2011年和2016年山西省煤炭流动及碳排放对比分析

魏世杰，樊静丽，杨康迪，侯运炳

中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083

煤炭作为我国的主要能源，其一次能源消费量一直维持在能源消费总量的60%左右。山西省是我国的煤炭大省，其原煤生产量占全国原煤产量的1/4左右。随着社会经济的发展和环境压力的增加，山西省开始着力推动煤炭产业的转型升级。在此背景下，山西省煤炭流动及煤炭相关碳排放问题成为关注点。2011年和2016年是国家“十二五”和“十三五”规划的开局之年，具有代表性，将这两年山西省煤炭流动及相应碳排放进行对比研究，可以看出煤炭转型升级期间煤炭利用方式、效率及其对环境影响的变化，从而对山西省未来煤炭产业的深入调整提供相关建议。

煤炭的开发利用是一个较长且复杂的产业链，包含原煤的开采、洗选、运输、转化到煤炭相关产品的终端利用。因此，从整个煤炭开发利用产业链对煤炭流动进行分析，才能清晰地了解煤炭的利用状况和技术现状。煤流图是直观展示一个国家或地区煤炭流动情况的重要工具，可反映不同部门煤炭产品能量的输入输出关系并简单地估算出各部门和整个系统的煤炭转换或利用效率(不包括煤炭开采效率)。于飞飞[1]绘制了2010 年中国和美国的煤流图，比较了两国的煤炭利用状况；胡秀莲[2]通过我国2012年煤流图对煤炭系统效率进行了分析；刘耕源等[3]通过2012 年“京津冀”地区的煤流图，厘清了煤炭相关产业链的物质与能量走向。碳流图是展示不同化石能源品种在不同消费部门中由于燃烧产生的碳排放流动状况的重要形式，不同煤炭产品的碳排放也可用碳流图来展示。 Li Huanan等[4]以碳流图的形式比较了2008—2012年中国煤炭消费产生的碳排放的变化；Li Xin等[5]利用碳流图展示了2013中国全国以及分部门的煤炭消费碳排放量；樊静丽和张豪等[6-7]利用碳流图分别对2015年和2016年全国煤炭消费产生的碳排放状况进行了展示；谢士晨等[8]在测算2007年上海市能源消费相关碳排放时利用碳流图展示了煤炭消费产生的相应碳排放。以上研究主要集中在单一时间节点的国际或单个国家和区域的对比，对于在时间变化影响下的省级区域的煤炭流动研究还较为缺乏。同时，在总体能源消费碳排放的框架下展示煤炭碳排放，还难以区别出不同煤炭产品的相应碳排放，因而，具体分析原煤、选煤、型煤、焦炭以及其他煤炭产品的碳排放，将更有利于了解煤炭消费碳排放的来源，并据此提出针对性的政策建议。

本文通过2011年和2016年山西省煤炭平衡表绘制了相应的煤流图和碳流图，对煤炭产业转型升级背景下山西省的煤炭生产利用情况以及碳排放状况进行了分析，在一定程度上展示了山西省煤炭转型方式的成效，对于其他煤炭资源型省份具有借鉴意义。

1 方法与数据

1.1 能源实物量与标准量的转换

煤流图中数据来自《中国能源统计年鉴—2017》[9]中的山西能源平衡表(实物量)—2016和《中国能源统计年鉴—2012》[10]中的山西能源平衡表(实物量)—2011。由于山西省能源平衡表均为实物量，使得不同的能源品种单位不一致，难以反映不同部门的煤炭相关产品的消耗总量，故需要将实物量转换成标准量再进行煤流图绘制。具体的转换公式为

Si=eiPi

(1)

式中，Si为不同能源品种的标准量，t标准煤；Pi为不同能源品种的实物量；ei为不同能源品种从实物量转换为标准量的折算系数，不同能源品种的折算系数取自《中国能源统计年鉴—2017》[9]和《综合能耗计算通则》[11]。

1.2 能源品种和终端消费部门的划分

为了既能增强煤流图的易读性，又能反映出足够的细节，需对煤炭平衡表进行简化。针对不同的能源品种，将数量小的能源品种与具有相关性的能源品种进行合并，将选精煤和其他选煤合并为“选煤”，其他焦化成品和焦炭合并为“焦炭”，将焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气、其他煤气，以及煤制油制气产生的石蜡、其他石油产品和天然气合并为“油气”，合并后一共有原煤、选煤、型煤、焦炭、油气、电力、热力、煤矸石8种能量载体。

针对终端消费部门，由于煤炭在工业部门和生活消费部门的消费数量较多，遂对这两个部门进行单独分析，农林牧渔业、建筑业、交通运输仓储和邮政业、批发零售业和住宿餐饮业以及其他部门合并为“其他”。对于在工业中以原料和材料方式利用的煤炭划分为非燃料利用部门进行分析。

1.3 煤炭加工转换效率

煤炭加工转换效率是指一定时期内煤炭经过加工转换产出的各种煤炭产品的数量与投入加工转换的各种煤炭数量的比率，它是反映煤炭加工转换装置和生产工艺先进与落后、管理水平高低等的重要指标。煤炭加工转换效率为

(2)

式中，Ck为k环节的煤炭加工转换效率；Ok为k环节的能源产出量；Ikm为k环节的m种能源投入量。

1.4 碳排放核算

CO2排放的计算方法参照《2006年IPCC国家温室气体排放清单指南》[12]，其公式为

(3)

式中，E为CO2排放量，106t；i为不同部门；j为燃料品种；AC为消费的化石燃料实物量，104t或109m3；NCV为各燃料的低位热值，kJ/kg或kJ/m3；CCj为燃料含碳量，kg/GJ；Oi，j为氧化率，采用IPCC默认值1；α为CO2和C的质量分数比。

计算碳排放所需的各种能源的平均低位热值和含碳量分别取自《中国能源统计年鉴—2017》[9]和《2006 年IPCC国家温室气体排放清单指南》[12]。

2 分析与讨论

2.1 煤炭生产供应的变化

图1为山西省煤流图。由图1可知，受到煤炭供给侧改革的影响，去产能和去库存取得了明显成效。2016年山西省原煤生产量比2011年下降了4.8%，原煤库存量也从增到减，2016年原煤库存量减少了227.8×104t，这对于保持煤价稳定、促进煤炭产业健康发展具有积极意义。

原煤这种初级能源的省外调出量大幅减少，更多的原煤被用于省内加工和消费，2016年原煤省内供应量比2011年增长87.2%。山西省煤炭产品的调出，更多的转向选煤和焦炭等具有一定附加价值的产品，2016年调出的选煤和焦炭量占各自生产量的比例从2011年的31.7%和67.9%增加到68.2%和84.6%，使得山西省煤炭生产供应链逐步完善。山西增加煤炭加工产品的省外调出量固然有益，但同时原煤的省内加工带来的耗水增加、废水排放以及加工产生的空气污染物等，都对资源环境产生了负面影响。尽管山西存在规模化生产优势，即废弃污染物可以进行集中化排放处理，但是污染排放处理技术还需要进一步升级。

经过5年的调整发展，山西省的煤炭生产供应情况出现了明显变化，过剩产能控制取得初步成效，煤炭产品向外调出更倾向于高附加价值产品，但由此带来的污染问题也需重点关注。

2.2 煤炭加工转换部门的变化

在煤炭加工过程中，无论是2011年还是2016年，原煤洗选的固体废物煤矸石在山西省内得到了完全的资源化利用，主要用于发电、供热和工业燃烧。山西省内对煤矸石的处理使废弃物资源化，同时避免了煤矸石露天堆放可能引起的扬尘、占用土地资源、微量重金属元素污染水土等环境问题[13]。

2016年，型煤的制作原料由2011年的选煤转向原煤。型煤是洁净煤生产技术的一种[14]，它具有节能增效明显、废气排放量减少的优点。但随着山西省工业型煤的需求减少，对型煤品质的要求有所下降，满足一般的生活消费使用即可，因此不再使用选煤进行型煤的制作，而采用原煤直接加工。但是，不加洗选的原煤灰分和硫化物较多，直接燃烧会产生烟尘、二氧化硫和氮氧化物等空气污染物，这对居民的生活环境和身体健康会产生损害。

2016年，用于炼焦的原煤和选煤的投入量比2011年减少了11.8%，同时库存焦炭得到进一步利用，2016年焦炭的利用量比2011年增加166.2×104t标准煤。由于技术进步，炼焦效率进一步提升，2016年炼焦效率比2011年提高2.1%，达到94.2%，这对节约煤炭资源具有重要意义。同时，山西用于向省外调出或向国外出口的焦炭比例增大，2016年和2011年用于省内消费的焦炭数量仅占生产量的27.9%和29.3%，进一步反映了山西作为能源资源型省份的原料供应地位。

受工业电力需求放缓的影响，2016年用于发电的原煤、选煤和煤矸石的投入量比2011年都有所减少，特别是2016年出现利用余热发电的新能源形式，节约煤炭110.4×104t标准煤，节约了燃料和保护了环境。供热效率进一步提升，2016年供热效率比2011年提高4.6%，达到80.2%。同时，供热部门也对热量进行回收利用，2016年回收热量137.9×104t标准煤，这与终端消费部门中的其他部门能源消耗量相当。

图1 山西省2011年和2016年煤流图Fig.1 Coal flow chart of Shanxi Province

另外，山西省在煤制油、制气技术上取得了进展，2016年生产煤制油气产品112.8×104t标准煤，比2011年增长87.7%。煤制油、制气既能替代石油资源以保障能源安全[15]，又能更高效和环保地利用高灰分煤[16]，对高灰分煤储量占煤炭储量的40%的山西省具有较大意义。

在这5年间，山西省废弃物的资源化利用逐渐充分，炼焦和供热效率进一步提升，煤制油、制气技术实现突破，但也存在型煤制作由选煤转向原煤的不利因素。

2.3 煤炭终端消费的变化

总体来看，终端消费部门的煤基能源消费量有所上升，2016年比2011年增长了6.3%。图2为2011年和2016年不同能源品种终端消费流向。由图2可知，各终端消费部门的能源品种占比发生了变化，在建筑业、批发零售业和住宿餐饮业等不再使用型煤，电取暖替代了蜂窝煤或煤球取暖；在工业原料中型煤具有重要作用，可以用于化肥造气，生产半焦、液体或气体燃料，生产甲醇、醋酸等化工产品，2016年化工产品使用的型煤占型煤终端消费量的28.0%。

基于煤炭深加工技术的迅速发展，煤制天然气的出现使得煤基产品的应用范围逐步扩大，但在油气终端消费量中占比仍然较小，仅为0.1%；油气用于生活消费的比例也大大降低。其主要原因是山西省内原有的焦炉煤气供气区被清洁高效的天然气取代，这一部分焦炉煤气转向工业使用，这也是山西进行大气污染防治的重要举措。

图2 2011年和2016年不同能源品种终端消费流向Fig.2 End-use consumption trends of different energy types in 2011 and 2016

图3为2011年和2016年山西省城镇和乡村煤基能源消费比例。由图3可知，山西城镇和乡村的煤基能源消费结构也发生了转变。2016年与2011年相比，原煤及选煤在城镇和乡村生活消费中占比均大幅下降，热力、电力和油气等清洁能源在城镇和乡村生活消费中的占比增加。随着天然气在农村地区的推广使用，油气在乡村生活消费中的比例逐步上升，2016年比2011年增长2%，达到4%；电力使用比例也逐步上升，表明山西农村地区的能源使用正在向清洁化和电气化方向转变，这与山西省在农村地区大力推广清洁能源密不可分。现今，通过政府补贴和政策倡导，一些农村地区已经用天然气完全替代了散煤燃烧，避免了散煤燃烧不充分对当地空气质量的损害[17]，为山西的能源转型和环境治理作出了较大贡献。随着天然气价格的逐步下降，乡村居民未来对于天然气的接受度也会相应提高，天然气对于散煤的替代比例也将进一步增大。

图3 2011和2016年山西省城镇和乡村煤基能源消费比例Fig.3 Proportion of coal-based energy consumption in urban and rural areas in Shanxi Province in 2011 and 2016

综上所述，2011—2016年，终端消费部门中的煤炭产品消费结构有所优化，城乡煤炭产品消费结构向清洁化转变。

2.4 煤炭相关碳排放的变化

煤炭只有在燃烧过程中才会产生碳排放，所以必须对煤炭进行燃烧利用的发电、供热、工业和生活消费等部门进行分析，山西省碳流图如图4所示。由图4可知，2011年和2016年山西省煤炭相关碳排放总量分别为4.4×108t和4.7×108t，年均增速为1.3%。从碳排放的来源看，原煤、选煤、型煤和煤矸石的碳排放量的变化并不显著，而油气在工业部门消费量在增加，与2011年相比，2016年油气燃烧产生的碳排放量占总排放量的比例增长了4.3%，达到10.1%。从碳排放部门结构来看，光伏和风电等一次电力的增长对煤基能源火力发电起到了一定的替代作用，使得电力部门碳排放得到控制，2016年发电部门碳排放量比2011降低了8.2%；随着山西城镇集中供热工作的不断推进，2016年供热部门的碳排放比2011年增加了60.4%；商业和居民生活消费中散煤使用减少，导致这些部门的碳排放也开始下降。由此可见，煤炭相关碳排放呈现不断集中化的特点，为将来碳排放的统一处理和控制提供了基础。但在生活消费中，2016年乡村碳排放量是城镇的2倍，控制乡村碳排放是未来减排工作的重点。

从2011年到2016年，在经济发展的需求下煤炭相关碳排放有所上升，较为清洁的煤制油气产生的碳排放占比明显增加，一次电力使用对于煤电碳排放的控制初见成效，供热排放上升幅度较大，城乡碳排放差距显著。

3 政策建议

(1) 进一步推动山西省煤炭利用的清洁化。为此以煤制油、制气为重点内容，在顺应发展要求的同时利用资源优势，不断深入研究煤炭深加工技术，为将来煤炭的大规模转化利用奠定基础；同时，通过技术创新降低煤化工产业中的耗水量。但山西省内型煤由原煤直接制作会带来环境污染和资源利用低效的问题，在未来的煤炭加工利用过程中，还需对这一现象加以管制。

(2) 控制山西省煤炭相关碳排放。为此，需进一步加快可再生能源对于燃煤的替代使用，从源头上降低碳排放；同时，依托山西煤炭资源大省的特点，考虑开展燃煤电厂碳捕集利用与封存技术的试点示范，为应对将来碳排放约束紧缩下的大规模减排要求奠定技术基础。对于农村地区，还需重点加强对于低碳清洁能源使用的宣传和引导，同时提供经济上可承受的低碳技术选择，以提高农村居民对于低碳清洁能源使用的意愿。

4 结 论

(1) 在煤炭产业转型升级和煤炭供给侧改革影响下，山西省增加调出高附加值煤产品和煤炭消费中去库存的效果较为显著。由于政府对环境问题的关注和大众环保意识的增强，煤炭相关企业在煤炭加工转换过程中非常注重固体废弃物和余热的处理及资源化利用，这对于保护环境和节约资源具有重要意义，也有利于环保技术经验的积累。

(2) 随着山西省相关能源政策的不断推进，煤炭产业链逐步扩张，煤炭加工利用由简单的洗选、炼焦逐步向煤制油、制气等深加工方向转变，对于提高煤产品的附加价值具有重要意义，有利于山西省煤炭产业的精细发展，也为依托煤炭为基础解决我国能源安全问题和能源的高效利用做出示范。

(3) 在煤炭的利用过程中，通过政府政策的引导，城镇和乡村对原煤等初级煤炭产品的利用都显著减少，转而使用更为清洁的电力和油气等煤基产品，对于改善全省的生活环境和质量产生了积极作用。

(4) 山西省总体煤炭相关碳排放未得到有效控制，但呈现出向来源清洁化和集中化进行转变的特点。煤炭生活消费碳排放在乡村地区比城镇地区明显突出。