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北京扩大合理利用天然气问题
国家计委原局长、教授级高工 王海
2001年9月
一、乘申奥成功的东风，把北京市的环境质量再上一层楼。
自1998年以来，北京市的污染防治工作被列入国家环保重点工程，“九五”期间环境保护投入资金340亿元，包括空气在内的环境质量有所改善。但要真正改善北京的生态环境，办好绿色奥运，北京在这方面还有很大差距。
北京是世界大城市中大气污染最严重的城市之一，根据联合国环境规划署的监侧，在全球大气污染最严重的10个大城市中，北京排名第三。
北京又是一个人口超千万，消耗能源的大城市。1995年北京市能源消费总量高达3400万吨标难煤，在全国各省、市中，仅低于上海市的4200多万吨标准煤，居全国第二位。1985年至1995年，北京能源消费年均增长率为4.37％，平均每年增加120多万吨标准煤。
北京的能源消费又以煤炭为主，十几年来煤炭在能源消费结构中一直保持60％左右，1995年全市煤炭和焦炭的消费量高达2800多万吨，而且绝大部分在市区直接燃烧，造成市区大气环境的严重污染。
由于历史的原因，北京发展了相当数量的大耗能工业，在1994年能源消费总量中，第二产业所占比重最大，约为65％，而居民(包括农村)仅占13%左右。
这些都是我们面临的困难。但是我们相信在党中央和国务院的关注下，在全国上下全力支持筹备奥运的机遇，我们的有利条件很多。据报载为举办奥运会，北京将投入2800亿元，其中有1800亿元用于基础设施建设，713亿元用于环境保护及治理污染，170亿元用于场馆建设，l13亿元用于运营费用。这投入总额比建设三峡工程投入还多。这些投入将使北京市的城市建设上一个新台阶，也创造条件给北京环境质量出现新面貌。
二、北京大气污染改善的根本出路是改变煤炭为主的能源消费结构，增加清洁能源的供应特别是天然气的供应。
据有关资料，北京大气污染中90％的二氧化硫和80％的可吸入颗粒物是出燃煤产生的，是燃煤型的大气污染，特别是冬天采暖季节，大气污染超标严重，每年采暖用600—700万吨煤，是最大污染源。从治理北京市大气污染环境任务来说，这应是我们主攻的目标。用高效清洁的天然气代替煤作燃料是一个好办法。
天然气在管道长输中为了避免对管线的腐蚀，在气田产出时都要经过脱硫等净化处理，因此用户在燃烧天然气时，几乎不产生二氧化硫、飘尘，排放的氮氧化物、二氧化碳及各种烃类污染物均低于煤和石油产品。
从长远考虑，为把北京建成现代化国际城市，必须逐步用气体燃料和其它优质能源把市区的民用煤和部分工业用煤替代下来，改善北京能源消费结构，否则很难根本改善北京市的大气环境质量。
有关研究工作证明，按北京市区能源供应清洁能源的多少的3个方案，即以煤为主、适度使用清洁燃料、大量使用清洁燃料3种情况进行比较，煤炭在总燃料消费(不含加工转换和冶金行业)中的使用比例分别为65%,57％，8％，城市燃气的年消费量分别达到23.2、29.8、51.5亿立方米／年(其中天然气量分别为16.5、23.1、44.8亿立方米／年)。利用环境预测模型对北京市2010年三个方案各项环境指标分别进行了计算分祈，分析结果方案一的二氧化硫和氮氧化物在总排放量方面均超过1995年的总排放量；方案二在氮氧化物总排放量超过1995年总排放量的14％；只有方案三在二氧化硫、氮氧化物及烟尘排放量均低于1995年总排放量的水平。在浓度方面，三个方案的二氧化硫和可吸入颗粒物浓度均能达到国家二级环境质量指标，但方案一和方案二氮氧化物浓度己接近指标，如再加上汽车尾气的氮氧化物就要超标，只有方案三可以达到国家二级标准的要求。因此研究的结论，北京市在能源结构方面必须做大的调整，以清洁燃料代替煤炭，大力引进天然气。
天然气已经成为国际上当代现代化城市的主要能源。美国在50年代达到天然汽化，1995年居民采暖用能构成中,天然气占61.4％。原苏联富产天然气，1992年莫斯科年用天然汽300亿立方米。日本东京几乎消费都是优质能源，1984年东京终端能源消费中,石油占62％，电力占20％，天然气占14％，液化石油气占4％，
目前除了烁铁和生产水泥外，东京地区己不再烧煤，城市居民生活用能，主要是电能、气体燃料和煤油。世界上工业发达国家，煤炭主要是用
于发电和炼焦。如美国用于发电及炼焦的煤炭占煤炭总消费量的90.8％ 民用只占0.7％；德国用于发电、炼焦占86.3％,民用占0.9％；日本用于发电、炼焦的占80.4％，民用占0.7％。以上可见发达国家的城市能源结构是以优质能源为主，几乎没有用煤。
从天然气资源条件来看，增加对北京市天然气的供应是可能的。这是由于近年来我国陕甘宁盆地天然气资源的勘探开发有很大的突破。陕甘宁盆地所在的鄂尔多斯荒地，面积37万平方公里，是我国第二大沉积盆地。盆地天然气理论资源总量评估为4.18万亿立方米，截止2000年底己获得探明地质储量7500多亿立方米，控制地质储量5000多亿立方米。预计今年上半年可实现累计探明地质储量l0000亿立方米的目标。长庆油田分公司的同志提出中长期目标是累计探明地质储量20000亿立方米。天然气采出率一般为70％左右，如果天然气合理开发的强度按2％计算，则长庆油田天然气近期和中期产量有可能分别达到200亿和400亿立方米，因此我们认为近期和2010年前后向北京市分别供应70亿立方米和150亿立方米，从资源条件看是可能的。特别是今年一月公布的内蒙古伊盟苏里格气田的发现，气田天然气地质储量规模达到5000亿立方米，最终规模预测可以到7000亿立方米以上，是中国目前已探明的最大气田，而距北京只有700公里。这个气田具有含气面积大，储量丰富，气层物质好，单井产量高等特点。去年底这个气田己探明天然气地质储量2200亿立方米， 已完钻8口探井，单井最高日产量达到120万立方米，平均日产近60万立方米，是陕北靖边气田平均日产量10倍以上。将来这个气田产量的一半，就可以满足每年供应北京市50亿立方米大然气。
西部大开发，国家已决定启动“西气东输”工程，从新疆输天然气至上海，输气规模为200亿立方米／年，长输管道与长庆气田的陕北靖边相汇合，也可以作为北京供气的后备气源。此外俄罗斯以及哈萨克斯坦、土库曼斯坦等周边国家也正在商讨向中国供应天然气的可能。这些对天然气可否长期供应北京市的问题，回答应该是可以放心的。
三、北京市发展中、小型燃气透平联合发电机组，进行电、热、冷三联供，可能是扩大天然气利用较好的选择。
自80年代以来，北京天然气从华北油田进京， 已经使用了十多年，特别是1997年陕甘宁天然气大量进京，受到群众的欢迎。目前北京年使用天然气约为11亿立方米，但如何合理经济利用以及天然气如何均衡利用， 己成为制约扩大天然气规模利用的突出问题。
直接用天然气代替煤作燃料，即锅炉煤改气，技术上可行，环境效益也好，但经济上不可行。现在陕北管道天然气供应北京市，门站的收费价格是0.99元／M3。天然气的热值是8400大卡／M3，供应北京的原煤，热值约为5000—6000大卡／公斤，天然气折成一吨等热值的煤炭为600—700元，而北京原煤的价格不到200元／吨，即天然气按热值价格是煤的3-3.5倍。在市区内目前天然气供应价格为民用1.4元／M3，工业用1.4元-1.8元／M3，比煤要高出更多。据介绍北京市方庄、左家庄二个集中供热锅炉房，改烧天然气后每个采暖季支出天然气燃料费用1.8亿元，为烧煤费用3800万元的4.7倍，增加这样庞大的费用支出，政府和市民都难以承受。因此可以说，这样的煤改气工程经济上是不可行的。
其次，天然气如何均衡利用问题。据2000年初的规划，北京冬季日需天然气己达到580M3万／日，而夏季日需天然气仅为140—150万M3，冬夏二季峰谷相差近4倍，这就给天然气供应经营带来很大的困难。天然气工业的上、中游建设都是投资密集型产业，要求气田生产及长输管线服从用户负荷，进行大幅度调峰，是不经济的，技术上也有一些困难。至于建设地下储气库或地面储蓄系统进行缓冲，这些都需要巨大投入，而且调幅也是有局限的，有一个技术经济合理的问题。
选择燃气透平联合发电机组，实现电、热、冷联供，有可能解决上面所说的问题，还有节约能源，减少天然气燃烧时生成氮氧化物等优点。
1、天然气能量得到梯级合理收入，增加了发电，也增加了收入。清华大学叶大钧、李宇红等人曾进行计算，北京现行供热价格为18元／M2／季，相应的热价是29.76元／GJ。天然气热值每立方米8400大卡，价格为1.4元／M3每度电热值860大卡，实际售价为O.41元。如用天然气直接代煤烧锅炉，锅炉效率按90％计算，热网管道损失按5％，每立方米天然气供热收入仅为0.89元。如果用燃气透平联合发电机组，热电效率为85％，其中发电效率40％，供热效率45％，扣除厂用电2％，管网热损5％，计算每立方米天然气发电3.7kWh，收入1.51元，有效供热14.08MJ，可收入O.44元，合计收入1.95元，高于天然气的进价(1.4元／M3)，是天然气直接烧锅炉收入的219％，收入增加一倍以上。如果选择高效燃气透平联合发电机组，发电效率55％，每立方米天然气可发电5.2kWh，经济效益更好。
2、有条件夏季发展集中制冷，利用电厂蒸汽使溴化锂蒸发制冷，这样可使热电厂负荷全年更趋于平衡，提高热电厂的经济性，又可降低制冷成本(约为直燃机吸收制冷成本的60％，分体空调的42％)。现在北京市大量使用窗式空调，不仅浪费能源，并且带来城市“热岛效应”的新污染。
3、热电联合生产可以互补，以平衡天然气负荷，并可以一年四季大量供应生活热水，提高居民生活质量。
4、热电联产是重要节能措施，较常规分开供电、供热，节约能源一半以上。常规冷凝式发电机组出于必不可少的冷端损失，发电效率仅为30—40％，热损失达60—70％。
5、由于燃气机的效率主要取决于燃气进入透平的初温，因而效率与机组容量大小关系不大，这样我们可以根扼供热负荷因地制且地选择多种中1小型燃气透j门九t[1，规模灵活。
6、燃气远平热电联供机组，能够降低氮氧化物的排放量。这是出于燃气透平是山功率强大的压气机补入空气，与燃气锅炉较比，燃烧区的空气流量是锅炉的6—8倍，使氮氧化物的单位浓度降低，燃烧不同方式的氮氧化物的排放量如下表所示：
燃烧方式
燃煤锅炉 天然气锅炉
燃气透平机组
NOx排量浓度 ＞200ppm
65—200ppm 9—25ppm
国际上燃气透平热电联产技术十分成熟，而且发展很快。例如美国1980年至1987年建设了各种热电站1728座，总装机容量4494万千瓦，其中1986，1987年，每年装机投产都在1000万千瓦以上。这些热电站的特点是：
(1)从燃料构成看，以天然气为主，占同期所建热电站数目的73％，装机容量的60％；
(2)从热电站容量构成看，以中、小型为主。热电站平均容量为2.6万千瓦，其中燃用天然气为2.1万千瓦。休斯敦莱斯大学热电站容量仅3100千瓦。
国内清华大学曾提出绿色能源工程项目，初步意见在清华大学校园内建一个规模为2×5万千瓦燃气热电机组，可以供暖200万M2，集中供冷90万M2,年发电5.6亿度，消耗天然气约1.7亿M3，总投资估算为4.5亿元人民币，单位千瓦造价为4l00元左右。
另外北京首创集团1东方能源发展公司1999年6月曾提出首都蓝天热能系统工程设想，拟在北京布点建设规模为5.6万千瓦燃气热电联合机组20个，年用天然气18亿M3，可以解决4000万M2居住面积取暖，取代相当一部分现有烧煤小锅炉，还首都一片蓝天。
这些设想我们认为都是很好的，应该研究促其实现。
四、北京发展天然气为原料生产甲醇汽油的建议
北京增加天然气工业用户是对天然气供应调峰的一种手段，发展天然气为原料生产甲醇汽油又是由于北京大气污染中，汽车尾气排放因素日趋严重。据有关资料北京大气污染中的碳氢化合物(HC)的73.5％、一氧化碳(CO)的63.4%、氮氧化合物(NOx)的46％来自机动车排放，特别是非采暖期机动车排气的污染所占的比例更高。因此北京市发展清洁燃料汽车十分迫切。
现在北京采用的清洁车用燃料，主要是压缩天然气(CNG)和液化石油气(LPG)二种，没有使用醇燃料(包括甲醇和乙醇)。由于CNG的加气站投资高，又受到管网条件的制约，行驶半径仅为l00公里，发展速度有所限制。而LPG国内资源不足，
目前进口数量很大。
从宏观上看，随着国民经济发展，我国石油后备资源不足的问题己充分显现。1999年我国进口原油4000万吨，2000年进口原油7000万吨，而当年国内原油产量仅增长311万吨，增长了2％。据预测到2005年国内石油缺口将达到1亿吨。正如朱镕基总理报告中所指出“一年要花大量外汇进口石油，这是难以为继的”。我们要从各方面采取措施节约石油消耗。
目前全国汽车保有量已达1500万辆(北京估计为160万辆)，年耗汽油3700万吨。国家为了减轻汽油供需矛盾， 已同意在河南、吉林、黑龙江三个产粮大省推广使用乙醇汽油，将库存多余陈粮转化为乙醇，河南省南阳地区的年产20万吨变性乙醇燃料己予今年4月投产。但粮食生产乙醇成本较高，每吨达3200—3500元，掺烧乙醇汽油，国家还要给予一定补贴。生产l吨乙醇约需3-3.5吨粮食，从长远看大量粮食转化为乙醇，原料难以保证。而利用煤或天然气生产甲醇，原料来源丰富，比粮食有保证，国内又有成熟技术，因此另一种行之有效的办法就是以甲醇代替乙醇，生产甲醇汽油。
利用甲醇代替汽油，国外在20世纪70年代就开始了。人们发现甲醇不仅可代替汽油，而其尾气排放比汽油和柴油更低，对环境更为有利。甲醇燃料在欧美己合法化，技术是成熟的，只是在20世纪80年代由于石油价格回落，经济上的原因使得甲醇燃料没有多大的发展和推广。
在国内从1980年就有不少单位在国家支持下，开展了甲醇汽油混合燃料应用的研究，其中四川省部分地区有较长期的低比例3—5％的甲醇和汽油掺烧，甲醇对汽油的替代比可达到1： 1，汽车尾气排放效果得到一定程度改善。低比例掺烧甲醇(3—5％)，现有汽车不需要任何改动，不存在任何技术上的难度，可以推广使用范围扩至全国。
在山西省进行过有475辆M15(在汽油中掺入15％甲醇)卡车和4个Ml5加油站的商品化运行示范，在北京也进行了6辆纯甲醇车的运行实验。不过由于M15燃料中，需添加防止燃料分层的助溶剂(异丁醇、杂醇或MTBE等)，在我国不易廉价获得。以后又开展了高比例的M85、M90的攻关，并有3辆国产M90汽车进行了路试。这些年来，通过国家组织攻关和国际技术合作，解决了甲醇汽车的优化改装技术和配套的专用润滑油、燃料腐蚀抑止剂、耐甲醇材料、甲醇加油站及甲醇对人体和环境的影响等问题。
去年11月对国家经贸委立项支持的山西省甲醇燃料汽车(50部中巴汽车)示范工程项目也已通过竣工验收。安装在中巴车上的多点电喷甲醇发动机，经过300小时全速全负荷可靠性试验验收和投产验收，也同时通过了专家鉴定，其性能大大优于化油器式的同型汽油发动机。50部M85中巴车队经过二年来的运营，证明是实用的并可推广，由试验示范转入产业化示范的条件已经成熟。据报载山西将甲醇车产业化，今后五年内，
山西省甲醇汽车将增加到五千辆，其中最近两年要扩增至一千辆。
在石油价格高扬的形势下，以甲醇代替汽油从经济上也是有利的。纯甲醇/汽油燃料替代比，按山西省的实践经验为1.8，即1.8吨甲醇相当1吨汽油，每吨甲醇出厂价按1500元，1.8吨甲醇费用为2700元，而目前国内汽油标准品出厂价每吨为3260元，后者汽油是甲醇的1.2倍，可见汽车采用甲醇燃料不仅具有环保效应，还可大大节省运行费用。
甲醇又是用途十分广泛的重要化工原料，在世界发达国家其产量仅次于乙烯、丙烯和苯，居第四位， 目前全世界产量在3000万吨以上，大多是以天然气为原料生产的，并且是以规模化生产(单系列能力在50万吨／年以上，而我国最大的甲醇生产装置为20万吨/年）。在常温下，甲醇是液体，其储存、输送、使用都和汽油、柴油一样方便。甲醇进一步脱水生产二甲醚，是代用柴油以及液化石油气(LPG)理想代用品。随着燃料电池的开发， 甲醇是使用方便的氢载体能源，最有可能在现代燃料电池汽车上应用，有很好的市场前景。
设想北京可以在现有合成氨、甲醇生产企业——北京化工实验厂，通过技术改造扩大现有甲醇生产。为了甲醇产品生产成本低，有竞争能力，也可以设想与内蒙古合作，利用苏里格气田的天然气资源就近建设，规模为年产100万吨的大型甲醇生产装置，出于靠近气田，天然气节省了长输管道运费，每立方米天然气价格为O.5元左右，较在北京每立方米气价降低0.4—O.5元，每吨甲醇消耗天然气约1000M3，可节约成本400—500元，而管道或铁路槽车运输甲醇成品到北京，不需要花这么多的钱。初步测算100万吨／年大型甲醇生产装置投资约为20亿元左右，甲醇生产成本约为650元／吨左右(天然气到厂价按0.5元／M3计算)，约可顶替55万吨车用汽油。
总之，北京的可持续发展和改善城市环境的污染，根本出路在于改变能源消费结构，扩大天然气的合理利用。我们要根据江泽民主席“关于三个代表”的指示精神，对一些代表先进的生产力，又有利于人民利益的事业，要协调各方面关系，克服各种困难，扎扎实实努力工作去实现。
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