地下煤气化（UCG)电力生产的生态效率外文翻译资料

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地下煤气化（UCG)电力生产的生态效率

摘要：硬煤是世界上用来发电的主要矿物燃料之一。它在电厂中的燃烧导致气体和粉尘污染物的排放。本文以波兰为研究对象，运用无轴法和UCG电力生产生态效益敏感性分析对UCG进行生态效率评价、生命周期评价（LCA）和生命周期成本（LCC）。生命周期评价得出如下损害类别，即对人类健康的影响、生态系统质量与资源利用。其中危害最大的是有害气体合成气燃烧和电力消耗产生的CO₂排放。根据生命周期成本研究结果，为实现UCG的成本有效电力生产，有必要在优化电力使用的同时最大限度地扩大安装规模。在现有电厂、热电联产电厂或热源厂中燃烧UCG合成气，以及为避免传输费用进行矿井自需发电，这些都是提高UCG技术竞争力的行动。敏感性分析表明，用UCG发电生态效率的主要决定因素是发电安装的可用性和煤层厚度。

关键词：UCG；生态效率；生命周期评价；生命周期成本；电力

1.引言

在发展中国家洁净煤技术，包括地下煤炭气化是能源工业使用的主要燃料。地下煤层气可能是目前正在使用的常规采煤技术的替代品。在波兰许多煤矿都有矿床，由于技术和经济因素，这些矿床不适于开采。它们主要利用常规采矿方法开采的煤层，由于开采困难和厚度不够，无法获得足够的利润，但它们是可以被气化的沉积物。到目前为止，已有文献中介绍了在波兰中央采矿研究的原位反应器中所进行的地下煤气化实验的结果，其中包含UCG过程对环境的负面影响，包括地下水污染等主要环境问题。地下气化产物是合成气，可用于能源工业和化工行业。气体的化学成分主要取决于该过程的热力学条件，以及气化气体的类型、过程中的水量和在该过程中使用的气化剂。此外，还有复杂的化合物，如苯、甲苯、乙苯、二甲苯（BTEX）、苯酚、氨、多环芳烃水合物（PAHs）。地下气化过程对环境的影响取决于许多因素，如煤层的深度、煤层的地质和水文特征、瓦斯利用技术等。

很少有关于地下煤炭气化过程生命周期分析和成本分析的文献。世界领袖林肯能源公司强调在UCG-IGCC（地下煤炭气化综合煤气化联合循环）中限制温室气体排放的重要性，将其与传统的商业上使用的装置进行对比，介绍了迄今为止各种燃料的生命周期温室气体的排放。地下气化是一项对环境影响不大的有效技术。海德等人表明，与传统的燃煤相比，UCG发电技术所产生的温室气体较少。托雷斯等人认为可以有效和可持续的控制UCG过程。已有文献中的UCG生命周期评价分析结果仅涉及温室气体排放这一类。迄今为止，在文献中提出的UCG技术的成本分析并不考虑与煤炭储量和可用性有关的波兰条件。UCG技术的优点之一是将煤直接沉积在其上，而不需要将其提取、制备和运输到发电厂以产生能量。目前在世界范围内进行的大部分地下气化尝试大多采用无轴法，通过从地表进行定向钻井来获取煤炭矿床。

本文采用无轴法对UCG系统的生态效率进行了评价，这是与煤气化分析有关的工作的继续。本文展示了UCG发电的生命周期评价、生命周期成本和生态效率结果。提出了UCG生态效率分析的主要影响因素。

2.资料与方法

世界可持续发展商业理事会首次将生态效率定义为提供价格有竞争力的商品和服务，以满足人类的需求，并在逐步减少货物和资源密集对环境的影响的同时提高生活质量。按照国际标准化组织2012年的标准，应根据长期合作行动技术获得环境性能指标，从而能够评估材料和能源的使用情况以及对环境质量的影响。基于生命周期评价技术的分析，可以评估该技术对特定类别的人体健康、生态系统的质量和资源利用的影响。还可以确定一个过程的哪些项目和阶段对环境有最大的影响。本文提出了一种生态效益分析方法，即在生命周期评价的基础上，采用生命周期评价和生命周期成本计算的方法。

生命周期评价结果：在给定一年的建造/操作时间内，装置以生态点（P_t）表示。一个生态点代表了每年对地球造成损害的千分之一。一个欧洲人造成的环境，在某一年内建造、运营、安装的生命周期成本分析的结果以欧元表示。电力生产给定年份的P_t以mwh表示，而i指的是以百分比表示的折现率，以及假设值介于0和n之间的分析年，其中0是对环境的第一次影响以及发生第一次费用时(建造的第一年)的年份，n是装置被清算的年份。

UCG系统的系统边界是从为开采准备矿床，通过生产气化剂，气化工艺，气体净化，再到发电，其中考虑到资源利用、能源和污染排放。图1给出了系统边界的原理图。计算结果参照一个功能单元（FU），即1兆瓦的净发电量。生命周期评价是按照标准ISO14044分四个阶段进行的：明确研究的目的和范围、收集生命周期调查数据、进行生命周期影响评估、并对研究结果进行解释。采用了SimaPro8软件和ECOVENTUE 3数据库进行生命周期评价分析。为了评估不同类别的损害，采用了生命周期评估配方2008 H/A（分级/平均透视）。表1包含标准化和加权指数。哥德哥普等人详细描述了配方2008方法中的损伤指标。按照配方2008的方法，一个聚集的环境心理指标涵盖所有类别的损害，表示为Pt/MWH。在生态足迹中表达的结果涵盖了对人类健康、生态系统质量和资源利用等方面的损害。基于生命周期成本分析，对UCG过程中的发电成本效益进行了评价。生命周期成本分析是一种工具支持的成本估算，并且能够在成本方面选择最佳的转化。估计成本目的是评估采购、获得和清算的总成本。

其中K_n是指包括所有投资（测试、准备文件）在内的采购成本，K_p表示所有权成本，包括在分析期间内设备的维护成本，K_l是固定地下空隙和回收土地设备的清算成本。在标准PN-EN 60300—3-3中进行了生命周期成本分析，确定了生命周期成本评估的方法、目标、划分阶段，描述了可靠性和与之相关的成本的概念，并提供了生命周期成本计算的实例。生命周期成本分析采用常规方法，考虑到原料、能源、人工成本、更换、外部服务以及使用、清算或再使用产品的成本。分析了投资阶段（投资和预投资支出）、经营阶段（生产阶段）和清算阶段（特别是拆除废物的成本和收回土地的成本）的成本。此外，还应用了NETL（国家能源技术实验室）和工发组织（联合国工业发展组织）方法。NETL方法规定了基本的指数、成本水平和建立它们的规则，这对于获得不同尺寸和技术的装置的分析结果相当有用。工发组织的方法论涉及制定规划和实现项目的标准，以及项目本身的运作和效果。将生命周期成本分析的结果应用于假定的功能单元（1兆瓦的净电）动态发电成本（DGC）方法。动态发电成本等于价格，这使得获得等于折扣成本不计入收入。DGC显示了生产单个产品（生产电力）的实际技术成本。

因为它不考虑收入，而是考虑投资阶段、经营阶段和清算阶段（技术的生命周期）的成本，其价值反映一个分析的生命周期（1兆瓦电）单位的成本。用（3）计算DGC：

其中KI_t是指在给定年份中的投资支出，KE_t是在给定年份内的成本费用，Kl_t是在给定年内的清算成本，EE_t是在给定年内的发电，R是折扣率，T年（在0和N之间的值，其中0是第一次发生成本的一年，而N是投资发生的最后一年），N是多年的参照期。

根据源数据假设了2年的实现期（建筑物UCG安装和生产用电）和分析装置的20年的开采期。由于缺少参考数据，在关闭和关闭后的区域内清理安装和回收的费用被假定为投资的10%。源数据用假设的宏观经济指数和化工厂成本指数（CEPCI）更新到2013（“零年”的分析）的成本水平。此外，还包括人员薪金（基于波兰和美国的平均月度数据调整）、税收、地方费用和管理费（物业税）和住房价格等都被调整为波兰条件。所收集的源数据考虑了假定安装规模的局部条件，并用所使用的硬煤的量来表示。在欧洲委员会参考文献中，用指数法编制了量表的换算。根据参考文献中提出的Eq.（4）方法：综合污染预防和控制，将根据不同大小的安装数据来对安装的假定投资规模进行规模转换，以及关于经济学和跨媒体效应的参考文件。

转换系数的值对于给定的设备是不同的，取决于它们的种类、大小和设备。在一个由许多元素组成的装置上的总投资支出可以真实地估计为E＝0.6，假设安装的容量作为尺度参数。尤其石油工业装置和工艺，因此被称为表面煤气化中的化学品生产。如果设备容量的增加是其主要元件、组件的扩大的结果，则建议假定索引值在0.6和0.7之间。对于非常大的装置，当元件、组件必须加倍以增加容量，并建议采用更高的指数E值。例如，如果增加整个装置的容量是通过引入附加的完整生产线来获得的。指数e的值介于0.8和1之间。

为了评价UCG技术的生态效率，主要使用了安格连和钦奇利亚实验的出版数据。提出了一种利用UCG发电的模型系统。采用无轴法进行地下煤炭气化，采用CRIP技术（连续回缩注入点）进行深度为400m的地下气化。假定在煤层中钻进九个400米长的钻孔（最小煤层厚度为5m）。假设气化速率为10mg/h，空气为气化剂。在气化过程的初始阶段，来自空气分离单元ASU的氧气被用来点燃地下反应器。UCG原料气最初在湿式洗涤器中进行清洗，以除去固体杂质和水焦油冷凝液。清洁的合成气在燃气锅炉中燃烧以产生电力。脱硫过程中烟气中的硫氧化物被脱除。假设UCG安装操作时间为8760小时/年，安装电力的可用性为80%。假设地下气化过程的效率为75%，电力生产过程为40%。对表2所示硬煤的UCG技术进行了分析。表3显示了气化过程中获得的气体的组成。

基于源数据确定环境绩效指标、成本效益和生态效率。确定了UCG技术用于发电的生态效率的方法。

3.结果与分析

通过敏感性分析对与无轴方法相关的井下煤气化技术发电的投资进行评价。关于UCG生态效率的敏感性分析，假设生态效率指数是一个响应变量，而确定的临界变量的变化是一个解释变量（解释独立变量，它的变化不直接影响其他变量）。分析的主要目的是显示生态效率结果对临界变量变化的敏感性，并指定UCG生态效率的决定因素。进行的分析能够回答如果决定临界变量的值由假定偏差改变，那么决策参数值即生态效率指数将改变多少。敏感性分析涉及煤层深度、煤层厚度、水平孔长度、安装发电能力、CO₂排放量和折现率的变化。在表4中给出了假设临界变量偏离的主值。

编制投入产出数据清单是生命周期评价的重要阶段。阶段确定的结果在生命周期评价中获得。表5包含给定单元地下煤气化技术生产电力的数据。

对于煤炭地下气化的生命周期评价，使用了表5（生命周期清单）中所研究的数据。在环境分析中使用了LCIA配方法。考虑了三种损伤类别。生命周期评价分析的结果列于表6。基于UCG的电能生产系统的环境指标为57.84 Pt/MWEEL。对人类健康危害类别的最大影响是由合成气燃烧（23.10 Pt/MWH）、耗电量（4.3 Pt/ MWh）和NO_x排放（1.45 Pt/MWH）引起的CO₂排放。合成气燃烧（16.10 Pt/MWh）和耗电量（1.99 Pt/MWh）引起的CO₂排放对生态系统损害的影响很大。对资源破坏影响最大的是由硬煤消耗（8.7Pt/ MWh）和耗电量（2.2Pt/MWh）引起的。

UCG技术成本-效果分析的范围包括计算给定的投资（表7）和维护成本（表8）。在对折现投资支出的所有成本分析的基础上，比较了清算成本、维持成本和DGC指数（表9）。将获得的DGC指数的值与当前的电价相比较（根据能源监管办公室的第36/2014号信息，按照规定的其他规则出售平均季度电价，《能源法》第三条第2014款，电价为41.98欧元/MWH），结合“2030年之前的波兰能源政策”的预测，使用UCG发电是不划算的。然而，这样的结论来自UCG装置容量约为20兆瓦的规模。为了有效地利用UCG发电，在优化生产用电的同时，必须最大限度地提高设备的规模。UCG合成气在现有发电厂的燃烧，以及热电联产的发热发电能够避免输电费用。

分析得到的UGC技术成本效益用DGC指数表示，要注意的是，本文分析的是大约20MWe的安装规模。在这样的资本密集型投资作为能源生产设施的情况下，有一个依赖性，即规模越大，单位投资越低。由于UCG装置的小型化，考虑到在波兰适合于煤气化的煤矿的可获得性，因此建议尽量最大限度地使用现有的地面电力生产基础设施。UCG装置应位于发电厂附近，这允许显著降低投资成本。对UCG需要“从头开始”建设能源产业基础设施的投资变型，应详细分析它们的成本效益及关注当地的条件。为确定UCG电力生产的生态效率评价指标，对生命周期评价、生命周期成本的结果和技术生态效率对关键变量的变化进行了敏感性分析。表10和图2给出了分析结果。

敏感性分析的结果能够从以下方面，确定分析的关键变量对UCG技术的生态效率指数（从最大到最小）的影响：

（1）安装生产电力的可用性。

（2）煤层厚度。

（3）CO₂排放量的价格。

（4）煤层深度。

（5）水平孔长度。

（6）折现率的变化。

4.结论

在UCG技术的环境和成本分析中，必须强调UCG的使用所带来的环境和经济效益，从而避免开采和运输煤的成本和环境影响。合成气燃烧和电能消耗的CO₂排放对环境的影响最大。UCG技术生态效率的传导敏感性分析能够评估给定变量对环境绩效和成本效益的影响。因此，有可能显示影响UCG开发项目的PROFF的标准。根据无轴法，发电安装的有效性和气化煤层的厚度对煤炭地下气化技术的生态效率影响最大。影响生态效率的其他因素是CO₂排放量的价格。

基于煤炭能源替代技术的生态效率分析需要考虑其整个生命周期，并提出它们影响的各种类别。

致谢

本文是国家研究开发中心“研究与开发战略计划”资助下的“高能燃料气化技术发展”课题的一部分，即《批准协议》SP / E / 3/7708/1

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