透析中国煤炭产业链的水资源问题
作者/来源： 日期： 2015-05-18 点击率：1209
自20 世纪80 年代以来，中国工业化和城市化发展迅速。2003 ～ 2011 年，中国国内生产总值(GDP) 的年均增长率接近10.7%。尽管近几年来GDP 增速相对放缓，但在可预见的未来，中国经济仍将保持稳定的增长态势。为实现经济平稳发展目标，中国的一次能源消费也将实现同步增长。煤炭是中国的主体能源，占中国一次能源消费量的70% 左右。煤炭产量从2001 年的13.8 亿吨迅速增加到2013 年的36.8 亿吨。尽管近年来煤炭消费需求增速减缓，但在今后较长时期内煤炭仍将是中国的主要能源。然而，煤炭行业的需水量较大，水资源是该行业发展的限制性因素。此外，中国水资源和煤炭资源地域分布不均衡，呈逆向分布。煤炭资源主要集中于中国北方地区，而水资源储量在南方地区较为充足。因此，水资源短缺可能成为制约中国富煤地区煤炭行业进一步发展的一大障碍。
本文全面分析了中国煤炭产业链中原煤开采、洗选、运输、转化和最终处理环节的水资源消耗问题；阐述了水资源系统和煤炭行业之间的相互关系；并基于水资源节约的技术措施和政策建议，设定几种了情景假设，并预测了2020 年和2030 年中国煤炭产业链的用水量情况。
煤炭产业链中的水资源消耗
煤炭产业链由原煤开采、洗选、运输、转化以及对污染物、排放物和废弃物的处理等几个环节组成。每个环节使用的水资源或是从自然水体（即地表水或地下水）中直接抽采，或是从产业链其他阶段中回收、再利用。煤炭产业链中的水资源问题应关注以下几个方面：对生活和生产用水的影响、水循环利用、废水处理以及对当地环境的影响等。
2011 年，中国总用水量为6107 亿m3，其中工业用水占23.9%。煤炭产业链中的原煤开采、洗选、燃煤发电和煤化工等是主要的用水环节。
原煤开采环节
目前，中国的煤矿数量约为14000 处，2012 年煤炭总产量为36.3 亿吨。这些煤矿中有70% 位于缺水地区，大约40% 面临严重的水资源短缺问题。在原煤开采过程中，每生产1 吨原煤需要消耗0.5 吨水，同时外排出约1 ～ 2 吨矿井水。每年原煤开采环节生产的废水累计可达到30 ～ 60 亿吨。此外，煤炭开采活动也可能破坏水资源系统，尤其对地下水系统造成影响。例如在中国山西省，吨煤开采破坏地下水静储量值为1.07 吨。
原煤洗选环节
在原煤洗选环节，水资源主要用于洗煤。洗煤过程所消耗的水资源量远低于煤炭产业链的其他环节。在中国，94% 的精煤通过洗选加工得出。吨煤平均取水量为2.5 吨，其中，选煤循环补水量为0.15 吨，生产用水量为0.05 吨，其余水则在闭路中循环利用。根据中国煤炭工业协会数据，2012 年，中国原煤入洗率为56%，动力煤入洗率达到35%。洗选能够降低煤中灰分和硫含量，提高煤的质量。发电厂的燃煤灰分每降低1%，煤耗就可降低2～5 gce/kWh。
在中国，尽管湿法洗煤已经成熟而且效率较高，但是，水资源相关问题仍然是提高原煤入洗率的关键性技术障碍。在极端干旱的地区，比如中国西北部，原煤洗选过程中的水净损失仍然无法接受。此外，中国丰富的年轻煤种在水中很容易降解，因此不适合采用洗选工艺。采用湿法洗选加工出来的精煤，外部水分达到12%以上，在严寒条件下运输时，很容易结冰冻结。
煤炭转化
煤炭行业消耗的大部分水资源主要用于煤炭转化。燃煤发电是煤炭转化利用的主要领域，取水量较大，而且许多电厂还位于干旱缺水地区。根据中国电力企业联合会的数据，2010 年中国火电厂（大部分是燃煤电厂）的平均发电耗水量是2.45kg/kWh，而美国火电厂2005 年的平均发电耗水量仅为1.78 kg/kWh。这主要是因为中美两国火电厂的构成比例不同。中国火电厂中燃煤发电比例远高于美国，而燃气发电的比例低于美国。燃煤电厂的主要用水需求来源于冷却系统。采用空气冷却技术取代水冷系统，虽然会降低发电效率，但可以节约水资源。目前，中国火力发电厂的空气冷却技术取得了巨大进步。根据中国电力企业联合会数据，2013 年中国采用空气冷却技术的发电装机容量达到了150GW，占火电厂总装机容量的17%。随着大规模超临界电厂、超超临界电厂的建设运营和节能节水技术的发展，会进一步降低燃煤电厂水耗，这对水资源匮乏地区尤为重要。
在煤化工方面，每生产1 吨焦炭需要消耗大约2.5 吨水。在煤制油领域，年产能为150 万吨的间接煤制油项目，每生产1 吨产品需要消耗6 ～ 10 吨水，是典型的“耗水大户”。
中国煤炭行业的水资源利用效率仍存在巨大的改进空间。通过整体协同规划，而不是孤立地着眼于每个环节，从煤炭产业链的角度来考虑水问题，可以进一步提高节水效率。
情景分析：2020年和2030年煤炭产业链中的用水量
2010 年11 月，中国国务院批复了《全国水资源综合规划》，设定了中国2020 年和2030 年的用水总量目标为6700 亿m3 和7000 亿m3，其中，工业用水目标分别是1270 亿m3 和1200 亿m3。这就要求燃煤电厂采用更加节水的技术。
情景设计
国际能源署（IEA）在《世界能源展望 2010》中设计了3 种情景：当前政策情景、新政策情景和450 情景，用于预测2020 年和2030 年全球的能源需求趋势。本文以《世界能源展望2010》中当前政策情景的煤炭需求数据作为基准；用新政策情景中的数据表征政策对未来煤炭需求趋势的影响。此外，根据当前技术发展的潜力，在情景设计中纳入了技术水平因素对用水量的影响。基于以上假设，我们提出以下4 个情景：
（1）情景1（S1）: 作为基准情景，不考虑任何政策变化和/ 或技术进步带来的影响。
（2）情景2（S2）: 考虑当前政策下，技术进步产生的影响。
（3）情景3（S3）: 考虑政策变化造成的影响，但不考虑技术进步的影响。
（4）情景4（S4）: 同时综合考虑政策变化和技术进步带来的协同作用。
由于2010 年批复的《全国水资源综合规划》以2008年作为基准年，因此，本文也以2008 年作为情景分析的基准年。本文没有将燃煤发电行业的直流冷却水系统的取水量计入分析中。因为直流冷却水系统的取水量虽然较大，但是消耗量很小，提取的大部分水资源最终返回到水源地。
情景预测的结果
情景1 和情景3 中并未考虑技术进步因素，因此，在这两个情景中，煤炭产业链的用水量将持续增加。在情景2 和情景4 中，2020 年之前煤炭产业链的用水量稍有下降，此后用水量明显降低。
情景1 的预测结果表明，如果政府不出台任何节水政策，亦不推动任何技术进步，那么煤炭产业链的用水量将持续增长。到2030 年，煤炭产业链的用水量将是2008 年用水量的两倍。
情景2 的预测结果表明，在当前政策的指导下，发展和推广节水技术能够有效地控制煤炭产业链的用水量：2030 年的用水量将比目标值降低11%，而2020 年的用水量略高于2008 年的基准值。但是从现在到2020 年期间，预计其他用水密集型行业（例如造纸、冶金和纺织行业）的用水量会有所增加。因此，我们预计，如果在当前政策下，只依靠技术进步，2020 年实际的工业用水量将会超过目标值。为实现用水量目标，必须要实施有效的新政策。
在情景3 的分析中，考虑了政策改变对用水量的影响。从2020 年至2030 年，该情景中的用水量没有显著增长，但仍高于2008 年用水量。预测结果表明，如果仅靠政策变化产生的潜在影响力来减少煤炭产业链中的用水量，其作用有限。要实现必要的节水目标，政府应该实施更加严格的政策，并推广相应的工业节水技术。
通过比较情景2 和情景3 的预测结果，可以得出结论，技术进步比政策改变能够产生更多实质性影响。为确保实现2020 年和2030 年的工业用水量目标值，加快发展和推进技术进步至关重要。
情景4 的结果表征了政策改变和技术进步的协同作用对减少用水量的综合影响。2030 年，煤炭产业链中的用水量预测值为107 亿m3，占工业用水量目标值的9%。但在2020 年前后，情景4 与情景2 中出现的问题类似。在情景4 中，预计2020 年煤炭产业链的用水量可能达到149 亿m3，即工业用水量目标值的12% 左右。但实际工业用水量很可能超过该年的节水目标值。出现这一情况的原因与情景2 中所述的原因相同。因此，必须出台更严格的政策，同时加快推进技术进步才能进一步降低用水量。
根据2030 年煤炭产业链各环节用水量的情景分析结果，燃煤发电的用水量占比最大，因此，燃煤发电也是最具节水潜能的环节。2008 年，燃煤发电的用水量为78.6 亿m3，发电量为2759 太瓦时（TWh，1TWh=109kWh）。在情景2 中，2030 年的燃煤发电量的预测值为6605 TWh，与2008 年相比增加140%，而总用水量将降低20%。在情景4 中，2030 年的燃煤发电量预测值为5060 TWh，与2008 年相比增加83%，而总用水量降低36%。总体来说，由于燃煤发电行业具有的节水潜力最大，因此笔者认为，对燃煤发电行业施行严格的节水政策和推进节水技术进步，可能是降低中国煤炭行业用水量的最有效方法。
与燃煤发电行业的节水潜力相比，原煤开采、洗选和煤化工环节的潜在节水量相对较小，但在估算每个行业内的节水率时，这4 个情景仍存在显著差异。就原煤开采而言，情景1 的用水量预测值为111 亿立方米。与情景1 相比，在情景2 中原煤开采的用水量降低了57%；在情景3 中，用水量降低了17.8%；在情景4 中，预计原煤开采的用水量将降低64%。洗选和煤化工行业也得出了相似的结果。
以上情景分析的结果表明，随着技术进步和新政策的实施，可以实现用水量的大幅度降低，同时实现经济效益（降低用水成本）和环境效益（较少废水排放）。
切实可行的节水途径
如上文所述，中国煤炭产业链的水资源问题可能会严重限制中国煤炭行业的进一步发展。因此，我们建议煤炭产业链各个环节采取以下节水途径。
（1）在原煤开采环节，目前存在大量的废水外排问题。因此，原煤开采环节的最大节水潜能在，根据水质，回收处理外排废水用于其他用途。
（2）由于洗选加工能够提高燃煤发电效率，因此，提高中国动力煤洗选率，可以实现较高的节水效益。
（3）情景分析的结果表明，燃煤发电是中国煤炭产业链中用水量最大的环节，节水潜能最大。对于循环水冷却系统，最佳循环水浓缩倍率（此术语用于描述补入系统中的新鲜水的盐浓度与系统中循环水的盐浓度的比率。这可以确保冷却塔中不会积聚太多结垢）通常是4 ～ 5，而中国80% 的燃煤电厂的浓缩倍率低于3。实践证明，提高浓缩倍率是降低电厂耗水量有效的途径。另一种途径是减少循环水量，控制冷却塔内水损失率。此外，回收利用废水、在干旱地区使用空冷机组，以及在沿海地区利用海水冷却等，都能有效降低燃煤发电行业的总耗水量。
（4）在煤化工行业，许多新项目正在建造或规划中，因此，该领域的用水量将迅速增加。在项目建设过程中，提高转化效率和废水处理能力有助于节约水资源。
结论
水资源对于中国煤炭产业链具有重要意义。我们的分析结果表明，到2030 年，燃煤发电行业的用水量在煤炭产业链中所占比例仍是最高的。对于控制总体用水量而言，技术进步和实施严格的政策都非常必要。在短期内，技术进步比制定政策更能有效地降低用水量。煤炭产业链的每个环节都应该根据具体情况采用不同的措施以节约水资源。回收利用废水、提高洗选率、优化燃煤电厂的循环水冷却系统和除灰系统以及提高燃煤电厂效率等，都是非常实用且相对有效的节水措施。煤炭行业应充分利用节水措施以实现用水量目标，进而促进中国煤炭工业的可持续发展。
致谢
我们在此衷心地感谢国家自然科学基金委员会给予的基金支持（项目编号51106080），以及BP 公司的“能源可持续性挑战”项目和BP 公司与清华大学第二阶段合作而给予的大力资金支持。同时我们要感谢美国华盛顿特区中国环境论坛的吴岚(Jennifer Turner) 博士为本文提供了大量宝贵的数据。对此我们表示诚挚的谢意。
（来源：《基石》 作者：清华大学热能工程系电力系统国家重点实验室教授 李政；清华大学热能工程系电力系统国家重点实验室博士生 潘玲颖；文/ 清华大学热能工程系电力系统国家重点实验室副教授 刘培；清华大学热能工程系电力系统国家重点实验室副教授 麻林巍 ）
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