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(完整版)能源利用与环境保护
能源利用与环境保护
——煤炭利用过程的节能减排潜力研究
绪论
随着生产力的不断发展,环境问题已成为人们共同面临的挑战.煤炭在燃烧过程中会产生二氧化硫等有毒气体和二氧化碳等温室气体,这些气体的排放，会加重雾霾天气的形成并影响全球气候变暖，严重威胁着人类的生存和发展.经济的快速发展使得能源的需求不断增加，2012年我国煤炭消费量占能源消费总量的比重为66。6%，说明我国是一个以煤炭为主的能源国家，并且据有关部门预测,在未来很长一段时间内,我国以煤炭为主的能源结构仍将继续存在［1］。为了满足经济发展的需要，我国的煤炭产量逐年增加，从1978到2012年,煤炭的生产总量从44127.31万吨标准煤增长到253863。72万吨标准煤,煤炭工业在我国的国民经济建设中发挥着重要作用。然而,煤炭在促进经济发展的同时,带来了严重的环境污染。煤炭在开采过程中，会产生矿井水等工业废水，矿井水排出会破坏周围的生活环境和污染河流；煤炭开采后,如果不及时填充采空区，会造成地表沉陷,损害矿区的地表植被,加剧水土流失；煤炭在生产和燃烧过程中,也会产生瓦斯和其他有害气体、煤矸石、煤灰等工业固体废物。煤矸石含碳量低，平均每采10吨煤，就会产生1。5吨的煤矸石，长期堆积会引起自燃。另外,煤炭在燃烧过程中,会产生细小颗粒物，加速雾霾天气的出现次数,直接影响社会可持续发展和人们的身体健康。早在2012年底我国政府发布的《重点区域大气污染防治“十二五规划”》提出重点解决PM2.5污染问题，严格控制主要污染物新增排放量，并提出与2010年相比，到2015年京津冀、长三角、珠三角区域PM2.5浓度下降6％的目标。2013年9月《大气污染防治行动计划》的正式发布，更是明确了通过5年改善全国空气质量、较大幅度减少重污染天气的目标。这些充分显示了当前我国的环境污染问题开始变得严重,尤其是2013年入冬以来，雾霾天气越来越频繁，持续时间也越来越长.当前,煤炭燃烧带来的二氧化碳排放占我国能源总碳排放的80％以上，二氧化硫排放占我国二氧化硫总排放量的90％以上，氮氧化物约为50%，对环境尤其是大气环境造成了深远的影响[2]。
2011年3月全国人大通过的《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，将应对气候变化正式纳入了中长期规划.该《纲要》将单位GDP能源消耗量、单位GDP二氧化碳分别降低16%、17％，主要污染物排放明显减少，其中SO2、NOX排放分别减少8％、10%等作为约束性指标,并提出控制温室气体排放、加强应对气候变化方面的国际合作等任务。2012年3月国家发改委发布《煤炭工业发展“十二五”规划》,提出鼓励发展大型煤化工和煤炭转化技术，煤层气抽采综合利用,煤气共采、煤矸石综合利用等，大力发展洁净煤技术.因此，如何实现我国的碳减排承诺，改善环境污染，是我国政府和煤炭企业不得不面对的问题。
本文从煤炭利用方面进行研究，分析我国的煤炭资源在利用过程中对废气、二氧化硫、烟尘粉尘造成的影响程度和因果关系，并且提出改善环境问题的实现路径是节能减排，研究了煤炭利用节能减排的潜力。因此,研究煤炭利用的环境影响和节能减排潜力，对于实现我国的碳减排承诺，解决环境污染问题,积极发展煤炭技术和碳减排技术，促进我国经济的持续快速发展有着重要的意义。
原理:
本文是煤炭利用的节能减排潜力研究，文中以火电行业为例介绍我国燃煤行业煤炭利用环节的能耗现状，通过燃煤发电能耗指标、燃煤供电能耗指标分析火电行业的国内外能耗差距,并推算我国燃煤行业在煤炭利用环节可以节约多少标准煤，减少多少CO2、SO2以及烟尘粉尘，分析我国燃煤行业的节能减排潜力，为解决环境问题提供了实现路径;
煤炭利用的节能减排潜力研究：以火电行业和钢铁行业为例
火电行业的能耗现状
二十一世纪以来，我国电力行业发展迅速，电力装机容量增长很快，在表4.1中可以看出，我国的火电装机容量占整个装机容量的70%以上，虽然近几年有所下降,但是2012年仍然达到71.55％.在表4.2中可以看出，我国的火电发电量占总发电量的比重一直在80％以上,直到2012年才下降到78.57%。2013年我国发电量为53975.9亿千瓦小时，火电为42358。7亿千瓦时,占我国发电量的78.48％。与此同时我国发电装机容量首次超过美国成为世界第一，达到124738万千瓦,其中火电装机容量86238万千瓦，占总发电装机容量的69.14％。因此，了解我国火力发电的能耗处于什么水平,节能减排潜力有多大,是火力发电节能工作者不能回避的问题[3］，也是煤炭高效利用工作者不能回避的问题。
代百乾等通过灰色系统GM(1。1）模型对我国火电煤耗、二氧化碳、二氧化硫的排放前景进行预测,发现我国火力发电行业有巨大的减排潜力[4]。汤庆合认为煤电的能源消耗高、单位电力的二氧化碳排放系数最大,由于不需要消耗化石燃料，核电和可再生能源发电在低碳经济发展中受到欢迎。而黄毅诚指出通过改变电源结构,发展核电、水电、风电等，降低燃煤发电占总发电量的比例,可以降低二氧化碳排放量，但是考虑到我国“富煤、少气、缺油”的能源特点，燃煤发电在今后相当一段时间内仍将占主力地位，因此当前应该降低发电煤耗，实现用现有的煤多发电。当前我国的电源结构包括水电、火电、核电、风电，以火电为主,而在火电中包括燃煤发电、燃油发电、燃气发电，以燃煤发电为主。但是燃煤电厂的大量存在给环境带来了巨大的压力，为了适应节能减排的政策要求，各地针对小火电纷纷实施有计划的关停政策，监管部门鼓励建设超临界、超超临界大容量、高效能燃煤机组，同时鼓励电厂脱硫等环保项目。
火电行业的能耗比较
从1990年以来，随着大容量机组的持续增加、小火电机组的关停和节能管理技术的实施，我国的火力发电煤耗水平正在逐年下降，图4.2可以看出二十几年来我国6000kw及以上火电厂发电供电煤耗在大幅度下降，1990年发电煤耗为392克标准煤/千瓦时,2012年发电煤耗为305克标准煤/千瓦时,降低幅度为87克标准煤/千瓦时,降低率为22.19％.同样供电煤耗也从1990年的427克标准煤/千瓦时降到326克标准煤/千瓦时,降低幅度为101克标准煤/千瓦时，降低率为23.65%。根据中国电力企业联合会统计，2013年我国火电机组供电煤耗将达到321克标准煤/千瓦小时.这与我国的节能降耗政策分不开，与我国电力企业燃煤发电技术的改进分不开。
尽管我国的燃煤发电能耗在降低,但是与国外相比还是存在很大的差距，尤其是与日本的发电煤耗相比，2012年我国的发电煤耗为305克标准煤/千瓦时，在表4。3中可以看到，日本的发电煤耗为295克标准煤/千瓦时，相差10克标准煤/千瓦时,这说明我国与日本在发电煤耗方面存在一定的差距，我国的煤炭利用率比较低。

图 1 1990-2012年我国的发电供电煤耗率

表 1 日本发电供电煤耗
火电行业的节能潜力
发电煤耗是指发电厂每生产1kwh的电能所消耗的标准煤量。发电厂生产的电能，自身需要消耗掉一部分，剩余的才供给用户。为此，供电煤耗是指发电厂每供出1kwh电能所消耗的标准煤量。根据原电力工业部《火力发电厂按入炉煤量正平衡计算发供电煤耗的方法》规定:煤耗是考核机组运行性能最主要的指标之一，火电厂发供电煤耗统一以入炉煤计算煤量和入炉煤机械取样分析低位发热量为基础，按正平衡计算。反平衡计算煤耗的结果,可以用来分析机组运行的不足，为机组性能改善提供依据.以下为发电煤耗和供电煤耗的公式:
第一种：正平衡煤耗的计算

式中：
表示发电标准煤耗,单位为克每千瓦时（g/kwh)； b f
表示统计期内耗用标准煤量，单位为吨（t）； B b
表示统计期内发电量，单位为千瓦时（kwh）;W f
由于火力发电燃料主要是煤、油和气等，因此火力发电供电煤耗率又可按以下公式计算：

式中:
b f表示发电标准煤耗，单位为克每千瓦时（g/kwh)；
h c表示电厂效率，单位为百分数（％）
在我国,发电煤耗是指6000kw及以上的火力发电煤耗，2012年我国6000kw及以上的火电发电量为39160.03亿千瓦时,其中各个部分的发电量见表4.4，发电煤耗为305克标准煤/千瓦时,所以火电消耗的煤炭为119438。09万吨标准煤，而2012年燃煤发电消耗的煤炭是114770万吨标准煤,占全部火电标准煤的96。09%。《行业节能减排技术与能耗考核》书中提到2010年我国火电厂的供电标准限额为389克标准煤/千瓦时,供电标准定额为330克标准煤/千瓦时，按照2010年6000kw及以上火力发电的厂用电率6.33%计算得到发电限额为364。38克标准煤/千瓦时，发电定额为309.11克标准煤/千瓦时。千瓦时.为此,可以得出以下结论：
（1)2012年我国的发电煤耗未超过我国2010年的发电限额和发电定额，而2010年我国的发电煤耗为312克标准煤/千瓦时，超过了我国的发电定额,这说明我国的发电煤耗水平和发电利用效率在不断提高，同时说明我国火电厂“上大压小”的政策实施效果明显，为此，我国政府应该综合考虑实际情况制定我国各年的发电标准煤限额。
(2）我国的发电煤耗与日本相比，二者相差10克标准煤/千瓦小时，这说明我国与日本的燃煤发电技术存在一定的差距，我国的节能潜力较大。在发电量一定的情况下，如果按照2012年日本的先进水平进行测算,那么我国可以节约3916万吨标准煤，其中在燃煤发电环节可以节约3762。89万吨标准煤。

表 2 2011和2012年我国6000千瓦以上的火电发电量
火电行业的减排潜力
根据王佳在博士论文《中国地区碳不平等：测度及影响因素》提到的对CO2的估计方法，本文估计了由于煤炭消费所产生的CO2。主要考虑了《中国能源统计年鉴》中的原煤、洗精煤、其他洗煤、型煤，由于“我国能源平衡表(实物量)”中，“终端能源消费量”没有包括火力发电、供热等环节的能源消费，而“可供本地区消费的能源消费量”会重复计算一次能源生产加工的产品，因此，本文采取了“终端能源消费量”“火力发电”“供热”及“平衡差额”的加总.二氧化碳的计算公式如下：

式中：
CE为煤炭消费的CO2排放总量；
为第j种煤炭的消费量。A j
煤炭的CO2排放系数见下表：

表 3 煤炭的CO2排放系数
通过计算可以得到2012年二氧化碳的排放量为582384。2万吨。同时2012年我国二氧化硫的排放量为2117.63万吨，烟粉尘排放量为1235。77万吨,煤炭消费量为240913.51万吨标准煤,为此，在发电量一定的情况下，如果按照2012年日本的先进水平进行测算，那么可以减少9096。41万吨二氧化碳排放量，减少33。08万吨二氧化硫排放量，减少19。30万吨烟粉尘排放量。
另外，值得注意的是，不同容量的发电机组燃煤能耗的水平不同，发电机组容量越大，发电煤耗越低，为此火电行业要鼓励建立大容量机组，关停小容量机组。而且根据反平衡计算公式(4—4），提高电厂效率可以降低发电煤耗率.电力是关系国民经济的重要基础产业，如果燃煤发电的比例过大，一方面会受制于煤炭资源,影响电力供应安全；另一方面不利于我国减排工作的展开。所以，在电力工业稳定发展的前提下，要合理优化电源结构，逐步降低燃煤发电在电力工业的比例.
结论
通过燃煤发电能耗指标进行测算,结果表明我国与国际先进水平（本文为日本）相差10克标准煤/千瓦小时，在2012年发电量一定的情况下，如果我国火电行业能耗达到国际先进水平，那么我国在燃煤发电环节可以节约3762。89万吨标准煤，减少9096.41万吨二氧化碳排放量,减少33。08万吨二氧化硫排放量,减少19.30万吨烟粉尘排放量。
因此，通过本章的分析说明，我国煤炭利用环节的节能减排潜力较大，通过能源技术创新，如果将我国燃煤行业的煤炭利用效率提高到国际先进水平，可以有效达到节能减排的目的。
创新之处
本文的创新之处主要有：
（1）通过计量模型定量分析了煤炭利用对大气污染的影响关系，发现我国煤炭消费每增加1单位，废气增加0.52单位、二氧化硫增加0。09单位、烟粉尘增加0.90单位，煤炭利用对环境存在较大的影响关系。
(2)通过对比分析，指出了我国高耗能产业的节能空间。本文以火电行业为例,发现我国能耗与国外先进能耗标准存在较大的差距，不仅分析了差距有多大，而且按照国际先进标准测算出我国在产量既定的情况下，按国外标准可以有效节约的煤炭消耗量和减少的排放量。
(3)提出了通过能源技术创新，进行能源结构调整和提高煤炭利用率双管齐下的能源政策.本文分析了煤炭利用对环境的影响和煤炭利用的节能减排潜力，发现煤炭利用对环境存在较大的影响，为此需要进行能源结构调整，提高煤炭资源利用效率。
结论（可行性）
本文研究了煤炭利用的环境影响以及节能减排潜力，得到如下结论：
(1）煤炭利用对我国的环境污染造成了影响,尤其体现在大气污染方面。通过分析表明：我国煤炭消费与废气、煤炭消费与二氧化硫、煤炭消费与烟粉尘均存在长期均衡关系。通过面板模型估计发现，我国煤炭消费每增加1单位,废气增加0。52单位，二氧化硫增加0。09单位，烟粉尘增加0。90单位，虽然煤炭消费对环境污染的影响系数并不大，但是每年的煤炭消费量基数比较大，所以累积的环境影响也会增加。在因果关系中，我国存在煤炭消费到废气的单向因果关系，存在煤炭消费与二氧化硫的双向因果关系。因此，说明煤炭利用对环境存在较大的影响和存在因果关系，煤炭的不合理利用对大气污染造成了很大的影响，甚至加重了雾霾天气.
(2)通过煤炭利用环节的能源技术创新，可以实现节能减排，进而达到减少环境污染的目的。本文以火电行业为例，参考这行业的国外先进能耗标准,测算出我国在产量既定的情况下，按照国外标准可以有效节约的煤炭消耗量，进而可以实现减少排放的目的。说明我国在煤炭利用环节还有较大的节能减排潜力。
（3）改善我国环境污染的出路在于调整能源结构和提高能源利用效率两方面。通过研究发现，我国的煤炭利用对环境污染存在因果关系，通过火电行业和钢铁行业为例对燃煤行业进行能耗分析发现如果将我国燃煤行业的煤炭利用效率提高到国际先进水平，同样可以达到降低环境污染和节能减排的目的。因此，为了提高我国的空气质量以及兑现2020年的碳减排承诺，我国在逐步调整能源结构，减少煤炭利用的同时，可以大力发展洁净煤技术，提高煤炭资源的利用效率。
政策建议（意义)
结合本文的结论，为我国政府制定环境措施提供一些政策建议:
(1）调整能源结构,减少煤炭利用总量。我国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭在能源结构中所占比重大约为70％,然而煤炭在开发利用过程中,会产生大量的工业废水,污染周围的河流，煤炭燃烧会向大气中排放大量的有害物质，如二氧化硫、二氧化碳等，而且本文分析也证明了我国煤炭消费与废气、煤炭消费与二氧化硫、煤炭消费与烟粉尘之间均存在长期均衡关系,煤炭消费数量越多,环境污染越严重，甚至危害到人们的身体健康。想要减轻和改善环境问题，需要调整能源消费结构，减少煤炭使用量，提高水电、风电和核电等清洁能源的比重。清洁能源的特点在于促进经济发展的同时，不会造成环境污染。因此，政府需要加强清洁能源的开发力度，引导企业贯彻实施清洁能源开发政策，提高企业使用清洁能源的积极性，从而降低煤炭利用的总量。
（2）加强技术开发,提高煤炭利用效率.针对我国的煤炭行业，要建立以企业为主体，政府引导的研发模式，提高研发资金使用效率，通过退税或补贴政策提高企业自主研发的积极性，鼓励企业积极研发新的技术，通过技术开发提高煤炭利用效率。同时吸收国内外优秀人才，大力攻克燃煤技术的难点，不定期学习、引进、借鉴日本等国外先进的技术和经验，如洁净煤技术、整体煤气联合气化技术、超超临界发电技术、二氧化碳捕获与封存技术等，通过技术创新不断降低煤炭消费过程中的能耗水平,以较少的投入实现较高的产出、较低的碳排放.
（3）淘汰落后产能,降低煤炭单耗水平。2012年我国的煤炭消费量为352647。07万吨，高耗煤行业煤炭消费量为292033.97万吨，占全国煤炭消费量的82.81％，然而我国的高耗煤行业的能耗与国际先进水平存在一定差距，存在能源消耗较高，浪费现象严重的问题,为了满足高耗煤行业的需求，尤其是电力、钢铁行业的需求,除了要优化能源消费结构，提高煤炭利用效率，政府还需要淘汰落后产能，鼓励改进脱硫脱硝技术,加快智能电厂的推广和应用，降低我国燃煤行业的煤炭单耗水平，实施优胜劣汰制度。通过提高燃煤行业的发电效率，鼓励低热值煤发电，逐步减少碳排放。
参考文献
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