳排放基準線的研究，最終選取“煤炭消耗量”和“熱電聯(lián)產(chǎn)”的情景模式作為我省碳排放量的基準值。該情景模式的基準如下：

參考2011～2020年企業(yè)碳排放量峰值與標準值來估算行業(yè)降碳潛力，每年可降低碳排放量1178.37萬t。從煤炭消費類別對比，熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)的降碳潛力最大(1061萬t/年)，其次是煤炭消費量在5.3～26萬t/年的企業(yè)，降碳潛力為65萬t/年。前文中對全省多年均碳排放量的計算結(jié)果為3140.8萬t/年，根據(jù)碳排放基準值的研究結(jié)果表明，理論上來講吉林省集中供熱行業(yè)的降碳潛力為37.5%(表4和圖8)。

表4 集中供熱行業(yè)碳排放基準值

圖8 集中供熱行業(yè)碳排放峰值與基準值的比較

然而，區(qū)域集中供熱行業(yè)的降碳潛力還需要考慮社會和經(jīng)濟發(fā)展等其它因素來綜合分析，從上述理論研究中表明，熱電聯(lián)產(chǎn)供熱企業(yè)具有較大的降碳潛力，但結(jié)合環(huán)境保護和地區(qū)發(fā)展特色，不能一味地降低熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)的煤炭消費量，另外，煤炭消費量在0～5.3萬t/年的企業(yè)數(shù)量眾多，雖然這個煤炭消費等級的降碳潛力不高，但隨著人口數(shù)量的增加，供熱面積的增長，應該逐步整合這部分供熱企業(yè)，加強技術改造，降低對大氣環(huán)境的污染[13]。綜上所述，科學降碳還需要依據(jù)節(jié)能技術的篩選和地區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀來制定有效的方案。

5 結(jié)論

本文對吉林省集中供熱行業(yè)的碳排放基準線及降碳潛力進行研究，基于2011～2020年環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合IPCC方法對全省行業(yè)碳排放量開展計算，根據(jù)碳排放量計算結(jié)果，設置5種碳排放情景模式分析行業(yè)碳排放基準線，在此基礎上，分析行業(yè)的降碳潛力，研究結(jié)果如下。

(1)在研究時段內(nèi)，全省集中供暖行業(yè)碳排放量整體呈上升趨勢，多年平均碳排放量為3140.8萬t/年，行業(yè)的碳排放并未達到峰值。

(2)行業(yè)碳排放的基準線選擇“煤炭消耗排放情景”和“熱電聯(lián)產(chǎn)排放情景”，該情景模式充分考慮吉林省集中供暖行業(yè)碳排放的變化特征，符合供暖需求，并且碳排放強度高于基準線的企業(yè)比例占40%以上。

(3)吉林省集中供熱行業(yè)的碳減排量為1178.37萬t/年，降碳潛力37.5%。研究時段內(nèi)，單體容量20蒸t以上的供暖鍋爐在第一類和第三類城市已達峰，并且鍋爐煤炭消耗量集中在0～5.3萬t/年的區(qū)間。這說明在長春、松原、遼源、吉林和四平幾個城市的大型鍋爐碳排放量已達峰，但由于設備技術老化，鍋爐設備缺陷多，輔機不配套等原因，導致煤炭消耗量低但鍋爐數(shù)量高，雖然大型鍋爐碳排放量已達峰，但仍不能滿足區(qū)域集中供暖需求[14]。故亟需對上述城市的供暖鍋爐開展技術改造，以提高供熱效率。