我国煤炭消费产生的温室气体和大气污染排放研究

李莉,雷涯邻,3,吴三忙,江勇，杨谨

(1.中国地质大学(北京),北京 100083;2.自然资源部资源环境承载力评价重点实验室,北京 100083；3.北京化工大学,北京 100029)

能源资源是经济社会持续发展的基础性战略物资。随着工业文明的不断进步以及人们对生活品质、舒适度需求的提高,人类社会对于能源资源的需求和依赖程度也在不断加强。但同时,不可再生资源加速枯竭、区域性大气污染、自然生态环境破坏、全球气候变暖等压力依然存在。能源资源的有限性和片面追求经济增长而导致的资源浪费和环境污染等问题日益引起人们重视。由于我国富含煤炭资源,在今后较长时期内,以煤炭为主的化石能源仍将是我国的主体能源。到2030年,煤炭消费比重仍然会在50%左右[1],煤炭燃烧产生的CO2仍然不容忽视。我国煤炭消费量大,能源消费的高碳特征比较明显，因而在节约能源和提高单位能源消费的产出效益上仍有较大空间。还有一些大气污染物的产生与消费尤其是煤炭消费相关，在煤炭的开采和利用中产生的PM2.5、SO2、烟尘、粉尘等是我国大气污染的重要来源。就全国来说,煤炭消费对PM2.5年均浓度的贡献大约占56%[2]。大气污染尤其PM2.5污染是影响人类健康的主要危害因素之一[3]。大气污染不仅严重影响了公众的健康[4-6],而且也在一定程度上影响了城市形象甚至国家形象。因此,定量核算煤炭消费产生的大气污染物排放量,尤其是PM2.5排放量,是实施污染控制的前提和依据。

目前,能源消费结构中煤炭消费占比在降低,但煤炭在能源消费结构中的比例与欧美国家的相比仍然差距较大,清洁可再生能源的消费占比还需要提高。据此,本文以煤炭资源为研究对象,构建了资源-环境-经济系统,并在此基础上,研究其对CO2排放量和大气污染物尤其是PM2.5排放量的影响,有利于为未来的能源消费结构转变以及CO2减排和大气污染减排提供建议。

1 资源-环境-经济系统构建

在经济社会发展中,资源、环境和经济三大系统之间的关系密切。环境系统是煤炭开采规模和速度的基础,但是煤炭开采的规模和速度又会影响区域的经济系统。反之,经济系统又为改善环境系统提供物质和资金保障。资源、环境、经济形成了一个相互作用的系统,此系统的有序联动,可以为生态文明建设提供前提和基础。

第一,资源-环境系统的联动。在煤炭地区,资源-环境系统的联动包括以下过程：在开采和利用当地煤炭资源的同时,对环境造成了破坏;根据煤炭开采区所独有的自然系统,以及对生态环境的破坏程度,规划生态治理的线路,最终使得煤炭开采区域的生态环境得到恢复。

第二,资源-经济系统的联动。依托所在煤炭地区的资源,在保障资源安全和生态环境的前提下,对煤炭行业的发展进行升级改造,可以将煤炭资源开发利用、火力发电、煤化工等过程进行结合。通过在煤炭矿区周围建设设施齐全的能源资源基地,推动所在区域经济社会的可持续发展。

第三,资源-环境-经济系统的和谐联动。资源、环境、经济三大系统之间的联动意味着煤炭地区实现三者可持续循环发展的模式，也即当地政企之间实现发展理念一致、动作一致、目标一致,对资源的适当开采和对生态环境的保护进行合理规划,以实现煤炭资源循环渐进有序开采、经济社会可持续发展、人民生活不断前进的多重目标。

分析上述三种联动模式可知,资源、环境、经济的协调发展,指在资源开发中,应该采用清洁高效的开采技术,使资源的利用效率最大化,资源浪费最小化,同时对煤炭开采时产生的伴生资源进行综合合理利用;资源开发对生态环境的污染破坏需要达到最小化,将产生的CO2和大气污染物的量降到最低,对矿区及周边生态环境及时治理并恢复,实现资源-环境-经济系统和谐发展、协调发展;在保证煤炭区域内资本存量满足当地需要的同时,又不影响后代未来发展的需要。资源、环境、经济三大系统间相互作用的机理如图1所示。

图1 资源、环境、经济三大系统作用机理

2 资源环境核算

2.1 煤炭资源消费产生的CO2排放量核算

2.1.1 核算方法

CO2排放量核算是气候模型构建、各国减排政策制定及国际谈判的基础。当前，国家和全球的CO2排放量主要由国际机构依据IPCC 方法和能源统计数据进行估算。CO2排放量的核算参数及方法主要来自于发达国家的经验值,可能会错误估计中国CO2排放量。CEADs 研究团队基于物质守恒理论,以能源平衡表为基础,开发出一套适用于中国多尺度(国家-省区-地级市)的CO2排放清单编纂模型,并采用更符合中国能源品质的实测排放因子,系统编纂中国多尺度CO2排放清单[7],目的在于准确衡量中国CO2排放量。一般来说,CO2排放的核算包括能源消费相关的CO2排放和工业生产过程的CO2排放。

由于能源消费中以煤炭消费为主，且其产生的CO2排放占绝大部分。因此,本部分只核算煤炭消费产生的CO2排放量,即煤炭资源消费量乘以CO2排放因子。数据来自2017年的中国能源统计年鉴[8]和实测排放因子[7]。计算公式如下：

E=CF。

(1)

式中:E为煤炭消费产生的CO2排放量;C为煤炭消费量;F为煤炭消费的CO2排放因子。

2.1.2 核算结果

科学合理地核算CO2排放量是制定碳减排策略的基础。但是CO2排放量的估算受很多因素的影响,如能源消费量等基础数据的统计口径与统计方法、排放因子的数值选取、不合理的统计数据等都会对CO2排放量的估算造成一定影响。根据IPCC(2006)国家温室气体清单指南推荐的计算方法,本文选取1980—2016年煤炭消费量[8]和实测排放因子,粗略估算了煤炭消费产生的CO2排放量,如图2所示。

图2 1980—2016年煤炭消费产生的CO2排放量

从图2中可以看出：在1980—2002年间,CO2排放量呈现平稳增长；在2003年后,随着经济增长和煤炭消费量的大幅增加,CO2排放量也随之大幅增加；在2013年达到此期间的最高点(70.05亿t)，此后逐年降低；自2014年起CO2排放量呈下降趋势，这与煤炭消费量下降、国家积极采取能源结构转变政策相关。

2.2 煤炭资源消费产生的PM2.5排放量核算

2.2.1 核算方法

各种能源的成分不同,其PM2.5排放因子也不同,参照北京市污染源普查数据和文献[9-10],总结出了煤炭消费产生的PM2.5排放因子取值，得煤炭资源消费产生的PM2.5排放量计算公式,见表1。

表1 煤炭资源消费产生的PM2.5排放量计算公式

2.2.2 核算结果

本文选取1980—2016年煤炭消费量[8]和文献[9]中煤炭消费的PM2.5排放因子,粗略估算了煤炭消费产生的PM2.5排放量，如图3所示。

图3 1980—2016年煤炭消费产生的PM2.5排放量

从图3可以看出：在1980—2002年间,PM2.5排放量从45.08万t增长到120.34万t；自2003年后,PM2.5排放量随着煤炭消费量的增加而增加,在2013年达到最高点(291.1万t)。2013年1月,全国多个省市出现了不同程度的雾霾污染,由此,政府开始对PM2.5的质量浓度进行监测。随后，随着煤炭消费总量控制政策的实施,煤炭消费量下降,PM2.5排放量也随之缓慢下降。2016年,煤炭消费产生的PM2.5排放量已下降到279.9万t。

2.3 结果分析与预测

1)煤炭消费产生的CO2排放量结果分析和预测。按照中国历年实际公布的CO2排放量数据(Wind数据库中可获得)和煤炭消费产生的CO2占比为80%的背景核算出来的煤炭消费产生的CO2排放量,与本文核算的图2中显示的1980—2016年煤炭消费产生的CO2排放量对比,发现误差在4%以内(2004年除外),说明本文核算结果可靠。

根据此方法,设定中国未来存在3种发展模式,即低、中、高排放模式。低排放模式下,能源消费结构中高碳燃料占比小;中排放模式下能源消费结构中高碳燃料占比适中;高排放模式假定能源消费结构中高碳燃料占比较高。

基于本文所采用的核算方法和ZHOU Nan等[11]关于2020—2035年低排放、中排放和高排放三种不同的发展模式和煤炭消费结构的预测结果,预测出2020—2035年煤炭消费产生的CO2排放量,如图4所示。

图4 2020—2035年煤炭消费产生的CO2排放量预测

由图4可知：在低排放模式下,煤炭消费产生的CO2排放量在2024年达到峰值(66.16亿t)；在中排放模式下,煤炭消费产生的CO2排放量在2027年达到峰值(70.68亿t)；在高排放模式下,煤炭消费产生的CO2排放量在2030年达到峰值(74.99亿t)。

2)煤炭消费产生的PM2.5排放量结果分析和预测。根据本文关于煤炭消费产生的PM2.5排放量的计算方法,以及《国家能源革命战略(2016)》提到的2020年将能源消费总量控制在50亿t标煤以内,到2030年控制在60亿t的发展目标[12],以及对年均增速的设定[13],本文预测出2020—2035年煤炭消费产生的PM2.5排放量,如图5所示。

图5 2020—2035年煤炭消费产生的PM2.5排放量预测

由图5可以看出,在低、中、高排放模式下,2035年煤炭消费产生的PM2.5排放量分别为341.4万t、348.1万t、354.8万t。

3 结语

为降低煤炭消费产生的CO2排放量和PM2.5污染量,可以从以下方面制定政策,推动环境有效治理,实现绿色可持续发展。

1)加强煤炭消费总量控制,提高煤炭净化比重。煤炭消费产生的碳排放量和PM2.5排放量较大,因此,需要继续实行煤炭消费总量控制的措施，同时,提高煤炭净化比重,降低能源碳含量,实现能源低碳化。大力发展煤净化技术是煤炭实现低碳化的一个切实可行的策略。从能源消费比例上看,煤炭占比尽管在下降,但是仍然高于世界平均水平,清洁高效能源的占比不足。正确把握能源消费结构的基本方向,引导能源消费结构向新能源转变。石油和天然气的单位消费量产生的碳排放量较煤炭的低了10%～30%。煤炭资源消费也应向煤炭、石油、天然气并重的现代型能源消费结构转变,利用好“西气东输”工程,做好能源消费结构转型。

2)开发利用清洁能源。诸如太阳能、地热能等新能源可以有效降低化石能源消费带来的二氧化碳和大气污染物,对于解决环境污染问题、实现环境治理具有重要的实际意义。比如地热能作为一种洁净无污染的可再生能源,具有巨大的能源开发和利用优势,相比风能、太阳能,它不受气候、季节、昼夜等等因素的干扰,并且储量大、分布广泛、利用率高,在节能减排、环保净化等方面,有着巨大的作用和竞争优势。我国地热资源十分丰富,远远高于很多地热能利用大国,高效、可持续地开发利用地热资源能够实现经济效益、社会效益和环境效益的协调统一。清洁能源的利用对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标的实现具有非常重要的意义。

3)CO2驱油与埋存。CO2驱油与埋存项目可以通过埋存,达到油气增产和CO2排放量减少的双重目标,或者通过驱油提高清洁能源的资源利用率和清洁能源供给量以实现减排。要实现大规模的CO2减排量,技术是最好的备选措施。虽然目前主要集中在技术研究开发和部分规模的示范阶段,减排技术的先进性和效益性也未得到全社会的认可,但CO2驱油与埋存项目进程却能加速该技术的进展,并激励促进低碳领域相关技术的全面快速发展,这就为大规模CO2减排提供了现实基础。同时,减排技术市场化的成功运作和示范,也将推动更多低碳技术进入项目应用和市场化运作。我国已将CO2驱油与埋存纳入了国家战略规划中,此项规划将在降低温室气体排放上起到重要的作用。由于煤炭、电力、化工等部门的碳排放较高,因此需要加大CO2驱油和埋存项目与煤炭、电力和化工行业的结合,为未来我国乃至全球的CO2减排作出贡献。