煤制天然氣發(fā)電對中國碳排放和區(qū)域環(huán)境的影響

龔夢潔+李惠民+齊曄

摘要

PM25治理與低碳發(fā)展具有顯著的協(xié)同效應(yīng)，然而并非所有的PM25治理措施都達(dá)到低碳的效果，煤制天然氣項(xiàng)目是其中最為突出的一類。本文梳理了煤制天然氣產(chǎn)業(yè)政策與現(xiàn)狀，采用全生命周期評(píng)價(jià)法，對煤炭和煤制天然氣發(fā)電過程中的CO2、SO2、NOx排放進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，用煤制天然氣替代煤炭，每發(fā)1 kWh電可以減少SO2排放973 g，減少NOx排放045 g;但同時(shí)將多消耗142 g標(biāo)準(zhǔn)煤，增加CO2排放4062 g。煤制天然氣項(xiàng)目對天然氣使用地的大氣污染防治具有正面作用，但卻給煤制天然氣生產(chǎn)地帶來嚴(yán)重的環(huán)境負(fù)外部性問題。從而，煤制天然氣的生產(chǎn)與消費(fèi)是一種資源消耗和環(huán)境排放的轉(zhuǎn)嫁，而且從整體上提高了我國的煤炭使用量和CO2排放量。定量評(píng)估顯示，如果將各地建成、在建或擬建的所有煤制天然氣項(xiàng)目全部投入生產(chǎn)，每年約消耗81億t原煤，用這部分煤制天然氣替代煤炭發(fā)電所增加的CO2排放將占2010年全國CO2排放量的3%-6%。因此一味地使用煤制天然氣替代煤炭來達(dá)到霧霾治理這一目的，忽視其將長期存在的嚴(yán)重的資源環(huán)境效率損失和公平損失問題，我國環(huán)境保護(hù)與低碳發(fā)展將陷入“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的惡性循環(huán)。改善我國環(huán)境質(zhì)量的根本途徑在于推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，而控制能源消費(fèi)總量是最為優(yōu)先的措施。煤制天然氣應(yīng)該用來替代分散的煤炭使用，以此來達(dá)到煤炭清潔高效利用的目標(biāo)。在發(fā)電行業(yè)，應(yīng)該大力進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)比使用煤制天然氣更好的環(huán)境效益。從全生命周期內(nèi)的資源消耗和環(huán)境影響來看，煤制天然氣項(xiàng)目建設(shè)必須高度重視，慎重決策。

關(guān)鍵詞煤制天然氣;PM25;碳排放;區(qū)域環(huán)境治理

中圖分類號(hào)X321;X513文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1002-2104（2015）01-0083-07doi：103969/jissn1002-2104201501012

“十一五”以來，中國的低碳發(fā)展取得了積極進(jìn)展，不僅是世界上單位GDP能耗下降速度最快的國家，也是世界上可再生能源發(fā)展速度最快的國家[1]。然而，以PM25污染為表征的大氣污染危機(jī)在全國大部分地區(qū)頻頻爆發(fā)，使中國成為世界上空氣污染最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。近年來，京津冀等區(qū)域每年出現(xiàn)霧霾污染的天數(shù)達(dá)到100天以上，空氣中細(xì)顆粒物（PM25）年均濃度超過世界衛(wèi)生組織推薦的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)值2-4倍[2]。研究顯示，當(dāng)空氣中PM25的濃度長期高于10 μg/m3時(shí)，死亡風(fēng)險(xiǎn)就開始上升。濃度每增加10 μg/m3，總的死亡風(fēng)險(xiǎn)就上升4%，患心肺疾病的死亡風(fēng)險(xiǎn)上升6%，患肺癌的死亡風(fēng)險(xiǎn)上升8%[3]。由于北方地區(qū)燃煤導(dǎo)致的空氣污染，與生活在南方的居民相比，北方居民的人均預(yù)期壽命可能要減少55年[4]。2010年全球疾病負(fù)擔(dān)評(píng)估報(bào)告指出，以PM25污染為主的室外空氣污染已成為我國第四大致死因素，占2010年全部死亡人數(shù)的149%[5]。

長時(shí)間大范圍霧霾天氣的不斷爆發(fā)，引起了各級(jí)政府的高度重視。2012年，環(huán)保部出臺(tái)《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》，明確了重點(diǎn)區(qū)域PM25下降目標(biāo)。2013年9月，以PM25治理為核心內(nèi)容的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》正式出臺(tái)，提出了控制煤炭消費(fèi)總量，加快清潔能源替代利用，加快煤制天然氣規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化步伐等大氣污染治理措施。綜觀當(dāng)前中央與地方的大氣污染防治計(jì)劃，霧霾治理的重點(diǎn)在于煤炭消費(fèi)總量控制、淘汰落后產(chǎn)能、工業(yè)污染治理和綠色交通建設(shè)等四個(gè)方面。這四項(xiàng)重點(diǎn)措施既是解決大氣污染問題的重要途徑，同時(shí)也是城市低碳發(fā)展的必要手段，具有顯著的協(xié)同效應(yīng)。然而，從系統(tǒng)的角度看，并非所有的控煤措施都將達(dá)到低碳的效果，煤制天然氣項(xiàng)目即是其中最為突出的一類。

煤制天然氣（Coalbased Synthetic Natural Gas，Coalbased SNG），是指以煤為原料，采用氣化、凈化和甲烷化技術(shù)制取的合成天然氣。一部分觀點(diǎn)認(rèn)為，將煤炭轉(zhuǎn)化為天然氣加以利用是我國現(xiàn)有能源稟賦和能源結(jié)構(gòu)下一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略選擇[6-7]。同時(shí)，煤制天然氣在生產(chǎn)成本上具有一定的競爭力，發(fā)展煤制天然氣項(xiàng)目具有積極意義[6-8]。然而，煤制天然氣項(xiàng)目的資源環(huán)境負(fù)外部性也是學(xué)者們詬病的焦點(diǎn)，他們認(rèn)為，大規(guī)模煤制天然氣項(xiàng)目建設(shè)并不符合我國低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展的長期目標(biāo)[9-10]。部分學(xué)者對煤制天然氣全生命周期內(nèi)的資源消耗、環(huán)境排放進(jìn)行了核算，認(rèn)為煤制天然氣存在巨大的水資源消耗[11]和溫室氣體排放效應(yīng)[12-14]，發(fā)展煤制天然氣項(xiàng)目會(huì)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

在國內(nèi)煤炭庫存積壓、價(jià)格下跌和天然氣供求差距擴(kuò)大、價(jià)格上漲的市場環(huán)境下，煤制天然氣項(xiàng)目的市場要素已經(jīng)形成，成為眾多能源企業(yè)和地方政府投資建設(shè)的熱點(diǎn)項(xiàng)目。煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出大規(guī)模、蔓延式的“井噴”狀態(tài)。綜合考慮并分析煤制天然氣替代煤炭對削減大氣污染物排放的貢獻(xiàn)，以及由此帶來的其他方面的資源環(huán)境影響，從而權(quán)衡利弊，科學(xué)決策，是當(dāng)前PM25治理中最為迫切且至關(guān)重要的問題。

本文通過對煤制天然氣產(chǎn)業(yè)政策和現(xiàn)狀的梳理，基于對煤炭和煤制天然氣全生命周期資源消耗、大氣污染物和CO2排放的比較分析，以北京市使用煤制天然氣替代煤炭發(fā)電為例，測算以煤制天然氣替代煤炭這一區(qū)域PM25治理措施的資源環(huán)境影響，以期為我國當(dāng)前的煤制天然氣項(xiàng)目決策提供依據(jù)。

龔夢潔等：煤制天然氣發(fā)電對中國碳排放和區(qū)域環(huán)境的影響

中國人口·資源與環(huán)境2015年第1期

1煤制天然氣項(xiàng)目的發(fā)展現(xiàn)狀

煤制天然氣項(xiàng)目建設(shè)是發(fā)展新型煤化工的重要內(nèi)容。基于環(huán)境外部性的考慮，在霧霾大規(guī)模爆發(fā)之前，中央政府對煤化工、煤制天然氣產(chǎn)業(yè)一直持限制發(fā)展規(guī)模和收緊審批權(quán)限的態(tài)度。2010年6月，國家發(fā)改委在《關(guān)于規(guī)范煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展有關(guān)事項(xiàng)的通知（發(fā)改能源[2010]1205號(hào)）》中明確指出，在國家出臺(tái)明確的產(chǎn)業(yè)政策之前，煤制天然氣及配套項(xiàng)目由國家發(fā)展改革委統(tǒng)一核準(zhǔn)，地方政府不得擅自核準(zhǔn)或備案煤制天然氣項(xiàng)目。2011年2月，國家發(fā)改委針對一些地區(qū)盲目規(guī)劃、違規(guī)建設(shè)、無序發(fā)展煤化工等問題，發(fā)布《國家發(fā)展改革委關(guān)于規(guī)范煤化工產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展的通知（發(fā)改產(chǎn)業(yè)[2011]635號(hào)）》，指出在新的核準(zhǔn)目錄出臺(tái)之前，禁止建設(shè)年產(chǎn)20億m3及以下的煤制天然氣項(xiàng)目。在國家宏觀政策背景下，2011年之前國家發(fā)改委僅核準(zhǔn)了大唐內(nèi)蒙古赤峰、大唐遼寧阜新、匯能鄂爾多斯、慶華新疆伊犁等4個(gè)煤制天然氣項(xiàng)目，年產(chǎn)能共計(jì)151億m3。這一產(chǎn)能基本符合《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中提出的“到2015年煤制天然氣總供應(yīng)能力達(dá)到150-180億m3”的目標(biāo)。

為了應(yīng)對2012年起持續(xù)出現(xiàn)的霧霾天氣，各地區(qū)紛紛加大了清潔能源的使用力度，使全國天然氣供應(yīng)缺口呈現(xiàn)出擴(kuò)大趨勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年冬季天然氣缺口為40億m3左右，而2013年這一缺口達(dá)到了220億m3[15]。與此同時(shí)，煤炭價(jià)格持續(xù)走低，而天然氣價(jià)格不斷攀升，為煤制天然氣項(xiàng)目創(chuàng)造了巨大的盈利空間。

2013年9月出臺(tái)的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》是國家為煤制天然氣項(xiàng)目松綁的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。該《計(jì)劃》明確指出，“在滿足最嚴(yán)格的環(huán)保要求和保障水資源供應(yīng)的前提下，加快煤制天然氣產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；椒ァ?。此前一直處于被遏制狀態(tài)的煤制天然氣作為替代能源重新被提上產(chǎn)業(yè)化與規(guī)?；l(fā)展的日程。2013年以來，國家發(fā)改委加快了煤制天然氣的審批步伐，新增審批項(xiàng)目15項(xiàng)，新增產(chǎn)能620億m3。無論審批的項(xiàng)目數(shù)，還是審批的新增產(chǎn)能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了之前的“4項(xiàng)，151億m3”。截止2013年9月，國家發(fā)改委共計(jì)審批煤制天然氣項(xiàng)目19個(gè)，年產(chǎn)能達(dá)771億m3，達(dá)到了《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中“150-180億m3”的規(guī)劃目標(biāo)的5倍左右。

在市場需求擴(kuò)大、政策松綁的形勢下，全國多地尤其是新疆、內(nèi)蒙古等煤炭資源主產(chǎn)區(qū)的煤制天然氣項(xiàng)目建設(shè)呈現(xiàn)“井噴”狀態(tài)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2013年10月，我國建成、在建或擬建的煤制天然氣項(xiàng)目共61個(gè)，年總產(chǎn)能將達(dá)到2 693億m3。我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入史無前例的超速發(fā)展階段。

2煤制天然氣發(fā)電全生命周期內(nèi)的環(huán)境影響核算

21煤制天然氣發(fā)電的全生命周期

煤制天然氣的生產(chǎn)工藝大致相同，通過CO變換——酸性氣體脫除——高溫甲烷化等環(huán)節(jié)，完成煤制天然氣的生產(chǎn)，在這一過程中將

有大量溫室氣體排出。然而，僅僅關(guān)注其生產(chǎn)過程中的排放是不夠的，通過全生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment， LCA）的方法測算、評(píng)價(jià)煤制天然氣從煤炭開發(fā)、煤制天然氣生產(chǎn)和最終利用全過程的能量消耗和環(huán)境排放，才能系統(tǒng)客觀地認(rèn)識(shí)其真正的環(huán)境影響。根據(jù)煤制天然氣終端消費(fèi)方式的不同，全生命周期系統(tǒng)邊界也有所不同。為了便于和煤炭進(jìn)行比較，本文考慮發(fā)電作為能源消費(fèi)終端，并采用平均發(fā)電水平。評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界包括：煤炭開采、煤炭洗選、煤炭運(yùn)輸、煤制天然氣工廠加工、煤制天然氣管道運(yùn)輸、煤制天然氣發(fā)電（見圖1）。為適當(dāng)簡化工作量并使結(jié)果更加直觀，涉及運(yùn)輸載體、廠房設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的生命周期排放等所占比例甚低的部分均不計(jì)入。

圖1煤制天然氣發(fā)電系統(tǒng)的全生命周期

Fig1Life cycle of coalbased SNG to electricity system

22全生命周期碳排放核算方法和參數(shù)

全生命周期分析是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。理論上來說，煤制天然氣全生命周期的CO2排放可以通過對各個(gè)環(huán)節(jié)的CO2排放加總得出：

F煤制天然氣=F煤炭開采+F煤炭洗選+F煤炭運(yùn)輸+F工廠加工+F管道運(yùn)輸+F發(fā)電 （1）

其中，F(xiàn)煤制天然氣為煤制天然氣全生命周期的CO2排放;F煤炭開采、F煤炭洗選、F煤炭運(yùn)輸、F工廠加工、F管道運(yùn)輸、F發(fā)電 為煤制天然氣全生命周期系統(tǒng)中煤炭開采、煤炭洗選、煤炭運(yùn)輸、工廠加工、管道運(yùn)輸、發(fā)電等環(huán)節(jié)的CO2排放。為了便于與煤炭發(fā)電全生命周期內(nèi)的碳排放進(jìn)行比較，本研究將1 kWh電力作為煤制天然氣發(fā)電與煤炭發(fā)電作為系統(tǒng)的最終輸出。因此，該式中F煤制天然氣也可以理解為每產(chǎn)生1 kWh電力所需的煤制天然氣全生命周期的CO2排放，單位為gCO2/kWh。根據(jù)已有研究，煤制天然氣工廠加工和燃?xì)怆姀S發(fā)電兩個(gè)階段的CO2排放占其全生命周期排放總量的885%[13]。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注煤制天然氣工廠加工和燃?xì)怆姀S生產(chǎn)的排放。

煤制天然氣發(fā)電與煤炭直接發(fā)電兩條技術(shù)路線在煤炭開采、洗選、運(yùn)輸環(huán)節(jié)基本一致，將這些與生產(chǎn)和消費(fèi)排放并非直接相關(guān)的環(huán)境所產(chǎn)生的CO2排放表示為F煤炭上游，單位為gCO2/MJ。由于天然氣管道運(yùn)輸環(huán)節(jié)的碳排放極小，因此忽略不計(jì)。則公式（1）可簡化為：

F煤制天然氣=F煤炭上游+F工廠加工+F發(fā)電（2）

F煤炭上游=F煤炭開采+F煤炭洗選+F煤炭運(yùn)輸

根據(jù)碳排放核算公式，每單位煤制天然氣發(fā)電過程中的碳排放可以用下式進(jìn)行計(jì)算：

E單位煤制天然氣=4412·CCFN·FORFN（3）

式中，CCFN表示煤制天然氣的含碳量，單位為gC/MJ;FORFN表示煤制天然氣發(fā)電過程中的碳氧化率，單位為%。同時(shí)，每單位煤制天然氣所能產(chǎn)生的電量為：

E單位電量=η2·1θ（4）

式中，η2表示天然氣的發(fā)電效率，單位為%;θ表示熱電轉(zhuǎn)化系數(shù)，單位為MJ/kWh。結(jié)合公式（3）和（4），煤制天然氣每發(fā)1 kWh電，在發(fā)電環(huán)節(jié)的碳排放可以表達(dá)為：

F發(fā)電=θ·1η2·4412·CCFN·FORFN（5）

進(jìn)行全生命周期分析，還需要把碳排放過程追溯到煤制天然氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)和煤炭上游環(huán)節(jié)。一般來說，每生產(chǎn)1單位的煤制天然氣，所需的煤炭數(shù)量為1ηe，其中ηe表示煤制天然氣的能量轉(zhuǎn)化效率，單位為%。進(jìn)而，每發(fā)1 kWh電力所需的煤炭數(shù)量可以表達(dá)為θ·1η2·1ηe。而每單位煤炭在煤制氣過程中的碳排放可以通過煤炭中潛在碳排放量減去天然氣中的潛在碳排放量計(jì)算得出，其表達(dá)式為：

F單位煤炭=4412·CCFC·FORFC-4412·CCFN·ηe（6）

式中，CCFC表示煤炭的含碳量，單位為gC/MJ;FORFC表示煤制氣過程中的碳氧化率，單位為%。進(jìn)行全生命周期碳排放核算，需要把各個(gè)工藝流程中所需要的物質(zhì)單位統(tǒng)一起來。根據(jù)各工藝流程的物質(zhì)轉(zhuǎn)換系數(shù)，煤制天然氣每發(fā)1 kWh電，在煤制天然氣環(huán)節(jié)的碳排放可以表達(dá)為：