北京采暖與PM25的關系研究報告.pdf

北京 PM2.5與冬季采暖熱源的關系及治理措施 項目成果報告 清華大學 建筑節能研究 中 心 2014.8.27 項目信息 項目資助號 R-1308-18879 Grant NumberR-1308-18879 項目期 2013 年 8 月 1 日 至 2014 年 1 月 31 日 Grant period 08/01/2013-01/31/2014 所屬領域 建筑 Sector Building 項目概述 本 項目 根據 PM2.5 的形成機理，提出在不同的地理、氣象環境下（城市與農村）控制 PM2.5 生成量最關鍵的控制量，研究在不同的環境條件下氮氧化物 NOX和揮發性碳氫化合物 VOC 對于大氣氧化性的影響，得出控制 PM2.5 生成的最關鍵控制因素。對北京市的冬季供熱各種熱源進行調研測試與計算，得出不同燃料、不同燃燒方式下單位燃料產出的氮氧化物 NOX 和揮發性碳氫化合物 VOC 以及二次生成的PM2.5 總量?；诒本┦?的供熱規劃進行情景分析，分析按照目前的規劃北京在 2015年的采暖能耗以及對 PM2.5 生成的貢獻量。根據以上分析，提出從冬季供熱熱源調整的方面減少 PM2.5 排放量的合理政策建議與供熱的技術發展方向，并明確指出其經驗效益與節能減排效果，針對此優化情景，提出具體的政策建議與技術措施建議。 Project Description Based on the ation mechanism of PM2.5, researches are conducted on the impacts of NOx and VOC on atmospheric oxidation, by which we can identify the key control variables of PM2.5 generation. It is found that the total NOx emission amounts of various winter heating systems by investigations, tests and calculations of a wide range of Beijing winter heating sources. According to scenario analyses of Beijing current heating system planning, it could be drawn out that the entire energy consumption by heating systems and its contribution to PM2.5 ation in 2015. On the basis of above studies, some policy proposals and winter heating system development directions could be put forward for declining PM2.5 emissions from adjusting winter heating sources structure. It will be made clear that the economic and energy saving effects of these policies and technology directions. 項目成員 江億 唐 孝 炎 倪 維斗 岳 光溪 楊 旭 東 燕 達 胡 姍 王 靜 貽 Project team Yi Jiang, Xiaoyan Tang,Weidou Ni,Guangxi Yue,Xudong Yang, Da Yan, Shan Hu, Jingyi Wang, 關鍵詞 北京 PM2.5 NOx 冬季采暖 Key Word Beijing PM2.5 NOx Centralized district heating 本報告由能源基金會資助。 報告內容不代表能源基金會觀點。 This report is funded by Energy Foundation. It does not represent the views of Energy Foundation. 4 摘要 近 兩年 冬季，我國多地遭遇了嚴重的霧霾天氣，尤其是京津冀地區，空氣重度污染，影響 了人們的生產 、 生活 。為了治理嚴重灰霾天氣，北京市政府采取了熱電聯產“煤改氣 ” 、煤制天然氣、削減農村散 煤等一系列措 施。這些措施對減少灰霾有多大的作用， 應該如何通過調整 采暖 方式來 減少北京灰霾 針對這些問題，本研究首先 研究了 PM2.5的形成機制與造成嚴重灰霾的關鍵因素； 然后 從 采暖方式、 采暖 能耗水平等角度分析了北京 市 的冬季采暖熱源現狀，包括城市 的集中供暖現狀 、 農村 分散 采暖現狀， 在此基礎上 ， 通過 調研、計算 、測試 等 方法， 比較 了城市各類集中供暖熱源 、 農村分散采暖方式對 PM2.5的 形成的 影響； 最后 根據 以上的研究成果，給出相應的 如何 通過調整采暖模式來 治理 北京 PM2.5的 政策建議。 研究表明減少 NOx 排放量是治理城市 PM2.5的關鍵，而熱電聯產 “ 煤改氣 ”措施并不能顯著降低 NOx 排放量，反而會大幅增加天然氣用量，造成用氣矛盾，因此不宜作為治理大氣污染的有效措施來大范圍推廣。農村 的 一次 PM2.5排放總量遠高于城市地區大型鍋爐的排放水平，因此，農村應該作為北京市 PM2.5減排的重要突破點之一，給予相應的重視， 具體 措施 可以 通過用型煤鍋爐或生物質鍋爐替代土暖氣， 這能 有效減少農村 地區的 一次 PM2.5排放 。 5 目 錄 1 引言 6 2 研究技術路線 6 3 細顆粒物 PM2.5 的主要成分及形成機制 7 3.1 細顆粒物 PM2.5 的主要成分 7 3.2 細顆粒 物 PM2.5 的形成機制 8 3.3 小結 10 4 北京市冬季采暖現狀 11 4.1 城市 11 4.2 農村 11 5 北京市各種采暖熱源對 PM2.5 形成的貢獻分析 12 5.1 城市集中供熱熱源對 PM2.5 形成的貢獻分析 12 5.2 北京市農村分散采暖熱源對 PM2.5 形成的貢獻分析 19 6 關于合理利用燃煤與天然氣與優化供熱能源結構的討論 20 6.1 燃煤的合理利用 20 6.2 天然氣的合理利用 24 7 對北京市采暖熱源優化與 PM2.5 治理的政策建議 25 7.1 總體能源結構 25 7.2 城市采暖 26 7.3 農村采暖 26 參考文獻 . 27 6 1 引言 2012 年至 2013 年冬季，我國多地遭遇了嚴重的 霧霾 天氣，空氣重度污染，部分城市空氣污染指數突破 可吸入顆粒物濃度上限 ，尤其是京津冀地區。 2012 年 1 月 12 日，北京持續空氣六級嚴重污染，北京的可吸入顆粒物濃度高 達 786μ g/m3， 天津為 500μg/m3， 石家莊 1為 960μ g/m3，超過了我國可吸入顆粒物濃度上限（ 75μ g/m3）十倍以上 2。2013 年 10 月 20-23 日，黑龍江省剛開始冬季采暖，多市即發生了嚴重的 霧霾 ，空氣質量急劇惡化， PM2.5 持續 “爆表 ”，哈爾濱部分監測點 3PM2.5 一度高達 1000 ????/ ??3。 霧霾是霧和霾的組合詞，但“霧”和“霾”實際上是有區別的。霧是指大氣中因懸浮的水汽凝結、能見度低于 1 公里時的天氣現象 ， 而霾是空氣中懸浮的大量微粒和氣象條件共同作用的結果。 近期全國 多地出現的 “ 霧霾 ” 現象， 從成因上更 科學的說法應該是霾，或者灰霾 ，本文的研究也 是 針對空氣中懸浮顆粒物造成能見度降低及各種危害的大氣現象，因此 本文中統一使用“灰霾” 來指代 ?；姻?會 對交通運輸、農作物生長、生態環境等均產生重要影響 ， 還會造成空氣質量下降，灰霾中的可吸入顆粒物被吸入人體呼吸道后，會嚴重威脅人的健康，長期吸入嚴重者甚至會導致死亡。 冬季為 灰霾 天氣的頻發時期，說明 灰霾 天氣的形成與冬季采暖有著密切的關系。 為了治理大氣污染，緩解嚴重 灰霾 天氣 造成 的嚴重危害，北京市政府 提出 了 空氣治理目標和相應的 政策 措施 ，如大氣污染防治行動計劃（簡稱 “國十條 ”）、北京市 2013-2017年清潔空氣行動計劃等，空氣質量的治理目標包括到 2017 年，空氣中的細顆粒物（ PM2.5）年均濃度比 2012 年下降 25以上，控制在 60 ????/ ??3；治理的方法包括削減燃煤，提高電力、天然氣等清潔能源的供應力度；推動燃氣熱電聯產替代燃煤熱電聯產、煤制天然氣、燃煤鍋 爐清潔改造、全面整治小鍋爐、削減農村散煤等 。 那么 ， 北京市冬季 采暖對 PM2.5 的 形成 到底 有多大影響， 這些措施 對緩解霧霾天氣又多大 作用 ，應該如何通過調整 采暖 方式來 減少灰霾本研究 的目標即 是 回答這些問題。 2 研究技術 路線 本 研究 的目標 是 明確 北京 PM2.5 與冬季 采暖 熱源 的關系 ， 并提出相應的治理措施 和政策建議 。 針對此目標 ， 本研究首先 研究了 PM2.5 的形成機制與 造成 嚴重灰霾的關鍵 因素 ； 然后 從 采暖方式、 采暖 能耗水平等角度分析了北京 市 的冬季采暖熱源現狀， 包括城市 的集中供暖現狀 、 農村 分散 采暖現狀 ， 在此基礎上 ， 通過 調研、計算 、 測試 等 方法，比較 了城市各類集中供暖熱源 、 農村分散采暖方式 對 PM2.5 的 形成的 影響 ； 最后 根據 以上的研究成果，給出相應的 如何 通過調整采暖模式來 治理 北京 PM2.5 的 政策建議。 具體的研究技術 路線 圖 如 圖 1 所示 。 7 P M 2 . 5的 主 要成 分 與形 成 機制北 京 市 冬 季 采 暖 熱 源 現 狀城 市 集 中 供 暖 現 狀（ 方 式 、 能 耗 等 ）農 村 分 散 采 暖 現 狀（ 方 式 、 能 耗 ）城 市 各 類 集 中 供 暖熱 源 對 P M 2 . 5 形 成的 貢 獻 對 比農 村 分 散 采 暖 對P M 2 . 5 形 成 的 貢 獻政 策 建 議圖 1 研究技術路線 圖 3 細顆粒物 PM2.5 的 主要成分 及形成 機制 3.1 細顆粒物 PM2.5 的主要成分 中國大城市和特大城市 的 監測 數據 表明，在一般情況下， 空氣中 粒徑小于 2.5μ m的細顆粒物（ PM2.5） ， 占到 粒徑小于 10μ m 的細顆粒物 PM10的 50-80，而 在 出現重度空氣污染、能見度低時， PM2.5 占了 PM10 的絕大部分，說明造成嚴重大氣灰霾的主要原因是 粒徑小于 2.5μ m 的細顆粒物，即 PM2.5。 北京大學唐孝炎院士的研究表明 4， 大氣中的細顆粒物 PM2.5 包括一次 生 成的 細顆粒物和二次 生 成的 細顆粒物。一次細顆粒物來源于工業、建筑、交通、電力、其它生產和生活活動以及天然源的排放，例如沙塵、風揚塵、建筑與道路排放的各種塵，各種燃燒過程和工業過程等散發的金屬元素、碳黑、元素碳、一次有機物等。二次細顆粒物是由各種人為排放的污染氣體被大氣氧化劑（ O3， OH 等）氧化生成，包括二次有機顆粒物、硫酸鹽顆粒物、硝酸鹽顆粒物、銨鹽顆粒物等 ，轉化 過程的示意圖見 圖 2。在一般情況下，二次 PM2.5 占 PM2.5 總量的 50-80左右；在重污染時期，二次 PM2.5 占 PM2.5 總 量的比例還會明顯增加?？梢?，二次 PM2.5 是 嚴重灰 霾 天氣時 的主要污染成分。 8 圖 2 大氣中的化學轉化過程 3.2 細顆粒物 PM2.5 的形成 機制 下面討論二次 PM2.5的生成過程，當空氣中出現大量二氧化氮 NOx時，有如下反應 NO2 在陽光的 作用下發生光化學反應，分解成一氧化氮 NO 和一個氧原子 O（如反應（ 1）所示）；氧原子 O 與空氣中的氧氣 O2 反應生成臭氧 O3（如反應（ 2）所示）；臭氧 O3再和（ 1）中的生成物一氧化氮 NO 反應生成 NO2（如反應（ 3）所示），該反應生成的NO2、 O2 又可以作分別為（ 1）、（ 2）中的反應物進行光化學反應。反應（ 1）、（ 2）和（ 3）不斷循環使得大氣中的 O3 濃度保持在正常水平。 ????2 ???→ ???? ?? （ 1） O??2 → ??3 （ 2） ??3 ???? → ????2 ??2 （ 3） 但是 ，如果大氣 中同時 還有 VOC， 則 VOC 會 與大氣中存在的 OH 自由基進行鏈式反應，生成超氧化氫 HO2（如反應（ 4）所示） 。 HO2 將（ 1）中生成的 NO 氧化成 NO2及 OH 自由基 （如反應（ 5）所示） 。由于這個反應（ 5）的反應速度很快，消耗掉 NO，使 O3 無法與 NO 按照 反應 （ 3）進行還原反應生成 NO2 和 O2，致使大氣中 O3 無法被消耗掉 ，從而 不斷積聚，濃度升高。也就是說， 大氣中的 NOx 與 VOC 會使 O3 在大氣中積聚，從而使大氣氧化性增強。一旦大氣氧化性增強， NOx、 VOC、 SO2 等污染氣體會被氧化成二次細顆粒物。同時，由于這些二次生成的細顆粒物粒徑小，比表面積大，為轉化反應提供了大量的反應床，使更多的氣體污染物向二次顆粒物的轉化不斷進行。也就是說 NOx 與 VOC 導致大氣的氧化性顯著增強，形成大量二次 PM2.5，是造成嚴重灰霾天氣的根本原因。 ?????????? →鏈式反應→ → ????2 （ 4） 9 ????2 ???? → ????2 ???? （ 5） 實際的監測數據也可證實這一點 圖 3 至 圖 5 是北京大學氣象站點監測 2013 年 1月監測的逐時 PM2.5、 NOx 的濃度變化 ， 可以發現在重度空氣污染發生時， PM2.5 濃度與NOx 濃度的變化 完全 同步 ， 佐證了 NOx 與 PM2.5 濃度變化有很強的相關性。 圖 3 至 圖 5同時也說明當 PM2.5 濃度出現尖峰時， SO2 濃度始終穩定在較低的水平 ， 說明 并不能認為 SO2 是導致 PM2.5 濃度增加的主要原因。 圖 3 北京大學氣象站點監測 2013 年 1 月 PM2.5 和 NOx 的變化過程 圖 4 北京大學氣象站點 2013 年 1 月中旬空氣監測數據 0100200300400500600700800201 3/ 1/ 9 201 3/ 1/ 10 201 3/ 1/ 1 1 201 3/ 1/ 12 201 3/ 1/ 13 201 3/ 1/ 14 201 3/ 1/ 15 201 3/ 1/ 16濃度（ug/m3, ppb）S O 2NONOxNOyP M 2.5 - 30P M 2.5 - 5010 圖 5 北京大學氣象站點 2013 年 1 月下旬空氣監測數據 由 上述 可見， NOx 與 VOC 是引發重度灰霾天氣的元兇，所以，控制 NOx 與 VOC的排放量是緩解灰霾天氣的重點。 NOx 的來源主要是化學燃料的燃燒，包括煤、天然氣的燃 燒 ，以及汽車中汽油燃燒等，易于集中控制。而 VOC 的來源包括化工業、汽車尾氣、洗衣房、民用炊事、秸稈燃燒等，屬于面源，遠比 NOx 排放源分散，難 以 控制。而 NOx 與 VOC 只要控制其中一種，便可以阻止上述的 （ 4）、（ 5）反應發生， 抵制大氣 氧化性增強 ，遏制嚴重灰霾天氣的形成。因此，從實際的空氣質量控制和灰霾天氣防治來說，最切實可行的措施便是 控制各種排放源的 NOx 排放量 。 20 世紀 70 年代， 為了減少大氣中的細顆粒物， 美國和歐盟開展了 NOx 的治理行動。美國和歐盟不僅僅是確定 NOx 的排放上限，而且考慮不同地區的環境容量不同，根據二次污染物的目標減少量來確定 NOx 的排放總 量，然后把總量分配到各地區 5。 1981 年起，日本也開始實施 NOx 限排措施，以治理氮氧化物引起的大氣污染。由此可見，發達國家的治理空氣污染、尤其是治理 PM2.5，均采用了減排 NOx 的政策措施 6。 3.3 小結 通過對細顆粒物 PM2.5 的成分及形成機制 進行研究 可見 大氣灰霾主要來自 PM2.5，包括工業等活動直接排放的一次 細 顆粒物和由氣體向顆粒物轉 化 的二次 細 顆粒物。 PM2.5 占到 PM10 的 50-80，其中 PM2.5 組分占 PM2.5 50-80左右，而且在重污染時期，二次顆粒物的組分在 PM2.5 中的比例明顯增加。因此，治理二次顆粒物是減少 PM2.5 總量，治理大氣灰霾的關鍵。 二次顆粒物形成是由于大氣氧化性導致氣體污染物被氧化形成，而 NOx 和 VOC 是導致大氣氧化性增強，大量生成二次顆粒物，從而造成大氣灰霾現象的元兇，所以治理NOx 和 VOC 是解決 PM2.5 的重點，而 VOC 污染源分散且不易控制，因此控制城市內的NOx 排放是治理大氣污染，緩解灰霾現象的關鍵。 01002003004005002013/ 1/ 25 20 13 / 1/ 26 2013/ 1/ 27 2013/ 1/ 28 20 13 / 1/ 29 2013/ 1/ 30 2013/ 1/ 31 2013/ 2/ 1濃度（ug/m3, ppb）S O 2NONOxNOyP M 2.5 - 30P M 2.5 - 5011 4 北京市 冬季采暖現狀 4.1 城市 2012 年 ， 北京市城鎮 人口共 1783.7 萬人 ， 集中供熱 面積為 52555 萬 m2，熱電廠 供熱能力為 7187MW，鍋爐房供熱能力為 31111MW7。 供熱 總量 為 35222 萬 GJ， 其中熱電廠供熱 量 為 5752 萬 GJ，鍋爐房供熱 量為 29470 萬 GJ7。 采暖熱源 形式 主要為燃煤鍋爐、 燃氣鍋爐、 熱電聯產等。 煤炭 消耗 總量為 2265 萬 t，其中發電和 集中 供熱消耗1236 萬 t，占煤炭消耗 總 量 的 55；天然氣 消耗 總量為 92 億 m3， 其中 發電和 集中 供熱消耗 35 億 m3， 占天然氣消耗總量的 387。 值得注意的是，根據 “國十條” 、 北京市 2013-2017 年清潔空氣行動計劃 等 提出的 為了提高 空氣質量而 重點調整 的 城市 集中 采暖 熱源 形式 是 熱電聯產 “煤改氣 ”（使用大型燃氣熱電聯產全面替代大型燃煤熱電聯產）。 2013 年計劃完成燃煤鍋爐 “煤改氣 ”改造 2100 蒸噸 8，實際完成 2407 蒸噸改造，四環內基本取消燃煤鍋爐房，將北京城區的四家主力熱電廠（華電、國華、石景山、高井）基本都改成了天然氣熱電聯產， “煤改氣 ”任務超額完成 15 9。計劃到 2015 年，北京城五環以內的燃煤設施都全部消失，四大燃氣熱電中心將取而代之，用氣量預計高達 170 億立方米。 “十二五 ”期間為進行 “煤改氣 ”，北京市的基礎設施建設資金將達 300 億元 10，北京天然氣總消費量也將大幅增長 。但 是， 到底 這個措施對減少灰霾、改善空氣質量 能 有多大的作用 ，是一個急需研究 的問題。 4.2 農村 截至 2012 年底北京農村地區共 182 個鄉鎮， 3940 個村委會， 215.2 萬戶，常住人口582.5 萬 7。為詳細了解北京農村地區的采暖用能現狀，我們通過隨機抽取的方式，在北京市調研了 153 個村莊共計 4235 戶農村家庭的采暖用能情況。調研結果顯示，燃煤（包括散煤、煤球等）、秸稈樹枝 和電是北京農村常見的采暖能源形式，與之相匹配的采暖設備分別 為土暖氣、傳統炕灶和電取暖設備（包括空調、電暖氣和電褥子等）。 表格 1所示為北京農村地區采暖能源消耗的調研值和推算值。 表格 1 北京農村地區冬季采暖能源使用量 項目 能源年消耗量 調研總量 調研戶均量 北京市總量 單位 t萬 kwh tkWh 萬 t萬 kwh 燃煤 9977.3 2.356 507.0 生物質 1987.2 0.469 101.0 電 105.8 249.8 53761.9 根據 表格 1 中 的數據，可計算北京市農村地區冬季采暖能耗，如 表格 2 所示。計算結果 顯示， 燃煤 是目前北京農村地區 冬季采暖能耗 的最主要組成部分 ， 占 農村 總采暖12 能耗的 82.0。 通過 對土暖氣 （使用 燃煤） 的污染物 排放測試可以發現， 燃煤 單位 質量的燃煤， CO、 CO2 和 NOx 的排放指標分別為 315.5 g/kg、 1148.7 g/kg 和 464.5g/kg。 因此 ，北京 農村地區因土暖氣燃燒燃煤所造成的 CO、 CO2 和 NOx 等 污染物的排放 分別 可達到 160.0 萬噸 、 582.4 萬噸 和 235.5 萬噸 。 表格 2 北京農村地區采暖能耗結構 項目 能源消耗總量 折合標煤 占比 單位 萬 t萬 kwh 萬 tce 燃煤 507.0 362.1 82.0 生物質 101.0 57.7 13.1 電 53761.9 21.7 4.9 合計 441.6 100 5 北京市 各種采暖 熱源對 PM2.5 形成的貢獻 分析 5.1 城市集中 供熱熱源對 PM2.5 形成 的貢獻分析 從 第 3 節 的分析可以得出，控制 NOx 的排放量是緩解北京大氣重度灰霾天氣的關鍵。 冬季是灰霾天氣的高發期， 各類采暖熱源是冬季重要的 NOx 排放源。北京市目前正在推行 熱電聯產 “煤改氣 ”， 這個措施 對治理霧霾 、改善空氣質量有多大的作用呢針對這個問題，我們進行了如下的分析和計算。 5.1.1 不同 集中供熱熱源 單位燃料的 NOx 排放量 表格 3 不同采暖方式單位燃料 NOx 的排放強度 燃燒設備 排放強度 備注 數據來源 kg/tce mg/m3 煙氣 大型燃煤鍋爐熱電聯產 2 200 脫硝后 岳光溪院士提供11 燃煤循環流化床 98），得到的氣體產品經壓縮、干燥除去 CO2 便產出 SNG24。 圖 10 魯奇法制備 SNG 工藝流程示意圖 24 2. 德士古加壓 水煤漿氣化技術 德士古加壓水煤漿氣化技術是由美國德士古公司開發的，是一種以水煤漿為進料、氧氣為氣化劑的加壓氣流床并流氣化工藝，氣化過程包括煤漿制備、煤漿氣化、灰水處理等工序，是較成熟的煤氣化技術 27。目前我國采用該技術的在運行裝置有 20 多臺魯22 南化肥廠、上海焦化廠、陜西渭河化肥廠、神華包頭煤化工有限公司、山東華魯恒升化工股份有限公司等 27。 圖 11 表示了德士古法生產煤氣合成氣的工藝流程。原料煤送入磨機，同時在磨機中加入水、添加劑、石灰石、氨水，經磨機研磨成具有適當粒度分布的水煤漿，水煤漿由低壓煤漿泵送入煤漿槽中；水煤漿經高壓煤漿泵加壓后與高壓氧氣經德士古燒嘴混合后呈霧狀噴入氣化爐燃燒室，在燃燒室中進行復雜的氣化反應，生成的煤氣和熔渣經激冷環及下降管進入氣化爐激冷室冷卻，冷卻后的煤氣經噴嘴洗滌器進入碳洗塔，熔渣落入激冷室地步冷 卻、固化、定期派出；在碳洗塔中，煤氣進一步冷卻、除塵、控制水氣比（即水汽與干氣的摩爾比），然后煤氣出碳洗塔進入后工序 28。 圖 11 德士古法制備煤氣合成氣工藝 流程示意圖 28 3. 殼牌 煤粉加壓氣化技術 圖 12 表示了殼牌法生產煤氣合成器的工藝流程。殼牌煤粉加壓氣化工藝大體上可分為煤粉制備、煤粉輸送、氣化、氣體凈化 4 個單元。原料煤經破碎后在熱風干燥的磨機內磨制成＜ 100μ m 的煤粉，由常壓料斗進入加壓料斗，其加煤方式采用密封料斗法常壓粉煤落入變壓煤倉，經充 N2 升壓后落入操作壓力略高于氣化爐的工作煤倉，由星形加料器或螺旋輸送器送出，用 N2 濃相輸送入氣化爐。殼牌開發的氣化爐為對置式 4噴嘴，采用下部干粉加壓進料。通 常氣化爐操作溫度為 1500-1700℃，爐體內四周均布水冷壁列管，熔渣在水冷壁上形成一定厚度的固體渣層，排渣從爐底鎖斗派出，合成氣由爐子上部引出，在出口處加入經過降溫的返回合成氣激冷，然后進入廢熱鍋爐內產生高壓蒸汽以回收熱量，所夾帶的灰渣顆粒經旋風分離返回氣化爐 29。 23 圖 12 殼牌法制備煤氣合成氣工藝流程示意圖 29 6.1.1.3 “ 煤制氣 ” 應如何 利用 “煤制氣 ”的 效率較低，約為 5018， 其 生產 的天然氣 可 用于居民 生活、 發電、熱電聯產等。 若 將 “ 煤制氣 ” 生產的天然氣用于 居民 生活，如壁掛爐 ， 能同時解決采暖和生活熱水供應 問題 ，壁掛爐的效率較高，約為 9240， 如此 總的 熱 效率 為 509246，而 家庭用煤爐 的熱效率 為 30-5030， 40。若將 “煤制氣 ”生產 的天然氣用于發電， 燃氣 發電的效率約為 5540， 如此總的 熱效率約 為 28， 低于 直接 燃煤發電 的 效率 （ 一般約為3540， 上海外高 橋第三發電廠燃煤 發電效率為 45） 。若將 “煤制氣 ”生產 的天然氣用于熱電聯產， 燃氣 熱電聯產 的 發電 和 供熱效率 分別 約為 45、 3540， 如此 總的 發電 與供熱效率 分別 約為 23、 18， 遠低于 直接燃煤熱電聯產的 發電 與 供熱 效率（ 分別 約為25、 5040）。 由上述 分析可見， 從 能源效率的角度來看， “ 煤制氣 ” 生產的天然氣可用于居民生活中 ， 如 用燃氣 壁掛爐 替代家庭用 蜂窩煤爐 ，來同時滿足居民采暖和生活熱水的需求，但是 “ 煤制氣 ”生產的天然氣用于發電或熱電聯產 的 能源效率 遠低于 直接燃煤發電 、 直接燃煤熱電聯產 的 能源效率， 因此 ， “ 煤制氣 ” 生產的天然氣 用于 發電 或 熱電聯產 是 較不可行的。 另外 ， “ 煤制氣 ” 的 過程中會對環境造成污染， 如 煤轉氣階段的 NOx 排放因子為5.6kg/tce31，而之前提及的常規大型燃煤熱電聯產直接燃煤的 NOx 排放因子僅為 2kg/tce。并且， “煤制氣 ”需要 消耗大量水資源 ， 40 億立方米產能的項目水資源年消耗量為 1600萬噸 32，單位熱值水耗為 0.18-0.23t/GJ33。 6.1.2 小結 由于 煤制天然氣會損失約 50的熱量， 因此從 能源效率的角度來考慮 ，“煤制氣 ”生產 的天然氣可用于居民生活， 如 用燃氣壁掛爐 替代家庭 用煤爐 ， 但 并 不適合 用于直接發電或者熱電聯產。 另外， 煤制天然氣的過程 會 對環境造成污染 ，占用缺水的煤礦地區的寶貴水資源 。 而且， 根據第 5.1 節 中的分析， 把氣輸送到城市，在城市采用燃氣熱電24 聯產的形式來供熱，會較基于清潔燃煤技術的燃煤熱電聯產產生更多的 NOx，那么，與其采用 “煤制氣 ”制取天然氣、再將氣輸送至市區使用燃氣熱電聯產來供熱，何不在城市的遠處直接用煤發電、把電輸送到城市，而城市采暖則采用基于清潔燃煤技術的燃煤熱電聯產呢 6.2 天然氣 的合理利用 6.2.1 從我國的能源結構看天然氣 的合理利用 對于發達國家， 在其能源結構中天然氣的比例較高 （如 表格 9 所示） ， 例如美國和英國 的 天然氣 消費量占其能源總消費 的比例分別高達 30和 35，與油的比例差不多（油占的比例分別為 37， 34）。對于他們，優化能源利用的目標就應該是高效利用天然氣，那么燃氣熱電聯產就是一種很好的利用方式，能夠高效地利用天然氣，同時提供電力和建筑的供暖需求。但是我國的能源結構是以煤為主，煤的消費量在能源總消費量中占 68，而天然氣僅 約 占 520, 34。 IEA 及 BP 預測 未來中國的天然氣消耗量占總消費量的比例 也不會有很大提高， 到 2020 年 約為 8， 2035 年 約為 10-1235,36。因此 ，對于 天然氣 匱乏的我國 而言 ， 天然氣是稀缺資源，應該充分發揮天然氣清潔能源和快速調節的特點 ， 把有限的天然氣用在最 能發揮 其特點的地方 。 表格 9 2012 年各國天然氣、 油、煤 消費量 占能源 總 消費量 的 百分比 37 國家 油 天然氣 煤 美國 37 30 20 德國 36 22 25 英國 34 35 19 俄國 21 54 14 日本 46 22 26 中國 18 4.7 68 6.2.2 天然氣 的合理利用方式 針對各類天然氣的應用方式，應從獲取最佳的能源利用率和最大的污染物減排效果出發，科學地規劃天然氣應用范圍，把有限的寶貴的天然氣資源用在 單位天然氣替換其他燃料能夠發揮出最大減排效果的地方。 田貫三等（ 2009）做了相關的研究，計算了各種能源應用方式中 1m3 天然氣替代煤炭后能 減少 的煙塵、 SO2 和 NOx 的排放量，如 表格 10 40 所示，這 可以作為應將天然氣用于替代煤炭的哪種應用方式的參考 判斷依據 可按照當地具體的減排要求（哪種污染物是最需要減排的），根據表格 6 中的減排因子將各應用方式進行排序，將天然氣應用于最需要的地方。 另一方面，天然氣電廠作為調峰電廠可以充分發揮其快速調節的特點。北方風電的“棄風”情況嚴峻，“棄風”率約為 2038，大量“棄風”的主要原因之一是風電受天氣影響明顯，具有波動特性，而電網的調節能力不足。水電是最適于風電調峰的方式，但是受地理位置限制，我國的風電多在北方而水電多在南方，因而水電用于風電調峰也受到限制。在我國的北方多為燃煤火電，其慣性較大，無法快啟快停以配合風電調峰。相比之下，燃氣輪機可快啟快停，是很好的調峰手段，從而緩解棄風現象。但一 旦使用25 天然氣熱電聯產來供熱，就需要“以熱定電”，這樣就徹底喪失了天然氣的調峰功能，還會擠壓常規燃煤火電的發電運行小時數。目前我國許多大型的高效燃煤電廠均在部分出力的工況下運行，年運行小時數較低（如全國 60 萬千瓦、 30 萬千瓦機組的年運行小時數分別為 5362 小時、 5402 小時 39），這是對設備巨大初投資的浪費。而燃氣電廠設備初投資成本低、運行成本高，就應該將燃氣電廠僅作為調峰的手段，同時還能使得燃煤電廠的年運行小時數增加。 表格 10 1m3 天然氣替代 煤炭后 的 平均 城市 環 境 減排 量（ 單位 g） 40 天然氣用戶 替代燃煤方式 煙塵 SO2 NOx 家用燃氣鍋爐（如壁掛爐） 家用小煤爐采暖（原煤） 256.26 63.70 21.61 家用燃氣鍋爐（如壁掛爐） 家用小型煤爐采暖（型煤） 58.41 60.20 19.47 天然氣聯合 循環 熱電聯產 燃煤熱電聯產 3.88 41.10 13.09 燃氣蒸汽聯合循環 熱電聯產 燃煤發電 與 燃煤鍋爐 4.43 15.15 3.74 小型燃氣鍋爐 立式燃煤鍋爐，功率 ≤1t/h 128.94 46.80 12.24 燃氣鍋爐 臥式 燃煤鍋爐 ,1t/h＜功率 ≤ 4t/h 14.57 33.82 9.89 燃氣鍋爐 臥式燃煤鍋爐 ,4t/h＜功率 ≤10t/h 10.25 30.20 8.69 燃氣鍋爐 燃煤鍋爐，功率＞ 10t/h 4.93 23.21 7.78 燃氣聯合循環冷電聯產 燃煤發電與電制冷 -0.4 -0.02 -2.76 樓宇式熱電聯產 燃煤發電與燃煤鍋爐 2.20 23.27 7.15 樓宇式 冷電 聯產 燃煤發電與電制冷 -0.4 -0.02 -2.76 直燃機式吸收機 （ 冷） 燃煤發電與電制冷 -0.4 -0.02 -2.76 注 1. 由于 燃煤 發電 被認為是設 在外地 發電然后再將電輸送到城市內 ， 所以這部分 的 排放不算做城市內 環境排放 ； 由于 其他 燃煤利用 方式 ，如燃煤熱電廠等 ， 都是設在城市 內， 所以 其他燃煤利用方式 的排放均算作 城市 內環境 排放。 2. 由于燃氣 聯合 循環冷電 聯產、 樓宇式 冷電 聯產、直燃機 制冷 等 制冷 效率較低 ， COP 約為1-1.2，遠低于水冷式電制冷的 COP（約為 5） ，所以對城市內 的 環境不僅不減排 ， 而且增加 了 排放量 ，故 減排量 為 負 值 ， 但是 對 整個 大氣 污染物的 減排 還是有一定 效果 的。 6.2.3 小結 與天然氣 資源 豐富 的發達國家不同，我國 天然氣資源 匱乏， 所以 ， 我國天然氣的 利用方式 需走一條和 發達國家不同的路線， 要 把 有限、 寶貴的天然氣資源用在 最能 發揮其清潔能源和快速調節的特點 的地方 。 為了發揮天然氣 “ 清潔能源 ” 的特點， 在 進行能源規劃的時候， 可通過計算 單位天然氣替換其他燃料 后的污染物 減排 量，然后可以此作 為規劃天然氣用途 的判斷依據。 另一方面，天然氣電廠作為調峰電廠可以充分發揮其快速調節的特點 ， 進而 還能 緩解 “棄風 ”現象 ， 增加燃煤電廠 年運行 時間 。 7 對北京市 采暖熱源優化與 PM2.5 治理 的政策建議 7.1 總體能源 結構 我國能源 結構 是以 煤為主， 煤的消耗量 約占 總的能源 消費量 68， 而天然氣 僅占 5。以煤 為主的 能源 結構在未來 較長的一段時間也 不會 改變。針對 我國獨特 的能源稟賦，我26 們 應該研發 、 應用 清潔、 高效 的煤利用 方式 ， 將有限 的天然氣用在 最能 發揮其 清潔能源和快速調節的特點 的地方。 7.2 城市采暖 通過計算與分析發現，北京市目前推行的熱電聯產 “煤改氣 ”措施，并不能顯著降低NOx 排放量，起到減排和緩解灰霾的作用，反而會大幅增加天然氣用量，造成用氣矛盾。我國的能源結構是以煤為主，煤的消費量在能源總消費量中占 68，而天然氣僅占 5。若全面推廣 “煤改氣 ”，需要從國外大量進口天然氣，國家能源安全受到威脅，能源形勢將會變得很嚴峻。 我國煤資源豐富，清潔、高效的煤燃燒技術是符合我國能源國情的最合適的能源利用方式。 我們建議在北京等大城市采暖方式應以采用我國自主的高效清潔煤燃燒技術的燃煤熱電聯產為主，這種能源利用方式可以以燃煤為燃料，通過熱電聯產產生同樣的熱量，而 NOx 的排放量約僅為燃氣蒸汽聯合循環方式的 13，甚至低于天然氣鍋爐供熱，是符合我國國情的能源利用方式，不僅能高效、清潔地利用我國豐富的煤資源，而且能大量減少 NOx 的排放量，從而降低二次顆粒物的數量，緩解嚴 重的灰霾天氣。 7.3 農村采暖 通過 測試 與 計算 分析 發現， 雖然農村地區用于采暖的燃煤和生物質總量 較小 ，但其一次 PM2.5 排放總量遠高于城市地區大型鍋爐的排放水平。因此，農村應該作為北京市PM2.5 減排的重要突破點之一，給予相應的重視 。 目前，北京農村地區冬季采暖以土暖氣和生物質炕灶為主，燃料的低效非充分燃燒，是導致 一次 PM2.5 排放總量居高不下的主要原因 。 當采用型煤鍋爐或生物質鍋爐替代土暖氣后，在滿足相同采暖負荷的情況下，與燃燒燃煤相比，型煤鍋爐和生物質鍋爐造成的戶均一次 PM2.5 排放可分別降低 36.8和 68.7。由此可見，從農村采暖設備入手，可以顯著降低農村住宅用能所造成的一次 PM2.5 排放，對改善大氣環境具有重要意義。 27 參考文獻 1 中國環境監測總站網站數據 2 環境空氣質量標準 . 中華人民共和國國家標準 GB 3095-2012 3 中華人民共和國中央人民政府網http// 4 于 2013 年 3 月 28 日清華大學建筑 節能周 論壇唐孝炎院士發言 ppt 5 胡倩 ，張世秋，吳丹 . 美國和 歐洲氮氧化物控制政策對中國的借鑒意義 . 環境保護 , 2007（ 10） 6 http//ww