呂 濤 王 飛 劉 風

(中國礦業(yè)大學，江蘇省徐州市，221116)

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中國跨區(qū)域鐵路煤炭運輸CO2排放及運輸格局優(yōu)化研究

呂 濤 王 飛 劉 風

(中國礦業(yè)大學，江蘇省徐州市，221116)

為了明確國內(nèi)目前煤炭調(diào)運格局下的省際鐵路CO2排放量并理清省間差異原因，在計算各省內(nèi)燃機車與電力機車單位周轉(zhuǎn)排放量的基礎(chǔ)上結(jié)合兩類機車的周轉(zhuǎn)比例，最終得到各省鐵路的排放系數(shù)，利用該系數(shù)對全國2014年各省鐵路在煤炭調(diào)運過程中產(chǎn)生的CO2排放量進行測算。在此基礎(chǔ)上引入全局排放量最低情景，通過比較分析可得國內(nèi)目前鐵路煤炭調(diào)運所存在的問題并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

鐵路排放系數(shù) 低碳運輸 碳排放 煤炭運輸

煤炭作為中國能源結(jié)構(gòu)中的核心部分，占國內(nèi)一次能源生產(chǎn)和消費比例的65%以上。但是國內(nèi)煤炭賦存卻呈現(xiàn)出顯著的“西多東少、北富南貧”的特征，90%以上的煤炭存量在秦嶺—太行山以西。與此同時，國內(nèi)煤炭需求旺盛的區(qū)域則集中在經(jīng)濟較為發(fā)達的東南沿海地區(qū)，煤炭生產(chǎn)和需求在地理上的顯著不匹配使得煤炭成為中國運輸網(wǎng)絡(luò)中占比最高的貨物。中國煤炭鐵路調(diào)運量于2013年達到了16.8億t，在大規(guī)模、長距離的運輸過程中產(chǎn)生了大量的碳排放，使得國內(nèi)運輸業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標的形勢更為嚴峻。為了明確目前國內(nèi)由煤炭運輸而產(chǎn)生的碳排放總量以及各省鐵路運輸?shù)呐欧判剩狙芯吭谑‰H鐵路煤炭調(diào)運數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計算各省鐵路排放系數(shù)，以明確現(xiàn)實中省際排放情況。通過引入在滿足國家煤炭供需平衡下達到煤炭調(diào)運排放量最低的情景，進一步對國內(nèi)各主要產(chǎn)煤省份的鐵路煤炭調(diào)運現(xiàn)狀進行評價并指明優(yōu)化方向。

已有研究根據(jù)各類能源的消耗量及排放系數(shù)計算鐵路運輸中的碳排放量，并以此為基礎(chǔ)計算鐵路各主要能耗指標的碳排放情況。與此同時，以碳排放彈性系數(shù)為基礎(chǔ)，通過投入產(chǎn)出法和感應(yīng)度系數(shù)對鐵路碳排放總量進行量化也起到了較好效果。為了評價鐵路從建設(shè)到回收的全過程碳排放情況，部分學者引入了全生命周期管理的思想，根據(jù)各階段二氧化碳的計算公式得到總體排放量。當前有關(guān)鐵路運輸排放的研究大都以國家為對象，計算一定時間內(nèi)的碳排放情況并提出相應(yīng)的改進建議。然而由于國內(nèi)各省份鐵路在機車結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平以及單位能耗等指標上的不同，導致省際鐵路單位排放量差異明顯，因此國內(nèi)平均排放系數(shù)只能對整體路網(wǎng)優(yōu)化升級提供借鑒與指導，而對于省際鐵路優(yōu)化作用有限。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，對各省鐵路CO2排放系數(shù)進行分別測算，并以國內(nèi)煤炭流動為研究對象測算各省份鐵路由煤炭運輸導致的CO2排放量，分析省際差異原因，最終得到針對性的評價結(jié)果與優(yōu)化方案。

1 省際鐵路排放系數(shù)

為了準確測算省際煤炭鐵路調(diào)運過程中的CO2排放情況，除了需要收集相關(guān)的省際煤炭流動數(shù)據(jù)外，還需要科學準確的省際鐵路排放系數(shù)，本研究提出測算公式如下：

(1)

式中：αi——i省的鐵路排放系數(shù)；

eij——i省第j類機車的周轉(zhuǎn)比例；

kij——i省第j類機車的單位CO2排放量，由省內(nèi)機車的單位能耗、能源使用結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)能源排放系數(shù)決定。

1.1 基礎(chǔ)能源排放系數(shù)

目前主流的基礎(chǔ)能源CO2排放量計算往往采取IPCC(2006)的方法，公式如下：

(2)

式中：EC——某一行業(yè)中的CO2排放系數(shù)；

CFk——第k種能源的發(fā)熱量；

CCk——第k種能源的碳含量；

COFk——第k種能源的氧化因子；

44/12——單位量的C以CO2形式排放的排放量。

本研究在實際操作中相較于原公式做了兩方面改進：第一，為貼近國家實際，以我國的統(tǒng)計機構(gòu)發(fā)布的《中國能源統(tǒng)計年鑒2014》和《省級溫室氣體清單編制指南》中各類能源的CF、CC和COF值為主體，并利用IPCC數(shù)據(jù)進行補充；第二，IPCC默認各類能源的碳氧化率均為“1”，本研究則將各形態(tài)能源之間的碳氧化率之間存在差異考慮入內(nèi)，大致為COF氣>COF液>COF固。

1.2 省際鐵路機車類型及能耗

我國鐵路在運機車主要分為內(nèi)燃機車和電力機車兩類(蒸汽機車全國范圍內(nèi)不超過15輛，可忽略不計)，其中內(nèi)燃機車和電力機車在2012年的周轉(zhuǎn)量分別占全國的27.9%和72.1%，并且有內(nèi)燃機車占比進一步降低的趨勢。內(nèi)燃機車的主要動力能源為柴油，2012年全路內(nèi)燃機車平均能耗可折合為39 kg標準煤/萬 t·km，電力機車的主要動力能源為電，2012年全路電力機車平均能耗可折合為13 kg標準煤/萬 t·km。從單位能耗數(shù)據(jù)可以直觀的看到，電力機車在能耗方面具有顯著優(yōu)勢，目前我國也正在逐步擴大電力機車比例。根據(jù)《中國鐵道年鑒2013》，各省兩類機車的周轉(zhuǎn)比例及單位排放情況見表1。

通過表1可知，各鐵路局所轄省份的內(nèi)燃機車與電力機車周轉(zhuǎn)比例存在顯著差異，總體來看煤炭高產(chǎn)區(qū)域往往電力機車周轉(zhuǎn)份額較高。與此同時，同類型機車的單位周轉(zhuǎn)能耗也存在省際差異，這類差異在內(nèi)燃機車上體現(xiàn)的尤為明顯。

表1 各省鐵路機車組成結(jié)構(gòu)

1.3 省際發(fā)電排放系數(shù)

由于不同省份間內(nèi)燃機車所使用的柴油在單位排放方面不存在顯著差異，因此可以利用柴油排放系數(shù)結(jié)合省際內(nèi)燃機車單位能耗計算內(nèi)燃機車排放系數(shù)。然而各省電力機車所用電力在生產(chǎn)過程中的排放差異則較為明顯，需要根據(jù)各省發(fā)電的供能結(jié)構(gòu)進行分別計算。

我國目前乃至未來很長一段時間都將是火電為主的電源結(jié)構(gòu)，所以在測算各省發(fā)電單位CO2排放時采用了火電的數(shù)據(jù)，具體公式如下：

(3)

式中：Ei——i省生產(chǎn)單位煤電的CO2排放量，萬t/億kWh；

Hi——i省生產(chǎn)單位熱能排放量，萬t/萬GJ；

Di——i省用于發(fā)電的熱能總量，萬GJ；

Qj——第j種能源的發(fā)電用量，萬t/億m3；

Cj——j能源的CO2排放系數(shù)；

Ti——i省的發(fā)電總量，億kWh。

值得注意的是熱能作為間接能源無法直接得到，同樣需要根據(jù)各省熱力消費的能源供給結(jié)構(gòu)來計算，公式如下：

(4)

式中：Hi——i省生產(chǎn)單位熱能的排放量，萬t/萬GJ；

Pj——第j種能源用于發(fā)熱總量，萬t/億m3；

Cj——j能源的CO2排放系數(shù)；

Ki——i省發(fā)熱總量，萬GJ。

根據(jù)上述公式以能源統(tǒng)計年鑒相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合各省電力機車單位耗能情況，可得省際發(fā)電及電力機車排放系數(shù)，如表2所示。

表2 各省單位發(fā)熱及單位發(fā)電CO2排放量

1.4 省際鐵路排放系數(shù)

經(jīng)過上述準備工作，本研究已經(jīng)具備公式(1)中計算省際鐵路排放系數(shù)所需的條件，即省際機車周轉(zhuǎn)比例，以及內(nèi)燃機車和電力機車的排放系數(shù)，將上述數(shù)據(jù)帶入計算可得圖1。

圖1 省際鐵路排放系數(shù)

由圖1可知，省際鐵路的排放系數(shù)存在較為顯著的差異，單位排放量最高的云南省是北京市的2倍以上，這種差異由機車結(jié)構(gòu)、機車單位能耗以及省際發(fā)電排放系數(shù)共同引起。本文將以此為基礎(chǔ)，測算目前國內(nèi)煤炭流動中的各省排放情況，并制定相應(yīng)的優(yōu)化方案。

2 省際煤炭鐵路運輸排放現(xiàn)狀與理想情景分析

2.1 鐵路運煤排放現(xiàn)狀

為明確當前國內(nèi)及各省鐵路運煤過程中的排放情況，本研究以《中國交通統(tǒng)計年鑒2015》中的省際煤炭流動統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以省會城市作為各省煤炭調(diào)運的中心。與此同時，由于路網(wǎng)的復雜性及運煤線路的不確定性，本研究以省會間的直線距離代表煤炭省際鐵路調(diào)運路線，并將調(diào)出省份鐵路排放系數(shù)作為衡量省際運煤線路排放水平的重要指標。在此基礎(chǔ)上，可得各省由煤炭調(diào)出而引起的鐵路交通排放情況如表3所示。

全國鐵路在2014年省際煤炭調(diào)運過程中共產(chǎn)生CO2639萬t，其中山西、內(nèi)蒙古和陜西三省(區(qū))共運輸煤炭103540萬t，占運輸總量的63.3%，期間共產(chǎn)生CO2498萬t，占排放總量的77.9%。由于國內(nèi)煤炭供需重心間存在顯著的地理差異，并且尚未對煤炭調(diào)運進行科學的規(guī)劃，在省際煤炭傳輸?shù)倪^程中難免存在運輸效率低下及產(chǎn)生不必要CO2排放量等問題。本部分僅是根據(jù)省際鐵路運輸CO2排放系數(shù)對國內(nèi)各省煤炭調(diào)運過程中產(chǎn)生的CO2排放情況進行了初步的描述。可進一步設(shè)置相應(yīng)的優(yōu)化目標，通過對比分析現(xiàn)實情況與理想情景的差距對現(xiàn)狀進行適當?shù)脑u價，就特定省份提出優(yōu)化建議。

表3 2014年省際鐵路運煤排放現(xiàn)狀

2.2 最低全局排放情景

為了貼近國內(nèi)外節(jié)能減排的政策導向，本研究在各輸入省份與輸出省份總需求量和供給量不變的情況下建立優(yōu)化模型如下：

(5)

(6)

(7)

式中：ti——第i個輸出省份的鐵路CO2排放系數(shù)；

αij——第i省經(jīng)鐵路調(diào)入至第j省的煤炭量；

Lij——i省與j省間的鐵路運輸距離，用兩省省會間的直線距離表示；

Rj——第j省的外來煤炭需求總量；

Ci——第i省的煤炭總調(diào)出量。

(5)為目標函數(shù)，(6)和(7)為限制條件。

根據(jù)上述模型，可得優(yōu)化結(jié)果與現(xiàn)實情景的對比，如圖2所示。

優(yōu)化情景中全國由煤炭運輸而引起的CO2排放量為492萬t，比真實情景下降了23.1%，其中排放量降低幅度最大的三個省(區(qū))依次為內(nèi)蒙古(190萬t)、黑龍江(17萬t)、陜西(12萬t)。與之相對應(yīng)的是，山西、山東、天津等省(市)的鐵路排放量出現(xiàn)了或多或少的提升。這意味著相較于排放量可能達到最低情況，當前鐵路煤炭運輸格局確實存在一定的優(yōu)化空間，可通過國家的統(tǒng)籌規(guī)劃實現(xiàn)整體升級與局部優(yōu)化。

圖2 優(yōu)化結(jié)果與真實情景的比較

3 結(jié)論

為了計算當前中國省際鐵路煤炭運輸過程中的CO2排放量，本研究通過計算各類能源排放系數(shù)以及省際發(fā)電排放系數(shù)，并收集各省鐵路機車組成結(jié)構(gòu)與能耗信息，最終得到了30個省份的鐵路運輸?shù)腃O2排放系數(shù)。結(jié)果表明包括云南、四川、重慶在內(nèi)的西南地區(qū)CO2排放系數(shù)普遍較高，而山西、內(nèi)蒙古等煤炭主產(chǎn)區(qū)以及江蘇、浙江等東南沿海區(qū)域的鐵路運輸CO2排放系數(shù)則處于較低水平?？傮w來看，省際鐵路機車類型結(jié)構(gòu)并不對總體排放系數(shù)產(chǎn)生顯著影響。造成鐵路排放差異的主要原因在于鐵路機車的單位能耗及電力機車耗電而產(chǎn)生的間接排放量水平差距，其中鐵路機車單位能耗差異主要與機車技術(shù)水平有關(guān)，技術(shù)先進的機車往往具有更高的能源使用效率，從而產(chǎn)生較低的單位排放量。而省際發(fā)電單位排放量則主要與用于發(fā)電的能源結(jié)構(gòu)與發(fā)電機組技術(shù)水平密切相關(guān)，發(fā)電量較高的主要煤炭輸出省份以及經(jīng)濟發(fā)達省份往往配套較為先進的發(fā)電技術(shù)，進而在對電力機車供能的過程中產(chǎn)生相對較低的間接CO2排放量。

在得到省際CO2排放系數(shù)的基礎(chǔ)上，通過對國內(nèi)煤炭運輸?shù)默F(xiàn)實情況進行刻畫并通過整體排放量最低目標的引入，可以得到兩種情景下的國內(nèi)省際煤炭鐵路調(diào)運情況，如圖3所示。

我國目前鐵路真實情景中省與省之間的煤炭運輸網(wǎng)絡(luò)較為復雜，各主要煤炭生產(chǎn)省份分別向全國各地供給煤炭，各主要需求省份的煤炭來源也包含國內(nèi)各煤炭主產(chǎn)地，煤炭運輸?shù)恼w格局呈現(xiàn)出較為分散且無規(guī)律的狀態(tài)。而通過引入全局排放量最低目標后，國內(nèi)煤炭運輸格局實現(xiàn)了顯著的簡化。該情景雖然在實現(xiàn)上存在一定的難度，但是此情景得到的結(jié)果可以較為鮮明地表現(xiàn)出國內(nèi)煤炭鐵路調(diào)運潛在的發(fā)展方向，即為達成國內(nèi)煤炭鐵路運輸?shù)呐欧帕績?yōu)化，煤炭主產(chǎn)省份需要各自形成煤炭調(diào)出的輻射范圍，形成分工明確的煤炭調(diào)運體系，主要調(diào)出省份表現(xiàn)為山西省主要供給東北三省及東部沿海區(qū)域，內(nèi)蒙古主要供給中部地區(qū)，陜西省主要供給西部及南部區(qū)域的趨勢。通過比較兩種情景下的省際排放情況還可以發(fā)現(xiàn)，煤炭運輸網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過升級后可能產(chǎn)生主要排放省份的身份互換情況，通過圖3可知，引入全局排放量最低目標后，山西和內(nèi)蒙古以及山東和河南的排放地位兩兩交換，這說明實現(xiàn)國內(nèi)煤炭鐵路運輸排放的優(yōu)化需要對現(xiàn)有的運輸格局進行深入變革。與此同時，以山西、貴州、新疆為代表的國內(nèi)煤炭產(chǎn)地在優(yōu)化情景中的排放量均有降低，這說明目前國內(nèi)鐵路煤炭調(diào)運存在顯著的減排空間，可進行產(chǎn)業(yè)升級。

圖3 兩種情景下的國內(nèi)煤炭鐵路調(diào)運情況

4 政策建議

4.1 深化機車改造與結(jié)構(gòu)升級，提升能源使用效率

通過對各省鐵路運輸排放系數(shù)進行分解可知，單位能耗區(qū)別是造成省際鐵路排放系數(shù)差異的最主要原因。因此可將存在較大煤炭外運需求且現(xiàn)有機車能量消耗顯著高于全國平均水平的省份(如陜西、貴州)為重點，進行有針對性的路網(wǎng)在運機車的改造和升級。與此同時，為全面降低鐵路能源消耗、提升能源使用效率，可在全國范圍內(nèi)有針對性地展開鐵路機車的評估與技術(shù)升級，對于使用年限較長且排放超標的鐵路機車，可通過循環(huán)淘汰機制逐步更新。通過對各省內(nèi)燃機車和電力機車單位排放量的比較可知，電力機車的排放系數(shù)要普遍低于內(nèi)燃機車，同時還具有經(jīng)濟、能源使用效率高、間接污染危害小等優(yōu)勢。然而內(nèi)燃機車目前在國內(nèi)鐵路網(wǎng)中仍占有45%以上的份額，因此逐步提升電力機車比例既是國內(nèi)路網(wǎng)機車結(jié)構(gòu)升級的主要趨勢，同時也是有效降低運輸終端CO2排放量的另一個重要途徑。

4.2 以煤炭分類分級利用為指導，因地制宜組織煤炭調(diào)運

隨著國家煤炭生產(chǎn)重心和消費重心地理差異的不斷擴大，煤炭運輸?shù)钠骄嚯x也在逐步提升，煤炭中的雜質(zhì)在此過程中產(chǎn)生了大量的不必要能耗和排放量。然而，目前國家鐵路運煤網(wǎng)絡(luò)中來自不同省份、不同質(zhì)量的煤炭都以平等的身份進行調(diào)運，這種現(xiàn)狀不僅會產(chǎn)生大量的鐵路運力浪費，還將降低下游煤炭終端消費者的使用效率，進而間接提升煤炭使用量與排放量，因此推進以煤炭質(zhì)量確定運輸距離的模式勢在必行。在2015年1月正式實施的《商品煤質(zhì)量評價與控制技術(shù)指南》中，也首次明確將煤炭質(zhì)量與銷售距離聯(lián)系起來以達到高質(zhì)煤外銷、低質(zhì)煤地銷或者提質(zhì)后外銷的目標，應(yīng)以該指南為依據(jù)深入推進煤炭分級分類調(diào)運，確保國內(nèi)鐵路煤炭運輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化升級順利實施。

4.3 匹配煤炭供需，統(tǒng)籌規(guī)劃煤炭鐵路運輸網(wǎng)絡(luò)

我國煤炭市場在從國家計劃到現(xiàn)今市場主導的過程中得到了迅猛發(fā)展，也在此過程中充分顯示出了市場自主調(diào)節(jié)的優(yōu)勢。當前的國內(nèi)煤炭調(diào)運情景能夠在鐵路運力限制下較好地滿足國內(nèi)煤炭供需協(xié)調(diào)，但是從國家的視角看，現(xiàn)有的運輸網(wǎng)絡(luò)中存在一定的供需不合理匹配情況，進而導致不必要排放情況的出現(xiàn)。國家可在煤炭供需匹配過程中充分發(fā)揮體制優(yōu)勢，以國內(nèi)各省所處地理位置及其對于煤炭的供需情況為基礎(chǔ)，結(jié)合 鐵路網(wǎng)絡(luò)分布及運輸能力，對于宏觀上的煤炭流動方向提供指導性建議以避免由于長距離煤炭調(diào)運而產(chǎn)生的無效排放情況。煤炭主要輸出省份之間可在此基礎(chǔ)上通過有效的溝通協(xié)調(diào)機制分配各自煤炭供給的輻射范圍，加強配合協(xié)作，最終達成低碳高效的煤炭鐵路運輸格局。

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(責任編輯 宋瀟瀟)

Study on CO2emission from interprovincial railway coal transportation and transport pattern optimization

Lv Tao, Wang Fei, Liu Feng

(China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

In order to calculate provincial CO2emission in present coal transportation pattern and find out the reason of provincial differences, the provincial emission coefficients of each province were achieved after calculating each province's emission factors of diesel locomotive and electric locomotive and collecting data of turnover ratios of these two kinds of locomotives. Using this coefficient to calculate railway emissions of coal transportation of 2014. Based on that, a scenario of minimized total CO2emission was introduced to analyze the existing problems of present railway coal transportation and some feasible optimization plans were offered.

railway emission coefficient, low-carbon transportation, CO2emission, coal transportation

教育部博士點基金(20130095110002)，教育部人文社科規(guī)劃基金(16YJA790037)，國家自然基金項目(71173218)

呂濤，王飛，劉風. 中國跨區(qū)域鐵路煤炭運輸CO2排放及運輸格局優(yōu)化研究[J].中國煤炭，2017，43(5)：16-21，33. Lv Tao, Wang Fei, Liu Feng. Study on CO2emission from interprovincial railway coal transportation and transport pattern optimization[J].China Coal，2017，43(5)：16-21，33.

TD-9

A

呂濤(1974-)，男，江蘇沛縣人，博士，中國礦業(yè)大學教授、博士生導師，江蘇高校國際能源政策研究中心、江蘇能源經(jīng)濟管理基地主任，主要研究方向為能源經(jīng)濟管理、煤炭物流與供應(yīng)鏈管理等。