天然气应用对大气环境的影响

天然气应用对大气环境的影响� 赵力军 � 吴国奇 (珠海市煤气公司 ,珠海 519000) 摘要 � 大气污染是当今世界所面临的重要环境难题。尽管天然气不能从根本上解决大 气污染问题,但在改善城市空气质量、抑制气候变暖及保护臭氧层等方面均具有重要价 值。在新型可再生清洁能源问世之前,天然气是一种较为理想的过渡型环保能源。 关键词 � 天然气利用 � 大气污染 中图分类号 � TU 996 � � 矿物燃料燃烧后所排废气是造成大气污染的元 凶。温室效应的 94%、臭氧层耗减的 85%及对流层 中的大部分有害气体, 均是由矿物燃料燃烧后废气 所诱发或产生的。因此针对矿物燃料的燃烧后污 染,目前尚无易行的解决办法。然而,换一种更加谨 慎的矿物能源使用方法, 如最广泛地用天然气取代 易污染型能源或材料,问题将有所减轻,使大气质量 得以改善,为人类加速开发新能源,彻底解决大气污 染争取时间。 1 � 天然气利用对空气质量的改善 以煤烟尘、二氧化硫为主的烟雾污染,以有机化 学工业为主的化学烟雾污染及机动车排废所诱发的 光化学烟雾污染是空气污染的主要形式。其中烟雾 污染和光化学烟雾污染与矿物燃料使用直接相关。 1. 1 � 天然气替代煤和石油可减轻空气污染 矿物燃料燃烧后污染物主要是一氧化碳( CO) , 二氧化碳( CO2) ,硫氧化物( SOx ) ,氮氧化物( NOx ) , 碳氢化合物( HC)和粉尘颗粒。CO2 是燃料完全燃 烧的产物; CO一小部分来源于燃料中的 CO, 大部 分是燃料不完全燃烧的产物; 硫氧化物是燃料中硫 的氧化物; 氮氧化物一部分来源于燃料中的结合氮 氧化,大部分是空气中氮在高温条件下被氧化而成。 天然气与同类燃料煤和石油相比,除具有含 C、 N、CO量低和几乎不含 S 等特性外,同时还具有燃 烧及使用效率高等优点。用天然气直接替代煤和石 油, C、N、S的氧化物及有害粉尘的排放,均会降低。 表 1 � 油、煤和天然气的燃烧排放量( kg) [ 1] 排放物 1吨油 1吨油当量煤 1吨油当量天然气 CO 2 3 100 4 800 2 300 SO2 20( S 未脱) 6 ( 80 % S已脱) / NO 2 6 (工业用) 11 (工业用) 4 (工业用) CO 6~ 30 4. 5~ 20 0. 5~ 3 未燃烃 0. 5 0. 3 0~ 0. 45 灰 / 220 / 飞灰 / 1. 4 / 表 2 � 1 000 MW 不同燃料电厂每年 � 废气排放总量( 106 kg ) [ 2] 污染物 煤发电厂 石油发电厂 天然气发电厂 醛 类 0. 005 0. 117 0. 031 CO 0. 520 0. 008 / HC 0. 21 0. 67 / NO x 21. 0 21. 7 1. 2 SOx 139. 0 52. 6 0. 012 固体微粒 4. 50 0. 73 0. 46 �45�第 18卷 � 第 5期 � � � � � � � � � � � 煤气与热力 � 收稿日期: 1998- 01- 12 由表 1、表 2中数据可见, 天然气替代煤和石油 可使燃烧后废物排放大幅降低, 其中硫氧化物和粉 尘的下降幅度最为显著。当天然气的应用范围达到 一定水准时, 以煤的烟尘、煤与石油燃烧后排放的 SO2 为主体的空气污染将得到有效抑制, 空气质量 (特别是大城市的空气质量)将得到明显改善。 1. 2 � 天然气作为机动车替代燃料净化空气 公路运输车辆是 CO、NOx、HC、SO x 及铅的重 要排放源。在发达国家, 运输业产生的 NOx 约占总 量的 30~ 80 % , HC 约占总量的 20~ 60 %, SO x 约 占总量的 1~ 13 %。 由机动车排放废气造成的空气污染,分一般烟 雾污染和光化学烟雾污染。一般烟雾污染是由 SOx、NO x、CO、挥发性有机物( VOCs)和铅等机动车 排放混合物构成的污染, 浓度过大时,对人类构成危 害。光化学烟雾污染是 NOx 和 VOCs等先驱物, 在 合适的气候、地理条件下受强烈光照而发生化学反 应形成的。光化学烟雾的主要成份是对人类危害极 大的强氧化剂和各种有害溶胶。用天然气作为汽油 和柴油的替代燃料在环境方面具有明显优势。 ( 1)净化空气 天然气的主要成份是甲烷( CH4) ,其他有机物 及硫、铅等含量很低,且具有燃烧充分、高效等特性。 用天然气替代柴油, 可大大降低 SO x、NO x、非甲烷 类有机物和粉尘的排放; 用天然气替代汽油, 可减少 SOx、CO、非甲烷类有机物和铅的排放, NOx 的排放 量亦不大于汽油车 NOx 的排放量。这对于防止运 输区域烟雾生成,减轻空气酸化和净化城市空气是 极为有利的。 ( 2)抑制光化学烟雾形成 天然气机动车的燃料供应系统是压缩系统, VOCs排放量与汽油车和柴油车相比减少很多。在 天然气机动车所排放的 VOCs中, CH 4 是最主要成 份(约占 90~ 99 % )。CH4 具有极低的光化学反应 性,可以不作为光化学烟雾先驱物考虑。其他极少 量的非甲烷类轻( NMHC)在特定的排放环境中臭氧 生成能力较低, 见表 3。 由于在两种光化学烟雾的先驱物中, VOCs 的 浓度和反应能力明显下降, 加之 NOx 排放量的减 少,臭氧等强氧化剂生成的可能性会明显降低,运输 区域内的光化学烟雾污染会受到有效抑制。 2 � 天然气在限制全球变暖中的作用 工业革命以来, 大气中 CO2含量增加了 30 %, CH4 含量增加了 145 %。全球气温与 1860年相比 升高了 0. 3~ 0. 6 。如果这一趋势得不到控制,今 后 100年内全球气温将升高 1. 0~ 3. 5 。 在人为的温室效应中, CO2是主要的温室气体, 约占整个人为温室效应的 68 %。第二大气体是 CH4, 约占 19 %。其他温室气体 N2O 占 7%, 氟氯 烃( CFCs)占 6%。 ( 1) 天然气燃烧后的 CO2 和 N2O 排放 天然气燃烧时产生 CO2和 N2O。若以每能量输 入单位的排放为基础, 天然气燃后 CO2和 N2O的排 放少于燃煤和燃油,具体数据见表 4、表 5。 表 3 � 臭氧生成能力( g O3) / (克 NMHC) [ 5] 汽 油 1 液化石油气 0. 74 天 然气 0. 38 表 4 � 矿物燃料的 CO2排放系数[ 5] 燃料类别 平均排放系数( kg/ 109J) 煤 95. 8 油 75. 9 天然气 55. 9 表 5 � 电站和工业锅炉的 N2O排放系数[ 5] 来源 平均排放系数( g/ 109J) 发电站 � � � � 煤 残油 联合循环蒸汽透平 40~ 51 44 20 工业锅炉 � � 煤 残油 天然气 18 16 3. 5 由燃油或燃煤转为燃烧天然气分别减少约 25 %和 50 %的 CO2 排放量, N2O的排放量减少了 70 %以上。若只以燃烧角度考虑, 增加天然气的使用 �46� 煤气与热力 � � � � � � � � � � 1998年 9月 量对防止气候继续变暖有利。 ( 2) 天然气燃料周期的 CH 4排放 天然气在生产、运输、分配和使用过程中会有不 同程度的泄漏(排放)。由于天然气燃料周期的 CH4 排放与是否采取或采取何种防漏措施有关, 为便于 说明问题,有关燃气专家对 1990年的天然气燃料周 期的 CH 4排放做了估算,并与同期石油和煤的 CH4 排放进行了对比,结果见表 6。 表 6 � 矿物燃料的 CH4排放[ 5] 能 源工 业 CH 4平均排放( kg/ 109J) 煤 石油 天然气 0. 42 0. 15 0. 21 ( 3) 综合对比 在1990年以前的技术条件下, 用天然气替代 煤,各种温室气体排放均有不同程度降低,对遏制气 候变暖十分有利; 用天然气替代石油, 尽管 CO2、 N2O排放有所下降, 但相对高的 CH4 排放却有可能 抵消原有的温室优点,只有积极采取防泄漏措施, 使 与天然气燃料循环有关的 CH4 排放不超出,才能发 挥温室优点,减轻温室效应。 3 � 天然气在限制臭氧层耗减中的作用 本世纪七十年代,研究大气的科研人员发现臭 氧层有不断耗减的趋势。八十年代中, 每年秋季南 极上空有!臭氧空洞∀出现。在探索其发生原因时, 全氟氯烃( CFCs)被世界越来越多的科学家认定是 破坏臭氧层,危及人类生存环境的祸首之一。 鉴于 CFCs可用作制冷剂、抛射剂和发泡剂, 应 用领域极为广泛,因而在完全停止生产和消费 CFCs 时,一定要找出合适的替代品或替代方法。天然气 直接驱动空气调节系统, 以及天然液化石油气被认 为是具有竞争力的替代方法和替代品。 ( 1) 天然气直接驱动空气调节系统 传统的空气调节系统大都使用 CFCs或含氢氟 氯烃(HCFCs)作为其制冷剂。这样的物质与地球的 臭氧层破坏有关。天然气驱动的吸收式冷凝器不含 这些化学物质, 而是采用一绝对安全的溴化锂与水 或水与氨相配合的液体,对臭氧层无任何破坏。 ( 2) 天然液化石油气作为 CFCs替代品 大部分 LPG新能源并不是来自粗石油冶炼,而 是来自天然气。天然液化石油气具有纯度高,烯及 其他杂质含量少等优点。 天然液化石油气中的丙、丁烷混合气体可作为 抛射剂替代 CFC- 11, CFC- 12;丁烷可作为发泡剂 替代 CFC- 11; 异丁烷、丙烷可作为制冷剂替代 CFC- 12、CFC- 22。这些替代品的臭氧耗减潜能 ( ODP)均小于 0. 1, 同时还具有很低的大气温室效 应,也就是全球变暖潜能( GWP)值同样很低(见表 7) ,对臭氧层和全球气温无负面影响。 表 7 � CFCS 及候选替代物的 ODP、GWP[ 4] 代 号 化学式 ODP GWP CFC- 11 CFCL3 1. 0 3 400 CFC- 12 CF2CL2 0. 9~ 1. 0 7 100 R- 600a C4H 10 0 / R- 600 C4H 10 0 / R- 290 C3H8 0 3 4 � 结 � � 语 ( 1) 天然气作为石油和煤的替代燃料, 可基本 消除以烟尘、SO2为主的污染, 净化空气; 天然气作 为煤的替代燃料, 可减少温室气体的排放,防止大气 变暖。 ( 2) 天然气作为机动车的燃料, 可大大减少 CO、CO2、VOCs、NOx 铅及粉尘等有害物质的排放, 净化运输区域的空气, 防止光化学烟雾形成。 ( 3) 天然气直接驱动空气调节系统, 天然液化 石油气在某些领域替代 CFCs类产品,可减少 CFCs 排放,保护臭氧层,减轻温室影响。 天然气尽管不是最理想的环保型燃料, 但在目 前无更好解决办法的情况下,由于其在治理各种大 气污染中具有不同程度的环境价值, 是一对环境有 利的过渡型!清洁∀燃料。 参 � 考 � 文 � 献 1 � 李猷嘉.城市燃气与大气环境.城市煤气, 1997, ( 6) : 3 �47�第 18卷 � 第 5期 � � � � � � � � � � � 煤气与热力 2 � 龚书椿.环境化学.第一版。上海:华东师范大学出版社, 1996: 99 3 � 唐旭东.氟里昂 CFCs替代品中碳氢化合物在石化企业的开发潜 力.广东化工, 1997, ( 3) : 45 4 � 岳孝方.制冷技术应用.第一版.上海:同济大学出版社, 1992: 22 5 � F. E. Shephard.燃气与环境特别工作组.第十九届世界燃气 会议汇编 IGU/ T - 94. ATMOSPHERIC ENV IRONMENT IMPACT OF NATURAL GAS APPLICAT ION Zhao Lijun � Wu Guoqi ( Zhuhai G as Company , Zhuhai 519000, China) ABSTRACT � Atmospheric Pollut ion is an important environment problem facing the w orld today. Natural g as is of important value to improving air quality in city , rest raining climate from w arm ing and protect ing ozono� sphere, though it is impossible to solve the atmospheric pollut ion problem radically by means of natural gas. Be� fore the new and reproduceable clean resource of energy comes into bein natural gas is an ideal interim environ� ment protect ion resource of energy . KEYWORDS � natural g as application, atmospheric pollut ion 更正启事 本刊 1998年第 2期第 50页!气体引射器综合阻力系数与静压分布∀一文中图 2排版有误,应为下图,特 此更正。 图 2 �48� 煤气与热力 � � � � � � � � � � 1998年 9月