宋建新徐 亮

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京市海淀區(qū),100083; 2.中國(guó)煤炭建設(shè)協(xié)會(huì),北京市東城區(qū),100713)

中國(guó)動(dòng)力煤全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)境成本分析?

宋建新1徐 亮2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京市海淀區(qū),100083; 2.中國(guó)煤炭建設(shè)協(xié)會(huì),北京市東城區(qū),100713)

以占我國(guó)煤炭產(chǎn)量2/3的動(dòng)力煤為例,按照煤炭洗選－運(yùn)輸－利用等全產(chǎn)業(yè)鏈條的環(huán)境成本構(gòu)成,開(kāi)展基于技術(shù)－經(jīng)濟(jì)－環(huán)境的綜合評(píng)價(jià),分析能源消耗和污染物排放對(duì)提高煤炭質(zhì)量的影響。

環(huán)境成本 動(dòng)力煤 煤質(zhì)

煤炭消費(fèi)帶來(lái)嚴(yán)重的資源環(huán)境問(wèn)題。燃煤排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、煙粉塵分別占中國(guó)排放總量的75%、90%、75%、60%。目前中國(guó)的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和有害重金屬排放均列世界第一位,酸雨面積高達(dá)120萬(wàn)km2,占全國(guó)國(guó)土面積的1/8。動(dòng)力煤質(zhì)量低下和大量煤炭低效燃燒是引起大氣環(huán)境污染的主要原因。因此,煤炭燃燒排放是中國(guó)空氣質(zhì)量改善、應(yīng)對(duì)全球氣候變化、提高公眾環(huán)境健康水平、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的關(guān)鍵。

1 動(dòng)力煤生產(chǎn)和消費(fèi)情況

我國(guó)動(dòng)力煤煤種主要包括不粘煤、長(zhǎng)焰煤、褐煤、無(wú)煙煤、貧煤、弱粘煤等煤種。從動(dòng)力煤資源分布的地域結(jié)構(gòu)看,內(nèi)蒙古最多,占全國(guó)動(dòng)力煤儲(chǔ)量的32.52%,其次是陜西、新疆、山西和貴州,分別占全國(guó)的18.42%、17.23%、12.61%和5.23%。

1.1 動(dòng)力煤產(chǎn)銷(xiāo)量現(xiàn)狀

從世界范圍來(lái)看,動(dòng)力煤產(chǎn)量占煤炭總產(chǎn)量的80%以上。我國(guó)的動(dòng)力煤主要應(yīng)用于發(fā)電煤粉鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐中,其中電力行業(yè)是動(dòng)力煤消費(fèi)的主體。2014年,我國(guó)電力行業(yè)動(dòng)力煤消費(fèi)量為19.59億t,占動(dòng)力煤總消費(fèi)量的82%。除此以外,中小型燃煤工業(yè)鍋爐是我國(guó)除電站鍋爐外的主要用煤裝備,總量約54.6萬(wàn)臺(tái),占目前在役工業(yè)鍋爐總數(shù)的85%,且每年以1.5%左右的速度快速增長(zhǎng),年煤炭消耗量達(dá)5～6億t。2005－2014年我國(guó)火力發(fā)電量和電煤消費(fèi)量見(jiàn)圖1。

1.2 動(dòng)力煤運(yùn)輸格局

運(yùn)輸是動(dòng)力煤運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。從我國(guó)動(dòng)力煤各省(區(qū)、市)的供需結(jié)構(gòu)看,華北、西南和西北地區(qū)產(chǎn)大于需,屬于動(dòng)力煤凈調(diào)出地區(qū);華東、中南和東北地區(qū)屬于動(dòng)力煤凈調(diào)入地區(qū),其中華東和中南地區(qū)為主要凈調(diào)入地區(qū)。

圖1 2005－2014年來(lái)我國(guó)火力發(fā)電量和電煤消費(fèi)量

從動(dòng)力煤的現(xiàn)貨貿(mào)易流向看,我國(guó)動(dòng)力煤的調(diào)出路徑主要有兩條:一條通過(guò)大秦、神朔黃等重要的鐵路運(yùn)輸線(xiàn)路運(yùn)往北方七港(秦皇島港、唐山港、天津港、黃驊港、青島港、日照港、連云港),再通過(guò)海運(yùn)路線(xiàn),最終到達(dá)華東和華南地區(qū);另一條通過(guò)密集的華北鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò),運(yùn)往南方各地和長(zhǎng)江航道?？傮w呈現(xiàn)西煤東調(diào)、北煤南運(yùn)、鐵海聯(lián)運(yùn)的流通格局。

2 動(dòng)力煤終端消費(fèi)模型假設(shè)

本文以煤炭洗選后可節(jié)約的能耗、減少污染物排放指標(biāo)為約束指標(biāo),考慮不同等級(jí)的煤炭質(zhì)量指標(biāo),建立動(dòng)力煤終端消費(fèi)的洗選加工成本和環(huán)境邊際效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)模型。

2.1 終端消費(fèi)的煤質(zhì)要求

通過(guò)大量調(diào)查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),煤質(zhì)主要因素(水分、灰分和發(fā)熱量等)對(duì)電廠(chǎng)的影響和電廠(chǎng)對(duì)煤質(zhì)的要求主要體現(xiàn)在如下:

(1)發(fā)熱量:發(fā)熱量降低會(huì)導(dǎo)致煤耗增加,還會(huì)影響鍋爐的效率。大型電廠(chǎng)宜使用低位發(fā)熱量大于20.9 MJ/kg的煤炭。當(dāng)然低位發(fā)熱量的量值與煤的灰分和水分密切相關(guān)。

(2)灰分:灰分嚴(yán)重影響煤的發(fā)熱量,隨著灰分的增高,燃燒溫度下降,鍋爐飛灰和爐渣帶走的物理熱損失以及排灰量均增加。

(3)水分:水分的增加,會(huì)使煤的發(fā)熱量降低。電廠(chǎng)鍋爐用煤全水分不宜超過(guò)10%。

(4)硫分:電廠(chǎng)宜使用硫分不大于1%的低硫煤,硫分在1%～3%的中硫煤通常應(yīng)該先選煤降硫,力求硫分不超過(guò)1%。

(5)揮發(fā)分:對(duì)鍋爐的設(shè)計(jì)制造有重要影響?？紤]到煤炭揮發(fā)分的高低,不是選煤所能改變的,這里我們不考察揮發(fā)分對(duì)鍋爐性能的影響。

2.2 終端消費(fèi)的煤質(zhì)影響

動(dòng)力煤煤質(zhì)對(duì)終端消費(fèi)的影響主要體現(xiàn)在熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備、污染排放等環(huán)節(jié)。發(fā)電成本包括固定成本和可變成本,煤質(zhì)變化主要影響可變成本,因此本文主要探討由發(fā)電煤耗、輔機(jī)煤耗、灰渣處理和污染物排放等組成的部分可變成本,見(jiàn)圖2。下面以燃煤電廠(chǎng)作為終端消費(fèi)的實(shí)證分析對(duì)象進(jìn)行分析。

圖2 煤質(zhì)與煤價(jià)對(duì)電廠(chǎng)發(fā)電成本的影響

(1)熱能轉(zhuǎn)換效率。終端消費(fèi)的能效主要由能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)確定,則電廠(chǎng)的發(fā)電效率ηcp為:

式中:ηb——鍋爐效率,取決于機(jī)組鍋爐的各項(xiàng)熱量損失,包括排煙損失,化學(xué)未完全燃燒損失,固體未完全燃燒損失,散熱損失和灰渣物理熱損失;

ηi——汽輪機(jī)的絕對(duì)內(nèi)效率,煤質(zhì)能通過(guò)改變?cè)阱仩t中不同熱交換面上的熱量分配,從而影響蒸汽參數(shù),進(jìn)而影響汽機(jī)效率,通常汽輪機(jī)絕對(duì)內(nèi)效率取為ηi＝0.458。

ηg——發(fā)電機(jī)效率,由于不同機(jī)組的冷卻方式不一樣,效率稍有差別。一般取值為:96%～99%(雙水內(nèi)冷),97%～98%(空冷),98%～99%(氫冷);

ηp——管道效率;

ηm——機(jī)械傳遞效率,取99%。

(2)輔機(jī)系統(tǒng)。燃煤電廠(chǎng)的輔機(jī)系統(tǒng)主要包括煤處理設(shè)備、磨煤機(jī)、鍋爐風(fēng)扇、給水泵、除塵器等,一般而言,輔機(jī)設(shè)備的總耗電量占電廠(chǎng)總發(fā)電量的5%～10%,具體的比例跟機(jī)組容量、機(jī)組運(yùn)行工況有關(guān),并受燃煤煤質(zhì)的影響。通常通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算輔機(jī)效率ξcp。

(3)發(fā)電煤耗。根據(jù)熱能轉(zhuǎn)換效率和輔機(jī)電耗,即可得出發(fā)電煤耗和供電煤耗:

(4)污染物排放。燃煤發(fā)電的污染物包括廢水、廢氣、殘?jiān)?、噪聲?其中與煤質(zhì)相關(guān)的污染物主要為煙氣、煙塵、二氧化硫和灰渣。排污成本根據(jù)國(guó)家制定的《排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》和對(duì)應(yīng)的污染物排放量計(jì)算,其計(jì)算模型為:

式中:λ1——地區(qū)收費(fèi)調(diào)整系數(shù),一般地區(qū)為1,發(fā)達(dá)地區(qū)為1.2,不發(fā)達(dá)地區(qū)0.8;

λe——環(huán)境功能區(qū)收費(fèi)調(diào)整系數(shù),一類(lèi)1.1,二類(lèi)1.0,三類(lèi)0.9;

Si——第i種污染物的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn);

Ni——第i種污染物的污染當(dāng)量值。電廠(chǎng)將在排放達(dá)標(biāo)的情況下,繳納排污費(fèi)。

參考我國(guó)污染物排放總量收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),一般認(rèn)為各單項(xiàng)排污收費(fèi)的補(bǔ)償度均為20%,則借鑒國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)(IIASA)相應(yīng)的環(huán)境成本數(shù)據(jù),初步確定各類(lèi)燃煤發(fā)電方式的污染物排放率和排放環(huán)境成本,見(jiàn)表1和表2。

表1 燃煤發(fā)電的污染物排放率kg/t

表2 燃煤發(fā)電污染物單位排放環(huán)境成本元/kg

由此可得,各類(lèi)燃煤發(fā)電方式的環(huán)境成本如下:常規(guī)亞臨界燃煤電廠(chǎng)13.75分/k Wh,常規(guī)亞臨界燃煤電廠(chǎng)(帶FGD)7分/k Wh,超超臨界燃煤電廠(chǎng)11.75分/k Wh,超超臨界燃煤電廠(chǎng)(帶FGD)5.91分/k Wh,PFBC－CC 6.66分/k Wh; IGCC 3.58分/k Wh。

3 動(dòng)力煤終端消費(fèi)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)動(dòng)力煤產(chǎn)業(yè)鏈的綜合評(píng)價(jià)需求,設(shè)定2臺(tái)300 MW亞臨界機(jī)組(年利用小時(shí)數(shù)為5300 h)進(jìn)行煤炭洗選的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和敏感性分析。

參考我國(guó)相關(guān)學(xué)者提出的煤質(zhì)之間的關(guān)系模型,本文分析中用到的煤質(zhì)假定有:

(1)原煤中的硫分含量如下,硫酸鹽硫Ss占10%,有機(jī)硫So占30%,黃鐵礦硫Sp占60%。

(2)原煤的發(fā)熱量和水分與灰分的關(guān)系:

原煤中所含的煤矸石的發(fā)熱量與灰分的關(guān)系:

此外,選取一個(gè)典型的原煤價(jià)做基準(zhǔn),如取Q5500的動(dòng)力煤(原煤,低位發(fā)熱量23.0 MJ/kg)的價(jià)格為400元/t。運(yùn)輸?shù)任锪鞒杀救?00元/t。假定選煤的成本主要在洗選加工費(fèi)用和原煤排矸石成本,未單獨(dú)計(jì)入洗煤廠(chǎng)的原煤和洗選煤的運(yùn)輸成本。

3.2 全產(chǎn)業(yè)鏈成本分析

根據(jù)上述設(shè)定的機(jī)組參數(shù),燃煤電廠(chǎng)的發(fā)電總成本中的固定成本約為0.094元/k Wh?？勺兂杀景ㄙ?gòu)煤成本(煤價(jià))、運(yùn)輸成本、環(huán)境成本(包括煙氣脫硫成本、除塵成本、SO2以及粉塵排放成本、灰渣排放成本等)以及各種稅費(fèi)。

通過(guò)設(shè)定原煤和四種不同洗選程度的洗選煤指標(biāo),分析由洗選帶來(lái)的煤質(zhì)變化對(duì)發(fā)電成本的影響,見(jiàn)表3。

表3 不同煤質(zhì)的情景設(shè)定

根據(jù)五種情景的指標(biāo)數(shù)據(jù),結(jié)合上述各階段的評(píng)價(jià)模型,將動(dòng)力煤基于煤炭洗選—運(yùn)輸—終端消費(fèi)全產(chǎn)業(yè)鏈的煤質(zhì)影響進(jìn)行分析。

根據(jù)上表中煤質(zhì)不同帶來(lái)的環(huán)境成本、運(yùn)輸成本、購(gòu)煤成本、維修成本和投資成本的變化,形成情景變化見(jiàn)圖3。

圖3 不同煤質(zhì)的全產(chǎn)業(yè)鏈成本情景變化

僅從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)看,電廠(chǎng)利用高灰分、低發(fā)熱量的劣質(zhì)煤時(shí),其實(shí)際耗煤量大,運(yùn)輸環(huán)節(jié)費(fèi)用會(huì)高。如果劣質(zhì)煤相對(duì)優(yōu)質(zhì)煤來(lái)講價(jià)格足夠低,低到購(gòu)煤成本的下降大于煤炭運(yùn)輸成本的增加,那么電廠(chǎng)燃用劣質(zhì)煤就有相對(duì)的經(jīng)濟(jì)性。通常,洗選煤(精煤)運(yùn)輸費(fèi)用比原煤高10%。根據(jù)表3數(shù)據(jù),情景WA30洗選煤發(fā)電就沒(méi)有經(jīng)濟(jì)性,而對(duì)情景WA25、WA20、WA15具有經(jīng)濟(jì)性,且隨著洗選程度的提高而增加。因此,洗選煤成本越低、運(yùn)輸價(jià)格越高,相對(duì)于直接燃用原煤,洗選煤發(fā)電利用的經(jīng)濟(jì)性就越好。另外,隨著洗選程度的提高,燃煤發(fā)電的能效不斷提高、煤耗逐步減小,CO2的減排量和減排強(qiáng)度也不斷增加。

4 結(jié)論

本研究的結(jié)果顯示,洗選煤發(fā)電利用大體可以獲得如下節(jié)能減排效果:

(1)能效提高:洗選提高了煤炭的發(fā)熱量,減少電廠(chǎng)的磨煤量,可使相關(guān)的一系列輔機(jī)電耗降低;煤質(zhì)的提高帶來(lái)鍋爐效率提高,同時(shí)降低了鍋爐和輔機(jī)的磨損,電廠(chǎng)維護(hù)費(fèi)用下降。比如,燃用灰分15%～20%的洗選煤,比起燃用灰分30%～35%的原煤,鍋爐效率可提高約2個(gè)百分點(diǎn),降低發(fā)電標(biāo)煤耗約8 g/k Wh。若按全國(guó)現(xiàn)在的發(fā)電量計(jì)算,年可等效節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約2000萬(wàn)t。

(2)環(huán)保和減排:洗選可以降低煤的灰分和硫分,洗選煤發(fā)電顯著地減少顆粒物和二氧化硫的排放。同時(shí)由于電廠(chǎng)能效的提高,也帶來(lái)溫室氣體CO2排放的降低,減排強(qiáng)度大概可在3%～4%的水平。

[1] 中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì).2014中國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展報(bào)告[M].中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社,2014

[2] 劉玥,周頂峰.我國(guó)電煤價(jià)格運(yùn)行機(jī)理研究[J].中國(guó)煤炭,2014(2)

[3] 蔣丹丹,賀立.煤炭企業(yè)環(huán)境管理實(shí)踐中存在的問(wèn)題與對(duì)策分析[J].北方經(jīng)濟(jì),2011(14)

[4] 馬慧穎.低碳經(jīng)濟(jì)背景下環(huán)境成本研究的新思路[J].財(cái)會(huì)研究,2013(3)

[5] 李素真,王云民.燃煤電廠(chǎng)運(yùn)行中環(huán)境成本分析與計(jì)算[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2009(9)

[6] 郭云濤.關(guān)于電煤價(jià)格的幾個(gè)問(wèn)題[J].中國(guó)煤炭, 2003(12)

Analysis on environment costs of China＇s steam coal whole industrial chain

Song Jianxin1,Xu Liang2
(1.China University of Mining&Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.China National Coal Construction Association,Dongcheng,Beijing 100713,China)

Taking steam coal as an example which are two thirds of China＇s coal production, and according to environment costs construction of coal preparation,transportation and utilization,the authors launched comprehensive assessment basing upon technology,economy and environment,and also analyzed influences of energy consumption and pollutant emissions to improve quality of coal.

environment costs,steam coal,quality of coal

TD－9

A

宋建新(1972－),男,山東鄒城人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)管理學(xué)院在讀博士生,從事資源經(jīng)濟(jì)與低碳經(jīng)濟(jì)的研究。

(責(zé)任編輯 張大鵬)

能源基金會(huì)中國(guó)可持續(xù)能源項(xiàng)目——加強(qiáng)動(dòng)力煤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系研究(G－1303－17775)