煤制天然氣碳排放全生命周期分析及橫向比較

摘 要

摘要：在中國天然氣市場需求旺盛、供需缺口快速擴大的大背景下，煤制天然氣(SNG)迎來了大規(guī)模的投資與發(fā)展熱潮。然而，隨著“低碳經(jīng)濟”發(fā)展模式的轉變預期，SNG又面臨著
摘要：在中國天然氣市場需求旺盛、供需缺口快速擴大的大背景下，煤制天然氣(SNG)迎來了大規(guī)模的投資與發(fā)展熱潮。然而，隨著“低碳經(jīng)濟”發(fā)展模式的轉變預期，SNG又面臨著“低碳”與否的爭議。為此，采用全生命周期(LCA)評價方法對SNG項目從原煤開采到轉化為煤制天然氣、直至進入終端消費全過程的直接和間接二氧化碳排放及其溫室氣體排放進行了清單分析。同時，對SNG與煤層氣、液化天然氣、管輸天然氣的全生命周期二氧化碳排放清單進行了橫向比較，將相關產(chǎn)業(yè)鏈劃分為國外和國內兩個環(huán)節(jié)并進行分析，結果認為LNG在國際貿(mào)易中具有明顯的碳減排優(yōu)勢。結合美國大平原SNG工廠碳減排對我國的啟示，提出中國發(fā)展SNG的“低碳”途徑與選擇，并呼吁應從多方面謹慎對待具體SNG項目的前期規(guī)劃和研究。
關鍵詞：煤制天然氣；液化天然氣；煤層氣；管輸天然氣；生命周期分析；橫向比較；二氧化碳捕捉與封存
1 “低碳經(jīng)濟"與中國煤制天然氣的發(fā)展
    2009年11月國務院常務會議決定，“到2020年我國單位國內生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%”作為約束性指標納入國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中長期規(guī)劃。近期的研究表明[1]，即使實施“低碳約束”，傳統(tǒng)化石能源仍是我國能源構成主體，煤炭居各類能源之首的情況到21世紀中葉仍難以根本改觀。
    由于國產(chǎn)天然氣的總量和年增長率無法滿足中國天然氣市場的需求和增長(見表1)，LNG進口規(guī)模迅速增加，中亞、中緬、中俄等管道天然氣(PNG)進口也將逐步引入，因此我國煤制天然氣(Synthetic Natural Gas，SNG)迎來了投資和發(fā)展的熱潮。截至2010年3月，國家發(fā)改委已經(jīng)分別核準了大唐國際克什克騰、內蒙古匯能及大唐遼寧阜新3個總計96×108m3/a的煤制天然氣項目。2010年8月5日，新疆伊犁年產(chǎn)55×108m3煤制氣項目獲批，成為第4個經(jīng)國家核準的煤制天然氣項目。

    應該承認，從保障我國天然氣供應安全、平抑進口天然氣價格波動、多元化供應角度看，發(fā)展SNG有積極的意義。但另一方面，有觀點認為SNG是在一次能源之間進行轉換，成本高昂且過程并不“低碳”，不符合“低碳經(jīng)濟”的大方向。其實，煤制天然氣的過程是否“低碳、高效”、是否值得大規(guī)模發(fā)展，不應僅以某一個環(huán)節(jié)的能效作為評價基準。只有采用全生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)的方法測算、評價SNG從煤炭開發(fā)、煤制氣生產(chǎn)和最終利用全過程的能量消耗和環(huán)境排放，并通過與目前發(fā)展勢頭良好的煤層氣(Coal bed methane，CBM)、LNG、PNG進行橫向比較，才能系統(tǒng)、客觀地認識這些產(chǎn)業(yè)的優(yōu)劣，準確把握SNG產(chǎn)業(yè)化過程中的突出問題，設法進行績效改善。
2 LCA方法及其在本研究中的應用方式
    LCA是一種重要的環(huán)境管理工具，用于評價產(chǎn)品、工藝過程或活動從原材料的采集和加工到生產(chǎn)、運輸、銷售、使用、回收和最終處理的整個生命周期系統(tǒng)環(huán)境負荷的完整過程。上世紀早期一個著名案例是美國中西部資源研究所(MRI)對可口可樂飲料包裝瓶進行全生命周期評價，其結果促使可口可樂公司拋棄了長期使用玻璃瓶轉而采用塑料瓶包裝[3]。
IS0 14040將生命周期評價分為互相聯(lián)系的、不斷重復進行的4個步驟：目的與范圍確定、清單分析、影響評價和結果解釋。其中，清單分析是LCA的基礎，對產(chǎn)品、工藝或活動在其整個生命周期階段的資源、能源消耗和向環(huán)境的排放物進行數(shù)據(jù)量化分析，核心即建立以產(chǎn)品功能單位表達的產(chǎn)品系統(tǒng)的輸入和輸出清單。至于影響評價階段由于在方法上存在較多爭議，實際還處于概念化階段[3]。因此不在本文討論范圍之內。本文對SNG的橫向比較主要探討IS0框架的第一、二、四3個步驟的結果。由于國內在LCA基礎的清單研究部分總體程度較淺且側重點各有不同，援用數(shù)據(jù)來源各有不同且中間過程忽略較多，本研究中盡可能地進行必要的文獻和數(shù)據(jù)追溯，同時參考國內和國際兩個口徑的相關數(shù)據(jù)指標，同時對于最終輸出結果進行比對和衡量。由于實際援用資料較多，本文僅列出較重要的參考文獻。
3 SNG碳排放的LCA分析
    全面進行LCA分析是一個非常復雜的系統(tǒng)工程，包括能耗、排放等多個方面，本文研究目標和評價指標僅以C02為主的溫室氣體進行數(shù)據(jù)輸出。為適當簡化工作量并便于直觀比較，涉及運輸載體、廠房設備等基礎設施的生命周期能耗和排放等所占比例甚低的部分均不計入。此外，溫室氣體主要成分包括CO2、CH4及N2O，而CH4的溫室效應達到C02的21倍，N20的溫室效應為310倍，較多研究采用“當量碳排放”的輸出指標。但不同研究往往采用數(shù)據(jù)源不同，CH4和N2O的實際輸出結果經(jīng)常差別較大，而其當量值較高，影響最終輸出的準確度。為便于從結構上清晰比較，本文采用C02、CH4及N2O三種輸出結果。
   根據(jù)SNG終端消費方式的不同，SNG系統(tǒng)邊界在終端也有所不同。為了便于后面與CBM、LNG、PNG進行橫向比較和分析，根據(jù)SNG的消費結構，這里考慮發(fā)電作為能源消費終端。SNG從原料獲取到作為燃料的終端消費，其評價系統(tǒng)邊界包括：煤炭開采、煤炭洗選排矸、煤炭運輸、SNG工廠加工轉換、SNG管道運輸、SNG發(fā)電。其中，在煤炭的開采、洗選及運輸階段，主要環(huán)境負荷包括燃煤、燃油的消耗，開采過程中的瓦斯、矸石等污染物排放，采煤相關工業(yè)鍋爐的燃燒排放，運輸過程的損耗及污染物排放。基于LCA生命周期清單，可以對SNG生產(chǎn)流程供應鏈進行管理，以改善SNG的生命周期對環(huán)境的負面影響。
3.1 煤炭上游開采、洗選及坑口短距離運輸
    根據(jù)本文參考文獻[4]的統(tǒng)計，煤炭在開采、洗選(包括坑口附近的短距離運輸)階段的排放清單如表2。
 

3.2 煤炭運輸
    運輸階段的污染物排放主要來自于燃料燃燒(汽油和柴油)的排放。不同的運輸方式，其燃料種類、能源強度及燃料燃燒排放系數(shù)均不同。其中，汽車、油輪、貨船和火車的單位載重單位里程燃料消耗量分別為0.10267、0.10062、0.10030、0.10072kg/(t·km)，燃油的生命周期溫室氣體排放[5～6]見表3。
 

3.3 SNG工廠加工
    根據(jù)本文參考文獻[7]及其他資料，采用主流的碎煤加壓魯奇氣化技術時，SNG工廠以產(chǎn)品計量的工藝和公用工程(鍋爐、發(fā)電等)C02排放數(shù)據(jù)為0.126t/GJ，排放的CH4及N2O基本為0。褐煤熱值為14.4MJ/kg。
3.4 SNG運輸
    SNG運輸同常規(guī)的天然氣管道運輸。根據(jù)本文參考文獻[8]，中國鋼材生產(chǎn)的環(huán)境排放因子：C02為8200g/kg，CH4為18.008g/kg。SNG管道運輸?shù)哪芎闹笜?，參照國內近年來的新建工程?shù)據(jù)，即0.5568MJ/(103m3·km)。這里把能耗折合成電力，來源以煤電為主，其環(huán)境排放指標取值參照本文參考文獻[5]，結果見表3。
3.5 SNG發(fā)電
    SNG發(fā)電同常規(guī)的天然氣發(fā)電。由于所占比例甚小，在忽略電廠建設用材、電廠建設及退役產(chǎn)生的氣體排放后，參照本文參考文獻[5，9]可得出天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的環(huán)境排放清單，見表4。

3.6 SNG全生命周期的碳排放清單匯總
    根據(jù)中國資源與市場分布的實際情況，這里考慮3種方案：①SNG工廠建址于煤礦坑口附近，通過1000km的長輸管道運輸至目標市場(SNG1)；②SNG工廠建目標市場附近，通過1000km火車貨運煤炭至SNG工廠(SNG2)；③基本情況同②，但采用船運(SNG3)。SNG工廠的加工轉換效率取52.6%，SNG發(fā)電效率取52%。SNG項目作為煤化工的一種，在C02捕集方面具有天生的優(yōu)勢，如果按照可實現(xiàn)的捕集效率95%計算，則對SNG生命周期內的碳排放帶來重大影響。SNG的LCA碳排放清單匯總結果見表5。
 
4 SNG與LNG、CBM及PNG碳排放的LCA橫向比較
    由于LNG、PNG為同一上游開采過程，為了統(tǒng)一測算標準，根據(jù)本文參考文獻[4]和美國NETL(國家能源技術實驗室)對天然氣開采、處理階段排放清單進行綜合處理后，見表6。天然氣開采效率取96%，處理率取96%。
 

    煤層氣(CBM)現(xiàn)階段總體利用率不高，分為地面抽采和井下抽采兩種。這里主要考慮具有大規(guī)模開發(fā)價值的地面抽采，典型的CBM中CH4含量普遍在95%左右，取地面抽采利用率為70%。由于普遍缺乏CBM開采與處理過程中的排放資料，這里參照天然氣的開采階段清單，但甲烷排放量有所提高。參見表6。
    根據(jù)國外相關文獻[10～11]，天然氣在大型液化廠液化、LNG海運(按4000km考慮)、LNG在接收終端重新氣化為天然氣這3個階段的碳排放清單見表7。液化工廠的液化率取92%。

    考慮到實際情況和可比性，LNG氣化后的運輸距離按200km考慮，CBM和PNG仍按1000km的運距。由此可以按統(tǒng)一基準編制出LNG、CBM、PNG的LCA碳排放匯總清單，見表8～10。
 

    將表5與表8～10進行比較分析，可以得出如下結論(見圖1、2)：
    1) 在SNG工廠建址選擇和原料、產(chǎn)品運輸方案的基本選擇中，相對于臨近市場擇址建廠同時遠距離運輸原料而言，坑口建廠而SNG產(chǎn)品通過長距離管道輸送至下游市場帶來的C02排放最低。該方案符合國內大多數(shù)SNG項目的安排，也作為本文中的代表方案。
    2) 對于SNG，其C02排放總量中占主要權重的階段是SNG工廠加工和SNG發(fā)電，分別占62%、26%。在以天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電作為能源終端時，SNG全生命周期內C02、CH4及N2O三種溫室氣體的排放指標均為常規(guī)天然氣的2～3倍。其中，SNG工廠階段為煤化工過程，即固態(tài)碳轉化為氣態(tài)碳的過程，總體轉化為CH4的效率偏低，其C02排放量最高，與煤化工的特性是一致的。
    如果在SNG工廠采取了C02捕集措施后，C02排放總量僅有原來的41%左右，主要排放貢獻調整為SNG發(fā)電(占41%)和煤炭運輸階段(占39%)，C02排放指標與LNG和管輸天然氣非常接近。如果天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠緊鄰SNG工廠，而LNG或管輸天然氣的供氣距離進一步增加時，有可能出現(xiàn)“SNG+CC”模式的LCA二氧化碳排放指標低于后兩者的情況。
    3) 在天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電為能源終端的情況下，SNG、SNG+CC(SNG工廠階段進行碳捕集)、LNG、PNG及CBM全生命周期的C02的排放比例為2.90：1.20：1.12：1：1；CH4的排放比例為0.48：0.48：0.20：0.32：1。由于無法取得LNG部分階段的N2O指標，但相關資料顯示LNG與常規(guī)天然氣全生命周期的N20排放指標基本相同。因此，對應于上述5類能源形式的N2O排放比例為1.11：1.11：0.97：O.97：1。
    4) SNG全生命周期內的C02、CH4及N2O三種溫室氣體的排放指標均為常規(guī)天然氣的2～3倍。根據(jù)前面的分析，煤炭的上游生產(chǎn)過程和SNG工廠加工階段在C02和CH4排放量的總體權重最高。
    5) 從本文參考文獻[5，9，12]提供的燃煤電廠CO2排放量范圍0.84～1.15kg/(kwh)看，SNG全生命周期的C02排放指標甚至要高于燃煤電廠。這點可以從SNG工廠轉換效率和燃氣電廠能源效率的乘積與燃煤電廠的能源效率的關系得出一般意義上的相同結論。因此，無論是SNG的能源轉換效率還是其“低碳”程度，確實難以得到積極的評價。這一點對于當前蜂擁而上的SNG大型項目具有參考意義。
    6) 從各生產(chǎn)階段劃分為國內和國外兩個環(huán)節(jié)看：對于SNG而言，SNG工廠生產(chǎn)和燃氣電廠生產(chǎn)兩個階段的二氧化碳排放占其總量的88.5%，因此，考慮其產(chǎn)業(yè)鏈劃分國內與國外環(huán)節(jié)的必要性不大；對于CBM和PNG的情況類似。而對于大型LNG接收站項目而言，國內環(huán)節(jié)、國外環(huán)節(jié)的二氧化碳排放分別占70%、30%。因此，對LNG接收站項目，其在國內環(huán)節(jié)的C02排放指標僅有常規(guī)天然氣LCA碳排放量的77%，最“低碳”。該結論對于逆向指導能源原料或產(chǎn)品進口較為重要。
5 結論和建議
    應說明的是，本文基礎數(shù)據(jù)均來自相關文獻，并非直接依據(jù)國家相關行業(yè)最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算而來(工作量太大)，即并非經(jīng)系統(tǒng)研究后的統(tǒng)計平均值，可視為可接受范圍內的樣本值。因此，本文相關數(shù)據(jù)結果的絕對值可用于參考，而對SNG各個階段溫室氣體排放物的比例及SNG、LNG與常規(guī)天然氣用于發(fā)電能源終端的碳排放比較結果，具有明顯的意義，且與國內外更加系統(tǒng)的相關研究結果一致。
    根據(jù)本文的分析和討論，對我國發(fā)展煤制天然氣的“低碳”問題和途徑選擇有如下結論和建議。
    1) 從SNG產(chǎn)品利用方向上看，可以認識到，SNG本身作為一種不夠“低碳”的煤化工能源產(chǎn)品，再進行二級能源間平行轉換(如燃氣發(fā)電)，是造成能源浪費的。直接用于普通城鎮(zhèn)燃氣應是更加合理的選擇。
    2) 世界上唯一在運行的美國北達科塔州的美國大平原SNG工廠[13]無論是其選址或多產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)方面完全可以成為國內再建和籌建中的SNG項目的范例。但最重要的一點是，自2000年以來，美國大平原工廠在技術和經(jīng)濟上均成功地進行C02捕集與封存，其重要意義在于：世界唯一在運行的SNG工廠同時還是C02捕集和處理的技術與生產(chǎn)項目的樣板。這對于我國當前蜂擁而上的大型SNG項目極富借鑒意義，在條件合適的情況下其關鍵性思路甚至可以直接移植。在“低碳經(jīng)濟”的預期方向下，國內的SNG項目應充分發(fā)揮其高效碳捕捉的優(yōu)勢、積極設法進行C02商業(yè)化利用和封存，轉化SNG生命周期中過高的環(huán)境“碳負荷”劣勢，甚至應把此作為SNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要途徑；在此基礎上，因地制宜，慎重、認真研究選址和關聯(lián)產(chǎn)業(yè)的布局問題。
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(本文作者：付子航 中海石油氣電集團有限責任公司技術研發(fā)中心)