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煤制取天然气全生命周期评价分析 * 唐玉婷1马晓茜1廖艳芬1马赟2赖志燚1 1. 华南理工大学能源高效清洁利用广东普通高校重点实验室， 广州 510640; 2. 华南师范大学国际预科中心， 广州 510631 摘要 利用全生命周期评价 LCA 方法， 对某日产 1 200 万 m3煤制天然气 SNG 项目进行分析， 计算出每生产 1 000 m3天然气需消耗 2 435. 71 kg 标煤， 34. 44 kg 油和 0. 62 kg 天然气， 总资源耗竭系数 26. 34 mPＲ90， 总环境影响潜 值为 1. 96 PET2010。此项目整个生命周期对全球变暖的影响最大， 对粉尘的影响最小， 说明 SNG 项目对局地性的环境 影响相对全球性和区域性较小。 关键词 煤制取天然气; 生命周期分析; 资源耗竭系数; 环境影响潜值 DOI 10. 7617/j. issn. 1000 －8942. 2013. 05. 032 LIFE CYCLE ASSESSMENT ON PＲODUCING SYNTHETIC NATUＲAL GAS FＲOM COAL Tang Yuting1Ma Xiaoqian1Liao Yanfen1Ma Yun2Lai Zhiyi1 1. Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization of Guangdong Higher Education Institutes，South China University of Technology，Guangzhou 510640， China; 2. U- link College of International Culture， South China Normal University，Guangzhou 510631， China AbstractA SNG project with a capacity of 1. 2 107Nm3of nature gas per day was analyzed using life cycle assessment LCA ． The results show that 2 435. 71 kg standard coal， 34. 44 kg oil and 0. 62 kg natural gas are consumed to produce 1 000 Nm3natural gas． The resource consumption coefficient and the weighted environmental potentials for production of 1 000 Nm3 natural gas are 26. 34 mPＲ90and 1. 96 PET2010． The life cycle of SNG project rted the most influence on global warming and has the smallest influence on dust． SNG affected local environment less than global and regional environment． Keywordssynthetic natural gas;life cycle assessment;resource consumption coefficient;weighted environmental potentials * 华南理工大学能源高效清洁利用广东普通高校重点实验项目 KLB10004 。 0引言 与煤炭相比， 天然气是更理想的清洁能源。充分 利用国内的低热值褐煤、 禁采的高硫煤或地处偏远运 输成本高的煤炭资源， 建设煤制天然气项目是一个很 好的煤炭利用途径 ［1 ］。根据国家发改委组织起草的 煤炭深加工示范项目规划 的要求， 规划到 2015 年， 基本掌握年产 13 亿 ～ 20 亿 m3煤制合成天然气 SNG 的大规模成套技术 ［2 ］。 全生命周期评价的方法已被广泛应用于各行 业 ［3- 5 ］， 全面评价分析 SNG 项目， 将能为 SNG 项目提 供客观的评价和建议。付子航 ［6 ］对 SNG、 煤层气、 LPG、 NPG 等进行了横向对比， 然而其研究重点集中 在全球变暖影响， 对资源耗竭、 酸化、 富营养化等未讨 论。本论文以某 SNG 项目为依托， 采用全生命周期 分析的方法对 SNG 项目进行综合评价。 1研究对象与系统边界 1. 1研究对象 本文选取了某日产 1 200 万 m3煤制天然气项目 为研究对象， 煤转气的工艺采用的是成熟的蒸汽氧气 气化法。此项目总共运行 25 年， 每年运行 333 d， 年 产气量为 399 600 万 m3。 1. 2功能单位 以系统每产生 1 000 m3天然气所造成的环境影 响进行计算和分析， 即该系统的功能单元为1 000 m3 天然气。 1. 3全生命周期评价边界 SNG 项目的系统边界如图 1 所示， 包括 3 个序 列 1 厂房生命周期， 包括建材开采加工、 建材运输、 厂房建设和厂房退役解体 4 个阶段; 2 燃料生命周 期， 包括煤炭开采、 煤炭洗选， 煤炭运输、 煤转气 4 个 931 环境工程 2013 年 10 月第 31 卷第 5 期 阶段; 3 管道生命周期， 包括管材生产加工、 管材运 输、 管道建设和管道运输天然气 4 个阶段。 图 1 SNG 项目全生命周期评价边界 Fig． 1LCA boundary of a SNG project 由于生命周期中涉及的阶段和过程较多， 本系统 在建立评价模型时做以下假设与简化 1建材、 管材的运输方式以公路为主， 运输工具 为大型货车， 平均运输距离以我国 2007 年高速公路 上货车的平均行驶里程进行估算， 为 171. 31 km［7 ］。 2设定铁路、 水运、 公路的煤炭运输比例为 60、 25、 15。铁路运输距离以大秦铁路平均运 输距离进行估算为 524 km［8 ］。水运以秦皇岛货船海 运至广州的距离进行估算， 为 2 452 km［9 ］。 3大型货车、 铁路、 轮船和管道四种运输方式的 单位能耗与排放参见文献［ 10- 11］ 。 4煤炭在装卸和运输过程中的损失比例设为中 国煤科院估计的上限 1， 煤炭运输量为采煤量的 60［12 ］。 5忽略对计算分析结果影响较小的因素和过程。 2清单分析 2. 1SNG 项目建设、 建材运输 此 SNG 项目建设所耗费的建材数量见表 1。 表 1某 SNG 项目建设的主要建材需求量 Table 1The acount of main building materials for a SNG projectt 钢铝铁水泥铜 1 833. 8119 371. 8755. 51 345. 021 993. 4 2. 2天然气管道建设与管材的运输 由于天然气管道工程建造过程缺乏数据， 该过程 只考虑钢材生产和运输的影响。建造阶段总能耗由 钢材消耗量， 钢材在开采、 加工、 运输中的单位能耗计 算得 到。我 国 天 然 气 管 道 每 公 里 需 消 耗 钢 量 500. 34 t［13 ］， 此管线全长 448 km。 2. 3煤炭开采、 加工与运输 煤炭开采阶段需要消耗煤、 钢材、 木材、 汽油、 柴 油、 电， 各资源消耗情况参见文献［ 14］ 。而本文的煤炭 加工采用跳汰选煤方式， 主要能耗是机器消耗的电力。 根据2011 年全国平均水平， 洗选 1 t 煤的电力单耗为 6. 52 kW h［ 15 ］， 折合标煤为 2. 1842 kg。在煤炭开采和 洗选过程会释放出煤层中的一些吸附气体， 主要包括 矿井瓦斯 CH4 和 CO2。据国家发改委替代能源项目 组近年来的统计数据， 中国煤矿平均每开采 1 t 煤， 大 约排放 CH47 ～8 m3， CO26 m3 标准状况下 ［ 16 ］。 2. 4煤转气加工 煤转合成天然气过程所耗原料煤和燃料煤均为胜 利东二号褐煤， 收到基低位发热量为 14. 4 MJ/kg。其 中原料煤耗量为 1 423. 80 万 t/a， 即42 714. 00 t/d; 燃 料煤耗量为402. 144 万 t/a， 即 12 064. 32 t/d。该项目 综合能耗为 65. 73 GJ/103m3天然气。考虑了此过程 产 生 的 焦 油、石 脑 油 等 副 产 物，总 能 耗 为 59. 307 GJ/103m3， 折合成标煤为2. 248 kg/103m3。 根据该项目的环评报告， 该项目 SO2排放为 11 480 t/a， 烟尘排放为 1 307. 0 t/a。而所排放的 CO2 通过根据吨标煤 CO2排放系数和标煤消耗进行计算。 根据国家发改委能源研究所推荐值， 吨标煤 CO2排放 系数为2. 4567 t/t［ 16 ］。由于我国 SNG 项目较少， 暂时 缺乏 CH4、 NOx、 CO、 VOC 和 N2O 排放的统计数据， CH4、 NOx、 CO、 VOC 和 N2O 的排放则通过我国燃煤工 业锅炉平均排放因子进行估算， 其中 CH4的排放因子 为4. 220 g/GJ， CO 的排放因子为101. 393 g/GJ， VOC 的排放因子为3. 165g/GJ， N2O 的排放因子为 1. 055 g/ GJ， NOX的排放因子为211. 015 g/GJ ［ 10 ］， 由于标煤的低 位热值为26 377 kJ/kg， 若折算成“吨标煤” 的排放， 则 CH4的排放因子为 0. 1113 kg/t， CO 的排放因子为 1. 1438 kg/t， VOC 的排放因子为 0. 08348 kg/t， N2O 的 排放因子为0.0834 kg/t， NOX的排放因子为5.5659 kg/t。 2. 5项目退役 SNG 项目退役发生在第 25 年， 由于电厂拆除和 废弃物再循环过程数据缺乏， 退役阶段只考虑建材废 弃物运输的影响。 2. 6合计 SNG 项目各阶段的能耗与排放见表 2， 其中天然 气密度取 0. 7174 kg/m3。 041 环境工程 2013 年 10 月第 31 卷第 5 期 表 2SNG 项目各阶段的能耗与排放 以 1 000 m3 干天然气计 Table 2Energy consumption and emission of each stage of SNG projects 项目 能耗/kg 天然气标煤油 排放/kg CO2CH4NOxSO2 粉尘COVOC N2O 电厂建设7. 43 10 －8 2. 29 10 －1 8. 15 10 －3 4. 87 10 －1 2. 13 10 －4 1. 12 10 －3 2. 81 10 －3 1. 15 10 －2 1. 45 10 －4 2. 33 10 －5 8. 58 10 －7 建材运输03. 12 10 －3 3. 12 10 －3 9. 52 10 －3 2. 67 10 －7 6. 30 10 －5 3. 02 10 －6 1. 29 10 －6 3. 07 10 －5 5. 78 10 －6 3. 44 10 －7 天然气管道建设03. 421. 09 10 －1 5. 472. 02 10 －5 1. 18 10 －2 1. 33 10 －2 2. 10 10 －1 1. 82 10 －3 4. 01 10 －4 9. 07 10 －6 天然气管道所用钢材运输002. 03 10 －2 9. 41 10 －2 4. 88 10 －6 2. 84 10 －3 1. 60 10 －3 9. 26 10 －5 4. 39 10 －4 9. 90 10 －5 2. 13 10 －6 煤炭开采加工01. 64 1025. 765. 13 1024. 13 103. 413. 611. 634. 72 10 －1 2. 05 10 －2 5. 00 10 －3 煤炭运输02. 24 102. 85 101. 51 1025. 28 10 －3 2. 881. 722. 19 10 －1 4. 71 10 －1 9. 41 10 －2 3. 12 10 －3 煤转气阶段02. 25 10305. 52 1032. 50 10 －1 1. 25 102. 873. 27 10－12. 571. 88 10－16. 26 10－2 天然气管道运输6. 23 10 －1 1. 1604. 162. 32 10－27. 58 10－21. 96 10－58. 19 10－42. 68 10－21. 62 10－21. 41 10－4 SNG 项目退役 003. 12 10－39. 52 10－32. 67 10－76. 30 10－53. 02 10－61. 29 10－63. 07 10－55. 78 10－63. 44 10－7 总计6. 23 10 －1 2. 44 1033. 44 106. 19 1034. 15 101. 89 108. 202. 173. 543. 19 10 －1 7. 08 10 －2 3生命周期评价 3. 1生命周期评价方法 本文所考虑的影响类别见表 3。各种气体污染 物带来不同环境影响的贡献度是基于中国科学院生 态环境研究中心提出的方法［17 ］， 此方法基于 SETAC 和 ISO 框架， 并根据中国国情进行了一定的修订［18 ］。 表 3 SNG 项目生命周期影响类型 Table 3Type of LCA impacts of SNG projects 资源耗竭能源耗竭全球性 环境 影响 潜值 粉尘 DU 局地性 全球变暖 GW 全球性 酸化 AC 地区性 富营养化 NE 地区性 光化学臭氧合成 PO地区性 3. 2资源耗竭系统 采用资源消耗基准图进行标准化， 得出煤、 油和 天然气资源消耗潜值见表 4。反映了 SNG 项目产 1 000 m3干天然气所耗资源占人均资源消耗量的比 重 以 90 年为基准 。 表 4SNG 项目产 1 000 m3 干天然气的一次能源消耗情况 Table 4Energy consumption of producing 1 000 m3dry gas of SNG project 总消耗量/ kg 标准化后的资源 消耗/mPEw90 可供应 期/a 加权后的资源 消耗/mPＲ90 标准煤2 435. 724 243. 4117024. 96 油34. 4458. 18431. 35 天然气0. 6221. 63600. 03 总计26. 34 标准化后的资源消耗中煤为主要部分， 占 98. 6以上。标准化后的资源消耗仅仅反映各种资 源消耗的相对大小， 并没有反映该资源的稀缺性。因 此进一步采用进行加权分析， 计算资源耗竭系数。考 虑了资源的稀缺性后， 煤的消耗比重为 94. 8以上。 3. 3环境影响潜值 SNG 项目产 1 000 m3干天然气的各影响潜值见 表 5。 表 5SNG 项目产 1000 m3 干天然气的影响潜值 Table 5The environmental potentials of producing 1 000 m3dry gas by SNG project 影响 类型 效应当量 因子 影响潜值/ kg 全球变暖 GWCO21 6 191. 78 CO27. 08 CH4251 038. 66 小计 折合为 CO2 7 237. 52 酸化 ACSO2 18. 20 NOX0. 713. 21 NH31. 880 小计 折合为 SO2 21. 41 富营养化 NENOX 1. 3525. 48 NH33. 640 小计 折合为 PO4 25. 48 光化学臭氧 POCO0. 03 0. 11 VOC0. 60. 19 CH40. 0070. 29 小计 折合为 C2H4 0. 59 Soot and ashes SAPM1012. 17 由 SNG 项目整个生命周期过程的环境影响潜 值除以相应的标准人当量基准， 可得标准化后的环 境影响潜值。再对以上标准化后的环境影响潜值 进行加权评估，并计算出其总环境影响负荷。结果 见表 6。 SNG 项目产 1 000 m3干天然气的各加权影响潜 值见图 2。 141 环境工程 2013 年 10 月第 31 卷第 5 期 表6SNG 项目产1 000 m3 干天然气加权后的总影响潜值 Table 6The weighted total environmental potentials of producing 1 000 m3dry gas by SNG project 影响类型影响潜值标准化基准权重因子加权后影响潜值/PET2010 全球变暖 GW7. 24 103kg CO28 700 kg/ 人 a CO2 0. 830. 690 酸化 AC2. 14 kg SO2 36 kg/ 人 a SO20. 730. 434 富营养 NE2. 55 kg PO461 kg/ 人 a PO4 0. 730. 305 光化学臭氧合成 PO0. 588 kg C2H40. 65 kg/ 人 a C2H4 0. 510. 462 粉灰 DU2. 17 kg 18 kg/ 人 a0. 610. 737 合计1. 96 图 2SNG 项目各加权影响潜值图 以 1 000 m3 干天然气计 Fig．2The diagram of each weighted environmental potential of SNG project based on per 1 000 m3dry gas 由图 2 可见 SNG 项目对全球变暖的影响最大， 对光化学臭氧合成的影响次之， 对酸化和富营养化的 影响也不可忽略， 而对粉尘的影响最小， 说明 SNG 项 目对当地的环境影响相对全球性和区域性较小。而 从表 5 可知， SNG 项目对全球变暖的影响主要是大量 排放二氧化碳， 而整个生命周期中的二氧化碳排放主 要来源是煤转合成天然气这一个环节， 占整个生命周 期二氧化碳排放量 89. 2。 4结论 某日产 1 200 万 m3煤制天然气项目每生产 1 000 m3天然气需消耗 2 435. 71 kg 标煤， 34. 44 kg 油 和0. 62 kg 天然气， 总资源耗竭系数 26. 34 mPＲ90。每 生产1 000 m3天然气总环境影响潜值为1. 96 PET2010。 此项目整个生命周期对全球变暖的影响最大， 对粉尘 的影响最小， 说明 SNG 项目对局地性的环境影响相对 全球性和区域性较小。SNG 项目整个生命周期中的二 氧化碳排放主要来源是煤转合成天然气这一个环节， 占整个生命周期二氧化碳排放量89. 2。若能将煤转 合成天然气这一环节所产生的 CO2进行回收利用， 则 能有效减小 SNG 项目对环境的不利影响。 参考文献 ［1］伍桂松． 煤制天然气产业发展的几点思考［J］． 现代化工， 2010， 30 7 1- 8． ［2］国家发改委和能源局， 工信部． 煤炭深加工示范项目规划 ［ Ｒ］ ． 北京， 2012． ［3］买帅，王兴润，马丽娜，等． 印染污泥无害化处置优化研究及 生命周期评价［J］ ． 环境工程， 2011， 29 2 119- 122． ［4］陈冰，刘晶昊，邸达． 生活垃圾综合处理模式生命周期评价 ［ J］ ． 环境工程， 2011， 29 1 102- 106． ［5］王震，孙德智，高明． 废聚苯乙烯塑料共焦化过程的生命周期 评价［J］． 环境工程， 2010， 28 5 102- 106． ［6］付子航． 煤制天然气碳排放全生命周期分析及横向比较［J］． 天然气工业， 2010 9 100- 104． ［7］杨铭，秦华容． 公路货运平均运距分析与实证研究［J］ ． 物流 技术， 2009， 28 6 22- 25． ［8］安信证券． 大秦铁路 运距仍有上升趋势［EB/OL］． 2008- 01- 02. http / /finance. sina. com. cn/stock/e/20080102/09371900476. shtml． ［9］刘敬尧，钱宇，李秀喜，等． 燃煤及其替代发电方案的生命周 期评价［ J］ ． 煤炭学报， 2009， 34 1 133- 138． ［ 10］朱祺． 生物柴油的生命周期能源消耗、 环境排放与经济性研究 ［ D］ ． 上海 上海交通大学， 2008． ［ 11］Liao Yanfen，Huang Zehao，Ma Xiaoqian． Energy analysis and environmental impacts of 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