陳增博,錢(qián)方圓,陳定江（清華大學(xué)化學(xué)工程系工業(yè)生態(tài)研究中心,北京 100084）

應(yīng)用煤制天然氣防治大氣污染合理性評(píng)估

陳增博,錢(qián)方圓,陳定江*（清華大學(xué)化學(xué)工程系工業(yè)生態(tài)研究中心,北京 100084）

以京津冀地區(qū)燃煤制天然氣（SNG）鍋爐為對(duì)象,基于生命周期角度對(duì)其大氣污染物排放進(jìn)行了分析.結(jié)果顯示,燃SNG鍋爐全生命周期排放少于燃煤鍋爐,但存在著污染向 SNG產(chǎn)地轉(zhuǎn)移的效應(yīng).為進(jìn)一步評(píng)估 SNG防治大氣污染的效果,對(duì)京津冀地區(qū)燃煤鍋爐改造為燃SNG鍋爐,以及燃煤鍋爐末端排放治理2種方式在生命周期排放、資源消耗、經(jīng)濟(jì)性3方面進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果顯示,在全生命周期過(guò)程中,SNG鍋爐相比末端處理方式有更多大氣污染物排放,但若忽略污染轉(zhuǎn)移現(xiàn)象而只考慮京津冀地區(qū),則SNG鍋爐相比末端處理排放更少；燃SNG鍋爐相比末端處理會(huì)消耗更多的能源和水資源；SNG鍋爐同時(shí)需要更高的投資和成本.以煤制天然氣作為防治大氣污染的選擇需要謹(jǐn)慎考慮,不宜過(guò)度發(fā)展.

煤制天然氣；燃煤鍋爐；生命周期評(píng)價(jià)；霧霾防治

近年來(lái),我國(guó)空氣質(zhì)量惡化趨勢(shì)明顯,極端大氣污染事件頻繁發(fā)生,造成了嚴(yán)重的社會(huì)損失.其中,京津冀地區(qū)尤為嚴(yán)重［1-2］.面對(duì)著嚴(yán)峻的大氣污染形勢(shì),國(guó)家出臺(tái)了一系列政策來(lái)治理大氣污染.其中,綱領(lǐng)性文件《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》［3］指出,在京津冀等重點(diǎn)區(qū)域,積極采用天然氣等清潔能源替代燃煤,即稱(chēng)為“煤改氣”政策.

在眾多大氣污染物排放源中,工業(yè)鍋爐具有耗煤量大、大氣污染物排放量多的特點(diǎn),成為“煤改氣”政策的重點(diǎn)整改對(duì)象［4］.國(guó)家為控制京津冀地區(qū)工業(yè)鍋爐的污染物排放,出臺(tái)了多項(xiàng)針對(duì)性政策［5］.然而,我國(guó)的能源稟賦富煤少氣,天然氣供應(yīng)量不足成為制約“煤改氣”政策落實(shí)的一大問(wèn)題.針對(duì)氣源不足的形勢(shì),國(guó)家一方面鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)天然氣的開(kāi)采,同時(shí)著力布局天然氣的進(jìn)口戰(zhàn)略；另一方面,國(guó)家也首次提出了加快推進(jìn)煤制天然氣的戰(zhàn)略.2013年9月,國(guó)務(wù)院印發(fā)的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》［6］正式提出：“全面整治燃煤小鍋爐”、“加快推進(jìn)‘煤改氣'工程建設(shè)”、“加快煤制天然氣產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；椒ァ?

煤制天然氣是近年來(lái)受到廣泛關(guān)注,同時(shí)引起巨大爭(zhēng)議的一類(lèi)能源替代型技術(shù)［7］.此項(xiàng)技術(shù)通過(guò)煤氣化、甲烷化等工藝,可以將低階煤炭轉(zhuǎn)化為天然氣.然而,能耗較高、CO2排放高、水資源消耗大、規(guī)?；瘧?yīng)用技術(shù)尚不成熟等問(wèn)題,使煤制天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在國(guó)內(nèi)受到廣泛爭(zhēng)議［8-11］.在國(guó)外,煤制天然氣項(xiàng)目爭(zhēng)議同樣存在.在全世界范圍內(nèi),目前僅有一個(gè)煤制天然氣項(xiàng)目在美國(guó)大平原煤制氣廠商業(yè)化運(yùn)行.對(duì)于煤制天然氣項(xiàng)目,國(guó)外已有一些研究從技術(shù)角度、商業(yè)運(yùn)行角度對(duì)其進(jìn)行分析［12-14］；同時(shí),亦有研究以生命周期評(píng)價(jià)方法,從能源效率、CO2排放角度對(duì)煤制天然氣項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估,并認(rèn)為其不適宜大規(guī)模發(fā)展［15-18］.

綜合來(lái)看,煤制天然氣在國(guó)內(nèi)外都受到一定爭(zhēng)議.同時(shí),目前尚沒(méi)有相關(guān)研究從防治大氣污染的角度,對(duì)煤制天然氣項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估.由于相關(guān)爭(zhēng)議的存在,長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)家對(duì)煤制天然氣產(chǎn)業(yè)保持謹(jǐn)慎態(tài)度,對(duì)該產(chǎn)業(yè)施行嚴(yán)格準(zhǔn)入,限制規(guī)模的規(guī)定.然而,隨著大氣污染形勢(shì)的加劇,“煤改氣”政策的落實(shí)需要充足的天然氣供應(yīng),在這樣的背景下,煤制天然氣項(xiàng)目首次在一定程度上得到了國(guó)家的支持.在政策的支持下,大批煤炭企業(yè)紛紛開(kāi)始規(guī)劃煤制天然氣項(xiàng)目［19］.

面對(duì)煤制天然氣產(chǎn)業(yè)潛在的巨大產(chǎn)能,煤基天然氣用于“煤改氣”工程的治霾效果需要定量的評(píng)估.一方面,煤基天然氣本身成分與常規(guī)天然氣基本一致,屬于相對(duì)清潔能源［20］.但在煤炭開(kāi)采、煤制天然氣生產(chǎn)等過(guò)程中,會(huì)有較多排放發(fā)生在原產(chǎn)地,存在污染物排放的區(qū)域間轉(zhuǎn)移問(wèn)題.本文基于全生命周期角度,分析煤基天然氣替代燃煤在整體上能否起到大氣污染物減排的效果.另一方面,對(duì)排放未達(dá)標(biāo)的燃煤工業(yè)鍋爐,除“煤改氣”之外,增設(shè)更先進(jìn)的脫硫脫硝除塵設(shè)備的末端處理方式,是同樣重要的一種手段.為進(jìn)一步評(píng)估煤制天然氣防治大氣污染的綜合效果,本文將從減排效果、資源消耗、經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面,針對(duì)“煤改氣”政策,與末端處理方式進(jìn)行對(duì)比.

1　煤基天然氣、煤炭用于工業(yè)鍋爐的生命周期分析

首先,基于生命周期的角度,以每產(chǎn)生1GJ熱量為基準(zhǔn),分別分析煤基天然氣、煤炭用于工業(yè)鍋爐的排放情況,以分析利用煤基天然氣替代燃煤能否起到大氣污染物減排的效果.

1.1研究對(duì)象與系統(tǒng)邊界界定

1.1.1研究對(duì)象 排放未達(dá)標(biāo)的燃煤鍋爐是本文的主要分析對(duì)象.對(duì)于煤制天然氣項(xiàng)目,選取了國(guó)內(nèi)某年產(chǎn) 40億 m3煤制天然氣項(xiàng)目為參考研究對(duì)象.該項(xiàng)目已部分投產(chǎn)開(kāi)工,并直接向京津冀地區(qū)供氣,是京津冀地區(qū)實(shí)施“煤改氣”的重要?dú)庠?

1.1.2全生命周期邊界設(shè)定 SNG項(xiàng)目的系統(tǒng)邊界如圖1所示,其中煤制氣用于燃?xì)忮仩t包括如下主要環(huán)節(jié)：（1）煤炭開(kāi)采和洗選；（2）煤炭運(yùn)輸；（3）SNG生產(chǎn)；（4）SNG運(yùn)輸；（5）燃?xì)忮仩t燃燒.其中燃煤鍋爐包括如下環(huán)節(jié)：（1）煤炭開(kāi)采和洗選；（2）煤炭運(yùn)輸；（3）燃煤鍋爐燃燒.

這里需要指出的是,煤制天然氣項(xiàng)目中的工廠建設(shè)、建材運(yùn)輸、項(xiàng)目退役等環(huán)節(jié),在整個(gè)生命周期中影響很小,可以忽略不計(jì)［21］.因此,本文在分析過(guò)程中沒(méi)有考慮這些較為邊緣化的影響因素.

圖1　SNG鍋爐與燃煤鍋爐的生命周期系統(tǒng)邊界Fig.4　The scale of SNG-fired boilers and coal-firedboilers in life cycle assessment

本文生命周期的分析指標(biāo)主要是大氣污染物排放.綜合考慮京津冀地區(qū)大氣污染現(xiàn)狀,參考相關(guān)學(xué)者在城市供暖領(lǐng)域“煤改氣”減排效果的研究［22］,為了能夠全面考量大氣污染物的排放狀況,本文所選取的環(huán)境排放清單包括了CO、NOx、SO2、顆粒物這4種大氣污染物［23］.

關(guān)于生命周期清單數(shù)據(jù),主要分為2部分：一是排放因子參數(shù),以工業(yè)鍋爐排放因子為例,清單中包括CO、NOx、SO2、顆粒物4種污染物的排放因子,以g/GJ為單位；二是生產(chǎn)及運(yùn)輸參數(shù),主要包括企業(yè)生產(chǎn)、銷(xiāo)售、使用過(guò)程中的數(shù)據(jù),例如SNG運(yùn)輸距離、工業(yè)鍋爐燃燒效率等.目前相關(guān)的研究主要使用的是國(guó)外的LCA數(shù)據(jù)庫(kù),其相關(guān)參數(shù)對(duì)中國(guó),尤其是對(duì)京津冀地區(qū)的情況未必適用.本文所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)核心生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)CLCD,以及其他國(guó)內(nèi)出版物,同時(shí)輔以典型企業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)、及其他國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)作為參考.清單數(shù)據(jù)的主要來(lái)源見(jiàn)表1.

表1　生命周期清單數(shù)據(jù)來(lái)源Table 1　Data sources of life cycle inventory

1.1.3全生命周期排放計(jì)算過(guò)程 本文在生命周期分析（LCA）的框架下,對(duì)污染物的排放量進(jìn)行計(jì)算.以燃煤鍋爐每產(chǎn)生1GJ能量所排放大氣污染物的量計(jì)算過(guò)程為例,說(shuō)明全生命周期排放的計(jì)算過(guò)程.根據(jù)圖1邊界所示,燃煤鍋爐的生命周期包括煤炭開(kāi)采和洗選、煤炭運(yùn)輸、燃煤鍋爐3個(gè)模塊.首先根據(jù)原煤平均熱值、燃煤鍋爐效率計(jì)算出每產(chǎn)生1GJ能量所需煤炭的量,利用所需煤炭的量乘以不同模塊對(duì)應(yīng)的排放因子,即可求出各模塊的4種大氣污染物排放的量,最后將各個(gè)模塊排放量加總,即可得到燃煤鍋爐全生命周期4種污染物的排放量.在全生命周期過(guò)程中,由于一部分污染排放在京津冀地區(qū),一部分污染排放在其他地區(qū),因此本文在關(guān)注全生命周期污染排放總量的同時(shí),也將關(guān)注污染物排放所發(fā)生的區(qū)域,以衡量污染轉(zhuǎn)移問(wèn)題.

1.2清單分析

根據(jù)前文設(shè)定的系統(tǒng)邊界,清單將包括以下5個(gè)模塊（1）煤炭開(kāi)采和洗選；（2）煤炭運(yùn)輸；（3）SNG生產(chǎn)；（4）SNG運(yùn)輸；（5）鍋爐燃燒（包括燃?xì)忮仩t和燃煤鍋爐）.其中鍋爐燃燒將具體分為燃煤鍋爐和燃SNG鍋爐兩類(lèi).本模型用于分析SNG及其替代選擇的應(yīng)用領(lǐng)域的生命周期評(píng)價(jià),每個(gè)模塊的數(shù)據(jù)將會(huì)在下文呈現(xiàn).

1.2.1煤炭開(kāi)采和洗選 中國(guó)每年消耗超過(guò)30 億t原煤.其中,每開(kāi)采1t煤,要消耗34°電和27kg原煤.另外,每噸煤的洗選要消耗3°電［24］.

1.2.2煤炭運(yùn)輸 燃SNG鍋爐與燃煤鍋爐在煤炭運(yùn)輸環(huán)節(jié)上有較大的差別.為了節(jié)約運(yùn)輸成本,煤制天然氣工廠通常建設(shè)在距離煤礦坑口較近的位置.針對(duì)本文所選取的煤制天然氣項(xiàng)目,由于煤炭產(chǎn)地水資源缺乏,未能在產(chǎn)地附近建設(shè)煤制氣工廠,而是在與坑口距離170km的水資源豐富處建設(shè)工廠.其中煤炭采用鐵路專(zhuān)線運(yùn)輸.而對(duì)于京津冀地區(qū)的燃煤鍋爐,其所消耗的煤炭主要有3個(gè)來(lái)源：從秦皇島港口購(gòu)入；來(lái)自山西、內(nèi)蒙等省份調(diào)入；京津冀地區(qū)直接開(kāi)采使用.運(yùn)輸過(guò)程中的排放主要發(fā)生在京津冀地區(qū)內(nèi),少量發(fā)生在其他地區(qū).運(yùn)輸方式方面包括鐵路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸2類(lèi).京津冀地區(qū)的煤炭以鐵路運(yùn)輸為主,運(yùn)輸距離平均取 300km；由于煤炭的鐵路運(yùn)輸線路較為完善,公路運(yùn)輸只占較少的一部分,影響較小,本文以典型的中型柴油運(yùn)煤貨車(chē)為代表.

1.2.3SNG生產(chǎn) SNG生產(chǎn)即煤轉(zhuǎn)氣過(guò)程.煤基合成天然氣的生產(chǎn)需要以下幾個(gè)步驟：第1步是煤氣化；接下來(lái)是氣體凈化和成分調(diào)節(jié),合成氣被轉(zhuǎn)換成甲烷；為了使產(chǎn)品達(dá)到燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的要求,在過(guò)程鏈的最末端,水和二氧化碳會(huì)被分離出去.根據(jù)本文選取的煤制天然氣工廠的數(shù)據(jù),生產(chǎn)13億m3的SNG需要364.7萬(wàn)t燃料煤和516 萬(wàn)t原料煤.SNG生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境排放,主要參照該項(xiàng)目的環(huán)評(píng)報(bào)告.環(huán)評(píng)報(bào)告顯示,該項(xiàng)目SO2排放為 11480t/a,煙塵排放為 1307.0t/a,工業(yè)粉塵排放為792.5t/a.由于我國(guó)SNG項(xiàng)目商業(yè)化運(yùn)營(yíng)較少,暫時(shí)缺乏NOx、CO的排放統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),NOx、CO的排放則通過(guò)我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐平均排放因子進(jìn)行估算［21］.

1.2.4SNG運(yùn)輸 煤基天然氣成分與常規(guī)天然氣區(qū)別不大,在常溫、常壓下為氣體,可壓縮性很強(qiáng),且流動(dòng)性好.這些特點(diǎn)決定了管道是運(yùn)輸天然氣的最合適方式.國(guó)內(nèi)煤基天然氣通常會(huì)選擇并入已有的輸氣管線進(jìn)行長(zhǎng)途運(yùn)輸,距離較短的可能會(huì)自建管道進(jìn)行輸氣.對(duì)于本文選取的煤制天然氣項(xiàng)目,一期生產(chǎn)出的煤基天然氣將主要供向北京,全部采用管道輸送的方式,輸送距離為359km.

1.2.5鍋爐燃燒 在我國(guó),為了與發(fā)電用大型鍋爐相區(qū)別,工業(yè)鍋爐指廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、采暖等方面的各種容量、壓力、溫度的蒸汽鍋爐和熱水鍋爐.中國(guó)工業(yè)鍋爐量大面廣,具有平均容量小、運(yùn)行效率不高的特點(diǎn).在我國(guó),工業(yè)鍋爐按燃料類(lèi)型主要分為兩類(lèi)：燃煤鍋爐和燃?xì)忮仩t.燃煤鍋爐的效率一般在55%～75%之間,平均為69%；燃?xì)忮仩t的效率在 80%～85%之間,平均效率為83%.另外,由于工業(yè)鍋爐排放大量煙塵以及 SO2和 NOx等污染物,是我國(guó)大氣主要煤煙型污染源［28］.因此工業(yè)鍋爐成為我國(guó)減少大氣污染的主要改造對(duì)象之一.

1.3計(jì)算結(jié)果

1.3.1全生命周期排放 根據(jù)本文所界定的邊界,利用清單數(shù)據(jù),對(duì)每個(gè)模塊排放的大氣污染物排放量進(jìn)行加總,可以計(jì)算出燃SNG鍋爐、燃煤鍋爐每產(chǎn)生1GJ能量所排放大氣污染物的量.各階段的排放見(jiàn)圖 2,其中天然氣密度取0.7174kg/m3.

圖2　SNG鍋爐與燃煤鍋爐的生命周期排放數(shù)據(jù)Fig.4　Comparative emission results during the life cycle of SNG-fired boilers and coal-fired boilers

由計(jì)算結(jié)果的對(duì)比可知,“煤改氣”后,SO2、顆粒物全生命周期污染物排放有所降低,而 CO、NOx排放稍有增加.現(xiàn)一步分析, “煤改氣”后脫硝效果不佳,是由于SNG生產(chǎn)企業(yè)在煤制天然氣的過(guò)程中沒(méi)有額外設(shè)置脫硝裝置,導(dǎo)致全生命周期的NOx排放情況未能得到顯著改善；相對(duì)地, “煤改氣”后SO2全生命周期排放顯著降低,主要是由于我國(guó)目前依然有大量小型燃煤鍋爐沒(méi)有設(shè)置脫硫裝置,因此一旦進(jìn)行“煤改氣”后 SO2排放會(huì)顯著降低.

綜合來(lái)看,將煤基天然氣用于“煤改氣”,一定程度上減少了大氣污染物的排放.

如圖3所示.對(duì)燃SNG鍋爐而言,CO、SO2、NOx的排放主要來(lái)源于SNG生產(chǎn)過(guò)程,顆粒物的排放則更多地來(lái)源于煤炭的開(kāi)采與洗選過(guò)程.而對(duì)燃煤鍋爐而言,絕大多數(shù)排放都發(fā)生在鍋爐燃燒環(huán)節(jié).

圖3　SNG鍋爐及燃煤鍋爐生命周期各階段大氣排放核算結(jié)果Fig.4　Accounting results of atmospheric emission in SNG-fired boiler and coal-fired boiler's life cycle

1.3.2污染轉(zhuǎn)移效應(yīng) 由于煤制天然氣項(xiàng)目主要建設(shè)在內(nèi)蒙、新疆等地,全生命周期中相當(dāng)一部分排放發(fā)生在原產(chǎn)地,而非京津冀地區(qū).其中,分區(qū)域的排放比例情況如圖4所示.也就是說(shuō),煤制天然氣項(xiàng)目存在著污染轉(zhuǎn)移的特性.這是在將不清潔能源轉(zhuǎn)化為相對(duì)清潔能源的過(guò)程中所付出的代價(jià),也是緩解京津冀地區(qū)環(huán)境壓力所進(jìn)行的環(huán)境壓力轉(zhuǎn)移.

圖4　SNG鍋爐大氣污染排放在不同區(qū)域的比例Fig.4　Proportion of atmospheric emissions fromSNG-fired boilers in different regions

為了定量描述污染轉(zhuǎn)移效應(yīng),本文計(jì)算了污染物的轉(zhuǎn)移比例,即目標(biāo)地區(qū)每減排一單位污染物,在其他地區(qū)需要額外增排污染物的量.經(jīng)計(jì)算,SO2、NOx、顆粒物的污染轉(zhuǎn)移比例分別可達(dá)到0.237、1.482、0.564.其中當(dāng)污染轉(zhuǎn)移比例＞1時(shí),說(shuō)明該污染物在全生命周期會(huì)發(fā)生增排.

2　煤基天然氣用于“煤改氣”與末端處理方式對(duì)比

通過(guò)第一節(jié)的分析可知,燃SNG鍋爐相比燃煤鍋爐在全生命周期的排放更少,這證明了利用SNG用于“煤改氣”政策確實(shí)可以減少大氣污染物的排放,這一結(jié)論與人們的直觀認(rèn)識(shí)相符,也與政策制訂的初衷一致.然而,當(dāng)這一結(jié)論應(yīng)用于具體區(qū)域時(shí),還需要做進(jìn)一步的考慮.根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的調(diào)研結(jié)果,我國(guó)工業(yè)燃煤鍋爐排放達(dá)標(biāo)率很低,脫硫、脫硝、除塵裝置并沒(méi)有大規(guī)模推廣,特別是考慮到目前鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)大幅提升的背景,燃煤鍋爐減排有很大的改進(jìn)空間［20］.針對(duì)某一區(qū)域內(nèi)排放未達(dá)標(biāo)的工業(yè)燃煤鍋爐,通過(guò)增設(shè)脫硫脫硝除塵裝置——即末端處理方式使其排放達(dá)標(biāo),是更直觀、更常規(guī)的解決方式.這種解決方式與SNG用于“煤改氣”都可以減少大氣污染物的排放,但二者效果孰優(yōu)孰劣需要進(jìn)一步比較.

因此,為進(jìn)一步分析SNG用于“煤改氣”在特定區(qū)域的減排效果,還需要將其與末端處理方式進(jìn)行對(duì)比.本節(jié)選取大氣污染較嚴(yán)重的,同時(shí)也是SNG唯一應(yīng)用區(qū)域的京津冀地區(qū)為代表,以京津冀地區(qū)內(nèi)排放不達(dá)標(biāo)的燃煤鍋爐為改造對(duì)象,對(duì)兩種改造情景進(jìn)行對(duì)比——即所有未達(dá)標(biāo)鍋爐全部進(jìn)行“煤改氣”,以及所有未達(dá)標(biāo)鍋爐全部按照國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行末端處理2種情景,以對(duì)比2種改造方式在京津冀地區(qū)總體減排效果的差異.2種改造方式的生命周期邊界與第一節(jié)中的邊界相一致,在計(jì)算其全生命周期排放時(shí),也將以第一節(jié)中的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ).

同時(shí),為了更全面地比較兩種治理方式的資源代價(jià)與經(jīng)濟(jì)效果,本節(jié)將在資源消耗、經(jīng)濟(jì)性 2個(gè)方面,針對(duì) 2種治理方式一并加以考慮,以達(dá)到客觀、全面地評(píng)價(jià)煤基天然氣用于“煤改氣”的效果.

2.1京津冀地區(qū)燃煤工業(yè)鍋爐改造情景

由于“煤改氣”與末端處理的改造原理不同,對(duì)于不同規(guī)模的燃煤鍋爐不一定都適用.因此需要首先篩選出京津冀地區(qū)既適合于“煤改氣”,又適合于進(jìn)行末端處理的工業(yè)燃煤鍋爐數(shù)量,才能對(duì)SNG“煤改氣”與末端處理進(jìn)行對(duì)比.

2.1.1改造對(duì)象選取 根據(jù)相關(guān)研究,京津冀地區(qū)工業(yè)鍋爐是大氣污染的重要排放源［29］.為了改善工業(yè)燃煤鍋爐行業(yè)的大氣排放污染情況,國(guó)家不同部門(mén)出臺(tái)了多項(xiàng)治理、改造政策.涉及燃煤鍋爐淘汰、改造、末端處理多個(gè)方面.

結(jié)合相關(guān)政策規(guī)定,以及燃煤鍋爐的特性,對(duì)改造對(duì)象進(jìn)行選取.由于改造成本較高,10t/h以下的小鍋爐并不適用于末端處理,有條件的要改為燃油和燃?xì)忮仩t,同時(shí)要結(jié)合舊城改造、城鎮(zhèn)化進(jìn)程改造為集中供熱或并網(wǎng),不具備改燃清潔能源和集中供熱并網(wǎng)的,要發(fā)展優(yōu)質(zhì)型煤鍋爐和生物質(zhì)成型燃料鍋爐［30］.另外,根據(jù)《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》,在城區(qū)范圍內(nèi) 10t/h以下的燃煤小鍋爐也將逐漸淘汰.小鍋爐面臨著“不改造即淘汰”的現(xiàn)狀.因此在本情景中,不考慮生產(chǎn)能力在10t/h以下的鍋爐.

另一方面,對(duì)于 35t/h以上的燃煤鍋爐,由于規(guī)模較大,進(jìn)行“煤改氣”改造的投資成本過(guò)高,只適合采用末端處理的改造方式,因此在本情景中也不予考慮［29］.而對(duì)于10～35t/h的工業(yè)燃煤鍋爐,目前相關(guān)政策、規(guī)定繁多,有進(jìn)行“煤改氣”和末端處理兩種整改方案可供選擇,面臨較大的不確定性.因此,10～35t/h的工業(yè)燃煤鍋爐是本文情景中選取的主要對(duì)象.

2.1.2京津冀地區(qū)燃煤鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)于末端處理情景,改造后原本排放不達(dá)標(biāo)的燃煤鍋爐的將會(huì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),其排放情況的將按照國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,因此需要厘清京津冀各地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn).2014年7月,國(guó)家頒布了最新的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》第三次修訂稿,大幅提升了工業(yè)鍋爐的排放標(biāo)準(zhǔn).其中,燃煤鍋爐的排放標(biāo)準(zhǔn)按地區(qū)為分兩級(jí)：普通排放標(biāo)準(zhǔn)、重點(diǎn)控制區(qū)特別排放限值標(biāo)準(zhǔn).

根據(jù)2013年環(huán)保部公布的《關(guān)于執(zhí)行大氣污染物特別排放限值的公告》,天津市以及河北省的石家莊、唐山、保定、廊坊四市被列為重點(diǎn)控制區(qū),需要執(zhí)行最新《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中較嚴(yán)格的大氣污染物特別排放限值標(biāo)準(zhǔn).另外,北京市于2014年5月開(kāi)始著手修訂新的地方排放標(biāo)準(zhǔn),相比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格.綜上所述,對(duì)于3地的燃煤工業(yè)鍋爐,北京市采用最為嚴(yán)格的自定排放標(biāo)準(zhǔn)；天津、石家莊、唐山、保定、廊坊 5市采用相對(duì)嚴(yán)格的大氣污染物特別排放限值標(biāo)準(zhǔn)；河北其他地區(qū)則采用普通排放標(biāo)準(zhǔn),排放標(biāo)準(zhǔn)的具體要求見(jiàn)表2.

表2　新工業(yè)燃煤鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)（mg/m3）Table 1　New emission standard of air pollutants for coal-fired boilers in Beijing-Tianjin-Hebei （mg/m3）

2.1.3情景設(shè)定 根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)可以得到我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐的容量分布情況.同時(shí),根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)查證,可以得到北京、天津、河北3地的燃煤工業(yè)鍋爐的容量分布.進(jìn)一步地,由于河北省石家莊、唐山、保定、廊坊4市需要執(zhí)行不同的排放標(biāo)準(zhǔn),需要根據(jù)當(dāng)?shù)毓I(yè)煤耗數(shù)據(jù)估算出4市的鍋爐容量.同時(shí),根據(jù)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》制訂方的相關(guān)調(diào)研結(jié)果,可以確定京津冀地區(qū)10～35t/h的工業(yè)燃煤鍋爐的不達(dá)標(biāo)比例［20］.據(jù)此可推算出京津冀地區(qū)需要改造的燃煤鍋爐數(shù)量.不同地區(qū)需改造的鍋爐總?cè)萘恳?jiàn)表3.

表3　京津冀地區(qū)排放不達(dá)標(biāo)的燃煤鍋爐容量Table 1　Capacity of substandard coal-fired boilers in Beijing-Tianjin-Hebei

根據(jù)上述信息,本文設(shè)置以下2個(gè)情景進(jìn)行對(duì)比：以排放未達(dá)標(biāo)的10～35t/h范圍內(nèi)的燃煤鍋爐為改造對(duì)象,改造容量即為表3中的不達(dá)標(biāo)容量,分別完全用于“煤改氣（SNG）”、末端處理兩種不同的改造方式,以確定這部分工業(yè)燃煤鍋爐的減排潛力、減排區(qū)間.其中“煤改氣”指將燃煤鍋爐改造為燃?xì)忮仩t,并使用 SNG作為燃料.末端處理技術(shù)包括脫硫、脫硝、除塵技術(shù).

2.2“煤改氣”與末端處理極端情景結(jié)果對(duì)比

對(duì)兩種情景的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,并從減排效果、資源消耗、經(jīng)濟(jì)性3方面對(duì)比,計(jì)算過(guò)程數(shù)據(jù)的主要來(lái)源見(jiàn)表4.

表4　情景對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)源與參數(shù)取值匯總Table 1　Data sources and parameters of scenarios comparison

2.2.1減排效果 按照前文所設(shè)置的情景,以及需要改造的工業(yè)鍋爐數(shù)量,結(jié)合第一節(jié)生命周期分析的計(jì)算結(jié)果,可計(jì)算出極端減排效果如圖 5所示.

圖5　減排效果對(duì)比Fig.4　Comparison in emission reduction

由圖 5可見(jiàn),從全生命周期角度來(lái)看,“煤改氣（SNG）”在 SO2減排方面稍有優(yōu)勢(shì),但會(huì)引起NOx的增排,同時(shí)顆粒物的減排量也少于末端處理,說(shuō)明末端處理要優(yōu)于“煤改氣（SNG）”.但若只考慮京津冀地區(qū),利用SNG進(jìn)行“煤改氣”效果更好,可減排 SO2、NOx、顆粒物的量分別可達(dá)到25.1,6.0,8.3萬(wàn)t,但會(huì)以其他地區(qū)的明顯增排作為代價(jià).

2.2.2資源消耗 煤基天然氣用于“煤改氣”的過(guò)程中,需要以煤為原料制取天然氣,同時(shí)必須消耗大量的水資源.而末端處理方式則不會(huì)引入更多的資源消耗.根據(jù)煤制天然氣項(xiàng)目的相關(guān)參數(shù),可以計(jì)算出 2種改造方式對(duì)資源的消耗.經(jīng)計(jì)算,“煤改氣”改造方式將消耗約1億t煤炭,以及0.84億t水；而末端處理方式只需消耗0.34億t煤炭. “煤改氣”將會(huì)消耗更多的煤炭、水資源.這是由SNG生產(chǎn)過(guò)程必須消耗更多的煤炭和水資源所決定的.

2.2.3經(jīng)濟(jì)性 不同改造方式的經(jīng)濟(jì)性也是影響決策的重要因素,本文主要考慮改造投資、總運(yùn)營(yíng)成本2大方面來(lái)衡量其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性.其中,末端處理所采用的改造技術(shù),考慮可操作性,采用濕法脫硫、空氣分級(jí)技術(shù)、電袋復(fù)合除塵3項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行改造.需要指出的是,由于本情景下只對(duì)鍋爐運(yùn)行階段進(jìn)行分析,因此在經(jīng)濟(jì)性分析過(guò)程不包括 SNG生產(chǎn)階段.總成本包括兩部分,燃料成本和運(yùn)營(yíng)成本,其中運(yùn)營(yíng)成本包括人工費(fèi)用、財(cái)務(wù)費(fèi)用等.相關(guān)經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)主要來(lái)源于文獻(xiàn),以及政府針對(duì)鍋爐行業(yè)發(fā)布的報(bào)告［29,31-32］.在具體計(jì)算過(guò)程中,“煤改氣”不需要額外的污染物脫除運(yùn)行費(fèi)用,末端處理則需要額外的脫除費(fèi)用.每 MW鍋爐改造過(guò)程的投資與費(fèi)用,以及京津冀地區(qū)的總改造投資、總運(yùn)營(yíng)費(fèi)用見(jiàn)表5.

表5　技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比（萬(wàn)元）Table 1　Comparison in techno-economics （×104 yuan）

從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看,“煤改氣”改造方式相比末端處理,需要更高的投資額,也會(huì)產(chǎn)生更高的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用,即“煤改氣”的經(jīng)濟(jì)性要低于末端處理.

3　結(jié)論

3.1利用煤基天然氣替代燃煤,一定程度上減少了全生命周期大氣污染物的排放.但是,由于SNG生產(chǎn)過(guò)程是排放的主要來(lái)源,全生命周期過(guò)程中存在著污染轉(zhuǎn)移效應(yīng),即在SNG應(yīng)用區(qū)域減排的同時(shí)會(huì)引起原產(chǎn)地的增排.文章以污染物轉(zhuǎn)移比例衡量了煤制天然氣全生命周期過(guò)程中污染轉(zhuǎn)移效應(yīng),結(jié)果顯示SO2、NOx、顆粒物的轉(zhuǎn)移比例分別為 0.237、1.482、0.564.證明了應(yīng)用煤制天然氣在全生命周期起到減排效果的同時(shí),也是一項(xiàng)以原產(chǎn)地增排為代價(jià)的特殊手段.

3.2以大氣污染較嚴(yán)重的京津冀地區(qū)為代表,SNG用于“煤改氣”的改造方式在全生命周期減排量更少,資源消耗更多,經(jīng)濟(jì)性更差,3方面皆不如對(duì)燃煤鍋爐進(jìn)行末端處理的方式.但若僅以京津冀地區(qū)的大氣污染物減排為唯一目標(biāo), SNG應(yīng)用于“煤改氣”對(duì)京津冀地區(qū)的減排效果會(huì)更好,但同時(shí)需要承擔(dān)污染轉(zhuǎn)移、高資源消耗、低經(jīng)濟(jì)性的代價(jià).

3.3 從全生命周期角度比較,將SNG應(yīng)用于“煤改氣”工程,不比對(duì)燃煤鍋爐進(jìn)行末端處理的方式更優(yōu),并不是一個(gè)較好的選擇,應(yīng)審慎發(fā)展.若以緩解京津冀地區(qū)的大氣污染為唯一目標(biāo),作為一種非常規(guī)的手段,煤制天然氣的應(yīng)用可以起到比常規(guī)燃煤鍋爐改造更好的效果,但考慮到此手段同時(shí)要承擔(dān)污染轉(zhuǎn)移、高資源消耗,以及低經(jīng)濟(jì)性的代價(jià),不建議大規(guī)模投入應(yīng)用.

［1］ 穆 泉,張世秋.2013年1月中國(guó)大面積霧霾事件直接社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估 ［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2013,33（11）：2087-2094.

［2］ 劉 俊,安興琴,朱 彤,等.京津冀及周邊減排對(duì)北京市PM2.5濃度下降評(píng)估研究 ［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34（11）：2726-2733.

［3］ 財(cái)政部.重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃 ［EB/OL］. 2012.

［4］ 姚芝茂,鄒 蘭,王宗爽,等.我國(guó)中小型燃煤鍋爐 SO2排放特征與控制對(duì)策 ［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31（S1）：1-5.

［5］ 京津冀及周邊地區(qū)落實(shí)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施細(xì)則［EB/OL］：http：//www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201309/t2013091 8_260414.htm.

［6］ 大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃［EB/OL］：http：//www.gov.cn/zwgk/ 2013-09/12/ content_2486773.htm.

［7］ 劉志光,龔華俊,余黎明.我國(guó)煤制天然氣發(fā)展的探討 ［J］. 煤化工, 2009,（2）：1-5.

［8］ 張海濱.淺析我國(guó)發(fā)展煤制天然氣的必要性及其風(fēng)險(xiǎn) ［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè), 2009,（6）：92-93.

［9］ 楊 明.煤制天然氣現(xiàn)狀及發(fā)展建議 ［J］. 潔凈煤技術(shù), 2011, 17（3）：3-5.

［10］ Yang C J. China? s precarious synthetic natural gas demonstration ［J］. Energy Policy, 2015,76：158-160.

［11］ Zhi-hang F U. Feasibilities of building synthetic natural gas （SNG） plants in the coast of Southeast China ［J］. Natural Gas Industry, 2009,10：039.

［12］ Stone J J, Dollarhide C R, Benning J L, et al. The life cycle impacts of feed for modern grow-finish Northern Great Plains US swine production ［J］. Agricultural Systems, 2012,106（1）：1-10.

［13］ Kang W R, Lee K B. Effect of operating parameters on methanation reaction for the production of synthetic natural gas ［J］. Korean Journal of Chemical Engineering, 2013,30（7）：1386-1394.

［14］ Kopyscinski J, Schildhauer T J, Biollaz S M A. Production of synthetic natural gas （SNG） from coal and dry biomass-A technology review from 1950 to 2009 ［J］. Fuel, 2010,89（8）：1763-1783.

［15］ Ding Y, Han W, Chai Q, et al. Coal-based synthetic natural gas（SNG）： A solution to China's energy security and CO2reduction？［J］. Energy Policy, 2013,55：445-453.

［16］ Minutillo M, Perna A. Renewable energy storage system via coal hydrogasification with co-production of electricity and synthetic natural gas ［J］. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39（11）：5793-5803.

［17］ Li S, Jin H, Gao L, et al. Exergy analysis and the energy saving mechanism for coal to synthetic/substitute natural gas and power cogeneration system without and with CO2capture ［J］. Applied Energy, 2014,130：552-561.

［18］ Li H, Yang S, Zhang J, et al. Analysis of rationality of coal-based synthetic natural gas （SNG） production in China ［J］. Energy Policy, 2014,71：180-188.

［19］ 李安學(xué),李春?jiǎn)?左玉幫,等.我國(guó)煤制天然氣現(xiàn)狀與前景分析［J］. 煤炭加工與綜合利用, 2014（10）：1-10.

［20］ 錢(qián) 衛(wèi),黃于益,張慶偉,等.煤制天然氣（SNG）技術(shù)現(xiàn)狀 ［J］. 潔凈煤技術(shù), 2011,17（1）：27-32.

［21］ 唐玉婷,馬曉茜,廖艷芬,等.煤制取天然氣全生命周期評(píng)價(jià)分析［J］. 環(huán)境工程, 2013,31（5）：139-142.

［22］ 龐 軍,吳 健,馬 中,等.我國(guó)城市天然氣替代燃煤集中供暖的大氣污染減排效果 ［J］. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35（1）：55-61.

［23］ 魏復(fù)盛.我國(guó) 4個(gè)大城市空氣 PM2.5, PM10污染及其化學(xué)組成［J］. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè), 2001,17（T01）：1-6.

［24］ Chinese Coal Research Institute （CCRI）, 2006. Report to NDRC on energy efficiency, emissions and cost of coal mining and washing ［R］. Beijing, 2006.

［25］ 楊建新,徐 成,王如松.產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用 ［M］.北京：氣象出版社, 2002.

［26］ 朱 祺.生物柴油的生命周期能源消耗,環(huán)境排放與經(jīng)濟(jì)性研究［D］. 上海：上海交通大學(xué), 2008.

［27］ 劉永健,王志偉,何 暢,等.煤制天然氣的能源網(wǎng)絡(luò)分析圖 ［J］.化工進(jìn)展, 2013,32（9）：2106-2111.

［28］ 王善武.我國(guó)工業(yè)鍋爐節(jié)能潛力分析與建議 ［J］. 工業(yè)鍋爐, 2005,（1）：1-16.

［29］ 薛亦峰,閆 靜,魏小強(qiáng).燃煤控制對(duì)北京市空氣質(zhì)量的改善分析 ［J］. 環(huán)境科學(xué)研究, 2014,27（3）：253-258.

［30］ 《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》編制說(shuō)明（二次征求意見(jiàn)稿）［EBOL］.http：//kjs.mep.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqgdwrywrwp fbz/201405/t20140530_276318.htm.

［31］ 趙欽新,周屈蘭.工業(yè)鍋爐節(jié)能減排現(xiàn)狀,存在問(wèn)題及對(duì)策 ［J］.工業(yè)鍋爐, 2010,1（1）：1-5.

［32］ 沈桂男.煤質(zhì)變化對(duì)鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響 ［J］. 華東電力, 2005,33（3）：29-31.

Evaluation of the use of coal-based synthetic natural gas for haze prevention in China.

CHEN Zeng-bo, QIAN Fang- yuan, CHEN Ding-jiang*（Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2615～2622

Life-cycle atmospheric emissions were assessed for the use of Synthetic natural gas （SNG） in refitted coal-fired boilers in Beijing-Tianjin-Hebei. Results show, SNG-fired boilers emit less pollution than traditional coal-fired boilers in the life cycle, while also effects a massive pollution transfer. Further analysis involves the comparison between the emissions from coal-fired boilers with a conventional treatment and SNG-fired boilers. This comparison includes three aspects： life-cycle emissions, resource consumption, and techno-economical analysis. Results show that SNG-fired boilers emit more atmospheric pollutants than the conventional treatment in the life cycle, in addition to consuming more energy and water, having a higher refit investment and operating cost. We conclude that the policy of SNG use for haze prevention should be cautiously implemented, and coal-based synthetic natural gas should not be supported overly.

synthetic natural gas （SNG）；coal-fired boiler；life cycle assessment （LCA）；haze prevention

X51

A

1000-6923（2015）09-2615-08

2015-02-09

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題（2012BAC03B01）

*責(zé)任作者, 副研究員, chendj@mail.tsinghua.edu.cn

陳增博（1991-）,男,吉林通化人,清華大學(xué)化學(xué)工程系碩士研究生,研究方向?yàn)槟茉醇夹g(shù)評(píng)價(jià).