氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展對(duì)中國(guó)溫室氣體減排貢獻(xiàn)的生命周期分析

翟 君，馮立巖，2*，王 猛，隆武強(qiáng)，2，王東升（.大連理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，遼寧 大連 602；2.大連理工大學(xué)船舶制造國(guó)家工程研究中心，遼寧 大連 602；.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)機(jī)械設(shè)備技術(shù)服務(wù)中心，天津 00452）

氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展對(duì)中國(guó)溫室氣體減排貢獻(xiàn)的生命周期分析

翟 君1，馮立巖1，2*，王 猛1，隆武強(qiáng)1，2，王東升3（1.大連理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學(xué)船舶制造國(guó)家工程研究中心，遼寧 大連 116023；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)機(jī)械設(shè)備技術(shù)服務(wù)中心，天津 300452）

為分析氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的溫室氣體減排能力，應(yīng)用生命周期分析方法計(jì)算了不同燃料的生命周期溫室氣體排放量，并據(jù)此計(jì)算了不同發(fā)動(dòng)機(jī)的溫室氣體排放量.建立了氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)“最大限度發(fā)展”和“不發(fā)展”兩種情形.據(jù)此預(yù)測(cè)了2020年中國(guó)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的溫室氣體減排效果，估算了2020年氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的耗氣量占?xì)怏w供應(yīng)量的比重.結(jié)果顯示，在最大限度發(fā)展情形下，氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)將分別為城市公共交通、船舶動(dòng)力和火力發(fā)電領(lǐng)域減少約7.47， 18.25， 450.1Mt CO2e的溫室氣體，減排量占全國(guó)減排目標(biāo)的5.3%.氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)將分別消耗15%的天然氣、18.5%的煤層氣和50%的垃圾填埋氣供應(yīng)量.考慮我國(guó)氣體燃料資源結(jié)構(gòu)情況及供應(yīng)形勢(shì)，推廣氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是切實(shí)可行的.

氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；溫室氣體；生命周期；中國(guó)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，陸地及水上運(yùn)輸以及發(fā)電量日益增加，對(duì)燃料的需求量也越來(lái)越大，這不僅使得能源供應(yīng)面臨著前所未有的壓力，也使得我國(guó)的溫室氣體排放量在近20年迅速上升，并有持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)［1-2］.氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用以甲烷為主要成分的天然氣、煤層氣和垃圾填埋氣等作為燃料，其溫室氣體排放量遠(yuǎn)小于柴油、汽油、燃煤等傳統(tǒng)化石燃料.但氣體燃料的開(kāi)采、運(yùn)輸和儲(chǔ)存工藝較為復(fù)雜，其過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定的溫室氣體，從而削減氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的溫室氣體減排優(yōu)勢(shì).因此發(fā)展氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)我國(guó)溫室氣體減排的貢獻(xiàn)程度需要在綜合分析燃料制備、儲(chǔ)運(yùn)、燃用等過(guò)程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行完整的量化分析.

現(xiàn)有的生命周期溫室氣體排放分析多針對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)使用煤層氣和垃圾填埋氣的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的生命周期溫室氣體排放則少有研究.此外，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究大多針對(duì)某一領(lǐng)域，而沒(méi)有將應(yīng)用于車輛、船舶以及電廠的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的溫室氣體減排效果綜合考慮［3-6］，難以在總量上對(duì)氣體燃料發(fā)動(dòng)的溫室氣體減排效果做出評(píng)估.

因此，本研究采用生命周期的分析方法計(jì)算了3種氣體燃料（天然氣、煤層氣、垃圾填埋氣）和5種傳統(tǒng)燃料（柴油、汽油、重燃料油、船用輕柴油、燃煤）從生產(chǎn)到最終使用的全生命周期中的溫室氣體排放量；根據(jù)“不推廣氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)”和“最大限度推廣氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)”兩種情形，預(yù)測(cè)、對(duì)比了2020年城市公共交通、船舶動(dòng)力和火力發(fā)電領(lǐng)域中的溫室氣體排放量，旨在為在中國(guó)推廣氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)提供數(shù)據(jù)和方法依據(jù).

1 分析方法

1.1 生命周期溫室氣體排放的概念

燃料從生產(chǎn)到最終使用的全過(guò)程中的溫室氣體（GHG）排放量稱為生命周期溫室氣體（LCG）排放.本研究將LCG劃分為兩個(gè)部分:上游排放和下游排放.上游排放包括原材料的開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程，燃料的生產(chǎn)、運(yùn)輸和分配過(guò)程中排放的溫室氣體；下游排放是燃料最終使用過(guò)程（即燃燒過(guò)程）中排放的溫室氣體.

本文分析的溫室氣體包括CO2，CH4和N2O.其溫室效應(yīng)以全球暖化潛勢(shì)（GWP）進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并以二氧化碳當(dāng)量（CO2e）進(jìn)行表示［7］，計(jì)算公式如下:

1.2 不同燃料的LCG排放

本文主要分析對(duì)比5種傳統(tǒng)化石燃料和3種氣體燃料的LCG排放，包括柴油、汽油、船用重質(zhì)燃料油（HFO）、船用輕柴油（MGO）、燃煤；天然氣（NG）、煤層氣（CMG）和垃圾填埋氣（LFG）.其中，壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）由于制造工藝不同，上游排放差別較大，所以本文將NG分為CNG和LNG分別討論.表1列出了各種燃料的低位發(fā)熱值（LHV）.

表1 不同燃料的低位發(fā)熱值Table 1 Low heating values of different fuels

柴油、汽油的LCG排放研究已較為成熟，而CMG與LFG的LCG排放則鮮有研究.本文取煤礦開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的GHG排放為CMG開(kāi)采過(guò)程中的GHG排放；取NG運(yùn)輸、存儲(chǔ)及分配過(guò)程的GHG排放為CMG運(yùn)輸、存儲(chǔ)和分配過(guò)程的GHG排放；LFG的上游排放為垃圾填埋場(chǎng)正常運(yùn)行所消耗的燃料、電力以及設(shè)備所產(chǎn)生的LCG排放與氣體收集過(guò)程產(chǎn)生的GHG排放之和.由于LFG的主要成分為甲烷，其收集設(shè)備與CNG類似，本文取收集CNG產(chǎn)生的GHG排放為收集LFG的GHG排放.

柴油、汽油、CNG、LNG和CMG的LCG排放計(jì)算如式（2）:

式中:GHGupi表示燃料i的上游排放，g/MJ； αi表示燃料i的碳?xì)浔龋籐HVi表示燃料i的低位發(fā)熱值，kJ/kg；i表示燃料類型.

根據(jù)上述數(shù)據(jù)和假設(shè)，由公式（1）和（2）所計(jì)算得到的各種燃料的LCG排放量如表2所示.需要說(shuō)明的是，LFG燃燒后以CO2形式排放出的碳是生物質(zhì)的［8］，即LFG燃燒產(chǎn)生的CO2可以被植物所吸收，而植物正是大部分可降解垃圾的主要原料，這部分CO2參與到生態(tài)循環(huán)當(dāng)中，不屬于GHG的范疇，所以LFG的下游排放為0.

表2 各種燃料的LCG排放量Table 2 LCG emissions of different fuels

1.3 分析范圍和區(qū)間設(shè)定

汽車，船舶和火力電站是氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的3個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域，本文針對(duì)這3個(gè)領(lǐng)域分析推廣氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)減少GHG排放的作用.GHG排放均以燃料的LCG排放量為基準(zhǔn)進(jìn)行分析.

本文分析的時(shí)間段為2011～2020年.為了使數(shù)據(jù)有更好的可比性，采取了2點(diǎn)假設(shè):1.中國(guó)經(jīng)濟(jì)在這10年里將按GDP 7%的增長(zhǎng)率保持平穩(wěn)較快發(fā)展［10］；2.能源轉(zhuǎn)換效率和各種燃料的LCG排放量在這10年里保持不變.

本文對(duì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的2種應(yīng)用情景做對(duì)比分析:1.WOGE（without gas engine）情景:不推廣氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，之前已經(jīng)投入使用的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)同樣不計(jì)入計(jì)算；2.BC（best case）情景:最大力度推廣氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，政府的各項(xiàng)措施均得到良好的貫徹實(shí)施，國(guó)內(nèi)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在2020年得到最大限度的應(yīng)用.

2 分析過(guò)程

我國(guó)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于交通和發(fā)電領(lǐng)域，其應(yīng)用比例呈逐年上升態(tài)勢(shì)［11-13］.車用天然氣占全國(guó)天然氣消費(fèi)總量的比重由2000年的1.8%上升到2010年的5%［14］；利用LNG作為燃料的船舶主機(jī)也逐漸進(jìn)入市場(chǎng)［15］；電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)所消耗天然氣的比重由2000年的2.6%［16］增加到2010年的16.8%［12］.受到提純技術(shù)不成熟、運(yùn)輸管路的建設(shè)不健全等因素限制，CMG和LFG則主要用于發(fā)電.我國(guó)CMG發(fā)電站目前主要分布在幾大煤礦基地；而LFG則主要供垃圾填埋場(chǎng)自建電站的發(fā)電機(jī)組使用.綜上，本文假設(shè)在2011～2020年期間，汽車所利用的氣體燃料為CNG與LNG；船舶所用的氣體燃料為L(zhǎng)NG；發(fā)電領(lǐng)域所利用的氣體燃料為CNG，CMG和LFG.

2.1 城市公共交通

2.1.1 城市公交與出租車的能耗分析 中國(guó)政府出臺(tái)的多項(xiàng)政策均表明，未來(lái)10年氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在道路運(yùn)輸領(lǐng)域推廣的重點(diǎn)是城市公共交通部分［17］，本文將著重分析氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在城市公交（CB）和出租車（TA）上的應(yīng)用.根據(jù)車輛所使用的燃料類型，本文將公交車分為柴油公交（CB-D）、壓縮天然氣公交車（CB-CNG）和液化天然氣公交車（CB-LNG）； 將出租車分為汽油出租車（TA-G）和壓縮天然氣出租車（TA-CNG）.

使用不同燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率不同，這對(duì)于GHG排放有很大影響.目前，典型的排量為10～16L的重型車輛所使用的柴油機(jī)的熱效率為43%～46%［18］，而小型客車使用的汽油機(jī)的熱效率僅為30%.以北京市的公交車為例， CB-D的平均能耗約為11.8MJ/km，CB-CNG和CB-LNG的平均能耗分別約為17.4，14.7MJ/km［19］.對(duì)全國(guó)不同車身長(zhǎng)度的柴油城市公交能耗的研究與分析則表明2009年CB-D的能耗約為14.3MJ/km［20］.本文取上述能耗值的均值作為2020年全國(guó)CB-D的平均能耗.由于氣罐的體積與質(zhì)量的差異CB-LNG的能耗要低于CB-CNG.周淑慧等［21］的數(shù)據(jù)表明，CB-LNG的能耗約為16MJ/km，而CB-CNG的約為18MJ/km.楊尚賓［22］則指出，一輛使用康明斯B5.9-195G天然氣單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的14m CB-LNG的能耗約為15MJ/km.對(duì)裝有2006Cummins ISL/ICG 280發(fā)動(dòng)機(jī)的公交車臺(tái)架和道路試驗(yàn)的結(jié)果表明，CB-CNG的能耗較柴油公交高17.4%［23］.綜上，本文假設(shè)CB-LNG與CB-CNG在2020年的能耗水平分別為15.4，17.3MJ/km.

伴隨輕型車身材料的使用和發(fā)動(dòng)機(jī)增壓、燃料直噴和可變氣門等技術(shù)的推廣，2015年使用汽油、柴油和天然氣的小型車的經(jīng)濟(jì)性均有所改善，每km能耗分別為2.61，2.15，2.44MJ［24］.本文假設(shè)我國(guó)出租車的能耗在2020年將達(dá)到這一水平.

2.1.2 天然氣公交與出租車減排預(yù)測(cè) 車輛GHG排放水平計(jì)算公式如下:

式中:GHGvj表示車輛j的GHG排放量，gCO2e/km；FEj表示車輛j的能耗，MJ/km；LCGj表示車輛j所使用的燃料的LCG排放，g/MJ；j表示車輛類型.

計(jì)算結(jié)果如表3所示.使用CNG和LNG作為公交車的替代燃料每km可減少約18%和19.2%的溫室氣體排放；CNG出租車每km的減排量可達(dá)41.3%.雖然LNG的LCG排放量要比CNG高約9.7%，但CB-LNG的能耗較CB-CNG低約11%，所以在實(shí)際道路行駛時(shí)CB-LNG的 GHG排放量少于CB-CNG.對(duì)于出租車而言，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率比汽油機(jī)高，同時(shí)CNG的LCG排放比汽油少約35%，這使得CNG出租車的減排效果顯著.

表3 各類型公交車和出租車的能耗和GHG排放Table 3 Energy consumption and GHG emissions of different kinds of buses and taxies

據(jù)交通部公路水路交通行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［11］的數(shù)據(jù)，2010年柴油車，天然氣汽車和汽油車占全國(guó)公交車的比重分別為69%，13%和8.1%；2011年它們的比例則分別為67.1%，15.2%和6.2%（其余為電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車）.本文推測(cè)2020年CB-D將占城市公交市場(chǎng)的50%，CB-NG的市場(chǎng)份額將增加到35% （包括CB-CNG和CB-LNG）. 我國(guó)的LNG大多經(jīng)海上運(yùn)輸進(jìn)口到國(guó)內(nèi)，沿海地區(qū)LNG運(yùn)輸和存儲(chǔ)成本較內(nèi)陸城市要低很多，所以LNG公交將主要集中于沿海地區(qū).若2020年主要沿海城市的城市公交全部采用LNG作為燃料且CB-LNG的增長(zhǎng)速度與 CB相同，則綜合各沿海城市的LNG公交保有量，2020年全國(guó)CB-LNG的保有量將達(dá)16605輛.本文假設(shè)2011～2020年期間，全國(guó)CB和TA的增長(zhǎng)速率與2001～2010年相同；TA-CNG的增長(zhǎng)速率與CB-CNG的增長(zhǎng)速率相同. CB和TA的年平均行駛路程分別為40000，130000km［25］.2020年，全國(guó)城市公交和出租車的保有量如表4所示.計(jì)算結(jié)果表明，2020年，在BAU情形下公交車和出租車的GHG排放量分別為25.70，38.40Mt CO2e； BC情形下，其GHG排放則分別為23.78，32.85Mt CO2e.由此可知，使用CNG與LNG作為公交車和出租車的代用燃料，2020年的城市公交和出租車的GHG排放量將分別減少7.5%和14.5%.

表4 2020年全國(guó)公交車和出租車保有量Table 4 Survival data of buses and taxies in China in 2020

2.2 船舶動(dòng)力

2.2.1 天然氣船用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 目前天然氣船用發(fā)動(dòng)機(jī)分為柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和天然氣單燃料發(fā)動(dòng)機(jī).雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以天然氣為主燃料工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴射少量輕柴油引燃缸內(nèi)天然氣-空氣混合氣，其燃料供應(yīng)系統(tǒng)較復(fù)雜，但對(duì)氣源穩(wěn)定性要求較低.典型的雙燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)有:MAN公司的32/40DF、35/44DF、51/60DF系列等，W?rtsil?公司的W20DF、W34DF、W50DF等.天然氣單燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)以火花塞點(diǎn)燃天然氣-空氣預(yù)混合氣，對(duì)穩(wěn)定氣源要求較高，因此主要應(yīng)用于近海和內(nèi)河.典型的天然氣單燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)有: W?rtsil?的34SG、50SG系列，Rolls-Royce的B26:33、B35:40系列等.以上高水平天然氣船用發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用稀薄燃燒技術(shù)以保證高效清潔燃燒，平均有效壓力均高于1.8MPa，有效熱效率高于46%，排放滿足國(guó)際海事組織第三階段排放法規(guī)（IMO TIER III）要求.

據(jù)國(guó)家能源局的計(jì)劃，我國(guó)將在未來(lái)10年將大批漁船（FV）改造成柴油-LNG雙燃料船.與應(yīng)用在大型船舶上的先進(jìn)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同，應(yīng)用在漁船上的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的LNG替代率較低，工作在雙燃料模式下時(shí)，LNG的使用量約占燃料總量的80%.這種雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)原柴油機(jī)的改動(dòng)小，成本低，適合于我國(guó)漁船基數(shù)大，船主收入偏低且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)成本較為敏感的現(xiàn)狀.王術(shù)新等［26］對(duì)X6170ZC-19柴油機(jī)進(jìn)行了改裝，采用了電控混燃噴射系統(tǒng)，其試驗(yàn)結(jié)果表明，在滿負(fù)荷情況下，LNG替代柴油的替代率達(dá)83.3%，滿負(fù)荷熱效率達(dá)41.1%，與原柴油機(jī)相當(dāng).

2.2.2 天然氣船舶的減排效果預(yù)測(cè) 我國(guó)在2020年的天然氣船舶將主要為1000t級(jí)至5萬(wàn)t級(jí)的運(yùn)輸船舶和漁船.采用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)輸船舶均采用LNG單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，有效熱效率為48%.天然氣漁船均采用柴油-LNG雙發(fā)動(dòng)機(jī)，熱效率為40%，平均LNG替代率為73%［15］.

我國(guó)內(nèi)河和江海聯(lián)運(yùn)新造船舶以千t級(jí)至萬(wàn)t級(jí)為主，尤其以千t級(jí)至5000t級(jí)最多，多采用雙機(jī)雙槳的中速機(jī)，單機(jī)功率在400kW到1000kW；5000t級(jí)至5萬(wàn)t級(jí)的大t位江海聯(lián)運(yùn)新造船舶也已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)，主機(jī)需要1000kW至8000kW的中速機(jī)，且數(shù)量逐年增加；而漁船使用的多為中高速柴油機(jī)，功率從幾十千瓦到幾百千瓦不等.

據(jù)交通部和部分船企的歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，每年建造千t級(jí)至5000t級(jí)內(nèi)河船舶約為2000艘，據(jù)此推算，每年將新增400～1000kW的大功率中速主機(jī)4000臺(tái).本文假設(shè)每年這些新增船舶中將有20%被改裝成天然氣船舶.SCV被作為5000t級(jí)至5萬(wàn)t級(jí)天然氣船舶的典型船型，平均功率約為12000kW［27］.全球運(yùn)載量在5000～5999TEUs之間的SCV的平均年增長(zhǎng)率為5.5%［28］，若中國(guó)可改造成使用LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的5000t級(jí)至5萬(wàn)t級(jí)船舶以相同的速度增長(zhǎng)，則截至2020年，其數(shù)量為53艘［29］.2020年中國(guó)水上運(yùn)輸船舶的年平均工作時(shí)間為6500h［30］.2020年50%的漁船將改用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，年平均工作時(shí)間為2400h［31］.本文假設(shè)運(yùn)輸船舶和漁船在2011～2020年均保持2010～2012年的年平均增長(zhǎng)率，則據(jù)中國(guó)漁業(yè)年鑒［32］和交通部公路水路交通行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［11］的數(shù)據(jù)，2020年中國(guó)水上船舶的總功率和天然氣船舶的使用情況如表5所示.GHG排放量的計(jì)算公式如下:

式中:i表示船只類型；Pi表示船舶i的功率，kW；ti表示船舶i的年運(yùn)行時(shí)間，h；ηi表示船舶i主機(jī)的熱效率.

GHG排放的計(jì)算結(jié)果表明，2020年，BAU情形下，運(yùn)輸船舶和漁船的GHG排放量分別為564.49，67.63Mt CO2e；BC情形下，則分別為560.58，53.02Mt CO2e. LNG船用主機(jī)可以幫助中國(guó)船舶在2020年減少18.25Mt CO2e的GHG排放，減排量達(dá)2.9%.其中漁船的減排效果較為顯著，高達(dá)14.34Mt CO2e，運(yùn)輸船舶的減排效果則較為遜色.這主要是因?yàn)闈O船“油改氣”對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的改動(dòng)較小，成本較低，其改裝數(shù)量較多；而運(yùn)輸船舶中有望在近10年改裝成為天然氣船舶的還僅限于千t級(jí)以上的船舶，且改裝成本較高，發(fā)展速度較慢.但隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格和船舶主機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，在國(guó)家政策的大力支持下，水上運(yùn)輸船舶的GHG減排作用將在不久的將來(lái)凸顯出來(lái).

表5 2020年中國(guó)船舶功率分布Table 5 Power of ships in China in 2020

2.3 火力發(fā)電領(lǐng)域

2.3.1 我國(guó)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電站發(fā)展現(xiàn)狀2011年電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)所消耗的天然氣達(dá)215.9億m3，占當(dāng)年天然氣消耗總量的16.5%［33］.目前國(guó)產(chǎn)天然氣發(fā)電機(jī)組的熱效率達(dá)到42%以上，而進(jìn)口的先進(jìn)天然氣發(fā)電機(jī)組的有效熱效率則可高達(dá)49%［34］.

國(guó)家發(fā)改委在2005年頒布《清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）項(xiàng)目運(yùn)行管理辦法》之后，我國(guó)CMG電站得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，我國(guó)已建成數(shù)個(gè)煤層氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項(xiàng)目，截止2010年底，全國(guó)CMG發(fā)電裝機(jī)容量增加到近150萬(wàn)kW［35］.

我國(guó)對(duì)LFG的利用起步較晚，目前國(guó)產(chǎn)的LFG發(fā)動(dòng)機(jī)還是空白，建成的LFG電站所應(yīng)用的LFG發(fā)動(dòng)機(jī)均為進(jìn)口機(jī)型，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量為1000kW左右［36-37］.但近幾年，我國(guó)加快了對(duì)LFG發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，各研究機(jī)構(gòu)也用天然氣與二氧化碳的混合氣作為垃圾填埋氣的類似氣體對(duì)LFG進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)型的熱效率可達(dá)42.3%［38］.

2.3.2 基本假設(shè) 本文的分析基于以下假設(shè). 2020年全國(guó)發(fā)電量的80%為火力發(fā)電量.我國(guó)煤炭電站在2010年發(fā)電效率為38.5%［39］，2020年這一數(shù)值將保持不變.WOGE情形下，全國(guó)火力發(fā)電站均使用煤炭作為燃料；BC情形下，NG、CMG和LFG均作為煤炭的替代燃料投入使用，且發(fā)電站所用天然氣均為CNG.

我國(guó)2020年電力消耗量為62110億kWh，NG電站年發(fā)電量占發(fā)電總量的0.7%［40］.全國(guó)煤層氣發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量2009年為92萬(wàn)kW［40］，2010年則增長(zhǎng)到了150萬(wàn)kW［35］.以此增長(zhǎng)趨勢(shì)線性增長(zhǎng)， 2020年全國(guó)煤層氣發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量將達(dá)到730萬(wàn)kW；假設(shè)其平均年滿負(fù)荷工作時(shí)間為150d，每天20h.

CMG根據(jù)其甲烷含量的不同可分為地表開(kāi)采煤層氣（CBM）、井下開(kāi)采煤層氣（CMM）和乏風(fēng)（VAM），其甲烷含量分別為80%～95%、25%～ 80%和0.05%～0.7%.VAM雖然由于甲烷含量過(guò)低不能作為替代燃料投入使用，但當(dāng)其甲烷含量達(dá)到0.4%～0.5%時(shí)，卻可以作為輔助氣體，進(jìn)入到發(fā)電機(jī)組內(nèi)燃燒，因此本文假設(shè)2020年50%的VAM將被發(fā)電機(jī)組作為輔助氣體消耗掉.LFG在2011～2020期間保持線性增長(zhǎng)， 50%被用于發(fā)電.

本文假設(shè)截至2020年我國(guó)天然氣發(fā)電機(jī)組的平均發(fā)電效率為45%［41］.中國(guó)的大部分企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)使用煤層氣時(shí)，對(duì)于CBM和CMM并不加以區(qū)分，本文假設(shè)采用CBM和CMM的發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率相同，均為43.5%［35］.LFG發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率為36.6%［42］.

2.3.3 火力發(fā)電領(lǐng)域減排預(yù)測(cè) LFG和CMG可以從兩個(gè)方面減少GHG排放:LFG和CMG如果不加以利用，將會(huì)直接排放入大氣，成為溫室氣體； LFG和CMG可作為煤炭的替代燃料，其LCG排放比煤炭少的多.具體計(jì)算方法如下式所示:

式中:i為氣體類型；GHGr是3種氣體燃料（NG，CMG和LFG）發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的GHG減排量；GHGrei是由于回收氣體i所減少的GHG排放量；GHGei是使用氣體燃料所產(chǎn)生的GHG減排量；GHGsubi為氣體燃料i替代煤炭發(fā)電所減少的GHG排放；GHGLTEi是氣體燃料i發(fā)電所產(chǎn)生的GHG排放量；GHGLFi是氣體燃料發(fā)電所產(chǎn)生的生命周期GHG排放量； ηi是利用燃料i發(fā)電的發(fā)電效率；GHGT是火力發(fā)電的GHG排放總量. GHGcoal表示當(dāng)火力發(fā)電只使用煤炭作為燃料時(shí)所產(chǎn)生的GHG排放量.

根據(jù)上文的假設(shè)，表6列出了2020年火力發(fā)電領(lǐng)域的GHG排放量.

表6 2020年火力發(fā)電領(lǐng)域GHG排放量（Mt CO2e）Table 6 GHG emissions from thermal power generation field in China in 2020 （Mt CO2e）

2020年氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電站的發(fā)電量將占全國(guó)火力發(fā)電總量的1.6%，其中約0.9%的電量由CNG電站產(chǎn)生，其余部分則來(lái)自于CMG和 LFG電站.使用氣體燃料可以為火力發(fā)電領(lǐng)域在2020年減少45.3Mt CO2e的GHG排放量，與此同時(shí)回收煤層氣和垃圾填埋氣還可以減少404.8Mt CO2e的GHG排放.使用氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不僅減少了大量的溫室氣體排放，同時(shí)也緩解了能源緊缺造成的供電壓力.

3 全國(guó)GHG減排效果分析

中國(guó)于2009年對(duì)外宣布了控制溫室氣體排放的行動(dòng)目標(biāo)，決定到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）二氧化碳排放量比2005年下降40%～50%.所以2005年被作為氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)GHG減排效益分析的基線，并且本文假設(shè)2020年的GHG排放量較2005年每單位GDP將減少40%.

《中國(guó)氣候變化第二次國(guó)家信息通報(bào)》［43］的數(shù)據(jù)表明，2005年全國(guó)CO2，CH4和N2O的排放量分別為5554.04，44.45，1.27Mt，則用式（1）計(jì)算所得的全國(guó)二氧化碳排放當(dāng)量為7043.75Mt.中國(guó)2005年的GDP為77260億美元，而到2020年，這一數(shù)值將增長(zhǎng)到245080億美元［44］.本文假設(shè)在WOGE和BC情形下，2020年中國(guó)GDP值相同，則全國(guó)GHG排放情況如表7所示.

表7 全國(guó)2020年GHG減排效果預(yù)測(cè)Table 7 Prediction of domestic GHG emissions reduction potential in 2020

由表7和圖1可見(jiàn)，2020年火力發(fā)電領(lǐng)域的GHG減排效果最為顯著，船舶領(lǐng)域次之，城市公交和出租車的GHG減排量則相對(duì)較少.其原因主要有以下幾點(diǎn):（1）全國(guó)電力行業(yè)的能量需求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他2個(gè)領(lǐng)域，所應(yīng)用的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的單缸功率大，數(shù)量多；（2）由于技術(shù)的限制，CMG和LFG發(fā)動(dòng)機(jī)在2020年將只用于發(fā)電領(lǐng)域，而回收這2種氣體所產(chǎn)生的GHG減排量相當(dāng)可觀；（3）車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的單缸功率小，即使城市公交和出租車的總量較大，該領(lǐng)域所利用的天然氣總量有限；（4）船用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)目前處于起步階段，大功率船舶數(shù)量有限，使氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的推廣受到了一定的限制.

圖1 2020年不同領(lǐng)域GHG減排量分布情況Fig.1 GHG emissions from different fields in China in 2020

由上述的分析可知，推廣氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的GHG減排效果十分顯著，但氣體燃料的供應(yīng)量是否能夠滿足氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求是推廣的關(guān)鍵.根據(jù)國(guó)家能源局和發(fā)改委的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本文對(duì)全國(guó)CMM和CBM的產(chǎn)量增長(zhǎng)趨勢(shì)做出了預(yù)測(cè)，分別如圖2和圖3所示.

圖2 2020年中國(guó)CMM產(chǎn)量預(yù)測(cè)Fig.2 Prediction of CMM production in China in 2020

由增長(zhǎng)規(guī)律預(yù)測(cè)，2020年我國(guó)CMG的產(chǎn)量可達(dá)337億m3，若其利用率為60%，則可利用的煤層氣量為202億m3，氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電站所消耗的煤層氣僅為37.4億m3，占可利用量的18.5%.

圖3 2020年中國(guó)CBM產(chǎn)量預(yù)測(cè)Fig.3 Prediction of CBM production in China in 2020

2020年我國(guó)天然氣的產(chǎn)量和進(jìn)口量將達(dá)到1547.1億 m3［45］和598.5億m3［46］，即可利用的天然氣總量為2145.6億m3，各領(lǐng)域天然氣利用比例如圖4所示.城市公共交通，船舶主機(jī)及火力發(fā)電站所消耗的天然氣總量為327.85億m3，占天然氣總量的15%.因此煤層氣和天然氣的供應(yīng)量可以滿足2020年推廣氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的要求.

圖4 2020年天然氣消耗按行業(yè)分布情況Fig.4 NG consumption of different industries in China in 2020

4 結(jié)論

4.1 天然氣（包括壓縮天然氣和液化天然氣）、煤層氣和垃圾填埋氣的生命周期溫室氣體排放量均小于傳統(tǒng)化石燃料（包括柴油、汽油、重柴油、船用輕柴油和燃煤）.

4.2 盡管由于制取工藝復(fù)雜造成LNG的上游GHG排放高于CNG，但綜合考慮氣罐重量，能量密度等因素，LNG公交車的能耗更低，GHG排放更少.

4.3 垃圾填埋氣作為一種生物質(zhì)能，其生命周期的GHG排放量最少，但收集系統(tǒng)的不健全，利用技術(shù)的不成熟，使其GHG減排能力大大降低.但隨著國(guó)家對(duì)生物質(zhì)能和溫室氣體減排的日益重視，垃圾填埋氣的應(yīng)用前景十分廣泛.

4.4 船用天然氣單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率已接近船用柴油機(jī)，且GHG排放明顯低于柴油機(jī).但我國(guó)的大功率天然氣船用主機(jī)的發(fā)展才剛剛起步，近十年內(nèi)的GHG減排貢獻(xiàn)仍偏低；而我國(guó)漁船基數(shù)大，老化嚴(yán)重，柴油-天然氣雙燃料船的改裝相對(duì)容易，漁船“油改氣”的GHG減排量成為我國(guó)2020年船舶GHG減排的主要來(lái)源.

4.5 氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的推廣將有效減少城市公共交通、船舶和火力發(fā)電領(lǐng)域的GHG排放，氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)將有望在2020年為我國(guó)減少475.82Mt CO2e的GHG排放，約占國(guó)家減排目標(biāo)的5.3%.其中，火力發(fā)電領(lǐng)域的減排效果尤為顯著，其最主要的原因在于回收和利用了排放入大氣的煤層氣和垃圾填埋氣，這不僅減少了GHG的氣源，更發(fā)揮了這兩種氣體燃料低生命周期GHG排放的優(yōu)勢(shì).

4.6 2020年，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)將為城市公共交通減少約7.47Mt CO2e的GHG排放，減排幅度達(dá)11.65%；LNG船用發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油-LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)將為船舶減少約18.25Mt CO2e的GHG排放；回收煤層氣和垃圾填埋氣，可以減少404.8Mt CO2e的GHG排放，而這使得火力發(fā)電領(lǐng)域的GHG減排量高達(dá)450.1Mt CO2e.

［1］計(jì)軍平，馬曉明.中國(guó)溫室氣體排放增長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)分解分析 ［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)， 2011，31（12）:2076-2082.

［2］周 偉，米 紅.中國(guó)能源消費(fèi)排放的CO2測(cè)算 ［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)， 2010，30（8）:1142-1148.

［3］Ou X M， Zhang X L， Chang S Y. Alternative fuel buses currently in use in China: Life-cycle fossil energy use， GHG emissions and policy recommendations ［J］. Energy Policy， 2010，（38）:406-418.

［4］Bengtsson S， Andersson K， Fridell E. A comparative life cycle assessment of marine fuels: liquefied natural gas and three other fossil fuels ［J］. Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers， Part M: Journal of Engineering for the Marine Environment， 2011，（225）:97-110.

［5］Beer T， Grant T， Williams D， et al. Fuel-cycle greenhouse gas emissions from alternative fuels in Australia heavy vehicles ［J］. Atmospheric Environment， 2002，36（4）:753-763.

［6］Life-cycle emissions of natural gas and coal in the power sector［R］. Working Document of the NPC North American Resource Development Study， 2011.

［7］IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007 ［R］. Geneva， Switzerland: Intergovernmental Panel on Climate Change， 2007.

［8］2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories［EB/OL］. http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/pdf/5_ Volume5/V5_4_Ch4_Bio_Treat.pdf.

［9］Friedrich E， Trois C. GHG emission factors developed for the collection， transport and landfilling of municipal waste in South African municipalities ［J］. Waste Management， 2013，33（4）:1013-1026.

［10］國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要 ［EB/OL］. http://www.gov.cn/2011lh/content_1825838.htm2011-03-06/2013-03-31.

［11］交通部公路水路交通行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)（2005-2011 ）［EB/OL］. http://www.moc.gov.cn/.

［12］中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2012 ［M］. 北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社， 2012.

［13］中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2013 ［M］. 北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社， 2012.

［14］Ma L W， Geng J， Li W Q， et al. The development of natural gas as an automotive fuel in China ［J］. Energy Policy， 2013（62）:531-539.

［15］王魯星，田 明，韓有臣.LNG點(diǎn)亮中國(guó)船用燃料市場(chǎng)新前景 ［J］.國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)， 2012，（5）:64-69.

［16］中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2002 ［M］. 北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社， 2002.

［17］李 廣，周淑慧.我國(guó)天然氣汽車的發(fā)展現(xiàn)狀與方向 ［J］. 國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)， 2008（7）:70-74.

［18］Poulikakos L D， Heutschi K， Soltic P. Heavy duty vehicles: Impact on the environment and the path to green operation ［J］. Environmental Science and Policy， 2013（33）:154-161.

［19］Zhang S Z， Wu Y， Liu H， et al. Real-world fuel consumption andCO2emissions of urban public buses in Beijing ［J］. Applied Energy， 2014，（113）:1645-1655.

［20］Huo H， He K， Wang M， et al. Vehicle technologies， fuel-economy policies， and fuel-consumption rates of Chinese vehicles ［J］. Energy Policy， 2012，（43）:30-36.

［21］周淑慧，陳進(jìn)殿，呂愛(ài)民.中國(guó)沿海地區(qū)天然氣汽車發(fā)展模式選擇 ［J］. 中國(guó)石油經(jīng)濟(jì)， 2010，（4）:14-19.

［22］楊尚賓.液化天然氣汽車（LNGV）技術(shù)及系統(tǒng)維護(hù) ［J］. 石油與天然氣化工， 2009，38（5）:390-392.

［23］Graham L A， Rideout G， Rosenblatt D， et al. Greenhouse gas emissions from heavy-duty vehicles ［J］. Atmospheric Environment， 2008，42（19）:4665-4681.

［24］Elgowainy A， Rousseau A， Wang M， et al. Cost of ownership and well-to-wheels carbon emissions/oil use of alternative fuels and advanced light-duty vehicle technologies ［J］. Energy for Sustainable Development， 2013，17（6）:626-641.

［25］Yan X Y， Crookes R J. Reduction potentials of energy demand and GHG emissions in China’s road transport sector ［J］. Energy Policy， 2009，37（2）:658-668.

［26］王術(shù)新，黃興華，姜士陽(yáng).柴油-LNG混燃船用柴油機(jī)特性試驗(yàn)［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2011，33（10）:80-81.

［27］吳巨圣.海事技術(shù)發(fā)展論壇暨LNG為船舶燃料現(xiàn)狀與展望:LNG作為船舶燃料的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展 ［EB/OL］. http://www.dnv.com.cn/binaries/1%20james%20wu_tcm142-520 654.pdf2012-06-20/2013-03-31.

［28］引 狄.小型集裝箱船市場(chǎng)回暖 ［N］. 中國(guó)船舶報(bào)， 2006-10-06（6）.

［29］Henrik A， Kasper W. Potential and conditions for LNG fueled short shipping in East Asia ［R］. Goteborg， Sweden: Chalmers university of technology， 2010.

［30］Corbett J J， K?hler H W. Updated emissions from ocean shipping［J］. Journal of Geophysical Research Atmospheres， 2003，108（D20）.

［31］張建華，丁建樂(lè).我國(guó)漁業(yè)節(jié)能減排發(fā)展?fàn)顩r綜述 ［J］. 漁業(yè)現(xiàn)代化， 2010，38（4）:66-70.

［32］農(nóng)業(yè)部漁業(yè)局.中國(guó)漁業(yè)年鑒（2006-2011）［M］. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社， 2006-2011.

［33］付 斌.中國(guó)船供油市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望 ［J］. 中國(guó)石油經(jīng)濟(jì)， 2009，（12）:23-26.

［34］Boeckhoff N， Heider G， Hagl P. Operational experience of the 51/60DF from MAN Diesel SE［C］//Paper No.37presented at the Processing of the 26th CIMAC Congress， 14-17June 2010，Bergen， Norway: 2010.

［35］樊金璐，吳立新，王春晶，等.中國(guó)煤層氣發(fā)電技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀 ［J］. 潔凈煤技術(shù)， 2012，18（1）:1-8.

［36］王大遜.杭州天子嶺垃圾填埋場(chǎng)利用填埋氣體發(fā)電 ［J］. 環(huán)境衛(wèi)生工程， 1999，7（4）:151-153.

［37］南京天井洼垃圾填埋氣發(fā)電CDM項(xiàng)目 ［N/OL］. （2009-12-02）［2013-12-07］:http://www.gesep.com/News/Show_1_26834.html.

［38］張紅光，韓宇石，李智慧，等.垃圾填埋氣內(nèi)燃機(jī)的研制與試驗(yàn)［J］. 車用發(fā)動(dòng)機(jī)， 2004，（153）:15-18.

［39］Liang X Y， Wang Z H， Zhou Z J， et al. Up-to-date life cycle assessment and comparison study of clean coal generation technologies in China ［J］. Journal of Cleaner Production， 2013，（39）:24-31.

［40］Ou X M， Yan X Y， Zhang X L. Life-cycle consumption and greenhouse gas emissions for electricity generation and supply in China ［J］. Applied Energy， 2011，88（1）:289-297.

［41］譚 超，白紅彬.我國(guó)煤層氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 ［J］. 能源研究與利用， 2010，（1）:9-11.

［42］P Pierpaoli， A Diotallevi. Generation Electrical Energy from Landfill Gas: an Italian Experience ［J］. International Energy Journal， 2007，（8）:45-50

［43］中華人民共和國(guó)發(fā)展和改革委員會(huì).中華人民共和國(guó)氣候變化第二次國(guó)家信息通報(bào) ［R］. 北京， 2011.

［44］胡鞍鋼.中國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的定量評(píng)估與前瞻（1980-2020） ［J］. 2008，（304）:140-150.

［45］Wang J L， Feng L Y， Zhao L， et al. China’s natural gas: Resources，production and its impacts ［J］. Energy Policy， 2013，（55）:690-698.

［46］Lin B Q， Wang T. Forecasting natural gas supply in China: Production peak and import trends ［J］. Energy Policy， 2012，（49）: 225-23

Life-cycle analysis of contribution of developing gas engines to GHG emissions reduction in China.

ZHAI Jun1， FENG Li-yan1，2*， WANG Meng1， LONG Wu-qiang1，2， WANG Dong-sheng3（1.Institute for Internal Combustion Engines， Dalian University of Technology， Dalian 116023， China；2.National Engineering Research Center of Shipbuilding， Dalian University of Technology， Dalian 116023， China；3.China National Offshore Oil Corporation Oilfield Construction Mechanical Equipment Service Center， Tianjin 300452， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：62～71

In order to analyze the greenhouse gas emissions reduction potential of gas engines， life-cycle analysis was carried out to calculate the life-cycle greenhouse gas emissions of different fuels， and based on the results， the emissions of the according engines were calculated. The “best case” and “without gas engines” scenarios of gas engine development were established in the analysis. Based on the analysis results， the reduction of greenhouse gas emissions by domestic gas engines in 2020 was predicted and the proportion of the gas consumption of gas engines to the gas supply was estimated. The results show that， in the best case promoting gas engines would make considerable contribution to the greenhouse gas emissions reduction. It would help to reduce about 7.47， 18.25 and 450.1Mt CO2ein city public transportation， ship power and thermal power generation fields， respectively， and its national wide CO2ereduction contribution would be 5.3%. Natural gas， coal mined gas and landfill gas that consumed by gas engines would account for 15%， 18.5% and 50% of the supply of these gases， respectively. Considering the domestic gas energy structure and gas fuel supply status， promoting gas engines is feasible in China.

gas engines；greenhouse gas emissions；life-cycle analysis；China

X511

A

1000-6923（2015）01-0062-10

翟 君（1990-），女，安徽池州人，大連理工大學(xué)碩士研究生，主要從事氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究.發(fā)表論文4篇.

2014-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（51079026，51479028）；遼寧省自然科學(xué)基金（20102033）；中央高?；A(chǔ)科研項(xiàng)目（DUT12JN03）

* 責(zé)任作者， 副教授， fengli@dlut.edu.cn