煤制天然氣發電對中國碳排放和區域環境的影響

龔夢潔+李惠民+齊曄

摘要

PM25治理與低碳發展具有顯著的協同效應，然而并非所有的PM25治理措施都達到低碳的效果，煤制天然氣項目是其中最為突出的一類。本文梳理了煤制天然氣產業政策與現狀，采用全生命周期評價法，對煤炭和煤制天然氣發電過程中的CO2、SO2、NOx排放進行了分析。研究結果表明，用煤制天然氣替代煤炭，每發1 kWh電可以減少SO2排放973 g，減少NOx排放045 g;但同時將多消耗142 g標準煤，增加CO2排放4062 g。煤制天然氣項目對天然氣使用地的大氣污染防治具有正面作用，但卻給煤制天然氣生產地帶來嚴重的環境負外部性問題。從而，煤制天然氣的生產與消費是一種資源消耗和環境排放的轉嫁，而且從整體上提高了我國的煤炭使用量和CO2排放量。定量評估顯示，如果將各地建成、在建或擬建的所有煤制天然氣項目全部投入生產，每年約消耗81億t原煤，用這部分煤制天然氣替代煤炭發電所增加的CO2排放將占2010年全國CO2排放量的3%-6%。因此一味地使用煤制天然氣替代煤炭來達到霧霾治理這一目的，忽視其將長期存在的嚴重的資源環境效率損失和公平損失問題，我國環境保護與低碳發展將陷入“頭痛醫頭，腳痛醫腳”的惡性循環。改善我國環境質量的根本途徑在于推動能源生產和消費革命，而控制能源消費總量是最為優先的措施。煤制天然氣應該用來替代分散的煤炭使用，以此來達到煤炭清潔高效利用的目標。在發電行業，應該大力進行技術改造，實現比使用煤制天然氣更好的環境效益。從全生命周期內的資源消耗和環境影響來看，煤制天然氣項目建設必須高度重視，慎重決策。

關鍵詞煤制天然氣;PM25;碳排放;區域環境治理

中圖分類號X321;X513文獻標識碼A文章編號1002-2104（2015）01-0083-07doi：103969/jissn1002-2104201501012

“十一五”以來，中國的低碳發展取得了積極進展，不僅是世界上單位GDP能耗下降速度最快的國家，也是世界上可再生能源發展速度最快的國家[1]。然而，以PM25污染為表征的大氣污染危機在全國大部分地區頻頻爆發，使中國成為世界上空氣污染最為嚴重的地區之一。近年來，京津冀等區域每年出現霧霾污染的天數達到100天以上，空氣中細顆粒物（PM25）年均濃度超過世界衛生組織推薦的空氣質量標準指導值2-4倍[2]。研究顯示，當空氣中PM25的濃度長期高于10 μg/m3時，死亡風險就開始上升。濃度每增加10 μg/m3，總的死亡風險就上升4%，患心肺疾病的死亡風險上升6%，患肺癌的死亡風險上升8%[3]。由于北方地區燃煤導致的空氣污染，與生活在南方的居民相比，北方居民的人均預期壽命可能要減少55年[4]。2010年全球疾病負擔評估報告指出，以PM25污染為主的室外空氣污染已成為我國第四大致死因素，占2010年全部死亡人數的149%[5]。

長時間大范圍霧霾天氣的不斷爆發，引起了各級政府的高度重視。2012年，環保部出臺《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》，明確了重點區域PM25下降目標。2013年9月，以PM25治理為核心內容的《大氣污染防治行動計劃》正式出臺，提出了控制煤炭消費總量，加快清潔能源替代利用，加快煤制天然氣規模化和產業化步伐等大氣污染治理措施。綜觀當前中央與地方的大氣污染防治計劃，霧霾治理的重點在于煤炭消費總量控制、淘汰落后產能、工業污染治理和綠色交通建設等四個方面。這四項重點措施既是解決大氣污染問題的重要途徑，同時也是城市低碳發展的必要手段，具有顯著的協同效應。然而，從系統的角度看，并非所有的控煤措施都將達到低碳的效果，煤制天然氣項目即是其中最為突出的一類。

煤制天然氣（Coalbased Synthetic Natural Gas，Coalbased SNG），是指以煤為原料，采用氣化、凈化和甲烷化技術制取的合成天然氣。一部分觀點認為，將煤炭轉化為天然氣加以利用是我國現有能源稟賦和能源結構下一項重要的戰略選擇[6-7]。同時，煤制天然氣在生產成本上具有一定的競爭力，發展煤制天然氣項目具有積極意義[6-8]。然而，煤制天然氣項目的資源環境負外部性也是學者們詬病的焦點，他們認為，大規模煤制天然氣項目建設并不符合我國低碳、綠色、可持續發展的長期目標[9-10]。部分學者對煤制天然氣全生命周期內的資源消耗、環境排放進行了核算，認為煤制天然氣存在巨大的水資源消耗[11]和溫室氣體排放效應[12-14]，發展煤制天然氣項目會對生態環境產生嚴重影響。

在國內煤炭庫存積壓、價格下跌和天然氣供求差距擴大、價格上漲的市場環境下，煤制天然氣項目的市場要素已經形成，成為眾多能源企業和地方政府投資建設的熱點項目。煤制天然氣產業發展呈現出大規模、蔓延式的“井噴”狀態。綜合考慮并分析煤制天然氣替代煤炭對削減大氣污染物排放的貢獻，以及由此帶來的其他方面的資源環境影響，從而權衡利弊，科學決策，是當前PM25治理中最為迫切且至關重要的問題。

本文通過對煤制天然氣產業政策和現狀的梳理，基于對煤炭和煤制天然氣全生命周期資源消耗、大氣污染物和CO2排放的比較分析，以北京市使用煤制天然氣替代煤炭發電為例，測算以煤制天然氣替代煤炭這一區域PM25治理措施的資源環境影響，以期為我國當前的煤制天然氣項目決策提供依據。

龔夢潔等：煤制天然氣發電對中國碳排放和區域環境的影響

中國人口·資源與環境2015年第1期

1煤制天然氣項目的發展現狀

煤制天然氣項目建設是發展新型煤化工的重要內容。基于環境外部性的考慮，在霧霾大規模爆發之前，中央政府對煤化工、煤制天然氣產業一直持限制發展規模和收緊審批權限的態度。2010年6月，國家發改委在《關于規范煤制天然氣產業發展有關事項的通知（發改能源[2010]1205號）》中明確指出，在國家出臺明確的產業政策之前，煤制天然氣及配套項目由國家發展改革委統一核準，地方政府不得擅自核準或備案煤制天然氣項目。2011年2月，國家發改委針對一些地區盲目規劃、違規建設、無序發展煤化工等問題，發布《國家發展改革委關于規范煤化工產業有序發展的通知（發改產業[2011]635號）》，指出在新的核準目錄出臺之前，禁止建設年產20億m3及以下的煤制天然氣項目。在國家宏觀政策背景下，2011年之前國家發改委僅核準了大唐內蒙古赤峰、大唐遼寧阜新、匯能鄂爾多斯、慶華新疆伊犁等4個煤制天然氣項目，年產能共計151億m3。這一產能基本符合《天然氣發展“十二五”規劃》中提出的“到2015年煤制天然氣總供應能力達到150-180億m3”的目標。

為了應對2012年起持續出現的霧霾天氣，各地區紛紛加大了清潔能源的使用力度，使全國天然氣供應缺口呈現出擴大趨勢。據統計，2012年冬季天然氣缺口為40億m3左右，而2013年這一缺口達到了220億m3[15]。與此同時，煤炭價格持續走低，而天然氣價格不斷攀升，為煤制天然氣項目創造了巨大的盈利空間。

2013年9月出臺的《大氣污染防治行動計劃》是國家為煤制天然氣項目松綁的轉折點。該《計劃》明確指出，“在滿足最嚴格的環保要求和保障水資源供應的前提下，加快煤制天然氣產業化和規模化步伐”。此前一直處于被遏制狀態的煤制天然氣作為替代能源重新被提上產業化與規模化發展的日程。2013年以來，國家發改委加快了煤制天然氣的審批步伐，新增審批項目15項，新增產能620億m3。無論審批的項目數，還是審批的新增產能，遠遠超過了之前的“4項，151億m3”。截止2013年9月，國家發改委共計審批煤制天然氣項目19個，年產能達771億m3，達到了《天然氣發展“十二五”規劃》中“150-180億m3”的規劃目標的5倍左右。

在市場需求擴大、政策松綁的形勢下，全國多地尤其是新疆、內蒙古等煤炭資源主產區的煤制天然氣項目建設呈現“井噴”狀態，據不完全統計，截止2013年10月，我國建成、在建或擬建的煤制天然氣項目共61個，年總產能將達到2 693億m3。我國煤制天然氣產業正進入史無前例的超速發展階段。

2煤制天然氣發電全生命周期內的環境影響核算

21煤制天然氣發電的全生命周期

煤制天然氣的生產工藝大致相同，通過CO變換——酸性氣體脫除——高溫甲烷化等環節，完成煤制天然氣的生產，在這一過程中將

有大量溫室氣體排出。然而，僅僅關注其生產過程中的排放是不夠的，通過全生命周期評價（Life Cycle Assessment， LCA）的方法測算、評價煤制天然氣從煤炭開發、煤制天然氣生產和最終利用全過程的能量消耗和環境排放，才能系統客觀地認識其真正的環境影響。根據煤制天然氣終端消費方式的不同，全生命周期系統邊界也有所不同。為了便于和煤炭進行比較，本文考慮發電作為能源消費終端，并采用平均發電水平。評價系統邊界包括：煤炭開采、煤炭洗選、煤炭運輸、煤制天然氣工廠加工、煤制天然氣管道運輸、煤制天然氣發電（見圖1）。為適當簡化工作量并使結果更加直觀，涉及運輸載體、廠房設備等基礎設施的生命周期排放等所占比例甚低的部分均不計入。

圖1煤制天然氣發電系統的全生命周期

Fig1Life cycle of coalbased SNG to electricity system

22全生命周期碳排放核算方法和參數

全生命周期分析是一個非常復雜的系統工程。理論上來說，煤制天然氣全生命周期的CO2排放可以通過對各個環節的CO2排放加總得出：

F煤制天然氣=F煤炭開采+F煤炭洗選+F煤炭運輸+F工廠加工+F管道運輸+F發電 （1）

其中，F煤制天然氣為煤制天然氣全生命周期的CO2排放;F煤炭開采、F煤炭洗選、F煤炭運輸、F工廠加工、F管道運輸、F發電 為煤制天然氣全生命周期系統中煤炭開采、煤炭洗選、煤炭運輸、工廠加工、管道運輸、發電等環節的CO2排放。為了便于與煤炭發電全生命周期內的碳排放進行比較，本研究將1 kWh電力作為煤制天然氣發電與煤炭發電作為系統的最終輸出。因此，該式中F煤制天然氣也可以理解為每產生1 kWh電力所需的煤制天然氣全生命周期的CO2排放，單位為gCO2/kWh。根據已有研究，煤制天然氣工廠加工和燃氣電廠發電兩個階段的CO2排放占其全生命周期排放總量的885%[13]。因此，本文重點關注煤制天然氣工廠加工和燃氣電廠生產的排放。

煤制天然氣發電與煤炭直接發電兩條技術路線在煤炭開采、洗選、運輸環節基本一致，將這些與生產和消費排放并非直接相關的環境所產生的CO2排放表示為F煤炭上游，單位為gCO2/MJ。由于天然氣管道運輸環節的碳排放極小，因此忽略不計。則公式（1）可簡化為：

F煤制天然氣=F煤炭上游+F工廠加工+F發電（2）

F煤炭上游=F煤炭開采+F煤炭洗選+F煤炭運輸

根據碳排放核算公式，每單位煤制天然氣發電過程中的碳排放可以用下式進行計算：

E單位煤制天然氣=4412·CCFN·FORFN（3）

式中，CCFN表示煤制天然氣的含碳量，單位為gC/MJ;FORFN表示煤制天然氣發電過程中的碳氧化率，單位為%。同時，每單位煤制天然氣所能產生的電量為：

E單位電量=η2·1θ（4）

式中，η2表示天然氣的發電效率，單位為%;θ表示熱電轉化系數，單位為MJ/kWh。結合公式（3）和（4），煤制天然氣每發1 kWh電，在發電環節的碳排放可以表達為：

F發電=θ·1η2·4412·CCFN·FORFN（5）

進行全生命周期分析，還需要把碳排放過程追溯到煤制天然氣生產環節和煤炭上游環節。一般來說，每生產1單位的煤制天然氣，所需的煤炭數量為1ηe，其中ηe表示煤制天然氣的能量轉化效率，單位為%。進而，每發1 kWh電力所需的煤炭數量可以表達為θ·1η2·1ηe。而每單位煤炭在煤制氣過程中的碳排放可以通過煤炭中潛在碳排放量減去天然氣中的潛在碳排放量計算得出，其表達式為：

F單位煤炭=4412·CCFC·FORFC-4412·CCFN·ηe（6）

式中，CCFC表示煤炭的含碳量，單位為gC/MJ;FORFC表示煤制氣過程中的碳氧化率，單位為%。進行全生命周期碳排放核算，需要把各個工藝流程中所需要的物質單位統一起來。根據各工藝流程的物質轉換系數，煤制天然氣每發1 kWh電，在煤制天然氣環節的碳排放可以表達為：