“双碳”背景下吉林省集中供热行业碳排放基准线及降碳潜力研究

林晓晟,史双铭,王 玉,于凤洋,刘 颖,孙大光

(吉林省环境科学研究院，吉林 长春 130012)

1 引言

集中供热的概念是将热能通过热网管路进行传输，由热源分送到用户室内的系统。相比于分散供热，集中供热的优势十分明显，在燃料的使用量方面，集中供热比分散供热需要的燃料少，这样就能提高燃料的利用率、降低成本[1]。在对环境的保护方面，集中供热能够减少排放污染气体，锅炉的体量更大、更集中[2]。然而，新时期的集中供暖也暴露出了一些弊端，这些弊端造成了资源的浪费与对环境的破坏[3]。

汤亚龙[4]提出当前集中供热存在锅炉运行效率低，污染物排放量大和自动化节能效果较差的问题，需要从更新集中供热设备、积极调整和优化供热结构、提高过滤热效率、引进先进设备等方面解决问题。连慧敏[5]认为，在保证温度与管网使用效率的基础上，增加绿色环保材料的应用。朱光伟[6]则系统的阐述了城市集中供热节能技术包括热源节能技术和热网节能技术两类。高光跃[7]认为单一清洁能源对传统能源的替代不能完全满足实际需求，传统的单一热源供热向清洁能源多能互补、综合能源利用转型。已有学者的研究从集中供热技术环节的节能入手，以期更好的降低碳排放量，但对于吉林省来说，应该根据省情及行业现状来提出行业降碳技术的建议，因此，亟需对吉林省集中供热行业碳排放现状及降碳潜力开展研究，为实现行业碳减排提供科学依据。

为了实现“双碳”目标，在能源结构转型、环境保护与污染治理的现实要求下，2020年4月，《吉林省新基建“761”工程方案》提出吉林省供热改造项目总计315项，总投资228.96亿元，其中2020年计划投资76.83亿元，“十四五”期间计划投资131.07亿元。截至2020年底，吉林省全省现有20 t/h以上锅炉集中供热企业共计270余家，随着节能减排淘汰落后产能政策在我省的全面推广，以及大气污染治理设施的不断完善，一定程度上的缓解了SO2、NOX、PM2.5、PM10等大气污染物的排放压力，环境空气质量改善明显[8]。目前，吉林省还没有开展集中供暖行业二氧化碳排放量的核算工作，以“碳达峰”“碳中和”的“双碳”为背景，开展吉林省集中供热行业碳排放基准线和降碳潜力研究，对实现行业的低碳发展具有理论与实践的借鉴价值。

2 行业多年碳排放特征研究

2.1 计算方法

本文基于《IPCC国家温室气体清单指南(2006)》提供的相应参考方法，其基本操作逻辑是通过能源消耗量与对应的碳排放因子的乘积进行计算，对集中供热碳排放量展开核算。化石燃料燃烧产生的碳排放量计算公式如下：

(1)

式(1)中：C为燃料燃烧产生碳排放总量，单位为万t；E为燃料消费量，采用折标煤系数折算成标准煤表示，单位为万t标煤；NCVs为燃料净发热值，单位为TJ/Gg；CEC为碳排放因子，单位为kg/GJ；COF为燃料的碳氧化率，IPCC推荐为1； 44和12分别为 CO2和碳的分子量。

相关参数的取值见表1。

表1 相关参数

2.2 行业多年碳排放量研究

全省多年均碳排放量的计算结果为3140.8万t/年，碳排放量呈逐年递增趋势，2011～2016年的排放量趋于平稳，在2017年开始大幅上升，到2020年上升到7290.5万t/年。由此可见，在未来一段时间里集中供热仍是北方城市主要的供暖方式，行业碳排放量并未达到峰值(图1)[9]。

图1 集中供暖行业多年碳排放量

对全省各地市行业多年碳排放量的研究结果表明(图2)，长春和吉林2个城市为碳排放主要贡献城市，其次为延边州和辽源市，这几个城市是人口聚集型城市，集中供热面积较大，行业碳排放量高，且在2017年以后，碳排放量呈逐年递增的趋势。

图2 各地市集中供暖行业多年碳排放量

四平和松原2个城市的碳排放量在2019～2020呈增加趋势，随着城市化的发展，这2个城市的集中供暖需求正在逐步增加。白山市、梅河口市和长白山管委会3个地区的碳排放量增长较平缓，并没有体现出对集中供暖的大幅需求，说明城市人口和经济发展较为稳定。通化、白城和公主岭3个地区的碳排放量在2017年后呈降低趋势，城市集中供暖需求逐年降低。

3 行业碳排放基准线研究

3.1 计算方法

基准线即碳排放强度行业基准值，是某行业代表某一生产水平的单位活动水平碳排放量。依据《吉林省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》提高城市供热保障能力，支持利用弃风电能、生物质发电和背压机组供热，推行智能化供热，到2025年新增供热能力 4000 MW[10]。长春市《关于深入打好污染防治攻坚战的实施方案》(征求意见稿)中要求，严控新建燃煤锅炉，市区及县(市)建成区原则上不再新建40 t/h以下燃煤锅炉，其他区域原则上不再新建20 t/h以下燃煤锅炉[11]。按照国家和省级要求，逐步推进小锅炉淘汰工作。推动65 t/h及以上燃煤锅炉(含电力)实施超低排放改造，主城区推广“热电联产、区域锅炉房集中供热为主，其他供热方式为辅”的供热体系。到2025年，各地市集中供热率为：延边州93%、吉林市96%、四平市97.5%、松原市90%以上、辽源90%以上、白山市90%。

因此，吉林省未来集中供热主要以热电联产和大容量锅炉房为主。以单体锅炉容量20 t/h以上区域锅炉房碳排放强度和热电联产碳排放强度设置基准线更具有现实意义和减排意义。本文设置以下5种基准线情景[12]。

(1)历史排放情景：按照历史排放量法，设置供热行业2011～2020年的单位面积碳排放量平均值为行业碳排放基准线。

(2)实际排放情景：按照实际排放量法，设置供热行业2020年单位面积碳排放量平均值作为行业碳排放基准线。

(3)单体容量20 t/h以上区域锅炉房排放情景：按照技术类别法，选取单体锅炉容量20 t/h以上区域锅炉房2011～2020年单位面积碳排放量平均值作为行业碳排放基准线。

(4)热电联产排放情景：按照技术类别法，选取热电联产供热企业2011～2020年单位面积碳排放量平均值为行业碳排放基准线。

(5)煤炭消耗等级划分排放情景：根据供热行业2016～2020年实际煤炭消耗情况对企业进行类别划分，单位面积碳排放量作为行业碳排放基准线。

3.2 碳排放强度分析

根据前文中的5种基准线的判定标准来分析吉林省各地市供暖行业的碳排放强度，由于各地市人口数量和经济发展情况不同，根据各城市多年平均碳排放情况进行等级划分，年均碳排放量7～10万t/年、5～7万t/年和小于5万t/年。如此，吉林省各地市划分为3类，划分结果如下：①长春市、松原市和辽源市；②延边州、通化市、白山市、白城市；③四平市和吉林市。得到分析结果如下：

(1)历史排放情景。2011～2020年各地市平均碳排放量如图3所示，松原(10.57)>长春(9.2)>延边州(6.82)>通化(6.73)>辽源(6.7)>白山(5.06)>白城(5.02)>四平(4.8)>吉林(3.4)。以各地市实际情况划分等级后制订碳排放量的基准线，那么， 2011～2020年的碳排放量平均值为：第一类城市8.82万t/年；第二类城市5.9万t/年；第三类城市4.1万t/年。

图3 各地市集中供暖行业2011～2020年平均碳排放量

(2)实际排放情景。2020年各地市碳排放量如图4所示，根据上述城市碳排放量等级划分，碳排放量平均值为：①8.0万t/年；②4.67万t/年；③2.8万t/年。

图4 各地市集中供暖行业2020年平均碳排放量

历史排放情景和实际排放情景是根据单一企业的年平均煤炭消费量来计算地区多年平均碳排放量，从二者的分析结果可见，松原市供热企业的碳排放量较其它城市高，分析原因为(表2)，松原市供热面积1987万m2，锅炉总数量仅为50台，对比四平市供热面积2300万m3，锅炉数111台，松原市锅炉数量较低，为了满足供热需求，单一锅炉的煤炭消耗量高，所以碳排放量较高。对比白城市供热面积1918万m2，锅炉台数43，松原市80%以上区域为锅炉供热，而白城市锅炉供热面积为262万m2，为了保障大面积供热需求，单一锅炉的碳排放量较高。上述两个因素是导致松原市单一锅炉的平均碳排放量较其它城市高的主要原因。

表2 吉林省各地区供热面积及锅炉数量(数据截至2020年)

(3)单体容量20 t/h以上区域锅炉房排放情景。碳排放量平均值为：①10.57万t/年；②7.42万t/年；③4.47万t/年。在2011～2020年间第一类城市的长春市、辽源市和松原市的碳排放量呈先增长后下降的趋势，第二类城市的延边州、通化市、白城市和白山市与第三类城市的四平和吉林市均呈波动式变化。到“十三五”末期第一类和第三类城市碳排放量均趋于稳定，第二类城市呈上升趋势。随着人口、经济和社会发展，各类城市群对集中供暖需求不尽相同，需要根据各地市实际情况进行调整(图5)。

图5 单体容量20 t/h以上区域锅炉房2011～2020年平均碳排放量

(4)热电联产排放情景。吉林省在2017年推行热电联产以来，平均碳排放量为111万t(图6)，除2018年碳排放量下降外，2019～2020年呈逐年上升的趋势。热电联产方式的供热主要集中在长松辽的第一类城市和四平吉林的第三类城市，到2020年，上述城市的区域锅炉房供热趋于平稳，而热电联产依然呈增加趋势，说明热电联产的供暖方式需求还在增加，其碳排放量并未达到峰值。

图6 热电联产企业年均碳排放量

(5)煤炭消耗量排放情景。由于吉林省各地市社会经济发展的差异，集中供热企业煤炭消耗量等级各不相同，因此，根据2016～2020年全省集中供暖企业的实际煤炭消耗情况将排放等级划分为：①50～100万t/年；②26～50万t/年；③5.3～26万t/年；④0.53～5.3万t/年；⑤0～0.53万t/年。

通过划分企业煤炭消耗量得到碳排放量平均值为：①122万t/年；②67万t/年；③19万t/年；④3.6万t/年；⑤0.49万t/年。如图7所示， 2016年到2020年间，煤炭消耗量在50～100万t/年的集中供热企业共计2家，分别在吉林市和松原市。煤炭消耗量在26～50万t/年的集中供热企业共计3家，主要在长春和松原。煤炭消耗量在5.3～26万t/年的集中供热企业由2016年的31家增长到2019年50家，在2020年降至45家，上述企业的碳排放量为10～50万t/年。煤炭消耗量在0.53～5.3万t/年的企业从2016年的128家增长至2020年共计206家，其碳排放量为1～10万t/年。煤炭消耗量在0～0.53万t/年的企业从2016年的51家增长至2020年共计120家，其碳排放量为0～1万t/年。

图7 煤炭消耗等级划分排放情景

3.3 行业碳排放基准线确定

根据文中设置的5种基准线排放情景，基准线制定结果如表3所示。

表3 行业碳排放基准线情景

在各类基准线中(表3)，碳排放量的数值越低，说明需要参与减排的企业越多，减排量就越大。反映了供热行业2020年的碳排放平均水平是通过实际排放情景来呈现，其代表行业在2020年的供热技术水平。历史排放情景反映了行业2011～2020年间碳排放的平均水平。单体锅炉容量20t/h以上区域锅炉房排放情景和热电联产排放情景代表了供热行业发展的两种主要热源形式，具有典型性。以上4种碳排放基准线情景，均有不足40%的企业碳排放强度高于基准线，若采用此类基准线，减排量小，减排意义不大。煤炭消耗量排放情景，不仅代表了社会对集中供暖的需求性，在市场机制下，碳排放强度高于基准线的企业比例占40%以上。这有利于促进企业间良性竞争，使大部分企业自发进行技术升级改造，也有利于完成节能减排任务。因此本文建议选择“煤炭消耗排放情景”作为区域锅炉房供热行业的碳排放基准线，另外，对于热电联产形式的供热企业，选择“热电联产排放情景”作为碳排放基准线。

4 行业碳减排潜力研究

根据前文对行业碳排放基准线的研究，最终选取“煤炭消耗量”和“热电联产”的情景模式作为我省碳排放量的基准值。该情景模式的基准如下：

参考2011～2020年企业碳排放量峰值与标准值来估算行业降碳潜力，每年可降低碳排放量1178.37万t。从煤炭消费类别对比，热电联产企业的降碳潜力最大(1061万t/年)，其次是煤炭消费量在5.3～26万t/年的企业，降碳潜力为65万t/年。前文中对全省多年均碳排放量的计算结果为3140.8万t/年，根据碳排放基准值的研究结果表明，理论上来讲吉林省集中供热行业的降碳潜力为37.5%(表4和图8)。

表4 集中供热行业碳排放基准值

图8 集中供热行业碳排放峰值与基准值的比较

然而，区域集中供热行业的降碳潜力还需要考虑社会和经济发展等其它因素来综合分析，从上述理论研究中表明，热电联产供热企业具有较大的降碳潜力，但结合环境保护和地区发展特色，不能一味地降低热电联产企业的煤炭消费量，另外，煤炭消费量在0～5.3万t/年的企业数量众多，虽然这个煤炭消费等级的降碳潜力不高，但随着人口数量的增加，供热面积的增长，应该逐步整合这部分供热企业，加强技术改造，降低对大气环境的污染[13]。综上所述，科学降碳还需要依据节能技术的筛选和地区发展现状来制定有效的方案。

5 结论

本文对吉林省集中供热行业的碳排放基准线及降碳潜力进行研究，基于2011～2020年环境统计数据，结合IPCC方法对全省行业碳排放量开展计算，根据碳排放量计算结果，设置5种碳排放情景模式分析行业碳排放基准线，在此基础上，分析行业的降碳潜力，研究结果如下。

(1)在研究时段内，全省集中供暖行业碳排放量整体呈上升趋势，多年平均碳排放量为3140.8万t/年，行业的碳排放并未达到峰值。

(2)行业碳排放的基准线选择“煤炭消耗排放情景”和“热电联产排放情景”，该情景模式充分考虑吉林省集中供暖行业碳排放的变化特征，符合供暖需求，并且碳排放强度高于基准线的企业比例占40%以上。

(3)吉林省集中供热行业的碳减排量为1178.37万t/年，降碳潜力37.5%。研究时段内，单体容量20蒸t以上的供暖锅炉在第一类和第三类城市已达峰，并且锅炉煤炭消耗量集中在0～5.3万t/年的区间。这说明在长春、松原、辽源、吉林和四平几个城市的大型锅炉碳排放量已达峰，但由于设备技术老化，锅炉设备缺陷多，辅机不配套等原因，导致煤炭消耗量低但锅炉数量高，虽然大型锅炉碳排放量已达峰，但仍不能满足区域集中供暖需求[14]。故亟需对上述城市的供暖锅炉开展技术改造，以提高供热效率。