散煤采暖清潔化替代方式的生命周期清單分析

武娟妮,程 亮,逯元堂,宋玲玲 (環境保護部環境規劃院,北京 100012)

采暖期是我國北方地區霧霾的高發期,以京津冀區域為例,2016年供暖期的 PM2.5濃度是非供暖期的2.4倍,僅12月份就發生了5次大范圍空氣重污染過程[1].采暖用散煤因其”數量眾多,分布廣泛,低空排放,無治理設施”[2],逐漸被公認為造成北方冬季霧霾的重要原因[3-5].2017年5月,財政部出臺了《關于開展中央財政支持北方地區冬季清潔取暖試點工作的通知》,支持試點城市推進清潔方式取暖替代散煤燃燒取暖,并同步開展既有建筑節能改造,實現試點地區散燒煤供暖全部“銷號”和清潔替代,形成示范帶動效應.

目前大部分文獻中對清潔取暖的污染物減排效果未在同一供暖量下比較,而是直接以燃燒1t電煤與燃燒1t散煤進行對比.事實上,由于能源轉換和輸送過程的損耗,燃燒1t電煤產生的電能不足以替代1t散煤.文獻[6]在同一供暖量下進行了對比,但未從系統生命周期的角度分析,并且選擇的供暖方式較少,未覆蓋目前的主要形式.散煤采暖的清潔化替代不僅是散煤的使用量減少,更帶動了上下游能源供應鏈的變化,所以應從能源生命周期的角度進行比較.

本文基于生命周期的角度,在相同供熱量的基準下,對“電代煤”,“氣代煤”,“潔凈型煤替代”等主要替代方式的大氣污染物排放和能效進行比較,從而為散煤采暖清潔化替代試點工作提供參考.

1 中國北方居民采暖散煤使用情況

由于散煤銷售渠道分散,統計難度大,《中國能源統計年鑒》的統計口徑低于實際量[3].文獻[7]采用入戶調研的戶均散煤消費量計算得出了農村生活用煤量,城鎮生活用煤量仍采用《中國能源統計年鑒》的數據,最終得出了2014年全國各省(市)的農村和城鎮生活散煤用量.據統計,京津冀農村和城鎮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數據,計算我國北方各省的采暖用散煤量,得出中國北方采暖用散煤約 1.54億 t,主要分布在河北,山西,河南,陜西,黑龍江,內蒙古和山東,如圖1所示.

圖1 中國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 散煤采暖清潔化替代生命周期系統界定

2.1 研究對象和功能單位

生命周期評價(LCA)是用于評估產品在其整個生命周期中,即從原材料的獲取,產品的生產直至產品使用后的處置,對環境影響的技術和方法,包含目標與范圍的確定,生命周期清單分析,生命周期影響評價和生命周期解釋等 4 個部分[9],廣泛應用于能源的環境影響相關研究[10-12],本文主要開展前兩個部分的研究.本文研究對象為散煤采暖,電采暖,氣采暖,潔凈型煤采暖以及集中供暖等目前主要采暖形式.對于散煤采暖,低變質煙煤由于價格低,易點燃,好燒,在民用散煤中占有較大的比重[13],所以本文以煙煤作為研究對象.對于電采暖,采用傳統的電鍋爐和近年來比較熱門的低溫空氣源熱泵作為研究對象,低溫空氣源熱泵以空氣能和電能轉化為熱能,制熱性能系數更高.氣采暖以燃氣壁掛爐作為研究對象.對于潔凈型煤,本文的研究對象為無煙煤和部分添加劑加工而成的煤球,揮發分含量相對于散煤來說較少,故而燃燒過程污染物排放較少.集中供暖以燃煤熱電聯產和燃氣鍋爐為研究對象.本文以1m2房子每日供熱量為基準,結合文獻[14-15]和筆者的實地調研情況,就目前未進行保溫改造的民居,4個月供暖期內的單位面積供暖負荷約為90kWh/m2,折合 0.75kWh/(m2?d).

2.2 系統邊界

各種采暖方式的生命周期評價系統邊界如圖 2所示.散煤采暖包括煤炭開采,運輸,燃燒 3個環節.電鍋爐和低溫空氣源熱泵的生命周期系統是相同的,包括煤炭開采,煤炭運輸,燃煤發電,電力輸送和電力使用 5個環節.熱電聯產集中供熱包括煤炭開采,煤炭運輸,熱電聯產和熱力輸配4個環節,由于熱電聯產會產生電和熱兩種產品,故而其原料消耗和污染物排放根據產品的產量和熱值進行分配.潔凈型煤采暖包括煤炭開采,煤炭運輸,潔凈型煤生產和型煤燃燒4個環節.燃氣壁掛爐采暖包括天然氣開采,天然氣輸送和天然氣燃燒3個環節.燃氣鍋爐集中供暖包括天然氣開采,天然氣輸送,天然氣燃燒和熱力輸配4個環節.

本文的目的是比較不同采暖方式的生命周期大氣污染物排放和能效,故而對系統的輸入主要考慮能源投入,系統的輸出主要考慮大氣污染物排放.大氣污染物選擇與霧霾相關的 SO2,NOx,PM10和 PM2.5.系統輸入的除煤炭和天然氣以外的能源中,僅電力追溯其上游產業鏈的能源消耗和污染物排放,其余能源(如柴油、燃料油等)用量較小,不再對其上游產業鏈進行追溯.此外,產品生產,運輸,使用等環節涉及的設備服役時間長,其生產過程的能源消耗和污染物排放折算到本文功能單位下可以忽略不計

圖2 散煤采暖和清潔采暖的生命周期系統邊界Fig.2 Life cycle system boundary of scattered coal heating and clean heating

2.3 清單和參數

2.3.1 污染物排放和能效計算方法 污染物排放量包括因本環節能源使用產生的直接排放和對該能源生命周期進行追溯產生的間接排放,本文中間接排放僅考慮電力.系統能效為系統最終提供的有效熱能占生命周期投入能量總和的比重.計算所需的參數主要來自公開發表文獻,部分為實地調研數據.

式中:Ei為該環節污染物i的總排放量,kg; Ei直接為該環節直接的污染物i排放量,kg; Ei間接為對該環節所用電力進行生命周期追溯產生的污染物i排放量,kg; Mj為該環節能源j的使用量,kg(或m3);eji為單位能源j的污染物i排放量,kg/kg(或m3); P為該環節用電量,kWh; epi為單位電力生命周期污染物i排放量,kg/kWh.

式中:η為系統能效;W為單位面積每日供暖負荷,取 0.75kWh/(m2?d); Nj為單位供熱面積下,系統生命周期每日對一次能源 j的使用量,kg(或 m3)/(m2?d); wj為一次能源 j的低位發熱量 kJ/kg(或m3).

2.3.2 散煤采暖(煙煤)清單 1t煙煤的生命周期各環節的能源輸入,產品及大氣污染物排放量如表1所示.我國煤炭運輸主要依靠鐵路,目前我國電力機車占58.1%,其余為柴油動力[16];電力機車電耗約 1.024kWh/(100t?km),內燃機車油耗約0.264kg/(100t?km)[17].散煤的生產和消費均在北方地區,故煤炭運輸距離以陜西神木到石家莊為例,約 510km.

2.3.3 電采暖清單 電采暖以電力作為能源物質,用戶端的 1kWh電力的生命周期各環節的能源輸入,產品及大氣污染物排放如表2所示.煤炭生產環節的參數選取與散煤采暖相同.電煤的運輸距離取我國煤炭平均運輸距離,約700km.供電能耗取國家能源局發布的2015年全國供電能耗315(g標煤/kWh)[23].燃煤發電的單位煤耗量SO2和 NOx排放量根據一般火電廠排放限值推算[6],PM10和PM2.5分別根據環保部發布的《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編織技術指南(試行)》[24]和《大氣細顆粒物一次源排放清單編織技術指南(試行)》[25]計算,煤炭灰分取 25%.輸電損失取國家能源局發布的2015年全國線路損失率6.6%[23].

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

2.3.4 燃煤熱電聯產集中供熱清單 熱電聯產集中供暖向用戶直接提供熱能.用戶端 1GJ熱能的生命周期各環節的能源輸入,產品及大氣污染物排放如表 3所示.煤炭生產和運輸環節的參數選取與散煤采暖相同.供熱煤耗取39.3(kg標煤/GJ),熱力輸配管網效率取 99%[26].熱電聯產環節的污染物排放系數與燃煤發電取相同值.

表2 1kWh電的生命周期清單Table 2 Life cycle inventory of 1kWh electricity

表3 1GJ燃煤熱電聯產熱能的生命周期清單Table 3 Life cycle inventory of 1GJ heat from cogeneration central heating

2.3.5 潔凈型煤采暖清單 1t潔凈型煤的生命周期各環節的能源輸入,產品及大氣污染物排放量如表 4所示.煤炭生產和運輸環節的參數選取與散煤采暖相同.參考某型煤廠的可研報告,型煤生產環節,1t潔凈型煤消耗無煙煤 0.974t, PM10排放0.04kg, PM2.5排放0.012kg.潔凈型煤一般僅在本地生產和消費,故型煤的運輸距離忽略不計.

表4 1t潔凈型煤的生命周期清單Table 4 Life cycle inventory of 1t clean briquette

2.3.6 天然氣采暖清單 用戶端1000m3天然氣的生命周期各環節的能源輸入,產品及大氣污染物排放量如表 5所示.我國天然氣產區主要為西部地區,采用長距離管道輸送,輸送距離設為2000km.輸送動力設為電力,能耗取 0.5568MJ/(1000m3·km)[27].由于輸送距離較長,存在一定的損耗,本文取0.2%.各環節的SO2和NOx排放量根據《燃料燃燒排放大氣污染物物料衡算辦法(暫行)》[28].計算,PM10和PM2.5分別根據《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編織技術指南(試行)》[24]和《大氣細顆粒物一次源排放清單編織技術指南(試行)》[25]計算.

表5 1000m3天然氣的生命周期清單Table 5 Life cycle inventory of 1000m3 natural gas

表6 1GJ燃氣鍋爐產生熱能的生命周期清單Table 6 Life cycle inventory of 1GJ heat from gas boiler central heating

2.3.7 燃氣鍋爐集中供熱清單 燃氣鍋爐產生1GJ熱能的生命周期各環節的能源輸入,產品及大氣污染物排放量如表6所示.天然氣開采,運輸環節的參數取值以及各環節污染物排放參數取值與天然氣采暖相同.熱氣鍋爐效率取94%,管網效率取99%,得出供熱氣耗為30.23m3/GJ.

2.3.8 用戶終端采暖設備能效 不同采暖方式在用戶終端使用的設備不同,效率也不同,在供熱負荷 0.75kWh/(m2?d)的前提下,各設備的能源使用量見表7.

表7 不同采暖方式用戶端設備的能效和能源使用量Table 7 Energy efficiency and energy consumption of client devices using different heating methods

3 結果與討論

3.1 清潔化采暖的生命周期污染物減排

圖3 單位面積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排放量分別如圖3、圖4、圖5和圖6所示.相比散煤采暖,電鍋爐和潔凈型煤 SO2減排率分別為57.91%和56.21%,熱電聯產集中供暖,低溫空氣源熱泵,燃氣壁掛爐和燃氣鍋爐的 SO2減排率可以達到 85%左右,分別為83.95%, 84.22%,86.56%和86.87%.在NOx方面,電鍋爐僅下降了 19.63%,主要原因是在當前的燃煤發電大氣污染物排放標準下,電煤與散煤相比,對 NOx的減排效果相對其它污染物較低.由表1和表2可見,1t電煤比1t散燒可減少80%的 SO2, 85%的 PM10和 95%的 PM2.5,但 NOx僅可減少 50%.潔凈型煤,熱電聯產集中供暖和低溫空氣源熱泵分別減排NOx約55.99%,69.68%和 69.86%.以天然氣為熱源的方式對 NOx減排率較高,燃氣壁掛爐和燃氣鍋爐供暖的 NOx減排率分別達到83.87%和84.25%. 6種清潔采暖方式的 PM10減排率都較高,從高到低依次為燃氣鍋爐(99.31%),燃氣壁掛爐(99.29%),低溫空氣源熱泵(92.90%),熱電聯產集中供暖(92.78%),潔凈型煤(92.75%)和電鍋爐(81.06%).同樣,一次PM2.5減排率也較高,從高到低依次為燃氣鍋爐(＞99.99%),燃氣壁掛爐(99.66%),低溫空氣源熱泵(97.56%),熱電聯產集中供暖(97.52%),潔凈型煤(93.76%)和電鍋爐(93.49%).

SO2和NOx是PM2.5的前體物,經過化學反應后,生成硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽及有機顆粒物等,其中硫酸銨和硝酸銨是 PM2.5的主要成分[29].假設17.2%的SO2轉換為硫酸銨,16.0%的NOx轉換為硝酸銨[6],則燃氣鍋爐,燃氣壁掛爐,低溫空氣源熱泵,熱電聯產集中供暖,潔凈型煤和電鍋爐的PM2.5的減排率依次為98.74%, 98.40%, 95.99%,95.94%, 90.35%和89.31%,參見表8.

圖4 單位面積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

綜上,以天然氣為熱源的方式最為清潔,其次為低溫空氣源熱泵和熱電聯產集中供熱,最后為潔凈型煤和電鍋爐.根據2014年我國北方的采暖散煤用量,通過以上方式替代散煤采暖后,以4個月的采暖期計算,我國可實現SO2減排40～61萬t, NOx減排 6～24萬 t, PM10減排 170～208萬 t,PM2.5減排164～181萬t.

圖5 單位面積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

圖6 單位面積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對比

幾種采暖方式的生命周期能耗及能效參見圖 7,電鍋爐和散煤采暖的生命周期能耗量較高,分別為8.76和7.19MJ/(m2?d),所以能源利用效率最低,分別為30.82%和37.58%.其次為潔凈型煤,燃氣壁掛爐和燃氣鍋爐,能耗量分別為4.98, 4.32和 4.22MJ/(m2?d),能效分別為 54.17%,62.44%和63.92%.低溫空氣源熱泵和熱電聯產集中供熱的能耗量較低,分別為 3.29 和 3.34MJ/(m2?d),所以能效較高,分別為 82.18%和 80.74%.由于燃煤發電的能效較低,所以直接用電能加熱的電鍋爐能效較低,而低溫空氣源熱泵利用空氣能,可將電能做功放大 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,空氣源熱泵的應用范圍受到氣候條件的約束,室外溫度低于其適用溫度時,熱泵的制熱效率會急劇下降,從而影響系統生命周期能效以及污染物的減排效果.熱電聯產集中供熱利用的是電廠發電余熱,所以其能源利用效率要遠高于單純的發電.

圖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 建筑保溫改造的減排效果

中國農村,城鄉結合部80%左右的農宅(北京約72%,天津約85%,河北約89%)[6]沒有保溫措施,熱工性能差,熱量散失嚴重,能耗高.降低建筑能耗[30].如對所有農宅完成保溫改造,按 30%～40%的節能量計算,即使在燃燒散煤的情況下,以4個月采暖期計算,我國相比2014年可實現SO2減排17～23 萬 t, NOx減排 7～9 萬 t, PM10減排 50～67萬t, PM2.5減排44～59t.

4 結論

4.1 從生命周期的角度,清潔采暖方式均可有效降低大氣污染物排放,其中以天然氣為熱源的燃氣鍋爐集中供熱和燃氣壁掛爐最為清潔,相比散煤,可減排 SO2和 NOx85%左右,減排 PM10和PM2.599%左右;其次為低溫空氣源熱泵和熱電聯產集中供熱;潔凈型煤和電鍋爐減排率最低.

4.2 以4個月采暖期計算,通過北方地區清潔采暖替代散煤后,我國相比2014年可實現SO2減排40～61萬t, NOx減排6～24萬t, PM10減排170～208萬t, PM2.5減排164～181萬t.

4.3 從生命周期能效上看,低溫空氣源熱泵(82.18%)和熱電聯產集中供熱(80.74%)的能源利用效率最高,其次為燃氣鍋爐(63.92%),燃氣壁掛爐(62.44%)和潔凈型煤(54.17%).最后為散煤采暖(37.58%)和電鍋爐(30.82%).

4.4 對農宅完成保溫改造后,即使在燃燒散煤的情況下,在4個月采暖期內,我國相比2014年可實現SO2減排17～23萬t, NOx減排7～9萬t, PM10減排50～67萬t, PM2.5減排44～59t.所以解決農村燃煤污染問題,改善建筑圍護結構保溫性能是重要的途徑.

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