我国“气代煤”采暖环境效益的经济分析

王 军， 杨璐娜

（中国石油大学（华东）经济管理学院，山东青岛 266580）

目前，我国学术界对“气代煤”采暖的环境与经济效益的研究较为缺乏. 从现有文献来看，对于天然气使用的清洁性研究较多［1］，而少有针对其应用在采暖领域环境效益经济价值的研究［2-3］. 岳鸿飞（2019）使用SBM-DDF方法探究“气代煤”采暖在直接使用（燃烧）阶段的绿色净效益［4］，而未从全部排放阶段进行核算；武娟妮（2018）使用了生命周期清单评价对清洁采暖的不同替代方式的污染物排放进行核算［5］，而未考虑其环境效益的经济价值. 本文通过运用生命周期评价法，对比煤炭与天然气取暖的全过程空气污染物排放及其环境影响，对“气代煤”采暖的环境效益进行核算，并分析其经济价值.

1 煤炭与天然气采暖概况

我国北方地区采暖季一般为当年11月至翌年3月，住宅供暖温度维持在18～24 ℃，供热方式主要有集中供热和分散供热. 集中供热主要由热力公司负责，通过购置锅炉自行供热或与热电厂联合供热.“气代煤”采暖改造主要在热源提供方式及供热设备上进行改变，将燃煤锅炉改造成燃气锅炉或家用燃煤锅炉改造成燃气壁挂炉等. 煤炭及天然气供暖主要方式及热源设备构成见图1.

图1 我国煤炭与天然气主要供热方式结构图Fig.1 Structure diagram of main heating modes by coal and natural gas in China

从能源自身的燃烧效率看，煤炭热值为23.73～35.64 MJ/kg，天然气热值约为38.95 MJ/m3. 根据不同设备对于能源的使用效率，大、中型燃气锅炉平均热效率约为90%，燃气壁挂炉因传输过程短，热量损耗少，热效率可达90%～95%；燃煤锅炉根据其型号不同，热效率随吨位增加而提升，大型燃煤采暖锅炉的热效率为70%～80%，中小型锅炉热效率为30%～60%，散煤采暖的热效率低于30%. 因此相对于燃煤取暖，天然气的采暖效率更高，热值更高，损耗更少，达到相同供暖量时，能源的使用量相对较少. 以单次供暖季平均为5个月计，单位供暖面积内大、中型燃气锅炉及燃气壁挂炉3种天然气采暖设备所需用气量差不大，平均在10～13 m3/m2；煤炭供暖的平均消耗量为20 kg/m2，其中城镇地区约为19 kg/m2，农村地区约为27 kg/m2［6］.

2 天然气和煤炭采暖的气体污染物排放LCA核算

生命周期分析（LCA）是常用在环境管理分析领域的、评估产品在整个生命周期中所产生环境影响的技术方法. 根据国际环境管理体系ISO 14040—2006的定义，在使用LCA方法时包括目标与范围界定、生命周期清单分析、影响分析和结果解释在内相互连接的4个阶段［7］. 在目标与范围界定阶段，根据我国大气污染核算办法中界定的主要气体污染物和学者对环境效益研究中选择污染物的不同侧重，为体现环境效益研究的代表性和普适性，本文选择SO2、氮氧化物（NOx）、可吸入颗粒物PM2.5及CO2的排放量作为“气代煤”采暖研究目标. 根据燃煤与天然气采暖的实际发生过程，将这4种污染物排放的测算界定在能源开采、运输与能源燃烧供热3个环节内. 核算时，各环节中包含的细分环节，如煤炭开采后的堆放与洗选等，均归为所属环节整体；污染物排放量核算综合了环节中直接能源消耗排放量与间接电力转化排放量.

在进行生命周期清单分析时，根据各阶段能源使用量及污染物排放系数计算污染物排放量. 煤炭开采过程主要分为煤炭采掘、装卸、洗选、堆存以及破碎筛分，各环节中各种污染物排放量不一，但以粉尘污染为主. 天然气开采过程中的污染排放主要为打井等作业中的设备供能以及收集气体后净化过滤所产生. 根据生产阶段排放强度以及《排污申报登记实用手册》［8］《工业污染核算》［9］及文献［10-11］的数据进行核算，煤炭与天然气获取阶段的污染物排放量结果见表1.

表1 开采阶段煤炭与天然气污染物排放量比较Tab.1 Pollutant emission of coal and natural gas in production stage 单位：kg

在运输阶段，运输煤炭的主要方式为铁路及公路运输，污染物来自火车及重型车燃料燃烧污染物的排放. 天然气运输分为管道运输与公路运输（液化天然气），管道运输依靠电力，不同运输距离的损耗有所差异，在运输过程中污染排放较少；进口液化天然气通常由沿海港口通过槽车输送至使用地区，与煤炭公路运输污染物排放类似. 根据文献［12］，铁路运输的污染物排放强度均值分别为SO20.07×10-4kg·（t·km）-1，PM2.50.54×10-4kg·（t·km）-1，CO20.009 kg·（t·km）-1. 以煤炭运输至北方地区平均铁路运输距离为500 km计算，运输阶段的污染物排放量结果如表2.

煤炭燃烧阶段污染物的产生主要与煤炭中的杂质如硫化物等有关，煤化程度与工艺性能决定杂质种类及含量各异，故燃烧后排放物质和浓度也不同. 采暖所用大中型锅炉等以烟煤作为主要燃料，烟煤根据煤含量、杂质含量不同有许多种类，煤炭燃烧时的进氧量和锅炉燃烧效率等都会导致排放物质种类与数量差异.天然气中含有少量硫化氢（H2S），会产生一定浓度的SO2. 根据文献［13］燃烧阶段污染物排放系数并取燃烧物为烟煤［14］，核算煤炭与天然气在燃烧阶段的气体污染物排放量，结果见表3.

综合整个生命周期清单可得两种能源全程的污染物排放量，结果见表4. 根据生命周期清单可知，与煤炭相比，天然气的环境效益体现为：在开采阶段，PM2.5的排放量为煤炭的46.81%；运输阶段，SO2与CO2排放分别为煤炭的3.226%和21.67%；燃烧阶段，PM2.5减排最为明显，是煤炭的3.65%，SO2与NOx分别为煤炭的71.15%和74.77%. 天然气与煤炭燃烧时污染物排放阶段的结构相异，煤炭各类污染物的排放集中于燃烧阶段，天然气在开采阶段释放的污染物也有较大比例. 煤炭与天然气在生产、运输及燃烧中各阶段污染物排放的比例结构见图2.

表2 运输阶段煤炭与天然气污染物排放量Tab.2 Pollutant emission of coal and natural gas in combustion stage 单位：kg

表3 燃烧阶段煤炭与天然气污染物排放量Tab.3 Pollutant emission of coal and natural gas in combustion stage 单位：kg

表4 综合全程煤炭与天然气污染物排放量Tab.4 Comprehensive emission of coal and natural gas pollutants in the whole process 单位：kg

图2 煤炭与天然气生命周期各阶段污染物排放比例结构Fig.2 Proportion structure of pollutant emission in each stage of coal and natural gas

3 天然气采暖污染物减排量环境效益货币值核算

3.1 具体污染物环境效益经济价值量计算

在分析生命周期清单的基础上进行生命周期影响分析评价环节（LCIA），以此测算环境效益的货币化价值. 对于影响分析评价方法的选择，根据侧重不同，运用“环境问题法”或“目标距离法”. 依本文研究的目的，选择环境问题法对天然气替代煤炭采暖的环境效益进行评价，根据污染物环境影响机理，罗列其环境影响因子，进行量化得到可比较的价值量数据［15-16］.

使用“环境问题法”对环境影响进行量化，可通过测算污染物造成的环境损失实现. 根据环境经济核算指南以及已公布的核算报告（2004—2013年），核算项目包括治理成本和环境退化成本. 环境退化成本根据各类环境损失核算，一般与治理成本之间有一定的倍数差额，可以较客观地反映污染物的环境价值［17-18］. 核算环境退化成本国际上通常使用ExternE模型核算方法，该模型核算时需考虑地区、人口等不同参数［19］，故取平均数进行核算，并考虑核算年份的动态变化趋势，给出空气污染物的平均环境价值量［20］（表5）.

各污染物的环境影响因子不同，SO2的成本最高，为21.73元/kg，是酸雨形成的主要原因，对植被和建筑物等破坏作用很大，也是天然气与煤炭中最主要且较难去除的杂质；可吸入颗粒物PM2.5作为雾霾的重要成分对人体健康影响很大，在污染物排放中难以去除净化，其对人体健康和环境破坏的影响近几年愈发受到重视，环境成本增长快，为15.85元/kg；NOx是生成臭氧的主要物质之一，其造成的臭氧层破坏与光污染对整个生态环境破坏力很大，同时也是造成雾霾的主要污染物，环境成本为13.87元/kg；CO2环境成本为0.21元/kg.

表5 不同污染物的环境价值Tab.5 Environmental value of different pollutants

3.2 “气代煤”采暖单位面积环境效益的经济价值

结合煤炭与天然气采暖的使用数据，假定建筑物散热情况相同，根据2019年燃气燃煤锅炉行业平均数据，天然气采暖所需量为0.010 53 m3·（h·m2）-1，煤炭采暖所需量为0.043 08 kg·（h·m2）-1，（区域供热面积不同，燃煤锅炉效率有所差异，取平均效率为70%，燃气锅炉效率为95%）［21-22］，以冬季采暖天数150 d，每天供暖时间8 h为核算单位［23］，单个供暖季内两种采暖方式分别所需能源量及污染排放量见表6.

根据煤炭与天然气采暖过程的生命周期清单分析与污染物环境价值分析可得，单个采暖季内单位采暖面积“气代煤”采暖各污染物实现的环境效益为：SO2减排45.74%，NOx减排54.33%，PM2.5减排8.39%，CO2减排59.96%. 天然气采暖的环境污染损失为5.86元/m2、煤炭为10.31元/m2，故天然气采暖减少污染损失4.45 元/m2，相比燃煤提升比例为43.126%. 对该环境效益根据具体污染物的构成进行分解可知：通过减排，SO2实现环境价值0.61 元/m2、NOx0.13 元/m2、PM2.50.25元/m2、CO23.45元/m2. 因此，天然气代替燃煤采暖的清洁效益主要体现在CO2排放的减少，该项带来的清洁价值提升占总提升水平的77.67%；减排SO2、NOx和PM2.5提升的环境清洁价值分别占总清洁价值的13.68%、2.96%和5.68%.

根据采暖规划，整个北方地区冬季采暖面积近206亿m2，以2017年煤炭采暖的覆盖面积达83%计算，其废气污染物排放每年造成的环境损失共计1 762.804亿元；若以“气代煤”改造近100亿m2取暖面积为例，每年可减少废气污染环境损失约444.509亿元.

表6 单位采暖面积污染物排放系数Tab.6 Pollutant emission coefficient per unit heating area单位：kg/m2

4 总结与建议

4.1 总结

综合研究结果认为，运用生命周期法核算的污染物排放减少效果若以实现相同热值所需的烟煤与天然气需求量为准，平均1 t烟煤产生的热值相当于燃烧550 m3天然气；单个采暖季内单位采暖面积“气代煤”采暖实现的各污染物减排比例分别为：SO245.74%、NOx54.33%、PM2.58.39%、CO2为59.96%. 若以减排污染物的环境价值量计算，“气代煤”采暖节约的环境成本分别为SO20.61 元/m2、NOx0.13 元/m2、PM2.50.25 元/m2、CO23.45元/m2，综合环境价值为4.45元/m2，提升比例为43.126%.

4.2 建议

“气代煤”采暖具有长期而显著的环境效益及经济价值，且主要是通过对CO2的减少来实现，为此提出以下建议：

1）积极宣传“气代煤”采暖环境效益的经济价值. 目前，“气代煤”改造工程主要依靠补贴政策等推动进行，因前期其设施、管道、存储等设备成本较高，补贴政策对于工程推进很有必要. 但改造完成后，“气代煤”采暖具有长期稳定的环境效益，其经济价值十分可观. 因此应该积极宣传“气代煤”采暖环境效益的经济价值，使人民群众充分认识“气代煤”采暖工程长期稳定的环境效益，减少“气代煤”改造工程中的阻力. 特别是在农村地区，居民对于“气代煤”改造安装成本负担能力较弱，容易忽略“气代煤”采暖的长期环境效益. 由于农村地区普遍采用散煤采暖，热效率最低，污染物排放量也更多，因而在农村地区进行“气代煤”采暖改造的环境效益最为明显. 所以，在农村地区更需要大力宣传“气代煤”采暖的环境效益及其经济价值.

2）“气代煤”采暖具有较大的环境效益和经济价值，但从天然气的生命周期来看，从生产、运输到燃烧不同阶段均有不同的污染排放特点. 因此，根据不同阶段的排放特点，针对性地减少不同阶段显著污染物的排放，对推进“气代煤”工程，促进我国节能减排、实现环境友好型社会具有重要意义.

3）由于受天然气供应量的影响，在供暖地区还不可能完全实现“气代煤”采暖，因此在采暖过程中一方面要开发使用更多的清洁能源，进一步增加对代替燃煤采暖的环境效益，另一方面也要针对污染物的不同环境价值提高煤炭采暖设备的效率，最大限度地实现清洁替代的环境及经济效益.