煤制天然气发电对中国碳排放和区域环境的影响

龚梦洁+李惠民+齐晔

摘要

PM25治理与低碳发展具有显著的协同效应，然而并非所有的PM25治理措施都达到低碳的效果，煤制天然气项目是其中最为突出的一类。本文梳理了煤制天然气产业政策与现状，采用全生命周期评价法，对煤炭和煤制天然气发电过程中的CO2、SO2、NOx排放进行了分析。研究结果表明，用煤制天然气替代煤炭，每发1 kWh电可以减少SO2排放973 g，减少NOx排放045 g;但同时将多消耗142 g标准煤，增加CO2排放4062 g。煤制天然气项目对天然气使用地的大气污染防治具有正面作用，但却给煤制天然气生产地带来严重的环境负外部性问题。从而，煤制天然气的生产与消费是一种资源消耗和环境排放的转嫁，而且从整体上提高了我国的煤炭使用量和CO2排放量。定量评估显示，如果将各地建成、在建或拟建的所有煤制天然气项目全部投入生产，每年约消耗81亿t原煤，用这部分煤制天然气替代煤炭发电所增加的CO2排放将占2010年全国CO2排放量的3%-6%。因此一味地使用煤制天然气替代煤炭来达到雾霾治理这一目的，忽视其将长期存在的严重的资源环境效率损失和公平损失问题，我国环境保护与低碳发展将陷入“头痛医头，脚痛医脚”的恶性循环。改善我国环境质量的根本途径在于推动能源生产和消费革命，而控制能源消费总量是最为优先的措施。煤制天然气应该用来替代分散的煤炭使用，以此来达到煤炭清洁高效利用的目标。在发电行业，应该大力进行技术改造，实现比使用煤制天然气更好的环境效益。从全生命周期内的资源消耗和环境影响来看，煤制天然气项目建设必须高度重视，慎重决策。

关键词煤制天然气;PM25;碳排放;区域环境治理

中图分类号X321;X513文献标识码A文章编号1002-2104（2015）01-0083-07doi：103969/jissn1002-2104201501012

“十一五”以来，中国的低碳发展取得了积极进展，不仅是世界上单位GDP能耗下降速度最快的国家，也是世界上可再生能源发展速度最快的国家[1]。然而，以PM25污染为表征的大气污染危机在全国大部分地区频频爆发，使中国成为世界上空气污染最为严重的地区之一。近年来，京津冀等区域每年出现雾霾污染的天数达到100天以上，空气中细颗粒物（PM25）年均浓度超过世界卫生组织推荐的空气质量标准指导值2-4倍[2]。研究显示，当空气中PM25的浓度长期高于10 μg/m3时，死亡风险就开始上升。浓度每增加10 μg/m3，总的死亡风险就上升4%，患心肺疾病的死亡风险上升6%，患肺癌的死亡风险上升8%[3]。由于北方地区燃煤导致的空气污染，与生活在南方的居民相比，北方居民的人均预期寿命可能要减少55年[4]。2010年全球疾病负担评估报告指出，以PM25污染为主的室外空气污染已成为我国第四大致死因素，占2010年全部死亡人数的149%[5]。

长时间大范围雾霾天气的不断爆发，引起了各级政府的高度重视。2012年，环保部出台《重点区域大气污染防治“十二五”规划》，明确了重点区域PM25下降目标。2013年9月，以PM25治理为核心内容的《大气污染防治行动计划》正式出台，提出了控制煤炭消费总量，加快清洁能源替代利用，加快煤制天然气规模化和产业化步伐等大气污染治理措施。综观当前中央与地方的大气污染防治计划，雾霾治理的重点在于煤炭消费总量控制、淘汰落后产能、工业污染治理和绿色交通建设等四个方面。这四项重点措施既是解决大气污染问题的重要途径，同时也是城市低碳发展的必要手段，具有显著的协同效应。然而，从系统的角度看，并非所有的控煤措施都将达到低碳的效果，煤制天然气项目即是其中最为突出的一类。

煤制天然气（Coalbased Synthetic Natural Gas，Coalbased SNG），是指以煤为原料，采用气化、净化和甲烷化技术制取的合成天然气。一部分观点认为，将煤炭转化为天然气加以利用是我国现有能源禀赋和能源结构下一项重要的战略选择[6-7]。同时，煤制天然气在生产成本上具有一定的竞争力，发展煤制天然气项目具有积极意义[6-8]。然而，煤制天然气项目的资源环境负外部性也是学者们诟病的焦点，他们认为，大规模煤制天然气项目建设并不符合我国低碳、绿色、可持续发展的长期目标[9-10]。部分学者对煤制天然气全生命周期内的资源消耗、环境排放进行了核算，认为煤制天然气存在巨大的水资源消耗[11]和温室气体排放效应[12-14]，发展煤制天然气项目会对生态环境产生严重影响。

在国内煤炭库存积压、价格下跌和天然气供求差距扩大、价格上涨的市场环境下，煤制天然气项目的市场要素已经形成，成为众多能源企业和地方政府投资建设的热点项目。煤制天然气产业发展呈现出大规模、蔓延式的“井喷”状态。综合考虑并分析煤制天然气替代煤炭对削减大气污染物排放的贡献，以及由此带来的其他方面的资源环境影响，从而权衡利弊，科学决策，是当前PM25治理中最为迫切且至关重要的问题。

本文通过对煤制天然气产业政策和现状的梳理，基于对煤炭和煤制天然气全生命周期资源消耗、大气污染物和CO2排放的比较分析，以北京市使用煤制天然气替代煤炭发电为例，测算以煤制天然气替代煤炭这一区域PM25治理措施的资源环境影响，以期为我国当前的煤制天然气项目决策提供依据。

龚梦洁等：煤制天然气发电对中国碳排放和区域环境的影响

中国人口·资源与环境2015年第1期

1煤制天然气项目的发展现状

煤制天然气项目建设是发展新型煤化工的重要内容。基于环境外部性的考虑，在雾霾大规模爆发之前，中央政府对煤化工、煤制天然气产业一直持限制发展规模和收紧审批权限的态度。2010年6月，国家发改委在《关于规范煤制天然气产业发展有关事项的通知（发改能源[2010]1205号）》中明确指出，在国家出台明确的产业政策之前，煤制天然气及配套项目由国家发展改革委统一核准，地方政府不得擅自核准或备案煤制天然气项目。2011年2月，国家发改委针对一些地区盲目规划、违规建设、无序发展煤化工等问题，发布《国家发展改革委关于规范煤化工产业有序发展的通知（发改产业[2011]635号）》，指出在新的核准目录出台之前，禁止建设年产20亿m3及以下的煤制天然气项目。在国家宏观政策背景下，2011年之前国家发改委仅核准了大唐内蒙古赤峰、大唐辽宁阜新、汇能鄂尔多斯、庆华新疆伊犁等4个煤制天然气项目，年产能共计151亿m3。这一产能基本符合《天然气发展“十二五”规划》中提出的“到2015年煤制天然气总供应能力达到150-180亿m3”的目标。

为了应对2012年起持续出现的雾霾天气，各地区纷纷加大了清洁能源的使用力度，使全国天然气供应缺口呈现出扩大趋势。据统计，2012年冬季天然气缺口为40亿m3左右，而2013年这一缺口达到了220亿m3[15]。与此同时，煤炭价格持续走低，而天然气价格不断攀升，为煤制天然气项目创造了巨大的盈利空间。

2013年9月出台的《大气污染防治行动计划》是国家为煤制天然气项目松绑的转折点。该《计划》明确指出，“在满足最严格的环保要求和保障水资源供应的前提下，加快煤制天然气产业化和规模化步伐”。此前一直处于被遏制状态的煤制天然气作为替代能源重新被提上产业化与规模化发展的日程。2013年以来，国家发改委加快了煤制天然气的审批步伐，新增审批项目15项，新增产能620亿m3。无论审批的项目数，还是审批的新增产能，远远超过了之前的“4项，151亿m3”。截止2013年9月，国家发改委共计审批煤制天然气项目19个，年产能达771亿m3，达到了《天然气发展“十二五”规划》中“150-180亿m3”的规划目标的5倍左右。

在市场需求扩大、政策松绑的形势下，全国多地尤其是新疆、内蒙古等煤炭资源主产区的煤制天然气项目建设呈现“井喷”状态，据不完全统计，截止2013年10月，我国建成、在建或拟建的煤制天然气项目共61个，年总产能将达到2 693亿m3。我国煤制天然气产业正进入史无前例的超速发展阶段。

2煤制天然气发电全生命周期内的环境影响核算

21煤制天然气发电的全生命周期

煤制天然气的生产工艺大致相同，通过CO变换——酸性气体脱除——高温甲烷化等环节，完成煤制天然气的生产，在这一过程中将

有大量温室气体排出。然而，仅仅关注其生产过程中的排放是不够的，通过全生命周期评价（Life Cycle Assessment， LCA）的方法测算、评价煤制天然气从煤炭开发、煤制天然气生产和最终利用全过程的能量消耗和环境排放，才能系统客观地认识其真正的环境影响。根据煤制天然气终端消费方式的不同，全生命周期系统边界也有所不同。为了便于和煤炭进行比较，本文考虑发电作为能源消费终端，并采用平均发电水平。评价系统边界包括：煤炭开采、煤炭洗选、煤炭运输、煤制天然气工厂加工、煤制天然气管道运输、煤制天然气发电（见图1）。为适当简化工作量并使结果更加直观，涉及运输载体、厂房设备等基础设施的生命周期排放等所占比例甚低的部分均不计入。

图1煤制天然气发电系统的全生命周期

Fig1Life cycle of coalbased SNG to electricity system

22全生命周期碳排放核算方法和参数

全生命周期分析是一个非常复杂的系统工程。理论上来说，煤制天然气全生命周期的CO2排放可以通过对各个环节的CO2排放加总得出：

F煤制天然气=F煤炭开采+F煤炭洗选+F煤炭运输+F工厂加工+F管道运输+F发电 （1）

其中，F煤制天然气为煤制天然气全生命周期的CO2排放;F煤炭开采、F煤炭洗选、F煤炭运输、F工厂加工、F管道运输、F发电 为煤制天然气全生命周期系统中煤炭开采、煤炭洗选、煤炭运输、工厂加工、管道运输、发电等环节的CO2排放。为了便于与煤炭发电全生命周期内的碳排放进行比较，本研究将1 kWh电力作为煤制天然气发电与煤炭发电作为系统的最终输出。因此，该式中F煤制天然气也可以理解为每产生1 kWh电力所需的煤制天然气全生命周期的CO2排放，单位为gCO2/kWh。根据已有研究，煤制天然气工厂加工和燃气电厂发电两个阶段的CO2排放占其全生命周期排放总量的885%[13]。因此，本文重点关注煤制天然气工厂加工和燃气电厂生产的排放。

煤制天然气发电与煤炭直接发电两条技术路线在煤炭开采、洗选、运输环节基本一致，将这些与生产和消费排放并非直接相关的环境所产生的CO2排放表示为F煤炭上游，单位为gCO2/MJ。由于天然气管道运输环节的碳排放极小，因此忽略不计。则公式（1）可简化为：

F煤制天然气=F煤炭上游+F工厂加工+F发电（2）

F煤炭上游=F煤炭开采+F煤炭洗选+F煤炭运输

根据碳排放核算公式，每单位煤制天然气发电过程中的碳排放可以用下式进行计算：

E单位煤制天然气=4412·CCFN·FORFN（3）

式中，CCFN表示煤制天然气的含碳量，单位为gC/MJ;FORFN表示煤制天然气发电过程中的碳氧化率，单位为%。同时，每单位煤制天然气所能产生的电量为：

E单位电量=η2·1θ（4）

式中，η2表示天然气的发电效率，单位为%;θ表示热电转化系数，单位为MJ/kWh。结合公式（3）和（4），煤制天然气每发1 kWh电，在发电环节的碳排放可以表达为：

F发电=θ·1η2·4412·CCFN·FORFN（5）

进行全生命周期分析，还需要把碳排放过程追溯到煤制天然气生产环节和煤炭上游环节。一般来说，每生产1单位的煤制天然气，所需的煤炭数量为1ηe，其中ηe表示煤制天然气的能量转化效率，单位为%。进而，每发1 kWh电力所需的煤炭数量可以表达为θ·1η2·1ηe。而每单位煤炭在煤制气过程中的碳排放可以通过煤炭中潜在碳排放量减去天然气中的潜在碳排放量计算得出，其表达式为：

F单位煤炭=4412·CCFC·FORFC-4412·CCFN·ηe（6）

式中，CCFC表示煤炭的含碳量，单位为gC/MJ;FORFC表示煤制气过程中的碳氧化率，单位为%。进行全生命周期碳排放核算，需要把各个工艺流程中所需要的物质单位统一起来。根据各工艺流程的物质转换系数，煤制天然气每发1 kWh电，在煤制天然气环节的碳排放可以表达为：