北京PM2.5與冬季采暖熱源的關(guān)系及治理措施

北京PM2.5與冬季采暖熱源的關(guān)系及治理措施

一引言2012～2013年冬季，我國多地遭遇了嚴(yán)重的霧霾天氣，空氣重度污染，部分城市空氣污染指數(shù)突破可吸入顆粒物濃度上限，尤其是京津冀地區(qū)。2013年1月12日，北京持續(xù)空氣六級嚴(yán)重污染，北京的可吸入顆粒物濃度高達(dá)786μg/m3，天津為500μg/m3，石家莊為960μg/m3（中國環(huán)境監(jiān)測總站，2013），是我國可吸入顆粒物濃度上限（75μg/m3）十倍以上。2013年初，黑龍江省的冬季采暖，使多市發(fā)生了嚴(yán)重的霧霾，空氣質(zhì)量急劇惡化，PM2.5持續(xù)“爆表”，哈爾濱部分監(jiān)測點PM2.5一度高達(dá)1000μg/m3（中央政府門戶網(wǎng)站，2013）。霧霾是霧和霾的組合詞，但“霧”和“霾”實際上是有區(qū)別的。霧是指大氣中因懸浮的水汽凝結(jié)、能見度低于1公里時的天氣現(xiàn)象，而霾是空氣中懸浮的大量微粒和氣象條件共同作用的結(jié)果。近期全國多地出現(xiàn)的“霧霾”現(xiàn)象，從成因上更科學(xué)的說法應(yīng)該是霾，或者是灰霾，本文的研究也是針對空氣中懸浮顆粒物造成能見度降低及各種危害的大氣現(xiàn)象，因此本文中統(tǒng)一使用“灰霾”來指代?；姻矔煌ㄟ\輸、農(nóng)作物生長、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生嚴(yán)重影響，還會造成空氣質(zhì)量下降，灰霾中的可吸入顆粒物被吸入人體呼吸道后，會嚴(yán)重威脅人的健康，長期吸入嚴(yán)重者甚至?xí)劳?。冬季是灰霾天氣的頻發(fā)時期，說明灰霾天氣的形成與冬季采暖有著密切的關(guān)系。為了治理大氣污染，緩解嚴(yán)重灰霾天氣造成的嚴(yán)重危害，北京市政府提出了空氣治理目標(biāo)和相應(yīng)的政策措施，如《大氣污染防治行動計劃》（簡稱“國十條”）、《北京市2013～2017年清潔空氣行動計劃》等，空氣質(zhì)量的治理目標(biāo)包括，到2017年，空氣中的細(xì)顆粒物（PM2.5）年均濃度比2012年下降25%以上，控制在60μg/m3，治理的方法包括削減燃煤，提高電力、天然氣等清潔能源的供應(yīng)力度；推動燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)替代燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)，煤制天然氣、燃煤鍋爐清潔改造，全面整治小鍋爐，削減農(nóng)村散煤等。熱電聯(lián)產(chǎn)“煤改氣”（使用大型燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)全面替代大型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)）是其中一個重點措施，2013年計劃完成燃煤鍋爐“煤改氣”改造2100蒸噸，實際完成2407蒸噸改造，四環(huán)內(nèi)基本取消燃煤鍋爐房，將北京城區(qū)的四家主力熱電廠（華電、國華、石景山、高井）基本都改成了天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)，“煤改氣”任務(wù)超額完成15%（北京市政務(wù)門戶網(wǎng)站，2013）。計劃到2015年，北京城五環(huán)以內(nèi)的燃煤設(shè)施都全部消失，四大燃?xì)鉄犭娭行膶⑷《?，用氣量預(yù)計高達(dá)170億立方米?！笆濉逼陂g為進(jìn)行“煤改氣”，北京市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資金將達(dá)300億元（中國經(jīng)濟(jì)周刊，2013），北京天然氣總消費量也將大幅增長，但這個措施對減少灰霾、改善空氣質(zhì)量有多大的作用呢？針對此問題，本文首先研究了PM2.5的形成機(jī)制與造成嚴(yán)重灰霾的關(guān)鍵因素，再比較冬季采暖各種熱源所造成的污染物排放量，通過定量計算比較使用燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)供熱和燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)兩種方式供熱對PM2.5形成的貢獻(xiàn)，來說明熱電聯(lián)產(chǎn)“煤改氣”到底能否起到減少PM2.5生成和緩解大氣灰霾的作用，最后給出結(jié)論和相應(yīng)的政策建議。二細(xì)顆粒物PM2.5的成分及形成原因中國大城市和特大城市的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在一般情況下，空氣中粒徑小于2.5μm的細(xì)顆粒物（PM2.5），占到粒徑小于10μm的細(xì)顆粒物（PM10）的50%～80%，而在空氣重度污染、能見度低時，PM2.5占了PM10的絕大部分，說明造成嚴(yán)重大氣灰霾的主要原因是粒徑小于2.5μm的細(xì)顆粒物，即PM2.5。北京大學(xué)唐孝炎院士的研究表明，大氣中的細(xì)顆粒物PM2.5包括一次生成的細(xì)顆粒物和二次生成的細(xì)顆粒物（唐孝炎，2013）。一次細(xì)顆粒物來源于工業(yè)、建筑、交通、電力、其他生產(chǎn)和生活活動以及天然源的排放，例如沙塵、風(fēng)揚塵、建筑與道路排放的各種塵，各種燃燒過程和工業(yè)過程等散發(fā)的金屬元素、碳黑、元素碳、一次有機(jī)物等。二次細(xì)顆粒物是由各種人為排放的污染氣體被大氣氧化劑（O3，OH等）氧化生成，包括二次有機(jī)顆粒物、硫酸鹽顆粒物、硝酸鹽顆粒物、銨鹽顆粒物等，轉(zhuǎn)化過程的示意圖見圖9-1。在一般情況下，二次PM2.5占PM2.5總量的50%～80%；在重污染時期，二次PM2.5占PM2.5總量的比例還會明顯增加?？梢姡蜳M2.5是出現(xiàn)嚴(yán)重灰霾天氣時的主要污染成分。圖9-1大氣中的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程下面討論二次PM2.5的生成過程，當(dāng)空氣中出現(xiàn)大量二氧化氮（NO2）時，有如下反應(yīng)：NO2在陽光的作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，分解成一氧化氮NO和一個氧原子O［如反應(yīng)（1）所示］；氧原子O與空氣中的氧氣（O2）反應(yīng)生成臭氧O3［如反應(yīng)（2）所示］；臭氧O3再和反應(yīng)（1）中的生成物一氧化氮NO反應(yīng)生成NO2［如反應(yīng)（3）所示］，該反應(yīng)生成的NO2、O2又可以分別與反應(yīng)（1）、（2）中的反應(yīng)物進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)（1）、（2）和（3）不斷循環(huán)使得大氣中的O3濃度保持在正常水平。O+O2→O3（2）O3+NO→NO2+O2（3）但是，如果大氣中同時還有VOC，則VOC會與大氣中存在的OH自由基進(jìn)行鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，生成超氧化氫HO2［如反應(yīng)（4）所示］。HO2將反應(yīng)（1）中生成的NO氧化成NO2及OH自由基［如反應(yīng)（5）所示］。由于反應(yīng)（5）的反應(yīng)速度很快，消耗掉NO，使O3無法與NO按照反應(yīng)（3）進(jìn)行還原反應(yīng)生成NO2和O2，致使大氣中的O3無法被消耗掉，從而不斷積聚，濃度升高。也就是說，大氣中的NOx與VOC會使O3在大氣中積聚，從而使大氣氧化性增強(qiáng)。一旦大氣氧化性增強(qiáng)，NOx、VOC、SO2等污染氣體會被氧化成二次細(xì)顆粒物。同時，由于這些二次生成的細(xì)顆粒物粒徑小，比表面積大，為轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供了大量的反應(yīng)床，使更多的氣體污染物向二次顆粒物的轉(zhuǎn)化不斷進(jìn)行。也就是說NOx與VOC導(dǎo)致大氣的氧化性顯著增強(qiáng)，形成大量二次PM2.5，是造成嚴(yán)重灰霾天氣的根本原因。HO2+NO→NO2+OH（5）實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)也可證實這一點：圖9-2至圖9-4是北京大學(xué)氣象站點2013年1月監(jiān)測的逐時PM2.5、NOx的濃度變化，可以發(fā)現(xiàn)在重度空氣污染發(fā)生時，PM2.5濃度與NOx濃度的變化完全同步，佐證了NOx與PM2.5濃度變化有很強(qiáng)的相關(guān)性。圖9-2和圖9-3同時也說明當(dāng)PM2.5濃度出現(xiàn)尖峰時，SO2濃度始終穩(wěn)定在較低的水平，說明并不能認(rèn)為SO2是導(dǎo)致PM2.5濃度增加的主要原因。圖9-2北京大學(xué)氣象站點監(jiān)測2013年1月PM2.5和NOx的變化過程圖9-3北京大學(xué)氣象站點2013年1月中旬空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)圖9-4北京大學(xué)氣象站點2013年1月下旬空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合上述，NOx與VOC是引發(fā)重度灰霾天氣的元兇，所以，控制NOx與VOC的排放量是緩解灰霾天氣的重點。NOx的來源主要是化學(xué)燃料的燃燒，包括煤、天然氣的燃燒，以及汽車中汽油的燃燒等，易于集中控制。而VOC的來源包括化工業(yè)、汽車尾氣、洗衣房、民用炊事、秸稈燃燒等，屬于面源，遠(yuǎn)比NOx排放源分散，難以控制。而NOx與VOC只要控制其中一種，便可以阻止上述的（4）、（5）反應(yīng)發(fā)生，抵制大氣氧化性增強(qiáng)，遏制嚴(yán)重灰霾天氣的形成。因此，從實際的空氣質(zhì)量控制和灰霾天氣防治來說，最切實可行的措施便是控制各種排放源的NOx排放量。20世紀(jì)70年代，為了減少大氣中的細(xì)顆粒物，美國和歐盟開展了NOx的治理行動。美國和歐盟不僅僅是確定NOx的排放上限，而且考慮不同地區(qū)的環(huán)境容量不同，根據(jù)二次污染物的目標(biāo)減少量來確定NOx的排放總量，然后把總量分配到各地區(qū)（胡倩等，2007）。1981年起，日本也開始實施NOx限排措施，以治理氮氧化物引起的大氣污染。由此可見，發(fā)達(dá)國家治理空氣污染尤其是治理PM2.5，均采用了減排NOx的政策措施（羊城晚報，2013）。三北京市不同供熱熱源對PM2.5形成的貢獻(xiàn)比較從上面的分析可以得出，控制NOx的排放量是緩解北京重度灰霾天氣的關(guān)鍵。冬季是灰霾天氣的高發(fā)期，各類采暖熱源是冬季重要的NOx排放源。北京市目前正在推行熱電聯(lián)產(chǎn)“煤改氣”，這個措施對治理霧霾、改善空氣質(zhì)量有多大的作用呢？針對這個問題，我們進(jìn)行了如下的分析和計算。（一）單位燃料的NOx排放量表9-1不同采暖方式單位燃料NOx的排放強(qiáng)度表9-1列舉出不同采暖方式單位燃料（同樣熱量的燃料）的NOx的排放強(qiáng)度。大型燃煤鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)燃燒每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量排放為2kgNOx，相當(dāng)于每立方米煙氣排放200mgNOx。大型天然氣鍋爐的NOx排放強(qiáng)度是0.8kg/tce，而天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)因為需要燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)，為了保證較高的發(fā)電效率，燃燒溫度高，所以NOx排放強(qiáng)度高于天然氣鍋爐，燃燒每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量排放為1.2kgNOx，相當(dāng)于每立方米煙氣排放50mgNOx。可以看出，在消耗同樣熱量的燃料時，燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)NOx的排放量為常規(guī)大型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)的60%。（二）不同供熱熱源為滿足供熱所需所排放的NOx表9-1列出的僅是單位熱量燃料的NOx排放強(qiáng)度的情況，但是，不同采暖方式提供同樣的采暖供熱量（或供應(yīng)同樣的供熱面積）時消耗的燃料數(shù)量是不一樣的。由于北京的熱電廠主要是為了供熱所建，所以如果要知道北京市供熱采用不同采暖熱源的NOx的排放量，需要比較提供同樣的采暖供熱量（或供應(yīng)同樣的供熱面積）時，不同采暖熱源的NOx排放量，即需要“以熱定電”。與燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)相比，燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)的熱電比小，也就是說為了提供同樣的采暖供熱量（或供應(yīng)同樣的供熱面積），即“以熱定電”時，燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)需要發(fā)更多的電，燃燒更多的燃料。下面，以供熱面積為1億m2為例來定量計算供應(yīng)同樣的供熱面積時不同采暖熱源方式的采暖期NOx的排放量。計算參數(shù)包括：采暖面積為1億m2，設(shè)計經(jīng)驗熱指標(biāo)為50W/m2。鍋爐直接供熱系統(tǒng)根據(jù)熱負(fù)荷延時曲線確定熱負(fù)荷，進(jìn)而算得燃料量；而熱電聯(lián)產(chǎn)的電廠是通過調(diào)節(jié)抽汽量，改變熱電比來調(diào)節(jié)供熱量，所以瞬態(tài)消耗的燃料量可以認(rèn)為基本不變，供熱期的總?cè)剂狭坑伤矐B(tài)燃料消耗量與供暖時間相乘算得。第一種是采用燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)（見圖9-5），通過背式汽輪機(jī)的抽汽進(jìn)行供熱。采用這種熱源供熱時，設(shè)計工況下采暖期燃料消耗量為每小時1367噸標(biāo)準(zhǔn)煤，NOx瞬態(tài)排放量為每小時2.7噸；采暖期燃料消耗總量為394萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，NOx總排放量為0.8萬噸。圖9-5典型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)第二種是燃?xì)忮仩t供熱（見圖9-6），該系統(tǒng)通過燃燒天然氣直接提供熱量采暖。這種采暖方式在設(shè)計工況下，采暖期燃料消耗量為51.4萬立方米天然氣，NOx瞬態(tài)排放量為每小時0.6噸；采暖期燃料消耗總量為14.8億立方米天然氣，NOx總排放量為0.2萬噸。圖9-6燃?xì)忮仩t供熱示意第三種是采用燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)（見圖9-7），通過燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)進(jìn)行供熱。設(shè)計工況下，采暖期燃料消耗量為154萬立方米天然氣，NOx瞬態(tài)排放量為每小時2.3噸；采暖期燃料消耗總量為44.4億立方米天然氣，NOx總排放量為0.7萬噸。圖9-7燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)將以上三種系統(tǒng)的計算結(jié)果匯總至表9-2中，可以看到，將燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)改為燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)后，熱電廠采暖期NOx的總排放量為0.7萬噸，僅稍稍少于燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)的采暖期NOx總排放量0.8萬噸。也就是說，相較于燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)，燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)并沒有顯著減少NOx的排放量，對于緩解PM2.5造成的灰霾天氣的效果并不顯著。表9-2不同采暖方式的能耗和排放綜合比較（三）燃煤可以做得更好而實際上，如果采用先進(jìn)的清潔煤燃燒技術(shù)，燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)可以做得更好。上海外高橋第三發(fā)電廠即采用了我國自主研發(fā)的先進(jìn)的高效清潔燃煤技術(shù)，2臺1000MW超超臨界機(jī)組發(fā)電效率高約45%（上海外高橋第三發(fā)電廠，2013）。為了實現(xiàn)低污染排放發(fā)電，為減少硫化物排放，機(jī)組配置了高效率濕法脫硫裝置（張建中等，2008），使SO2排放僅為0.47kg/tce；為減少煙氣氮氧化物排放，機(jī)組配置了鍋爐低NOx同軸燃燒系統(tǒng)、增加煤粉細(xì)度的制粉系統(tǒng)、SCR脫硝系統(tǒng)，使NOx排放僅為0.37kg/tce，遠(yuǎn)低于國家目前環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)4.5kg/tce，同時還遠(yuǎn)低于表9-1中列舉的燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)單位燃料NOx排放量（1.2kg/tce）。上海外高橋第三發(fā)電廠實現(xiàn)了高效、清潔發(fā)電，達(dá)到國際先進(jìn)水平（見表3）。表9-3上海外高橋第三發(fā)電廠2013年上半年運行情況圖9-8基于吸收式換熱的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)若將上海外高橋燃煤電廠的清潔燃煤技術(shù)運用到熱電聯(lián)產(chǎn)中，NOx排放量將會大幅度減少。表9-4中的供熱方式4就是基于上海外高橋電廠技術(shù)的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)，采暖期燃料消耗總量為553萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，采暖期NOx總排放量為0.2萬噸，已低于燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)。表9-4不同采暖方式的能耗和排放的綜合比較更進(jìn)一步，在將上海外高橋的清潔煤燃燒技術(shù)用于熱電聯(lián)產(chǎn)的基礎(chǔ)上，再加上吸收式換熱技術(shù)（付林等，2008）（圖9-8表示了基于吸收式換熱的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)），減小整個系統(tǒng)的換熱不可逆損失，熱網(wǎng)回水溫度由傳統(tǒng)的60℃降到20℃，提高了管網(wǎng)的熱輸送能力，充分回收電廠乏汽余熱，從而還可進(jìn)一步減少為供熱所需的燃料消耗量。從表9-4的供熱方式5中可看到，在設(shè)計工況下，采暖期燃料消耗量為每小時878噸標(biāo)準(zhǔn)煤，采暖期燃料消耗總量為253萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，NOx瞬態(tài)排放量為每小時0.33噸；NOx總排放量為0.09萬噸。該系統(tǒng)的NOx排放量遠(yuǎn)低于燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)，僅為普通燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)的11%，燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)（燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)）的13%，燃?xì)忮仩t的45%。從以上分析可以看出，在提供同樣的供熱量的前提下，采用上海外高橋的清潔燃煤技術(shù)以及吸收式換熱技術(shù)的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方式，產(chǎn)生的NOx排放量約為燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)（燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)）的13%，甚至低于天然氣直接燃燒供熱。這樣一方面能夠高效利用我國供應(yīng)充足的煤炭資源，符合我國的能源結(jié)構(gòu)；一方面能大幅降低NOx排放量，達(dá)到更好的減排和改善大氣質(zhì)量的效果，能夠切實減少二次PM2.5的生成，緩解嚴(yán)重大氣灰霾現(xiàn)象。因此，與其進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)“煤改氣”工程，花費巨額的資金，同時大幅增加天然氣用量，造成天然氣用氣矛盾，甚至引起“氣荒”（生意社，2013），影響居民用電和能源安全，為什么不利用高效清潔的燃煤技術(shù)來達(dá)到更好的減排效果呢？（四）關(guān)于發(fā)電量的討論從表9-4中我們也可以看出，燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)的NOx排放量之所以比燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)要高，一個很重要的原因就是燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)的熱電比小，供應(yīng)相同的熱量，需要生產(chǎn)更多的電，燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)所產(chǎn)生的電量是基于上海外高橋技術(shù)的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)的2倍多，從而需要更多的燃料，也就排放了更多的NOx。但是對于北京這樣的特大型城市，環(huán)境容量已趨飽和，難以承受更多污染物的排放，否則空氣質(zhì)量會繼續(xù)惡化，因此特大型城市能源利用的核心應(yīng)是減少污染，而偏遠(yuǎn)地區(qū)的環(huán)境容量較充裕，可從遠(yuǎn)處地區(qū)的電廠供電，充分利用人口稀疏地區(qū)的環(huán)境容量。這與政府提出的政策方向也一致。2013年9月國務(wù)院頒布的《大氣污染防治行動計劃》明確指出，京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域應(yīng)逐步提高接受外輸電比例。北京市政府頒布的《北京市2013～2017年清潔空氣行動計劃》也提到要“加快建設(shè)外受電力通道”，“增強(qiáng)外調(diào)電供應(yīng)保障能力”。這些措施考慮了大城市環(huán)境容量趨飽和的特點，也為大城市的用電安全建設(shè)提供了政策保障。實際上，特大型城市的自備發(fā)電能力并不是為了滿足用電需求，而是為了保障城市的供電安全，所以，城市的發(fā)電量應(yīng)以滿足其供電安全需要為基礎(chǔ)。如果考慮城市自備電源主要滿足建筑的用電，那么10W/m2備用電源應(yīng)該能滿足城市供電安全需要。而北京市目前的自備發(fā)電能力約7W/m2，已經(jīng)能夠基本滿足安全需要。從表9-4供熱方式5的計算結(jié)果可以看出，若采用上海外高橋清潔燃煤技術(shù)的熱電聯(lián)產(chǎn)來供熱，供電能力為16W/m2，若采用了清潔燃煤技術(shù)的熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱能力占總供熱能力的50%，它也能提供8W/m2的電量，高于7W/m2，能夠滿足城市基本安全需要，所以僅從提高供電安全性的角度，就沒有必要通過增加燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)來提高供電量，可以根據(jù)安全用電的需求，適量增加清潔煤的熱電聯(lián)廠，增加燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)在供熱結(jié)構(gòu)中的比例，既提高北京市冬季供熱熱源的整體效率，也可以滿足供電安全的需要。另外，有一種觀點認(rèn)為由于天然氣僅用于供暖，會造成天然氣需求量的季節(jié)不平衡，管道利用率低，夏季的大部分天然氣管道處于閑置狀態(tài)，所以通過大量建設(shè)天然氣電廠實現(xiàn)穩(wěn)定的天然氣消費，從而緩解目前天然氣僅用于供暖造成的不平衡，提高管道利用率。但是，目前我國天然氣利用面臨的最主要問題是供應(yīng)緊張而非輸送問題，如果僅為解決管道利用率低的問題而大量進(jìn)行“煤改氣”，會造成嚴(yán)重的天然氣供需矛盾，甚至導(dǎo)致“氣荒”，使得國家的能源安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。（五）小結(jié)因為大城市的生態(tài)環(huán)境容量有限，所以在考慮城市能源優(yōu)化利用時，不能只看能源的利用效率或者單位燃料的排放強(qiáng)度，更應(yīng)該關(guān)注該燃料的燃燒總量以及在城市中心城區(qū)（即生態(tài)環(huán)境容量已經(jīng)飽和的區(qū)域）的排放量。當(dāng)城市中心城區(qū)的生態(tài)環(huán)境容量飽和時，就應(yīng)該考慮在城市的外圍區(qū)域（生態(tài)環(huán)境還有一定容量的地方）進(jìn)行能源生產(chǎn)（發(fā)電），再將電力輸送至城市的中心城區(qū)，這既會保證城市的供暖需求，也會保障供電安全。而在大城市的遠(yuǎn)處地區(qū)，人口稀少，VOC的排放量也較小，環(huán)境容量富裕，在這樣的情況下，對燃料的排放要求就不那么高，可以通過燃煤電廠來生產(chǎn)電力，把污染從城市的中心區(qū)域轉(zhuǎn)移至遠(yuǎn)處，充分利用城市以外區(qū)域的環(huán)境容量。從北京市的整體用能情況來看，通過熱電聯(lián)產(chǎn)“煤改氣”工程，將燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)改成燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)供熱，投入巨大的資源與能源，也會造成天然氣的用氣矛盾。為了加強(qiáng)天然氣供應(yīng)保障，《北京市2013～2017年清潔空氣行動計劃》中提出要建設(shè)“煤制氣”項目，如在2013年，建成內(nèi)蒙古的大唐煤制氣一期工程以保證北京“煤改氣”的需要?！懊褐茪狻毙瘦^低，約為50%，制造過程中會給環(huán)境帶來污染，消耗大量水資源［40億立方米產(chǎn)能的項目水資源年消耗量為1600萬噸（張明，2011），單位熱值水耗為0.18t～0.23t/GJ（羅佐縣等，2013）］。既然煤制天然氣會損失約50%的熱量，帶來更多污染，占用缺水的煤礦地區(qū)的寶貴水資源，而且，把氣輸送到城市，在城市采用燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)的形式來供熱，會較基于清潔燃煤技術(shù)的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生更多的NOx，那么，與其采用“煤制氣”制取天然氣、再將氣輸送至市區(qū)使用燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)來供熱，何不在城市的遠(yuǎn)處直接用煤發(fā)電、把電輸送到城市，而城市采暖則采用基于清潔燃煤技術(shù)的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)呢？四從我國的能源結(jié)構(gòu)看天然氣的合理利用對于歐美發(fā)達(dá)國家，例如美國和英國，在其能源結(jié)構(gòu)中天然氣的比例分別高達(dá)30%和35%，與油的比例差不多（油占的比例分別為37%、34%）（BP，2013）。對于他們，優(yōu)化能源利用的目標(biāo)就應(yīng)該是高效利用天然氣，那么燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)就是一種很好的方式，能夠高效地利用天然氣，同時提供電力和建筑的供暖需求。但是我國的能源結(jié)構(gòu)是以煤為主，煤的消費量在能源總消費量中占68%，而天然氣僅占5%（中國統(tǒng)計年鑒，2012），即使未來考慮深度開發(fā)和進(jìn)口，天然氣也不會超過8%。因此對于我國來說，優(yōu)化能源利用的首要目標(biāo)是清潔高效地利用煤炭，而非進(jìn)行大規(guī)模的“煤改氣”。在天然氣資源豐富的西方發(fā)達(dá)國家，在使用天然氣替代其他能源時，首要考慮的是“節(jié)能”。但在天然氣匱乏的我國，天然氣是稀缺資源，應(yīng)該充分發(fā)揮天然氣清潔能源和快速調(diào)節(jié)的特點，將天然氣作為一種調(diào)節(jié)劑，將其用在單位天然氣替換其他燃料能夠發(fā)揮出最大減排效果的地方。此外，天然氣電廠作為調(diào)峰電廠可以充分發(fā)揮其快速調(diào)節(jié)的特點。北方風(fēng)電的“棄風(fēng)”情況嚴(yán)峻，“棄風(fēng)”率約為20%（李俊峰等，2012），大量“棄風(fēng)”的主要原因之一是風(fēng)電受天氣影響明顯，而電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力不足，在我國的北方多為燃煤火電，其慣性較大，無法快啟快停以配合風(fēng)電。而燃?xì)廨啓C(jī)可快啟快停，是很好的調(diào)峰手段，從而緩解“棄風(fēng)”現(xiàn)象。但一旦使用天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)來供熱，就需要“以熱定電”，