天然氣不同用途的全生命周期評(píng)價(jià)分析

劉為清,楊春鵬，宋昭崢

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 期刊社,山東 青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，北京 102249； 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 理學(xué)院，北京 102249)

天然氣不同用途的全生命周期評(píng)價(jià)分析

劉為清1,楊春鵬2，宋昭崢3

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 期刊社,山東 青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，北京 102249； 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 理學(xué)院，北京 102249)

為了更加合理利用天然氣資源,優(yōu)化天然氣使用結(jié)構(gòu),從節(jié)能角度,采用天然氣全生命周期評(píng)價(jià)方法,對(duì)天然氣開(kāi)采、加工、運(yùn)輸?shù)浇K端使用(車用燃料、發(fā)電、城鎮(zhèn)燃料、工業(yè)用氣)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈,進(jìn)行能耗指標(biāo)的評(píng)價(jià)分析。通過(guò)對(duì)比天然氣四種終端利用形式的全生命周期能耗,為合理利用天然氣資源提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。

天然氣;利用;能耗;全生命周期評(píng)價(jià)

隨著石油資源短缺和環(huán)保方面的壓力,清潔高效的天然氣資源得到廣泛關(guān)注。2000年以來(lái),我國(guó)天然氣產(chǎn)量年均增幅達(dá)14%,天然氣消費(fèi)量年均增速為16%,其開(kāi)發(fā)利用進(jìn)入快速發(fā)展的黃金期。2015年,我國(guó)天然氣生產(chǎn)量達(dá)1.35×1011m3,表觀消費(fèi)量達(dá)1.91×1011m3[1]。然氣已用于多個(gè)領(lǐng)域,如城鎮(zhèn)燃?xì)?、工業(yè)用氣、天然氣發(fā)電、車用燃料等。國(guó)家從天然氣供需情況、統(tǒng)籌配置能源的角度,依次出臺(tái)了《天然氣利用政策》。其中,2007年國(guó)家的《天然氣利用政策》優(yōu)先用于城鎮(zhèn)燃?xì)?工業(yè)燃?xì)?、發(fā)電等歸于允許類;2012年出臺(tái)的《天然氣利用政策》,城鎮(zhèn)燃?xì)狻⒖芍袛嗟墓I(yè)用氣列入了優(yōu)先類,天然氣發(fā)電、天然氣化工等列入允許類?？梢钥闯?天然氣的優(yōu)先類項(xiàng)目也在不斷改變。為了更加合理利用天然氣資源,優(yōu)化天然氣使用結(jié)構(gòu),本研究從節(jié)能角度,采用全生命周期評(píng)價(jià)方法[2-3]對(duì)天然氣的開(kāi)采、加工、運(yùn)輸?shù)浇K端使用整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈,進(jìn)行能耗指標(biāo)的評(píng)價(jià)分析,對(duì)比天然氣四種終端利用形式的全生命周期能耗,為合理利用天然氣資源提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。

1 研究對(duì)象與系統(tǒng)邊界

1.1 研究對(duì)象

選擇天然氣產(chǎn)業(yè)鏈為研究對(duì)象。當(dāng)某一區(qū)塊被確定為具有天然氣生產(chǎn)有利的地質(zhì)與經(jīng)濟(jì)條件之后,就開(kāi)始相應(yīng)的鉆探開(kāi)發(fā)工作,之后采出的天然氣要進(jìn)行凈化處理。首先在礦場(chǎng)集輸站進(jìn)行預(yù)處理,包括加熱、降壓、分離、計(jì)量,再集中起來(lái)輸送至凈化廠,在凈化廠做進(jìn)一步凈化處理,達(dá)到商品天然氣的要求。從礦場(chǎng)凈化廠出來(lái)的天然氣,一般通過(guò)管道進(jìn)行運(yùn)輸,稱為管道氣(Pipeline Natural Gas, PNG);另外也可進(jìn)行液化處理,轉(zhuǎn)化成液化天然氣,通過(guò)船運(yùn)進(jìn)行運(yùn)輸。在主干管網(wǎng)上輸送的PNG,通過(guò)不同的制備工藝,也可被壓縮成壓縮天然氣(Compressed Natural Gas, CNG)或者液化成(Liquefied Natural Gas, LNG),再采用車運(yùn)進(jìn)行運(yùn)輸?shù)姆绞?進(jìn)行配送用于下游儲(chǔ)存與使用(CNG/LNG汽車、天然氣發(fā)電、工業(yè)鍋爐、民用燃?xì)?。其產(chǎn)業(yè)鏈參見(jiàn)圖1。

圖1 陸上氣的產(chǎn)業(yè)鏈情況

1.2 功能單位和評(píng)價(jià)邊界

功能單位:本研究以有效利用1 MJ能量的天然氣為目標(biāo),進(jìn)行天然氣產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期的分析。該研究的系統(tǒng)邊界如圖2所示。

由于生命周期中涉及的階段和過(guò)程較多,本系統(tǒng)在建立評(píng)價(jià)體系時(shí)做以下假設(shè)和簡(jiǎn)化:

(1)計(jì)算陸上氣開(kāi)采和加工階段能耗時(shí),假定損失系數(shù)為1;

(2)為了使不同天然氣來(lái)源具有可比性,假設(shè)輸送1 MJ能量單位的天然氣,PNG的管道輸送距離為2 000 km;LNG為船運(yùn)1 000 km,車運(yùn)1 000 km,CNG為船運(yùn)1 000 km,車運(yùn)1 000 km。

圖2 全生命周期評(píng)價(jià)邊界

2 清單分析

2.1 開(kāi)采階段

在計(jì)算能耗時(shí)需要帶入能源效率及能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),煤開(kāi)采的能源效率為97%;原油的開(kāi)采能效為93%,燃料油的生產(chǎn)能效為92.74%,汽油和柴油的生產(chǎn)能效分別為83.03%和86.43%;天然氣的開(kāi)采能效為95.7%,天然氣的處理效率為94%;氫的生產(chǎn)效率為71.5%[4-5]。各能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 各能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)[4-6] %

2.2 制備階段的能耗

在陸上開(kāi)采、加工后生成的天然氣通過(guò)液化或者加壓可制的LNG和CNG。依據(jù)文獻(xiàn)可知,生產(chǎn)1 t LNG要消耗850 kW·h能量,在LNG接收站,一般又將LNG通過(guò)汽化器后使用,氣化時(shí)放出大量的冷量,其值大約為240 kW·h/t LNG。若LNG作為車用燃料而非汽化用于其他方面,則冷量不能利用。

2.3 運(yùn)輸階段

運(yùn)輸?shù)奶烊粴忸愋桶≒NG、LNG和CNG。其中，PNG是依靠管道運(yùn)輸，輸送泵的動(dòng)力來(lái)源于天然氣發(fā)電或者電網(wǎng)電;而LNG和CNG的運(yùn)輸較為相似，通過(guò)專門的運(yùn)輸船和槽車進(jìn)行運(yùn)輸，燃料一般為柴油。為了研究具有可比性，運(yùn)輸距離設(shè)為2 000 km。不同運(yùn)輸方式的能耗強(qiáng)度和燃料結(jié)構(gòu)[6]見(jiàn)表2。

表2 不同運(yùn)輸方式的能耗強(qiáng)度和燃料結(jié)構(gòu)

2.4 使用階段

依據(jù)GREET軟件,CNG/LNG車用燃料3.199 MJ·km-1;綜合我國(guó)國(guó)情,單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電供電率為33.1%,燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)輪機(jī)發(fā)電供電率53.0%,依據(jù)使用比例,進(jìn)行下一步生命周期的能耗;聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)比例95.48%,單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)比例4.52%;工業(yè)燃料用天然氣輸入數(shù)據(jù)清單大型鍋爐91%,小型鍋爐88%;天然氣——紅外60.92%;天然氣——傳統(tǒng)53.69%[7]。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

依據(jù)以上數(shù)據(jù),對(duì)天然氣不同用途的全生命周期進(jìn)行能耗計(jì)算,其結(jié)果參見(jiàn)表3。

表3 天然氣不同用途的全生命周期能耗數(shù)據(jù)

對(duì)于工業(yè)用氣,能耗和溫室氣體排放都最低;主要是由于直接利用其熱能,使用相對(duì)集中,規(guī)模大,步驟少;對(duì)于城鎮(zhèn)燃?xì)?由于用氣比較分散,規(guī)模小等原因使得熱利用率低于工業(yè)用氣。

對(duì)于天燃?xì)獍l(fā)電,涉及到化學(xué)能、機(jī)械能及電能的轉(zhuǎn)換,所以利用效率要低;但是,燃?xì)馀艢馔ㄟ^(guò)加熱廢熱鍋爐進(jìn)而帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電,從而又提高了整體的利用率,兩者共同作用,使得能耗和排放略高于直接取熱使用的城鎮(zhèn)燃?xì)狻?/p>

對(duì)于CNG和LNG燃料,能耗和排放都很高。分析原因,第一,開(kāi)采出來(lái)的天然氣,需要進(jìn)一步的加工才可以制備成CNG和LNG燃料;第二,涉及到能量的轉(zhuǎn)化,且是化學(xué)能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化,兩者都使得CNG和LNG燃料利用的能耗和排放變大。

4 結(jié) 論

(1)以我國(guó)天然氣為氣源進(jìn)行全生命周期的評(píng)價(jià),能耗方面LNG燃料>CNG燃料>天然氣發(fā)電>城鎮(zhèn)燃?xì)?工業(yè)用氣。

(2)依據(jù)天然氣全生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果,從節(jié)能角度來(lái)說(shuō),天然氣優(yōu)先利用順序?yàn)?工業(yè)用氣、城鎮(zhèn)燃?xì)?、天然氣發(fā)電、CNG燃料、LNG燃料。

[1]BRITISHPETROLEUM.BPStatisticalReviewofWorldEnergy[C].Lundon:BP, 2015.

[2]WALLERMG,WILLIAMSED,MATTESONSW,etal.Currentandtheoreticalmaximumwell-to-wheelsexergyefficiencyofoptionstopowervehicleswithnaturalgas[J].AppliedEnergy, 2014,127(6):55-63.

[3]CHANGY,HUANGRZ,RIESRJ,etal.Shale-to-wellenergyuseandairpollutantemissionsofshalegasproductioninChina[J].AppliedEnergy, 2014,125(14):147-57.

[4]OUXM,YANXY,ZHANGXL,etal.Life-cycleanalysisonenergyconsumptionandGHGemissionintensitiesofalternativefuelsinChina[J].AppliedEnergy, 2012,90(1):218-224.

[5]OUXM,ZHANGXL,CHANGSY.Scenarioanalysisonalterna-tivefuel/vehicleforChina’sfutureroadtransport:life-cycleenergydemandandGHGemissions[J].EnergyPolicy,2010, 38(8): 3943-3956.

[6] 束慶.公交車能源供應(yīng)及動(dòng)力系統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià)[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2004.

[7]WANGMQ.Greet1.5-Transportionfuel-cyclemodelvolume2:appendicesofdataandresults[R].Illinois:ArgonneNationalLaboratory, 1999.

[責(zé)任編輯] 董大偉

2017-01-15

劉為清(1968—),男,山東日照人,中國(guó)石油大學(xué)期刊社副編審,碩士,主要從事應(yīng)用化學(xué)研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2017.01.009

TE 01

A

1673-5935(2017)01- 0032- 02