大气污染态势与全国煤炭消费总量控制

吕连宏罗 宏王 晓

(1.中共中央编译局世界发展战略研究部,北京市西城区,100032; 2.中国环境科学研究院环境与经济研究室,北京市朝阳区,100012)

★专题论坛——大气污染约束下煤炭消费总量控制★

大气污染态势与全国煤炭消费总量控制

吕连宏1,2罗 宏2王 晓2

(1.中共中央编译局世界发展战略研究部,北京市西城区,100032; 2.中国环境科学研究院环境与经济研究室,北京市朝阳区,100012)

从缓解煤炭消费与大气污染矛盾出发,剖析大气污染防治面临的严峻态势,分析“十三五”期间大气污染防治的思路、目标和具体指标,预测全国社会经济与能源消费的发展趋势,利用情景分析方法评估了不同污染控制水平情景下的全国煤炭消费总量控制限值。研究结果表明,为了实现大气环境质量改善的目标,到2020年,全国主要大气污染物SO2、NOx和烟尘的排放量控制目标为1800万t、1575万t和900万t;全国煤炭消费量仍将持续增长,但通过进一步提高煤炭的清洁利用水平和污染控制水平,控制在42亿t以内是可行的。

大气污染 煤炭消费总量 情景分析

中国工业化和城镇化快速发展导致生态破坏和环境污染形势十分严峻,已成为制约区域经济持续发展的重要因素。煤炭是我国的消费最多的基础能源,同时煤炭消费也是最重要的大气污染物排放来源,大气污染防治的压力持续加大。

按照《大气污染防治行动计划》提出的目标,预计将在2017年实现全国空气质量总体改善,京津冀、长三角、珠三角等区域空气质量明显好转, PM10和PM2.5浓度均显著下降,全国煤炭占能源消费总量比重降低到65%以下,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,通过逐步提高接受外输电比例、增加天然气供应、加大非化石能源利用强度等措施替代燃煤。

“十三五”期间,如何调整能源消费结构,既实现改善大气环境质量的目标,又保障社会经济的正常发展,已经成为能源与环境科学领域的迫切需要解决的问题。

1 全国大气污染形势

我国的大气污染形势十分严峻,在传统的煤烟型污染尚未得到解决的情况下,以PM2.5、O3和酸雨为特征的区域性复合型大气污染日趋严重。

1.1 污染物减排压力日益增大

通过“十五”和“十一五”期间的大气污染减排措施,实施总量控制的SO2和烟粉尘排放总量近几年来实现了持续显著下降,但NOx排放量上升趋势仍然未得到明显遏制,总体下降趋势仍不明显。中国常规大气污染物排放量依然较大,2013年SO2和NOx排放量分别为2043.9万t和2227.4万t,位居全球各国首位。2001－2013年主要大气污染物排放量见图1。由于短期内产业结构和能源利用方式难以发生根本性变革,“十三五”期间面临的大气污染物减排压力依然很大。

图1 2001－2013年中国主要大气污染物排放量变化趋势

1.2 平均灰霾日数显著增多

近年来,大气污染导致的全国年均灰霾日数呈现显著增加的趋势。中国气象局基于能见度的观测结果表明,2003年以前,中国年均灰霾日数均低于常年值9天,但是2004年以来增长迅速,年均值达到12～20天;2013年中国年均灰霾日数高达36天,为1961年以来最多。全国范围内有20多个省(区、市)出现了持续性灰霾,中东部地区雾和霾天气多发,华北中南部至江南北部的大部分地区雾和霾日数范围为50～100天,部分地区超过100天。1965－2013年煤炭消费量与平均灰霾天数见图2。

图2 1965－2013年煤炭消费量与年均灰霾天数

环境保护部基于空气质量的监测结果表明, 2013年1月发生的历史罕见的大范围区域性灰霾污染,呈现出污染范围广、持续时间长、污染程度严重、污染物浓度累积迅速等特点。这次灰霾污染过程接连出现17天,造成74个城市发生677天次的重度及以上污染,京津冀及周边地区是污染最严重的区域。

1.3 城市空气质量达标难度大

若沿用《环境空气质量标准》(GB 3095－1996)评价,近年来全国城市空气质量呈现明显好转趋势,到2012年达标城市比率已经超过90%。但评价标准改为《环境空气质量标准》(GB3095－2012)后,达标城市数量大幅下降。

根据环境保护部公布的数据,2013年全国共74个城市按照《环境空气质量标准》(GB3095－ 2012)开展监测和评价,其中仅海口、舟山和拉萨3个城市空气质量达标,超标城市比例达95.9%,有17个城市年达标天数比例不足50%。首要污染物PM2.5年均浓度为72μg/m3,达标城市比例仅为4.1%。空气质量相对较差城市在河北省较多,京津冀和珠三角两大区域所有城市均未达标,长三角区域仅舟山一市达标。

1996年至今,颗粒物一直是影响我国城市空气质量的主要污染物,经过多年来的演变,到“十二五”初期阶段,造成空气质量难达标的颗粒物污染已经由可吸入颗粒物PM10向更细小的颗粒物PM2.5方向演变,控制难度进一步加大,城市空气质量全面达标的难度日益增大。

1.4 酸雨污染形势依然严峻

2013年,473个监测降水的城市中,出现酸雨的城市比例为44.4%,酸雨区面积约占国土面积的10.6%。酸雨区域主要分布在长江以南、青藏高原以东的广大地区及四川盆地,华中、华南、西南及华东地区仍是酸雨污染严重的区域。

2006－2013年全国参与酸雨监控城市酸雨发生频率变化见图3。从近年来的发展趋势来看,酸雨发生的频率呈现一定的好转趋势,但降水的酸度呈现一定的上升趋势,重酸雨区和较重酸雨区的数量减少,但个别区域的降水酸度依然很低,污染程度很重。降水中硫酸根离子占25%以上,主要致酸物质为硫酸盐,酸雨的主要来源是煤炭的燃烧。2006－2013年全国参与酸雨监控城市降水p H年均值比例变化见图4。

图3 2006－2013年全国参与酸雨监控城市酸雨发生频率变化

图4 2006－2013年全国参与酸雨监控城市降水p H年均值比例变化

1.5 大气复合污染呈现区域特征

随着重工业的快速发展和机动车保有量的快速增长,我国以PM2.5、O3和酸雨为特征的二次污染日益加剧,而且由于城市间大气污染的相互影响,相邻城市间污染传输影响极为突出。《重点区域大气污染防治“十二五”规划》中指出,在京津冀、长三角和珠三角等区域,部分城市SO2外来源的贡献率达30%～40%,NOx为12%～20%,PM10为16%～26%;区域内城市大气污染变化过程呈现明显的同步性,重污染天气一般在一天内先后出现。2010年,我国大气污染突出的13个重点城市群SO2、PM10年均浓度分别为40μg/m3、86μg/m3,为欧美发达国家的2～4倍;NOX年均浓度为33 μg/m3,北京到上海之间的工业密集区为我国对流层NO2污染最严重的区域。

1.6 燃煤工业锅炉成为污染控制重点

《锅炉大气污染物排放标准(征求意见稿)编制说明》显示,截至2011年,全国有各种容量的在用锅炉61.06万台,总功率约351.29万MW,其中燃煤工业锅炉约46万台,占总量的85%左右,年煤耗量达到7.3亿t。工业锅炉集中在供热、冶金、造纸、建材、化工等行业,主要分布在工业和人口集中的城镇及周边等人口密集地区,平均容量小,排放高度低,燃煤品质差,治理效率低,污染物排放强度高,对城市大气污染贡献率高达45%～65%。根据工信部节能与综合利用司数据, 2012年,燃煤工业锅炉排放PM、SO2和NOX分别达到410万t、570万t和200万t,分别占全国排放总量的32%、26%和15%左右。

中国已经实施了全球最严格的煤电大气污染物排放标准,排放绩效已达全球先进水平,相比电力的集约清洁利用,工业燃煤锅炉等散烧煤对环境质量的影响更加显著,工业燃煤锅炉将成为近几年内减少煤炭消费量、改善大气环境质量的重点领域。

2 大气污染防治目标分析

2.1 总体思路

(1)几年来若干重要大气污染防治相关政策相继发布,表明未来若干年,我国在大气污染控制领域,将由以排放量削减为导向的总量控制向以环境质量达标为导向的总量控制转变,即环境质量控制目标有可能取代传统的污染物减排目标,成为“十三五”期间环境保护约束性指标。

(2)我国多数地区都已呈现出区域性复合型大气污染态势,区域联防联控和多污染物协同控制将成为未来若干年我国大气污染控制的主要手段,“十三五”期间的环境质量控制目标,将打破原有的以行政区为主体的、单一污染物的考核方式,转变为以重点区域、多种污染物同时控制的考核方式。

(3)雾霾问题是近期最亟待解决的大气污染问题,PM2.5排放总量和浓度的控制可能取代SO2和NOX,成为“十三五”期间的首要污染物控制对象。

(4)化石能源使用特别是煤炭的使用是我国大气污染物的最主要来源,控制煤炭消费量和形式将成为2030年实现全面空气质量达标目标的重要保障,煤炭消费有关目标也可能成为大气污染防治的约束性指标。

2.2 总体目标

“大气十条”和修订后的大气污染防治法将成为若干年内大气污染防治的纲领性文件,“十三五”期间是切实改善环境质量、全面建设小康社会的关键时期,大气污染防治将以灰霾综合防治为工作重点,通过实施多行业多污染物的协同控制和多个区域的联防联控,实现切实改善大气环境质量的现实目标和建设美丽中国的长期目标。

2.3 具体指标

最新研究成果指出,以全国城市PM2.5达标为约束条件,全国SO2、NOx、一次PM2.5的环境容量分别约为1360万t、1260万t、620万t,与2010年排放水平相比,需要分别降低40%、45%、50%左右。

要实现我国2025－2030年间城市空气质量全面达标的目标,考虑到分步实施的过程,2020年应实现SO2、NOx和烟尘的排放量相比2010年分别下降20%、23%和25%左右,即排放量控制在1800万t、1575万t和900万t。

3 全国煤炭消费总量控制情景分析

中国以煤炭为主的能源消费结构对大气环境造成了严重影响。实施区域煤炭消费总量控制,从源头上减少各种污染物的产生量,是解决中国日趋严重的区域空气污染问题有效途径。

3.1 社会经济与能源消费发展趋势分析

3.1.1 经济发展速度分析

从世界各国经济发展的历史经验来看,在经历了一段时间的高速增长后,经济增速往往很难维持5%以上的较高水平。二战后包括日本、韩国、中国台湾等在内的一批成功追赶型经济体,在经历较长时间的高速增长后,无一例外地出现了增长速度回落,进入增长阶段转换期。

1978－2012年的35年中,中国经济实现了高速增长,GDP年平均增长率达到了9.8%,这期间GDP增速只有3次连续2～3年低于8%,每次过后又回到了高速增长的轨道上。自2012年起,出现了第四次增速连续两年低于8%,与以前三次有所不同的是,中国经济增长阶段可能会发生根本性转换,进入增长速度换挡期。

中国经济新常态是不同以往的、相对稳定的状态,意味着中国经济已进入一个与过去30多年高速增长期不同的新阶段,其中一个重要特征就是经济增速从过去10%左右的高速增长转为7%～8%的中高速。

以2012年GDP数据为基础,参照2010年价格水平,设置高、中、低3个不同经济增长速度情景,GDP增速分别为8%、7%、6%,按2010年价格水平预测2020年的经济总量,预测结果见图5。从预测结果来看,如自2013年起至2020年连续保持7%的年均增速,就可以实现到2020年GDP比2010年翻一番的全面建成小康社会目标。

图5 不同增速情景下的GDP增长曲线

3.1.2 能源消费增长趋势分析

从目前到2020年,应该是中国经济将由高速增长向中高速增长转换的阶段,实现能源需求增速的显著下降的可能性并不大。《国家应对气候变化规划(2014－2020年)》和《能源发展战略行动计划(2014－2020年)》指出,到2020年,全国一次能源消费总量控制在48亿t标煤左右。

以2012年为基准年,预测2020年能源消费总量,属于短期预测,采用1980－2012年能源消费弹性系数的5年滑动平均值预测,能源弹性系数的预测结果为0.585,预测结果见表1。能源消费增长趋势预测对应2013－2020年低、中、高3个经济发展情景,中速经济情景对应的能源消费年均增长率预测为4.1%;低速增长情景经济增速与能源消费均相对放缓,能源消费年均增长率为3%;高速增长情景经济增速与能源消费均相对提高,能源消费年均增长率为5%。可见不同经济增速下, 2020年的能源消费总量在458231～534443万t标煤之间,保持7%的经济增速、能源消费增长速度控制在4%左右时,2020年可以实现48亿t标煤的控制目标。

表1 不同经济增速下的2020年能源消费量预测

3.1.3 能源消费结构演变趋势分析

《大气污染防治行动计划》发布后,国家发改委、国家能源局等相继发布了《能源行业加强大气污染防治工作方案》、《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014－2020年)》、《国家应对气候变化规划(2014－2020年)》和《能源发展战略行动计划(2014－2020年)》,对2015、2017和2020年能源结构的调整目标提出了具体要求,预计到2020年,我国一次能源消费结构将演变为煤炭62%、石油13%、天然气10%和可再生能源15%。1980－2020年一次能源消费结构变化见图6。

图6 1980－2020年一次能源消费结构变化

3.1.4 电力消费增长趋势分析

从近年来世界主要国家的电力消费趋势来看,在工业化和现代化的进程中,电力消费的增长速度始终快于一次能源消费增长速度,且后发工业化国家的电力消费增速远快于先行工业化国家。“十三五”期间是我国全面建设小康社会的关键时期,无论是单位产值电力消耗还是人均用电量指标,见图7。我国距离中等发达国家都有较大差距,我国电力消费在2020年内仍将保持较高速度的增长趋势。

根据2012年中电联发布的《电力工业“十二五”规划滚动研究报告》预测,到2020年全社会用电量为8.4万亿k Wh,最大负荷将达到13.66亿k W,“十三五”期间的电力弹性系数将达到0.8,且西部地区电力需求增速高于东部地区。

图7 2011年中国人均年用电量与代表性国家的比较

根据多年来东、中、西部的电力消费占比分析,东部地区的用电量占全社会用电总量的比例一直在50%以上,中部地区占比例在逐渐缩小,西部地区在逐步变大,2012年东、中、西部三大区域占比例分别为52.2%、22.3%和25.4%,预计2020年东、中、西部三大区域占比例分别为50%、20%和30%。对三大区域2020年用电量增加情况的预测见表2。

表2 2020年中国分区域电力消费需求预测

3.2 煤炭消费增长趋势与上限分析

3.2.1 增长趋势与峰值

近年来,煤炭消费增长趋势与峰值消费量是一个重要的研究热点,特别是在《大气污染防治行动计划》发布前后。中国煤炭消费峰值受很多因素的影响,除了受到生态与环境保护的制约,还受到自身产能等因素的制约,就目前的大气污染防治形势来看,煤炭清洁利用与污染物排放控制水平对煤炭消费总量的影响具有关键作用,煤炭消费峰值的上限值与出现的时间是不固定的。

从最近学术界对煤炭消费峰值研究的主要观点来看,到2020年,中国煤炭消费量仍将保持增长的态势,峰值出现的时间应该在2020年以后,峰值消费量将在40亿t以上。

3.2.2 全国煤炭消费总量上限

国家多个政策文件已基本明确表明在“十三五”期间实施全国范围的煤炭消费总量控制,《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014－2020年)》提出到2020年,力争使煤炭占一次能源消费比重下降到62%以内;《国家应对气候变化规划(2014－2020年)》则明确提出到2020年,一次能源消费总量控制在48亿t标准煤左右;《能源发展战略行动计划(2014－2020年)》是目前唯一一个对2020年全国煤炭消费总量控制目标给予界定的国家级政策,提出到2020年,一次能源消费总量控制在48亿t标准煤左右,煤炭消费总量控制在42亿t左右。

煤炭消费总量控制目标的研究成果,是学术界研究热点但成果比较少见。有研究提出了在非常理想的状态下,若以单位国土面积耗煤量为依据,考虑大气扩散条件,并以先进的污染控制措施为基础,以发达国家环境质量现状为目标,我国煤炭消费总量控制目标为51.52亿t原煤。

以前文提出的2020年主要大气污染控制目标为约束目标,即2020年应实现SO2、NOx和烟尘的排放量相比2010年分别下降20%、23%和25%左右,即排放量控制在1800万t、1575万t和900万t,假设非燃煤产生的大气污染物排放得到进一步控制,煤炭消费排放的SO2、NOx、烟尘分别占各自总排放量的80%、60%和50%,即燃煤排放的SO2、NOx、烟尘控制目标分别为1440万t、945万t和450万t。

对2020年的煤炭消费污染控制水平提出4个情景:

(1)污控水平不变情景:火电行业的单位煤炭消费污染物产生系数、污染物去除率,非火电行业的单位煤炭消费污染物排放系数,以及火电和非火电行业燃煤比例维持在2012年的水平不变。

(2)中污染控制水平情景:火电行业的单位煤炭消费污染物产生系数维持在比2012年下降10%,SO2、NOx和烟尘的平均去除率分别提高到85%、65%和99.6%;非火电行业的单位煤炭消费污染物排放系数比2012年分别降低20%;火电和非火电行业燃煤比例上升为62∶38。

(3)高污染控制水平情景:在中污染控制水平情景的基础上,非火电行业的单位煤炭消费污染物排放系数比2012年分别降低比例提高到30%。

(4)高电力消费比例情景:由于非电力煤炭消费污染排放控制的难度要显著高于电力行业,可以考虑加大非电力向电力煤炭转换的速度,用电来取代现有的非电力煤炭消费,该情景是在污染控制水平情景的基础上,把火电和非火电行业燃煤比例上升为70∶30。

建立如下方程,求解不同污染控制水平下的煤炭消费总量上限值:

式中:x——火电行业燃煤量上限;

y——非火电行业燃煤量上限;

ai——为火电行业第i种污染物的产生系数,i＝1,2,3;

bi——第i种非火电行业第i污染物的排放系数,i＝1,2,3;

αi——火电行业第i种污染物的平均去除率,i＝1,2,3;

β——火电行业与非火电行业燃煤量之比;

Ci——第i种污染物的排放量控制目标,i＝1,2,3。

根据以上4种情景的参数,求解以上方程式,得到不同污染控制情景下的最大煤炭消费量,见表3。

表3 不同污染控制情景下的最大燃煤消费量

从计算结果来看,如果污染控制水平、火电和非火电行业燃煤比例维持在2012年的水平不变,到2020年全国煤炭消费总量上限只有217631万t,相比2012年需要削减135016.1万t,难以支撑国家经济的稳定持续发展。

中污染控制水平情景考虑了火电厂结构调整后节能水平不断提高带来的污染物减排效应,并且将火电行业SO2、NOx和烟尘的平均去除率分别提高到了一个较高的水平,此情景的最大煤炭消费量为382028.9万t,相比国家规划的最大上限仍有一定的发展空间。

高污染控制水平情景和高电力消费比例情景都是基于中污染控制水平情景提出的,主要的不同点是前者对非电力煤炭消费污染控制提出了较高要求,后者是考虑到电力行业污染控制相对容易而进一步提高电力行业煤炭消费比例,两个情景的最大煤炭消费量分别为411287.5万t和408244.3万t。

从情景分析结果来看,通过进一步提高煤炭的清洁利用水平和污染控制水平,2020年中国煤炭消费总量是可以控制在42亿t以内。同等煤炭消费量前提下,提高电力煤炭消费量比例将带来大气污染排放量的显著下降,如何削减非电力煤炭特别是散烧煤消费量是未来煤炭总量控制工作的重点。

4 结语

当前中国面临的大气污染防治形势十分严峻,人民群众改善改善大气环境质量的要求日益迫切,大气污染防治压力不断增大。煤炭的不合理消费是造成中国大气污染的重要原因,实施煤炭消费总量控制将成为解决能源环境矛盾的有效途径,也将成为中国转变经济发展方式重要推动因素。

但是煤炭消费总量控制值是一个动态的、相对的约束总量,其上限值与煤炭利用技术水平、污染物排放削减水平以及污染物控制目标等因素密切相关。在主要污染物总量控制目标一定的前提下,提高煤炭利用水平越高或污染物排放削减水平,都可以提高煤炭消费总量的上限值。国家能源主管部门制定能源消费总量控制目标时,应充分考虑社会经济和技术进步的因素,对控制目标给予适时的动态调整。

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[3] 刘世锦.新常态下应树立提高发展质量导向[N].人民日报,2014－12－9(7)

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[5] 周娟娟.煤炭消费的“天花板”在哪里[N].中国煤炭报,2014－03－14(6)

[6] 朱法华,王圣.如何推动我国煤炭消费总量控制[J].环境保护,2012(12)

[7] 张炎涛,李伟.中国煤炭消费和经济增长的因果关系研究[J].中国煤炭,2006(11)

(责任编辑 张大鹏)

Research on air pollution situation and coal consumption control in China

Lv Lianhong1,2,Luo Hong2,Wang Xiao2
(1.China Institute of Global Development Strategies,Central Compilation and Translation Bureau,Xicheng,Beijing 100032,China; 2.Department of Environment and Economy Research,Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Chaoyang,Beijing 100012,China)

In order to relieve the contradictions of coal consumption and air pollution in China,the severe situation of air pollution was analyzed.The idea,objective and index of air pollution control during the 13th Five-Year Plan was predicted.The trend of national economy and energy consumption was forecasted,national coal consumption limit was assessed in different pollution control scenarios by scenario analysis method.The results showed that the emissions control target of SO2,NOxand PM in 2020 would be 18 Mt,15.75 Mt and 9 Mt,the national coal consumption would continue to grow and the control objective of 4.2 billion tons in 2020 should be feasible.

air pollution,coal consumption,scenario analysis method

X51,F206

A

吕连宏(1981－),男,博士,中国环境科学研究院高级工程师,中共中央编译局在职博士后,主要研究方向为环境经济与管理。