改革开放以来,中国经济取得了跨越式发展,大量煤炭消费支撑了经济的高速增长,也带来了严重的空气污染问题。2012年,发电、供热、工业锅炉以及民用燃煤等煤炭直接燃烧设备排放的SO₂、NO_x和一次颗粒物分别占我国人为源排放量的79%、57%和31%,钢铁、焦化、水泥、煤化工等重点用煤行业排放的SO₂、NO_x和一次颗粒物分别占我国人为源排放量的15%、13%和31%。运用WRF-CAMx模型研究煤炭消费对我国环境PM_2.5浓度的影响,结果表明:煤炭直接燃烧对我国环境空气PM_2.5的浓度贡献为37%,煤炭相关重点行业的排放对我国环境空气PM_2.5浓度的贡献为24%,煤炭使用对我国环境PM_2.5浓度的贡献总体在61%左右^[1]。这一结果既考虑了各类污染源直接排放的一次PM_2.5,也考虑了SO₂、NO_x、NH₃、VOCs等气态污染物在大气中经过化学转化所形成的二次PM_2.5。

当前,我国各种大气污染物排放量远超环境容量^[2],要实现显著改善空气质量的目标,如果仅依靠污染治理工程、从末端削减污染物排放,几乎是不可能完成的任务,必须依靠经济转型和能源结构调整,从源头减少污染物的产生量。2013年国务院发布《大气污染防治行动计划》,明确指出要制定国家煤炭消费总量中长期控制目标,实行目标责任管理,京津冀、长三角、珠三角等区域力争实现煤炭消费总量负增长。为科学制定国家和地区煤炭消费总量控制目标,必须在充分研究经济-能源-环境相互影响的基础上,基于合理的经济发展速度、优化调整产业结构、能源供需平衡、环境与资源约束等多方面因素,建立煤炭消费总量控制目标的研究方法,提出促进煤炭消费总量控制的政策措施,推动煤炭消费总量控制制度的建立和落实。

以2012年为基准年,2020年和2030年为目标年,运用情景分析方法对我国各省2020和2030年空气质量改善目标、煤炭消费行业结构与总量规模、重点领域大气污染物排放控制水平等进行定量化分析,结合重点地区行业发展与能源供需等因素,提出空气质量改善目标约束下的地区煤炭消费总量控制目标,具体研究思路如图1所示。首先基于各省重点行业发展规模、能源供需等因素分析煤炭消费需求;结合不同时期、不同行业的污染物排放控制水平,分析各省大气污染物排放情景;运用WRF-CAMx空气质量模型模拟不同情景下的PM_2.5浓度,考察其是否满足地区空气质量目标,若不满足则结合模拟结果与阶段性空气质量目标之间的差距,对各省煤炭消费结构和总量进行调整优化,经过多次迭代计算得到满足阶段性空气质量目标的控煤情景,即大气环境约束下的煤炭消费总量控制目标。

图 1

图 1 研究思路图

本文情景分析主要包括以下三方面内容:

(1)空气质量目标情景

基于各省空气质量现状和污染控制政策要求,提出2020年、2030年各省空气质量目标,以此作为地区煤炭消费总量的约束条件。

(2)大气污染物排放控制情景

以电力、钢铁、水泥、燃煤锅炉以及居民燃煤五类污染源作为研究重点,在分析大气污染物排放控制现状的基础上,结合最新大气污染防治政策,充分考虑未来环境治理技术进步以及污染源排放达标要求,预测2020年、2030年排放控制水平,重点测算SO₂、NO_x和烟粉尘三项主要大气污染物排放量。除上述五大类污染源以外的其他排放源,按照排放量每年下降1% 的减排速率测算。在以上情景中，VOC_s 和NH₃ 排放变化情况暂未考虑。

重点行业污染物排放量预测采用排放系数法,即行业活动水平乘以大气污染物排放系数。其中,行业活动水平为该行业工业产品产量或煤炭消费量,根据国家和地方政策、产业发展规划、资源禀赋等因素预测;排放系数为单位产品污染物排放量或吨煤污染物排放量,根据该行业排放现状、污染物排放标准、国际先进排放水平,考虑污染治理技术的发展趋势,并结合国家污染控制政策趋势等因素综合确定。

(3)煤炭消费情景

包括基准情景和控煤情景,首先设定分省分部门的煤炭消费基准情景,所谓基准情景是指充分考虑国家既有政策导向、各省发展诉求以及各省已采取的相关控煤行动等因素的情景。控煤情景是在基准情景的基础上,根据基准情景下空气质量模拟结果与空气质量目标之间的差距,进一步调整优化煤炭消费情景,通过空气质量模型多次迭代计算,最终得到满足空气质量目标的煤炭消费情景。

本文采用WRF中尺度气象模式、CAMx空气质量模式模拟不同煤炭消费情景及相应的污染物排放控制情景下的PM_2.5浓度。CAMx是当前主流的第三代空气质量模型,是美国ENVIRON公司在UAM-V模式基础上开发的综合空气质量模式,它将"科学级空气质量模型所需要的各种技术特征合成为单一系统,考虑了实际大气中不同物种之间的相互转换和影响,可以用来对气态和颗粒态的大气污染物在城市和区域等多种尺度上进行综合性模拟^[3]。

WRF-CAMx模型模拟时段为2020年和2030年1、4、7、10四个月份,时间间隔为1h。研究区域包括中国全部陆域范围。CAMx模型所需排放清单的化学物种主要包括SO₂、NO_x、颗粒物(PM₁₀、PM_2.5及其组份)、NH₃和VOC_s (含多种化学组份)等多种污染物,其中SO₂、NO_x、颗粒物排放数据采用2020年、2030年排放情景数据,人为源NH₃、VOC_s (含主要组份)等排放数据采用2012年清华大学MEIC排放清单^[4],生物源VOCs排放数据源于全球排放清单GEIA^[5]。WRF-CAMx模型参数设置及模拟结果的可靠性验证见前期研究成果^[6]。

经过"十一五"、"十二五"主要污染物总量减排与大气污染防治工作的努力,我国城市SO₂浓度显著下降,但当前多种大气污染物浓度仍然处于高位。2014年全国开展空气质量新标准监测的161个城市中,仅有16个城市空气质量年均值达标,145个城市空气质量超标,SO₂、NO₂、PM₁₀、PM_2.5年均浓度分别为35μg/m3、38μg/m3、105μg/m3以及62μg/m3,四项污染物年均值浓度达标城市比例分别为88.2%、62.7%、21.7%和11.2%^[7]。大气颗粒物(PM₁₀和PM_2.5)已成为城市空气质量达标的主要制约因素,同时考虑到污染物浓度与煤炭消费的相关关系,本文以PM_2.5浓度作为我国环境空气质量的衡量指标,在此基础上分析空气质量改善对煤炭消费的反向约束作用。

我国城市PM_2.5超标情况普遍且差距巨大,2014年161个城市中PM_2.5浓度超标90%以上的城市占比高达40%,因此空气质量的改善无法一蹴而就,需要根据不同城市的达标差距,设定分阶段控制目标,坚持不懈地削减多种大气污染物排放量,争取到2030年左右实现城市空气质量基本达标,2030年之前全国PM_2.5年平均浓度每5年下降20%以上。结合不同地区的空气质量现状、《大气污染防治行动计划》要求以及2030年空气质量基本达标的远景目标,分析不同地区PM_2.5浓度降低进程,如表1所示。

表 1

表 1 不同时期PM2.5 年均值改善目标设想

表 1 不同时期PM2.5 年均值改善目标设想

基于以下基本原则,研究各省大气污染物排放控制水平。一是地区差异化原则,北京、天津、河北、山东、上海、江苏、浙江、广东、重庆9省市按照大气污染物特别排放限值,设定严于其他地区的污染物排放控制要求。二是排放标准从严原则,北京等地出台了一系列严于国家标准的地方标准,参照地方排放标准分析污染物排放控制水平。三是污染控制水平逐步提高原则,按照污染治理技术水平逐年提高进行测算。重点污染源2020年、2030年排放控制水平如表2所示。

表 2

表 2 2020 年、2030 年大气污染物排放控制水平预测

表 2 2020 年、2030 年大气污染物排放控制水平预测

在上述大气污染物排放控制水平情景下,全国各行业吨煤排放系数变化趋势如表3所示。可见,随着脱硫、脱硝和除尘治理设施普及率的提高以及去除效率的提高,到2030年电力、钢铁、水泥和工业锅炉的吨煤大气污染物排放系数将较大幅度下降。从不同部门的吨煤排放系数来看,生活用煤和燃煤锅炉的吨煤大气污染物排放量明显高于其他行业,因此削减居民生活、小型燃煤锅炉的煤炭消费量具有更高的环境效益,电力行业的污染物排放控制水平最高,应逐步将煤炭消费向电力行业集中。

表 3

表 3 重点部门的全国平均大气污染物排放系数*

表 3 重点部门的全国平均大气污染物排放系数*

（1）基准情景

煤炭消费基准情景预测是基于煤炭消费的驱动因素和消费结构,具体思路如下:首先,参考国家发展目标和各省经济社会发展规划,对未来15年(2015-2030年)各省经济社会发展情景进行设定,主要包括人口、GDP、产业结构等宏观指标。其次,根据各省宏观经济指标,考虑国家主体功能区规划、产业布局规划以及节能减排等既有政策导向,同时基于各省能源、水、土地资源条件以及自身的发展取向,结合各省已采取的相关控煤行动,包括京津冀鲁、长三角、珠三角以及中西部一些省区采取的控煤计划,分析各省未来主要用煤行业发展前景。第三,分析各部门煤炭利用技术潜力及前景,对各部门煤炭利用特征指标进行预测,主要包括单位产品煤耗、单位增加值煤耗及人均煤耗等。最后,部门用煤加总得到各省煤炭需求。

情景预测结果表明,基准情景下煤炭消费需求增长将在2025年左右达到顶峰,之后逐渐下降,2020年和2030年全国煤炭消费总量分别比2012年增加10.3亿吨和12.0亿吨左右。电力用煤持续增长是最主要的拉动力量,其次是现代煤化工,这些煤炭消费量增长主要集中于西北省份。

（2）控煤情景

在煤炭消费基准情景基础上,基于不同区域的大气环境质量约束,考虑不同部门削减煤炭消费的环境效果和可行性,对煤炭消费基准情景进行调整,通过反复多次迭代计算,最终得到满足空气质量阶段性目标(如表1所示)的控煤情景。煤炭削减的重点是生活原煤散烧、小型工业锅炉及水泥、钢铁等行业。

基于空气质量约束的控煤情景分析结果表明:要实现2020年和2030年空气质量改善目标,全国煤炭消费总量应在2020年控制在40.8亿吨左右,较2012年增长约1.7亿吨,到2030年控制在37.7亿吨以内。煤炭消费总量控制的重点地区为北京、天津、河北、山东、河南、上海、江苏、浙江、安徽、湖北和广东11个省,重点地区煤炭消费量2020年应控制在15.8亿吨,2030年控制在13.1亿吨,较2012年煤炭消费量分别下降12%和27%。空气质量约束下各省煤炭消费总量控制目标详见表4。

表 4

表 4 基于空气质量约束的各省煤炭消费总量控制目标

表 4 基于空气质量约束的各省煤炭消费总量控制目标

实现全国和重点地区煤炭消费总量下降,将主要依靠优化产业结构,淘汰钢铁、水泥等高耗煤行业落后产能,加快燃煤供热锅炉以及工业锅炉、窑炉改造和燃料替代,提高工业行业能源效率等措施。到2030年,钢铁、水泥、工业锅炉和居民生活用煤量分别比2012年下降44%、38%、34%和63%,而发电用煤量比2012年增长39%,煤炭使用将由生活、工业向更为清洁的电力行业集中。

从全国整体来看,按照上述控煤情景实施煤炭消费总量和污染物排放控制后,将有效减少大气污染物排放量。在控煤情景中,到2020年全国SO₂、NO_x和烟粉尘排放量将比2012年分别下降27%、38%、29%;到2030年全国SO₂、NO_x和烟粉尘排放量将比2012年分别下降58%、57%、58%,详见图2。

图 2

图 2 控煤情景下全国主要大气污染物排放量变化趋势

利用WRF-CAMx空气质量模型对控煤情景的PM_2.5浓度进行模拟,结果表明:2020年全国PM_2.5平均浓度在2012年的基础上下降28%;2030年,全国大部分城市PM_2.5年均浓度达到或低于35μg/m³,不达标区域大面积减少,各省PM_2.5年均浓度下降幅度在20%~67%之间,其中PM_2.5年均浓度下降比例大于55%的省份包括北京、天津、河北、湖南、四川、重庆等。各省控煤情景下2020年、2030年PM_2.5年均浓度分布见图3。

图 3

图 3 2020 年、2030 年控煤情景PM2.5模拟结果

根据表4中各省煤炭消费总量控制目标分析结果,可将煤炭消费总量控制地区分为以下3种类型:①绝对削减型,如北京、天津、河北和山东等省,该类地区空气质量较差,单位面积煤炭消费量大,应在2030年之前持续削减煤炭消费总量。北京将关停所有煤电厂并力争建设无煤城市,天津、河北和山东等省将通过严格控制新增煤电建设项目,大力淘汰钢铁、水泥等落后产能,加大燃煤锅炉燃料替代,发展热电联产等措施实现煤炭消费持续削减。②控制增量型,如内蒙古、新疆和宁夏等省、自治区,这类地区是我国重要的煤电基地和煤化工基地,未来允许其煤炭消费量在一定范围内增长,但应注重合理控制耗煤行业发展规模,提高大气污染治理水平。③维持不变型,如海南、西藏等省、自治区,这类省份煤炭削减潜力有限,在2030年之前保持煤炭消费总量不增长即可。

需要说明的是,表4中基于空气质量约束的各省煤炭消费总量控制目标是以控煤情景中假定的污染物排放控制水平和分省、分行业煤炭消费结构为前提的,存在一定的不确定性。一是对区域空气质量有一定影响的扬尘、秸秆焚烧、非道路移动源等的排放量变化趋势未纳入本研究;VOCs和NH₃排放量的变化趋势也暂未纳入研究;二是由于不同行业吨煤消费量的污染物排放系数差别较大,因此,控煤情景中煤炭消费的行业结构如果出现变化,将对各省污染物排放控制情景和PM_2.5浓度预测结果产生一定影响。

实施煤炭消费总量控制,必须依托于整个社会经济与能源发展模式的转变。应将节能、提效、合理控制能源需求总量作为首要战略措施;并积极发展天然气、水电、核电以及风能、太阳能、生物质能等清洁能源,实现能源的多元化供应,逐步实现以非煤能源满足能源需求增量;同时优化煤电、钢铁、焦化、石化、建材等产业布局;通过政策引导,促使煤炭消费结构向大型燃煤设施集中;大力推广先进的能源利用与污染治理技术,降低煤炭消费对环境的影响。概括而言,可以总结为以下指导方针:需求控制,多元供应,优化布局,清洁利用。

实施煤炭消费总量控制不应全国一刀切,全面限制煤炭消费增长,而应科学划定煤炭消费总量控制区范围,并针对不同地区设定差异化的煤炭消费总量控制目标。煤炭消费总量控制的重点区域划分,其核心依据是空气质量改善要求与煤炭消费强度,同时需要综合考虑大气污染严重程度、煤炭相关行业对大气污染的贡献、地区社会经济发展水平、能源消费特征、相关国家政策要求等因素,建议将北京、天津、河北、山东、河南、上海、江苏、浙江、安徽、湖北和广东11个省作为我国煤炭消费总量控制的重点区域。煤炭控制目标需综合考虑产业结构调整、能源替代的可行性、空气质量和污染物总量减排要求等因素。

在产业发展规划和重大项目布局方面,要充分考虑地区环境容量、资源禀赋、行业发展现状等因素,将煤炭消费总量控制指标作为重点区域建设项目审批的前置条件,严格项目准入。重点是优化调整煤电和钢铁产业布局。在煤电生产布局方面,京津冀、长三角、珠三角等重点区域新建项目禁止配套建设自备燃煤电站,除热电联产外禁止审批新建燃煤发电项目,未来发电装机缺口主要通过接受区外来电、增加非化石能源发电等方式解决;积极发展西电东送,在新疆、内蒙古、山西、宁夏等煤炭资源富集地区,按照最先进的节能环保标准,建设大型燃煤电站(群),继续合理扩大西部煤电东送规模,同时要注意防止煤电基地及周边地区空气质量恶化;因地制宜发展热电联产,满足新型中小城镇热力需求,贯彻以热定电原则,同时采用高效污染治理技术,最大限度降低污染物排放量。在钢铁布局方面,京津冀鲁和长三角区域的大规模钢铁产能必须得到有效控制,粗放低效的落后产能应逐步加以淘汰,新增高效产能可适当向丝绸之路经济带和长江经济带腹地转移。

着力优化能源结构,把发展清洁低碳能源作为调整能源结构的主攻方向,逐步降低煤炭占一次能源消费比重,大幅增加天然气、风电、太阳能、地热和核电等清洁能源消费比重,全面降低非电煤占煤炭消费比重。到2020年,全国非化石能源占一次能源消费比重达到15%,煤炭占一次能源消费比重控制在62%以内,非电煤占煤炭消费总量比例降低到40%以内。

在能源供应方面,对于煤炭消费总量重点控制地区,要增加天然气供应,提高风电、太阳能、地热和核电等清洁能源比重,并增加电力输入量。努力扩大天然气供给与利用规模,加大国内常规天然气勘探开发力度,尽快实现页岩气规模化商业性生产,突破煤层气关键技术,实现产量快速增长,积极扩大天然气进口来源和进口规模。加快完善天然气价格形成机制,形成比价合理、消费者可以承受的天然气价格。大力提高清洁能源比重,在安全高效的前提下推动核电发展,按照生态优先原则统筹水电建设和运行,协调有序发展风电,因地制宜发展太阳能发电。

大力实施居民生活用煤替代,加快燃煤供热锅炉以及工业锅炉窑炉改造和替代,积极推进热电联产为工业和民用采暖供热,使煤炭消费向污染物排放强度较低的电力行业集中。在城市内划定煤炭禁燃区,分散的燃煤锅炉逐步改用清洁能源或由集中供热锅炉替代。对于农村民用炊事、采暖用煤,应积极推进太阳能、沼气、电力、天然气等替代燃煤。

严格执行污染物排放标准,在重点控制区执行大气污染物特别排放限值,提高排污费征收标准,推动电力、钢铁、焦化、水泥、大型燃煤锅炉等重点污染源安装高效脱硫、脱硝、除尘设施,提高污染治理水平,实现稳定达标排放,2030年污染治理水平全面达到新源排放标准或特别排放限值。

制定和实施煤炭清洁高效利用规划,积极推进煤炭分级分质梯级利用。加大煤炭洗选比重,鼓励煤矸石等低热值煤和劣质煤就地清洁转化利用。通过选煤、配煤、型煤、水煤浆、低阶煤提质等煤炭优质化加工技术,提高、优化煤炭质量,形成分区域优质化清洁化供应煤炭产品的格局,实现煤炭精细化加工配送。建立健全煤炭质量管理体系,加强对煤炭开发、加工转化和使用过程的监督管理。加强进口煤炭质量监管,禁止进口高灰分、高硫分的劣质煤炭。重点区域限制销售和使用灰分高于16%、硫分高于1%的散煤,京津冀地区民用煤炭硫分不得高于0.4%,鼓励农村地区使用洁净型煤。