散煤采暖清洁化替代方式的生命周期清单分析

武娟妮,程 亮,逯元堂,宋玲玲 (环境保护部环境规划院,北京 100012)

采暖期是我国北方地区雾霾的高发期,以京津冀区域为例,2016年供暖期的 PM2.5浓度是非供暖期的2.4倍,仅12月份就发生了5次大范围空气重污染过程[1].采暖用散煤因其”数量众多,分布广泛,低空排放,无治理设施”[2],逐渐被公认为造成北方冬季雾霾的重要原因[3-5].2017年5月,财政部出台了《关于开展中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点工作的通知》,支持试点城市推进清洁方式取暖替代散煤燃烧取暖,并同步开展既有建筑节能改造,实现试点地区散烧煤供暖全部“销号”和清洁替代,形成示范带动效应.

目前大部分文献中对清洁取暖的污染物减排效果未在同一供暖量下比较,而是直接以燃烧1t电煤与燃烧1t散煤进行对比.事实上,由于能源转换和输送过程的损耗,燃烧1t电煤产生的电能不足以替代1t散煤.文献[6]在同一供暖量下进行了对比,但未从系统生命周期的角度分析,并且选择的供暖方式较少,未覆盖目前的主要形式.散煤采暖的清洁化替代不仅是散煤的使用量减少,更带动了上下游能源供应链的变化,所以应从能源生命周期的角度进行比较.

本文基于生命周期的角度,在相同供热量的基准下,对“电代煤”,“气代煤”,“洁净型煤替代”等主要替代方式的大气污染物排放和能效进行比较,从而为散煤采暖清洁化替代试点工作提供参考.

1 中国北方居民采暖散煤使用情况

由于散煤销售渠道分散,统计难度大,《中国能源统计年鉴》的统计口径低于实际量[3].文献[7]采用入户调研的户均散煤消费量计算得出了农村生活用煤量,城镇生活用煤量仍采用《中国能源统计年鉴》的数据,最终得出了2014年全国各省(市)的农村和城镇生活散煤用量.据统计,京津冀农村和城镇居民生活用散煤主要用于采暖和炊事等,其中采暖用煤占 90%以上[8].本文采用上述散煤用量和采暖用煤占比数据,计算我国北方各省的采暖用散煤量,得出中国北方采暖用散煤约 1.54亿 t,主要分布在河北,山西,河南,陕西,黑龙江,内蒙古和山东,如图1所示.

图1 中国北方各省居民采暖散煤用量(2014年)Fig.1 Scattered coal consumption of residential heating in China’s northern provinces in 2014

2 散煤采暖清洁化替代生命周期系统界定

2.1 研究对象和功能单位

生命周期评价(LCA)是用于评估产品在其整个生命周期中,即从原材料的获取,产品的生产直至产品使用后的处置,对环境影响的技术和方法,包含目标与范围的确定,生命周期清单分析,生命周期影响评价和生命周期解释等 4 个部分[9],广泛应用于能源的环境影响相关研究[10-12],本文主要开展前两个部分的研究.本文研究对象为散煤采暖,电采暖,气采暖,洁净型煤采暖以及集中供暖等目前主要采暖形式.对于散煤采暖,低变质烟煤由于价格低,易点燃,好烧,在民用散煤中占有较大的比重[13],所以本文以烟煤作为研究对象.对于电采暖,采用传统的电锅炉和近年来比较热门的低温空气源热泵作为研究对象,低温空气源热泵以空气能和电能转化为热能,制热性能系数更高.气采暖以燃气壁挂炉作为研究对象.对于洁净型煤,本文的研究对象为无烟煤和部分添加剂加工而成的煤球,挥发分含量相对于散煤来说较少,故而燃烧过程污染物排放较少.集中供暖以燃煤热电联产和燃气锅炉为研究对象.本文以1m2房子每日供热量为基准,结合文献[14-15]和笔者的实地调研情况,就目前未进行保温改造的民居,4个月供暖期内的单位面积供暖负荷约为90kWh/m2,折合 0.75kWh/(m2⋅d).

2.2 系统边界

各种采暖方式的生命周期评价系统边界如图 2所示.散煤采暖包括煤炭开采,运输,燃烧 3个环节.电锅炉和低温空气源热泵的生命周期系统是相同的,包括煤炭开采,煤炭运输,燃煤发电,电力输送和电力使用 5个环节.热电联产集中供热包括煤炭开采,煤炭运输,热电联产和热力输配4个环节,由于热电联产会产生电和热两种产品,故而其原料消耗和污染物排放根据产品的产量和热值进行分配.洁净型煤采暖包括煤炭开采,煤炭运输,洁净型煤生产和型煤燃烧4个环节.燃气壁挂炉采暖包括天然气开采,天然气输送和天然气燃烧3个环节.燃气锅炉集中供暖包括天然气开采,天然气输送,天然气燃烧和热力输配4个环节.

本文的目的是比较不同采暖方式的生命周期大气污染物排放和能效,故而对系统的输入主要考虑能源投入,系统的输出主要考虑大气污染物排放.大气污染物选择与雾霾相关的 SO2,NOx,PM10和 PM2.5.系统输入的除煤炭和天然气以外的能源中,仅电力追溯其上游产业链的能源消耗和污染物排放,其余能源(如柴油、燃料油等)用量较小,不再对其上游产业链进行追溯.此外,产品生产,运输,使用等环节涉及的设备服役时间长,其生产过程的能源消耗和污染物排放折算到本文功能单位下可以忽略不计

图2 散煤采暖和清洁采暖的生命周期系统边界Fig.2 Life cycle system boundary of scattered coal heating and clean heating

2.3 清单和参数

2.3.1 污染物排放和能效计算方法 污染物排放量包括因本环节能源使用产生的直接排放和对该能源生命周期进行追溯产生的间接排放,本文中间接排放仅考虑电力.系统能效为系统最终提供的有效热能占生命周期投入能量总和的比重.计算所需的参数主要来自公开发表文献,部分为实地调研数据.

式中:Ei为该环节污染物i的总排放量,kg; Ei直接为该环节直接的污染物i排放量,kg; Ei间接为对该环节所用电力进行生命周期追溯产生的污染物i排放量,kg; Mj为该环节能源j的使用量,kg(或m3);eji为单位能源j的污染物i排放量,kg/kg(或m3); P为该环节用电量,kWh; epi为单位电力生命周期污染物i排放量,kg/kWh.

式中:η为系统能效;W为单位面积每日供暖负荷,取 0.75kWh/(m2⋅d); Nj为单位供热面积下,系统生命周期每日对一次能源 j的使用量,kg(或 m3)/(m2⋅d); wj为一次能源 j的低位发热量 kJ/kg(或m3).

2.3.2 散煤采暖(烟煤)清单 1t烟煤的生命周期各环节的能源输入,产品及大气污染物排放量如表1所示.我国煤炭运输主要依靠铁路,目前我国电力机车占58.1%,其余为柴油动力[16];电力机车电耗约 1.024kWh/(100t⋅km),内燃机车油耗约0.264kg/(100t⋅km)[17].散煤的生产和消费均在北方地区,故煤炭运输距离以陕西神木到石家庄为例,约 510km.

2.3.3 电采暖清单 电采暖以电力作为能源物质,用户端的 1kWh电力的生命周期各环节的能源输入,产品及大气污染物排放如表2所示.煤炭生产环节的参数选取与散煤采暖相同.电煤的运输距离取我国煤炭平均运输距离,约700km.供电能耗取国家能源局发布的2015年全国供电能耗315(g标煤/kWh)[23].燃煤发电的单位煤耗量SO2和 NOx排放量根据一般火电厂排放限值推算[6],PM10和PM2.5分别根据环保部发布的《大气可吸入颗粒物一次源排放清单编织技术指南(试行)》[24]和《大气细颗粒物一次源排放清单编织技术指南(试行)》[25]计算,煤炭灰分取 25%.输电损失取国家能源局发布的2015年全国线路损失率6.6%[23].

表1 1t烟煤的生命周期清单Table 1 Life cycle inventory of 1t bituminous coal

2.3.4 燃煤热电联产集中供热清单 热电联产集中供暖向用户直接提供热能.用户端 1GJ热能的生命周期各环节的能源输入,产品及大气污染物排放如表 3所示.煤炭生产和运输环节的参数选取与散煤采暖相同.供热煤耗取39.3(kg标煤/GJ),热力输配管网效率取 99%[26].热电联产环节的污染物排放系数与燃煤发电取相同值.

表2 1kWh电的生命周期清单Table 2 Life cycle inventory of 1kWh electricity

表3 1GJ燃煤热电联产热能的生命周期清单Table 3 Life cycle inventory of 1GJ heat from cogeneration central heating

2.3.5 洁净型煤采暖清单 1t洁净型煤的生命周期各环节的能源输入,产品及大气污染物排放量如表 4所示.煤炭生产和运输环节的参数选取与散煤采暖相同.参考某型煤厂的可研报告,型煤生产环节,1t洁净型煤消耗无烟煤 0.974t, PM10排放0.04kg, PM2.5排放0.012kg.洁净型煤一般仅在本地生产和消费,故型煤的运输距离忽略不计.

表4 1t洁净型煤的生命周期清单Table 4 Life cycle inventory of 1t clean briquette

2.3.6 天然气采暖清单 用户端1000m3天然气的生命周期各环节的能源输入,产品及大气污染物排放量如表 5所示.我国天然气产区主要为西部地区,采用长距离管道输送,输送距离设为2000km.输送动力设为电力,能耗取 0.5568MJ/(1000m3·km)[27].由于输送距离较长,存在一定的损耗,本文取0.2%.各环节的SO2和NOx排放量根据《燃料燃烧排放大气污染物物料衡算办法(暂行)》[28].计算,PM10和PM2.5分别根据《大气可吸入颗粒物一次源排放清单编织技术指南(试行)》[24]和《大气细颗粒物一次源排放清单编织技术指南(试行)》[25]计算.

表5 1000m3天然气的生命周期清单Table 5 Life cycle inventory of 1000m3 natural gas

表6 1GJ燃气锅炉产生热能的生命周期清单Table 6 Life cycle inventory of 1GJ heat from gas boiler central heating

2.3.7 燃气锅炉集中供热清单 燃气锅炉产生1GJ热能的生命周期各环节的能源输入,产品及大气污染物排放量如表6所示.天然气开采,运输环节的参数取值以及各环节污染物排放参数取值与天然气采暖相同.热气锅炉效率取94%,管网效率取99%,得出供热气耗为30.23m3/GJ.

2.3.8 用户终端采暖设备能效 不同采暖方式在用户终端使用的设备不同,效率也不同,在供热负荷 0.75kWh/(m2⋅d)的前提下,各设备的能源使用量见表7.

表7 不同采暖方式用户端设备的能效和能源使用量Table 7 Energy efficiency and energy consumption of client devices using different heating methods

3 结果与讨论

3.1 清洁化采暖的生命周期污染物减排

图3 单位面积每日不同采暖方式的生命周期SO2排放量Fig.3 Life cycle SO2 emission of different heating methods for 1m2 housing area per day

不同采暖方式生命周期 SO2,NOx,PM10和一次PM2.5排放量分别如图3、图4、图5和图6所示.相比散煤采暖,电锅炉和洁净型煤 SO2减排率分别为57.91%和56.21%,热电联产集中供暖,低温空气源热泵,燃气壁挂炉和燃气锅炉的 SO2减排率可以达到 85%左右,分别为83.95%, 84.22%,86.56%和86.87%.在NOx方面,电锅炉仅下降了 19.63%,主要原因是在当前的燃煤发电大气污染物排放标准下,电煤与散煤相比,对 NOx的减排效果相对其它污染物较低.由表1和表2可见,1t电煤比1t散烧可减少80%的 SO2, 85%的 PM10和 95%的 PM2.5,但 NOx仅可减少 50%.洁净型煤,热电联产集中供暖和低温空气源热泵分别减排NOx约55.99%,69.68%和 69.86%.以天然气为热源的方式对 NOx减排率较高,燃气壁挂炉和燃气锅炉供暖的 NOx减排率分别达到83.87%和84.25%. 6种清洁采暖方式的 PM10减排率都较高,从高到低依次为燃气锅炉(99.31%),燃气壁挂炉(99.29%),低温空气源热泵(92.90%),热电联产集中供暖(92.78%),洁净型煤(92.75%)和电锅炉(81.06%).同样,一次PM2.5减排率也较高,从高到低依次为燃气锅炉(＞99.99%),燃气壁挂炉(99.66%),低温空气源热泵(97.56%),热电联产集中供暖(97.52%),洁净型煤(93.76%)和电锅炉(93.49%).

SO2和NOx是PM2.5的前体物,经过化学反应后,生成硫酸盐、硝酸盐、铵盐及有机颗粒物等,其中硫酸铵和硝酸铵是 PM2.5的主要成分[29].假设17.2%的SO2转换为硫酸铵,16.0%的NOx转换为硝酸铵[6],则燃气锅炉,燃气壁挂炉,低温空气源热泵,热电联产集中供暖,洁净型煤和电锅炉的PM2.5的减排率依次为98.74%, 98.40%, 95.99%,95.94%, 90.35%和89.31%,参见表8.

图4 单位面积每日不同采暖方式的生命周期NOx排放量Fig.4 Life cycle NOx emission of different heating methods for 1m2 housing area per day

综上,以天然气为热源的方式最为清洁,其次为低温空气源热泵和热电联产集中供热,最后为洁净型煤和电锅炉.根据2014年我国北方的采暖散煤用量,通过以上方式替代散煤采暖后,以4个月的采暖期计算,我国可实现SO2减排40～61万t, NOx减排 6～24万 t, PM10减排 170～208万 t,PM2.5减排164～181万t.

图5 单位面积每日不同采暖方式的生命周期PM10排放量Fig.5 Life cycle PM10 emission of different heating methods for 1m2 housing area per day

图6 单位面积每日不同采暖方式的生命周期一次PM2.5排放量Fig.6 Life cycle primary PM2.5 emission of different heating methods for 1m2 housing area per day

表8 不同采暖方式生命周期PM2.5排放量Table 8 Life cycle PM2.5 emission of different heating methods for heating 1m2 housing area per day

3.2 不同采暖方式的生命周期能耗和能效对比

几种采暖方式的生命周期能耗及能效参见图 7,电锅炉和散煤采暖的生命周期能耗量较高,分别为8.76和7.19MJ/(m2⋅d),所以能源利用效率最低,分别为30.82%和37.58%.其次为洁净型煤,燃气壁挂炉和燃气锅炉,能耗量分别为4.98, 4.32和 4.22MJ/(m2⋅d),能效分别为 54.17%,62.44%和63.92%.低温空气源热泵和热电联产集中供热的能耗量较低,分别为 3.29 和 3.34MJ/(m2⋅d),所以能效较高,分别为 82.18%和 80.74%.由于燃煤发电的能效较低,所以直接用电能加热的电锅炉能效较低,而低温空气源热泵利用空气能,可将电能做功放大 1.8～3.2倍(本文取2.4倍),提高了一次能源的利用效率,但需要指出的是,空气源热泵的应用范围受到气候条件的约束,室外温度低于其适用温度时,热泵的制热效率会急剧下降,从而影响系统生命周期能效以及污染物的减排效果.热电联产集中供热利用的是电厂发电余热,所以其能源利用效率要远高于单纯的发电.

图7 不同采暖方式的生命周期能耗和能效Fig.7 Life cycle energy consumption and energy efficiency of different heating modes

3.3 建筑保温改造的减排效果

中国农村,城乡结合部80%左右的农宅(北京约72%,天津约85%,河北约89%)[6]没有保温措施,热工性能差,热量散失严重,能耗高.降低建筑能耗[30].如对所有农宅完成保温改造,按 30%～40%的节能量计算,即使在燃烧散煤的情况下,以4个月采暖期计算,我国相比2014年可实现SO2减排17～23 万 t, NOx减排 7～9 万 t, PM10减排 50～67万t, PM2.5减排44～59t.

4 结论

4.1 从生命周期的角度,清洁采暖方式均可有效降低大气污染物排放,其中以天然气为热源的燃气锅炉集中供热和燃气壁挂炉最为清洁,相比散煤,可减排 SO2和 NOx85%左右,减排 PM10和PM2.599%左右;其次为低温空气源热泵和热电联产集中供热;洁净型煤和电锅炉减排率最低.

4.2 以4个月采暖期计算,通过北方地区清洁采暖替代散煤后,我国相比2014年可实现SO2减排40～61万t, NOx减排6～24万t, PM10减排170～208万t, PM2.5减排164～181万t.

4.3 从生命周期能效上看,低温空气源热泵(82.18%)和热电联产集中供热(80.74%)的能源利用效率最高,其次为燃气锅炉(63.92%),燃气壁挂炉(62.44%)和洁净型煤(54.17%).最后为散煤采暖(37.58%)和电锅炉(30.82%).

4.4 对农宅完成保温改造后,即使在燃烧散煤的情况下,在4个月采暖期内,我国相比2014年可实现SO2减排17～23万t, NOx减排7～9万t, PM10减排50～67万t, PM2.5减排44～59t.所以解决农村燃煤污染问题,改善建筑围护结构保温性能是重要的途径.

参考文献：

[1]环境保护部.环境保护部发布 2016年全国城市空气质量状况[EB/OL]. 北京:环境保护部, 2017[2017-01-23].http://www.mep.gov.cn/xxgk/hjyw/201701/t20170123_395142.shtml.

[2]钟连红,刘 晓,李志凯,等.北京居民生活用煤大气污染控制思路与对策 [J]. 环境保护, 2015,43(3):77-78.

[3]王春兰,许 诚,徐 钢,等.京津冀地区天然气和热泵替代燃煤供暖研究 [J]. 中国环境科学, 2017,37(11):4363-4370.

[4]赵文慧,姜 磊,张立坤,等.北京平原区平房冬季燃煤量及污染物排放估算 [J]. 中国环境科学, 2017,37(3):859-867.

[5]贺晋瑜,燕 丽,雷 宇,等.京津冀地区燃煤锅炉PM2.5减排潜力分析 [J]. 中国环境科学, 2017,37(4):1247-1253.

[6]徐 钢,王春兰,许 诚,等.京津冀地区散烧煤与电采暖大气污染物排放评估 [J]. 环境科学研究, 2016,29(12):1735-1742.

[7]霍沫霖,赵 佳,徐 朝,等.中国散烧煤消费地图及影响因素研究 [J]. 中国电力, 2017,50(1):1-8.

[8]柴发合,薛志钢,支国瑞,等.农村居民散煤燃烧污染综合治理对策 [J]. 环境保护, 2016,44(6):49-50.

[9]ISO 14040-1997. Environmental management-Life cycle assessment-Principles and framework [S].

[10]Dubreuil A. Inventory for energy production in Canada [J].International Journal of Life Cycle Assessment, 2001,6(5):281-284.

[11]Babbitt C W, Lindner A S. A life cycle inventory of coal used for electricity production in Florida [J]. Journal of Cleaner Production, 2005,13(9):903-912.

[12]Ou X, Zhang X, Chang S. Alternative fuel buses currently in use in China: Life-cycle fossil energy use, GHG emissions and policy recommendations [J]. Energy Policy, 2010,38(1):406-418.

[13]麦方代,王东升,刘明锐,等.京津冀地区洁净型煤使用现状及建议 [J]. 环境保护, 2016,44(6):25-27.

[14]孟山青,刘 靖,袁 涛,等.基于 DeST 的忻州市某农村住宅节能改造分析 [J]. 建筑技术开发, 2016,43(4):66-68.

[15]叶建东,章永洁,蒋建云,等.农村型煤替代散煤采暖对比分析[J]. 建筑节能, 2016,(11):102-103.

[16]国家铁道部.2016年铁道统计公报 [R]. 北京:国家铁道部,2016.

[17]丁 宁,杨建新.中国化石能源生命周期清单分析 [J]. 中国环境科学, 2015,35(5):1592-1600.

[18]袁宝荣,聂祚仁,狄向华,等.中国化石能源生产的生命周期清单(Ⅰ)——能源消耗与直接排放 [J]. 现代化工, 2006,26(3):59-62+64.

[19]王慧丽,雷 宇,陈潇君,等.京津冀燃煤工业和生活锅炉的技术分布与大气污染物排放特征 [J]. 环境科学研究, 2015,28(10):1510-1517.

[20]环境保护部.非道路移动源大气污染物排放清单编制技术指南(试行) [R]. 北京:环境保护部, 2014.

[21]环境保护部.民用煤大气污染排放清单编制技术指南(试行) [R].北京:环境保护部, 2016.

[22]雷 宇.散煤治理与大气污染防治 [J]. 化工管理, 2016,(31):33-34.

[23]国家能源局.国家能源局发布2015年全社会用电量［EB/OL］.北京:国家能源局, 2016[2016-01-15]. http://www.nea.gov.cn/2016-01/15/c_135013789.htm.

[24]环境保护部.大气可吸入颗粒物一次源排放清单编织技术指南(试行) [R]. 北京:环境保护部, 2014.

[25]环境保护部.大气细颗粒物一次源排放清单编织技术指南(试行) [R]. 北京:环境保护部, 2014.

[26]赵红右,付卫东,张杏静,等.热电联产项目供热煤耗计算探讨[J]. 能源与节能, 2017,(1):189-190.

[27]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, 2010,30(9):100-104.

[28]环境保护部.燃料燃烧排放大气污染物物料衡算办法(暂行) [Z].2003.

[29]Zhang Y, Huang W, Cai T, et al. Concentrations and chemical compositions of fine particles (PM2.5) during haze and non-haze days in Beijing [J]. Atmospheric Research, 2016,174-175:62-69.

[30]李 军.北京周边农村住宅节能改造效果分析 [J]. 节能与环保, 2015,(2):66-67.