（环境工程专业论文）基于leap的中国能源消耗和co2排放模拟.pdf

摘要 摘要 能源是人类生存和社会发展的必要因素，是社会经济发展的基础和动力， 对国民经济的持续、快速发展和人民生活水平的不断提高起举足轻重的作用。 但随着我国人口的增长和经济的发展，能源问题和能源消费过程中产生的二氧 化碳排放问题日益严重，因此我国“十二五”规划把节能减排列为重点内容。 本文的主要研究内容是利用l e a p ( l o n g r a n g ee n e r g ya l t e r n a t i v ep l a n n i n g s y s t e m ) 模型建立了“l e a p 中国 、“l e a p 中国钢铁行业”和“l e a p 中国水 泥行业”3 个模型，模拟了我国2 0 1 0 2 0 5 0 年高能耗行业的能源需求和c 0 2 排放 情况，并分析了不同情景下各行业的能源需求和c 0 2 排放结果，结论如下： ( 1 ) 在“l e a p 中国”模型中：基准情景中我国能源需求量和c 0 2 排放量 均呈现大幅度的增长；规划情景中能源需求量和c 0 2 排放量的增长得到控制， 增长幅度较小；低碳情景中能源需求量和c 0 2 排放量比基准情景分别减小了 3 4 7 和3 9 6 。研究发现工业中高耗能行业的能源需求量和c 0 2 排放量最大， 并且有较大的节能减排潜力，所以将工业中高耗能行业列为我国节能减排的重 点对象。 ( 2 ) 在“l e a p 中国钢铁行业”模型中，主要模拟了各种先进技术的节能 减排效果，并以此为基础提出钢铁行业节能减排措施的优先顺序：首先优先采 用先进的高炉设备和非高炉炼铁工艺；其次是采用大型设备，淘汰小型的、重 污染、高耗能的技术和设备；然后采用先进技术和设备，如先进炼焦、烧结、 炼钢、铸钢和轧钢技术和设备。综合以上措施可使钢铁行业的能源需求量减少 大约2 0 7 ，c 0 2 排放量减少2 7 2 左右。 ( 3 ) 在“l e a p 中国水泥行业 模型中，主要模拟了各种先进技术的节能 减排效果，并以此为基础提出水泥行业节能减排措施的优先顺序：首先优先采 用新型干法窑、机立窑等先进设备；其次采用余热发电技术；然后采用大型设 备，淘汰小型的、重污染、高耗能的设备和技术。综合以上措施可使水泥行业 的能源需求量减少2 1 6 左右，c 0 2 排放量减少2 3 0 左右。 关键词：节能减排；l e a p 模型；情景分析；钢铁行业；水泥行业 a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g y , a ne s s e n t i a lf a c t o rf o rh u m a ns u r v i v i n ga n ds o c i a ld e v e l o p i n g ，i sa b a s i s a n dd r i v i n gf o r c eo fs o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dp l a y sav i t a lr o l ei nt h e s u s t a i n e da n dr a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h e c o n t i n u o u s i m p r o v e m e n tf o rp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d h o w e v e r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c h i n e s e p o p u l a t i o n a n de c o n o m y , e n e r g yi s s u ea n dc 0 2e m i s s i o n c a u s e db ye n e r g y c o m b u s t i o na r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s l y t h e r e f o r e ，e n e r g ys a v i n ga n d e m i s s i o nr e d u c t i o np r e s e n ta i le m p h a s i si nc h i n a st w e l f t hf i v e y e a rp l a n t h i sp a p e r , u s i n gl e a p ( l o n g - r a n g ee n e r g ya l t e r n a t i v ep l a n n i n gs y s t e m ) t os e t u p “l e a p c h i n a ，“l e a pc h i n a si r o na n ds t e e li n d u s t r y a n d “l e a pc h i n a sc e m e n ti n d u s t r y m o d e l s ，s i m u l a t e de n e r g yc o n s u m p t i o n a n dc a r b o nd i o x i d ee m i s s i o no f e n e r g y i n t e n s i v ei n d u s t r i e si nc h i n af r o m2 0 10t o2 0 5 0a n da n a l y z e ds i m u l a t i o n r e s u l t so fv a r i o u si n d u s t r i e su n d e rd i f f e r e n ts c e n a r i o s t h er e s u l t sa n dc o n c l u s i o n s o b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h em o d e lo f “l e a pc h i n a ”，e n e r g yd e m a n da n dc 0 2e m i s s i o nv o l u m eo f t h er e f e r e n c es c e n a r i op r e s e n t e das i g n i f i c a n tg r o w t h ，w h i l et h eg r o w t ho fe n e r g y d e m a n da n dc 0 2e m i s s i o n so ft h ep l a n n i n gs c e n a r i ob e i n gc o n t r o l l e d ，a n dt h eg r o w t h r a t ei nt h el o w c a r b o ns c e n a r i os h o w i n gs m a l l e r , r e d u c i n gb y3 4 7 a n d3 9 6 ， r e s p e c t i v e l y , c o m p a r e dw i t ht h er e f e r e n c es c e n a r i o b e c a u s ee n e r g yd e m a n da n dc 0 2 e m i s s i o n so fi n d u s t r ya r ct h el a r g e s ta n dh a v eag r e a te n e r g ys a v i n gp o t e n t i a l ，t h e m a j o rt a r g e t o fc h i n ae n e r g y s a v i n g i sl o c a t e di n i n d u s t r y , e s p e c i a l l yh i g h e n e r g y - c o n s u m i n gi n d u s t r i e s ，s u c ha si r o na n d s t e e li n d u s t r ya n dc e m e n ti n d u s t r y ( 2 1i nm em o d e lo f “l e a pc h i n a si r o na n ds t e e li n d u s t r y ，av a r i e t yo f a d v a n c e d t e c h n o l o g i e sw a ss i m u l a t e dt o r e s e a r c ha p p r o a c h e so fe n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c i n gi nt h ei r o na n ds t e e li n d u s t r y , a n do nm i sb a s i sw ec a ng e ts o m em e a s u r e s f i r s t l y - 一,the a d v a n c e db l a s tf u r n a c ee q u i p m e n ta n dn o nb l a s tf u m a c ei r o nm a k i n g p r o c e s ss h o u l db eg i v e np r i o r i t y ；a n dt h e nl a r g e - s c a l ee q u i p m e n ta n de l i m i n a t i n gt h e s m a l l s i z e d ，h i g hp o l l u t i o n ，h i g he n e r g y - c o n s u m i n ge q u i p m e n t a n dt e c h n o l o g y ； i i a b s t r a c t f i n a l l ye m p l o y i n g a d v a n c e d e q u i p m e n t ，s u c h a sa d v a n c e dc o k i n g ，s i n t e r i n g ， s t e e l m a k i n g ，s t e e l c a s t i n g ，s t e e lr o l l i n ga n do t h e ra d v a n c e dt e c h n o l o g i e s b ya l lt h e a d v a n c e dt e c h n o l o g i e sa n dm e a s u r e sa b o v e ，t h ee n e r g yd e m a n dc a nb er e d u c e db y a p p r o x i m a t e l y2 0 7 c 0 2e m i s s i o n sb e i n g r e d u c e db ya b o u t2 7 2 i ni r o na n ds t e e l i n d u s t r y ( 3 ) i nt h em o d e lo f “l e a pc h i n a sc e m e n ti n d u s t r y ，av a r i e t yo fa d v a n c e d t e c h n o l o g i e sw a ss i m u l a t e dt op r o v i d em e t h o d sa n dt h e i rp r i o r i t i e si nc e m e n ti n d u s t r y f o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，t h eu s e o fa d v a n c e de q u i p m e n t ，s u c ha sn e wd r yk i l n ，s h a f tk i l na n do t h e ra d v a n c e d e q u i p m e n t ss h o u l db ec o n s i d e r e df i r s t l y , s e c o n d l yt h ec o g e n e r a t i o nt e c h n o l o g y , a n d f i n a l l yu s ee q u i p m e n te n l a r g e m e n t sa n do b s o l e t et h es m a l l - s i z e d ，h e a v yp o l l u t i o n ， h i g he n e r g y - c o n s u m i n ge q u i p m e n t a n dt e c h n o l o g y t h r o u g ha l lt h ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e sa n dm e a s u r e si n v o l v e d ，t h ee n e r g y d e m a n dc a nb er e d u c e db y a p p r o x i m a t e l y21 6 c 0 2 e m i s s i o n sb e i n gr e d u c e db ya b o u t2 3 o i nc e m e n t i n d u s t r y k e yw o r d s ：e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n ；l e a pm o d e l ；s c e n a r i oa n a l y s i s ； t h ei r o na n ds t e e li n d u s t r y ；t h ec e m e n ti n d u s t r y i i i 第一章引言 第一章引言 第一节中国能源所面临的问题和挑战 能源是指可以直接或通过转换提供人类所需的有用的资源。能源分为一次 能源和二次能源，其中一次能源是指从自然界取得的未经任何改变或转换的能 源，如流过水坝的水，采出的原煤、原油、天然气和天然铀矿等；二次能源是 指一次能源经过加工或转换得到的能源，如电力、各种石油制品、焦炭、煤气、 热能等。 能源是人类生存和社会发展的必要因素，是社会经济发展的基础和动力， 对国民经济的持续、快速发展和人民生活水平的不断提高起举足轻重的作用【l 】。 我国能源生产和消费的主要能源资源为煤炭，其次为石油、天然气、水电、核 能、太阳能、潮汐能和生物质能掣2 | 。 1 1 1中国能源资源问题 在世界能源利用的主要常规能源中，我国有丰富的煤炭资源，但油气资源 相对短缺。我国能源资源探明储量中，9 6 是煤炭，油气资源仅占总量的4 左 右【3 1 。 表1 1中国和世界人均化石燃料剩余可采储量( 2 0 0 7 年末) 来源：王庆一，2 0 0 9 4 】 由表1 1 可以看出，中国煤炭可采储量约占世界的1 5 ，但是石油和天然气 的可采储量只占世界的1 8 0 左右。所以在中国的能源供应体系中，煤炭占有主 第一章引言 导地位，它不仅在一次能源消费中占最重要的地位，而且在终端能源消费中也 占据非常重要的地位。 1 1 2中国能源消费结构 我国这种“富煤、贫油、少气”的资源特点，决定了能源消费结构长期以 煤为主，严重偏离了以油气为主的世界能源消费结构的主流【5 1 。2 0 0 9 年世界各 国一次能源消费量及结构见表1 2 ，可以看出中国的煤炭消费量与其他国家相比， 其比重明显偏高，而天然气与石油的比重明显低于其他国家，与世界平均水平 相差甚远。 表1 22 0 0 9 年世界各国一次能源消费量及结构( 单位：百万吨当量油) 注：核电和水电按火电站转换效率3 8 换算热当量。 来源：b p ，2 0 1 0 6 】 世界发达国家能源结构早于几十年前就完成了由煤向石油的转换，现在正 朝着高效、清洁、低碳或无碳的天然气、核能、太阳能、风能方向发展；相比 2 第一章引言 之下，我国能源结构却层次低下，属于“低质型”能源结构 5 1 。这样的能源结构 不仅影响能源资源的利用，还影响周围环境，金三林【j 7 】研究表明，不合理的经济 结构和能源结构是我国二氧化碳排放增长的主要因素。 随着改革开放、社会经济的快速发展，我国能源的消费量不断增加，特别 是进入2 1 世纪以来，我国工业化和城市化的步伐逐渐加快，一些高耗能行业得 到快速发展，能源消费量出现了前所未有的高增长态势。1 9 7 8 年到2 0 0 9 年我国 一次能源消费量及结构变化见表1 3 。 表1 3中国一次能源消费量及结构变化表 年份 能源消费总量 万t e e 构成( ) 煤炭石油天然气其他 1 9 7 85 7 1 4 47 0 72 2 73 23 4 1 9 8 06 0 2 7 57 2 22 0 73 14 o 1 9 8 57 6 6 8 27 5 81 7 12 24 9 1 9 9 09 8 7 0 37 6 21 6 62 15 1 1 9 9 11 0 3 7 8 37 6 11 7 12 04 8 1 9 9 21 0 9 1 7 07 5 71 7 51 94 9 1 9 9 31 1 5 9 9 37 4 71 8 21 9 5 2 1 9 9 4 1 2 2 7 3 7 7 5 01 7 41 95 7 1 9 9 5 1 3 1 1 7 67 4 61 7 51 86 1 1 9 9 61 3 5 1 9 27 3 51 8 7 1 86 0 1 9 9 71 3 5 9 0 97 1 42 0 41 86 4 1 9 9 81 3 6 1 8 47 0 92 0 81 86 5 1 9 9 91 4 0 5 6 97 0 62 1 52 05 9 2 0 0 0 1 4 5 5 316 9 22 2 22 26 4 2 0 0 1 1 5 0 4 0 66 8 32 1 82 47 5 2 0 0 21 5 9 4 316 8 02 2 32 47 3 2 0 0 3 1 8 3 7 9 26 9 82 1 22 56 5 2 0 0 42 1 3 4 5 6 6 9 52 1 32 56 7 2 0 0 52 3 5 9 9 77 0 8 19 82 66 8 2 0 0 62 5 8 6 7 6 7 1 11 9 32 96 7 2 0 0 72 8 0 5 0 87 1 1 1 8 83 36 8 2 0 0 82 9 1 4 4 87 0 3 l8 33 77 7 2 0 0 9 3 0 6 6 4 77 0 4l7 93 97 8 来源：国家统计局，2 0 1 0 p j 由表1 3 可以看出，我国的能源消费结构以煤炭为主，并占主导地位。煤炭 在我国一次能源消费中的比重，从1 9 7 8 年的7 0 7 3 02 0 0 8 年的7 0 3 基本持平， 3 第一章引言 约是发达国家这一比重的3 9 倍，比世界平均值高4 1 个百分点。因此，随着我 国能源消费总量的不断增长，煤炭消费量在不断的增长。 1 1 3 中国产业结构问题 中国的统计一般按照一、二、三产业来划分，其中第一产业包括农林牧副 渔业；第二产业包括工业和建筑业，其中工业还可分为轻工业和重工业；第三 产业包括交通运输、民用、商业等。产业和行业结构变化分别见表1 4 和表1 5 。 表1 4 中国产业结构的变化( 单位：) ；：云；i 淤三! 9 7 8 9 8 。9 8 5 9 9 。9 9 5 2 。2 。52 。62 。7 来源：王庆一，2 0 0 9 4 】 表1 5中国工业行业结构的变化( 单位：) ；：；言汴芝竺9 7 8 ，9 8 。，9 8 5 9 9 。，9 9 5 2 。2 。52 。6 轻工业4 3 14 7 14 7 14 9 44 7 33 9 83 1 43 0 5 重工业5 6 95 2 95 2 95 0 65 2 76 0 2 6 8 6 6 9 5 来源：王庆一，2 0 0 9 4 由表1 4 可以看出，从1 9 7 8 年到2 0 0 7 年，我国第一产业所占的比重在持续 下降，从2 8 2 下降到1 1 3 ；而第三产业所占的比重却不断的增长，从1 9 7 8 年的2 3 9 上升到2 0 0 7 年的4 0 1 ，这可能是由于我国近年来一直在努力发展 服务业和交通运输业所导致的；第二产业所占的比重始终维持在4 8 o 左右，远 高于第一和第二产业，其中重工业的比重较大，并且近几年在不断的增加，由 此可以说明我国工业的发展占据重要地位。 我国的农业、工业、交通运输、商业和民用等行业的能源消费量及结构见 表1 6 。可以看出，我国终端能源消费量呈现大幅度增加的趋势，其中工业是我 国最大的耗能部门，其能源消费占全国一半以上。所以，由工业引起的能源消 耗问题和环境问题较为严峻，是我国解决能源问题的焦点和难点，尤其是重工 业行业。 4 3 6 1 1 8 o l 4 4 3 7 o 1 8 o 1 4 4 2 7 1 2 7 0 1 4 4 1 9 0 5 5 0 ， 1 4 3 9 2 9 9 7 2 1 4 3 1 3 6 1 ，1 1 2 4 3 4 9 7 8 2 8 2 4 2 2 2 6 0 8 1 3 4 2 2 9 9 8 7 3 2 4 2业业业 您淹淹 一 二三 第第第 第一章引言 来源：王庆一，2 0 0 9 4 】 周鸿等【9 】总结出了我国能源消耗最大的1 0 个行业，分别为钢铁行业、化工 行业、建材行业、石油加工业、电力及水生产供应业、有色金属冶炼、煤炭采 选业、石油和天然气开采业、纺织业、造纸业，其能源消耗比重分别为1 9 5 9 、 1 7 3 7 、1 2 9 1 、7 1 4 、6 7 2 、3 8 9 、3 7 8 、3 5 2 、3 2 7 、2 2 1 。所 以，钢铁、有色、焦炭、电力、石油化工、建材( 水泥) 等行业属于我国的高 耗能行业，其能耗高、污染重，节能降耗的压力大。 1 1 4 中国能源环境问题 能源对于经济和社会的发展至关重要，随着人口的增长和经济的发展，能 源短缺问题日益严重，环境也由于污染性能源的消耗而日趋恶化。我国由于能 源引起的环境问题日益突出，主要表现在以下几点： ( 1 ) 主要集中在高耗能行业 与发达国家相比，我国的终端能源消费结构中，工业用能的比例明显偏高， 农业用能、交通运输用能、民用和商业用能的比例偏低。近年来，我国的能源 消费逐渐向工业部门集中，而在工业部门中，能源消费又进一步向制造业集中。 2 0 0 6 年制造业能源消费占全部工业能源消费的8 0 8 t 1 0 。特别是制造业中的高 耗能行业，如钢铁、建材、有色金属和化工等基本材料行业则是工业部门中的 能源消耗大户 10 1 。随着这些行业能源消费量的进一步增长，工业用能始终居高 不下，产生的大气污染物也逐渐增加，严重影响周围环境。 ( 2 ) 燃煤产生的大气污染物 煤炭是我国最主要的能源，但是煤炭燃烧会排放出大量的大气污染物，这 5 第一章引言 些正是我国大气污染最主要的原因，所以我国的大气污染与其能源消费有直接 的联系。据有关研究表明，烟尘排放总量的7 0 、二氧化硫排放总量的9 0 和1 氮氧化物排放总量的6 7 都是由煤炭燃烧产生的【1 1 。另外，大气污染物排放由 工业和生活两大部分组成，在我国8 0 以上的s 0 2 、烟尘是由工业部门排放的， 生活s 0 2 、烟尘排放占的比例小于2 0 t 1 2 】。虽然近年来我国的污染物排放在总 体上得到一定的控制，大气环境质量也呈现好转的趋势，但是以煤为主的能源 消费结构使得一些城市大气污染依然很严重，特别是工业和人口集中的城市， 其大气污染呈典型的煤烟型特征。 燃煤排放的大气污染物的危害有很多，对环境的影响主要表现为降低大气 环境质量，同时燃煤排放的s 0 2 形成酸雨，会导致河湖和土壤酸化、鱼类减少 甚至灭绝、森林发育受影响；对人体的影响主要表现为使人患有呼吸道疾病； 对植物的影响是使其生长不良，抗病抗虫能力减弱，甚至死亡；对气候的影响 包括降低能见度，减少太阳的辐射；另外，大气污染物还能腐蚀物品，影响产 品质量。 ( 3 ) 能源的利用率低 我国经济的发展依然呈现出粗放增长特征，能耗强度较高。随着经济和科 技的高速发展，单位产值能耗大体上逐年下降，但是与世界相比，我国单位产 值能耗仍然比世界平均水平高2 4 倍，是德国的4 9 7 倍、日本的4 4 3 倍、美国 的2 1 倍、印度的1 6 5 倍【1 1 1 。到2 0 0 8 年底，全国的能源利用率不到3 2 ，比先 进国家约低1 0 个百分点，也就是说，能源可采储量变成终端用能的只有约1 1 0 ， 约有9 0 的能源在转换过程中和终端利用过程中损失或浪费掉【l3 1 。所以，能源 结构直接影响我国的能源利用率。 ( 4 ) 能源分布不均匀 我国的煤炭资源和能源需求与地区分布基本是逆向的，煤炭长距离运输也 是我国能源系统的一个显著特征【3 】。中国能源可采储量地区分布见表1 7 。 我国能源虽然丰富，但分布很不均匀，华北地区的煤炭可开采量将近6 0 ， 而油气资源主要在西北地区，由于分布的不均匀，能源资源通常需要向全国各 地运输。因此，不仅增加对交通运输的压力，也进一步增加了交通运输的能源 消费和污染排放【3 j 。 6 第一章引言 表1 7中国能源可采储量地区分布( 2 0 0 5 年) ( 单位：) 注：天然气为气层气。 来源：王庆一，2 0 0 9 4 1 1 5中国二氧化碳排放问题 由温室气体引起的全球气候变化是人类迄今面临的最重大的环境问题之 一，也是2 1 世纪人类面临的最严峻的挑战之一。气候变化主要是由人类活动引 起的，解决气候变化问题的根本措施是减少温室气体的人为排放。1 9 9 0 、2 0 0 0 和2 0 0 5 年一些国家或地区的碳排放量和人均碳排放量见表1 8 。 表1 8 世界碳排放( 单位：百万吨碳) 来源：王庆一，2 0 0 9 4 】 第一章引言 2 0 0 5 年2 月1 6 日正式生效的京都议定书虽暂时对中国无直接的压力， 但由表1 8 可以看出，中国的碳排放总量仅次于美国，居世界第2 位，居发展中 国家的首位，这使得中国在相关国际谈判中面临很大的压力 14 1 。特别是2 0 0 5 年， 中国的碳排放量将近世界总量的2 0 ，而碳排放的主要形式是c 0 2 ，所以中国 的c 0 2 排放量相当大。 研究表明，大气中8 0 的温室气体排放来自于煤、石油、天然气等化石燃 料燃烧。在我国，近7 0 的原煤没有经过洗选直接燃烧，而燃煤则产生大量的 c 0 2 。图1 1 为根据联合国政府间气候变化专门委员会( i p c c ) 碳排放计算指南 ( 2 0 0 6 年版) 中提供的碳排放系数得出的各种能源c 0 2 排放因子图。 1 2 0 0 0 0o 01 0 0 0 0 0 兰s 0 0 0 0 置6 0 0 0 0 烹- 1 0 0 0 0 荟2 0 0 0 0 塑 慧0 、“ 夕x 拶矿 。 图1 1 各种燃料c 0 2 排放系数( i p c c ) 由图1 1 可以看出，煤炭的c 0 2 排放系数比较高，又由于煤炭在我国能源消 费中的比重最大，所以由煤炭燃烧产生的c 0 2 排放量在总排放量中的比重最大， 而且其排放量随着中国经济的快速发展和能源需求量的不断提高而逐渐增长， 1 9 7 8 2 0 0 8 年我国二氧化碳排放情况见表1 9 。可以看出，我国的c 0 2 排放量正 在逐年的增加。特别是2 0 0 3 2 0 0 5 年c 0 2 排放量的增长率最大；虽然在2 0 0 5 年 之后其增长速率逐渐减小，但是c o ：排放量还是呈现增长的趋势，所以我国的 c 0 2 减排问题亟待解决。 8 第一章引言 1 9 7 8 1 4 8 3 2 98 01 5 1 9 8 0 1 5 0 1 2 56 61 57 8 1 9 8 51 9 3 0 4 48 41 87 0 1 9 9 02 4 7 8 0 91 52 20 1 9 9 53 2 8 1 2 77 22 76 1 2 0 0 0 3 3 8 3 6 l2 92 72 1 2 0 0 13 4 5 7 7 12 22 71 5 2 0 0 23 6 5 0 2 65 6 2 9 4 9 2 0 0 3 4 2 8 6 6 61 7 43 31 6 7 2 0 0 4 4 9 5 8 7 71 5 73 81 5 0 2 0 0 55 4 6 6 2 710 24 29 6 2 0 0 65 9 9 5 7 79 74 69 1 2 0 0 76 4 6 6 0 97 84 97 3 2 0 0 86 8 9 6 5 46 7 5 26 1 来源：b p ，2 0 0 9 1 5 】；金三林，2 0 1 0 8 】 在我国工业行业中，碳排放量最大的行业分别是：黑色金属冶炼及压延加 工业，化学原料及化学制品制造业，非金属矿物制造业，电力煤气及水生产供 应业，采掘业，石油3 n - i 及炼焦业等【l o 】。据统计，2 0 0 0 年我国钢铁工业温室气 体排放量占工业的1 0 4 4 【1 6 ；水泥工业每年排放的c 0 2 约占全国总排放量的1 3 1 5 蜊1 7 】；燃煤火电是中国电力的主要生产形式，导致电力部门产生的c 0 2 超 过全国总排放量的4 0 【1 8 。目前，国家提倡发展低碳经济，c 0 2 减排问题亟待 解决，而减少c 0 2 排放量的关键是减少化石燃料的燃烧，这也是解决气候变化 问题的有效措施。 综上可知，解决我国的能源问题和挑战，需要从可持续发展的要求出发， 制定适当的政策，采取有效的措施，坚持和加强节能，提高能效，改善能源结 构及可持续发展的各种其他举措。力争在未来能够继续以较低能源消费增长支 持较高的经济增长，从而减小c 0 2 排放量，为全球减缓气候变化的努力作出贡 献【3 | 。 9 第一章引言 第二节国内外的研究进展 能源问题一直是全世界广泛关注的一个敏感话题，它受经济发展、人口增 长、环境因素等多方面的制约。减少温室气体的排放也是全球的热点、焦点之 一。为此，国内外的研究学者做出了大量的贡献。目前，已有多位学者和研究 机构对中国未来的能源消费和碳排放进行了预测。 能源消费和碳排放预测的主要工具包括模型和情景两大类，其中模型是对 能源消费和碳排放的影响因素，例如经济、社会和技术等因素的作用机制进行 描述，并表征这些因素的参数：而情景是对未来经济、社会和技术等因素的发 展路径进行预测，通过赋予模型不同的预测参数数值来实现能源消费和碳排放 的预测【l9 1 。另外，预测模型还可分为简单模型和复杂模型。 1 2 1简单模型 在国内外碳排放预测中使用较为广泛的简单模型就是i p t a 恒等式，又称为 k a y a 恒等式【2 0 】。k a y a 恒等式是将碳排放分解为不同因子的乘积，公式为： c = p ( 詈) ( 吾) ( 守凇 ， 其中：c 为碳排放，p 为人口，g 为g d p ，e 为能源消费量；g = c p 表示人均 g d p ，e = e g 表示g d p 强度，c = c e 表示能源碳排放强度。 s h e e h a n 等【2 1 通过对g d p 的增长、g d p 能源弹性以及能源构成和不同能源 碳排放因子的预测，预测了中国2 0 3 0 年前的碳排放，但其方法本质上是从k a y a 模型中演变而来的。 1 2 2 复杂模型 为了能更好地预测能源消费、规划调整能源结构，一系列的能源系统模型 被提出并得到广泛应用，能源系统模型正朝着复杂化、巨型化的方向发展【2 2 1 。 复杂模型主要包括投入产出模型和综合性的自顶向下和自底向上模型等1 9 】。 1 0 第一章引言 1 2 2 1c g e 模型 c g e 模型属于自顶向下经济模型。c g e 模型的优点是具有新古典经济学成 熟的一般均衡理论，以价格、弹性变量为主要参数，描述了国民经济各部门的 相互作用，以及资源和经济之间的关系，可以较好地分析政策的成本与各部门 的响应与反馈【2 3 1 。近年来，政策领域的c g e 模型不计其数，规模、复杂性、应 用领域也各不相同，例如文献 2 4 2 7 综述了c g e 模型在能源与气候政策领域的 应用。魏巍贤【2 8 】利用c g e 模型分析了中国的能源环境政策，对中国相关能源环 境政策在促进节能减排上的效果与宏观经济影响进行量化分析。岳超等【1 9 】以 2 0 0 5 年为起始年，对我国2 0 5 0 年前的g d p 、g d p 碳强度和碳排放进行了预测。 公式为： c 婚吕婚c g 2 ， 其中：c 为碳排放，g 为g d p ，c g = c g 为g d p 碳强度。 当然，c g e 模型也存在一些缺点，主要体现在三个方面：一是模型中的替 代弹性、价格弹性与收入弹性等关键的参数都是在历史数据基础上估计取值的， 所以当缺乏实证时，只能依靠推测，而根据历史数据得到的弹性数据，是否在 预测期内仍然有效，也值得怀疑；二是在预测期间，随着技术成本的变化以及 重大新技术的出现，弹性参数通常会发生很大的变化，这就导致高估各生产部 门的消耗；三是部门集合程度很高，无法对特定技术进行很好的模拟，对新技 术的引入缺乏合理的模拟方法，只是简单的调整生产函数的系数，所以分析结 果往往是过去趋势的平滑延续 2 3 1 。 因此，c g e 模型分析得到的未来趋势，基本是对现有发展趋势的外推，模 型预测结果的可信度一般较差【2 3 】。 1 2 2 2 工业代谢分析法 2 0 世纪8 0 年代后期，a y r e s 等【2 9 】提出了工业代谢( i n d u s t r i a lm e t a b o l i s m ) 的概念，指工业中从原材料和能源转变成最终产品和废物的整个过程中，一系 列相互关联的物质变化的总称。质量守恒定律是工业代谢分析方法的理论依据， 其目的在于揭示经济活动中的物质数量与质量规模，并展示工业活动的全部构 成物质( 不仅仅是能量) 的流动与贮存【3 0 。由于工业代谢分析方法是研究物质 和能量流动和转换的重要方法，因此受到众多专家学者的重视和应用，例如， w m s t i g l i a n i 等 3 1 】对莱茵河中的重金属进行了工业代谢分析，另外，s u r e n 第一章引言 e 出m 一3 2 1 和s a n d e r b e r g 3 3 1 也对工业代谢分析进行了深入研究。 工业代谢分析方法的独特之处在于，它的最终考察目标是环境，它对资源 和环境进行追踪，从原材料的提炼、加工、生产，直至消费后变成废物的整个 过程中物质和能量的流动与贮存，然后对工业系统造成污染进行总体评价，并 力求找出造成污染的主要原因 3 0 。 但是工业代谢分析法的缺点也是很明显的，首先，它需要编制企业物料收 支平衡表，理清输入输出该企业的资源、能源、产品、副产品和废品的种类及 数量，所以它需要的数据较多，搜集数据的过程较复杂；其次，它只能针对企 业现状，而不能对未来的发展预测评估。 1 2 2 3i p a c 模型 在中国能源和碳排放的预测中，目前最典型的模型就是i p a c 模型( i n t e g r a t e d p o l i c ya s s e s s m e n tm o d e li nc h i n a ，中国政策综合评价模型) ，它是由能源研究所 研发的对中国的能源和环境政策进行综合评价的模型 3 4 】。i p a c 模型是一个包含 社会经济与能源活动、能源技术、土地利用、工业过程排放等多个模型的综合 评价模型【1 9 】。 姜克隽 3 4 】利用i p a c 模型对中国2 0 5 0 年前的碳排放进行了预测，对排放情 景进行定量分析，他的研究中所采用的i p a c 模型有三个子模型，即i p a c c g e 模型，i p a c e m i s s i o n 全球排放模型，以及i p a c a i m 技术模型。 i p a c 模型与以往模型的不同点就在于，它是通过情景假设对能源的消费和 碳排放进行的评价，分析不同情景下的节能减排潜力。它的缺点在于过于复杂， 几个子模型之间采取的是软件连接方式，即一个模型的输出结果作为另一个模 型的输出【3 4 1 ，所以如果其中一个数据错误，会导致其余子模型的结果均出现错 误。 本文的l e a p 模拟结果通过与姜克隽 3 4 的i p a c 模拟结果相比较，发现是一 致的。但由于i p a c 模型自身的复杂性和缺点，易出现错误并且一旦出现错误不 易查找其原因，所以本文选用l e a p 模型。l e a p 的模拟过程简单，且结果与i p a c 的模拟相一致。 1 2 2 4m e s s a g e 模型 m e s s a g e 模型主要用于研究中长期的能源系统规划和能源政策分析，以及 1 2 第一章引言 能源情景发展中的动态线性规划模型，旨在能源系统中寻求最小总成本，其研 究方法主要是运筹学的线性规划理论和混合整数规划方法【35 1 。a n d r i ig r i t s e v s k y i 等【3 6 】介绍了能源系统技术和不确定性模型化的方法，并研究了不同情景下未来 能源技术的选择。s m e s s n e r 等【3 。7 介绍了在长期动态线性规划模型中关于未来 能源技术特征的不确定性的建模方法。f e l i xb d a y o 等 38 】应用m e s s a g e 模型 研究了2 0 1 0 年以前的最优消费结构的尼日利亚能源系统。 m e s s a g e 模型是能源综合规划的主要工具，它以详细的技术信息为基础， 对各种技术、工艺流程进行比较详细的描述，并清晰地说明资源和能源的消耗、 转换和污染物排放的机理【3 9 1 。另外，该模型从资源的开采到最终产品的生成， 对能源系统进行全局的优化，其目标函数为供能成本的最小化，约束条件为资 源潜力，能量流动平衡，生产能力和系统动态变化速度掣3 9 】。 1 2 2 5l e a p 模型 本次研究使用的模型是2 0 11 版l e a p 模型，它用于情景计算和模拟结果分 析。很多研究学者利用l e a p 模型对我国的不同行业都进行了模拟。周大地 3 1 使用l e a p 模型对中国高能耗行业的能源需求进行了预测，分别对钢铁、有色 金属、造纸、化工、石油石化、电力、建材、交通等部门进行情景假设，分析 不同政策情景下的中国可持续能源需求情况。张颖等【l8 】基于l e a p 对中国电力 行业c 0 2 减排潜力进行研究，应用自底而上的方法模拟分析了3 种不同政策情 景下电力行业在2 0 0 0 2 0 3 0 年的c 0 2 排放情况。王克等【4 0 】建立了“l e a p 中国” 模型，模拟了3 个不同情景下中国钢铁行业在2 0 0 0 2 0 3 0 年c 0 2 排放量及相应的 减排潜力。蔡闻佳等 4 l 】基于l e a p 模拟分析了中国公路交通在2 0 0 0 2 0 2 0 年不同 政策下的c 0 2 减排潜力，提出公路交通业实现减排主要通过车辆、道路以及燃 料等方面的技术进步与替代。毛紫薇等【4 2 】在l e a p 模型中运用情景分析方法， 研究了不同情景下山东省水泥行业在2 0 0 7 2 0 2 0 年的能源需求和c 0 2 排放量以 及相应的节能减排潜力。 以上学者的研究侧重于针对不同的政策进行情景假设与分析，缺少具体的 技术和设备模拟，而本文将重点运用技术情景模拟，旨在提出高耗能行业的最 优节能减排措施。 1 3 第一章引言 1 3 1 研究的目的 第三节研究的目的和内容 我国经济正处在高速发展时期，能源的需求量大，c 0 2 排放量增长，环境污 染日趋严重。“高增长”、“高消耗”、“高污染”的粗放型增长方式加上资源环境 的约束使我国发展面临的形势更加严峻。近年来，随着科技的发展，水电、核 电、风电等新能源的比重有所增加，但是煤炭仍然是保障国民经济平稳快速发 展的基础能源。据专家预测，国内煤炭需求持续增长，峰值可能出现在2 0 3 0 年 前后，其中2 0 0 7 年2 0 2 0 年年均增长2 4 3 4 ，2 0 2 0 年2 0 3 0 年年均增长 1 2 t 4 3 1 。与此同时，二氧化碳的排放量也会随之增长。 中国国民经济与社会发展第十二个五年规划中将节能减排提到了一个 新的高度，提出在“十二五”时期，中国将采取四项措施大力发展绿色经济、 低碳经济，并在低碳能源上实施多项措施【4 引。本文利用l e a p ( l o n g r a n g e e n e r g ya l t e r n a t i v ep l a n n i n gs