我国城市天然气替代燃煤集中供暖的大气污染减排效果

庞 军，吴 健，马 中，梁龙妮，张婷婷 （中国人民大学环境学院，北京 100872）

我国城市天然气替代燃煤集中供暖的大气污染减排效果

庞 军，吴 健*，马 中，梁龙妮，张婷婷 （中国人民大学环境学院，北京 100872）

基于国家发改委“天然气利用政策”中的天然气利用领域，利用等热值替代方法计算不同领域天然气替代后的污染物减排效果，从大气污染减排角度对天然气各个利用领域的优先次序重新排列，并对2010年全国15个重点供暖城市天然气替代燃煤集中供暖的大气污染物减排量进行测算.结论表明:天然气集中供暖的大气污染减排效果排序处于前列，城市利用天然气替代燃煤集中供暖对CO2、颗粒物（PM）、SO2和NOx都有较明显的减排效果.2010年我国15个重点城市如果采用天然气集中供暖，共可减少CO2排放量2190.71万t、颗粒物（PM）排放量734.24万t、SO2排放量40.21万t、NOx排放量22.56万t.

天然气；城市；集中供暖；大气污染；减排

当前，我国城市空气污染出现加剧的局面，以频繁的雾霾天气为主要特征的城市空气污染严重危害居民健康.我国城市冬季供暖主要依赖燃煤，导致城市冬季大气环境质量更差.天然气作为清洁能源，在替代燃煤改善空气质量方面具有优势:一方面，天然气的能源利用效率普遍高于燃煤；另一方面，天然气作为比较清洁的能源，其燃烧产生的污染相比煤炭要明显降低［1］.近年来，已有学者针对天然气利用的环境效益开展了评估.胡奥林等［2］以成都市区为例，指出利用天然气替代燃煤作为工业燃料，有利于市区总悬浮颗粒物和SO2浓度的下降并给城市居民带来显著的健康效益.赵立军等［3］指出利用天然气替代石油、煤炭和机动车燃油，可减少温室气体排放，基本消除烟尘和SO2污染，大大减少CO、挥发性有机化合物、NOx、铅以及粉尘等有害物质的排放.张中秀［4］以我国5个特大城市为例，分析了发电、供热、工业、居民和商业炊事以及汽车等领域采用天然气替代后粉尘、SO2、NOx等大气污染物和CO2的减排效果.Chen等［5］以上海为例指出将天然气用于发电、工业、商业及居民生活，可以显著减少SO2和PM10排放，并降低CO2排放量.李健等［6］对京津冀地区脱硝技术与天然气应用的情景进行模拟分析后指出，脱硝技术应用及天然气使用比例增大会显著降低京津冀地区空气中的NOx和PM2.5的浓度.

特别地，也有学者对城市煤改气方案的实施效果进行了评价.欧春华等［7］基于对重庆市煤改气规模与范围的调查分类，对煤改气的技术经济可行性以及环境效益进行了分析，研究认为:实施煤改气工程，不仅能产生一定的经济效益，而且大大削减了重庆市主城区的大气污染物排放量，有效缓解了主城区的大气污染.毛显强等［8］以北京和重庆为案例城市，研究结果表明，在人口与经济活动高度集中的大城市，使用天然气作为民用燃料，可有效降低非点源大气污染物的排放以及低空污染物的浓度，从而产生明显的环境效益，具有显著的费用-效益比较优势.

近年来，国内对天然气巨大的市场需求推动了煤制气产业的发展，国内有学者基于生命周期碳排放清单的角度，就煤制气的环境效益进行了评估.付子航［9］将煤制天然气（SNG）的全生命周期分为煤炭上游开采和洗选、煤炭运输、经SNG工厂加工转换、SNG管道运输和SNG终端使用，并将其与煤层气（CBM）、液化天然气（LNG）和管输天然气（PNG）的碳排放进行比较，得到SNG的碳排放甚至高于燃煤.如果仅从SNG在城市的终端使用来看，可以作为一种清洁能源，但SNG成本高且过程并不“低碳”.

本文从促进城市天然气利用改善城市空气质量这一角度出发:首先基于国家发改委所颁布“天然气利用政策”中的天然气利用领域，利用等热值替代方法计算不同领域实现天然气替代后相同热值的大气污染物减排量；然后，通过无量纲化方法计算污染物减排综合指数，并从大气污染减排角度对天然气各利用领域的优先次序重新排列；最后，以2010年为例，测算全国15个重点供暖城市如果利用天然气替代燃煤集中供暖可带来的大气污染物减排量.

1 研究对象及数据来源

1.1 研究对象

为了基于大气污染减排效果识别天然气利用的优先领域，对国家发改委“天然气利用政策”中天然气各利用领域所对应的能源替代项目进行识别，确定了6大天然气利用领域和10个能源替代项目（表1）.

在污染物选择上，一方面考虑常规的大气污染物，选取SO2、NOx、CO和颗粒物（PM）；另一方面考虑到大气污染物和温室气体排放的关联性［10］，选取主要的温室气体CO2.

1.2 数据来源

本研究所需的污染物排放系数数据较多，而目前国内公开出版的资料中并没有本文所需全部污染物排放系数的权威数据，因此本文所需数据只能从现有多个资料中零星地获得，数据来源相对比较分散；另外，尽管作者在数据收集过程中尽量选择了相对可靠的数据，但不可避免会存在一些误差.

不同领域的CO2排放参数来源于IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories［11］；SO2、CO和颗粒物排放系数来源于《排污申报登记实用手册》［12］、《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》［13］和《家用燃料气态燃烧产物对室内空气污染的初步评估》［14］，炊事领域颗粒物排放系数由于国内数据不可得，参照了美国EPA的Emissions Factors AP42［15］；汽油车、柴油车污染物排放系数来源于:《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》（GB 18352.3—2005）［16］和《中国不同排放标准机动车排放因子的确定》［17］；天然气汽车相关数据则来源于Emissions variation in urban areas resulting from the introduction of natural gas vehicles: Application to Barcelona and Madrid Greater Areas （Spain）［18］、Carbon dioxide emissions from diesel and compressed natural gas buses during acceleration［19］和《CNG汽车改装技术和效益分析》［20］. NOx排放系数主要来源于《排污申报登记实用手册》.由于现行大气污染排放标准中规定了燃煤发电、天然气发电、天然气集中供暖的NOx排放限值，本文基于上述标准限值测算了燃煤发电、天然气发电和天然气集中供暖的NOx排放系数.原有能源系统的污染物排放系数和利用天然气的污染物排放系数如表1、表2所示.

表1 天然气利用前原有能源系统的污染物排放系数Table 1 Emission factors of pollutants with current fuel in different utilization fields

表2 天然气在各种利用领域的污染物排放系数Table 2 Emission factors of pollutants with natural gas in different utilization fields

2 基于大气污染减排效果的天然气利用领域优先排序

2.1 各领域利用天然气的污染物减排系数

首先，根据不同能源间的热值关系，确定等热值污染物排放系数，将原始数据的排放系数转换成单位热值污染物排放量.以《综合能耗计算通则》（GB/T 2589-2008）标准为转换依据（表3），将每种能源的污染物排放系数统一规定为每百万千卡（106kcal）热值的污染物排放量.

然后，通过等热值替代法，分别得到原有燃煤系统的污染物排放系数和利用天然气后的污染物排放系数，将二者之间的差值定义为利用天然气替代燃煤后的污染物减排系数，即不同领域利用百万千卡热值天然气替代等热值燃煤后的污染物减排量.

从表4的数值可以看出，实现等热值天然气替代燃煤后，相比SO2、CO、NOx和颗粒物这4项常规污染物的减排量来看，CO2的减排幅度最大；从颗粒物（PM）减排来看，供暖和发电领域利用天然气的效果更好；从SO2及CO减排来看，生活用气领域天然气替代家用煤炉炊事的效果更好；从NOx减排来看，天然气集中供暖的效果更好；从CO2减排来看，生活用气领域天然气替代液化石油气炊事的效果更好.

表3 不同类型能源间的热值转换关系Table 3 Heating values of different forms of energy

2.2 天然气利用领域优先排序

为了比较各能源替代项目对污染物的减排效果，本文将实现等热值替代后各能源替代项目的污染物减排量进行无量纲化，并对同一能源替代项目每种污染物减排的无量纲系数求和，将该和定义为污染物减排综合指数；然后根据污染物减排综合指数大小对不同天然气利用领域进行排序，减排综合指数越大的天然气利用领域，其排序越优先.

一般来说，无量纲化有3种常用方法，极值化方法、标准化方法以及均值化方法.由于极值化法与均值化法在消除量纲和数量级影响的同时，保留了各变量在取值差异程度上的信息，差异程度越大的变量对综合分析的影响越大.而标准化方法在无量纲化的同时，消除了各变量在变异程度上的差异，从而使得转换后的各变量被同等看待.鉴于本研究将5种污染物减排指标设置为等权重，故选择标准化方法无量纲化.标准化方法的公式为:

表4 百万千卡热值天然气替代的污染物减排因子（kg/106kcal）Table 4 Emission reduction factors of air pollutants from fuel replacement of per million calories heating value of natural gas （kg/106kcal）

首先，依据表4中的不同领域利用百万千卡热值天然气替代燃煤后的污染物减排量，分别对5类污染物的减排系数采取标准化方法无量纲化，得到表5中SO2、NOx、CO、CO2和颗粒物（PM）这5类污染物分别在10个能源替代项目中的“标准化减排系数”.然后，对同一能源替代项目无量纲化后的各种污染物的标准化减排系数求和，获得各能源替代项目的污染物减排综合指数.最后，根据污染物减排综合指数值，得到不同天然气利用领域的大气污染减排效果排序，综合指数值越高排序越靠前，如表5所示.

由表5可以看出，在各个天然气利用领域中，大气污染减排效果排在第1位的是天然气集中供暖，分户式燃气供暖与分布式能源的综合减排量分别排在第2、3位，处于第4位的是天然气发电，排在第5位的是生活用气领域中的天然气替代家用煤炉炊事，第6位的则是生活用气领域中的天然气替代液化石油气炊事.液化石油气本身相对比较清洁，除了在CO2一项减排量较为明显之外，其综合减排指数的排序并不靠前.由于国三标准与国四标准已经相对严格，所以利用天然气汽车替代国三标准与国四标准下的柴油轻型车与汽油轻型车，污染物减排效果相比其他领域并不明显.

表5 天然气不同利用领域的大气污染减排效果排序Table 5 Ranks of different natural gas utilization fields by effectiveness of air pollutant reductions

天然气集中供暖替代燃煤集中供暖、分户式燃气供暖替代燃煤集中供暖、分布式能源替代燃煤集中供暖、天然气发电替代燃煤发电的大气污染减排效果较为显著，其中天然气供暖（包括集中供暖、分户式燃气供暖和分布式能源）的大气污染减排效果排序处于前列.

3 天然气替代燃煤集中供暖的大气污染减排量测算

根据上述对各利用领域实现天然气替代后的大气污染减排效果分析，利用天然气替代燃煤集中供暖，在SO2、NOx、CO2、颗粒物（PM）4项指标上均具有明显的污染减排效果，而且集中供暖用煤量巨大，有望产生可观的大气污染减排量.

目前我国冬季集中供暖地区共有15个省、治区和直辖市，分别为黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、北京、天津、河南、河北、山西、山东、甘肃、新疆、陕西、青海、宁夏.为便于研究，这里选取这15个地区的直辖市、省会或首府，即哈尔滨、长春、沈阳、呼和浩特、北京、天津、郑州、石家庄、太原、济南、兰州、乌鲁木齐、西安、西宁、银川，以2010年的数据为例，对这15个城市如果采用天然气替代燃煤集中供暖的大气污染物减排量进行测算.

首先，测算15个重点供暖城市的建筑体供热能耗:

根据行业标准JGJ 26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》，得到建筑采暖耗能量指标计算公式:

式中:qc表示采暖能源消耗量指标（kg标准煤/ m2）；qH表示建筑物耗热量指标（W/m2），鉴于目前大部分建筑采暖能耗尚未达到标准JGJ 26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》所规定的建筑物耗热量指标，这里以标准JGJ 26-95《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》中的建筑物耗热量指标为标准，计算各城市单位供暖面积能源消耗量； Z表示采暖期天数（d），这里取法定采暖期天数； Hc表示标准煤热值，取8.14×103W·h/kg； η1表示室外管网输送效率，在非节能状态下为85%，节能状态下为90%，本研究取90%； η2表示锅炉运行效率，根据机械行业标准JBT 10094-2002《工业锅炉通用技术条件》，本研究将燃气锅炉运行效率取90%.

表6 2010年15个重点供暖城市的建筑体供热能耗Table 6 Energy consumption of buildings for central heating in 15 major cities in 2010

从《中国城市建设统计年鉴》（2011）查到2010年这15个重点供暖城市的供暖面积，乘以各城市单位供暖面积能源消耗量，得到各城市的建筑体供热能耗（表6）.

最后，根据表6中各城市2010年的建筑体供热能耗和表4中天然气替代燃煤集中供暖的5种污染物减排系数，得到这15个重点供暖城市2010年如果用天然气替代燃煤集中供暖可以获得的大气污染物减排量（表7）.

从表7可以看出，在我国15个重点供暖城市中，2010年如果采用天然气替代燃煤集中供暖，共可以减少CO2排放量2190.71万t、颗粒物（PM）排放量734.24万t、SO2排放量40.21万t、NOx排放量22.56万t、CO排放量3.49万t，表明城市利用天然气替代燃煤集中供暖对CO2、颗粒物（PM）、SO2和NOx都有较明显的减排效果.在这15个城市中，减排效果排在前5位的城市依次是北京、沈阳、天津、哈尔滨和长春，其中供热面积最大的北京市大气污染减排效果最为显著.具体来说，北京市2010年如果采用天然气替代燃煤集中供暖，CO2减排量可达到502.24万t，颗粒物（PM）减排量可达到168.33万t，SO2减排量可达到9.22万t，NOx减排量可达5.17万t，CO减排量可达8000t.这里需要指出的是，2010年北京市已经投入10.01亿m3天然气用于替代燃煤集中供暖，相当于约有三分之一的供热面积已经实现了天然气供暖，由此当年北京市已实际获得了三分之一的大气污染减排量.

表7 2010年15个重点供暖城市天然气替代燃煤集中供暖的大气污染物减排量（万t）Table 7 Air pollutant reductions from replacement of coal with natural gas for central heating in 15 major cities in 2010 （104tons）

本文仅对城市利用天然气替代燃煤集中供暖的大气污染减排效果进行了分析，并没有考察这种替代的经济可行性及效益.在后续研究中，可以通过引入剂量-反应函数等方法对大气污染减排带来的健康效益进行测算，并据此对天然气替代燃煤集中供暖进行详细的费用-效益分析，考察这一替代的经济可行性及效益，以更全面了解城市天然气替代燃煤集中供暖的综合效益.

4 结论

4.1 在国家发改委“天然气利用政策”中的6大天然气利用领域中，大气污染减排效果排序处于前3位的分别是天然气集中供暖替代燃煤集中供暖、分户式燃气供暖替代燃煤集中供暖、分布式能源替代燃煤集中供暖.从减少大气污染促进城市空气质量改善的角度来说，天然气供暖（包括集中供暖、分户式燃气供暖和分布式能源）在我国城市具有较高的推广价值.

4.2 在我国15个重点供暖城市中，2010年如果采用天然气替代燃煤集中供暖，共可减少CO2排放量2190.71万t、颗粒物（PM）排放量734.24万t、SO2排放量40.21万t、NOx排放量22.56万t、CO排放量3.49万t，表明城市利用天然气替代燃煤集中供暖对CO2、颗粒物（PM）、SO2和NOx都有较明显的减排效果.在这15个城市中，减排效果排在前5位的城市依次是北京、沈阳、天津、哈尔滨和长春，其中北京市的减排效果最为显著.

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Air pollution abatement effects of replacing coal with natural gas for central heating in cities of China.

PANG Jun，WU Jian*， MA Zhong， LIANG Long-ni， ZHANG Ting-ting （School of Environment and Natural Resources， Renmin University of China， Beijing 100872， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：55～61

Targeting on the different gas utilization fields promulgated in the “Natural Gas Utilization Policy” by National Development and Reform Commission of China， this paper measured the emission reduction effects of replacing current fuels with equivalent calorific value of natural gas， and based on these measurements， re-ranked the priority of different gas utilization fields. The results show that: the air pollution abatement effects of natural gas heating ranks at the top level among all different utilization fields. This paper also calculated the scale of air pollutant abatement effect by replacing coal with natural gas for central heating in 15major heating cities of China in 2010， and proved that significant emission reduction effects on CO2（21.91 million tons）， particulate material （7.34 million tons），SO2（402.1 thousand tons） and NOx （225.6 thousand tons） can be achieved by converting fuel from coal to natural gas in central heating in cities of China.

natural gas；city；central heating；air pollution；emission reduction

X513

A

1000-6923（2015）01-0055-07

庞 军（1971-），男，湖北荆门人，副教授，博士，研究方向为能源与环境经济学.发表论文20余篇.

2014-04-07

中国人民大学科学研究基金（中央高校基本科研业务费专项资金资助）项目（14XNJ008）

* 责任作者， 教授， jianwu@ruc.edu.cn