煤制天然氣與煤發(fā)電全生命周期對比研究

張 松，程一步，安 福，孟憲玲

（中國石油化工集團公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京100029）

隨著國內(nèi)天然氣缺口的不斷擴大，近年來煤制天然氣成為國內(nèi)關(guān)注的熱點。據(jù)統(tǒng)計，截至2017年末，我國煤制天然氣已有4個項目投產(chǎn)，生產(chǎn)能力51億立方米/年。按照《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)“十三五”規(guī)劃》，“十三五”期間規(guī)劃新建項目產(chǎn)能182億立方/年。與此同時，對煤制天然氣是否是煤炭清潔利用的有效途徑也面臨著較大爭議。為對這些爭議加以論證，我們以在新疆建設(shè)煤制天然氣項目和煤炭發(fā)電項目各自輸送到華東地區(qū)利用為例進行了對比研究。

1 比較路線的設(shè)定

煤制天然氣和煤炭發(fā)電2條路線均以新疆作為起點，以華東地區(qū)的上海作為目標(biāo)用戶（距離約4 000 km），對比在終端利用獲取單位熱值的差異。

路線1：新疆煤制氣輸送到華東地區(qū)供終端利用（民用、工業(yè)、發(fā)電等）。

天然氣消費結(jié)構(gòu)參照統(tǒng)計數(shù)據(jù)按民用30%、工業(yè)50%、發(fā)電20%平均水平考慮；煤制天然氣效率取國家準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)56%；管輸損耗按新建管道6%考慮；民用灶效率按國家灶具能效要求取57%；天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電取目前燃?xì)獍l(fā)電實際先進指標(biāo)58%，水耗取342 g/MJ；煤制天然氣水耗、污染物排放、二氧化碳排放、成本數(shù)據(jù)取自新疆煤制天然氣項目可研報告；天然氣熱值約為34.485 MJ/Nm3。

路線2：新疆煤超超臨界發(fā)電輸送到華東地區(qū)供終端利用（民用、工業(yè)）。

電力消費結(jié)構(gòu)參照統(tǒng)計數(shù)據(jù)按工業(yè)用74%，民用（含農(nóng)業(yè)及其他）26%考慮；煤發(fā)電效率取國內(nèi)先進的1 000 MW水冷機組效率44.5%；長輸電效率按1 000 kV特高壓輸電線路送電4 000 km考慮取90%；民用電效率按民用電器效率（電磁爐）取82%；工業(yè)電機效率和電鍋爐效率按常用設(shè)備效率90%和98%考慮；煤發(fā)電水耗，1 000 MW超超臨界水冷機組設(shè)計指標(biāo)為583 g/MJ，600 MW超臨界空冷機組設(shè)計指標(biāo)為94 g/MJ；污染物排放按照國家煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)；二氧化碳排放取2016年西北電力排放因子0.93千克/度；煤發(fā)電成本按照1 000 MW機組測算；1度電＝3 600 kJ。

2 對比分析結(jié)果

2.1 綜合能源利用效率對比

煤制天然氣的能源利用效率可達56%以上，利用天然氣分布式發(fā)電，冷、熱、電聯(lián)供，效率可達82%～85%。這樣用煤，整體能源利用效率可達45.9%～47.6%，這是目前各種煤炭利用方式中能效最高的。從加權(quán)綜合能效來看，煤制氣約為38.06%，高于煤炭發(fā)電的綜合能源利用效率35.22%，詳見表1，表2。

2.2 單位終端利用產(chǎn)品水耗對比

煤制天然氣與煤炭發(fā)電獲取單位熱值的水耗對比如表3所示。由表3可見，從獲取單位熱值的水耗來看，煤制天然氣用于民用的水耗低于1 000 MW超超臨界水冷機組，高于600 MW超臨界空冷機組；煤制氣用于工業(yè)用途的水耗低于1 000 MW超超臨界水冷機組，高于600 MW超臨界空冷機組；煤制氣用于發(fā)電，到達使用終端的單位水耗為369 g/MJ，低于1 000 MW超超臨界水冷機組的648 g/MJ，高于600 MW超臨界空冷機組的104 g/MJ。按照電力和天然氣消費結(jié)構(gòu)加權(quán)測算，煤制氣的單位熱值水耗仍低于1 000 MW超超臨界水冷機組，高于600 MW超臨界空冷機組。

表1 煤制氣利用綜合效率計算 %

表2 煤發(fā)電利用綜合效率計算 %

表3 煤制氣與煤發(fā)電終端利用單位熱值水耗 g/MJ

新疆地區(qū)水資源分布不均，煤發(fā)電機組主要為空冷機組，因此，煤制天然氣到終端利用獲取單位熱值的水耗要高于煤發(fā)電的水耗。

2.3 污染物排放對比

煤制天然氣可將污染物集中處理利用，減少煤炭分散燃燒帶來的空氣污染。新疆電站鍋爐SO2、NOx、煙塵排放按濃度限值分別為50 mg/Nm3、100 mg/Nm3、30 mg/Nm3；工業(yè)、民用用戶鍋爐NOx排放濃度限值100 mg/Nm3、燃機發(fā)電煙氣NOx排放濃度限值50 mg/Nm3；煤制天然氣按照新疆80億立方米/年煤制天然氣可研報告數(shù)據(jù)，SO2、NOx、煙塵排放量分別為1 178噸、3 502噸和1 067噸，折算到單位天然氣分別為222 mg/Nm3、438 mg/Nm3、133 mg/Nm3。按照上述參數(shù)分別計算獲取單位熱值所排放的污染物數(shù)量，對煤制天然氣利用與煤發(fā)電進行對比，結(jié)果表明，煤制天然氣的幾種終端應(yīng)用獲取單位熱值的污染物排放均低于煤發(fā)電的應(yīng)用，按照電力和天然氣消費結(jié)構(gòu)加權(quán)平均測算，煤制氣獲取單位熱值污染物排放仍低于煤發(fā)電，見表4。

表4 煤制氣與煤發(fā)電單位熱值污染物排放 mg/MJ

2.4 二氧化碳排放對比

根據(jù)煤制氣可研報告測算，煤制天然氣扣除主副產(chǎn)品、煤渣中帶走的碳，每千方天然氣產(chǎn)生二氧化碳約6.99噸。煤制天然氣因為生產(chǎn)過程碳排放量較大，使得終端應(yīng)用獲取單位熱值碳排放高于煤發(fā)電終端應(yīng)用，按照電力和天然氣消費結(jié)構(gòu)，其加權(quán)平均單位熱值碳排仍高于煤發(fā)電的單位碳排，見表5。但煤制氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的二氧化碳純度高、排放集中，非常有利于CCS和CCUS。

表5 煤制氣與煤發(fā)電終端利用單位熱值碳排放 kg/MJ

2.5 終端利用成本對比

煤制氣與煤發(fā)電終端利用獲取單位熱值成本比較見表6、表7。獲取相同的熱值，煤制天然氣用于民用和工業(yè)鍋爐的成本均低于煤炭發(fā)電利用成本；而用煤制天然氣，天然氣再去發(fā)電，其成本高于煤炭直接發(fā)電。

按照電力和天然氣消費結(jié)構(gòu)，利用煤制氣獲取單位熱值的加權(quán)平均成本約為0.109元/MJ，低于煤發(fā)電獲取單位熱值的加權(quán)平均成本約0.156元/MJ。

綜上所述，在新疆建設(shè)煤制天然氣項目，其在民用和工業(yè)應(yīng)用方面的綜合效率、污染物排放、終端利用成本均優(yōu)于煤炭發(fā)電；水耗則低于1 000MW超超臨界水冷機組，高于600 MW空冷機組；二氧化碳排放高于煤炭發(fā)電。由此可見，利用我國豐富的煤炭資源在新疆生產(chǎn)天然氣可以實現(xiàn)煤炭清潔轉(zhuǎn)化，大大減少污染物排放，而且有利于提高煤炭的利用效率。但同時也應(yīng)該關(guān)注到煤制天然氣二氧化碳排放量偏高問題，應(yīng)采取措施，如通過對二氧化碳的捕集和利用來解決這一問題。

表6 煤制氣終端利用單位熱值成本

表7 煤發(fā)電終端利用單位熱值成本

3 相關(guān)建議

1）煤制天然氣對實現(xiàn)我國煤炭清潔利用，保障能源安全具有重大意義，應(yīng)從國家戰(zhàn)略層面穩(wěn)步推進。我國天然氣市場存在較大的缺口，需要依賴進口。煤制天然氣可實現(xiàn)煤炭資源的清潔利用，其與進口氣相比具有成本優(yōu)勢。發(fā)展煤制天然氣產(chǎn)業(yè)有利于加大我國低成本的天然氣資源供應(yīng)，平抑進口天然氣價格，保障我國能源安全，建議國家從戰(zhàn)略層面予以穩(wěn)步推進。

2）合理布局煤制天然氣，避免遍地開花。發(fā)展煤制天然氣除必須具備煤炭資源和水資源外，還須在坑口建設(shè)和同時配套建設(shè)輸送管線。而且只有具有低廉煤炭價格的地區(qū)才有比較優(yōu)勢，同時要具有較大的環(huán)境容量。因此，建議盡可能在新疆、內(nèi)蒙古等地布局煤制天然氣項目，避免遍地開花。

3）量水而行，適度發(fā)展。煤制天然氣的水耗在幾種新型煤化工中處于較低水平，但仍需消耗大量的水資源。在我國西部地區(qū)發(fā)展煤制天然氣產(chǎn)業(yè)一定要量水而行，適度發(fā)展。

4）嚴(yán)格產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，避免一哄而起。煤制天然氣是資金密集、技術(shù)密集、人才密集型產(chǎn)業(yè)，對生產(chǎn)和輸送安全管理要求高，對建設(shè)運營主體要求較高，“三廢”處理專業(yè)性要求高。因此，要嚴(yán)格產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，選擇有相當(dāng)實力的企業(yè)發(fā)展煤制天然氣，避免一哄而起。

5）煤制天然氣應(yīng)定位于民用和工業(yè)用氣。煤制天然氣用于發(fā)電，其利用效率遠低于煤直接發(fā)電效率，而以煤制天然氣供天然氣汽車，其效率也低于以煤發(fā)電為能源的電動汽車，因此從能源系統(tǒng)綜合利用效率來考慮，煤制天然氣的利用方向應(yīng)定位于城市燃?xì)夂凸I(yè)燃料，替代分散燃燒的煤炭，有效減少煤燃燒帶來的污染。

6）煤制天然氣二氧化碳排放量較大，應(yīng)完善應(yīng)對措施。煤化工發(fā)展不僅要考慮煤炭資源、水資源、工藝技術(shù)和投資效益等，二氧化碳減排也是制約煤化工發(fā)展的瓶頸之一，應(yīng)引起充分重視。發(fā)展煤制天然氣產(chǎn)業(yè)要做好二氧化碳減排工作，應(yīng)從清潔生產(chǎn)、資源化利用和CCUS等方面予以重視。