煤制天然氣與燃煤發(fā)電環(huán)保利弊分析及建議

梁睿 童莉 劉志學(xué) 周學(xué)雙

煤制天然氣與燃煤發(fā)電環(huán)保利弊分析及建議

梁睿 童莉 劉志學(xué) 周學(xué)雙

我國煤制天然氣和燃煤發(fā)電行業(yè)的發(fā)展均面臨著資源環(huán)境約束。通過對煤制天然氣和燃煤發(fā)電在生產(chǎn)、輸送和使用等環(huán)節(jié)進行環(huán)保對比，得到以下基本認識：煤制天然氣在資源利用和大氣污染物排放方面優(yōu)勢明顯，但廢水和固廢處置是煤制天然氣發(fā)展面臨的主要環(huán)境瓶頸；建議通過實現(xiàn)環(huán)境保護早期介入、協(xié)調(diào)煤制天然氣與煤電用煤結(jié)構(gòu)、嚴格煤制天然氣環(huán)境準入、提高煤制天然氣和煤電發(fā)展質(zhì)量等措施，進一步加強我國煤炭開采利用的環(huán)境管理，促進煤炭利用行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

煤制天然氣；燃煤發(fā)電；資源利用；廢水處置；環(huán)境管理

長期以來，煤炭燃燒發(fā)電是我國煤炭利用的最主要方式。近期，隨著國內(nèi)天然氣需求的不斷增長和煤化工技術(shù)的發(fā)展，煤制天然氣產(chǎn)業(yè)成為新的投資風潮?！洞髿馕廴痉乐涡袆佑媱潯诽岢觯跐M足最嚴格的環(huán)保要求和水資源保障的前提下，加快煤制天然氣產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；椒?。煤炭、天然氣、電力均為關(guān)系我國安危的戰(zhàn)略能源，結(jié)合我國國情，煤制天然氣和燃煤發(fā)電的產(chǎn)品均具有不可替代性，但兩種煤炭利用方式中對大氣環(huán)境、水環(huán)境產(chǎn)生的影響，以及煤、水資源消耗和能量轉(zhuǎn)化效率各有利弊。從環(huán)保角度分析兩種煤炭利用方式的利弊，對調(diào)整不同煤質(zhì)煤炭利用比例、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進我國煤炭資源綠色利用具有重要意義。

我國煤炭資源特點及利用概況

我國煤炭分布總體呈西北多、東南少的特點，且煤炭與水資源分布互逆。煤種類型齊全但儲量不均衡，褐煤及中、低變質(zhì)煤儲量多，其中長焰煤、不粘煤、褐煤、氣煤儲量最多，保有資源量均在1 000億噸以上，而以無煙煤為代表的優(yōu)質(zhì)高變質(zhì)煤儲量少。

煤炭約占我國一次能源消費的70%。2013年，我國煤炭消費總量約36.1億噸，主要作為燃料（約80%）和工業(yè)原料（約20%）。其中，電煤約占煤炭消費總量的55%，煤電約占電力生產(chǎn)總量的75.6%。作為工業(yè)原料用于現(xiàn)代煤化工的比例微乎其微，據(jù)估算，目前已批復(fù)建設(shè)的煤制天然氣項目年耗煤量占煤炭消費總量的比例不足1.5%。但另一方面，2013年我國天然氣生產(chǎn)總量約1 210億立方米，進口534億立方米，對外依存度約為30.6%。

2009年至2013年，我國共上馬200多個煤電項目，總裝機容量約24.2萬兆瓦。煤電項目主要分布于東部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，但已顯現(xiàn)出依托大型煤炭基地建設(shè)逐步西移的趨勢。同期僅有5個煤制天然氣項目開工建設(shè)，總產(chǎn)能僅約170億立方米/年。2013年以來，獲批開展前期工作的煤制天然氣項目預(yù)期總產(chǎn)能已達到約700億立方米/年。

根據(jù)我國國情特點，天然氣、電力消費需求均具有不可替代性。結(jié)合“富煤、缺油、少氣”的能源稟賦特點，我國社會經(jīng)濟的發(fā)展離不開煤，也繞不開煤，合理有序發(fā)展煤制天然氣是保證天然氣供應(yīng)的有效手段。盡管《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》提出實行能源消費總量控制，但隨著電力需求的不斷增加，近年新建或擴能的燃煤發(fā)電建設(shè)項目有增無減，大氣污染防治形勢不容樂觀，且此類項目有向新疆、內(nèi)蒙古等水資源缺乏、水環(huán)境容量不足或無排污去向地區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢。與煤制天然氣項目一樣，如無序發(fā)展，其高水耗、高排放可能引發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題。

煤制天然氣與燃煤發(fā)電環(huán)保對比

煤制天然氣與燃煤發(fā)電在生產(chǎn)、輸送和使用等環(huán)節(jié)的環(huán)境影響各不相同，但在生產(chǎn)環(huán)節(jié)均面臨較大的環(huán)保壓力。我國煤制天然氣與燃煤發(fā)電等煤炭開發(fā)產(chǎn)業(yè)往往將煤炭資源作為布局的首要考慮因素，選擇在煤礦附近布局。由于煤炭資源和水資源逆向分布的特征，以新疆、內(nèi)蒙古等為代表的煤炭資源豐富地區(qū)，已無納污水體或水環(huán)境容量不足。大量煤制天然氣及煤電項目布局于西部生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)，水資源短缺的矛盾更為突出，并有可能引發(fā)一系列區(qū)域性生態(tài)環(huán)境問題和社會問題。在輸送和使用環(huán)節(jié)，與管道輸送天然氣相比，電網(wǎng)覆蓋范圍更廣，電能更易被輸送至用戶，輸電環(huán)境風險略小，但也存在輸送損耗高的問題。此外，燃燒天然氣將不可避免的產(chǎn)生CO2，用電則不產(chǎn)生溫室氣體，更為清潔。

煤制天然氣與燃煤發(fā)電的環(huán)保優(yōu)勢對比

煤制天然氣在褐煤等低變質(zhì)煙煤資源的利用方面具有一定優(yōu)勢。我國儲量較大的褐煤等低變質(zhì)煤種，氣化反應(yīng)性高、含水率高、燃燒效率較低、不便于長途運輸，將其用于煤制天然氣可以有效利用褐煤資源。據(jù)估算，采用常規(guī)“水冷”技術(shù)的煤電噸標煤耗水約為6.6噸，而煤制天然氣噸標煤耗水約為3噸，顯著低于前者。盡管如此，采用“空冷”技術(shù)的燃煤電廠水耗則優(yōu)于煤制天然氣。此外，燃煤發(fā)電的能量轉(zhuǎn)化效率一般為40%～45%，運行條件較好的煤制天然氣項目可高于燃煤發(fā)電約10個百分點，但產(chǎn)品天然氣再用于發(fā)電的綜合能源轉(zhuǎn)化率低[1]，不具合理性，因此煤制天然氣產(chǎn)品氣原則上不應(yīng)再用于發(fā)電。

與燃煤發(fā)電相比，煤制天然氣在大氣污染物排放方面具有明顯優(yōu)勢。從工藝原理方面分析，煤制天然氣是將煤作為工業(yè)原料，在950～1 300℃、純氧氣化、還原氣氛下發(fā)生氣化反應(yīng)，SO2、NOx、煙塵和重金屬排放量很低，可有效回收硫黃資源，避免二次污染，且容易捕集封存高濃度的CO2。而燃煤鍋爐完全將煤炭資源作為燃料燃燒，煤中的S元素大部分被氧化為SO2排放或經(jīng)脫硫生成石膏等固體廢物，空氣中的N2被氧化成為NOx。目前，燃煤發(fā)電機組末端已有3～4級的煙氣處理裝置，降低了燃煤電廠的能效，盡管煙氣治理技術(shù)得到快速發(fā)展和應(yīng)用，但其燃燒原理決定了污染物排放不容樂觀。據(jù)統(tǒng)計，2012年我國火電行業(yè)SO2、NOx、煙塵排放量分別為883萬噸、948萬噸、151萬噸，成為這3類污染物排放最大的行業(yè)。今后，隨著我國環(huán)保要求的進一步提高和履行碳減排國際公約的需要，相關(guān)政策可能進一步增加對脫CO2、脫汞的要求，燃煤電廠的環(huán)保設(shè)施投入和能耗水平也將進一步提高。

煤制天然氣與燃煤發(fā)電的主要制約因素分析

廢水處置是煤制天然氣發(fā)展面臨的主要環(huán)境制約因素。煤制天然氣，尤其是采用碎煤加壓固定床氣化技術(shù)的項目，廢水成分復(fù)雜，處置難度非常大，個別項目高有機物、高含鹽廢水每噸處理成本高達百元，是國際煤化工行業(yè)普遍面臨的難題。我國西部地區(qū)受自然環(huán)境限制，即使通過增加投資和能耗解決了廢水處理的技術(shù)問題，由于缺少排污去向，不能回用廢水的最終處置去向成為煤制天然氣最重要的制約問題之一。國內(nèi)一些地方為推動煤制天然氣項目在本轄區(qū)內(nèi)上馬，提出所謂的廢水“零排放”方案，即將高鹽廢水通過結(jié)晶或蒸干的形式轉(zhuǎn)化為固態(tài)鹽，或以蒸發(fā)塘方式處置，但由于設(shè)計、運行和系統(tǒng)管理經(jīng)驗的缺乏，大部分已投運項目至今仍難以實現(xiàn)長周期穩(wěn)定的廢水不外排。盡管沒有一家煤化工企業(yè)真正實現(xiàn)“零排放”，但目前已獲批開展前期工作的大部分煤制天然氣項目仍準備采用廢水“零排放”方案。實際上，包括循環(huán)冷卻水在內(nèi)的含鹽廢水的處置問題是化工行業(yè)面臨的普遍問題，但由于煤制天然氣項目集中布局在沒有納污水體的西部地區(qū)，這一問題才顯得格外突出。

燃煤電廠大部分生產(chǎn)廢水處理難度相對較小，盡管火電行業(yè)普遍提出可以做到廢水“零排放”，但其“零排放”的概念與煤化工行業(yè)并不相同，絕大多數(shù)電廠將含鹽廢水以“清凈下水”的名義外排，未納入污水監(jiān)管。近年來，我國煤電項目向西部煤電基地轉(zhuǎn)移的趨勢明顯，西部煤電項目也將面臨排污去向難尋的類似問題。

此外，煤制天然氣與燃煤發(fā)電均存在固體廢物環(huán)境制約問題。煤電產(chǎn)生的鍋爐底渣、粉煤灰、脫硫石膏（或硫酸銨）等大宗固體廢物，以及煤制天然氣產(chǎn)生的氣化灰渣等，綜合利用率有待提高，露天堆放除占用土地外，容易引發(fā)揚塵、地下水污染等環(huán)境風險。較大規(guī)模的煤化工企業(yè)每年產(chǎn)生上萬噸雜鹽，其綜合利用價值不大，處置不當易引起二次污染，并復(fù)溶于雨水或進入地下水。

加強煤炭資源利用管理的建議

在滿足日益增長的天然氣和電力需求的同時，為保證煤炭資源利用的環(huán)境經(jīng)濟效益最大化，建議通過實現(xiàn)環(huán)境保護早期介入、協(xié)調(diào)煤制天然氣與煤電用煤結(jié)構(gòu)、嚴格煤制天然氣環(huán)境準入、提高煤制天然氣和煤電發(fā)展質(zhì)量等措施，有序發(fā)展煤制天然氣和燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)。

加強環(huán)境保護早期介入，強化產(chǎn)業(yè)布局合理性

一是環(huán)境保護早期介入煤制天然氣和煤電發(fā)展規(guī)劃，統(tǒng)籌煤炭開發(fā)和利用，加快開展煤炭深加工戰(zhàn)略環(huán)評和規(guī)劃環(huán)評。二是結(jié)合大氣污染嚴重城市的需求，以改善區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量為前提，以煤制天然氣替代民用分散燃煤為供應(yīng)目標，科學(xué)測算和規(guī)劃煤制天然氣行業(yè)產(chǎn)能，列出燃煤替代的先后順序，優(yōu)先滿足大氣污染防治重點地區(qū)的天然氣供應(yīng)。三是應(yīng)以稀缺的生態(tài)環(huán)境資源作為行業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)因素和制約因素[2]，選擇西部水資源相對豐富、具備排污去向、同時具備風能和太陽能等可再生資源的地區(qū)，優(yōu)先布局煤制天然氣和燃煤發(fā)電項目。四是結(jié)合常規(guī)天然氣、非常規(guī)天然氣和液化天然氣的發(fā)展規(guī)劃，進行天然氣管網(wǎng)的合理規(guī)劃和建設(shè)，進而確定項目氣源點選址布局方案，科學(xué)統(tǒng)籌制定煤制天然氣的發(fā)展與布局規(guī)劃，確保項目選址的環(huán)境合理性和目標市場的可達性。

協(xié)調(diào)煤制氣與煤電用煤結(jié)構(gòu)，提高煤炭利用效率

局部地區(qū)煤炭消費強度過高，煤炭利用方式過于分散，消費結(jié)構(gòu)不合理，是導(dǎo)致能源效率低下，造成酸雨、顆粒物污染和灰渣堆積的重要原因。應(yīng)結(jié)合不同煤種的分布、結(jié)構(gòu)特性，因地制宜，科學(xué)合理分質(zhì)利用，協(xié)調(diào)煤制天然氣與煤電用煤結(jié)構(gòu)，提高煤炭資源的利用效率。一是將燃燒技術(shù)經(jīng)濟性不佳的褐煤和低變質(zhì)煙煤優(yōu)先用于先進煤氣化項目；二是改變高硫煤開采利用政策，將高硫煤優(yōu)先作為原料用于煤化工，以回收硫黃資源并減少燃燒帶來的SO2排放，并對煤化工回收硫資源同樣予以國家財政補貼；三是在具有優(yōu)質(zhì)動力煤的小型煤礦附近，就近發(fā)展燃煤發(fā)電，而在具有適宜煤種的大型煤炭基地，優(yōu)先發(fā)展煤化工。

嚴格煤制氣環(huán)境準入，源頭預(yù)防生態(tài)環(huán)境問題

盡管美國大平原煤制天然氣項目也采用褐煤做原料、固定床氣化技術(shù)為工藝并成功實現(xiàn)廢水“零排放”，但在目前我國已建的3個類似煤制天然氣示范項目（采用褐煤和長焰煤做原料、國產(chǎn)化碎煤加壓固定床氣化技術(shù)為氣化工藝）的調(diào)試運行中，暴露出諸多問題，主要表現(xiàn)為煤種研究不透、工程設(shè)計和管理經(jīng)驗不足，導(dǎo)致設(shè)備運行不穩(wěn)定，廢水處理和回用困難，“零排放”難以實現(xiàn)。目前，我國已有14個煤制天然氣項目獲得國家發(fā)改委開展前期工作的批復(fù)，總產(chǎn)能超過700億立方米/年，近半提出廢水“零排放”示范。建議在以上問題未得到徹底解決前，慎重批準類似煤制天然氣項目開展前期工作，嚴格限制無環(huán)境容量或無排污去向地區(qū)上馬煤制天然氣和煤電廢水“零排放”項目，嚴格煤制天然氣環(huán)境準入，從源頭預(yù)防可能引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題。

提高煤化工和煤電發(fā)展質(zhì)量，培育產(chǎn)業(yè)集群試點

一是通過發(fā)展現(xiàn)代煤制天然氣，逐步替代工業(yè)分散燃煤和傳統(tǒng)煤化工中的小規(guī)模合成氣，調(diào)整和淘汰分散的傳統(tǒng)煤化工項目。二是大幅降低煤電行業(yè)煤耗[3]，并在大氣污染防治重點區(qū)域建設(shè)滿足燃氣排放標準或超低排放的大型燃煤電站，并推行純凝供熱機組，替代分散的工業(yè)鍋爐。三是在有條件地區(qū)的煤化工項目推廣“空冷”系統(tǒng)，減少水資源用量；對于黃河中上游等重點地區(qū)的燃煤電廠，推動廢水回用要求，提高水資源重復(fù)利用率。四是通過培育產(chǎn)業(yè)集群模式試點，示范建設(shè)煤、電、化、熱、冶、建材等多產(chǎn)業(yè)的綜合一體化煤基多聯(lián)產(chǎn)大型能源基地[4]，向大氣污染防治形勢嚴峻的地區(qū)輸電輸氣，推動重點區(qū)域環(huán)境質(zhì)量大幅改善。

[1] 朱琪. 中國煤制氣發(fā)展利弊分析[J].能源與節(jié)能, 2014(5):1-3.

[2] 童莉,周學(xué)雙, 段飛舟, 等. 我國現(xiàn)代煤化工面臨的環(huán)境問題及對策建議[J]. 環(huán)境保護, 2014, 42(7): 45-47.

[3] 楊勇平, 楊志平, 徐鋼,等.中國火力發(fā)電能耗狀況及展望[J].中國電機工程學(xué)報, 2013, 33(23):1-10.

[4] 唐宏青. 現(xiàn)代煤化工新技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

X78

A

2095-6444(2014)06-0005-03

2014-10-21

周學(xué)雙，環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心教授級高級工程師；童莉，環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心高級工程師；梁睿，環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心；劉志學(xué)，環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心、內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司。