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 液化天然气、管道天然气与煤制天然气的比较分析

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 液化天然气、管道天然气与煤制天然气的比较分析 书书书  第60卷 增刊   化   工   学   报          Vol.60 Suppl.   2009年12月   CIESCJournal   December 2009 檭檭檭檭檭檭檭檭 檭 檭檭檭檭檭檭檭檭 檭 殐 殐殐 殐 综述与专论   液化天然气、管道天然气与煤制天然气的比较分析 王小伍1,华 贲2 (1 华南理工大学理学院 ;2 华南理工大学化工学院,广东 广州510640) 摘要:采用LCA方法对煤制天然气方案及其替代方案 (俄罗斯进口管道天然气以及澳大利亚进口液化天然气)进...
 液化天然气、管道天然气与煤制天然气的比较分析
书书书  第60卷 增刊   化   工   学   报          Vol.60 Suppl.   2009年12月   CIESCJournal   December 2009 檭檭檭檭檭檭檭檭 檭 檭檭檭檭檭檭檭檭 檭 殐 殐殐 殐 综述与专论   液化天然气、管道天然气与煤制天然气的比较 王小伍1,华 贲2 (1 华南理工大学理学院 ;2 华南理工大学化工学院,广东 广州510640) 摘要:采用LCA方法对煤制天然气及其替代方案 (俄罗斯进口管道天然气以及澳大利亚进口液化天然气)进 行了评价,揭示了煤制天然气全生命周期各环节的环境效应。3种方案中,煤制天然气的CO2 等环境排放最高。 煤制天然气对原材料价格的承受能力低下,随着褐煤价格的上涨,煤制天然气项目的经济性将受到较大的挑战。 关键词:煤制天然气;液化天然气;管道天然气;环境排放;经济效益 中图分类号:TE0        文献标识码:A        文章编号:04381157 (2009)S103504 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀犫犲狋狑犲犲狀犾犻狇狌犲犳犻犲犱狀犪狋狌狉犪犾犵犪狊,狆犻狆犲狀犪狋狌狉犪犾犵犪狊 犪狀犱狊狌犫狊狋犻狋狌狋犲狀犪狋狌狉犪犾犵犪狊 犠犃犖犌犡犻犪狅狑狌1,犎犝犃犅犲狀2 (1犘犺狔狊犻犮狊犇犲狆犪狉狋犿犲狀狋,犛犮犺狅狅犾狅犳犛犮犻犲狀犮犲;2犛犮犺狅狅犾狅犳犆犺犲犿犻犮犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵, 犛狅狌狋犺犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔,犌狌犪狀犵狕犺狅狌510640,犌狌犪狀犵犱狅狀犵,犆犺犻狀犪) 犃犫狊狋狉犪犮狋:Coalbasedsubstitutenaturalgasindustryisadvocatedtodeveloponalargescalewiththeaim ofreducinggassupplygapinChina.Comparedwithnaturalgascomingfromotherapproaches,willcoal basedsubstitutenaturalgasshowenvironmentalandeconomicadvantages?Thereforelifecycleassessment isadoptedhere.CoalbasedsubstitutenaturalgasiscomparedwithpipenaturalgasimportedfromRussia andliquefiednaturalgasimportedfromAustraliaintermofenergyconsumption,environmentemission andeconomicbenefit.Inthecalculation,therelateditemsingasconsumptionlinkareomitted.Included industrylinksareconstructionlink,mininglink,productionlinkandtransportationlink.Environment emissionfromproductionlinkofsubstitutenaturalgasprojectisserious.AlthoughCO2producedfromcoal transformprocesscanbecompressedandusedinoilfieldtoincreaseoilyield,substitutenaturalgas projectstillshowsthehighestCO2andSO2emission.Asadmitted,coalminingregionshavealready involvedsevereecologydestroy.Itisnodoubtthatcoalbasedsubstitutenaturalgasindustrywhichalways developsincoalminingregionswillsharpenenvironmentdeteriorationthere.Constructionlinkofpipe naturalgasprojectinvolvesthelargestamountofemissioninthewholeindustrychain.Sodoesthe liquefiednaturalgasproject.ButRussiaandAustraliapossessexcellentenvironmentcapacity.Thesame amountofemissionwillproducelessdamageinRussiaandAustraliathaninChina.Thereforepipenatural gasprojectandliquefiednaturalgasprojectshowadvantagesintermofenvironmentemission.Energy efficiencyofcoalbasedsubstitutenaturalgasindustryisabout35%.Ifthefinalgasburningefficiencyis computedtoo,thenitcanbeconcludedthattheefficiencyofthewholeindustrychainwilllowerthanthat ofcoalpowerindustry,whichisthegeneralcoalconsumptionroutineinChina.Thepriceofwoodcoal,the   2009-12-07收到初稿,2009-12-28收到修改稿。 联系人及第一作者:王小伍 (1972—),女,博士,副教授。     犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲:2009-12-07. 犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉:WANG Xiaowu,associateprofessor, jouney5@163.com   rawmaterialofsubstitutenaturalgasindustry,growsfastnowadays.Theeconomicbenefitofcoalbased substitutenaturalgasindustryissensitivetothepriceofwoodcoal.Asaresult,economicprospectofcoal basedsubstitutenaturalgasindustryissufferingchallengeintermofeconomicbenefit. 犓犲狔狑狅狉犱狊:substitutenaturalgas;liquefiednaturalgas;pipenaturalgas;environmentalemission; economicbenefit 引 言 煤不仅是一种常规能源,也是用于化工生产的 原料。煤制天然气工程是以煤为原料,经过化学加 工使之转化为天然气的过程。近年来,由于我国对 天然气需求的快速发展,同时也由于环境进一步改 善的需要,有人大力倡导煤制天然气 (SNG),以 补充我国天然气气源[1]。 环境毒物学和化学学会提出生命周期评价 (LCA),用于评估产品与过程的能量和物质利 用以及废物排放对环境的影响,进而寻求改善 环境影响的机会以及如何利用这种机会。本文 采用LCA方法对煤制天然气方案及其替代方案 进行了评价,揭示了煤制天然气全生命周期各 环节的环境效应,为煤利用和天然气的利用提 供定量依据。 1 生命周期评价的目标定义和范围 界定 11 研究对象和功能单位 本文将对比研究煤制天然气、俄罗斯进口管道 天然气 (PNG)以及澳大利亚进口液化天然气 (LNG)的生命周期能源使用和环境排放。选择的 功能单位为1000m3 天然气。 12 研究目标和系统边界 研究目标:分析煤制天然气、俄罗斯进口 PNG以及澳大利亚进口LNG等各种来源的天然气 的不同生命周期阶段的资源消费、能源消费与环境 排放。考虑到本文是对比研究3种不同来源的天然 气,最终产品都是天然气,虽然最终产品的热值可 能有所差别,但对结论的影响不大,因此,忽略了 产品使用阶段的环境排放。系统边界包括主要原材 料生产、运输。 2 生命周期清单分析 选择的煤制天然气用煤为山西、内蒙古等地的 褐煤,天然气生产地选定为山西北部,生产的天然 气通过管道输送往北京,以补充北京的天然气 气源。 煤制天然气流程如图1[2]。从汽化炉来的激冷 合成气送入水煤气变换反应器,以调整甲烷合成所 需要的氢碳比,再进入脱硫、脱碳单元收集高纯度 CO2,并回收单质硫,干净的合成气送入甲烷化反 应器以生产天然气,小部分合成气作为干燥煤用的 燃料,甲烷化过程放出的大量热用于产生高压蒸 汽,可以驱动蒸汽轮机发电供给空分系统。 coal vaporescence air separation natural� gascoal oxygen steam air water gas� transfer desulfurize� decarbonization methane� transfer CO2 compress� recycle sulfur� recycle steam� recycle dry coal 图1 煤制天然气流程图 Fig.1 Illustrationofsubstitutenaturalgas   在本文的计算中,煤制天然气用煤选择为褐煤 (灰分50%,热值取13.48MJ·kg-1),每生产1t 原煤耗电13.9kW·h。每1000m3 主产品 (煤制天 然气)消耗氧2.17t、蒸汽6.43t、电力11.4kW· h、锅炉给水2.7t、褐煤6.6t,通过对甲烷化过程 的热量利用可副产蒸汽2.4t,并回收高纯度CO2 3.8t、单质硫0.01t[34]。煤制天然气项目生产规模 6×108m3·a-1,年限为25a。 煤制天然气在山西北部产煤区域生产,然后通 过管道运输方式送往北京,俄罗斯进口PNG采用 全程管道输送北京,澳大利亚进口LNG首先采用 船运至天津沿海码头再汽化通过管道输送北京,因 此3种方案都涉及管道输送,而本文的目的在于比 较3种方案的环境排放、经济成本状况,因此为简 化计算,忽略煤制天然气从山西北部送往北京以及 澳大利亚进口LNG从天津送往北京的管道输送, 而俄罗斯进口PNG的管输距离取为2500km,管 道寿命取为30a。澳大利亚进口LNG船运距离取 ·63· 化   工   学   报   第60卷  为5000km,单船运输量100000m3,油轮的单位 载重单位里程燃料消耗量为0.0062kg·t-1· km-1[5]。建设阶段所耗用钢材的CO2 排放因子取 为5.09t·t-1,SO2排放因子取为0.0596t·t-1,建设 阶段所耗用水泥的CO2 排放因子取为0.312t·t-1, SO2排放因子取为0.0002t·t-1。生产1tLNG的动 力及公用设施耗电量约为850kW·h,在LNG接收 站,一般又将LNG通过汽化器汽化后使用,汽化时 放出大量的冷量,其值大约为830kJ·kg-1。因 此,各方案生命周期清单见表1。 表1 各方案生命周期清单 犜犪犫犾犲1 犔犻犳犲犮狔犮犾犲犪狊狊犲狊狊犿犲狀狋犾犻狊狋狅犳犲犪犮犺狆狉狅犼犲犮狋狊 (functionunit:1000m3naturalgas) Project Energyandmaterial consumption CO2/t SO2/t construct  SNG  PNG  LNG steel:6567×103t cement:13950×103t steel:5.2t steel:1980t 2.229 0.29 2.964 1.008 0.0026 0.0016 0.035 0.012 mine  SNG  LNG power:91.8kW·h power:850kW·h 0.054 0.441 0.0005 0.0044 produce  SNG  LNG woodcoal:6.6t feedwater:2.7t steam:6.43t power:11.4kW·h, oxygen:2.17t byproductsteam:2.4t byproductCO2:3.84t byproductsulfur:0.011t byproductcool:203kW·h 0.7847 0.003 0.58 -0.29 -4.27 -0.1197 0.02 0.0058 -0.008 -0.0012 transport  LNG dieseloil:35.227 0.53 0.006 total  SNG  PNG  LNG 7.9207 2.964 1.859 0.0225 0.035 0.021 3 分 析 由表1可知,建设阶段是煤制天然气主要的环 境排放阶段,生产阶段次之,煤的开采阶段产生的 CO2 排放量和SO2 排放量都远小于生产阶段。俄 罗斯进口PNG建设阶段管道建设所消耗的钢材的 生命周期排放是俄罗斯进口PNG方案主要的环境 排放。澳大利亚进口LNG建设阶段造船用材料的 生命周期排放是澳大利亚进口LNG方案生命周期 主要的环境排放阶段,进口LNG的运输阶段产生 的环境排放次之。 煤制天然气的副产品 CO2 可以用在油田以 增加产油量,但即使不考虑这部分的CO2 排放, 煤制天然气方案仍旧在3种方案中具有最高的 CO2 排放量和SO2 排放量。为了减少成本,煤 制天然气项目一般都建设在产煤区域附近,每 生产1t原煤产生3.5t矿井水,处理费用约每吨 1.12元,0.6t洗煤水,处理 费 用 约 每 吨0.8 元。每生产1t原煤产生煤矸石130kg,每百万 吨煤矸石占地3公顷,导致土地损失及地下水 的污染。每万吨煤的生产引起的地表塌陷 面积为4公顷,处理每吨原煤引起的地表塌陷 的费用约为0.3元。因此,产煤区域一般也都 是生态环境相对脆弱的区域,在产煤区域再发 展大规模的煤制天然气项目必定会加重产煤地 区的环境压力。 此外,值得注意的是,煤制天然气整个生命周 期内的CO2 排放和SO2 排放都发生在国内,而澳 大利亚进口LNG项目中,生产阶段中冷却天然气 所消耗的能源和因此而产生的环境排放都发生在环 境承受能力远远优于中国的澳大利亚,冷能的回收 利用却发生在国内。 从热力学第二定律角度,用一种能源制备 另一种能源势必要产生额外的能量耗散。不考 虑天然气的使用环节时,煤制天然气项目生命 周期的热能的转换率仅有35%,与燃煤火力发 电的能源利用效率相当,如果考虑煤制天然气 的再次燃烧利用所产生的能量耗散,则可以断 定煤制天然气产业链的能源效率不如燃煤火力 发电。 4 煤制天然气项目的经济竞争力分析 煤制天然气可以利用热值低的褐煤,但近来褐 煤的价格上升较快,煤制天然气的经济性也受到较 大的挑战。假如煤制天然气方案的投资费用为 0.188元·m-3,蒸汽价格120元·t-1,电价0.61 元·(kW·h)-1,硫磺700元·t-1,副产CO2 售 价75元·t-1,其他费用0.35元·m-3 (包括副产 CO2 的封存费用),不考虑副产CO2 排放 (封存), 表2给出了煤制天然气方案项目在碳价分别为0和 100元·t-1两种情况下,不同的褐煤价格所对应 的产品 (天然气)的出清 (零利润)价格。 ·73· 增刊   王小伍等:液化天然气、管道天然气与煤制天然气的比较分析 表2 煤制天然气方案项目出清 (零利润)价格 犜犪犫犾犲2 犆犾犲犪狉狆狉犻犮犲狅犳犛犖犌狆狉狅犼犲犮狋 Coalprice /CNY·t-1 Carbonprice (0CNY·t-1) Carbonprice (100CNY·t-1) 100 1.36 1.72 150 1.69 2.05 200 2.02 2.38 250 2.35 2.71 300 2.68 3.04 350 3.01 3.37 从表2可以看出,褐煤的价格波动对产品的定 价影响很大。在碳价为0的情况下,褐煤价格为100 元·t-1时,天然气出清价格为1.36元·m-3,而当 褐煤价格为350元·t-1时,天然气出清价格为3.01 元·m-3,上升了一倍多。在碳价为100元·t-1的 情况下,褐煤价格为100元·t-1时,天然气出清价 格为1.72元·m-3,而当褐煤价格为350元·t-1时, 天然气出清价格为3.37元·m-3,上升了96%。 但是,2007年8月国家发展和改革委员会宣布 天然气提价0.5元·m-3后,北京民用天然气价格 才1.5元·m-3左右,因此表2各情况下的煤制天然 气的出清价格均已超过了北京现有天然气价格。另 外,目前西气东输一线到上海的门站价为1.4元· m-3,据估计中亚天然气的口岸价约1.7~1.8元· m-3,如果以此基准推算,加上长途管道运输,俄 罗斯进口PNG到北京的价格不会超过3元·m-3。 在目前的人民币对美元的汇率下,新签订的 LNG长期折合人民币的到岸价可能会维持在 7.21~9.11$·GJ-1之间,即天然气价在1.9~ 2.4元·m-3之间。加上船运和LNG接受站线的 汽化、管输等费用,一般会再增加0.5元·m-3左 右。再加上LNG公司的利润0.1元·m-3,门站 价在2.5~3.0元·m-3左右。考虑运费和站线建 设、运营成本以及LNG汽化时冷能的利用程度, 这个费用还有0.1元·m-3以上的降低空间,即门 站价有可能维持在2.4~2.9元·m-3左右。如果 国际油价像今年初那样走低,那么LNG 合同价还 会低到6.64$·GJ-1以下。由此可见,与俄罗斯 进口PNG和澳大利亚进口LNG项目相比较,随 着褐煤价格的上涨,煤制天然气项目的经济性将受 到较大的挑战。 5 结 论 (1)3种方案中,煤制天然气的CO2 等环境排 放最高,而且煤制天然气的环境排放都发生在国内 环境承载力比较弱的产煤地区。因此,在山西北部 生产煤制天然气,然后将天然气输往北京使用的煤 制天然气方案虽然减少了北京的燃煤排放,但加重 了山西的环境排放,是一种以邻为壑的不科学的发 展模式。 (2)煤制天然气生命周期热能的转换率不高, 因此,虽然煤制天然气可以使用褐煤这种低质能 源,但能源效率的低下加重了环境的代价。煤制天 然气对原材料价格的承受能力低下,近来褐煤价格 上涨较快,随着褐煤价格的上涨,煤制天然气项目 的经济性将受到较大的挑战。 (3)由于不同区域的环境容量不同,同样数量 的排放物在环境容量大的区域造成的损失远远小于 在环境容量小的区域造成的损失。煤制天然气整个 生命周期内的CO2 排放和SO2 排放都发生在国内, 生产过程中产生的环境排放更是发生在环境相对脆 弱的产煤地区,造成的损失最大。澳大利亚进口 LNG项目中,生产阶段中冷却天然气所消耗的能 源和因此而产生的环境排放都发生在人均能源量 高、环境承受能力又远远优于中国的澳大利亚,冷 能的回收利用却发生在中国国内,经济效益也优于 煤制天然气项目,因此,从澳大利亚进口LNG不 但缓解了我国的能源压力,环境排放所造成的损失 也最小。同样的优势也适用于俄罗斯进口天然气 项目。 犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊 [1] PanLiansheng (潘连生),ZhangRuihe (张瑞和),Zhu Zenghui(朱曾惠).Someideasaboutthedevelopmentofthe coalbasedchemicalproductsfor energy application.犆狅犪犾 犆犺犲犿犻犮犪犾犐狀犱狌狊狋狉狔 (煤化工),2008 (2):16 [2] Wang Minghua (王明华),LiZheng (李政),MaLinwei (麻林巍).Technicalandeconomicanalysisonpitheadcoalto substitutenaturalgassystem anditsdevelopingroutein China.犕狅犱犲狉狀犆犺犲犿犻犮犪犾犐狀犱狌狊狋狉狔 (现代化工),2008,28: 1316 [3] LiDashang (李大尚).Competitionanalysisforcoalbased syntheticnaturalgas.犆狅犪犾犆犺犲犿犻犮犪犾犐狀犱狌狊狋狉狔 (煤 化 工), 2007 (6):17 [4] WangLiping (王莉萍),ZhangYongfa (张永发).Thebasic researchoncoal methaneanditstechnologicaldevelopment. 犛犺犪狀狓犻犈狀犲狉犵狔犪狀犱犆狅狀狊犲狉狏犪狋犻狅狀 (山西能源与节能),2009 (1):5155 [5] LiuJingyao (刘敬尧),QianYu (钱宇),LiXiuxi(李秀 喜),HuangZhixian (黄智贤).Lifecycleassessmentofcoal firedpowergenerationanditsalternatives.犑狅狌狉狀犪犾狅犳犆犺犻狀犪 犆狅犪犾犛狅犮犻犲狋狔 (煤炭学报),2009 (1):133138 ·83· 化   工   学   报   第60卷 
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