引言

2017年1月中国环境监测总站发布的《2016年全国环境空气质量状况》显示，2016年全国338个地级及以上城市空气质量未达标天数比例为21.2%，空气质量未达标城市占比75.15%。其中，6项空气质量指标中，PM_2.5和PM₁₀分别超过了年均值二级标准34.3%和17.1%。要改善大气空气质量和解决雾霾等污染问题，就需要选择适合我国国情的可替代能源，以调整和优化我国的能源消费结构^[1]。2015年我国消耗了全球能源消费总量的22.92%，却排放了全球27.32%的CO₂^[2]。我国急需改变现有的煤炭消费方式，其中，逐步减少煤炭消费，增加清洁的电力消费，实现“以电代煤”是有效的能源替代战略之一。煤炭消费中约50%用于发电，另一半则是作为直燃煤，用于工业动力用煤、生活用煤等，这已成为大气污染的主要来源^[3]。即使是北京这样的大都市，由于生活习惯等影响，居民用煤也是大气污染的主要来源之一，造成了严重的影响^[4-6]。刘海峰、谢知寒提到我国电力消费占终端能源消费的比重每上升1%，单位GDP能耗可下降4%^[7]。而我国受资源禀赋、能源消费习惯等的限制，预测到2020年煤炭消费量仍会继续增长^[8]。因此，燃煤工业锅炉、中小型燃煤锅炉等散烧煤继燃煤发电之后成为大气污染治理的主战场，实行以电代煤，不断提高电力用煤是煤炭清洁高效利用的必然趋势，是解决城市雾霾难题的有效方式^{[9, 10]}。

从世界能源消费总体发展趋势看，电力用煤占煤炭消费的比重持续提高，自2013年开始有所下降。国际能源署（IEA）的统计数据显示，2014年世界电力用煤占全部煤炭消费的比重为65.5%。总体来看，47个发达国家和地区（联合国开发计划署在《1990年人文发展报告》中提出的“人类发展指数（HDI）”不低于0.9）中50%以上电力用煤占煤炭消费比重在80%以上，其中12个发达国家的电力用煤占煤炭消费的比重甚至达到了90%以上乃至100%，其中新加坡（100%）、以色列（100%）、葡萄牙（99.25%）、摩纳哥（98.99%）、希腊（96.97%）、斯洛文尼亚（96.1%）、爱沙尼亚（95.58%）、丹麦（94.82%）、美国（94.08%）、意大利（90.91%）、澳大利亚（90.89%）、德国（90.59%）。电力用煤占煤炭消费的比重低于80%的其他发达国家或地区，其本身的煤炭消费也非常低，如新西兰（46.03%）和瑞典（41.18%）等国家，主要用于工业原料而不用于发电^[11]。

我国虽然已有一些地区实行了以电代煤，也取得了相当可观的经济环境效益，但是目前仍有40%以上的煤炭用于中小型的锅炉、窑炉、居民做饭取暖的燃烧^[12]。对各类燃煤锅炉的调查数据显示，2015年我国在用工业燃煤蒸汽锅炉约19万台，燃煤工业窑炉超过16万座，在用工业燃煤加热炉约9万台，在用燃煤工业锅炉约18万台，在用燃煤生活热水锅炉约18万台^[13]，我国民用炉具保有量约1.3亿台，其中约60%为传统燃煤炉具^[14]。我国各行业的生产生活中仍使用大量的直燃煤设备，数量庞大，但是平均容量小，同时排污处理系统的不完善也造成了严重的空气污染，选择用电设备替代这些燃煤设备将产生重要的环境价值。我国政府针对居民用电出台了许多优惠电价、补贴政策，但工业方面的优惠补贴政策较少。

目前已有一些学者对特定地区特定行业以电代煤的技术可行性、经济效益和环境效益进行了分析。这些学者均认为目前我国的电器设备技术已能满足各行业用能的基本需要^{[15, 16]}，并在此基础上进行了其他研究，本文也将基于该研究假设展开。

本文将除电力外的主要煤炭消费部门分为8个部门：① 石油加工、炼焦和核燃料加工业；② 化学原料和化学制品制造业；③ 非金属矿物制品业；④ 黑色金属冶炼和压延加工业；⑤ 有色金属冶炼和压延加工业；⑥ 非高耗能工业；⑦ 居民；⑧ 商业。

已有的对以电代煤经济效益的分析主要是根据特定地区特定行业的调研数据运用技术经济分析法或分层随机问卷调查等方法比较不同用能设备的经济成本^{[17, 18]}，或是比较消费不同能源转换为电力的能力和价格^{[19, 20]}。他们发现，用电设备的投资、燃料费等经济成本远高于燃煤设备，研究认为仅从经济成本角度出发，实行以电代煤不具备可行性。这些研究均局限于某一地区的某一个行业，并未从我国整体行业的角度出发，而且在进行经济效益分析时没有综合考虑环境外部成本。本文将运用技术经济分析方法计算八大部门以电代煤的经济替代成本，包括初始投资和能源消耗费用，并结合环境效益综合分析“以电代煤”的经济性。

已有的对以电代煤的环境效益的分析主要有以下四个方面：一是运用排放系数法通过比较实施“以电代煤”政策前后的CO₂、SO₂、烟尘等主要污染排放的变化来说明其环境效益^[7]；二是运用系统动力学方法建立“以电代煤”减排效益模型^[21]；三是比较不同国家、地区或我国不同省份的能源消费结构和污染排放结构来证明“以电代煤”的环境效益是可观的^[12]；四是通过比较不同终端能源的环境成本、污染排放量来分析“以电代煤”的环境效益^[22]。他们都认为电力是清洁能源，没有任何污染，并没有考虑到燃煤发电生产过程中产生的污染。本文将运用排放系数法计算8个用能部门（石油加工、炼焦和核燃料加工业，化学原料和化学制品制造业，非金属矿物制品业，黑色金属冶炼和压延加工业，有色金属冶炼和压延加工业，非高耗能工业，居民，商业）消费能源时产生的6种主要排放气体，包括大气污染物二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NO_x）、可吸入颗粒（PM₁₀）、入肺颗粒物（PM_2.5）、温室气体二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）。

在计算和分析了以电代煤的经济与环境效益之后，本文将通过比较以电代煤的经济成本和所减少的环境外部性成本来判断这八大部门进行以电代煤是否具有经济环境可行性，并就本文的结论提出一些政策建议。

1 研究方法和数据来源 1.1 研究方法

“以电代煤”的经济成本分析中，首先需要比较不同供能设备的初始成本和生产运行成本，包括初始投资（设备购买及安装费用）和能耗费用。其计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，AC_i为第i种供能设备的年费用（万元）；I_i为第i种供能设备的初始投资（万元）；r为基准折现率（%）（影响基准折现率的因素主要有股权成本和借贷成本，根据文献[19]本文设为6%）；n_i为第i种供能设备的使用年限（燃煤设备一般为10年，用电设备一般为15年）；C_i为第i种供能设备的年燃料费用（万元）；Q_i为第i种供能设备的能源消耗量（煤炭为吨，电力为千瓦时）；P_i为能源的价格；q_i为第i种供能设备的单位能耗（见表 3）；T_i为第i种供能设备的工作时间（我国一年的法定工作日是250天，每天法定工作时间为8小时，即一年工作2000小时；我国法定供暖时间为11月15日到次年3月15日，故商业和居民供暖的设备一年运行时间为120天，一天24小时，一年运行2880小时）；a_i为第i种供能设备的使用效率（表 3）。供能设备的种类分为燃煤设备和用电设备，分别用i=1和2表示。

其次，需要考虑不同行业以电代煤设备更换的差异。其中，除电力行业以外的五大高耗能工业和非高耗能工业为实现以电代煤需要替代的设备主要是锅炉（石油加工、炼焦和核燃料加工业，化学原料和化学制品加工业，以及非高耗能工业）、窑炉（非金属矿物制品业）或加热炉（黑色冶炼和压延加工业，有色金属冶炼和压延加工业）。商业和居民中主要考虑的是供热中的燃煤替代，即考虑用电热水锅炉替代燃煤热水锅炉，但有研究表明，空气源热泵也是较好的用电供热设备，因此将考虑用电热水锅炉或空气源热泵来替代燃煤热水锅炉。

以电代煤的环境效益是由煤炭消费的节能量和单位煤耗的污染物排放量共同决定的，本文运用排放系数法计算SO₂、NO_x、PM₁₀、PM_2.5、CO₂和CH₄的减排量^[23]：

(4)

式中，E_j为j种污染物的排放量（万吨），j=1，2，…，6；C为煤炭消耗的减少量（万吨）（根据供电煤耗率计算出用电设备用电所消耗的煤炭量，煤炭消耗的减少量即燃煤设备的耗煤量减去用电设备的耗煤量）；β_j为污染物排放系数（表 2），即单位煤炭燃烧排放的污染物量（千克/吨）；γ_j为末端j种排放气体治理措施的污染去除率。根据北极星节能环保网对气体污染脱硫脱硝除尘除碳技术的调查结果，本文的计算中，除硫以湿法石灰石/石膏法为例，取95%除硫效率；除氮以半干喷雾法为例，取90%除氮效率；除尘以旋风除尘为例，取80%除尘效率；除碳以氨装置为例，取60%除碳效率^{[24, 25]}。

1.2 数据来源

本文分析的8个行业的煤炭消费量和产值如表 1所示，以下8个行业部门消费了中国煤炭总消费的55.25%（其余煤炭主要供应于电力部门），同时产生了全国88.73%的GDP。它们是中国经济发展的重点，也是以电代煤过程中需要关注的主要部门。

对燃煤设备的调查数据显示，石油加工、炼焦和核燃料加工业以及化学原料和化学制品加工业煤炭消费中约80%用于工业蒸汽锅炉燃烧，非金属矿物制品业煤炭消费中约90%用于燃煤窑炉燃烧，黑色金属冶炼和压延加工业以及有色金属冶炼和压延加工业煤炭消费中约90%用于供能燃烧，主要使用设备是各种规格型号的加热炉，除了六大高耗能工业之外，非高耗能工业包括采掘业、食品加工、纺织、家具、造纸印刷、医药、橡胶塑料、交通通信设备等制造业煤炭消费中约90%用于工业锅炉燃烧，居民生活和商业煤炭消费几乎全用于供暖供热和炊事，主要是燃煤生活热水锅炉和燃煤炊具^[26]。

文献[27]、[28]、[29]列出了各类污染气体和温室气体的排放系数，具体如表 2所示。

根据BP Statistical Review of World Energy 2016，煤炭价格取亚洲市场价，即500元/吨^[2]；根据文华维^[30]（2016），电价即2015年全国平均销售电价，为0.66元/千瓦时，其中大工业电价0.66元/千瓦时，一般工商业电价0.81元/千瓦时，居民电价0.56元/千瓦时。

2 以电代煤的经济与环境效益计算结果及分析

为实现以电代煤的目标，我国目前需要淘汰大量在用的小容量燃煤设备，新建一批大容量、高效且环保程度高的用电设备。而《关于印发燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案的通知》中规定：地级及以上城市建成区禁止新建20吨/时以下的燃煤锅炉，其他地区原则上不得新建10吨/时及以下的燃煤锅炉。本文选择符合要求的最小容量20吨/时的不同用能设备来计算以电代煤的经济成本，该计算结果为经济成本最高下的情景（表 3）。

表 3显示，各部门进行以电代煤后，年能耗费用均显著增加。其中，黑色金属冶炼和压延加工业、有色金属冶炼和压延加工业以电代煤后能耗费用增加最多，主要是这两个行业单位能耗量很高，在目前我国工业电价偏高、煤炭价格偏低的情况下^①，高能耗导致了以电代煤的高成本。其次，居民及商业供暖以电代煤后能耗费用增加也较多，在选择用电设备替代燃煤热水锅炉时宜使用空气源热泵而非电热水锅炉，使用空气源热泵为人们的生活供暖时电力消费量将大大增加，使得能耗费用大大增加。相比而言，非金属矿物制品业以电代煤的年能耗费用增加额不大，因为其单位能耗相对较低。

^① IEA的统计数据显示，我国的工业电价在世界上基本处于中等水平，但如果与人均GDP、购买力等因素挂钩，我国工业电价偏高；而BP的世界能源统计数据2016显示，从2011年开始，亚洲煤炭价格不断走低。

与燃煤设备相比，用电设备具有诸多优势：供能效率高，原材料损耗少，配套设施要求少，场地占用少，无废渣和煤炭运输费，人工成本低，调控精度高等。但是，从各部门以电代煤的年费用来看，黑色金属冶炼和压延加工业、有色金属冶炼和压延加工业以电代煤后的年费用增加最多，而非金属矿物制品业以电代煤的年费用增加额最低，因为后者以电代煤大幅提高了能源效率，初始投资增加额较少。总体来说，各部门以电代煤产生了1.8~2.8倍的成本（表 3中的年费用）。

根据表 3的数据计算得出每台设备的年煤炭消费量，再根据表 1中各部门的煤炭消费量可以折算出各部门相关设备使用的总台数，进而可以计算出以电代煤的经济成本（表 4）和环境价值（表 5）。表 4显示的是各部门以电代煤的经济成本，包括单位产值的替代成本和替代的总成本。其中替代总成本是使用用电设备的年费用减去燃煤设备的年费用得出的，其除以每个行业的产值得出每个部门单位产值的替代成本，从而可以比较各部门以电代煤的经济成本，石油加工、炼焦和核燃料加工业以电代煤的成本最高，而商业的经济成本最低。

按照我国2014年火力发电量占全国发电量达75.4%的情况，可计算得到各部门实施以电代煤的煤炭消费节约和污染及温室气体减排效果（表 5），其中居民和商业可减少煤炭消费和因煤炭燃烧产生的气体排放量达45%以上。总的来说，这8个部门通过以电代煤可减少煤炭消费23 680.76吨，为其煤炭消费量的10.41%，为我国煤炭消费总量的5.75%。以电代煤带来的煤炭消费节约量并不是十分显著的原因是：我国目前的发电结构中，燃煤发电比例过高。如果电力生产行业能够用可再生能源或其他清洁能源发电来替代燃煤发电，则以电代煤的煤炭节约效果将更加明显。根据估算，燃煤发电量占全国总发电量的比重每下降1%，这8个部门每年减少的煤炭消费量占全国煤炭消费总量的比例将上升0.69%。

根据以电代煤所产生的煤炭和排放减少的计算结果，并基于煤炭燃烧的污染物和温室气体排放系数及其单位排放的环境外部性成本数据（表 2），可计算得到不同部门以电代煤的环境价值（图 1）。

图 1显示，石油加工、炼焦和核燃料加工业，化学原料和化学制品制造业，非金属矿物制品业，非高耗能工业，商业和居民这6个部门实行以电代煤的环境价值高于经济成本。而黑色金属冶炼和压延加工业、有色金属冶炼和压延加工业这2个部门在我国目前的能源消费结构和发电电源结构下实行以电代煤可行性较差，因为其以电代煤的经济成本高于所带来的环境价值。其中，居民实行以电代煤的经济性最好，从总量上看，非金属矿物制品业和商业部门也具有较为明显的经济可行性。

图 2进一步显示了除居民以外的7个部门以电代煤的单位产值的经济成本和环境价值。

从图 2可以看出，我国应优先在非金属矿物制品业实行以电代煤，接着是商业，然后是石油加工、炼焦和核燃料加工业，化学原料和化学制品制造业，非高耗能工业。有色金属冶炼和压延加工业以及黑色金属冶炼和压延加工业可行性较差，可在技术进步、发电结构进一步优化的情况下再在这两个行业推进以电代煤。

3 结论及政策建议

通过分析六大高耗能工业中的5个部门（不含电力部门）及非高耗能工业、居民和商业共计8个部门的“以电代煤”的经济与环境效益，研究发现：以电力设备替代燃煤设备，每个行业的投入和费用是原来的1.8~2.8倍；同时，各行业均将产生显著的环境价值。在考虑环境外部成本的情况下，目前有6个部门已具备以电代煤的经济性。这6个部门分别是：居民生活行业，商业，非金属矿物制品业，石油加工、炼焦和核燃料加工业，化学原料和化学制品制造业，非高耗能工业。还有2个部门暂时不具备以电代煤的经济性：有色金属冶炼和压延加工业，黑色金属冶炼和压延加工业。

在已经具备以电代煤经济性的6个部门中，居民生活行业通过以电代煤减少的环境外部成本为906.13亿元，而其付出的经济成本只有119.19亿元，实行以电代煤的经济效益可达786.94亿元，远高于其他部门以电代煤的经济价值。因此，居民生活行业应成为以电代煤战略中排在第一的优先考虑的行业。排在第二位的行业是非金属矿物制品业。从总量看，非金属矿物制品业以电代煤的经济价值是474.59亿元，排在第二位；从单位产值看，非金属矿物制品业以电代煤的经济价值为357.39元/万元GDP，位于第一位。

位于第三位应当优先考虑的以电代煤的部门是商业。从总量看，商业部门以电代煤的经济价值是345.6亿元；从单位产值看，商业部门以电代煤的经济价值是112.19元/万元GDP。我国商业（第三产业）正处于快速增长期，实行以电代煤效果显著。

以电代煤战略中位于第四位至第六位需要优先考虑的行业分别是：石油加工、炼焦和核燃料加工业，化学原料和化学制品制造业，非高耗能工业，其以电代煤的单位经济效益分别为78.71元/万元GDP、23.66元/万元GDP、2.19元/万元GDP。

在暂时不具备以电代煤的经济可行性的两个行业中（有色金属冶炼和压延加工业、黑色金属冶炼和压延加工业），其以电代煤的经济成本高于其产生的环境价值（有色金属冶炼和压延加工业的经济成本和环境价值分别为90.01元/万元GDP、69.88元/万元GDP; 黑色金属冶炼和压延加工业的经济成本和环境价值分别为159.94元/万元GDP、124.17元/万元GDP）。

以上研究结论是在现有的发电结构（火力发电占75.4%）和技术进步水平情形下得到的。随着可再生能源或其他清洁能源发电比例的增加，以电代煤所节约的煤炭消费将进一步增加。同时，随着科学技术的进步，以电代煤的经济成本也会下降。此外，随着环境管制的强化，煤炭燃烧的环境成本将进一步加大。以上因素决定了以电代煤的经济性将不断提高。

为了促进我国以电代煤战略的实现，本文提出如下政策建议：

第一，“以电代煤”战略应在不同部门间按照一定的优先顺序，逐步推进。例如，应首先在居民生活行业、非金属矿物制品业以及商业部门优先推进“以电代煤”战略；同时在石油加工、炼焦和核燃料加工业，化学原料和化学制品制造业以及非高耗能工业部门考虑适当推进“以电代煤”战略。

第二，促进电源结构调整，实现电力产业的清洁化发展。电力产业是煤炭消费大户，《中国统计年鉴》（2016）数据显示，2014年电力产业的煤炭消费占我国全部煤炭消费的42.78%，因此，电力的清洁化发展不仅对各行业“以电代煤”环境性的增加有重要意义，而且对我国降低煤炭消费的能源结构调整战略目标的实现具有重要价值。

第三，应进一步强化环境管制，促进企业生产的清洁化转变。本文研究结果显示，“以电代煤”的经济性与清洁生产产生的环境价值密切相关，因此，提高环境管制强度，有利于强化清洁生产的环境价值，有利于这一战略目标的实现。与国外相比，我国目前的环境管制总体偏弱，例如，还没有实行环境税政策；7个试点的碳排放权交易市场中免费发放的碳排放配额比例过大，造成碳交易价格偏低，根据中国碳排放交易网的交易数据计算可知，2016年上半年碳交易价格平均为19.49元/吨（而国际市场的交易价格一般为12欧元/吨）。

第四，促进清洁设备的研发投入和技术进步。“以电代煤”的经济成本主要体现为电力设备的投入成本，如果通过研发投入的加大和技术进步水平的提高，促进电力设备投资成本的降低，将有利于提高“以电代煤”的经济性，将使目前暂时不具备实施“以电代煤”条件的行业，例如，有色金属冶炼和压延加工业、黑色金属冶炼和压延加工业，也可以实施这一战略。

本文研究中还存在以下不足：第一，在进行“以电代煤”的经济和环境价值分析时，只考虑了新投资的电力设备和燃煤设备成本的差异，没有考虑电力设备对存量燃煤设备替代的经济成本问题。这一问题需要考虑原有燃煤设备的寿命周期、折旧周期和已经使用的年限，相对比较复杂。但是，除了新增投资部分，对原有燃煤设备的替代同样重要。因此，对存量资产的“以电代煤”问题的研究应该是今后需要进一步关注的内容。第二，单位排放的环境外部成本对“以电代煤”的经济性结果具有重要影响，本文研究中仅在借鉴几篇参考文献的基础上对其进行分析，在今后的研究中也需要对环境外部成本进行更全面的动态的分析，这将对更准确分析“以电代煤”的经济环境价值起到重要的支撑作用。