大气质量红线约束下西安煤炭消费总量控制研究
摘要：分析了西安市大气质量和能源消费结构现状，得出煤炭消费，特别是散煤燃烧是造成大气污染物PM 10和PM2.5浓度过高的主要原因之一。研究以电代煤、以气代煤，以及使用新能源等措施，调整能源消费结构，控制煤炭消费，提升西安市空气质量。
关键词：空气质量；煤炭消费总量
当前，我国面临着资源、环境、生态和气候变化等多个方面的严峻挑战，“十三五”规划中也明确提出要坚决遏制生态环境恶化的趋势，并且在总体上使之有明显的改善。同时，“十三五”中后期是我国能源消费结构转型的关键阶段，控制煤炭消费总量是调整和优化能源消费结构的关键举措，也是贯彻落实国家《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》、《重点地区煤炭消费减量替代管理暂行办法》、《陕西省铁腕治霾打赢蓝天保卫战三年行动方案（2018—2020年）》等有关文件精神的必要举措。
西安市煤控目标的制定必须要满足空气质量、公共健康、水资源和气候变化等约束条件。经多方研究表明，煤炭燃烧是造成西安大气污染物PM 10和PM2.5浓度过高的主要原因之一，燃煤对PM2.5形成的贡献率约为25%左右。因此，在大气质量红线约束下，研究调整能源结构，控制煤炭消费总量，降低污染物排放，对改善空气质量具有长远的战略和现实意义。
1 西安地区空气质量现状分析
西安位于关中盆地中部，属暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季稍冷少雨。2017年，优良天数比例为49.3%，同比下降3.2个百分点，主要污染物为细颗粒物（PM2.5）。PM 2.5浓度为73μg/m3，同比上升2.8%；PM 10浓度为130μg/m3，同比下降5.1%；在PM 10持续下降的情况下，PM 2.5不降反升。2017年冬季供暖期间空气质量明显好转，未出现极端空气污染天气，但全市的NO X、PM 10和PM2.5年均浓度依然不达标，大气质量持续恶劣。
冬季供暖期空气质量较差的原因，主要有3个方面：①由于采暖导致煤炭尤其是散烧煤的消耗量大幅度增大，各种大气污染物的排放量随之增加；②冬季地面辐射冷却作用导致早晚近地面层气温迅速下降，容易在大气垂直面上形成逆温层，导致污染物不容易向外扩散，并且使地面风力减弱，空气中的悬浮离子因而在近地面层积聚使空气质量变得恶劣；③西安地区冬季降水稀少，仅占全年降水量的3.7%，使得在冬季降雨对大气中颗粒物的清除作用明显减弱，因此冬季空气质量远比其余时间差；④关中盆地独特的地理和冬季气象条件，不利于污染物的扩散，输入性污染物占地区污染物总量的20%～33%。
2 西安能源消费结构分析
西安市能源消费品种以煤炭为主。据相关统计和研究，2016年全社会能源消费总量为2483.06万t标准煤，比2015年下降3.59%，能源消费弹性系数为-0.422。煤炭消费总量为1350.08万t，占全市一次能源消费总量的 50.97%；原油占全市一次能源消费总量的33.01%；天然气占全市一次能源消费总量的14.96%；可再生能源发电量占全市一次能源消费总量的1.06%。其中电力占了西安煤炭消耗量占比达46.9%，供热耗煤占总燃煤量的22.4%，所以电力和供热行业是实施煤炭总量控制的关键所在。
3 大气污染物约束下西安煤炭消费情景测算
以2020年PM2.5全面达标为目标来计算2020年西安市污染物的排放量目标，主要针对SO 2、NO X以及烟尘。首先进行污染源调查，采取支持向量机模型建模，对于机动车和扬尘这部分完全不受煤炭的影响的排放源，本研究对其进行固化处理，以机动车所排放的PM2.5和NO X、散煤燃烧、蒸发量是10～50t/h的工业锅炉、集中供热锅炉、电站锅炉和生物质燃烧所释放的SO 2、NO X及烟尘量等为二次变量，以SO 2、NOx和PM2.5年均浓度为输出变量，并根据实际监测结果，对污染源估算进行修正。
通过迭代计算分别得出:①SO 2减排17%；②NO X减排21%；③PM2.5年均浓度下降至51μg/m3；④NO X年均浓度降至40μg/m3。在满足以上条件下，2020年西安市煤炭的消费总量，利用短板效应分析，选取PM2.5年均浓度降至51μg/m3为煤控的大气红线约束条件，需要在2015年的基础上削减煤炭消费278万t，即煤炭消费红线为1121万t。
4 大气污染物约束下控制煤炭消费的有效措施
4.1 清洁替代能源
（1）以电代煤
根据居民散烧煤、工业窑炉（未加装污染物脱除设备）和电站锅炉的排放系数，结合煤炭在终端的能量使用效率，可以得出：用电能代替居民散烧煤，每替代1t散煤可以使烟尘排放量降低9.79kg、SO 2降低19.34kg、NO X降低0.922kg，三种大气污染物的降幅分别达到97.91%、93.27%和56.91%。如果用电能替代工业窑炉燃煤，每替代1t燃煤可以使烟尘的排放量降低19.67kg、SO 2降低21.81kg、NO X降低6.40kg，三种大气污染物的降幅分别达到98.35%、90.86%和85.37%。
以电代煤可以使西安地区年度烟尘排放量降低3630t、SO 2降低6874t、NO X降低1662t，CO 2减排92.4万t。预计到2020年，全社会的用电量将达到430亿kWh，其中替煤用电7.28亿kWh，折合24.57万tce。
（2）以气代煤
城市集中供热的大型锅炉应逐步纳入“煤改气”实施计划。使用天然气替代散煤可以使NO X降低0.392 kg/t，减排幅度为24.19%；替代窑炉燃煤可以使NO X降低5.93kg/t，减排幅度为79.05%；替代工业锅炉燃煤可以使NO X降低5.944 kg/t，减排幅度为79.26%。另外，使用天然气替代燃煤基本可以实现粉尘颗粒物和SO 2的超低排放。并且对于改用燃烧天然气的工业锅炉加装冷凝式换热器，吸收烟气中水蒸汽的气化潜热，进一步提高效率，减少燃料用量，降低碳排放。同时冷凝式换热器能回收烟气中约50%的水，可达32.13万t。
到2020年，西安市每年有128.44万t的煤改为天然气，需要消耗天然气6.39亿m3，替代后可以使粉尘颗粒物的排放每年降低6763.94t、NO X排放量降低4151.81t、SO 2排放量降低9024.67t。
（3）新能源
采用太阳能、秸秆成型燃料供热技术、地热能技术来控制煤炭消费总量，改善大气质量。到2020年，西安市利用地热能供暖（制冷）面积达到6600万m2，其中浅层地温能和水源、污水源供暖（制冷）面积达到2800万m2，水热型地热能供暖（制冷）面积达到800万m2，地热能中深层取热供暖（制冷）面积达到3000万m2，将折合替代燃煤消费56.12万tce。预计2020年西安市使用太阳能集热系统面积达到238万m2，新增太阳能光伏发电装机容量31万kW，太阳能路灯达到4万盏。可替代折合10.74万tce的发电煤炭消费，可实现NO X减排114t、SO 2减排228t、烟尘减排34t、CO 2减排34.73万t。
4.2 煤炭洁净利用技术
煤炭洁净利用技术主要包括大型热电联产锅炉的节能减排；鼓励现役燃煤发电机组实施大气污染物排放浓度达到或接近燃气轮机组排放限值的环保改造；对于较大容量的燃煤工业锅炉，加强对其污染物减排的要求，实施超低排放改造，确保满足最低技术出力以上全负荷、全时段稳定达标排放要求。
实行相应洁净煤技术后，可大幅度减少污染物排放，提升大气质量。根据西安市第二产业中燃煤工业锅炉的分布情况，对于30蒸吨以上的大型工业锅炉，可以通过提高燃烧效率、合理利用余热等方式减少燃煤消耗6.11万t标煤。
5 结束语
煤炭消费，特别是散煤燃烧造成大气颗粒物PM10和PM 2.5浓度过高的主要原因之一，因此控制煤炭消费成为解决能源环境问题的有效办法。由于煤炭消费总量的控制值是一个动态和相对的约束值，与煤炭使用情况、大气污染物的排放和削减情况以及控制目标等因素息息相关，因此在大气污染物排放的总量约束下，按照“控制总量、提高效率、梯次推进、保障供应”的原则，大力实施减量化、替代化和清洁利用将有效控制煤炭的消费总量，优化能源消费结构，提升大气质量。
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