中国动力煤全产业链环境成本分析∗

宋建新徐 亮

(1.中国矿业大学(北京),北京市海淀区,100083; 2.中国煤炭建设协会,北京市东城区,100713)

中国动力煤全产业链环境成本分析∗

宋建新1徐 亮2

(1.中国矿业大学(北京),北京市海淀区,100083; 2.中国煤炭建设协会,北京市东城区,100713)

以占我国煤炭产量2/3的动力煤为例,按照煤炭洗选－运输－利用等全产业链条的环境成本构成,开展基于技术－经济－环境的综合评价,分析能源消耗和污染物排放对提高煤炭质量的影响。

环境成本 动力煤 煤质

煤炭消费带来严重的资源环境问题。燃煤排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、烟粉尘分别占中国排放总量的75%、90%、75%、60%。目前中国的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和有害重金属排放均列世界第一位,酸雨面积高达120万km2,占全国国土面积的1/8。动力煤质量低下和大量煤炭低效燃烧是引起大气环境污染的主要原因。因此,煤炭燃烧排放是中国空气质量改善、应对全球气候变化、提高公众环境健康水平、实现节能减排目标的关键。

1 动力煤生产和消费情况

我国动力煤煤种主要包括不粘煤、长焰煤、褐煤、无烟煤、贫煤、弱粘煤等煤种。从动力煤资源分布的地域结构看,内蒙古最多,占全国动力煤储量的32.52%,其次是陕西、新疆、山西和贵州,分别占全国的18.42%、17.23%、12.61%和5.23%。

1.1 动力煤产销量现状

从世界范围来看,动力煤产量占煤炭总产量的80%以上。我国的动力煤主要应用于发电煤粉锅炉、工业锅炉和工业窑炉中,其中电力行业是动力煤消费的主体。2014年,我国电力行业动力煤消费量为19.59亿t,占动力煤总消费量的82%。除此以外,中小型燃煤工业锅炉是我国除电站锅炉外的主要用煤装备,总量约54.6万台,占目前在役工业锅炉总数的85%,且每年以1.5%左右的速度快速增长,年煤炭消耗量达5～6亿t。2005－2014年我国火力发电量和电煤消费量见图1。

1.2 动力煤运输格局

运输是动力煤运输的关键环节。从我国动力煤各省(区、市)的供需结构看,华北、西南和西北地区产大于需,属于动力煤净调出地区;华东、中南和东北地区属于动力煤净调入地区,其中华东和中南地区为主要净调入地区。

图1 2005－2014年来我国火力发电量和电煤消费量

从动力煤的现货贸易流向看,我国动力煤的调出路径主要有两条:一条通过大秦、神朔黄等重要的铁路运输线路运往北方七港(秦皇岛港、唐山港、天津港、黄骅港、青岛港、日照港、连云港),再通过海运路线,最终到达华东和华南地区;另一条通过密集的华北铁路运输网络,运往南方各地和长江航道。总体呈现西煤东调、北煤南运、铁海联运的流通格局。

2 动力煤终端消费模型假设

本文以煤炭洗选后可节约的能耗、减少污染物排放指标为约束指标,考虑不同等级的煤炭质量指标,建立动力煤终端消费的洗选加工成本和环境边际效应之间的关联模型。

2.1 终端消费的煤质要求

通过大量调查和数据统计,煤质主要因素(水分、灰分和发热量等)对电厂的影响和电厂对煤质的要求主要体现在如下:

(1)发热量:发热量降低会导致煤耗增加,还会影响锅炉的效率。大型电厂宜使用低位发热量大于20.9 MJ/kg的煤炭。当然低位发热量的量值与煤的灰分和水分密切相关。

(2)灰分:灰分严重影响煤的发热量,随着灰分的增高,燃烧温度下降,锅炉飞灰和炉渣带走的物理热损失以及排灰量均增加。

(3)水分:水分的增加,会使煤的发热量降低。电厂锅炉用煤全水分不宜超过10%。

(4)硫分:电厂宜使用硫分不大于1%的低硫煤,硫分在1%～3%的中硫煤通常应该先选煤降硫,力求硫分不超过1%。

(5)挥发分:对锅炉的设计制造有重要影响。考虑到煤炭挥发分的高低,不是选煤所能改变的,这里我们不考察挥发分对锅炉性能的影响。

2.2 终端消费的煤质影响

动力煤煤质对终端消费的影响主要体现在热能转换系统、机械设备、污染排放等环节。发电成本包括固定成本和可变成本,煤质变化主要影响可变成本,因此本文主要探讨由发电煤耗、辅机煤耗、灰渣处理和污染物排放等组成的部分可变成本,见图2。下面以燃煤电厂作为终端消费的实证分析对象进行分析。

图2 煤质与煤价对电厂发电成本的影响

(1)热能转换效率。终端消费的能效主要由能量转换环节确定,则电厂的发电效率ηcp为:

式中:ηb——锅炉效率,取决于机组锅炉的各项热量损失,包括排烟损失,化学未完全燃烧损失,固体未完全燃烧损失,散热损失和灰渣物理热损失;

ηi——汽轮机的绝对内效率,煤质能通过改变在锅炉中不同热交换面上的热量分配,从而影响蒸汽参数,进而影响汽机效率,通常汽轮机绝对内效率取为ηi＝0.458。

ηg——发电机效率,由于不同机组的冷却方式不一样,效率稍有差别。一般取值为:96%～99%(双水内冷),97%～98%(空冷),98%～99%(氢冷);

ηp——管道效率;

ηm——机械传递效率,取99%。

(2)辅机系统。燃煤电厂的辅机系统主要包括煤处理设备、磨煤机、锅炉风扇、给水泵、除尘器等,一般而言,辅机设备的总耗电量占电厂总发电量的5%～10%,具体的比例跟机组容量、机组运行工况有关,并受燃煤煤质的影响。通常通过经验模型计算辅机效率ξcp。

(3)发电煤耗。根据热能转换效率和辅机电耗,即可得出发电煤耗和供电煤耗:

(4)污染物排放。燃煤发电的污染物包括废水、废气、残渣、噪声等,其中与煤质相关的污染物主要为烟气、烟尘、二氧化硫和灰渣。排污成本根据国家制定的《排污费征收标准管理办法》和对应的污染物排放量计算,其计算模型为:

式中:λ1——地区收费调整系数,一般地区为1,发达地区为1.2,不发达地区0.8;

λe——环境功能区收费调整系数,一类1.1,二类1.0,三类0.9;

Si——第i种污染物的收费标准;

Ni——第i种污染物的污染当量值。电厂将在排放达标的情况下,缴纳排污费。

参考我国污染物排放总量收费标准,一般认为各单项排污收费的补偿度均为20%,则借鉴国外相关研究机构(IIASA)相应的环境成本数据,初步确定各类燃煤发电方式的污染物排放率和排放环境成本,见表1和表2。

表1 燃煤发电的污染物排放率kg/t

表2 燃煤发电污染物单位排放环境成本元/kg

由此可得,各类燃煤发电方式的环境成本如下:常规亚临界燃煤电厂13.75分/k Wh,常规亚临界燃煤电厂(带FGD)7分/k Wh,超超临界燃煤电厂11.75分/k Wh,超超临界燃煤电厂(带FGD)5.91分/k Wh,PFBC－CC 6.66分/k Wh; IGCC 3.58分/k Wh。

3 动力煤终端消费经济分析

3.1 基础参数设定

根据动力煤产业链的综合评价需求,设定2台300 MW亚临界机组(年利用小时数为5300 h)进行煤炭洗选的经济评价和敏感性分析。

参考我国相关学者提出的煤质之间的关系模型,本文分析中用到的煤质假定有:

(1)原煤中的硫分含量如下,硫酸盐硫Ss占10%,有机硫So占30%,黄铁矿硫Sp占60%。

(2)原煤的发热量和水分与灰分的关系:

原煤中所含的煤矸石的发热量与灰分的关系:

此外,选取一个典型的原煤价做基准,如取Q5500的动力煤(原煤,低位发热量23.0 MJ/kg)的价格为400元/t。运输等物流成本取300元/t。假定选煤的成本主要在洗选加工费用和原煤排矸石成本,未单独计入洗煤厂的原煤和洗选煤的运输成本。

3.2 全产业链成本分析

根据上述设定的机组参数,燃煤电厂的发电总成本中的固定成本约为0.094元/k Wh。可变成本包括购煤成本(煤价)、运输成本、环境成本(包括烟气脱硫成本、除尘成本、SO2以及粉尘排放成本、灰渣排放成本等)以及各种税费。

通过设定原煤和四种不同洗选程度的洗选煤指标,分析由洗选带来的煤质变化对发电成本的影响,见表3。

表3 不同煤质的情景设定

根据五种情景的指标数据,结合上述各阶段的评价模型,将动力煤基于煤炭洗选—运输—终端消费全产业链的煤质影响进行分析。

根据上表中煤质不同带来的环境成本、运输成本、购煤成本、维修成本和投资成本的变化,形成情景变化见图3。

图3 不同煤质的全产业链成本情景变化

仅从经济指标来看,电厂利用高灰分、低发热量的劣质煤时,其实际耗煤量大,运输环节费用会高。如果劣质煤相对优质煤来讲价格足够低,低到购煤成本的下降大于煤炭运输成本的增加,那么电厂燃用劣质煤就有相对的经济性。通常,洗选煤(精煤)运输费用比原煤高10%。根据表3数据,情景WA30洗选煤发电就没有经济性,而对情景WA25、WA20、WA15具有经济性,且随着洗选程度的提高而增加。因此,洗选煤成本越低、运输价格越高,相对于直接燃用原煤,洗选煤发电利用的经济性就越好。另外,随着洗选程度的提高,燃煤发电的能效不断提高、煤耗逐步减小,CO2的减排量和减排强度也不断增加。

4 结论

本研究的结果显示,洗选煤发电利用大体可以获得如下节能减排效果:

(1)能效提高:洗选提高了煤炭的发热量,减少电厂的磨煤量,可使相关的一系列辅机电耗降低;煤质的提高带来锅炉效率提高,同时降低了锅炉和辅机的磨损,电厂维护费用下降。比如,燃用灰分15%～20%的洗选煤,比起燃用灰分30%～35%的原煤,锅炉效率可提高约2个百分点,降低发电标煤耗约8 g/k Wh。若按全国现在的发电量计算,年可等效节约标准煤约2000万t。

(2)环保和减排:洗选可以降低煤的灰分和硫分,洗选煤发电显著地减少颗粒物和二氧化硫的排放。同时由于电厂能效的提高,也带来温室气体CO2排放的降低,减排强度大概可在3%～4%的水平。

[1] 中国煤炭工业协会.2014中国煤炭工业发展报告[M].中国经济出版社,2014

[2] 刘玥,周顶峰.我国电煤价格运行机理研究[J].中国煤炭,2014(2)

[3] 蒋丹丹,贺立.煤炭企业环境管理实践中存在的问题与对策分析[J].北方经济,2011(14)

[4] 马慧颖.低碳经济背景下环境成本研究的新思路[J].财会研究,2013(3)

[5] 李素真,王云民.燃煤电厂运行中环境成本分析与计算[J].环境科学与技术,2009(9)

[6] 郭云涛.关于电煤价格的几个问题[J].中国煤炭, 2003(12)

Analysis on environment costs of China＇s steam coal whole industrial chain

Song Jianxin1,Xu Liang2
(1.China University of Mining&Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.China National Coal Construction Association,Dongcheng,Beijing 100713,China)

Taking steam coal as an example which are two thirds of China＇s coal production, and according to environment costs construction of coal preparation,transportation and utilization,the authors launched comprehensive assessment basing upon technology,economy and environment,and also analyzed influences of energy consumption and pollutant emissions to improve quality of coal.

environment costs,steam coal,quality of coal

TD－9

A

宋建新(1972－),男,山东邹城人,中国矿业大学(北京)管理学院在读博士生,从事资源经济与低碳经济的研究。

(责任编辑 张大鹏)

能源基金会中国可持续能源项目——加强动力煤质量标准体系研究(G－1303－17775)