余 波，曹 晨，顧為東

（1.南京大學(xué)工程管理學(xué)院，南京210093；2.江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013）

中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)與風(fēng)電/煤制天然氣耦合經(jīng)濟(jì)性分析

余 波1，2，曹 晨1，2，顧為東2

（1.南京大學(xué)工程管理學(xué)院，南京210093；2.江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013）

本文以年產(chǎn)1×109m3煤制天然氣工藝為例，采用Shell干粉氣化技術(shù)，比較了傳統(tǒng)煤制天然氣工藝和風(fēng)電/煤制天然氣耦合情況下，工藝過程中（從煤氣化到水煤氣變換）的設(shè)備投資、運(yùn)行費(fèi)用以及CO2排放特性，結(jié)果表明，盡管風(fēng)電電解水系統(tǒng)完全取代空分系統(tǒng)和水煤氣變換系統(tǒng)設(shè)備投資巨大，但是其年平均運(yùn)行費(fèi)用（設(shè)備折舊、原料、電耗）卻最低，CO2排放量為傳統(tǒng)煤制天然氣工藝的1.3%，為煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供一個參考。

能源消費(fèi)；煤制天然氣；非并網(wǎng)風(fēng)電；經(jīng)濟(jì)性分析；CO2排放

1 前言

1.1 我國面臨的能源環(huán)境問題

能源不僅關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)命脈，還與生活環(huán)境，國際安全等問題緊密相關(guān)。去年我國多地籠罩在霧霾之中，環(huán)保部發(fā)布的公報顯示：2013年，首批74個實(shí)施新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測城市中僅3個城市達(dá)標(biāo)。北京等華北地區(qū)霧霾尤為嚴(yán)重，霧霾已經(jīng)危害到人類生命健康。另外，CO2、SOx、NOx以及重金屬污染物排放都對環(huán)境造成巨大破壞。根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2014》，2013年中國CO2排放量為9.524 3×109t，比2012年增加4.2%，占世界CO2排放量的27.1%。根據(jù)《2012年環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報》，2012年，全國氮氧化物排放量2.337 8×107t，全國CO2排放量2.117 6×107t，全國煙（粉）塵排放量1.234 3× 107t。其中電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)的氮氧化物排放量和SO2排放量占絕大部分。

1.2 我國能源消費(fèi)現(xiàn)狀

根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計(jì)2013》（見表1），不難看出與歐美發(fā)達(dá)地區(qū)相比，中國能源消費(fèi)極其不合理，煤炭占一次能源消費(fèi)比例過重，這與中國能源分布富煤貧油少氣特點(diǎn)緊密相關(guān)。2013年我國能源消費(fèi)總量3.75×109t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭消費(fèi)總量2.475×109t標(biāo)準(zhǔn)煤，石油消費(fèi)總量6.9×108t標(biāo)準(zhǔn)煤，天然氣（NG）消費(fèi)總量2.18×108t標(biāo)準(zhǔn)煤，水電、核電、風(fēng)電消費(fèi)總量3.68×108t標(biāo)準(zhǔn)煤。

表1 能源消費(fèi)比例Table 1 Energy consumption ratio %

在我國煤炭消費(fèi)中，約有50%用于燃煤電站，國家對電站鍋爐監(jiān)管非常嚴(yán)格，根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會的統(tǒng)計(jì)，2013年當(dāng)年投運(yùn)火電廠煙氣脫硫機(jī)組容量約3.6×107kW；截至2013年底，已投運(yùn)火電廠煙氣脫硫機(jī)組容量約7.2×108kW，占全國現(xiàn)役燃煤機(jī)組容量的91.6%。2013年當(dāng)年投運(yùn)火電廠煙氣脫硝機(jī)組容量約2×108kW；截至2013年年底，已投運(yùn)火電廠煙氣脫硝機(jī)組容量約4.3×108kW，占全國現(xiàn)役火電機(jī)組容量的50%。截至2013年年底，火電廠袋式除塵器、電袋復(fù)合式除塵器裝機(jī)容量超過1.6×108kW，占全國燃煤機(jī)組容量的20%以上；其中，袋式除塵器容量約7×107kW，占全國燃煤機(jī)組容量的9%；電袋復(fù)合式除塵器機(jī)組容量超過9×107kW，占全國燃煤機(jī)組容量的11.5%以上。由于環(huán)境污染及霧霾問題的出現(xiàn)，國家進(jìn)一步對火電廠污染物排放進(jìn)行嚴(yán)格管制。就我國目前的煤電發(fā)展水平來說，無論是從火電運(yùn)行效率還是污染物排放情況來說，都已處于國際領(lǐng)先水平。

考慮到工業(yè)燃煤鍋爐對環(huán)境的巨大影響，煤改氣工程在國內(nèi)穩(wěn)步推進(jìn)，根據(jù)《2013年中國環(huán)境狀況公報》，2013年全國各地煤改氣工程新增用氣量2.6×109m3，替代原煤4.9×106t，減少SO2排放量3.9× 104t。盡管如此，2013年我國天然氣消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的比例仍然只有5.1%，遠(yuǎn)低于國際平均水平。

我國目前至未來幾十年以煤炭為主的能源消費(fèi)方式不會有太大改變，這與我國能源資源國情緊密相關(guān)。我國石油、天然氣儲量較少，每年生產(chǎn)量也較小，2013年原油對外依存度已達(dá)到57.39%，非常接近61%的紅線，2013年天然氣對外依存度也超過30%。根據(jù)《BP 2030世界能源展望》估算，2030年中國每日消費(fèi)460億立方英尺天然氣，約為4.754×1013m3/a。為了應(yīng)付國內(nèi)外能源、安全局勢，避免局部地區(qū)沖突造成的能源供應(yīng)緊張局面，我國采取了多地域多通道能源進(jìn)口的戰(zhàn)略。2014年5月21日，中俄政府和能源公司在上海分別簽署《中俄東線天然氣合作項(xiàng)目備忘錄》和《中俄東線供氣購銷合同》。雙方商定從2018年起，俄方通過修建東線管道每年向中方供應(yīng)不少于3.8×1010m3天然氣，歷時30年，供應(yīng)協(xié)議總價值4 000億美元。

1.3 新能源與傳統(tǒng)能源結(jié)合

煤炭現(xiàn)在乃至將來50年時間都是我國最主要的能源資源，煤炭的清潔化利用是擺在我國未來發(fā)展的首要任務(wù)。解決我國潔凈能源供給緊張矛盾的方法，除了加強(qiáng)對石油、天然氣資源的勘探，增加石油、天然氣的進(jìn)口渠道外，開展煤制油、煤制天然氣(SNG)技術(shù)等潔凈煤技術(shù)也是解決我國能源環(huán)境問題的一個有效手段。天然氣不僅是清潔能源，也是未來解決我國食品安全的一個不可或缺的重要原料，發(fā)展甲烷制生物蛋白，不僅可以解決人類的營養(yǎng)來源問題，更重要的是甲烷制生物蛋白具有更高的安全性。

傳統(tǒng)煤制天然氣是一個高水耗、高能耗、高CO2排放的產(chǎn)業(yè)；將新能源與傳統(tǒng)能源進(jìn)行嫁接，如利用風(fēng)電發(fā)電電解水，不僅能夠?qū)⒕哂胁▌有?、調(diào)節(jié)困難的風(fēng)電高效利用，減少風(fēng)電投資成本[1，2]，同時能夠減少煤制天然氣生產(chǎn)過程中CO2的排放，對風(fēng)電和煤制天然氣行業(yè)發(fā)展都具有積極意義。但是風(fēng)電/煤制天然氣耦合作用下的經(jīng)濟(jì)性和CO2排放特性的研究較少，本文以年產(chǎn)1×109m3煤制天然氣項(xiàng)目為對象，研究不同風(fēng)電/煤制天然氣耦合生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)性和CO2排放特性進(jìn)行研究。

2 風(fēng)電/煤制天然氣工藝路徑

2.1 傳統(tǒng)煤制天然氣工藝

煤制天然氣工藝可以分為一步法和兩步法兩種；一步法一種是煤與水蒸氣在催化劑條件下反應(yīng)生成富CH4合成氣，該方法典型代表是美國巨點(diǎn)公司的藍(lán)氣技術(shù)，目前尚未有實(shí)際應(yīng)用報道；另外一種是煤炭加氫氣化法，由于需要單獨(dú)制氫單元，該工藝仍處于研究階段，尚未推廣應(yīng)用[3，4]。

煤制天然氣典型工藝是兩步法制取天然氣，首先，將煤炭氣化生成合成氣，合成氣經(jīng)過水煤氣變換反應(yīng)，使得H2∶CO的比例約為3，然后再通過甲烷化反應(yīng)生成CH4。典型的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 兩步法煤制天然氣流程Fig.1 Two step coal-to-SNG process

其中，氣化反應(yīng)發(fā)生在氣化爐內(nèi)，主要反應(yīng)包括[5]

由于出氣化爐合成氣中H2比例較低，一般通過水煤氣變換（WGS）來增加合成氣中H2比例，水煤氣變換反應(yīng)為[5]

經(jīng)過調(diào)配的合成氣中H2/CO≈3[6]，合成氣經(jīng)過脫硫、脫CO2后，進(jìn)入甲烷合成器反應(yīng)，生成甲烷和CO2，反應(yīng)為[7]

煤制天然氣過程產(chǎn)生CO2的環(huán)節(jié)包括氣化反應(yīng)階段和水煤氣變換階段。氣化爐的氣化劑為O2和少量水蒸氣（一般調(diào)節(jié)爐溫），不同氣化方式，出氣化爐合成氣成分比例不同。由于進(jìn)甲烷反應(yīng)器合成氣中的H2/CO比例要滿足約等于3。根據(jù)C守恒原則，C轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，H來源于H2O，則以純氧作氣化劑時，C轉(zhuǎn)換為CH4的總平衡反應(yīng)為

以純水蒸氣作氣化劑時，C轉(zhuǎn)換為CH4的總平衡反應(yīng)為

從上述反應(yīng)方程式可以看出，采用水蒸氣為氣化劑時至少有1/2的C要轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2；當(dāng)采用純氧為氣化劑時至少有2/3的C要轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2。盡管在C轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2的過程中會放出大量熱量，這部分熱量可以利用，從能量平衡角度來看，這部分能量并沒有浪費(fèi)，但從大量的CO2排放，無論是碳捕獲和碳封存(CCS)的成本，還是從煤炭的利用率上都造成巨大的成本浪費(fèi)。減少這部分CO2的排放，才能真正意義上做到煤制天然氣的低碳排放。目前來說，由于氣化反應(yīng)和水煤氣變換都是在高壓環(huán)境下進(jìn)行的，同時采用氣體分離技術(shù)，排放的CO2濃度較高，非常有利于采用碳捕集技術(shù)，毫無疑問，巨大的CO2排放量采用CCS技術(shù)會造成巨大的能源浪費(fèi)。

唐宏青[8]指出典型煤化工裝置中水的去向中循環(huán)水蒸發(fā)占53%，而工藝過程分解水只占總水的4%。根據(jù)煤制天然氣新鮮水耗6.6 t/km3[9]可知，折算成單位質(zhì)量水耗約9.2 t/（t天然氣），而分解水量約為2.25 t。除去工藝分解用水是必須消耗用水外，其他方向用水都應(yīng)該或者盡可能循環(huán)利用，這樣，煤制天然氣就有了很大的節(jié)水空間。

2.2 風(fēng)電/煤制天然氣工藝

風(fēng)場的隨機(jī)性、波動性給風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)帶來一系列的的影響，隨著風(fēng)電并網(wǎng)的增加，對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性的影響愈加明顯。非并網(wǎng)風(fēng)電是指風(fēng)電系統(tǒng)終端負(fù)荷不再是傳統(tǒng)的單一電網(wǎng)，而是直接應(yīng)用于一系列能適應(yīng)風(fēng)電特性的高能耗產(chǎn)業(yè)及其他特殊領(lǐng)域，主要適應(yīng)于0.5～10 GW以上大規(guī)模風(fēng)電場[1·]。非并網(wǎng)風(fēng)電采用直流供電，回避風(fēng)電上網(wǎng)電壓差、相位差、頻率差難以控制等問題；提高風(fēng)能利用效率，簡化風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)和風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行時所需大量輔助設(shè)備，大幅度降低風(fēng)電場的制造成本和風(fēng)電價格[10]。

為了實(shí)現(xiàn)煤制天然氣的低碳排放，需要提供低碳排放的制氫系統(tǒng)。風(fēng)電/煤制天然氣耦合系統(tǒng)即利用風(fēng)電電解水制得氫氣和氧氣，用來完全或者部分代替空分系統(tǒng)和水煤氣變換系統(tǒng)。由于電解氫氣的加入，極大地減少了水煤氣變換系統(tǒng)過程中所產(chǎn)生的CO2量，實(shí)現(xiàn)煤制天然氣系統(tǒng)真正意義上的低碳環(huán)保。邵迪等[11]對風(fēng)電/煤制天然氣系統(tǒng)的CO2減排特征進(jìn)行分析，指出當(dāng)氧氣集成度達(dá)到15%時，年產(chǎn)1×109m3的天然氣產(chǎn)業(yè)可實(shí)現(xiàn)CO2減排6.983×105t。圖2給出兩種風(fēng)電/煤制天然氣耦合系統(tǒng)：圖2a中，風(fēng)電電解制氫、氧系統(tǒng)完全替代傳統(tǒng)煤制天然氣系統(tǒng)中的空分系統(tǒng)和水煤氣變化系統(tǒng)，簡稱為完全耦合系統(tǒng)；圖2b中，風(fēng)電電解制氫、氧系統(tǒng)完全代替了傳統(tǒng)煤制天然氣系統(tǒng)中的空分系統(tǒng)，部分取代水煤氣變換系統(tǒng)，簡稱為部分耦合系統(tǒng)。

3 風(fēng)電/煤制天然氣耦合系統(tǒng)與傳統(tǒng)煤制天然氣系統(tǒng)比較

以年產(chǎn)1×109m3煤制天然氣項(xiàng)目為研究對象，對風(fēng)電/煤制天然氣耦合系統(tǒng)與傳統(tǒng)煤制天然氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、碳排放特性進(jìn)行比較。表2給出典型褐煤工業(yè)分析和元素分析[12]，表3給出典型Shell干粉氣化技術(shù)合成氣的組分[13]。

圖2 風(fēng)電/煤制天然氣耦合系統(tǒng)Fig.2 Wind power/coal-to-SNG coupled system

表2 典型褐煤工業(yè)分析和元素分析Table 2 Typical lignite industrial analysis and elemental analysis

表3 典型Shell干粉氣化技術(shù)合成氣組分Table 3 Typical component of synthesis gas produced by Shell gasification

以表1給出的褐煤為原料，采用Shell干粉氣化技術(shù)來生產(chǎn)SNG，氣化爐合成氣組成假設(shè)見表3，假設(shè)水煤氣變換CO轉(zhuǎn)化率為99%，甲烷化反應(yīng)中合成氣中不含CO2，H2/CO比例為3.05，假設(shè)空分制得每立方米O2的電耗為0.4 kW·h。根據(jù)元素守恒，計(jì)算獲得圖1（工況1）和圖2（工況2a、工況2b）所需要的煤耗、空分電耗、WGS水蒸氣消耗、CO2排放以及副產(chǎn)氧氣量。其中，假設(shè)氣化爐產(chǎn)生的少量CO2用于煤粉輸送，因此只給出WGS產(chǎn)生的CO2排放。

由表4可知，由于電解水制氫的加入，可以完全或者部分替換煤制天然氣系統(tǒng)中的水煤氣變換系統(tǒng)，大大節(jié)約系統(tǒng)的水蒸氣消耗，即節(jié)約了工廠的煤炭消耗，同時由于省掉水煤氣變換系統(tǒng)，大大地減少了煤制天然氣系統(tǒng)的CO2排放，完全省略空分和水煤氣變換系統(tǒng)時，工藝實(shí)現(xiàn)了CO2的零排放；當(dāng)風(fēng)電部分耦合時，工程總排放CO2是傳統(tǒng)工藝CO2排放量的49.6%。同時，WGS反應(yīng)需要提供過量的水蒸氣來與CO反應(yīng)，當(dāng)電解水制氫提供甲烷化合成所需要的全部或者部分氫氣時，即全部省略WGS或者部分替代WGS，都能節(jié)約一部分能量。

假設(shè)原煤價格為150元/t，蒸汽價格為120元/t，空分用電平均電價為0.5元/(kW·h)，碳排放稅按20元/t計(jì)算，氧氣價格按照空分制氧成本0.52元/m3出售計(jì)算，則不同工藝（從氣化至水煤氣變換）年平均運(yùn)行費(fèi)用見表5。從表5可看出，完全耦合工藝由于富余氧氣的銷售會給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利益。

表4 不同煤制天然氣工藝投入與產(chǎn)出特性比較Table 4 The comparation of consumption of output between three coal-to-SNG processes

表5 不同煤制天然氣工藝年平均運(yùn)行費(fèi)用Table 5 The average annual operating cost of three coalto-SNG processes億元/a

設(shè)備投資由式（1）來計(jì)算[14]，設(shè)備投資成本按照文獻(xiàn)計(jì)算[12]。風(fēng)電投資成本為4 900元/kW，風(fēng)電年運(yùn)行小時數(shù)為2 900 h（采用低風(fēng)速風(fēng)機(jī)，非并網(wǎng)風(fēng)電投資成本比傳統(tǒng)風(fēng)電投資成本下降30%，風(fēng)電效率提高12%），電解水電耗為4.5 kW·h/m3氫氣（堿性水電解），計(jì)算3種工況的設(shè)備投資見表6。

式（1）中，I1、I2為老廠設(shè)備和新廠設(shè)備投資；P1、P2為老廠設(shè)備和新廠設(shè)備規(guī)模。

表6 3種不同煤制天然氣工藝投資比較Table 6 The investment of three different coal-to-SNG processes億元

目前已有33個國家以及18個地區(qū)實(shí)施了碳排放稅，澳大利亞碳稅從2013年的23美元/t調(diào)整至現(xiàn)在的24.15美元/t，隨著全球變暖所帶來的極端天氣加劇、環(huán)境問題，可以肯定越來越多的國家會開始征收炭稅。采用傳統(tǒng)煤制天然氣工藝，由水煤氣變換反應(yīng)產(chǎn)生的CO2量為3.338×106t，若碳排放稅從20元/t上升至100元/t，則每年需上交碳排放稅從0.67億元上升至3.34億元。

假設(shè)煤制天然氣廠、風(fēng)電場和電解水系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命都為25年，定義年平均投資為設(shè)備折舊和年運(yùn)行費(fèi)用總額之和，如圖3所示為原煤價格從120元/t至280元/t、碳稅為20元/t時，3種工藝的年平均投資。完全耦合工藝的年平均投資額度在3種工藝中最低；傳統(tǒng)工藝的年平均投資額度最高，隨著煤價增長，年平均投資增長最快。圖4為碳排放稅從20元/t至150元/t，原煤價格為150元/t時3種工藝的年平均投資。由于完全耦合工藝沒有CO2排放（忽略氣化爐產(chǎn)生的CO2），所以其年平均投資不隨碳排放稅變化而變化，其年平均投資額度在3種工藝中最低；傳統(tǒng)工藝的年平均投資在3種工藝中最高，隨著碳排放稅增加，其增長幅度也最快。

圖3 褐煤價格對3種工藝年平均投資影響Fig.3 The effect of lignite price on the average investment per year of three different coal-to-SNG processes

同時，由于風(fēng)電電解水產(chǎn)生氫氣的引入，使得合成氣總量下降，氣化爐的規(guī)模也可減小，這樣氣化爐的投資也會相應(yīng)降低，相應(yīng)的管路，動力設(shè)備規(guī)模也會減小，同時動力設(shè)備電耗也會降低。因此總的來說，完全耦合和部分耦合工藝年平均投資還有進(jìn)一步下降空間。但是，這里忽略氧氣儲罐和氫氣儲罐的投資，以及利息的影響，這樣年平均投資會有小幅升高。

圖4 碳排放稅對3種工藝年平均投資的影響Fig.4 The effect of carbon tax on the average investment per year of three different coal-to-SNG processes

4 結(jié)語

將新能源嫁接到傳統(tǒng)能源上，如利用風(fēng)電/煤制天然氣耦合實(shí)現(xiàn)真正意義上的煤炭的低碳排放，同時提高風(fēng)電的利用效率，節(jié)約風(fēng)電投資成本，為我國煤炭清潔化利用開辟一條新的路徑。本文以年產(chǎn)1×109m3煤制天然氣項(xiàng)目為例，分析采用典型褐煤和Shell干粉氣化技術(shù)來制得替代天然氣，通過對比風(fēng)電/煤制天然氣耦合工藝與傳統(tǒng)煤制天然氣工藝比較，得出如下結(jié)論。

1）隨著風(fēng)電/煤制天然氣耦合程度提高，煤制天然氣的CO2排放量可以快速減少，當(dāng)風(fēng)電電解水系統(tǒng)完全取代傳統(tǒng)煤化工中的空分和水煤氣變換系統(tǒng)時，工藝的CO2排放量幾乎為零。

2）盡管風(fēng)電/煤制天然氣耦合系統(tǒng)中風(fēng)電的一次性投資相當(dāng)大，如完全耦合系統(tǒng)風(fēng)電場一次性投資達(dá)到154.17億元，但是完全耦合系統(tǒng)的年平均運(yùn)行費(fèi)用卻最低，由于煤耗量較小，同時幾乎沒有CO2排放，其受煤炭價格和碳排放稅影響也較小。

3）傳統(tǒng)煤制天然氣行業(yè)受到煤炭價格和碳稅價格影響較大，且其年平均投資最高，經(jīng)濟(jì)性最差。

4）風(fēng)電/煤制天然氣工藝無論從低碳經(jīng)濟(jì)考慮，還是年平均運(yùn)行費(fèi)用上都具有比傳統(tǒng)煤制天然氣更大的優(yōu)勢。

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Energy consumption structure in China and the economic analysis of coupled wind power and coal to substitute natural gas

Yu Bo1，2，Cao Chen1，2，Gu Weidong2
（1.School of Management and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210093，China；2.Jiangsu Institute of Macroeconomic Research，Nanjing 210013，China）

In this paper，taking an annual output of 1×109m3coal to substitute natural gas (SNG)as an example，Shell coal gasification technology was used to produce synthesis gas.The equipment investment of air separation system（ASU），water gas shift system（WGS），wind power plant（WP）and electrolyzed water system（EWS）was compared between traditional coalto-SNG and wind/coal SNG.The oxygen consumption，water steam consumption，electricity consumption and CO2emission were also analyzed.Results show that although the investment of WP and EWS replacing the ASU and WGS is huge，its average annual operating cost（equipment investment，raw materials，power consumption）is lower，and CO2emission is only 1.3% of the traditional coal-to-SNG technology.This paper provides a reference for the development of coal-to-SNG industry.

energy consumption；coal-to-SNG；non-grid wind power；economic analysis；CO2emission

TK01

A

1009-1742（2015）03-0100-07

2014-12-08

余 波，1984年出生，男，江蘇睢寧縣人，博士后，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)煤多能源系統(tǒng)；E-mail：yubo@zjzw.net