应用煤制天然气防治大气污染合理性评估

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2021-12-20 10:09 热度：

　　摘要：以京津冀地区燃煤制天然气(SNG)锅炉为对象,基于生命周期角度对其大气污染物排放进行了分析.结果显示,燃 SNG 锅炉全生命周期排放少于燃煤锅炉,但存在着污染向 SNG 产地转移的效应.为进一步评估 SNG 防治大气污染的效果,对京津冀地区燃煤锅炉改造为燃 SNG 锅炉,以及燃煤锅炉末端排放治理 2 种方式在生命周期排放、资源消耗、经济性 3 方面进行了对比.结果显示,在全生命周期过程中,SNG 锅炉相比末端处理方式有更多大气污染物排放,但若忽略污染转移现象而只考虑京津冀地区,则 SNG 锅炉相比末端处理排放更少;燃 SNG 锅炉相比末端处理会消耗更多的能源和水资源;SNG 锅炉同时需要更高的投资和成本.以煤制天然气作为防治大气污染的选择需要谨慎考虑,不宜过度发展.

　　关键词：煤制天然气;燃煤锅炉;生命周期评价;雾霾防治

　　近年来,我国空气质量恶化趋势明显,极端大气污染事件频繁发生,造成了严重的社会损失.其中,京津冀地区尤为严重[1-2].面对着严峻的大气污染形势,国家出台了一系列政策来治理大气污染.其中,纲领性文件《重点区域大气污染防治“十二五”规划》[3]指出,在京津冀等重点区域,积极采用天然气等清洁能源替代燃煤,即称为“煤改气” 政策.

　　在众多大气污染物排放源中,工业锅炉具有耗煤量大、大气污染物排放量多的特点,成为“煤改气”政策的重点整改对象[4].国家为控制京津冀地区工业锅炉的污染物排放,出台了多项针对性政策[5].然而,我国的能源禀赋富煤少气,天然气供应量不足成为制约“煤改气”政策落实的一大问题.针对气源不足的形势,国家一方面鼓励国内天然气的开采,同时着力布局天然气的进口战略;另一方面,国家也首次提出了加快推进煤制天然气的战略.2013 年 9 月,国务院印发的《大气污染防治行动计划》[6]正式提出:“全面整治燃煤小锅炉”、“加快推进‘煤改气’工程建设”、“加快煤制天然气产业化和规模化步伐”.

　　煤制天然气是近年来受到广泛关注,同时引起巨大争议的一类能源替代型技术[7].此项技术通过煤气化、甲烷化等工艺,可以将低阶煤炭转化为天然气.然而,能耗较高、CO2 排放高、水资源消耗大、规模化应用技术尚不成熟等问题,使煤制天然气产业的发展在国内受到广泛争议 [8-11].在国外,煤制天然气项目争议同样存在.在全世界范围内,目前仅有一个煤制天然气项目在美国大平原煤制气厂商业化运行.对于煤制天然气项目,国外已有一些研究从技术角度、商业运行角度对其进行分析[12-14];同时,亦有研究以生命周期评价方法,从能源效率、CO2 排放角度对煤制天然气项目进行评估,并认为其不适宜大规模发展[15-18].

　　综合来看,煤制天然气在国内外都受到一定争议.同时,目前尚没有相关研究从防治大气污染的角度,对煤制天然气项目进行评估.由于相关争议的存在,长期以来,国家对煤制天然气产业保持谨慎态度,对该产业施行严格准入,限制规模的规定.然而,随着大气污染形势的加剧,“煤改气”政策的落实需要充足的天然气供应,在这样的背景下,煤制天然气项目首次在一定程度上得到了国家的支持.在政策的支持下,大批煤炭企业纷纷开始规划煤制天然气项目[19].

　　面对煤制天然气产业潜在的巨大产能,煤基天然气用于“煤改气”工程的治霾效果需要定量的评估.一方面,煤基天然气本身成分与常规天然气基本一致,属于相对清洁能源[20].但在煤炭开采、煤制天然气生产等过程中,会有较多排放发生在原产地,存在污染物排放的区域间转移问题. 本文基于全生命周期角度,分析煤基天然气替代燃煤在整体上能否起到大气污染物减排的效果. 另一方面,对排放未达标的燃煤工业锅炉,除“煤改气”之外,增设更先进的脱硫脱硝除尘设备的末端处理方式,是同样重要的一种手段.为进一步评估煤制天然气防治大气污染的综合效果,本文将从减排效果、资源消耗、经济性三个方面,针对“煤改气”政策,与末端处理方式进行对比.

　　1 煤基天然气、煤炭用于工业锅炉的生命周期分析

　　首先,基于生命周期的角度,以每产生 1GJ 热量为基准,分别分析煤基天然气、煤炭用于工业锅炉的排放情况,以分析利用煤基天然气替代燃煤能否起到大气污染物减排的效果.

　　1.1 研究对象与系统边界界定

　　1.1.1 研究对象 排放未达标的燃煤锅炉是本文的主要分析对象.对于煤制天然气项目,选取了国内某年产 40 亿 m 3 煤制天然气项目为参考研究对象.该项目已部分投产开工,并直接向京津冀地区供气,是京津冀地区实施“煤改气”的重要气源.

　　1.1.2 全生命周期边界设定 SNG 项目的系统边界如图 1 所示,其中煤制气用于燃气锅炉包括如下主要环节:(1)煤炭开采和洗选;(2)煤炭运输;(3)SNG 生产;(4)SNG 运输;(5)燃气锅炉燃烧. 其中燃煤锅炉包括如下环节:(1)煤炭开采和洗选;(2)煤炭运输;(3)燃煤锅炉燃烧.

　　这里需要指出的是,煤制天然气项目中的工厂建设、建材运输、项目退役等环节,在整个生命周期中影响很小,可以忽略不计[21].因此,本文在分析过程中没有考虑这些较为边缘化的影响因素.

　　本文生命周期的分析指标主要是大气污染物排放.综合考虑京津冀地区大气污染现状,参考相关学者在城市供暖领域“煤改气”减排效果的研究[22],为了能够全面考量大气污染物的排放状况,本文所选取的环境排放清单包括了 CO、NOx、 SO2、颗粒物这 4 种大气污染物[23].

　　关于生命周期清单数据,主要分为 2 部分:一是排放因子参数,以工业锅炉排放因子为例,清单中包括 CO、NOx、SO2、颗粒物 4 种污染物的排放因子,以 g/GJ 为单位;二是生产及运输参数,主要包括企业生产、销售、使用过程中的数据,例如 SNG 运输距离、工业锅炉燃烧效率等.目前相关的研究主要使用的是国外的LCA数据库,其相关参数对中国,尤其是对京津冀地区的情况未必适用.本文所需的基础数据主要来源于中国核心生命周期数据库 CLCD,以及其他国内出版物,同时辅以典型企业生产的数据、及其他国内文献作为参考.清单数据的主要来源见表 1.

　　1.1.3 全生命周期排放计算过程 本文在生命周期分析(LCA)的框架下,对污染物的排放量进行计算.以燃煤锅炉每产生 1GJ 能量所排放大气污染物的量计算过程为例,说明全生命周期排放的计算过程.根据图 1 边界所示,燃煤锅炉的生命周期包括煤炭开采和洗选、煤炭运输、燃煤锅炉 3 个模块.首先根据原煤平均热值、燃煤锅炉效率计算出每产生 1GJ 能量所需煤炭的量,利用所需煤炭的量乘以不同模块对应的排放因子,即可求出各模块的 4 种大气污染物排放的量,最后将各个模块排放量加总,即可得到燃煤锅炉全生命周期 4 种污染物的排放量.在全生命周期过程中,由于一部分污染排放在京津冀地区,一部分污染排放在其他地区,因此本文在关注全生命周期污染排放总量的同时,也将关注污染物排放所发生的区域,以衡量污染转移问题.

　　1.2 清单分析

　　根据前文设定的系统边界,清单将包括以下 5 个 模 块 (1) 煤炭开采和 洗 选 ;(2) 煤炭运输;(3)SNG 生产;(4)SNG 运输;(5)锅炉燃烧(包括燃气锅炉和燃煤锅炉).其中锅炉燃烧将具体分为燃煤锅炉和燃SNG锅炉两类.本模型用于分析 SNG 及其替代选择的应用领域的生命周期评价, 每个模块的数据将会在下文呈现.

　　1.2.1 煤炭开采和洗选 中国每年消耗超过 30 亿 t 原煤.其中,每开采 1t 煤,要消耗 34°电和 27kg 原煤.另外,每吨煤的洗选要消耗 3°电[24].

　　1.2.2 煤炭运输 燃SNG锅炉与燃煤锅炉在煤炭运输环节上有较大的差别.为了节约运输成本, 煤制天然气工厂通常建设在距离煤矿坑口较近的位置.针对本文所选取的煤制天然气项目,由于煤炭产地水资源缺乏,未能在产地附近建设煤制气工厂,而是在与坑口距离 170km 的水资源丰富处建设工厂.其中煤炭采用铁路专线运输.而对于京津冀地区的燃煤锅炉,其所消耗的煤炭主要有 3 个来源:从秦皇岛港口购入;来自山西、内蒙等省份调入;京津冀地区直接开采使用.运输过程中的排放主要发生在京津冀地区内,少量发生在其他地区.运输方式方面包括铁路运输和公路运输 2 类.京津冀地区的煤炭以铁路运输为主,运输距离平均取 300km;由于煤炭的铁路运输线路较为完善,公路运输只占较少的一部分,影响较小,本文以典型的中型柴油运煤货车为代表.

　　1.2.3 SNG 生产 SNG 生产即煤转气过程.煤基合成天然气的生产需要以下几个步骤:第 1 步是煤气化;接下来是气体净化和成分调节,合成气被转换成甲烷;为了使产品达到燃气管道系统的要求,在过程链的最末端,水和二氧化碳会被分离出去.根据本文选取的煤制天然气工厂的数据,生产 13 亿 m 3 的 SNG 需要 364.7 万 t 燃料煤和 516 万 t 原料煤.SNG 生产过程中的环境排放,主要参照该项目的环评报告.环评报告显示,该项目 SO2 排放为 11480t/a,烟尘排放为 1307.0t/a,工业粉尘排放为 792.5t/a.由于我国 SNG 项目商业化运营较少,暂时缺乏 NOx、CO 的排放统计数据,NOx、 CO的排放则通过我国燃煤工业锅炉平均排放因子进行估算[21].

　　1.2.4 SNG 运输 煤基天然气成分与常规天然气区别不大,在常温、常压下为气体,可压缩性很强,且流动性好.这些特点决定了管道是运输天然气的最合适方式.国内煤基天然气通常会选择并入已有的输气管线进行长途运输,距离较短的可能会自建管道进行输气.对于本文选取的煤制天然气项目,一期生产出的煤基天然气将主要供向北京,全部采用管道输送的方式,输送距离为 359km.

　　1.2.5 锅炉燃烧 在我国,为了与发电用大型锅炉相区别,工业锅炉指广泛应用于生产、生活、采暖等方面的各种容量、压力、温度的蒸汽锅炉和热水锅炉.中国工业锅炉量大面广,具有平均容量小、运行效率不高的特点.在我国,工业锅炉按燃料类型主要分为两类:燃煤锅炉和燃气锅炉.燃煤锅炉的效率一般在55%~75%之间,平均为69%; 燃气锅炉的效率在 80%~85%之间,平均效率为 83%.另外,由于工业锅炉排放大量烟尘以及 SO2 和 NOx 等污染物,是我国大气主要煤烟型污染源 [28].因此工业锅炉成为我国减少大气污染的主要改造对象之一.

　　1.3 计算结果

　　1.3.1 全生命周期排放 根据本文所界定的边界,利用清单数据,对每个模块排放的大气污染物排放量进行加总,可以计算出燃 SNG 锅炉、燃煤锅炉每产生 1GJ 能量所排放大气污染物的量.各阶 段 的排放 见 图 2, 其中天然气 密 度 取 0.7174kg/m3 .

　　过程中没有额外设置脱硝装置,导致全生命周期的 NOx排放情况未能得到显著改善;相对地, “煤改气”后SO2全生命周期排放显著降低,主要是由于我国目前依然有大量小型燃煤锅炉没有设置脱硫装置,因此一旦进行“煤改气”后 SO2 排放会显著降低.

　　综合来看,将煤基天然气用于“煤改气”,一定程度上减少了大气污染物的排放.

　　如图 3 所示.对燃 SNG 锅炉而言,CO、SO2、 NOx的排放主要来源于 SNG 生产过程,颗粒物的排放则更多地来源于煤炭的开采与洗选过程.而对燃煤锅炉而言,绝大多数排放都发生在锅炉燃烧环节.

　　1.3.2 污染转移效应 由于煤制天然气项目主要建设在内蒙、新疆等地,全生命周期中相当一部分排放发生在原产地,而非京津冀地区.其中, 分区域的排放比例情况如图 4 所示.也就是说,煤制天然气项目存在着污染转移的特性.这是在将不清洁能源转化为相对清洁能源的过程中所付出的代价,也是缓解京津冀地区环境压力所进行的环境压力转移.

　　为了定量描述污染转移效应,本文计算了污染物的转移比例,即目标地区每减排一单位污染物, 在其他地区需要额外增排污染物的量.经计算,SO2、NOx、颗粒物的污染转移比例分别可达到 0.237、1.482、0.564.其中当污染转移比例>1 时, 说明该污染物在全生命周期会发生增排.

　　2 煤基天然气用于“煤改气”与末端处理方式对比

　　通过第一节的分析可知,燃SNG锅炉相比燃煤锅炉在全生命周期的排放更少,这证明了利用 SNG 用于“煤改气”政策确实可以减少大气污染物的排放,这一结论与人们的直观认识相符,也与政策制订的初衷一致.然而,当这一结论应用于具体区域时,还需要做进一步的考虑.根据相关机构的调研结果,我国工业燃煤锅炉排放达标率很低, 脱硫、脱硝、除尘装置并没有大规模推广,特别是考虑到目前锅炉排放标准大幅提升的背景,燃煤锅炉减排有很大的改进空间[20].针对某一区域内排放未达标的工业燃煤锅炉,通过增设脱硫脱硝除尘装置——即末端处理方式使其排放达标, 是更直观、更常规的解决方式.这种解决方式与 SNG 用于“煤改气”都可以减少大气污染物的排放,但二者效果孰优孰劣需要进一步比较. 因此,为进一步分析 SNG 用于“煤改气”在特定区域的减排效果,还需要将其与末端处理方式进行对比.本节选取大气污染较严重的,同时也是 SNG 唯一应用区域的京津冀地区为代表,以京津冀地区内排放不达标的燃煤锅炉为改造对象,对两种改造情景进行对比——即所有未达标锅炉全部进行“煤改气”,以及所有未达标锅炉全部按照国家排放标准进行末端处理 2 种情景,以对比 2 种改造方式在京津冀地区总体减排效果的差异.2 种改造方式的生命周期边界与第一节中的边界相一致,在计算其全生命周期排放时,也将以第一节中的计算结果为基础.

　　同时,为了更全面地比较两种治理方式的资源代价与经济效果,本节将在资源消耗、经济性 2 个方面,针对 2 种治理方式一并加以考虑, 以达到客观、全面地评价煤基天然气用于“煤改气”的效果.

　　2.1 京津冀地区燃煤工业锅炉改造情景

　　由于“煤改气”与末端处理的改造原理不同, 对于不同规模的燃煤锅炉不一定都适用.因此需要首先筛选出京津冀地区既适合于“煤改气”,又适合于进行末端处理的工业燃煤锅炉数量,才能对 SNG“煤改气”与末端处理进行对比.

　　2.1.1 改造对象选取 根据相关研究,京津冀地区工业锅炉是大气污染的重要排放源[29].为了改善工业燃煤锅炉行业的大气排放污染情况,国家不同部门出台了多项治理、改造政策.涉及燃煤锅炉淘汰、改造、末端处理多个方面.

　　结合相关政策规定,以及燃煤锅炉的特性,对改造对象进行选取.由于改造成本较高,10t/h 以下的小锅炉并不适用于末端处理,有条件的要改为燃油和燃气锅炉,同时要结合旧城改造、城镇化进程改造为集中供热或并网,不具备改燃清洁能源和集中供热并网的,要发展优质型煤锅炉和生物质成型燃料锅炉[30].另外,根据《重点区域大气污染防治“十二五”规划》,在城区范围内 10t/h 以下的燃煤小锅炉也将逐渐淘汰.小锅炉面临着 “不改造即淘汰”的现状.因此在本情景中,不考虑生产能力在 10t/h 以下的锅炉.

　　另一方面,对于 35t/h 以上的燃煤锅炉,由于 规模较大,进行“煤改气”改造的投资成本过高,只适合采用末端处理的改造方式,因此在本情景中也不予考虑[29].而对于 10~35t/h 的工业燃煤锅炉, 目前相关政策、规定繁多,有进行“煤改气”和末端处理两种整改方案可供选择,面临较大的不确定性.因此,10~35t/h 的工业燃煤锅炉是本文情景中选取的主要对象.

　　2.1.2 京津冀地区燃煤锅炉排放标准 对于末端处理情景,改造后原本排放不达标的燃煤锅炉的将会达到标准,其排放情况的将按照国家的排放标准进行计算,因此需要厘清京津冀各地区的排放标准.2014 年 7 月,国家颁布了最新的《锅炉大气污染物排放标准》第三次修订稿,大幅提升了工业锅炉的排放标准.其中,燃煤锅炉的排放标准按地区为分两级:普通排放标准、重点控制区特别排放限值标准.

　　根据 2013 年环保部公布的《关于执行大气污染物特别排放限值的公告》,天津市以及河北省的石家庄、唐山、保定、廊坊四市被列为重点控制区,需要执行最新《锅炉大气污染物排放标准》中较严格的大气污染物特别排放限值标准. 另外,北京市于 2014 年 5 月开始着手修订新的地方排放标准,相比国家标准更为严格.综上所述, 对于 3 地的燃煤工业锅炉,北京市采用最为严格的自定排放标准;天津、石家庄、唐山、保定、廊坊 5 市采用相对严格的大气污染物特别排放限值标准;河北其他地区则采用普通排放标准,排放标准的具体要求见表 2. 表 2 新工业燃煤锅炉排放标准(mg/m3 ) Table 2 New emission standard of air pollutants for coal-fired boilers in Beijing-Tianjin-Hebei (mg/m3 ) 区域 颗粒物 SO2 NOx 北京市 10 20 150 天津、石家庄、唐山、秦皇岛、廊坊 30 200 200 其他地区 80 400 400

　　2.1.3 情景设定 根据相关机构的统计可以得到我国燃煤工业锅炉的容量分布情况.同时, 根据相关文献查证,可以得到北京、天津、河北 3 地的燃煤工业锅炉的容量分布.进一步地,由于河北省石家庄、唐山、保定、廊坊 4 市需要执行不同的排放标准,需要根据当地工业煤耗数据估算出 4 市的锅炉容量.同时,根据《锅炉大气污染物排放标准》制订方的相关调研结果,可以确定京津冀地区 10~35t/h 的工业燃煤锅炉的不达标比例 [20].据此可推算出京津冀地区需要改造的燃煤锅炉数量.不同地区需改造的锅炉总容量见表 3.

　　根据上述信息,本文设置以下 2 个情景进行对比:以排放未达标的 10~35t/h 范围内的燃煤锅炉为改造对象,改造容量即为表 3 中的不达标容量,分别完全用于“煤改气(SNG)”、末端处理两种不同的改造方式,以确定这部分工业燃煤锅炉的减排潜力、减排区间.其中“煤改气”指将燃煤锅炉改造为燃气锅炉,并使用 SNG 作为燃料.末端处理技术包括脱硫、脱硝、除尘技术. 2.2 “煤改气”与末端处理极端情景结果对比对两种情景的结果进行计算,并从减排效果、资源消耗、经济性 3 方面对比,计算过程数据的主要来源见表 4. ——论文作者：陈增博,钱方圆,陈定江

文章名称：应用煤制天然气防治大气污染合理性评估

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