魏世杰，樊靜麗，楊康迪，侯運(yùn)炳

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083

煤炭作為我國的主要能源，其一次能源消費(fèi)量一直維持在能源消費(fèi)總量的60%左右。山西省是我國的煤炭大省，其原煤生產(chǎn)量占全國原煤產(chǎn)量的1/4左右。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)境壓力的增加，山西省開始著力推動(dòng)煤炭產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。在此背景下，山西省煤炭流動(dòng)及煤炭相關(guān)碳排放問題成為關(guān)注點(diǎn)。2011年和2016年是國家“十二五”和“十三五”規(guī)劃的開局之年，具有代表性，將這兩年山西省煤炭流動(dòng)及相應(yīng)碳排放進(jìn)行對比研究，可以看出煤炭轉(zhuǎn)型升級(jí)期間煤炭利用方式、效率及其對環(huán)境影響的變化，從而對山西省未來煤炭產(chǎn)業(yè)的深入調(diào)整提供相關(guān)建議。

煤炭的開發(fā)利用是一個(gè)較長且復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈，包含原煤的開采、洗選、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化到煤炭相關(guān)產(chǎn)品的終端利用。因此，從整個(gè)煤炭開發(fā)利用產(chǎn)業(yè)鏈對煤炭流動(dòng)進(jìn)行分析，才能清晰地了解煤炭的利用狀況和技術(shù)現(xiàn)狀。煤流圖是直觀展示一個(gè)國家或地區(qū)煤炭流動(dòng)情況的重要工具，可反映不同部門煤炭產(chǎn)品能量的輸入輸出關(guān)系并簡單地估算出各部門和整個(gè)系統(tǒng)的煤炭轉(zhuǎn)換或利用效率(不包括煤炭開采效率)。于飛飛[1]繪制了2010 年中國和美國的煤流圖，比較了兩國的煤炭利用狀況；胡秀蓮[2]通過我國2012年煤流圖對煤炭系統(tǒng)效率進(jìn)行了分析；劉耕源等[3]通過2012 年“京津冀”地區(qū)的煤流圖，厘清了煤炭相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的物質(zhì)與能量走向。碳流圖是展示不同化石能源品種在不同消費(fèi)部門中由于燃燒產(chǎn)生的碳排放流動(dòng)狀況的重要形式，不同煤炭產(chǎn)品的碳排放也可用碳流圖來展示。 Li Huanan等[4]以碳流圖的形式比較了2008—2012年中國煤炭消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放的變化；Li Xin等[5]利用碳流圖展示了2013中國全國以及分部門的煤炭消費(fèi)碳排放量；樊靜麗和張豪等[6-7]利用碳流圖分別對2015年和2016年全國煤炭消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放狀況進(jìn)行了展示；謝士晨等[8]在測算2007年上海市能源消費(fèi)相關(guān)碳排放時(shí)利用碳流圖展示了煤炭消費(fèi)產(chǎn)生的相應(yīng)碳排放。以上研究主要集中在單一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的國際或單個(gè)國家和區(qū)域的對比，對于在時(shí)間變化影響下的省級(jí)區(qū)域的煤炭流動(dòng)研究還較為缺乏。同時(shí)，在總體能源消費(fèi)碳排放的框架下展示煤炭碳排放，還難以區(qū)別出不同煤炭產(chǎn)品的相應(yīng)碳排放，因而，具體分析原煤、選煤、型煤、焦炭以及其他煤炭產(chǎn)品的碳排放，將更有利于了解煤炭消費(fèi)碳排放的來源，并據(jù)此提出針對性的政策建議。

本文通過2011年和2016年山西省煤炭平衡表繪制了相應(yīng)的煤流圖和碳流圖，對煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)背景下山西省的煤炭生產(chǎn)利用情況以及碳排放狀況進(jìn)行了分析，在一定程度上展示了山西省煤炭轉(zhuǎn)型方式的成效，對于其他煤炭資源型省份具有借鑒意義。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 能源實(shí)物量與標(biāo)準(zhǔn)量的轉(zhuǎn)換

煤流圖中數(shù)據(jù)來自《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒—2017》[9]中的山西能源平衡表(實(shí)物量)—2016和《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒—2012》[10]中的山西能源平衡表(實(shí)物量)—2011。由于山西省能源平衡表均為實(shí)物量，使得不同的能源品種單位不一致，難以反映不同部門的煤炭相關(guān)產(chǎn)品的消耗總量，故需要將實(shí)物量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量再進(jìn)行煤流圖繪制。具體的轉(zhuǎn)換公式為

Si=eiPi

(1)

式中，Si為不同能源品種的標(biāo)準(zhǔn)量，t標(biāo)準(zhǔn)煤；Pi為不同能源品種的實(shí)物量；ei為不同能源品種從實(shí)物量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量的折算系數(shù)，不同能源品種的折算系數(shù)取自《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒—2017》[9]和《綜合能耗計(jì)算通則》[11]。

1.2 能源品種和終端消費(fèi)部門的劃分

為了既能增強(qiáng)煤流圖的易讀性，又能反映出足夠的細(xì)節(jié)，需對煤炭平衡表進(jìn)行簡化。針對不同的能源品種，將數(shù)量小的能源品種與具有相關(guān)性的能源品種進(jìn)行合并，將選精煤和其他選煤合并為“選煤”，其他焦化成品和焦炭合并為“焦炭”，將焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、其他煤氣，以及煤制油制氣產(chǎn)生的石蠟、其他石油產(chǎn)品和天然氣合并為“油氣”，合并后一共有原煤、選煤、型煤、焦炭、油氣、電力、熱力、煤矸石8種能量載體。

針對終端消費(fèi)部門，由于煤炭在工業(yè)部門和生活消費(fèi)部門的消費(fèi)數(shù)量較多，遂對這兩個(gè)部門進(jìn)行單獨(dú)分析，農(nóng)林牧漁業(yè)、建筑業(yè)、交通運(yùn)輸倉儲(chǔ)和郵政業(yè)、批發(fā)零售業(yè)和住宿餐飲業(yè)以及其他部門合并為“其他”。對于在工業(yè)中以原料和材料方式利用的煤炭劃分為非燃料利用部門進(jìn)行分析。

1.3 煤炭加工轉(zhuǎn)換效率

煤炭加工轉(zhuǎn)換效率是指一定時(shí)期內(nèi)煤炭經(jīng)過加工轉(zhuǎn)換產(chǎn)出的各種煤炭產(chǎn)品的數(shù)量與投入加工轉(zhuǎn)換的各種煤炭數(shù)量的比率，它是反映煤炭加工轉(zhuǎn)換裝置和生產(chǎn)工藝先進(jìn)與落后、管理水平高低等的重要指標(biāo)。煤炭加工轉(zhuǎn)換效率為

(2)

式中，Ck為k環(huán)節(jié)的煤炭加工轉(zhuǎn)換效率；Ok為k環(huán)節(jié)的能源產(chǎn)出量；Ikm為k環(huán)節(jié)的m種能源投入量。

1.4 碳排放核算

CO2排放的計(jì)算方法參照《2006年IPCC國家溫室氣體排放清單指南》[12]，其公式為

(3)

式中，E為CO2排放量，106t；i為不同部門；j為燃料品種；AC為消費(fèi)的化石燃料實(shí)物量，104t或109m3；NCV為各燃料的低位熱值，kJ/kg或kJ/m3；CCj為燃料含碳量，kg/GJ；Oi，j為氧化率，采用IPCC默認(rèn)值1；α為CO2和C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比。

計(jì)算碳排放所需的各種能源的平均低位熱值和含碳量分別取自《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒—2017》[9]和《2006 年IPCC國家溫室氣體排放清單指南》[12]。

2 分析與討論

2.1 煤炭生產(chǎn)供應(yīng)的變化

圖1為山西省煤流圖。由圖1可知，受到煤炭供給側(cè)改革的影響，去產(chǎn)能和去庫存取得了明顯成效。2016年山西省原煤生產(chǎn)量比2011年下降了4.8%，原煤庫存量也從增到減，2016年原煤庫存量減少了227.8×104t，這對于保持煤價(jià)穩(wěn)定、促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有積極意義。

原煤這種初級(jí)能源的省外調(diào)出量大幅減少，更多的原煤被用于省內(nèi)加工和消費(fèi)，2016年原煤省內(nèi)供應(yīng)量比2011年增長87.2%。山西省煤炭產(chǎn)品的調(diào)出，更多的轉(zhuǎn)向選煤和焦炭等具有一定附加價(jià)值的產(chǎn)品，2016年調(diào)出的選煤和焦炭量占各自生產(chǎn)量的比例從2011年的31.7%和67.9%增加到68.2%和84.6%，使得山西省煤炭生產(chǎn)供應(yīng)鏈逐步完善。山西增加煤炭加工產(chǎn)品的省外調(diào)出量固然有益，但同時(shí)原煤的省內(nèi)加工帶來的耗水增加、廢水排放以及加工產(chǎn)生的空氣污染物等，都對資源環(huán)境產(chǎn)生了負(fù)面影響。盡管山西存在規(guī)?；a(chǎn)優(yōu)勢，即廢棄污染物可以進(jìn)行集中化排放處理，但是污染排放處理技術(shù)還需要進(jìn)一步升級(jí)。

經(jīng)過5年的調(diào)整發(fā)展，山西省的煤炭生產(chǎn)供應(yīng)情況出現(xiàn)了明顯變化，過剩產(chǎn)能控制取得初步成效，煤炭產(chǎn)品向外調(diào)出更傾向于高附加價(jià)值產(chǎn)品，但由此帶來的污染問題也需重點(diǎn)關(guān)注。

2.2 煤炭加工轉(zhuǎn)換部門的變化

在煤炭加工過程中，無論是2011年還是2016年，原煤洗選的固體廢物煤矸石在山西省內(nèi)得到了完全的資源化利用，主要用于發(fā)電、供熱和工業(yè)燃燒。山西省內(nèi)對煤矸石的處理使廢棄物資源化，同時(shí)避免了煤矸石露天堆放可能引起的揚(yáng)塵、占用土地資源、微量重金屬元素污染水土等環(huán)境問題[13]。

2016年，型煤的制作原料由2011年的選煤轉(zhuǎn)向原煤。型煤是潔凈煤生產(chǎn)技術(shù)的一種[14]，它具有節(jié)能增效明顯、廢氣排放量減少的優(yōu)點(diǎn)。但隨著山西省工業(yè)型煤的需求減少，對型煤品質(zhì)的要求有所下降，滿足一般的生活消費(fèi)使用即可，因此不再使用選煤進(jìn)行型煤的制作，而采用原煤直接加工。但是，不加洗選的原煤灰分和硫化物較多，直接燃燒會(huì)產(chǎn)生煙塵、二氧化硫和氮氧化物等空氣污染物，這對居民的生活環(huán)境和身體健康會(huì)產(chǎn)生損害。

2016年，用于煉焦的原煤和選煤的投入量比2011年減少了11.8%，同時(shí)庫存焦炭得到進(jìn)一步利用，2016年焦炭的利用量比2011年增加166.2×104t標(biāo)準(zhǔn)煤。由于技術(shù)進(jìn)步，煉焦效率進(jìn)一步提升，2016年煉焦效率比2011年提高2.1%，達(dá)到94.2%，這對節(jié)約煤炭資源具有重要意義。同時(shí)，山西用于向省外調(diào)出或向國外出口的焦炭比例增大，2016年和2011年用于省內(nèi)消費(fèi)的焦炭數(shù)量僅占生產(chǎn)量的27.9%和29.3%，進(jìn)一步反映了山西作為能源資源型省份的原料供應(yīng)地位。

受工業(yè)電力需求放緩的影響，2016年用于發(fā)電的原煤、選煤和煤矸石的投入量比2011年都有所減少，特別是2016年出現(xiàn)利用余熱發(fā)電的新能源形式，節(jié)約煤炭110.4×104t標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)約了燃料和保護(hù)了環(huán)境。供熱效率進(jìn)一步提升，2016年供熱效率比2011年提高4.6%，達(dá)到80.2%。同時(shí)，供熱部門也對熱量進(jìn)行回收利用，2016年回收熱量137.9×104t標(biāo)準(zhǔn)煤，這與終端消費(fèi)部門中的其他部門能源消耗量相當(dāng)。

圖1 山西省2011年和2016年煤流圖Fig.1 Coal flow chart of Shanxi Province

另外，山西省在煤制油、制氣技術(shù)上取得了進(jìn)展，2016年生產(chǎn)煤制油氣產(chǎn)品112.8×104t標(biāo)準(zhǔn)煤，比2011年增長87.7%。煤制油、制氣既能替代石油資源以保障能源安全[15]，又能更高效和環(huán)保地利用高灰分煤[16]，對高灰分煤儲(chǔ)量占煤炭儲(chǔ)量的40%的山西省具有較大意義。

在這5年間，山西省廢棄物的資源化利用逐漸充分，煉焦和供熱效率進(jìn)一步提升，煤制油、制氣技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，但也存在型煤制作由選煤轉(zhuǎn)向原煤的不利因素。

2.3 煤炭終端消費(fèi)的變化

總體來看，終端消費(fèi)部門的煤基能源消費(fèi)量有所上升，2016年比2011年增長了6.3%。圖2為2011年和2016年不同能源品種終端消費(fèi)流向。由圖2可知，各終端消費(fèi)部門的能源品種占比發(fā)生了變化，在建筑業(yè)、批發(fā)零售業(yè)和住宿餐飲業(yè)等不再使用型煤，電取暖替代了蜂窩煤或煤球取暖；在工業(yè)原料中型煤具有重要作用，可以用于化肥造氣，生產(chǎn)半焦、液體或氣體燃料，生產(chǎn)甲醇、醋酸等化工產(chǎn)品，2016年化工產(chǎn)品使用的型煤占型煤終端消費(fèi)量的28.0%。

基于煤炭深加工技術(shù)的迅速發(fā)展，煤制天然氣的出現(xiàn)使得煤基產(chǎn)品的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，但在油氣終端消費(fèi)量中占比仍然較小，僅為0.1%；油氣用于生活消費(fèi)的比例也大大降低。其主要原因是山西省內(nèi)原有的焦?fàn)t煤氣供氣區(qū)被清潔高效的天然氣取代，這一部分焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)向工業(yè)使用，這也是山西進(jìn)行大氣污染防治的重要舉措。

圖2 2011年和2016年不同能源品種終端消費(fèi)流向Fig.2 End-use consumption trends of different energy types in 2011 and 2016

圖3為2011年和2016年山西省城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村煤基能源消費(fèi)比例。由圖3可知，山西城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村的煤基能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了轉(zhuǎn)變。2016年與2011年相比，原煤及選煤在城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村生活消費(fèi)中占比均大幅下降，熱力、電力和油氣等清潔能源在城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村生活消費(fèi)中的占比增加。隨著天然氣在農(nóng)村地區(qū)的推廣使用，油氣在鄉(xiāng)村生活消費(fèi)中的比例逐步上升，2016年比2011年增長2%，達(dá)到4%；電力使用比例也逐步上升，表明山西農(nóng)村地區(qū)的能源使用正在向清潔化和電氣化方向轉(zhuǎn)變，這與山西省在農(nóng)村地區(qū)大力推廣清潔能源密不可分。現(xiàn)今，通過政府補(bǔ)貼和政策倡導(dǎo)，一些農(nóng)村地區(qū)已經(jīng)用天然氣完全替代了散煤燃燒，避免了散煤燃燒不充分對當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量的損害[17]，為山西的能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境治理作出了較大貢獻(xiàn)。隨著天然氣價(jià)格的逐步下降，鄉(xiāng)村居民未來對于天然氣的接受度也會(huì)相應(yīng)提高，天然氣對于散煤的替代比例也將進(jìn)一步增大。

圖3 2011和2016年山西省城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村煤基能源消費(fèi)比例Fig.3 Proportion of coal-based energy consumption in urban and rural areas in Shanxi Province in 2011 and 2016

綜上所述，2011—2016年，終端消費(fèi)部門中的煤炭產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)有所優(yōu)化，城鄉(xiāng)煤炭產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)向清潔化轉(zhuǎn)變。

2.4 煤炭相關(guān)碳排放的變化

煤炭只有在燃燒過程中才會(huì)產(chǎn)生碳排放，所以必須對煤炭進(jìn)行燃燒利用的發(fā)電、供熱、工業(yè)和生活消費(fèi)等部門進(jìn)行分析，山西省碳流圖如圖4所示。由圖4可知，2011年和2016年山西省煤炭相關(guān)碳排放總量分別為4.4×108t和4.7×108t，年均增速為1.3%。從碳排放的來源看，原煤、選煤、型煤和煤矸石的碳排放量的變化并不顯著，而油氣在工業(yè)部門消費(fèi)量在增加，與2011年相比，2016年油氣燃燒產(chǎn)生的碳排放量占總排放量的比例增長了4.3%，達(dá)到10.1%。從碳排放部門結(jié)構(gòu)來看，光伏和風(fēng)電等一次電力的增長對煤基能源火力發(fā)電起到了一定的替代作用，使得電力部門碳排放得到控制，2016年發(fā)電部門碳排放量比2011降低了8.2%；隨著山西城鎮(zhèn)集中供熱工作的不斷推進(jìn)，2016年供熱部門的碳排放比2011年增加了60.4%；商業(yè)和居民生活消費(fèi)中散煤使用減少，導(dǎo)致這些部門的碳排放也開始下降。由此可見，煤炭相關(guān)碳排放呈現(xiàn)不斷集中化的特點(diǎn)，為將來碳排放的統(tǒng)一處理和控制提供了基礎(chǔ)。但在生活消費(fèi)中，2016年鄉(xiāng)村碳排放量是城鎮(zhèn)的2倍，控制鄉(xiāng)村碳排放是未來減排工作的重點(diǎn)。

從2011年到2016年，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求下煤炭相關(guān)碳排放有所上升，較為清潔的煤制油氣產(chǎn)生的碳排放占比明顯增加，一次電力使用對于煤電碳排放的控制初見成效，供熱排放上升幅度較大，城鄉(xiāng)碳排放差距顯著。

3 政策建議

(1) 進(jìn)一步推動(dòng)山西省煤炭利用的清潔化。為此以煤制油、制氣為重點(diǎn)內(nèi)容，在順應(yīng)發(fā)展要求的同時(shí)利用資源優(yōu)勢，不斷深入研究煤炭深加工技術(shù)，為將來煤炭的大規(guī)模轉(zhuǎn)化利用奠定基礎(chǔ)；同時(shí)，通過技術(shù)創(chuàng)新降低煤化工產(chǎn)業(yè)中的耗水量。但山西省內(nèi)型煤由原煤直接制作會(huì)帶來環(huán)境污染和資源利用低效的問題，在未來的煤炭加工利用過程中，還需對這一現(xiàn)象加以管制。

(2) 控制山西省煤炭相關(guān)碳排放。為此，需進(jìn)一步加快可再生能源對于燃煤的替代使用，從源頭上降低碳排放；同時(shí)，依托山西煤炭資源大省的特點(diǎn)，考慮開展燃煤電廠碳捕集利用與封存技術(shù)的試點(diǎn)示范，為應(yīng)對將來碳排放約束緊縮下的大規(guī)模減排要求奠定技術(shù)基礎(chǔ)。對于農(nóng)村地區(qū)，還需重點(diǎn)加強(qiáng)對于低碳清潔能源使用的宣傳和引導(dǎo)，同時(shí)提供經(jīng)濟(jì)上可承受的低碳技術(shù)選擇，以提高農(nóng)村居民對于低碳清潔能源使用的意愿。

4 結(jié) 論

(1) 在煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和煤炭供給側(cè)改革影響下，山西省增加調(diào)出高附加值煤產(chǎn)品和煤炭消費(fèi)中去庫存的效果較為顯著。由于政府對環(huán)境問題的關(guān)注和大眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，煤炭相關(guān)企業(yè)在煤炭加工轉(zhuǎn)換過程中非常注重固體廢棄物和余熱的處理及資源化利用，這對于保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源具有重要意義，也有利于環(huán)保技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累。

(2) 隨著山西省相關(guān)能源政策的不斷推進(jìn)，煤炭產(chǎn)業(yè)鏈逐步擴(kuò)張，煤炭加工利用由簡單的洗選、煉焦逐步向煤制油、制氣等深加工方向轉(zhuǎn)變，對于提高煤產(chǎn)品的附加價(jià)值具有重要意義，有利于山西省煤炭產(chǎn)業(yè)的精細(xì)發(fā)展，也為依托煤炭為基礎(chǔ)解決我國能源安全問題和能源的高效利用做出示范。

(3) 在煤炭的利用過程中，通過政府政策的引導(dǎo)，城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村對原煤等初級(jí)煤炭產(chǎn)品的利用都顯著減少，轉(zhuǎn)而使用更為清潔的電力和油氣等煤基產(chǎn)品，對于改善全省的生活環(huán)境和質(zhì)量產(chǎn)生了積極作用。

(4) 山西省總體煤炭相關(guān)碳排放未得到有效控制，但呈現(xiàn)出向來源清潔化和集中化進(jìn)行轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)。煤炭生活消費(fèi)碳排放在鄉(xiāng)村地區(qū)比城鎮(zhèn)地區(qū)明顯突出。