环境保护论文我国燃煤发电技术进步的节能减排效果分析.doc

我国燃煤发电技术进步的节能减排效果分析 我国燃煤发电技术进步的节能减排效果分析 李爱军（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉430074）摘要：依据我国燃煤发电工业所面临的环境保护要求提高和温室气体减排压力等一些现实问题，把燃煤发电的工程子模型与能源CGE模型进行衔接而建立了混合CGE模型，通过对我国能源、经济和环境的复杂系统的仿真计算，对严格的节能减排政策下我国2030年以前的电力需求以及我国发展先进燃煤发电技术的节能量、大气污染物排放和温室气体排放进行了预测。结果表明，我国SO2排放问题在2030年以前将可以达到完全符合环保要求的标准，我国燃煤发电行业近期应该重点开发和推广高效脱硝技术。从可持续发展的观点来看，我国燃煤发电行业在中长期应该引入碳捕集与封存技术。 关键词：节能减排；混合建模；燃煤发电中图分类号：F206文献标志码：A0引言我国正处于工业化、城镇化快速发展的阶段，在较长时期内我国能源消费增长和温室气体排放增加的趋势是不可逆转的。在国际上，我国在CO2排放方面正面临着日益增加的巨大压力，2030年前后CO2排放问题有可能成为制约我国经济增长的最主要约束条件之一。我国CO2排放量最大的行业是燃煤发电行业，目前该行业的CO2排放量约占全国CO2总排放量的40%，由于资源条件、经济条件和技术条件的限制，在很长一段时期内，我国大规模、集中式的电力生产依旧需要依赖于燃煤发电，随着我国不断重视控制温室气体排放，以燃煤发电为主的我国电力工业正面临着前所未有的挑战。因此，燃煤发电的CO2减排技术是我国实施碳减排战略的关键。 此外，我国燃煤发电工业在节能和环境保护方面的任务也非常艰巨。从节能方面来看，我国燃煤发电工业的节能潜力还很大，2007年我国火电供电煤耗为374 g/(kW·h)，而国外先进水平为316 g/(kW·h)，此项指标比国外先进水平高出18.6%。从环境保护方面来看，2007年我国主要大气污染物SO2的排放量为2 468.1万t，比2006年下降了4.66%，但是仍远超过我国大气环境的自洁能力，据专家评估，我国允许的环保容量为SO2排放量1 620万t/年3；另外，我国对NOx的控制尚在起步阶段，控制大气污染物的排放仍然是我国燃煤发电行业的重要任务。 因此，本文将建立混合CGE模型，对未来我国燃煤发电技术低碳化发展所能够达到的能源利用率、煤炭消费量、SO2和NOx等大气污染物排放量以及温室气体CO2排放量进行分析。 1模型及假设条件1.1模型本文采用一个自行开发的、以研究我国中长期能源强度和能源需求为目的的动态能源CGE模型4对未来宏观经济变化和能源消费增长进行仿真计算。 该能源CGE模型包含CGE模型和能源平衡子模型2部分，其中CGE模型以42个部门的2002年中国投入产出表为基本输入参数，按照高耗能部门尽量保留、而低耗能部门则归类合并的原则，把中国经济划分为22个部门，其中包括5个能源部门。能源部门1为煤炭开采与选洗业，能源部门2为原油和天然气开采业，能源部门3为石油、焦炭和核燃料加工业，能源部门4为电力和热力的生产和供应业，能源部门5为燃气生产和供应业，与此相对应，本模型的能源商品也分为5类。在本模型中，城镇化率的提高、产品增加值率的提高、能源效率的提高也是由假设条件给定的模型的输入参数。 混合CGE模型的构建方法如图1所示，把包含能源平衡子模型的能源CGE模型和工程子模型进行衔接，通过建立工程子模型把燃煤发电技术的特性参数转化为能源效率和煤电的生产价格，并将其输入CGE模型，同时把CGE模型计算出的能源投入和产出输入能源平衡模型，由能源平衡子模型得到的能源需求作为工程子模型的输入参数，而燃煤发电行业的节能量以及大气污染物排放和温室气体排放则是工程子模型的输出参数。根据该混合CGE模型进行仿真计算，就可以预测出我国燃煤发电技术的发展对环境的影响。 模型假设技术进步参数随时间而递增，并假设其递增规律服从指数函数：A1j(t+1)=A1j(t)×(1+)t（1）式中：称为技术进步递增系数，该系数表示行业总体的生产效率和技术水平，反映了产业技术升级所引起的产品增加值率的提高，该系数通过假设条件外生给定；t表示时期。除了产品增加值率的提高之外，模型中技术节能和管理节能所引起的节能率提高则用行业单位增加值的能源投入量减少的百分数来表示。 考虑到代际公平以及可持续增长，模型的优化总目标为无限时域下的经贴现后的总效用的最大化，该制约函数为总预算约束函数。模型的横截性条件是由终端时期GDP增长目标构成的，通过逐渐逼近法对横截性条件进行试算，就可以确定效用贴现率和利率等不确定性参数。 在能源平衡模型中，分别对2002年货币单位和物理单位的能源供需平衡进行核算。能源供需平衡李爱军：我国燃煤发电技术进步的节能减排效果分析节能与环保45能源技术经济第22卷可以描述为各能源品种的供给总量等于需求总量，能源总需求包括用于生产的能源消费和用于生活的能源消费，能源总供给包括能源总产出和能源进出口净值。从能源总需求中扣除在加工转换过程中消耗的部分就可以得到能源消费总量；能源消费总量包括终端消费量、加工转换损失和传输损失。 对我国发展先进燃煤发电技术的环境效应评价是从宏观层面进行的。首先根据我国政府发展燃煤发电机组的战略政策，对我国未来可能的燃煤发电行业的技术构成进行了假设，并建立了关于燃煤发电行业的工程模型。工程模型可以根据各种燃煤发电技术的效率计算燃煤发电行业的总能源转换效率；根据CGE模型计算得到的我国未来的电力、热水消费量，对我国未来安装脱硫、脱硝设施的普通发电机组（包含集中供热机组和热电联产机组）、超临界发电机组、超超临界发电机组、流化床燃烧发电机组和整体煤气化联合循环发电机组等燃煤发电技术的装机容量和发电量进行估算；然后根据各种燃煤发电技术的发电量和SO2、NOx、CO2排放因子，估算未来燃煤发电行业的排放量5。各种先进燃煤发电技术的市场渗透率的提高使燃煤发电行业的生产成本发生变化，这种变化将通过其对价格方程的修正而反映到CGE模型中。 先进燃煤发电技术的市场渗透率的提高，t时期燃煤发电行业的生产成本相对于基准年份的提高率用RC6(t)表示，即：RC6(t)=iGCi(t)×i6(t)/iGCi(0)×i6(0)1（2）式中：GCi表示第i种燃煤发电技术的发电成本；i6表示第i种燃煤发电技术的发电量占燃煤发电行业总发电量的百分比。 燃煤发电行业的生产成本提高对整个电力行业生产成本的提高率用RE6(t)表示，即：RE6(t)=(1+RC6(t)×1+(1+RG6(t)×2（3）式中：1表示煤电的发电量占电力行业总发电量的比例；2表示非煤电的其他发电方式的总发电量占电力行业总发电量的比例；RG6表示非煤电的所有其他发电方式的复合成本提高率。 在CGE模型中，电力行业生产成本的提高对价格方程的修正可以表示为：P(t)=IAT(P(t)AT(P(t)×det(t)1×(1+j(t)(t)×lj(t)+(t)kj(t)（4）式中：P表示生产者价格矢量；AT表示直接投入系数的转置矩阵；j表示j部门的净间接税率；表示工资率；lj表示j部门的劳动力投入；表示资本回报率；kj表示j行业的资本投入；3 det表示对角矩阵，其对角元素为RCj（当j6时，RCj=0）。 1.2假设条件模型假设居民分为农村居民和城镇居民2种类型；商品市场、劳动力市场和资本市场是完全竞争的；模型中资本存量内生决定而劳动力外生给定，上述3个市场在每个时期处于完全平衡状态；居民和工业部门具有完全预见性；仿真计算的时期为20022030年。根据国家发改委的预测报告，假设2010年人口将达到13.68亿，2020年达到14.45亿，2030年达到15亿；假设2010年城镇化率将达到49%；2020年城镇化率达到58%，2030年城镇化率达到63%。 笔者所研究的先进燃煤发电技术都是技术上较为成熟、价格可以为市场所接受、发展前景具有很高的确定性、我国各大发电公司已经进行规划发展的技术，而没有包含技术上还不成熟、市场价格昂贵、发展前景还不确定、以CO2零排放为目标的新型技术（如CCS技术），对我国燃煤发电行业的技术发展方案设定的依据是我国电力部门对各种燃煤发电技术的规划3，只设定了一种比较现实的方案，在技术发展方案假设中，2030年以前各种燃煤发电技术的发电量构成如表1所示。本文预测的重点是在我国强力推行高效低污染的燃煤发电技术的政策条件下，不同时期我国燃煤发电行业能源效率和污染物排放所能够达到的值，因此把表1所示的假设条件作为模型的外生参数输入工程子模型，并且和能源CGE模型进行链接，就可以评价技术进步对我国燃煤发电行业的节能减排的影响。 在全社会能源效率提高方面，假设到2030年我国各行业都可以达到工业化国家目前的能源效率水平，也就是2030年各行业的单位能源投入产出率比2002年提高30%。目前我国普通凝汽式燃煤发电厂的平均能源转换效率仅为35%左右；如果把热电联产机组中供热部分的热能利用计算进去，我国燃煤发电行业的平均能源转换效率为39.5%；而先进水平的凝汽式燃煤发电机组，如：超超临界发电机组的能源转换效率可以达到44%，再加上我国热电联产技术还在进一步推广中，未来我国燃煤发电行业的平均能源利用效率可以超过50%。因此，假设我国燃煤发电部门的能源利用效率的提高程度和其他部门一样，2030年与2002年相比，也可以提高30%；而MIT的EPPA模型在研究美国燃煤发电行业的CO2排放时，对未来电力部门的能源利用效率的提高假设为零（即AEEI=0），因为美国的燃煤发电行业的能源利用效率未来已经没有提高的余地6-7；也就是说，在模型研究时，要充分考虑我国具体的经济条件和技术水平。我国CCS技术在2030年以前只处于研发和示范阶段，还没有在电力部门开始商业化应用。对于反映产业总体技术进步水平的产品增加值率，假设从2002年到2030年技术进步参数增加了10%。在减排方面，2030年所有燃煤发电厂都装有脱硫脱硝装置。我国未来燃煤发电技术的发电量构成假设见表1。 基于表1燃煤发电技术的发电量构成假设，不考虑价格波动因素，由于燃煤发电行业引入先进技术，发电成本将从2002年的0.289元/(kW·h)提高到2010年的0.304元/(kW·h)、2020年的0.323元/(kW·h)、2030年的0.334元/(kW·h)8-11；同时，考虑热电联产电站供热在内的燃煤发电行业能源利用效率也不断提高，2002年为39.3%，2010年为42.8%，2020年为48.4%，2030年为51.2%。由于研究的重点是燃煤发电行业引入先进技术对节能减排的影响，且这些燃煤发电的先进技术已经相对成熟，所以没有考虑由于资源稀缺而引起的能源价格提高，也没有考虑由于技术普及而引起的先进发电技术的成本下降。 2计算结果把上述燃煤发电成本和能源利用效率的提高带入CGE模型，并把计算结果中的能源消费代入能源平衡子模型进行计算，预测出我国到2030年的经济增长、能源需求量、燃煤发电量（含供热量），如表2所示。 从表2可以看到，20022010年我国能源消费弹性系数为1.33，20102020年为0.56，20202030年为0.39；20022010年我国电力消费弹性系数为1.01，20102020年为0.96，20202030年为0.66。 这是因为在2010年以前我国城镇化进程步伐很快，工业结构快速趋重，经济增长对能源消费依赖程度很高；2010年以后我国城镇化进程趋缓，重工业发展开始减慢，随着节能减排的深入，我国经济增长对能源消费的依赖程度将逐渐降低。可以预见，表2我国20022030年主要能源经济参数的预测20102030年我国经济将实现低碳发展。 根据表1发电量构成的假设，可以计算出各种燃煤发电技术未来的发电量，然后根据各种燃煤发电技术的排放因子，代入工程子模型，就可以预测出未来我国燃煤发电行业由于技术进步而减少的SO2、NOx和CO2的排放量，计算结果如表3所示；并可以计算出未来燃煤发电主要空气污染物和温室气体的排放量，如图24所示。根据表3的计算结果，我国燃煤发电及供热行业由于发展先进燃煤发电技术，与2002年的燃煤发电及供热效率和排放绩效相比，仅2030年就可以实现节约标准煤78 241万t，减少SO2、NOx、CO2排放分别为4 575万t、1 647万t、16.8亿t。由于目前传统的直接燃煤发电方式中，脱硫技术已经足够成熟，而脱硝技术则有待改进和提高，将来脱硝技术将继脱硫技术之后成为我国燃煤发电清洁发展技术的关键。与传统的煤直接燃烧方式相比，IGCC的脱硝效率足够高，脱硫脱硝的超超临界机组的NOx排放因子为0.87g/(kW·h)，而IGCC的NOx排放因子为0.082 g/(kW·h)，因此，发展IGCC技术对于我国未来解决大气污染问题很有益处。 根据图24所示的我国未来燃煤发电行业排放量，到2030年，我国燃煤发电行业的SO2排放量为458.3万t，而我国对SO2排放的环境容量为每年1 620万t3，按照发电行业的SO2排放为全国总排放量的一半计算，2030年燃煤发电行业的SO2排放完全能够符合环保要求。另外，我国未来燃煤发电行业的NOx排放量将在2020年超过800万t，超过SO2排放量，成为我国最主要的大气污染物，所以燃煤发电行业应该发展高效的烟气脱硝技术。在本文的情景分析中，截至2030年，由于大力引进脱硝效率极高的IGCC技术，NOx排放绩效将显著降低，但总排放量仍达到600万t以上。在未来20年内我国燃煤发电的CO2排放将急剧增长，2030年我国燃煤发电行业的CO2排放量将超过60亿t，CO2排放量与2010年相比增长超过100%，因此，研究和发展CO2近零排放的燃煤发电技术，如CCS技术，已经成为我国电力行业实现可持续发展战略的关键之一，作为燃煤第一大户的我国电力行业应该尽可能采用低碳技术来实现可持续发展，在应对地区环境污染和全球气候变化方面负起应尽的责任。 3结语通过以上分析，可以得出以下结论：随着我国的能源环境政策日趋严格、燃煤发电行业技术水平逐渐与国际先进水平接轨，我国燃煤发电行项目2002年2010年2020年2030年能源利用效率/%39.3 42.8 48.4 51.2SO2排放绩效/(g·(kW·h)-1）5.70 3.08 1.10 0.52NOx排放绩效/(g·(kW·h)-1）2.65 2.06 1.26 0.79CO2排放绩效/(g·(kW·h)-1）908 851 779 717节煤量(标准煤)/104 t基准10 128 48 617 78 241SO2减排量/104 t基准893 3 122 4 575NOx减排量/104 t基准203 949 1 647CO2减排量/108 t基准1.9 8.7 16.8表3燃煤发电及供热行业的节能减排量预测节能与环保(下转第57页)48第11期业（包含热电联产的供热）的能源利用效率完全可以超过50%，我国燃煤发电行业的SO2排放完全能够在2030年以前控制在环境允许的范围内；在2020年前后，NOx排放将超过SO2排放而成为我国电力生产的主要空气污染物，发展高效脱硝技术将成为我国未来电力行业环境保护的首要任务。另一方面，虽然CO2排放绩效3