北京 PM2.5与冬季采暖热源的关系及治理措施 项目成果报告 清华大学 建筑节能研究 中 心 2014.8.27 项目信息 项目资助号 R-1308-18879 Grant NumberR-1308-18879 项目期 2013 年 8 月 1 日 至 2014 年 1 月 31 日 Grant period 08/01/2013-01/31/2014 所属领域 建筑 Sector Building 项目概述 本 项目 根据 PM2.5 的形成机理，提出在不同的地理、气象环境下（城市与农村）控制 PM2.5 生成量最关键的控制量，研究在不同的环境条件下氮氧化物 NOX和挥发性碳氢化合物 VOC 对于大气氧化性的影响，得出控制 PM2.5 生成的最关键控制因素。对北京市的冬季供热各种热源进行调研测试与计算，得出不同燃料、不同燃烧方式下单位燃料产出的氮氧化物 NOX 和挥发性碳氢化合物 VOC 以及二次生成的PM2.5 总量。基于北京市 的供热规划进行情景分析，分析按照目前的规划北京在 2015年的采暖能耗以及对 PM2.5 生成的贡献量。根据以上分析，提出从冬季供热热源调整的方面减少 PM2.5 排放量的合理政策建议与供热的技术发展方向，并明确指出其经验效益与节能减排效果，针对此优化情景，提出具体的政策建议与技术措施建议。 Project Description Based on the ation mechanism of PM2.5, researches are conducted on the impacts of NOx and VOC on atmospheric oxidation, by which we can identify the key control variables of PM2.5 generation. It is found that the total NOx emission amounts of various winter heating systems by investigations, tests and calculations of a wide range of Beijing winter heating sources. According to scenario analyses of Beijing current heating system planning, it could be drawn out that the entire energy consumption by heating systems and its contribution to PM2.5 ation in 2015. On the basis of above studies, some policy proposals and winter heating system development directions could be put forward for declining PM2.5 emissions from adjusting winter heating sources structure. It will be made clear that the economic and energy saving effects of these policies and technology directions. 项目成员 江亿 唐 孝 炎 倪 维斗 岳 光溪 杨 旭 东 燕 达 胡 姗 王 静 贻 Project team Yi Jiang, Xiaoyan Tang,Weidou Ni,Guangxi Yue,Xudong Yang, Da Yan, Shan Hu, Jingyi Wang, 关键词 北京 PM2.5 NOx 冬季采暖 Key Word Beijing PM2.5 NOx Centralized district heating 本报告由能源基金会资助。 报告内容不代表能源基金会观点。 This report is funded by Energy Foundation. It does not represent the views of Energy Foundation. 4 摘要 近 两年 冬季，我国多地遭遇了严重的雾霾天气，尤其是京津冀地区，空气重度污染，影响 了人们的生产 、 生活 。为了治理严重灰霾天气，北京市政府采取了热电联产“煤改气 ” 、煤制天然气、削减农村散 煤等一系列措 施。这些措施对减少灰霾有多大的作用， 应该如何通过调整 采暖 方式来 减少北京灰霾 针对这些问题，本研究首先 研究了 PM2.5的形成机制与造成严重灰霾的关键因素； 然后 从 采暖方式、 采暖 能耗水平等角度分析了北京 市 的冬季采暖热源现状，包括城市 的集中供暖现状 、 农村 分散 采暖现状， 在此基础上 ， 通过 调研、计算 、测试 等 方法， 比较 了城市各类集中供暖热源 、 农村分散采暖方式对 PM2.5的 形成的 影响； 最后 根据 以上的研究成果，给出相应的 如何 通过调整采暖模式来 治理 北京 PM2.5的 政策建议。 研究表明减少 NOx 排放量是治理城市 PM2.5的关键，而热电联产 “ 煤改气 ”措施并不能显著降低 NOx 排放量，反而会大幅增加天然气用量，造成用气矛盾，因此不宜作为治理大气污染的有效措施来大范围推广。农村 的 一次 PM2.5排放总量远高于城市地区大型锅炉的排放水平，因此，农村应该作为北京市 PM2.5减排的重要突破点之一，给予相应的重视， 具体 措施 可以 通过用型煤锅炉或生物质锅炉替代土暖气， 这能 有效减少农村 地区的 一次 PM2.5排放 。 5 目 录 1 引言 6 2 研究技术路线 6 3 细颗粒物 PM2.5 的主要成分及形成机制 7 3.1 细颗粒物 PM2.5 的主要成分 7 3.2 细颗粒 物 PM2.5 的形成机制 8 3.3 小结 10 4 北京市冬季采暖现状 11 4.1 城市 11 4.2 农村 11 5 北京市各种采暖热源对 PM2.5 形成的贡献分析 12 5.1 城市集中供热热源对 PM2.5 形成的贡献分析 12 5.2 北京市农村分散采暖热源对 PM2.5 形成的贡献分析 19 6 关于合理利用燃煤与天然气与优化供热能源结构的讨论 20 6.1 燃煤的合理利用 20 6.2 天然气的合理利用 24 7 对北京市采暖热源优化与 PM2.5 治理的政策建议 25 7.1 总体能源结构 25 7.2 城市采暖 26 7.3 农村采暖 26 参考文献 . 27 6 1 引言 2012 年至 2013 年冬季，我国多地遭遇了严重的 雾霾 天气，空气重度污染，部分城市空气污染指数突破 可吸入颗粒物浓度上限 ，尤其是京津冀地区。 2012 年 1 月 12 日，北京持续空气六级严重污染，北京的可吸入颗粒物浓度高 达 786μ g/m3， 天津为 500μg/m3， 石家庄 1为 960μ g/m3，超过了我国可吸入颗粒物浓度上限（ 75μ g/m3）十倍以上 2。2013 年 10 月 20-23 日，黑龙江省刚开始冬季采暖，多市即发生了严重的 雾霾 ，空气质量急剧恶化， PM2.5 持续 “爆表 ”，哈尔滨部分监测点 3PM2.5 一度高达 1000 𝜇𝑔/ 𝑚3。 雾霾是雾和霾的组合词，但“雾”和“霾”实际上是有区别的。雾是指大气中因悬浮的水汽凝结、能见度低于 1 公里时的天气现象 ， 而霾是空气中悬浮的大量微粒和气象条件共同作用的结果。 近期全国 多地出现的 “ 雾霾 ” 现象， 从成因上更 科学的说法应该是霾，或者灰霾 ，本文的研究也 是 针对空气中悬浮颗粒物造成能见度降低及各种危害的大气现象，因此 本文中统一使用“灰霾” 来指代 。灰霾 会 对交通运输、农作物生长、生态环境等均产生重要影响 ， 还会造成空气质量下降，灰霾中的可吸入颗粒物被吸入人体呼吸道后，会严重威胁人的健康，长期吸入严重者甚至会导致死亡。 冬季为 灰霾 天气的频发时期，说明 灰霾 天气的形成与冬季采暖有着密切的关系。 为了治理大气污染，缓解严重 灰霾 天气 造成 的严重危害，北京市政府 提出 了 空气治理目标和相应的 政策 措施 ，如大气污染防治行动计划（简称 “国十条 ”）、北京市 2013-2017年清洁空气行动计划等，空气质量的治理目标包括到 2017 年，空气中的细颗粒物（ PM2.5）年均浓度比 2012 年下降 25以上，控制在 60 𝜇𝑔/ 𝑚3；治理的方法包括削减燃煤，提高电力、天然气等清洁能源的供应力度；推动燃气热电联产替代燃煤热电联产、煤制天然气、燃煤锅 炉清洁改造、全面整治小锅炉、削减农村散煤等 。 那么 ， 北京市冬季 采暖对 PM2.5 的 形成 到底 有多大影响， 这些措施 对缓解雾霾天气又多大 作用 ，应该如何通过调整 采暖 方式来 减少灰霾本研究 的目标即 是 回答这些问题。 2 研究技术 路线 本 研究 的目标 是 明确 北京 PM2.5 与冬季 采暖 热源 的关系 ， 并提出相应的治理措施 和政策建议 。 针对此目标 ， 本研究首先 研究了 PM2.5 的形成机制与 造成 严重灰霾的关键 因素 ； 然后 从 采暖方式、 采暖 能耗水平等角度分析了北京 市 的冬季采暖热源现状， 包括城市 的集中供暖现状 、 农村 分散 采暖现状 ， 在此基础上 ， 通过 调研、计算 、 测试 等 方法，比较 了城市各类集中供暖热源 、 农村分散采暖方式 对 PM2.5 的 形成的 影响 ； 最后 根据 以上的研究成果，给出相应的 如何 通过调整采暖模式来 治理 北京 PM2.5 的 政策建议。 具体的研究技术 路线 图 如 图 1 所示 。 7 P M 2 . 5的 主 要成 分 与形 成 机制北 京 市 冬 季 采 暖 热 源 现 状城 市 集 中 供 暖 现 状（ 方 式 、 能 耗 等 ）农 村 分 散 采 暖 现 状（ 方 式 、 能 耗 ）城 市 各 类 集 中 供 暖热 源 对 P M 2 . 5 形 成的 贡 献 对 比农 村 分 散 采 暖 对P M 2 . 5 形 成 的 贡 献政 策 建 议图 1 研究技术路线 图 3 细颗粒物 PM2.5 的 主要成分 及形成 机制 3.1 细颗粒物 PM2.5 的主要成分 中国大城市和特大城市 的 监测 数据 表明，在一般情况下， 空气中 粒径小于 2.5μ m的细颗粒物（ PM2.5） ， 占到 粒径小于 10μ m 的细颗粒物 PM10的 50-80，而 在 出现重度空气污染、能见度低时， PM2.5 占了 PM10 的绝大部分，说明造成严重大气灰霾的主要原因是 粒径小于 2.5μ m 的细颗粒物，即 PM2.5。 北京大学唐孝炎院士的研究表明 4， 大气中的细颗粒物 PM2.5 包括一次 生 成的 细颗粒物和二次 生 成的 细颗粒物。一次细颗粒物来源于工业、建筑、交通、电力、其它生产和生活活动以及天然源的排放，例如沙尘、风扬尘、建筑与道路排放的各种尘，各种燃烧过程和工业过程等散发的金属元素、碳黑、元素碳、一次有机物等。二次细颗粒物是由各种人为排放的污染气体被大气氧化剂（ O3， OH 等）氧化生成，包括二次有机颗粒物、硫酸盐颗粒物、硝酸盐颗粒物、铵盐颗粒物等 ，转化 过程的示意图见 图 2。在一般情况下，二次 PM2.5 占 PM2.5 总量的 50-80左右；在重污染时期，二次 PM2.5 占 PM2.5 总 量的比例还会明显增加。可见，二次 PM2.5 是 严重灰 霾 天气时 的主要污染成分。 8 图 2 大气中的化学转化过程 3.2 细颗粒物 PM2.5 的形成 机制 下面讨论二次 PM2.5的生成过程，当空气中出现大量二氧化氮 NOx时，有如下反应 NO2 在阳光的 作用下发生光化学反应，分解成一氧化氮 NO 和一个氧原子 O（如反应（ 1）所示）；氧原子 O 与空气中的氧气 O2 反应生成臭氧 O3（如反应（ 2）所示）；臭氧 O3再和（ 1）中的生成物一氧化氮 NO 反应生成 NO2（如反应（ 3）所示），该反应生成的NO2、 O2 又可以作分别为（ 1）、（ 2）中的反应物进行光化学反应。反应（ 1）、（ 2）和（ 3）不断循环使得大气中的 O3 浓度保持在正常水平。 𝑁𝑂2 ℎ𝑣→ 𝑁𝑂 𝑂 （ 1） O𝑂2 → 𝑂3 （ 2） 𝑂3 𝑁𝑂 → 𝑁𝑂2 𝑂2 （ 3） 但是 ，如果大气 中同时 还有 VOC， 则 VOC 会 与大气中存在的 OH 自由基进行链式反应，生成超氧化氢 HO2（如反应（ 4）所示） 。 HO2 将（ 1）中生成的 NO 氧化成 NO2及 OH 自由基 （如反应（ 5）所示） 。由于这个反应（ 5）的反应速度很快，消耗掉 NO，使 O3 无法与 NO 按照 反应 （ 3）进行还原反应生成 NO2 和 O2，致使大气中 O3 无法被消耗掉 ，从而 不断积聚，浓度升高。也就是说， 大气中的 NOx 与 VOC 会使 O3 在大气中积聚，从而使大气氧化性增强。一旦大气氧化性增强， NOx、 VOC、 SO2 等污染气体会被氧化成二次细颗粒物。同时，由于这些二次生成的细颗粒物粒径小，比表面积大，为转化反应提供了大量的反应床，使更多的气体污染物向二次颗粒物的转化不断进行。也就是说 NOx 与 VOC 导致大气的氧化性显著增强，形成大量二次 PM2.5，是造成严重灰霾天气的根本原因。 𝑉𝑂𝐶𝑂𝐻 →链式反应→ → 𝐻𝑂2 （ 4） 9 𝐻𝑂2 𝑁𝑂 → 𝑁𝑂2 𝑂𝐻 （ 5） 实际的监测数据也可证实这一点 图 3 至 图 5 是北京大学气象站点监测 2013 年 1月监测的逐时 PM2.5、 NOx 的浓度变化 ， 可以发现在重度空气污染发生时， PM2.5 浓度与NOx 浓度的变化 完全 同步 ， 佐证了 NOx 与 PM2.5 浓度变化有很强的相关性。 图 3 至 图 5同时也说明当 PM2.5 浓度出现尖峰时， SO2 浓度始终稳定在较低的水平 ， 说明 并不能认为 SO2 是导致 PM2.5 浓度增加的主要原因。 图 3 北京大学气象站点监测 2013 年 1 月 PM2.5 和 NOx 的变化过程 图 4 北京大学气象站点 2013 年 1 月中旬空气监测数据 0100200300400500600700800201 3/ 1/ 9 201 3/ 1/ 10 201 3/ 1/ 1 1 201 3/ 1/ 12 201 3/ 1/ 13 201 3/ 1/ 14 201 3/ 1/ 15 201 3/ 1/ 16浓度（ug/m3, ppb）S O 2NONOxNOyP M 2.5 - 30P M 2.5 - 5010 图 5 北京大学气象站点 2013 年 1 月下旬空气监测数据 由 上述 可见， NOx 与 VOC 是引发重度灰霾天气的元凶，所以，控制 NOx 与 VOC的排放量是缓解灰霾天气的重点。 NOx 的来源主要是化学燃料的燃烧，包括煤、天然气的燃 烧 ，以及汽车中汽油燃烧等，易于集中控制。而 VOC 的来源包括化工业、汽车尾气、洗衣房、民用炊事、秸秆燃烧等，属于面源，远比 NOx 排放源分散，难 以 控制。而 NOx 与 VOC 只要控制其中一种，便可以阻止上述的 （ 4）、（ 5）反应发生， 抵制大气 氧化性增强 ，遏制严重灰霾天气的形成。因此，从实际的空气质量控制和灰霾天气防治来说，最切实可行的措施便是 控制各种排放源的 NOx 排放量 。 20 世纪 70 年代， 为了减少大气中的细颗粒物， 美国和欧盟开展了 NOx 的治理行动。美国和欧盟不仅仅是确定 NOx 的排放上限，而且考虑不同地区的环境容量不同，根据二次污染物的目标减少量来确定 NOx 的排放总 量，然后把总量分配到各地区 5。 1981 年起，日本也开始实施 NOx 限排措施，以治理氮氧化物引起的大气污染。由此可见，发达国家的治理空气污染、尤其是治理 PM2.5，均采用了减排 NOx 的政策措施 6。 3.3 小结 通过对细颗粒物 PM2.5 的成分及形成机制 进行研究 可见 大气灰霾主要来自 PM2.5，包括工业等活动直接排放的一次 细 颗粒物和由气体向颗粒物转 化 的二次 细 颗粒物。 PM2.5 占到 PM10 的 50-80，其中 PM2.5 组分占 PM2.5 50-80左右，而且在重污染时期，二次颗粒物的组分在 PM2.5 中的比例明显增加。因此，治理二次颗粒物是减少 PM2.5 总量，治理大气灰霾的关键。 二次颗粒物形成是由于大气氧化性导致气体污染物被氧化形成，而 NOx 和 VOC 是导致大气氧化性增强，大量生成二次颗粒物，从而造成大气灰霾现象的元凶，所以治理NOx 和 VOC 是解决 PM2.5 的重点，而 VOC 污染源分散且不易控制，因此控制城市内的NOx 排放是治理大气污染，缓解灰霾现象的关键。 01002003004005002013/ 1/ 25 20 13 / 1/ 26 2013/ 1/ 27 2013/ 1/ 28 20 13 / 1/ 29 2013/ 1/ 30 2013/ 1/ 31 2013/ 2/ 1浓度（ug/m3, ppb）S O 2NONOxNOyP M 2.5 - 30P M 2.5 - 5011 4 北京市 冬季采暖现状 4.1 城市 2012 年 ， 北京市城镇 人口共 1783.7 万人 ， 集中供热 面积为 52555 万 m2，热电厂 供热能力为 7187MW，锅炉房供热能力为 31111MW7。 供热 总量 为 35222 万 GJ， 其中热电厂供热 量 为 5752 万 GJ，锅炉房供热 量为 29470 万 GJ7。 采暖热源 形式 主要为燃煤锅炉、 燃气锅炉、 热电联产等。 煤炭 消耗 总量为 2265 万 t，其中发电和 集中 供热消耗1236 万 t，占煤炭消耗 总 量 的 55；天然气 消耗 总量为 92 亿 m3， 其中 发电和 集中 供热消耗 35 亿 m3， 占天然气消耗总量的 387。 值得注意的是，根据 “国十条” 、 北京市 2013-2017 年清洁空气行动计划 等 提出的 为了提高 空气质量而 重点调整 的 城市 集中 采暖 热源 形式 是 热电联产 “煤改气 ”（使用大型燃气热电联产全面替代大型燃煤热电联产）。 2013 年计划完成燃煤锅炉 “煤改气 ”改造 2100 蒸吨 8，实际完成 2407 蒸吨改造，四环内基本取消燃煤锅炉房，将北京城区的四家主力热电厂（华电、国华、石景山、高井）基本都改成了天然气热电联产， “煤改气 ”任务超额完成 15 9。计划到 2015 年，北京城五环以内的燃煤设施都全部消失，四大燃气热电中心将取而代之，用气量预计高达 170 亿立方米。 “十二五 ”期间为进行 “煤改气 ”，北京市的基础设施建设资金将达 300 亿元 10，北京天然气总消费量也将大幅增长 。但 是， 到底 这个措施对减少灰霾、改善空气质量 能 有多大的作用 ，是一个急需研究 的问题。 4.2 农村 截至 2012 年底北京农村地区共 182 个乡镇， 3940 个村委会， 215.2 万户，常住人口582.5 万 7。为详细了解北京农村地区的采暖用能现状，我们通过随机抽取的方式，在北京市调研了 153 个村庄共计 4235 户农村家庭的采暖用能情况。调研结果显示，燃煤（包括散煤、煤球等）、秸秆树枝 和电是北京农村常见的采暖能源形式，与之相匹配的采暖设备分别 为土暖气、传统炕灶和电取暖设备（包括空调、电暖气和电褥子等）。 表格 1所示为北京农村地区采暖能源消耗的调研值和推算值。 表格 1 北京农村地区冬季采暖能源使用量 项目 能源年消耗量 调研总量 调研户均量 北京市总量 单位 t万 kwh tkWh 万 t万 kwh 燃煤 9977.3 2.356 507.0 生物质 1987.2 0.469 101.0 电 105.8 249.8 53761.9 根据 表格 1 中 的数据，可计算北京市农村地区冬季采暖能耗，如 表格 2 所示。计算结果 显示， 燃煤 是目前北京农村地区 冬季采暖能耗 的最主要组成部分 ， 占 农村 总采暖12 能耗的 82.0。 通过 对土暖气 （使用 燃煤） 的污染物 排放测试可以发现， 燃煤 单位 质量的燃煤， CO、 CO2 和 NOx 的排放指标分别为 315.5 g/kg、 1148.7 g/kg 和 464.5g/kg。 因此 ，北京 农村地区因土暖气燃烧燃煤所造成的 CO、 CO2 和 NOx 等 污染物的排放 分别 可达到 160.0 万吨 、 582.4 万吨 和 235.5 万吨 。 表格 2 北京农村地区采暖能耗结构 项目 能源消耗总量 折合标煤 占比 单位 万 t万 kwh 万 tce 燃煤 507.0 362.1 82.0 生物质 101.0 57.7 13.1 电 53761.9 21.7 4.9 合计 441.6 100 5 北京市 各种采暖 热源对 PM2.5 形成的贡献 分析 5.1 城市集中 供热热源对 PM2.5 形成 的贡献分析 从 第 3 节 的分析可以得出，控制 NOx 的排放量是缓解北京大气重度灰霾天气的关键。 冬季是灰霾天气的高发期， 各类采暖热源是冬季重要的 NOx 排放源。北京市目前正在推行 热电联产 “煤改气 ”， 这个措施 对治理雾霾 、改善空气质量有多大的作用呢针对这个问题，我们进行了如下的分析和计算。 5.1.1 不同 集中供热热源 单位燃料的 NOx 排放量 表格 3 不同采暖方式单位燃料 NOx 的排放强度 燃烧设备 排放强度 备注 数据来源 kg/tce mg/m3 烟气 大型燃煤锅炉热电联产 2 200 脱硝后 岳光溪院士提供11 燃煤循环流化床 98），得到的气体产品经压缩、干燥除去 CO2 便产出 SNG24。 图 10 鲁奇法制备 SNG 工艺流程示意图 24 2. 德士古加压 水煤浆气化技术 德士古加压水煤浆气化技术是由美国德士古公司开发的，是一种以水煤浆为进料、氧气为气化剂的加压气流床并流气化工艺，气化过程包括煤浆制备、煤浆气化、灰水处理等工序，是较成熟的煤气化技术 27。目前我国采用该技术的在运行装置有 20 多台鲁22 南化肥厂、上海焦化厂、陕西渭河化肥厂、神华包头煤化工有限公司、山东华鲁恒升化工股份有限公司等 27。 图 11 表示了德士古法生产煤气合成气的工艺流程。原料煤送入磨机，同时在磨机中加入水、添加剂、石灰石、氨水，经磨机研磨成具有适当粒度分布的水煤浆，水煤浆由低压煤浆泵送入煤浆槽中；水煤浆经高压煤浆泵加压后与高压氧气经德士古烧嘴混合后呈雾状喷入气化炉燃烧室，在燃烧室中进行复杂的气化反应，生成的煤气和熔渣经激冷环及下降管进入气化炉激冷室冷却，冷却后的煤气经喷嘴洗涤器进入碳洗塔，熔渣落入激冷室地步冷 却、固化、定期派出；在碳洗塔中，煤气进一步冷却、除尘、控制水气比（即水汽与干气的摩尔比），然后煤气出碳洗塔进入后工序 28。 图 11 德士古法制备煤气合成气工艺 流程示意图 28 3. 壳牌 煤粉加压气化技术 图 12 表示了壳牌法生产煤气合成器的工艺流程。壳牌煤粉加压气化工艺大体上可分为煤粉制备、煤粉输送、气化、气体净化 4 个单元。原料煤经破碎后在热风干燥的磨机内磨制成＜ 100μ m 的煤粉，由常压料斗进入加压料斗，其加煤方式采用密封料斗法常压粉煤落入变压煤仓，经充 N2 升压后落入操作压力略高于气化炉的工作煤仓，由星形加料器或螺旋输送器送出，用 N2 浓相输送入气化炉。壳牌开发的气化炉为对置式 4喷嘴，采用下部干粉加压进料。通 常气化炉操作温度为 1500-1700℃，炉体内四周均布水冷壁列管，熔渣在水冷壁上形成一定厚度的固体渣层，排渣从炉底锁斗派出，合成气由炉子上部引出，在出口处加入经过降温的返回合成气激冷，然后进入废热锅炉内产生高压蒸汽以回收热量，所夹带的灰渣颗粒经旋风分离返回气化炉 29。 23 图 12 壳牌法制备煤气合成气工艺流程示意图 29 6.1.1.3 “ 煤制气 ” 应如何 利用 “煤制气 ”的 效率较低，约为 5018， 其 生产 的天然气 可 用于居民 生活、 发电、热电联产等。 若 将 “ 煤制气 ” 生产的天然气用于 居民 生活，如壁挂炉 ， 能同时解决采暖和生活热水供应 问题 ，壁挂炉的效率较高，约为 9240， 如此 总的 热 效率 为 509246，而 家庭用煤炉 的热效率 为 30-5030， 40。若将 “煤制气 ”生产 的天然气用于发电， 燃气 发电的效率约为 5540， 如此总的 热效率约 为 28， 低于 直接 燃煤发电 的 效率 （ 一般约为3540， 上海外高 桥第三发电厂燃煤 发电效率为 45） 。若将 “煤制气 ”生产 的天然气用于热电联产， 燃气 热电联产 的 发电 和 供热效率 分别 约为 45、 3540， 如此 总的 发电 与供热效率 分别 约为 23、 18， 远低于 直接燃煤热电联产的 发电 与 供热 效率（ 分别 约为25、 5040）。 由上述 分析可见， 从 能源效率的角度来看， “ 煤制气 ” 生产的天然气可用于居民生活中 ， 如 用燃气 壁挂炉 替代家庭用 蜂窝煤炉 ，来同时满足居民采暖和生活热水的需求，但是 “ 煤制气 ”生产的天然气用于发电或热电联产 的 能源效率 远低于 直接燃煤发电 、 直接燃煤热电联产 的 能源效率， 因此 ， “ 煤制气 ” 生产的天然气 用于 发电 或 热电联产 是 较不可行的。 另外 ， “ 煤制气 ” 的 过程中会对环境造成污染， 如 煤转气阶段的 NOx 排放因子为5.6kg/tce31，而之前提及的常规大型燃煤热电联产直接燃煤的 NOx 排放因子仅为 2kg/tce。并且， “煤制气 ”需要 消耗大量水资源 ， 40 亿立方米产能的项目水资源年消耗量为 1600万吨 32，单位热值水耗为 0.18-0.23t/GJ33。 6.1.2 小结 由于 煤制天然气会损失约 50的热量， 因此从 能源效率的角度来考虑 ，“煤制气 ”生产 的天然气可用于居民生活， 如 用燃气壁挂炉 替代家庭 用煤炉 ， 但 并 不适合 用于直接发电或者热电联产。 另外， 煤制天然气的过程 会 对环境造成污染 ，占用缺水的煤矿地区的宝贵水资源 。 而且， 根据第 5.1 节 中的分析， 把气输送到城市，在城市采用燃气热电24 联产的形式来供热，会较基于清洁燃煤技术的燃煤热电联产产生更多的 NOx，那么，与其采用 “煤制气 ”制取天然气、再将气输送至市区使用燃气热电联产来供热，何不在城市的远处直接用煤发电、把电输送到城市，而城市采暖则采用基于清洁燃煤技术的燃煤热电联产呢 6.2 天然气 的合理利用 6.2.1 从我国的能源结构看天然气 的合理利用 对于发达国家， 在其能源结构中天然气的比例较高 （如 表格 9 所示） ， 例如美国和英国 的 天然气 消费量占其能源总消费 的比例分别高达 30和 35，与油的比例差不多（油占的比例分别为 37， 34）。对于他们，优化能源利用的目标就应该是高效利用天然气，那么燃气热电联产就是一种很好的利用方式，能够高效地利用天然气，同时提供电力和建筑的供暖需求。但是我国的能源结构是以煤为主，煤的消费量在能源总消费量中占 68，而天然气仅 约 占 520, 34。 IEA 及 BP 预测 未来中国的天然气消耗量占总消费量的比例 也不会有很大提高， 到 2020 年 约为 8， 2035 年 约为 10-1235,36。因此 ，对于 天然气 匮乏的我国 而言 ， 天然气是稀缺资源，应该充分发挥天然气清洁能源和快速调节的特点 ， 把有限的天然气用在最 能发挥 其特点的地方 。 表格 9 2012 年各国天然气、 油、煤 消费量 占能源 总 消费量 的 百分比 37 国家 油 天然气 煤 美国 37 30 20 德国 36 22 25 英国 34 35 19 俄国 21 54 14 日本 46 22 26 中国 18 4.7 68 6.2.2 天然气 的合理利用方式 针对各类天然气的应用方式，应从获取最佳的能源利用率和最大的污染物减排效果出发，科学地规划天然气应用范围，把有限的宝贵的天然气资源用在 单位天然气替换其他燃料能够发挥出最大减排效果的地方。 田贯三等（ 2009）做了相关的研究，计算了各种能源应用方式中 1m3 天然气替代煤炭后能 减少 的烟尘、 SO2 和 NOx 的排放量，如 表格 10 40 所示，这 可以作为应将天然气用于替代煤炭的哪种应用方式的参考 判断依据 可按照当地具体的减排要求（哪种污染物是最需要减排的），根据表格 6 中的减排因子将各应用方式进行排序，将天然气应用于最需要的地方。 另一方面，天然气电厂作为调峰电厂可以充分发挥其快速调节的特点。北方风电的“弃风”情况严峻，“弃风”率约为 2038，大量“弃风”的主要原因之一是风电受天气影响明显，具有波动特性，而电网的调节能力不足。水电是最适于风电调峰的方式，但是受地理位置限制，我国的风电多在北方而水电多在南方，因而水电用于风电调峰也受到限制。在我国的北方多为燃煤火电，其惯性较大，无法快启快停以配合风电调峰。相比之下，燃气轮机可快启快停，是很好的调峰手段，从而缓解弃风现象。但一 旦使用25 天然气热电联产来供热，就需要“以热定电”，这样就彻底丧失了天然气的调峰功能，还会挤压常规燃煤火电的发电运行小时数。目前我国许多大型的高效燃煤电厂均在部分出力的工况下运行，年运行小时数较低（如全国 60 万千瓦、 30 万千瓦机组的年运行小时数分别为 5362 小时、 5402 小时 39），这是对设备巨大初投资的浪费。而燃气电厂设备初投资成本低、运行成本高，就应该将燃气电厂仅作为调峰的手段，同时还能使得燃煤电厂的年运行小时数增加。 表格 10 1m3 天然气替代 煤炭后 的 平均 城市 环 境 减排 量（ 单位 g） 40 天然气用户 替代燃煤方式 烟尘 SO2 NOx 家用燃气锅炉（如壁挂炉） 家用小煤炉采暖（原煤） 256.26 63.70 21.61 家用燃气锅炉（如壁挂炉） 家用小型煤炉采暖（型煤） 58.41 60.20 19.47 天然气联合 循环 热电联产 燃煤热电联产 3.88 41.10 13.09 燃气蒸汽联合循环 热电联产 燃煤发电 与 燃煤锅炉 4.43 15.15 3.74 小型燃气锅炉 立式燃煤锅炉，功率 ≤1t/h 128.94 46.80 12.24 燃气锅炉 卧式 燃煤锅炉 ,1t/h＜功率 ≤ 4t/h 14.57 33.82 9.89 燃气锅炉 卧式燃煤锅炉 ,4t/h＜功率 ≤10t/h 10.25 30.20 8.69 燃气锅炉 燃煤锅炉，功率＞ 10t/h 4.93 23.21 7.78 燃气联合循环冷电联产 燃煤发电与电制冷 -0.4 -0.02 -2.76 楼宇式热电联产 燃煤发电与燃煤锅炉 2.20 23.27 7.15 楼宇式 冷电 联产 燃煤发电与电制冷 -0.4 -0.02 -2.76 直燃机式吸收机 （ 冷） 燃煤发电与电制冷 -0.4 -0.02 -2.76 注 1. 由于 燃煤 发电 被认为是设 在外地 发电然后再将电输送到城市内 ， 所以这部分 的 排放不算做城市内 环境排放 ； 由于 其他 燃煤利用 方式 ，如燃煤热电厂等 ， 都是设在城市 内， 所以 其他燃煤利用方式 的排放均算作 城市 内环境 排放。 2. 由于燃气 联合 循环冷电 联产、 楼宇式 冷电 联产、直燃机 制冷 等 制冷 效率较低 ， COP 约为1-1.2，远低于水冷式电制冷的 COP（约为 5） ，所以对城市内 的 环境不仅不减排 ， 而且增加 了 排放量 ，故 减排量 为 负 值 ， 但是 对 整个 大气 污染物的 减排 还是有一定 效果 的。 6.2.3 小结 与天然气 资源 丰富 的发达国家不同，我国 天然气资源 匮乏， 所以 ， 我国天然气的 利用方式 需走一条和 发达国家不同的路线， 要 把 有限、 宝贵的天然气资源用在 最能 发挥其清洁能源和快速调节的特点 的地方 。 为了发挥天然气 “ 清洁能源 ” 的特点， 在 进行能源规划的时候， 可通过计算 单位天然气替换其他燃料 后的污染物 减排 量，然后可以此作 为规划天然气用途 的判断依据。 另一方面，天然气电厂作为调峰电厂可以充分发挥其快速调节的特点 ， 进而 还能 缓解 “弃风 ”现象 ， 增加燃煤电厂 年运行 时间 。 7 对北京市 采暖热源优化与 PM2.5 治理 的政策建议 7.1 总体能源 结构 我国能源 结构 是以 煤为主， 煤的消耗量 约占 总的能源 消费量 68， 而天然气 仅占 5。以煤 为主的 能源 结构在未来 较长的一段时间也 不会 改变。针对 我国独特 的能源禀赋，我26 们 应该研发 、 应用 清洁、 高效 的煤利用 方式 ， 将有限 的天然气用在 最能 发挥其 清洁能源和快速调节的特点 的地方。 7.2 城市采暖 通过计算与分析发现，北京市目前推行的热电联产 “煤改气 ”措施，并不能显著降低NOx 排放量，起到减排和缓解灰霾的作用，反而会大幅增加天然气用量，造成用气矛盾。我国的能源结构是以煤为主，煤的消费量在能源总消费量中占 68，而天然气仅占 5。若全面推广 “煤改气 ”，需要从国外大量进口天然气，国家能源安全受到威胁，能源形势将会变得很严峻。 我国煤资源丰富，清洁、高效的煤燃烧技术是符合我国能源国情的最合适的能源利用方式。 我们建议在北京等大城市采暖方式应以采用我国自主的高效清洁煤燃烧技术的燃煤热电联产为主，这种能源利用方式可以以燃煤为燃料，通过热电联产产生同样的热量，而 NOx 的排放量约仅为燃气蒸汽联合循环方式的 13，甚至低于天然气锅炉供热，是符合我国国情的能源利用方式，不仅能高效、清洁地利用我国丰富的煤资源，而且能大量减少 NOx 的排放量，从而降低二次颗粒物的数量，缓解严 重的灰霾天气。 7.3 农村采暖 通过 测试 与 计算 分析 发现， 虽然农村地区用于采暖的燃煤和生物质总量 较小 ，但其一次 PM2.5 排放总量远高于城市地区大型锅炉的排放水平。因此，农村应该作为北京市PM2.5 减排的重要突破点之一，给予相应的重视 。 目前，北京农村地区冬季采暖以土暖气和生物质炕灶为主，燃料的低效非充分燃烧，是导致 一次 PM2.5 排放总量居高不下的主要原因 。 当采用型煤锅炉或生物质锅炉替代土暖气后，在满足相同采暖负荷的情况下，与燃烧燃煤相比，型煤锅炉和生物质锅炉造成的户均一次 PM2.5 排放可分别降低 36.8和 68.7。由此可见，从农村采暖设备入手，可以显著降低农村住宅用能所造成的一次 PM2.5 排放，对改善大气环境具有重要意义。 27 参考文献 1 中国环境监测总站网站数据 2 环境空气质量标准 . 中华人民共和国国家标准 GB 3095-2012 3 中华人民共和国中央人民政府网http// 4 于 2013 年 3 月 28 日清华大学建筑 节能周 论坛唐孝炎院士发言 ppt 5 胡倩 ，张世秋，吴丹 . 美国和 欧洲氮氧化物控制政策对中国的借鉴意义 . 环境保护 , 2007（ 10） 6 http//ww