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(guó)天然氣市場(chǎng)需求旺盛、供需缺口快速擴(kuò)大的大背景下，煤制天然氣(SNG)迎來(lái)了大規(guī)模的投資與發(fā)展熱潮。然而，隨著“低碳經(jīng)濟(jì)”發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變預(yù)期，SNG又面臨著
摘要：在中國(guó)天然氣市場(chǎng)需求旺盛、供需缺口快速擴(kuò)大的大背景下，煤制天然氣(SNG)迎來(lái)了大規(guī)模的投資與發(fā)展熱潮。然而，隨著“低碳經(jīng)濟(jì)”發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變預(yù)期，SNG又面臨著“低碳”與否的爭(zhēng)議。為此，采用全生命周期(LCA)評(píng)價(jià)方法對(duì)SNG項(xiàng)目從原煤開(kāi)采到轉(zhuǎn)化為煤制天然氣、直至進(jìn)入終端消費(fèi)全過(guò)程的直接和間接二氧化碳排放及其溫室氣體排放進(jìn)行了清單分析。同時(shí)，對(duì)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(jìn)行了橫向比較，將相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈劃分為國(guó)外和國(guó)內(nèi)兩個(gè)環(huán)節(jié)并進(jìn)行分析，結(jié)果認(rèn)為L(zhǎng)NG在國(guó)際貿(mào)易中具有明顯的碳減排優(yōu)勢(shì)。結(jié)合美國(guó)大平原SNG工廠(chǎng)碳減排對(duì)我國(guó)的啟示，提出中國(guó)發(fā)展SNG的“低碳”途徑與選擇，并呼吁應(yīng)從多方面謹(jǐn)慎對(duì)待具體SNG項(xiàng)目的前期規(guī)劃和研究。
關(guān)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(jì)"與中國(guó)煤制天然氣的發(fā)展
    2009年11月國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議決定，“到2020年我國(guó)單位國(guó)內(nèi)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(biāo)納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃。近期的研究表明[1]，即使實(shí)施“低碳約束”，傳統(tǒng)化石能源仍是我國(guó)能源構(gòu)成主體，煤炭居各類(lèi)能源之首的情況到21世紀(jì)中葉仍難以根本改觀。
    由于國(guó)產(chǎn)天然氣的總量和年增長(zhǎng)率無(wú)法滿(mǎn)足中國(guó)天然氣市場(chǎng)的需求和增長(zhǎng)(見(jiàn)表1)，LNG進(jìn)口規(guī)模迅速增加，中亞、中緬、中俄等管道天然氣(PNG)進(jìn)口也將逐步引入，因此我國(guó)煤制天然氣(Synthetic Natural Gas，SNG)迎來(lái)了投資和發(fā)展的熱潮。截至2010年3月，國(guó)家發(fā)改委已經(jīng)分別核準(zhǔn)了大唐國(guó)際克什克騰、內(nèi)蒙古匯能及大唐遼寧阜新3個(gè)總計(jì)96×108m3/a的煤制天然氣項(xiàng)目。2010年8月5日，新疆伊犁年產(chǎn)55×108m3煤制氣項(xiàng)目獲批，成為第4個(gè)經(jīng)國(guó)家核準(zhǔn)的煤制天然氣項(xiàng)目。

    應(yīng)該承認(rèn)，從保障我國(guó)天然氣供應(yīng)安全、平抑進(jìn)口天然氣價(jià)格波動(dòng)、多元化供應(yīng)角度看，發(fā)展SNG有積極的意義。但另一方面，有觀點(diǎn)認(rèn)為SNG是在一次能源之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，成本高昂且過(guò)程并不“低碳”，不符合“低碳經(jīng)濟(jì)”的大方向。其實(shí)，煤制天然氣的過(guò)程是否“低碳、高效”、是否值得大規(guī)模發(fā)展，不應(yīng)僅以某一個(gè)環(huán)節(jié)的能效作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)。只有采用全生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment，LCA)的方法測(cè)算、評(píng)價(jià)SNG從煤炭開(kāi)發(fā)、煤制氣生產(chǎn)和最終利用全過(guò)程的能量消耗和環(huán)境排放，并通過(guò)與目前發(fā)展勢(shì)頭良好的煤層氣(Coal bed methane，CBM)、LNG、PNG進(jìn)行橫向比較，才能系統(tǒng)、客觀地認(rèn)識(shí)這些產(chǎn)業(yè)的優(yōu)劣，準(zhǔn)確把握SNG產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的突出問(wèn)題，設(shè)法進(jìn)行績(jī)效改善。
2 LCA方法及其在本研究中的應(yīng)用方式
    LCA是一種重要的環(huán)境管理工具，用于評(píng)價(jià)產(chǎn)品、工藝過(guò)程或活動(dòng)從原材料的采集和加工到生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷(xiāo)售、使用、回收和最終處理的整個(gè)生命周期系統(tǒng)環(huán)境負(fù)荷的完整過(guò)程。上世紀(jì)早期一個(gè)著名案例是美國(guó)中西部資源研究所(MRI)對(duì)可口可樂(lè)飲料包裝瓶進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)，其結(jié)果促使可口可樂(lè)公司拋棄了長(zhǎng)期使用玻璃瓶轉(zhuǎn)而采用塑料瓶包裝[3]。
IS0 14040將生命周期評(píng)價(jià)分為互相聯(lián)系的、不斷重復(fù)進(jìn)行的4個(gè)步驟：目的與范圍確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋。其中，清單分析是LCA的基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品、工藝或活動(dòng)在其整個(gè)生命周期階段的資源、能源消耗和向環(huán)境的排放物進(jìn)行數(shù)據(jù)量化分析，核心即建立以產(chǎn)品功能單位表達(dá)的產(chǎn)品系統(tǒng)的輸入和輸出清單。至于影響評(píng)價(jià)階段由于在方法上存在較多爭(zhēng)議，實(shí)際還處于概念化階段[3]。因此不在本文討論范圍之內(nèi)。本文對(duì)SNG的橫向比較主要探討IS0框架的第一、二、四3個(gè)步驟的結(jié)果。由于國(guó)內(nèi)在LCA基礎(chǔ)的清單研究部分總體程度較淺且側(cè)重點(diǎn)各有不同，援用數(shù)據(jù)來(lái)源各有不同且中間過(guò)程忽略較多，本研究中盡可能地進(jìn)行必要的文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)追溯，同時(shí)參考國(guó)內(nèi)和國(guó)際兩個(gè)口徑的相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)，同時(shí)對(duì)于最終輸出結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和衡量。由于實(shí)際援用資料較多，本文僅列出較重要的參考文獻(xiàn)。
3 SNG碳排放的LCA分析
    全面進(jìn)行LCA分析是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括能耗、排放等多個(gè)方面，本文研究目標(biāo)和評(píng)價(jià)指標(biāo)僅以C02為主的溫室氣體進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。為適當(dāng)簡(jiǎn)化工作量并便于直觀比較，涉及運(yùn)輸載體、廠(chǎng)房設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的生命周期能耗和排放等所占比例甚低的部分均不計(jì)入。此外，溫室氣體主要成分包括CO2、CH4及N2O，而CH4的溫室效應(yīng)達(dá)到C02的21倍，N20的溫室效應(yīng)為310倍，較多研究采用“當(dāng)量碳排放”的輸出指標(biāo)。但不同研究往往采用數(shù)據(jù)源不同，CH4和N2O的實(shí)際輸出結(jié)果經(jīng)常差別較大，而其當(dāng)量值較高，影響最終輸出的準(zhǔn)確度。為便于從結(jié)構(gòu)上清晰比較，本文采用C02、CH4及N2O三種輸出結(jié)果。
   根據(jù)SNG終端消費(fèi)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(jìn)行橫向比較和分析，根據(jù)SNG的消費(fèi)結(jié)構(gòu)，這里考慮發(fā)電作為能源消費(fèi)終端。SNG從原料獲取到作為燃料的終端消費(fèi)，其評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界包括：煤炭開(kāi)采、煤炭洗選排矸、煤炭運(yùn)輸、SNG工廠(chǎng)加工轉(zhuǎn)換、SNG管道運(yùn)輸、SNG發(fā)電。其中，在煤炭的開(kāi)采、洗選及運(yùn)輸階段，主要環(huán)境負(fù)荷包括燃煤、燃油的消耗，開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯、矸石等污染物排放，采煤相關(guān)工業(yè)鍋爐的燃燒排放，運(yùn)輸過(guò)程的損耗及污染物排放?；贚CA生命周期清單，可以對(duì)SNG生產(chǎn)流程供應(yīng)鏈進(jìn)行管理，以改善SNG的生命周期對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。
3.1 煤炭上游開(kāi)采、洗選及坑口短距離運(yùn)輸
    根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[4]的統(tǒng)計(jì)，煤炭在開(kāi)采、洗選(包括坑口附近的短距離運(yùn)輸)階段的排放清單如表2。
 

3.2 煤炭運(yùn)輸
    運(yùn)輸階段的污染物排放主要來(lái)自于燃料燃燒(汽油和柴油)的排放。不同的運(yùn)輸方式，其燃料種類(lèi)、能源強(qiáng)度及燃料燃燒排放系數(shù)均不同。其中，汽車(chē)、油輪、貨船和火車(chē)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(jiàn)表3。
 

3.3 SNG工廠(chǎng)加工
    根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[7]及其他資料，采用主流的碎煤加壓魯奇氣化技術(shù)時(shí)，SNG工廠(chǎng)以產(chǎn)品計(jì)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(yùn)輸
    SNG運(yùn)輸同常規(guī)的天然氣管道運(yùn)輸。根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[8]，中國(guó)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(yùn)輸?shù)哪芎闹笜?biāo)，參照國(guó)內(nèi)近年來(lái)的新建工程數(shù)據(jù)，即0.5568MJ/(103m3·km)。這里把能耗折合成電力，來(lái)源以煤電為主，其環(huán)境排放指標(biāo)取值參照本文參考文獻(xiàn)[5]，結(jié)果見(jiàn)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(chǎng)建設(shè)用材、電廠(chǎng)建設(shè)及退役產(chǎn)生的氣體排放后，參照本文參考文獻(xiàn)[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(jiàn)表4。

3.6 SNG全生命周期的碳排放清單匯總
    根據(jù)中國(guó)資源與市場(chǎng)分布的實(shí)際情況，這里考慮3種方案：①SNG工廠(chǎng)建址于煤礦坑口附近，通過(guò)1000km的長(zhǎng)輸管道運(yùn)輸至目標(biāo)市場(chǎng)(SNG1)；②SNG工廠(chǎng)建目標(biāo)市場(chǎng)附近，通過(guò)1000km火車(chē)貨運(yùn)煤炭至SNG工廠(chǎng)(SNG2)；③基本情況同②，但采用船運(yùn)(SNG3)。SNG工廠(chǎng)的加工轉(zhuǎn)換效率取52.6%，SNG發(fā)電效率取52%。SNG項(xiàng)目作為煤化工的一種，在C02捕集方面具有天生的優(yōu)勢(shì)，如果按照可實(shí)現(xiàn)的捕集效率95%計(jì)算，則對(duì)SNG生命周期內(nèi)的碳排放帶來(lái)重大影響。SNG的LCA碳排放清單匯總結(jié)果見(jiàn)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(kāi)采過(guò)程，為了統(tǒng)一測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[4]和美國(guó)NETL(國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室)對(duì)天然氣開(kāi)采、處理階段排放清單進(jìn)行綜合處理后，見(jiàn)表6。天然氣開(kāi)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(kāi)發(fā)價(jià)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(kāi)采與處理過(guò)程中的排放資料，這里參照天然氣的開(kāi)采階段清單，但甲烷排放量有所提高。參見(jiàn)表6。
    根據(jù)國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)[10～11]，天然氣在大型液化廠(chǎng)液化、LNG海運(yùn)(按4000km考慮)、LNG在接收終端重新氣化為天然氣這3個(gè)階段的碳排放清單見(jiàn)表7。液化工廠(chǎng)的液化率取92%。

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

    將表5與表8～10進(jìn)行比較分析，可以得出如下結(jié)論(見(jiàn)圖1、2)：
    1) 在SNG工廠(chǎng)建址選擇和原料、產(chǎn)品運(yùn)輸方案的基本選擇中，相對(duì)于臨近市場(chǎng)擇址建廠(chǎng)同時(shí)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸原料而言，坑口建廠(chǎng)而SNG產(chǎn)品通過(guò)長(zhǎng)距離管道輸送至下游市場(chǎng)帶來(lái)的C02排放最低。該方案符合國(guó)內(nèi)大多數(shù)SNG項(xiàng)目的安排，也作為本文中的代表方案。
    2) 對(duì)于SNG，其C02排放總量中占主要權(quán)重的階段是SNG工廠(chǎng)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(shí)，SNG全生命周期內(nèi)C02、CH4及N2O三種溫室氣體的排放指標(biāo)均為常規(guī)天然氣的2～3倍。其中，SNG工廠(chǎng)階段為煤化工過(guò)程，即固態(tài)碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)碳的過(guò)程，總體轉(zhuǎn)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(chǎng)采取了C02捕集措施后，C02排放總量?jī)H有原來(lái)的41%左右，主要排放貢獻(xiàn)調(diào)整為SNG發(fā)電(占41%)和煤炭運(yùn)輸階段(占39%)，C02排放指標(biāo)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(chǎng)緊鄰S(chǎng)NG工廠(chǎng)，而LNG或管輸天然氣的供氣距離進(jìn)一步增加時(shí)，有可能出現(xiàn)“SNG+CC”模式的LCA二氧化碳排放指標(biāo)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(chǎng)階段進(jìn)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(wú)法取得LNG部分階段的N2O指標(biāo)，但相關(guān)資料顯示LNG與常規(guī)天然氣全生命周期的N20排放指標(biāo)基本相同。因此，對(duì)應(yīng)于上述5類(lèi)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(nèi)的C02、CH4及N2O三種溫室氣體的排放指標(biāo)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(guò)程和SNG工廠(chǎng)加工階段在C02和CH4排放量的總體權(quán)重最高。
    5) 從本文參考文獻(xiàn)[5，9，12]提供的燃煤電廠(chǎng)CO2排放量范圍0.84～1.15kg/(kwh)看，SNG全生命周期的C02排放指標(biāo)甚至要高于燃煤電廠(chǎng)。這點(diǎn)可以從SNG工廠(chǎng)轉(zhuǎn)換效率和燃?xì)怆姀S(chǎng)能源效率的乘積與燃煤電廠(chǎng)的能源效率的關(guān)系得出一般意義上的相同結(jié)論。因此，無(wú)論是SNG的能源轉(zhuǎn)換效率還是其“低碳”程度，確實(shí)難以得到積極的評(píng)價(jià)。這一點(diǎn)對(duì)于當(dāng)前蜂擁而上的SNG大型項(xiàng)目具有參考意義。
    6) 從各生產(chǎn)階段劃分為國(guó)內(nèi)和國(guó)外兩個(gè)環(huán)節(jié)看：對(duì)于SNG而言，SNG工廠(chǎng)生產(chǎn)和燃?xì)怆姀S(chǎng)生產(chǎn)兩個(gè)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(guó)內(nèi)與國(guó)外環(huán)節(jié)的必要性不大；對(duì)于CBM和PNG的情況類(lèi)似。而對(duì)于大型LNG接收站項(xiàng)目而言，國(guó)內(nèi)環(huán)節(jié)、國(guó)外環(huán)節(jié)的二氧化碳排放分別占70%、30%。因此，對(duì)LNG接收站項(xiàng)目，其在國(guó)內(nèi)環(huán)節(jié)的C02排放指標(biāo)僅有常規(guī)天然氣LCA碳排放量的77%，最“低碳”。該結(jié)論對(duì)于逆向指導(dǎo)能源原料或產(chǎn)品進(jìn)口較為重要。
5 結(jié)論和建議
    應(yīng)說(shuō)明的是，本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均來(lái)自相關(guān)文獻(xiàn)，并非直接依據(jù)國(guó)家相關(guān)行業(yè)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)(工作量太大)，即并非經(jīng)系統(tǒng)研究后的統(tǒng)計(jì)平均值，可視為可接受范圍內(nèi)的樣本值。因此，本文相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果的絕對(duì)值可用于參考，而對(duì)SNG各個(gè)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(jié)果，具有明顯的意義，且與國(guó)內(nèi)外更加系統(tǒng)的相關(guān)研究結(jié)果一致。
    根據(jù)本文的分析和討論，對(duì)我國(guó)發(fā)展煤制天然氣的“低碳”問(wèn)題和途徑選擇有如下結(jié)論和建議。
    1) 從SNG產(chǎn)品利用方向上看，可以認(rèn)識(shí)到，SNG本身作為一種不夠“低碳”的煤化工能源產(chǎn)品，再進(jìn)行二級(jí)能源間平行轉(zhuǎn)換(如燃?xì)獍l(fā)電)，是造成能源浪費(fèi)的。直接用于普通城鎮(zhèn)燃?xì)鈶?yīng)是更加合理的選擇。
    2) 世界上唯一在運(yùn)行的美國(guó)北達(dá)科塔州的美國(guó)大平原SNG工廠(chǎng)[13]無(wú)論是其選址或多產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)方面完全可以成為國(guó)內(nèi)再建和籌建中的SNG項(xiàng)目的范例。但最重要的一點(diǎn)是，自2000年以來(lái)，美國(guó)大平原工廠(chǎng)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均成功地進(jìn)行C02捕集與封存，其重要意義在于：世界唯一在運(yùn)行的SNG工廠(chǎng)同時(shí)還是C02捕集和處理的技術(shù)與生產(chǎn)項(xiàng)目的樣板。這對(duì)于我國(guó)當(dāng)前蜂擁而上的大型SNG項(xiàng)目極富借鑒意義，在條件合適的情況下其關(guān)鍵性思路甚至可以直接移植。在“低碳經(jīng)濟(jì)”的預(yù)期方向下，國(guó)內(nèi)的SNG項(xiàng)目應(yīng)充分發(fā)揮其高效碳捕捉的優(yōu)勢(shì)、積極設(shè)法進(jìn)行C02商業(yè)化利用和封存，轉(zhuǎn)化SNG生命周期中過(guò)高的環(huán)境“碳負(fù)荷”劣勢(shì)，甚至應(yīng)把此作為SNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要途徑；在此基礎(chǔ)上，因地制宜，慎重、認(rèn)真研究選址和關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的布局問(wèn)題。
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(本文作者：付子航 中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心)