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潜在环境成本制约的煤制天然气项目经济性评价

付楚芮1 李振涛2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院,北京市朝阳区,100013;2.煤炭科学技术研究院有限公司,北京市朝阳区,100013)

摘 要 为了宏观评价煤制天然气项目的经济性,以费用效益分析方法为基础,建立适合于煤化工项目经济风险评价方法模型,并将风险划分为5个等级。采用模型对煤制天然气项目全过程存在的各类影响制约因素进行了费用效益分析,基于目前我国煤制天然气项目的情况选取典型参数,并将煤制天然气项目中潜在的、不确定的、暂未预见的环境风险纳入项目经济性风险评价。评价结果表明,煤制天然气项目经济性风险随各因素变化的敏感程度依次为:天然气价格、煤价、开工率、环境成本、技术成熟度、项目投资、碳排放。在考虑了项目对外部环境造成损害所产生的潜在费用时,煤制天然气项目费用效益比降低了16%,经济性风险处于约束性风险(Ⅱ级),因此项目对环境造成损害的外部潜在费用不可忽视,在项目前期预备时需要高度关注。

关键词 现代煤化工 煤制天然气 潜在环境成本 费用效益分析 经济性评价

中国“富煤、缺油、少气”的能源资源禀赋决定了我国以煤为主的化石能源结构将长期占据主导地位[1]。而我国石油、天然气的消费量和生产量之间的矛盾又极为突出,发展清洁高效的煤制天然气项目无疑具有重要的现实意义和深远的战略意义[2-3]

煤制天然气项目运行过程中会面临资源、环境等诸多制约因素,煤制天然气产业要平衡有序发展,开展煤制天然气项目经济性风险评价对规避风险具有重要作用。和有元[4]综合大型煤制天然气的项目特点及项目投资风险,识别出煤制天然气项目各类风险因素98项,构建了大型煤制天然气项目风险因素评价的指标体系;陈子瞻[5]通过多个实际案例分析煤制油气企业的总成本,对煤制油气产业的成本、环境影响、市场条件和产业集群进行了深入分析后得出煤制天然气的全成本约为2.32元/m3,在目前的天然气市场价格下,利润较为微弱;刘要治[6]结合霍城煤制天然气项目建设相关的煤炭资源、水资源以及环境资源等基础条件进行了财务评价,分析和论证了项目的经济性与竞争力;郭晋菊[7]以20万m3/a的煤制天然气项目为例,分析了在中原地区建设煤制天然气项目的前景,研究表明,由于高煤价、低油价和低气价,在中原地区建设煤制天然气项目经济性较差。

前人在煤制天然气项目经济性评价方面多局限于企业财务成本的管理评价,对项目建设及运行过程中对外部环境造成的环境风险以及外部成本上研究不足。而煤制天然气项目对环境造成的污染会对生态系统及人体健康造成损害,环境风险也不可忽视。笔者提出了将煤制天然气项目潜在的、不确定的、暂未预见的环境风险进行费用成本量化,并将外部成本纳入煤制天然气项目风险分析中,对客观评价煤制天然气项目建设及提示项目风险具有指导意义,也能为政府的宏观调控和企业投资决策提供数据参考。

1 煤制天然气项目发展现状

1.1 煤制天然气项目产业现状

2019年我国天然气进口量为1311.7亿m3,进口依存度达43.0%,预计到2050年我国进口天然气将增至超过6300亿m3,进口依存度达到78.5%。“十三五”规划中已投产煤制天然气项目有4个,产能只有51.05亿m3/a,与我国每年近3000亿m3的需求相差甚远,巨大的供给和需求反差,将为处于成长期的煤制天然气带来较大的空间[8-10],已投产煤制天然气项目见表1。

表1 已投产煤制天然气项目

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大唐克旗40亿m3/a煤制天然气项目一期工程于2013年12月投产[11],项目位于内蒙古自治区赤峰市,采用鲁奇碎煤加压气化等工艺技术,使用胜利煤田煤炭为原料,主要产品为天然气,副产品为硫磺、石脑油、焦油、粗酚以及液氨等,项目总投资257亿元。

内蒙古汇能鄂尔多斯20亿m3/a煤制天然气项目一期工程于2014年11月投产[12],项目位于内蒙古自治区鄂尔多斯市,项目气化选用西北化工研究院的多元料浆气化专利技术,总投资170亿元,一期工程投资70亿元。

新疆庆华55亿m3/a煤制天然气项目一期工程于2013年12月投产,项目位于新疆维吾尔自治区伊宁市,项目采用鲁奇碎煤加压气化技术,总投资278亿元。该装置自投产以来一直维持高负荷平稳运行,生产负荷达80%以上,月产量近1亿m3

新疆新天伊犁20亿m3/a煤制天然气项目[13]位于新疆伊宁市,总投资160亿元,利用当地煤炭资源,采用碎煤加压气化、净化、甲烷化等技术,年产纯净天然气20亿m3送往浙江,约占浙江目前天然气消费量的1/4。

1.2 煤制天然气工艺及对环境的影响

煤制天然气主要包括煤炭气化,水煤气变换、净化生产合成气,甲烷合成和气体干燥压缩等工序,煤制天然气工艺流程简图如图1所示。

图1 煤制天然气工艺流程简图

我国已建成及拟建的煤制天然气项目大多位于我国西北部,生态环境脆弱。而煤制天然气项目单位产品新鲜水消耗量大,约为6.9 t/1000 m3;随着项目的持续建设还会产生大量的固废和危险废物,40亿m3/a的煤制天然气项目约产生灰渣260万t/a(综合利用90万t/a),结晶盐泥和污水处理污泥3.6万t/a[14];同时煤制天然气项目还会产生大量废气,随着国家环保的要求越来越高,目前新建的煤制天然气项目对工厂废气排放已要求考虑VOCs全过程解决方案。

2 煤制天然气项目影响因素评价

2.1 煤化工项目经济风险评价方法模型

根据煤化工项目高投入、高风险、生命周期长、利益相关方众多、影响因素多等特点[15],建立了煤化工项目经济风险评价模型如图2所示。该模型采用费用效益分析的方法,包括煤化工项目费用和效益的识别,将未来可能产生的外部环境的损失也作为项目费用纳入考虑范围。

图2 煤化工项目经济性风险评价模型

煤化工项目经济性风险评价模型计算见式(1)和式(2):

式中:C——项目费用;

C r——常规费用,为项目建设和运行过程中产生的生产成本、摊销费以及管理、销售、制造、财务费用等;

C a——辅助费用,是项目中增值税、所得税等;

C p——潜在费用,是对外部环境成本的量化;

B——项目效益;

B m——基本效益,是项目主产品的收入;

B s——派生效益,是项目副产品的收入;

B inv——无形效益则是考虑项目的社会效益,比如带动当地经济和其他相关产业的快速发展,或改变当地的生产力布局和解决就业等。

笔者确定了效益费用比(B/C)作为评判项目风险的主要指标,以评判投资项目在经济上是否可行。当B/C>1时,项目具有可行性;当B/C<1时,项目具有经济性风险,风险等级划分见表2。

表2 煤制气项目经济性风险等级

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2.2 煤制天然气项目影响因素评价

对煤制天然气产业进行详细调研后,选出了煤价、天然气价格、开工率、技术成熟度、投资情况、碳排放和环保税等7个主要因素,采用煤化工项目经济风险评价方法模型对煤制天然气项目的经济性风险进行分析,计算出在各单因素变化的影响下,煤制天然气项目的效益费用比(B/C)的变化趋势,各因素对煤制天然气项目经济性风险的影响如图3所示。

图3 各因素对煤制天然气项目经济性风险的影响

由图3(a)可以看出,煤炭是煤制天然气项目的重要生产原料,其价格波动将直接影响到产品成本和项目收益,煤价取值范围按照近10年煤价波动区间[100,700]来计算。结果表明,煤制天然气项目的效益费用比(B/C)随煤价上升而下降的趋势较为明显,这是由于在煤制天然气项目生产成本中原料成本占到40%以上,当保持单一变量时,即煤价低于180元/t时,煤制天然气项目的效益费用比(B/C)大于1,具有盈利能力。

由图3(b)可以看出,天然气价格的变化是影响煤制天然气项目的关键因素,当天然气的市场价格受到石油化工产品的冲击而出现较大幅度变化时,会对煤制天然气项目造成重大经济风险。天然气价格和天然气市场密切相关,天然气价格取值范围按照近5年天然气进口价格波动区间0.8~3.2元/m3来计算。结果表明,随着天然气价格的上升,效益费用比(B/C)逐渐增高,当保持单一变量时,即天然气价格高于1.6元/m3时,煤制天然气项目的效益费用比(B/C)大于1,具有盈利能力。

由图3(c)可以看出,开工率的变化将直接影响项目产品的产量和收益,开工率按照市场调研情况选取了[30%,130%]闭区间的开工率。结果表明,随着开工率的上升,效益费用比(B/C)也逐渐上升,当保持单一变量时,即煤制天然气项目开工率达到100%时,效益费用比(B/C)大于1,具有盈利能力。

由图3(d)可以看出,技术成熟度主要是指装置运行效率和装置长周期运行管理,假设未来一段时间内工艺技术水平大幅提高、工厂建设管理经验逐渐丰富、设备可靠性增加等因素,技术成熟度的取值选取了闭区间[100%,200%]。随着技术成熟度的提升,在同样产出的情况下将使用更少的人力,消耗更少的原料,对环境的污染也会越小。根据国家863项目“洁净煤技术的评价方法”开发的CCTM评价模型[16]得到,技术成熟度每提高10%,原料费、辅助材料及动力费和工资均降低3%,从图中可以看出效益费用比(B/C)随技术逐渐成熟而增大。

由图3(e)可以看出,投资情况的影响主要体现在项目建设过程中,若投资增加将会导致资金出现缺口,一方面会延长建设工期,另一方面融资成本和资金使用条件发生变化,同时投资的增加将会直接影响项目的收益水平,增加成本且降低竞争力。根据市场调研,项目超投资的情况最高超过40%,投资取值选取了闭区间[100%,140%],考虑到了超额投资的影响,效益费用比(B/C)随着投资的增加而降低,变化较为明显。

由图3(f)可以看出,碳排放取值为闭区间[60%,100%],考虑到了二氧化碳减排和正常排放的影响,碳排放取值按照近6年的碳交易价,均值40元/t来计算。随着碳排放的增加,项目效益费用比(B/C)逐渐下降。项目效益费用比随着碳排放量的变化曲线比较平缓,这是由于现行碳交易价格并不高,并且碳交易价目前总体上呈现下降的趋势[17],因此碳交易对于煤化工项目经济性风险的影响并不是特别明显。

由图3(g)可以看出,按照新环境保护税法,水污染造成的潜在费用按照每污染当量1.4~14元计算,大气污染造成的潜在费用按照每污染当量1.2~12元计算,固体污染造成的潜在费用取值如下:煤矸石5元/t,尾矿15元/t,危险废物1000元/t,冶炼渣、粉煤灰、炉渣、其他固体废物(含半固体、液态废物)25元/t。环保税的影响取值考虑了减排和超排的影响,选取了[50%,150%]闭区间的排放量。同时根据环保税法规定,排放应税大气污染物或者水污染物的浓度值低于国家和地方规定的污染物排放标准的30%,按75%征收环境保护税;排放应税大气污染物或者水污染物的浓度值低于国家和地方规定的污染物排放标准的50%,按50%征收环境保护税。结果表明,随着环保税的上升,效益费用比(B/C)下降明显。

3 煤制天然气项目费用效益评价

为了对煤制天然气项目进行综合全面、详细准确的经济性风险分析及评价,基于目前煤制天然气项目的情况,笔者采用煤化工项目经济性风险评价方法模型对典型规模的煤制天然气项目进行了费用效益分析。

3.1 项目情况

假定煤制天然气项目生产规模为20亿m3/a的合成天然气,总投资为160亿元左右,年操作时间为8000 h。

3.1.1 产品方案

项目主产品为合成天然气,合成天然气25万m3/h,合成天然气低热值为34600 kJ/Nm3,天然气售出价格为1.08元/m3。副产品包括石脑油(3.0万t/a)、中油(8.4万t/a)、焦油(10.0万t/a)、粗酚(2.5万t/a)、硫铵(11.6万t/a)、硫磺(0.5万t/a)等。

3.1.2 工艺技术

项目以煤为原料生产合成天然气,主要采用工艺技术路线包括碎煤加压气化、耐油耐硫变换、低温甲醇洗净化、甲烷合成及脱水干燥等。从技术成熟度角度来看,与粉煤气化和水煤浆气化相比,碎煤固定床加压气化更有利于煤制天然气生产能效水平的提高。

3.1.3 原料

项目按照煤种为长焰煤计算,原料煤用量为460万t,燃料煤用量为175万t,共计635万t,原料煤内部结算单价为130~150元/t;需要外网供电269.6万k W·h;项目生产生活用新鲜水量约1700 m3/h,水的重复利用率按90%计算,最高生产用水量约5.7万m3/d,工业用水价格3.55元/m3

3.1.4 人员

生产人员三班制运行,每班8 h,按五班制配置定员;管理人员采用一班制。管理和生产人员按1600人计,工资按照15万元/(人·年)计算,福利按照工资30%计算。

3.1.5 废物治理

项目的废气主要包括煤的贮运和破碎筛分等过程产生的粉尘、低温甲醇洗、煤气水分离单元和酚回收单元产生的酸性气、低温甲醇洗单元水洗塔尾气、煤气水分离和酚回收呼吸废气、自备热电站锅炉烟气、污水处理装置恶臭气体、储罐区呼吸装卸废气以及各种无组织排放废气。废气排放量约为280万Nm3/h。

项目废水主要包括酚回收、低温甲醇洗、甲烷化、冷冻站、地面冲洗水等生产废水,硫回收、锅炉、循环水站、脱盐水站等含盐废水,以及生活及化验废水。气化废水采用预处理、生化处理、深度处理之后排放。废水量约为800 m3/h。

气化炉和电站锅炉灰渣总量为60万t/a,处理方式以汽运方式运到渣场进行填埋。

项目二氧化碳排放主要来自自备热电站锅炉烟气、低温甲醇洗单元尾气洗涤塔尾气和RTO炉尾气;此外,硫回收装置酸性气尾气焚烧后排放也有一定CO2排放,但排放量较小。项目排放二氧化碳排放总量约为570万t/a。

3.2 煤制天然气项目费用效益经济性评价

根据项目基本情况,采用煤化工项目经济性风险评价方法模型,分别讨论考虑和不考虑外部环境风险造成的潜在费用的情况。

进行项目评价时,维修费按照固定资产投资的2%计算;折旧费按照固定资产折旧15 a,残值率为5%;财务费用为流动资金借款利息:借款比例为70%,短期借款利率为5.31%;建设投资贷款利息为自有资金,比例为30%,长期借款利率为5.94%;增值税税率按照17%计算。废气、废水、固废排放按照环保税中的规定计算,碳排放取值按照6 a碳交易价均值40元/t计算。煤制天然气项目费用效益分析见表3。

由表3可以看出,在不考虑潜在费用的情况下,天然气的常规费用是1.24元/Nm3,其中原料煤及燃料煤成本占比达到40%左右,在成本的比例中,财务费用以及折旧费用占的比例也较大,项目效益费用比(B/C)为0.98,项目风险等级为约束性风险(Ⅱ级)。在考虑了项目对外部环境造成的潜在费用时,在正常的排污情况下,项目的效益费用比(B/C)为0.82,项目风险等级为约束性风险(Ⅱ级),但费用效益比降低了16%,项目经济性风险显著增大,说明潜在费用不可忽视,碳排放等未来可能存在的、不可控的环境风险将会对煤制天然气项目造成较大影响。

表3 煤制天然气项目费用效益分析 元/m3

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4 结论

煤制天然气项目制约因素较多,各因素变化时,煤制天然气项目效益费用比(B/C)也随之变化,由于在效益计算中主要以产品收益为主,所以效益费用比(B/C)随产品价格波动最为明显。同时原料煤及燃料煤的成本在煤制天然气项目费用成本中占到40%左右,比重较大,相较于其他影响制约因素,煤制天然气项目经济性风险的大小随煤价波动的变化程度较为明显,煤制天然气项目经济性风险随各因素变化的敏感程度依次为天然气价格、煤价、开工率、环保税、技术成熟度、项目投资、碳排放。

按照煤制天然气项目经济性风险评价方法,将风险等级划分为5个等级。通过对典型煤制天然气项目进行案例分析后,将煤制天然气项目中潜在的、不确定的、暂未预见的环境风险纳入项目经济性评价时,效益费用比(B/C)降低了16%,煤制天然气项目经济性风险处于约束性风险(Ⅱ级),因此煤制天然气项目对环境造成损害的外部潜在费用不可忽视,在项目前期要高度关注。

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Economic evaluation of coal-to-SNG projects restricted by potential environmental costs

Fu Churui1,Li Zhentao2
(1.Coal Chemical Industry Research Branch of China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China;2.China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Abstract In order to macro-evaluate the economics of coal-to-SNG projects,the authors established a model of economic risk assessment methods suitable for coal chemical projects based on the cost-benefit analysis method,and divided the risk level into five levels.The model was used to analyze the cost and benefit of all kinds of influencing factors in the whole process of coal-to-SNG project.And based on the current situation of coal-to-SNG projects in China,the typical parameters were selected and the potential,uncertain and unforeseen environmental risks in coal-to-SNG projects were included in the economic risk assessment of the projects.The results showed that the sensitivity of the economic risks of coal-to-SNG projects with various factors was in order:natural gas price,coal price,operating rate,environmental cost,technology maturity,project investment and carbon emissions.When considering the potential cost caused by the project's damage to the external environment,the cost-benefit ratio of the coal-to-SNG project was reduced by 16%,and the economic risk was at a binding risk(levelⅡ).Therefore,the potential external cost of environmental damage caused by the project should not be ignored and should be paid close attention to in the early stage of the project.

Key words modern coal chemical industry,coal-to-SNG,potential environmental cost,cost-benefit analysis,economic evaluation

中图分类号 X784

文献标识码 A

引用格式:付楚芮,李振涛.潜在环境成本制约的煤制天然气项目经济性评价[J].中国煤炭,2020,46(9):30-36.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.09.004

Fu Churui,Li Zhentao.Economic evaluation of coal-to-SNG projects restricted by potential environmental costs[J].China Coal,2020,46(9):30-36.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.09.004

基金项目:煤炭科学技术研究院有限公司科技发展基金项目,基于环境制约的现代煤化工效益评估方法研究(2020CX-II- 01)

作者简介:付楚芮(1993-),女,湖南常德人,硕士研究生,现就职于煤炭科学技术研究院有限公司任助理研究员,主要从事规划咨询和煤炭经济方面的研究。E-mail:fu@cct.org.cn。

(责任编辑 王雅琴)