二氧化碳的排放问题范文

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中图分类号：X32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）28-0146-01

引言

二氧化碳气体的排放是全球关注的重大环境问题，他直接导致了全球气候的变暖，严重影响着地球的环境，破坏生态平衡。为了应对全球变暖的问题，我国在2009年的常务委员会中结合当前我国二氧化碳的排放状况，给出了未来的排放指标。指标要求在2020年的时候总排放量要比2009年下降40%。这就要求各地政府要充分做好优化二氧化碳排放的工作，实现二氧化碳的排放目标。根据调查显示，我国在1952年到2011年间，制造企业的增长速度由原来的19%增加到40%上升了21个百分点。制造企业是我国最大的能源消耗企业，因此要想降低二氧化碳的排放就必须控制好我国制造业能源消耗量。根据2008年的ipcc的第5次评估报告显示，我国的二氧化碳排放主要是由于化工燃料的燃烧，根据调查显示，我国的化石燃料燃烧所产生的二氧化碳排放量达到全国总排放量的90%多。

一、 研究方法与数据来源

本篇文章是用“转换份额分析”（Shift--shareAnalysis）的模式对制造业二氧化碳的排放数据进行分解。

根据以上的公式我们可以看出影响制造业二氧化碳排放指标变化的因素主要可以分为7个。（1）技术进步因素。它主要是反映了制造业个行业的能源消耗变化对制造业二氧化碳排放量的影响。这种影响主要是基于制造业的产品工艺的不同。所以制造业应该努力提高自己产品的生产工艺，开发研究新的产品，让单位产品在能源消耗上发生变化，这样就能做到节能减排的效果。（2）行业结构的变化。它主要是反应制造业各个行业的产品结构对二氧化碳排放强度的影响。这种影响主要是外部环境以及内部生产调整的影响。（3）能源结构效应。他主要是指制造业中由于生产使用的能源变化对二氧化碳排放的影响。（4）技术进步与行业结构相互影响的作用。是指由于技术的进步和产业结构的变动对二氧化碳排放强度的影响。（5）技术与能源结构的效应。我国制造产业的的技术不断改进和能源结构的不断调整对二氧化碳排放产生的影响。（6）行业结构与能源的相互效应。制造业行业结构的变动与能源变动的综合变动对二氧化碳排放的影响。（7）技术进步，行业结构与能源结构的相互作用。主要是针对这三者的结合对制造业二氧化碳排放的影响。

二、制造业二氧化碳排放强度变动总体效应分析

在1999到2009年这十年之间，技术的进步是影响二氧化碳排放强度的最大影响因素。接着是行业结构的变动，能源消耗的减少等因素。通过历年数据的分析我们不难看出各种因素影响对二氧化碳排放的影响比值，其实技术的进步使得二氧化碳的排放量减少了24%左右，行业结构的变动让二氧化碳减少19%左右，能源消耗的减少使得二氧化的排放量减少了10%左右。由此可见技术的创新和生产工艺的改良对制造业二氧化碳的排放量影响最大。由于制造行业中一般都是以煤炭作为主要的能源，因而能源结构的{整对制造业二氧化碳的排放影响也是极为重要的。

三、行业数据分析

在制造业各个行业的数据分析中我们不难看出对制造业技术进步影响最大的是金属的冶炼及锻压行业，技术进步与改良让整个行业中的二氧化碳排放量减少了30%多。紧着是非金属的矿物质制品和化学原料及化学制品企业，由于技术的改良和创新让二氧化碳的排放量减少了20%多。其原因是这些行业的产品创新和技术工艺的水平发展比较快，使得能源的消耗大量减少。还有一些行业的技术进步比较缓慢。如通信设备，计算机，纺织业，皮毛加工制造业以及木材的加工制造业等等，这些产业的技术进步对能源的消耗影响不大。所以这些行业的技术进步对整个行业中的二氧化碳排放强度影响较小。

在行业结构效应中，对制造业影响最大的是石油化工，炼焦，以及核燃料的加工。他们平均让二氧化碳的排放强度减少了42%。其次是化学原料及化工制品企业，他们的行业结构调整让二氧化碳的排放强度减少了33%。这些行业的结构调整使得二氧化碳的排放强度减少。但是制作行业中别的产业的行业调整对二氧化碳强度的排放影响甚微。甚至有些行业的调整没有让二氧化碳的排放强度减少却还在增加。比如黑色金属的冶炼及压延，交通运输设备的制造企业，医药制造企业，专用设备的制造企业等。由于这些行业的产出比重增加的速度大大超过了能源消耗的下降速度，所以对制造业二氧化碳的排放强度没有起到积极的影响。

结论

气候变暖是如今世界最为关注的问题之一，减少二氧化碳的排放，缩短气候变暖的程度已经变得刻不容缓。我国制造业是关系国民经济发展的支柱产业。由于我国的各种原因导致很多高能耗，高污染的企业技术得不到改善。根据本文的研究发现经济的增长和能源的消耗对制造企业的影响最大。

为了贯彻落实我国节能减排的政策，降低二氧化碳的排放强度，需要从二个方面入手，一方面要切实做好节能减排的具体措施。另一方面要密切关注整个制造行业的减排效果。在减排的手段方面要促进制造业的技术改进，让企业在优化生产技术的同时节约能源的消耗，以实现减排的目的。具体产业的变动对二氧化碳的排放影响比较小，还存在着很大的改良空间。可以多促进绿色制造，新兴制造业，大力开发可持续能源与再生能源。

参考文献

[1]李晶. 产业政策对产业结构变迁、二氧化碳排放的影响[D].山东大学，2014.

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碳捕集与封存(简称CCS)是指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放源产生的二氧化碳收集起来,用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。它包括二氧化碳捕集、运输以及封存三个环节,可以使单位发电碳排放减少85%至90%。

捕集二氧化碳可达食用程度

“北京已有比较成熟的碳捕集技术,现在许多碳酸饮料里的二氧化碳都是从北京高碑店热电厂试验示范装置中生产的,纯度非常高,大家可以放心喝。”西安热工研究院北京分院二氧化碳控制与减排研究所黄斌博士表示。

黄斌说,从高碑店热电厂二氧化碳捕集试验装置里捕集出的二氧化碳,精制以后可以达到食用的程度,就是99.9%至99.99%的程度,截至2009年春节,二氧化碳捕集系统运行稳定,销售食品级二氧化碳已超过800万吨。

如何科学利用二氧化碳

要减少一种物质对人类的危害,最好的办法就是科学利用。

目前全球二氧化碳工业利用量大约是每年1至1.5亿吨。美国是世界上最大的二氧化碳生产国和消费国,生产能力每年约1000万吨。中国有二氧化碳生产企业100家左右,生产能力是每年200至250万吨,而一个几十万千瓦的燃煤电厂,一年能捕获二氧化碳100至200万吨,同目前中国企业生产的二氧化碳的总量是差不多的。黄斌说,“目前人类对二氧化碳的消费量是非常有限的,因此人类面临的一个问题是,由于过度地使用化石原料造成了二氧化碳过多,而人类无法消费多出的庞大的那部分,所以造成了一系列气候和生态问题。”

彻底做法是把多余二氧化碳封存

如何处置多出来的二氧化碳,一个“异想天开”的解决方案出台了:把人类排放的二氧化碳气体捕捉并集中起来,深埋于海底或地下,彻底解决因温室气体而引发的全球气候变暖威胁。

“地质封存、深海封存将成为被捕获后的二氧化碳主要去向。”黄斌博士说,二氧化碳被捕获后,必须对其进行安全、长期地封存,才能最终完成控制二氧化碳进入大气的工作。地质封存被普遍认为是未来主流的封存方式,其原理是将捕获到的二氧化碳用管道输送到地下深处长期或永久性“填埋”在地质中。

深海封存是指把二氧化碳注入深海中以进行长时间的存储,大部分二氧化碳在深海中将与大气隔离若干世纪,目前深海封存在全世界还未被真正采用,也未开展试点示范,仍处于研究阶段。

二氧化碳封存面临的科学疑问是,将巨量的二氧化碳储存到地下或深海,是否有可能逃逸出去?对此黄斌解释说,令人乐观的是二氧化碳并不需要被永久封存,封存的时间只要保证自然界中碳循环将大气中的二氧化碳降到工业化之前的水平即可,“只要二氧化碳的封存可以在几千年内防止严重泄漏,届时碳循环就可以解决这个问题,从目前来看,人类的科技发展应该可以做到。”

碳捕集和封存技术将力挽狂澜

中国科学院院士、中科院地学部原主任孙枢指出,碳捕集和封存是一种实现全球温室气体低排放的关键技术。“减排”除了节约能源、利用清洁能源和清洁燃烧技术外,重要的途径是二氧化碳的捕集和埋存。随着工业化进程和经济社会的发展,燃烧化石燃料所导致的空气污染和温室效应,已严重地威胁着人类赖以生存的地球环境,全球气候变暖是各国可持续发展面临的共同挑战,解决方法是寻求成本低且有效的方案来减少二氧化碳的排放。

孙枢院士认为,目前二氧化碳的工业分离、管道运输、地质封存和工业利用等方面已经形成成熟的市场,这使二氧化碳捕集与封存技术有可能力挽狂澜,成为减少温室气体排放的有效措施。

北半球永冻土储有1.5万亿吨碳

一个国际研究小组日前公布研究报告称,北半球永冻土层中冷冻碳的储量可能超过1.5万亿吨,是此前估计的两倍左右。

研究人员表示,这些冷冻碳主要分布在北极以及加拿大、哈萨克斯坦、蒙古国、俄罗斯、美国、格陵兰等国家和地区,储量约为目前大气中碳含量的两倍。一旦气温升高导致永冻土层开始融化,大气中两种温室气体――二氧化碳和甲烷的含量将急剧增多,从而进一步加速全球变暖。

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一些地区性的交易计划也在酝酿或实施。如美国东北部的地区温室气体协议（RGGI），澳大利亚新南威尔士州温室气体减排证，等等。排放权交易机制将很快被引入美国、日本、新西兰和加拿大。

通过联结其他计划及纳入新的产业，欧盟排放配额交易制度可发展成为全球性制度。随着交易量的不断增加，二氧化碳正在成为能使投资者以较低的流动风险进行较大规模运作的市场。现在，欧洲气候交易所（ECX）的日均成交额为2.5亿欧元。

前景广阔的投资产品

长远来看，气体排放与经济活动息息相关，排放量会逐年增加，而减排第二阶段（2008年-2012年）内的配额量相对平稳。因此，减排配额的短缺情况就会加重，而对减排的需求则会增加。预计在第三阶段（2013年-2020年），二氧化碳价格水平将继续上涨，因为这一阶段排放配额将会收紧，并逐年减少，以便达到欧盟委员会在2020年实现在1990年基础上减排20％的目标（也可能是30％，这取决于在《京都议定书》后签订的国际协议）。

另外，最廉价的减排已经率先实现：用于减少每吨二氧化碳排放的成本将逐年增加。综合这两种影响，我们预计到2010年，甚至更早，二氧化碳排放配额价格可望超过30欧元/吨。

现在看来，有足够的理由促使投资者对二氧化碳进行投资，使其投资组合多样化。例如，二氧化碳资产与所有其他资产类别都具有低相关性，并且它能防御通货膨胀的冲击。分析显示，二氧化碳回报率与其他主要资产类别回报率的相关性是负相关或是相关性低于10％。

不过，市场上的二氧化碳相关金融产品，尚处于发展阶段。

首先，中国国内的大部分投资，均局限在几家主要银行金融机构提供的人民币结构性存款。一小部分是投资以美元计价的产品。另一方面，二氧化碳相关投资，则是通过中期票据形式在零售/高净值市场进行的，而机构投资者更偏爱掉期和期权。

其次，尽管国际市场可投资标的甚多，但在中国发售最多的还是那些保本型、短期产品（一年至两年），视期限内二氧化碳配额价格表现获得回报。各类指数型产品也已发行，同属保本型，年化收益率为10％左右。在下一个阶段，正如在其他领域所看到的，我们希望极为关注二氧化碳市场的风险偏好型投资者，投资于具有更高收益预期的非保本型结构产品。

最后，投资者已经能够运用各种参考价格来评估二氧化碳市场。与传统的商品相关结构性产品一样，欧洲气候交易所的二氧化碳排放配额期货合约是主要的参考价格。而许多产品也可以与法兴创设的指数――SGI-ORBEO二氧化碳配额指数挂钩。该指数覆盖整个二氧化碳市场，包括二氧化碳排放配额（EUA）和核证减排量（CER）。

SGI-ORBEO二氧化碳配额指数旨在对《京都议定书》下发出的二氧化碳排放权的市场表现发挥杠杆作用，其目标是超越单纯追踪二氧化碳排放配额EUA的各类指数。

在实践中，该指数复制了一个欧洲气候交易所排放配额期货合约（ECX EUA）和一个核证减排量期货合约（ECX CER）。该指数的初设权重（随时间调整）为50％EUA和50％CER，显示其目前倾重于核证减排量，旨在抓住核证减排量与排放配额相比估值偏低的获利机会。

核证减排量对排放配额的折价短期内将继续缩小，因为对于通用型买家来说，核证减排量与排放配额具有同等的经济价值，且目前处于短缺状态。再者，核证减排量将在不同的新兴交易计划中，越来越多地被作为主要的二氧化碳通货使用。最后，核证减排量已被一再证明，它比排放配额更抗跌。因此，投资与SGI-ORBEO二氧化碳配额指数挂钩的结构性产品，比投资单纯挂钩二氧化碳排放配额的产品收益更大。

迈向无二氧化碳型经济

二氧化碳也在吸引重视社会责任投资（SRI）的基金经理的兴趣，他们试图使投资的社会效益和经济回报都达到最大化。社会责任投资的资产额已增长至约3万亿美元。

资产管理者可以将二氧化碳产品引入许多投资组合，以抵消其中的含二氧化碳部分。二氧化碳也可以引入一些现行的主流商品指数，使持有这类资产达到“二氧化碳中性”，并反映二氧化碳商品的日益重要性。今后，绝大多数上市公司都将完成其二氧化碳排放的计量，它们现在已经开始进行一些诸如“二氧化碳披露项目”这样的工作。届时，有可能将基于二氧化碳排放配额的产品加入任一股本投资组合之中，以确保其二氧化碳中性。

这种资产添加配置将首先受到SRI分析师的推动，并会因越来越多的股东和消费者在向企业管理者提出的要求中包含了二氧化碳中性原则而发扬光大。如果其全部潜力得以实现，则正如有人曾预测的一样，二氧化碳市场将不再是一个被动符合性驱动的市场，而开始成为最大的商品市场之一。

作者为法国兴业银行大宗商品结构性产品主管

二氧化碳减排机制

《京都议定书》于1997年在京都签署, 签署的国家，其温室气体的排放量会受到限制（至2008月5月，全球签署的国家为181个）。受管制的国家分为欧盟国家和非欧盟国家, 它们的目标是要于2008年至2012年期间, 把全球二氧化碳的排放量减少至1990年水平的95％。

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许多学者对碳减排成本和配额分配进行了详细研究。高鹏飞等(2004)对2010－2050年中国的碳边际减排成本进行了研究，指出中国的碳边际减排成本是相当高的且越早开始实施碳减排约束越有利。王灿等(2005)分析了部门碳减排边际成本曲线，发现重工业、电力、煤炭部门是减排成本相对较低的行业。随着减排率的提高，所有部门成本急剧上升，重工业削减二氧化碳排放的弹性相对较大。韩一杰等(2010)在不同的减排目标和GDP增长率的假设下，测算了中国实现二氧化碳减排目标所需的增量成本，发现GDP增长速度越快或减排目标越高，减排增量成本也越高；但由GDP变化所引起的增量成本变化远小于由减排目标调整所引起的增量成本变化。巴曙松等(2010)发现各种主要能源消费的碳减排成本之间存在差异性，提出施行燃料转换政策是一个很好的减排政策选择。也有一些文献研究了省区减排成本和配额分配问题。褚景春等(2009)以综合能源成本为准则，对省区内外的各种资源进行筛选，得出总成本最小的电力资源组，然后将减排成本计入综合资源规划，使系统排放量达到最优水平。Klepper, G. 等(2006)研究了不同地区的减排成本、区域二氧化碳排放等问题。李陶等(2010)基于碳排放强度构建了省级减排成本模型，在全国减排成本最小的目标下，得到了各省减排配额分配方案，但其各省减排成本曲线与全国类似的假设，与现实情况有些差距。以上文献均是基于碳排放强度的单约束，通过估计碳边际减排成本曲线来分析减排配额的。但“十二五”规划中提出了能耗强度和碳排放强度分别降低16％和17％的双重约束目标，为完成此双重强度约束目标，国务院《“十二五”节能减排综合性工作方案》(国发［2011］26号)(下文简称《节能减排方案》)对各省设定了能耗强度降低目标，各省也相应制定了经济发展的年度规划目标。如何在双重强度约束下，实现各省经济增长、能源消耗和二氧化碳排放最优分配，对整个国民经济发展起着非常重要的作用。

本文基于以上想法，从全局最优的角度，建立在全国及各省的能耗强度和碳排放强度目标约束下的省际经济增长优化模型，考察全国及各省的能耗强度、碳排放强度及省际经济增长扩张约束对各省经济增长、能源消耗和二氧化碳排放的影响，找到各省经济增长、能源消耗和二氧化碳排放的最优分配值，比较各种情景下的节能成本和减排成本，分析全国能源消耗和二氧化碳排放对全国生产总值的脱钩状态，并对全国能耗强度和碳排放强度最大降低幅度进行了预测。

二、优化问题及模型

我国正处于快速工业化阶段，发展经济是当今及今后很长一段时期内的首要任务。因此，本模型的目标函数为最大化各省区生产总值总和，约束条件为全国及各省的能耗强度和碳排放强度的目标约束，以及经济增长扩张约束。根据分析问题的侧重点不同，可建立如下两个优化模型。

(一)如果2010－2015年全国能耗强度和碳排放强度至少降低16％和17％，各省能耗强度和能源碳强度与2005－2010年变化幅度相同，各省经济增长遵循历史发展趋势并兼顾东中西部协调发展，并且各省通过调整产业结构、能源消费结构、节能减排技术改造和技术进步等措施实现《节能减排方案》中各省区能耗强度的降低目标，那么就有关各省经济增长、能源消耗和二氧化碳排放应该如何优化分配问题，可建立如下模型来考察。

利用模型Ⅰ可分析以下两种情景：

情景1：2015年全国能够完成能耗强度和碳排放强度分别降低16％和17％的目标，各省能够完成《节能减排方案》中的下降目标，各省2010－2015年能源碳强度降低程度与2005－2010年相同。以各省政府工作报告中确定的2011年各省经济增长速度作为2010－2015年各省经济增长扩张约束上限；“十二五”规划中提出了2010－2015年国内生产总值增长7％的预期目标，本情景以7％作为2010－2015年各省经济增长扩张下限。

情景2：为适当减缓因经济发展过快而造成能源的过度消耗，实现经济可持续发展，本情景中各省经济扩张约束上限在情景1基础上同比例缩小，其他假设与情景1相同：全国能耗强度和碳排放强度分别降低16％和17％；各省能耗强度能够实现《节能减排方案》中的下降目标；各省2010－2015年能源碳强度降低率与2005－2010年相同；2010－2015年各省经济年均增长扩张下限为7％。

(二)能耗强度和能源碳强度共同决定碳排放强度的变化。若2010－2015年全国能源碳强度降低程度与2005－2010年相同，则全国能耗强度最大降低幅度是多少，以及全国能耗强度降度最大时各省经济增长、能源消耗和二氧化碳排放的最优分配值又是怎样的？此问题可转化为情景3。

情景3：2010－2015年全国能源碳强度降低程度与2005－2010年相同，全国能耗强度降低率为可变参数。其他假设与情景2相同：2015年各省能耗强度能实现《节能减排方案》中的下降目标，2010－2015年各省能源碳强度降低程度与2005－2010年能源碳强度降低程度相同；2010－2015年各省经济增长扩张下限为7％，上限在情景1基础上 同比例缩小。可利用以下模型分析。

三、数据来源及预处理

数据来源于历年《中国能源统计年鉴》和《中国统计年鉴》，数据样本期为2005－2010年，基期和分析期分别为2010年和2015年。因西藏能源消耗数据缺失，模型中暂不考虑。由于二氧化碳排放主要来源于化石能源消耗，本文主要计算了各省煤炭、石油、天然气三种主要化石能源的二氧化碳排放量，煤炭、石油、天然气的排放系数分别为2.69kg/kg、2.67kg/L、2.09kg/kg(采用IPCC推荐值)。由于统计口径不同，所有省区生产总值总和与国内生产总值数据不等，本文所说全国生产总值为所有省区(除西藏外)生产总值总和，所说全国能耗强度为所有省区能源消耗总量与全国生产总值之比，所说全国碳排放强度为所有省区二氧化碳排放总量与全国生产总值之比，所说全国能源碳强度为所有省区二氧化碳排放总量与所有省区能源消耗总量之比。从历年《中国统计年鉴》可得2005－2010年各省区生产总值(2005年不变价)。从历年《能源统计年鉴》可得各省各种能源消耗量。煤炭、石油和天然气的消耗量与它们相应的排放系数相乘，可分别得到煤炭、石油和天然气的二氧化碳排放量。进而可得样本期每年全国及各省区能耗强度和能源碳强度，可得样本期内各省及全国能源碳强度的变化率。能耗强度的降低率来源于《节能减排方案》。由于2010年各省区各种化石能源消耗量数据目前没有公布，无法算出2010年各省二氧化碳排放量，在此假设2010年各省化石能源消费结构与2009年相当，则各省2010年能源碳强度与2009年能源碳强度相同。情景1中参数标定见表1，其他情景中参数的具体变化见本文分析过程。

四、情景优化结果分析

下面利用所建模型来分析三种情景中各省经济增长、能源消耗和二氧化碳排放的优化分配。

(一)地区GDP优化分析

优化结果显示三种情景下模型均有最优解，说明从全局最优角度看，在全国及省际能耗强度和碳排放强度约束下，保持经济平稳较快发展，能够找到各省区经济增长的最优路径，进而可分析三种情景下各省区经济增长最优分配值的异同(见表2)。

情景1优化结果显示，2010－2015年全国经济年均增长率为10.2％，经济区域中，东北、中部、西北和西南地区经济发展较快，各省经济年均增长率均大于全国经济年均增长率；京津、北部沿海、华东沿海和南部沿海地区经济年均增长率均低于全国经济年均增长率，但均在9％以上。说明若各省能够实现节能减排目标，经济区域就能够协调发展，尤其是东北、中部和西南地区经济能够保持较好的发展势头。从省区看，山西、贵州、青海和宁夏的经济增长速度较慢，其中山西年均增长率为8.5％，没有达到本省经济增长扩张上限；贵州、青海和宁夏的年均增长率为7％，取值为经济增长扩张下限，经济增长速度最慢。其他省区经济年均增长率取值为各省经济增长扩张上限，经济发展较快。说明如果经济发展保持目前势头，现行的全国及各省能耗强度约束对山西、贵州、青海和宁夏的经济发展较为不利，对其他省区的经济发展较为有利。

为了维持能源、经济和环境的可持续发展，避免能源过度消耗，需要适度放慢经济发展速度。情景2在情景1基础上同比例缩小了经济扩张上限，为保证2010－2015年间各省年均增长率不低于8％，各省经济发展水平扩张上限缩小比例不超过4.504％。优化结果显示，同比例缩小上限约束对各省及全国经济发展的负面影响是全方位的。当各省经济扩张上限缩小比例为4.504％时，全国经济年均增长率为9％，下降了1.2个百分点。从经济区域看，京津、华东沿海、南部沿海、中部、西南、东北、北部沿海和西北地区经济年均增长率下降程度依次增大。从省区来看，河北、内蒙古、云南、甘肃和新疆经济增长率为7％，最优值从经济扩张上限降到经济扩张下限；辽宁年均增长率为9.1％，没有达到经济扩张上限。除此之外，其他省区的经济发展水平在情景1基础上同比例缩小了4.504％，最优值为经济扩张上限。

情景3优化结果显示，若2010－2015年全国能源碳强度降低程度与2005－2010年能源碳强度降低程度相同，则全国能耗强度的最大降低幅度为17.27％，与此同时全国碳排放强度降低了21.07％。与情景2对比，全国经济年均增长率为8％，下降了一个百分点。从经济区域看，东北、中部、西北和西南分别下降了2.9、1.7、1.2和2.8个百分点；其他区域没有改变。从省区来看，河北、山西、内蒙古、贵州、云南、甘肃、青海、宁夏和新疆的经济年均增长率分别为7％，最优值仍然是经济扩张下限；吉林、黑龙江、河南、湖北、湖南、重庆、四川和陕西的经济年均增长率分别为7％，最优值从经济扩张上限降低到经济扩张下限；辽宁年均增长率从9.1％下降到7％；广西年均增长率从扩张约束上限下降到7.3％，接近经济增长扩张下限。说明进一步降低全国能耗强度对东北、中部、西北和西南地区的经济增长有较强的阻碍作用。

(二)地区能源消耗和二氧化碳排放优化分析

各省GDP优化值乘以相应能耗强度和碳排放强度可分别得到各省能源消耗和二氧化碳排放的最优分配值。图1和图2分别为三种情景下各省能源消耗和二氧化碳排放增加量的变化情况。

图1　三种情景下2010－2015年能源消耗的增加量　单位：10000 tce

从图1中可见三种情景下，山东、广东、江苏、河北、河南、辽宁等省区能源消耗较大，北京、上海、江西、海南、贵州、青海、宁夏等省区能源消耗较少。情景2与情景1相比，北京、上海、贵州、青海和宁夏能源消耗量没有改变；其他省区均有不同幅度的减少，其中能源消耗变动幅度排在前十一位的省区依次是内蒙古、河北、辽宁、山东、甘肃、新疆、云南、江苏、广东、河南和山西。情景3与情景2相比，辽宁、吉林、黑龙江、河南、湖北、湖南、广西、重庆、四川、陕西等地区能源消耗进一步减少，其中河南、四川、重庆、黑龙江和辽宁的能源消耗减少幅度较大；其他省区的能源消耗没有改变。同理可分析各省区二氧化碳排放情况。三种情景中二氧化碳排放变动均较大的省区有河北、内蒙古、辽宁、黑龙江、山东、河南、广东、云南、陕西、甘肃、新疆等。从图2中可看出，情景2与情景1中各省二氧化碳排放的增减情况与能源消耗的增减情况一致。二氧化碳排放变动幅度排在前十一位的省区依次是内蒙古、辽宁、河北、山东、山西、新疆、甘肃、河南、云南、江苏和广东。但其省 区排序与能源消耗变动大小的省区排序有所不同，这是因为二氧化碳排放量不仅受能源消耗量的影响，而且还受能源碳强度的影响，即各省能源碳强度不同导致二氧化碳排放的变化与能源消耗的变化不一致。情景3与情景2相比，二氧化碳排放没有变化的省区和能源消耗没有变化的省区相同；二氧化碳排放减少的省区与能源消耗减少的省区也相同，但省区排序有所不同。

图2　三种情景下2010－2015年二氧化碳排放的增加量　单位：10000 t

结合情景2与情景1中的经济增长优化结果可知，能源消耗和二氧化碳排放变动较大的省区比较容易受经济扩张约束上限变化的影响。缩小经济扩张上限，虽然放慢了全国及一些省区的经济增长速度，但有利于节约能源和减少二氧化碳的排放。结合情景3与情景2中的经济增长优化结果可知，当2010－2015年各省能源碳强度与2005－2010年的能源碳强度变化相同时，能源消耗和二氧化碳排放变动较大的省区比较容易受全国能耗强度变化的影响。为了实现全国经济增长、能源消耗和二氧化碳排放的最优配置，各省区在制定政策时，要充分考虑本省区的具体情况，制定出适合本省低碳发展的路径。

(三)三种情景下全国节能减排成本与脱钩状态分析

我们把各种情景下全国总能源消耗和二氧化碳排放的优化结果进行对比，当GDP改变量与能耗改变量为负值时，令GDP改变量与能耗改变量比值为节能成本；当GDP改变量与二氧化碳排放改变量为负值时，令GDP改变量与二氧化碳排放改变量比值为减排成本。由三种情景的经济增长、能源消耗和二氧化碳排放的最优化分配可看出，情景2在情景1基础上同比例缩小了经济扩张上限，减慢了某些省区的经济增长速度，有利于节约能源和减少二氧化碳的排放，其节能成本和减排成本分别为0.963万元/吨标准煤和0.310万元/吨。情景3在情景2基础上考察了全国能耗强度和碳排放强度的最大降低幅度。在此种情况下，节能成本和减排成本分别为1.010万元／吨标准煤和0.339万元/吨。两种对比结果显示节能成本和减排成本均较低，说明适度放慢经济发展过快省区的经济发展和进一步加快全国能耗强度和碳排放强度的降低，虽然对全国及个别省区的经济发展有一定的阻碍作用，但对全国总体能源消耗和二氧化碳排放起着较强的抑制作用。

本文采用Tapio脱钩指标，将二氧化碳排放与经济增长的脱钩弹性分解如下：

其中分别称为碳排放弹性脱钩指标、能源消耗弹性脱钩指标和能源碳排放弹性脱钩指标，经济增长、能源消耗和二氧化碳排放增长率采用2010－2015年年均增长率。由三种情景的经济增长、能源消耗和二氧化碳排放的最优化分配，可计算出三种情景下2010－2015年年均碳排放弹性脱钩指标、能源消耗弹性脱钩指标、能源碳排放弹性脱钩指标(见表3)。结果显示，能源消耗在情景1中处于增长连接状态，在情景2和情景3中处于弱脱钩状态，且能源消耗脱钩指标值越来越小，说明能源消耗和全国生产总值的弱脱钩程度越来越强。能源碳排放在三种情景中虽均处于增长连接状态，但能源碳排放弹性脱钩指标值越来越趋于0.8(增长连接与弱脱钩状态的临界值)，说明虽然二氧化碳排放与能源消耗之间还处于增长连接阶段，但越来越趋于弱脱钩状态。二氧化碳排放在三种情景中均处于弱脱钩状态，而且碳排放弹性脱钩指标值越来越小，说明二氧化碳排放与全国生产总值的弱脱钩程度越来越强。

五、结论及政策建议

本文根据所分析问题的侧重点不同，从全局最优的角度，建立了两个在全国及省际能耗强度和碳排放强度约束下省区经济增长优化模型。分析了三种情景下各省区经济增长的优化问题，比较了各省经济增长、能源消耗和二氧化碳排放的最优分配路径的异同。发现三种情景下均能实现“十二五”规划中对国内生产总值增长的预期目标、单位GDP能耗强度和碳排放强度的约束目标。若2010－2015年全国能源碳强度降低程度与2005－2010年能源碳强度降低程度相同，则全国能耗强度和碳排放强度的最大降低幅度约分别为17.27％和21.07％。

篇5

中图分类号：X55 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0342-02

一、 研究目的及意义

随着现代社会工业的发展，环境问题已经成为人类关注的焦点，由于大量排放二氧化碳导致的温室效应便是其中重要的一环，其带来的危害已经为各国政府高度关注。我国政府承诺到2020年碳排放强度比2005年降低40-45%，足可见我国对控制二氧化碳排放的决心之大。但当前我国的能源领域面临着多方挑战，能源消费增长迅速，且现阶段我国的能源结构仍以煤炭为主，世界一多半的煤炭为中国所用，中国60%多的煤炭用于发电，因此控制燃煤电厂二氧化碳的排放是我国碳减排的关键，研究电厂二氧化碳捕集运输和储存技术显得举足轻重。

二、 二氧化碳的捕集技术路线及方法分析

燃煤电厂对燃料燃烧不同阶段产生的二氧化碳的捕集分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集三条技术路线。现阶段捕集方法主要有物理吸附法、物理吸收法、化学吸收法、膜分离法、低温蒸馏法等，使用何种捕集方法取决于二氧化碳气体的浓度、压力、温度，不同类型发电机组以及不同技术路线会选用不同的捕集方法。

2.1 二氧化碳捕集技术路线现状分析

2.1.1 燃烧前捕集：燃烧前捕集技术主要应用在整体煤气化联合循环发电系统（IGCC），IGCC的工艺流程主要为：氮气作为动力气源带动燃煤进入气化炉，与空分系统分离送出的纯氧在气化炉内发生高压富氧反应，生成有效成分主要为一氧化碳和氢气的混合气体，随后，在催化转换器中经过水煤气变换后，促使一氧化碳转换为二氧化碳并进一步产生氢气，混合气体中二氧化碳被捕集分离，氢气经过净化作为清洁的气体燃料送入燃气轮机用于燃烧。燃烧前捕集技术的优点是由于混合气体的压力较高，可以生成浓缩的二氧化碳气流，不用加压便能满足压缩机对管道内输送气体压力的要求，减少能耗，同时高浓度的二氧化碳气体有利于捕集和利用，该技术还具有捕集系统小、捕集效率高以及对污染物的控制方面有很大潜力的优点，缺点是IGCC技术仍面临初期投资成本高、可靠性不高的问题，并且由于二氧化碳捕集系统需使用蒸汽以及压缩机需使用额外功率会导致IGCC面临发电成本增加40%、效率降低22%的问题。该技术常采用物理溶剂吸收方法和膜分离法来捕集二氧化碳。

2.1.2 燃烧后捕集：燃烧后捕集顾名思义是在燃料燃烧后产生的烟气中进行二氧化碳捕集的技术。由于电厂烟气中二氧化碳的浓度相对较低，该技术路线一般采用化学吸收法并需要使用强力溶剂。该技术的优点是只需对现有燃煤机组加以改造加装二氧化碳捕集装置即可，不需要对机组的结构进行大面积的调整，适合运行机组改造，并且该种技术是一种成熟的技术，缺点是由于烟气中二氧化碳的浓度较低，二氧化碳的捕集费用相对较高，同时还面临溶剂再生需要消耗大量能量的问题。燃烧后捕集技术还可使用物理吸附法、膜分离法和低温蒸馏法捕集二氧化碳。

2.1.3 富氧燃烧捕集：富氧燃烧捕集顾名思义就是化石燃料在燃烧的过程中助燃剂是纯氧而非空气，这样燃料燃烧完毕烟气中主要含有二氧化碳和水蒸气，只有少量的二氧化硫、碳氧化物等杂质，把烟气进行脱硫、脱硝及除尘后进行冷却，除去其中的水蒸气便可得到高纯度的二氧化碳，纯度能够达到80%至98%，少量烟气再循环进入燃烧室，目的是控制火焰温度，防止燃料在纯氧中燃烧时温度过高，并且提高了烟气中二氧化碳的体积比。此种技术的优点是捕集成本低；由于没有氮气参与燃烧，烟气中氮氧化物的含量大大降低；由于是富氧燃烧，可以降低燃料的消耗量，提高热效率，缺点是燃烧需要在富氧的环境下进行，制备高纯度氧的能耗很高；燃烧室需要改造；该种技术面临的问题很多，如烟气再循环的参入量、氧量变化造成锅炉燃烧调节的改变等，该种技术尚不成熟，处于示范阶段。

综上所述，三种二氧化碳捕集技术路线各有特点，燃烧前捕集技术占用场地小、捕集效率高但初期投资成本高，适用于IGCC电厂；燃烧后捕集技术对已建电厂改造难度小、技术相对成熟但捕集成本高；富氧燃烧捕集成本低但制氧能耗高、技术不成熟，燃烧后捕集和富氧燃烧捕集技术路线主要适用于传统以化石能源为燃料的电厂，并适合老厂改造。现阶段，三种技术路线均未达到商业化的程度，只处于实验室阶段或有少量的示范项目。

2.2 二氧化碳捕集方法介绍

2.2.1 物理吸收法

物理吸收法是利用有机溶剂在高压下对二氧化碳的吸收量增大的机理实现的，通过对有机溶剂降压便可以释放二氧化碳，还原溶剂。此种方法能耗较低，要求有机溶剂具有对二氧化碳的溶解度随压力变大增速明显、沸点高、选择性好、无毒、稳定性好等特点。常用的物理吸收溶剂有聚乙二醇二甲醇、甲醚、环丁砜、三乙醇胺和碳酸丙烯酯。

2.2.2 化学吸收法

化学吸收法在化工行业是一种常见的方法，一般二氧化碳的吸收溶剂为有机胺的水溶液。研究发现水对乙醇胺吸收二氧化碳的能力有提升作用，没有水的存在，1mol乙醇胺只能吸收0.5mol二氧化碳，水存在的情况下，1mol乙醇胺能吸收1mol二氧化碳。醇胺类化学吸收法的优点为技术成熟、吸收量大、选择性高并能同时吸收硫化氢和氮氧化物等有害气体；缺点为吸收溶剂再生困难，需要消耗较高能量；对设备易腐蚀；在富氧的环境下，吸收性能大幅降低等。

2.2.3 物理吸附法

物理吸附法是利用固体吸附剂对二氧化碳进行选择性吸附的原理，脱除烟气中的二氧化碳，吸附法分为变温吸附法和变压吸附法。固体吸附剂表面的孔径大小、孔容和极性以及吸附材料分子量、分子大小、极性决定了该吸附剂的吸附能力，此种方法比吸收法具有吸附过程需要能量少的优点，并且由于吸附过程是放热过程，吸附剂需要通过加热还原再生。物理吸附法对二氧化碳的捕集成本与吸收法大致相当，但其对二氧化碳的吸附量和选择性要更好，并且吸附剂的还原需要的能量较低，操作简单，相比吸收法更具有市场价值，缺点是进行二氧化碳捕集前需要将混合气体冷却、干燥，以及除去易使吸附剂中毒的气体，并且存在二氧化碳回收率不高以及吸附剂选择性的问题。常用的吸附剂有天然沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶和活性炭等。

2.2.4 膜分离法

膜分离法是利用部分气体无法穿透薄膜的原理对气体进行分离，此法的驱动力是膜两侧的压差，当差压达到一定值时，能够穿透薄膜的气体会透过薄膜，捕集气体会留在膜内。薄膜的气体选择性、压力比、穿透气流和总气流的流量比决定了此薄膜的二氧化碳捕集能力。此方法在分离工业合成氨尾气、炼油尾气等领域已经广泛使用，但是由于电厂烟气流量大，需要膜的面积很大，投资成本高。用于捕集二氧化碳的薄膜有醋酸纤维膜、聚苯醚膜、乙基膜、聚砜膜、溴磺化聚环氧丙烷膜、沸石矿物膜等。

2.2.5 低温蒸馏法

低温蒸馏法是利用不同气体的冷凝点不同而进行气体分离的，系统一般由压缩机、焦耳汤普森阀、多级热交换器和膨胀机组成，系统中设有不同温度的冷阱，以此来捕集不同冷凝点的气体。由于低温蒸馏法是在液态的形态下捕集到的二氧化碳，为运输和储存提供便捷；该方法同时还能减少水的消耗、化学试剂的使用量以及有效解决设备腐蚀等问题，缺点是设备庞大、能耗大、烟气中的粉尘易阻塞设备等，此方法一般用于分离高浓度的二氧化碳，常用于分离油田伴生气中的二氧化碳。

2.2.6 二氧化碳捕集新方法

所谓的二氧化碳捕集新方法是指尚在实验室研究阶段，技术尚未成熟的方法，主要有化学循环捕集法和二氧化碳水合分离法。

上述几种二氧化碳的捕集方法各有千秋，需要根据捕集技术路线选择合适的捕集方法或几种捕集方法的集合，电厂的二氧化碳捕集方法大多尚在实验室或示范阶段，需要进一步研究论证。

三、 二氧化碳的运输与储存技术分析

3.1 二氧化碳运输技术

二氧化碳经捕集、压缩形成超临界流体或液体，通过铁路、船舶、管道等输送工具运至目的地的过程称为二氧化碳的运输。当运输距离较远时（大于1000千米）管道运输的成本最低，并且管道运输是一项成熟的商业化技术，其成本取决于管道的长度、直径、二氧化碳的压力和地质特点。

3.2 二氧化碳储存技术

二氧化碳的存储技术分为地质储存、海洋储存、储液站储存、固态储存和矿物碳化储存技术。

地质储存技术是把超临界状态的二氧化碳灌入油田、气田、无法开采的煤层、深盐水层进行储存，这些地层必须由岩石密封，并且相对二氧化碳来说是不可渗透的。把二氧化碳注入油田或气田存储二氧化碳的同时用以驱动采油或气，可以提高30%至60%的石油产量；注入无法开采的煤矿可以把煤层中的煤层气驱赶出来，增加煤层气采集率；深盐水层储存技术由于储存容量大具有最大的潜力，该方法已于1996年一家挪威的能源公司投入商业运行。

海洋储存技术是把二氧化碳输送到海洋600米深度以下的区域，在此深度由于水的压力能够把二氧化碳转换为液体，当储存深度达到3000米、温度低于10摄氏度时，液态二氧化碳的密度会大于水的密度，并在表面形成粘稠状薄膜，防止二氧化碳扩散。此种技术可能会改变海洋的PH值，其对环境的危害程度未知，此种技术还在探索阶段。

储液站储存技术是把捕集到的二氧化碳进行净化、干燥等处理后冷却形成高压、低温的液态二氧化碳，具有效率高、气体纯度高、储量大的特点。

固态存储技术是把二氧化碳先高压压缩形成液态二氧化碳，然后高压低温冷却形成干冰储存，由于其生产工艺困难且储存条件费用高，此项技术并不常用。

矿物碳化技术储存二氧化碳是一项新兴技术，技术原理是将二氧化碳矿物碳化固定与含方英石杂质的钙基膨润土深加工相结合，利用钙基膨润土容易通过离子交换形成碳酸钙以及碱法分离方英石过程中容易形成吸收二氧化碳溶液的特点，实现吸收固定二氧化碳，但其预期成本远高于其他存储方法，不适合开展利用。

四、 结束语

现阶段，制约二氧化碳捕集存储技术发展的关键在于技术不成熟和高昂成本问题，研究开发成熟、高效、低成本的二氧化碳捕集储存技术将是未来发展的方向。本文通过对现有的二氧化碳的捕集、运输及储存技术进行阐述，为未来该技术在电厂的成熟应用提供理论依据。