沈鵬，傅澤強(qiáng)，高寶，鄔娜，謝園園

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

“缺油少氣富煤”是我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，資源稟賦決定了在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。2007年11月29日，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布了中國(guó)第一部《煤炭產(chǎn)業(yè)政策》［1］。政策明確提出，我國(guó)將建設(shè)13個(gè)大型煤炭基地，且優(yōu)先發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和資源綜合利用項(xiàng)目［2］。

能源煤化工基地是指特定區(qū)域內(nèi)以煤炭、火電、煤化工和建材等產(chǎn)業(yè)為主體形成的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。具體而言，在煤炭資源相對(duì)富集的地區(qū)，以煤炭及其共生或伴生資源的綜合開(kāi)發(fā)和利用為主線，通過(guò)與火力發(fā)電、煤化工等下游產(chǎn)業(yè)建立共生關(guān)系，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的就地轉(zhuǎn)化和價(jià)值增值的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。借助本地區(qū)煤炭資源的優(yōu)勢(shì)，以原煤開(kāi)采為基礎(chǔ)，圍繞煤炭生產(chǎn)過(guò)程所涉及的一系列相關(guān)聯(lián)的生產(chǎn)單元的不同組合，從煤炭產(chǎn)業(yè)延伸的角度，向前、向后關(guān)聯(lián)，形成不同的煤炭產(chǎn)業(yè)鏈。這些產(chǎn)業(yè)鏈不僅實(shí)現(xiàn)了原煤的價(jià)值增值，還在很大程度上減輕了廢棄物排放對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響。筆者對(duì)能源煤化工基地代謝過(guò)程進(jìn)行分析，識(shí)別污染物產(chǎn)生的主要節(jié)點(diǎn)和代謝廢物種類(lèi)，以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，進(jìn)而提出能源煤化工基地環(huán)境保護(hù)對(duì)策，以期為促進(jìn)能源煤化工基地健康、可持續(xù)發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 物質(zhì)代謝分析

1.1 分析方法

能源煤化工基地物質(zhì)流分析的范圍，包括整個(gè)基地內(nèi)的生產(chǎn)活動(dòng)(煤炭采掘、熱力發(fā)電、煤化工以及建筑材料行業(yè))，還包括基地內(nèi)工業(yè)三廢的產(chǎn)生、利用和排放情況。

按照歐盟的分析框架，將能源煤化工基地物質(zhì)流過(guò)程分為輸入、消費(fèi)、輸出和循環(huán)利用四個(gè)部分［3-6］。

輸入物質(zhì)主要包括能源、水資源及原材料。其中，能源包括煤炭和燃料油;原材料包括煤炭及工業(yè)、建筑用非金屬礦物，如白云石、石灰石和石膏等。

物質(zhì)消費(fèi)過(guò)程即生產(chǎn)過(guò)程，在此過(guò)程中，能源被消費(fèi)用以加工原材料。作為能源的煤炭、燃料油以及部分水資源轉(zhuǎn)化成非物質(zhì)性的電力和熱力，作為原材料的煤炭和其他礦物經(jīng)過(guò)加工成為煤制品、煤化工產(chǎn)品以及建筑材料等。

輸出物質(zhì)包括產(chǎn)品和廢棄物。其中，產(chǎn)品包括煤炭、煤制品、化工產(chǎn)品以及建材等產(chǎn)品;廢棄物包括廢氣、廢水和固體廢物，廢氣以SO2、NOx和粉塵為主，廢水中的污染物主要包括化學(xué)需氧量、生物需氧量、氨氮、石油類(lèi)和酚類(lèi)污染物，固體廢物以煤矸石為主。在數(shù)量上廢棄物排放量等于廢水排放量、主要大氣污染物排放量和固體廢物排放量三者之和。循環(huán)利用的物質(zhì)主要包括水資源和煤矸石。

循環(huán)利用部分包括能源煤化工基地內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)，如工業(yè)廢水的重復(fù)利用、工業(yè)固體廢物的綜合利用等。

從物質(zhì)流分析過(guò)程可以看到，消費(fèi)過(guò)程損耗和廢棄物輸出是造成資源環(huán)境問(wèn)題的根本原因。如何提高資源利用效率，降低損耗、減少污染物排放，是能源煤化工基地可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵［7］。

1.2 代謝過(guò)程分析

能源煤化工基地是由人類(lèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和自然條件共同組合而成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。有別于一般意義上的工業(yè)園區(qū)，能源煤化工基地規(guī)模相對(duì)更大，以發(fā)展煤炭行業(yè)為主，并具有比較完整的生產(chǎn)體系。從產(chǎn)業(yè)鏈角度，能源煤化工基地實(shí)現(xiàn)了上下游產(chǎn)業(yè)聯(lián)營(yíng)和集聚;從物質(zhì)代謝角度，此類(lèi)基地由生產(chǎn)者——煤炭采掘行業(yè)、消費(fèi)者——火力發(fā)電和煤化工行業(yè)、次級(jí)消費(fèi)者——新材料等高能耗行業(yè)和分解者——建材生產(chǎn)行業(yè)構(gòu)成，在一定程度上形成了食物鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

工業(yè)代謝理論認(rèn)為經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)將物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和廢物的流動(dòng)過(guò)程。能源煤化工基地物質(zhì)代謝過(guò)程如圖1所示。

圖1 能源煤化工基地物質(zhì)代謝過(guò)程Fig.1 Metabolism schematic diagram of energy coal industrial base

水資源和能源經(jīng)過(guò)基地內(nèi)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的代謝過(guò)程最終形成了產(chǎn)品和污染物。原煤經(jīng)過(guò)洗選產(chǎn)生附加值更高的煤產(chǎn)品，煤產(chǎn)品在基地的代謝途徑有三個(gè):1)作為產(chǎn)品直接運(yùn)出基地銷(xiāo)售;2)提供給熱力發(fā)電廠作為燃料進(jìn)行發(fā)電;3)作為煤化工行業(yè)的原料進(jìn)行煤化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。

能源煤化工基地物質(zhì)代謝具有代謝規(guī)模大、物質(zhì)流動(dòng)速率快等特點(diǎn)［8］。物質(zhì)代謝系統(tǒng)中，生產(chǎn)者與消費(fèi)者為能源密集、污染密集型行業(yè)，分解者僅有建材生產(chǎn)行業(yè)一類(lèi)，對(duì)煤炭生產(chǎn)、加工過(guò)程產(chǎn)生的廢棄物有一定消化能力，但在消化的數(shù)量和種類(lèi)上都不能與廢棄物產(chǎn)生速度相匹配。與自然生態(tài)系統(tǒng)代謝過(guò)程相比，基地內(nèi)的分解機(jī)制十分不完備，導(dǎo)致產(chǎn)生排放的廢物量遠(yuǎn)大于生態(tài)環(huán)境的自凈能力，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響。隨著基地生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，其對(duì)所在區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響也在增加［9］。

1.3 生態(tài)環(huán)境影響分析

通過(guò)能源煤化工基地物質(zhì)代謝過(guò)程分析可以發(fā)現(xiàn)，在煤炭開(kāi)采、加工和轉(zhuǎn)化過(guò)程中，污染物產(chǎn)生和排放的主要節(jié)點(diǎn)是煤炭開(kāi)采行業(yè)的礦井水和煤矸石、電力行業(yè)的沖渣廢水和大氣污染物、煤化工行業(yè)的廢水和廢氣等，這些污染物已經(jīng)引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

1.3.1 水環(huán)境

煤炭開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的礦井水被排到地表、流入河道或滲入地下后，對(duì)地表和地下水系會(huì)造成嚴(yán)重污染。地下水水位下降，導(dǎo)致大面積疏干漏斗的出現(xiàn)，使水源枯竭或河水?dāng)嗔鳎?0］。煤矸石是我國(guó)目前排放量最大的工業(yè)固體廢物之一，大量煤矸石長(zhǎng)期堆放不僅占用土地，而且造成環(huán)境污染。排放的煤矸石廢物隨大氣降水和地表徑流進(jìn)入河、湖等，使地表水受污染，隨滲瀝水進(jìn)入土壤而使地下水受污染［11-12］。

在火電行業(yè)中，現(xiàn)有火電廠主要采用水力除灰系統(tǒng)，沖灰渣水是火電廢水中排放量最大、污染物超標(biāo)最嚴(yán)重的廢水。

作為能源煤化工基地的主導(dǎo)行業(yè)，煤化工是一個(gè)高污染、高安全要求的行業(yè)，其運(yùn)行周期長(zhǎng)、工藝流程多且復(fù)雜，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生污染物，雖然有部分可以回收，但無(wú)法回收的大多有毒有害，稍有不慎還可能造成重大的環(huán)境安全事故［13］。煤化工項(xiàng)目產(chǎn)生的廢水主要來(lái)源于氣化、凈化、合成、精制等生產(chǎn)裝置及生活、化驗(yàn)污水等，主要污染物為化學(xué)需氧量、生物需氧量、氨氮、石油類(lèi)等。

1.3.2 大氣環(huán)境

煤炭開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的煤矸石自燃時(shí)會(huì)生成NOx、SO2和H2S等有害氣體，還有部分地區(qū)的煤矸石存在放射性污染［14］。此外，煤炭開(kāi)采行業(yè)的大氣污染物主要有煤炭生產(chǎn)過(guò)程中釋放的煤層氣(主要成分是CH4)和用炸藥落礦、用柴油機(jī)為動(dòng)力的設(shè)備而產(chǎn)生的CO和NOx等有毒氣體以及煤炭自燃產(chǎn)生的 CO、CO2等［15］。

而火力發(fā)電是硫酸煙霧和酸雨的主要責(zé)任者。與水電、核電相比，火力發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染最大，治理的工作最重。目前我國(guó)燃煤產(chǎn)生的SO2排放量占全國(guó)總排放量的74%，燃煤產(chǎn)生的CO2排放量占總排放量的85%，NOx排放量占總排放量的60%，TSP排放量占總排放量的70%［16］。

在大氣環(huán)境影響方面，煤化工項(xiàng)目產(chǎn)生的廢氣主要來(lái)源于備煤和氣化、凈化、污水處理等生產(chǎn)裝置產(chǎn)生的工藝廢氣及鍋爐煙氣，主要污染物為煙塵、NOx、H2S、SO2、CO、HCN 等。

1.3.3 生態(tài)系統(tǒng)

我國(guó)未來(lái)煤炭規(guī)劃區(qū)大部分集中在資源豐富的西北地區(qū)。然而西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水資源缺乏，環(huán)境容量有限。該地區(qū)沙化耕地和沙化草地的面積呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì);局部地區(qū)土壤鹽漬化增長(zhǎng)勢(shì)頭仍在加重;石漠化問(wèn)題突出。

受?chē)?guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)委托，中國(guó)煤炭地質(zhì)總局開(kāi)展了“大型煤炭基地煤炭資源、水資源和生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)”課題研究。結(jié)果顯示，我國(guó)13個(gè)大型煤炭基地中，環(huán)境容量小的是晉北、晉中、神(府)東(勝)、陜北煤炭基地，環(huán)境容量較小的是晉東、兩淮、蒙東(東北)、河南、魯西、寧東、冀中、黃隴煤炭基地，環(huán)境容量大的只有云貴煤炭基地。這13個(gè)大型能源煤炭基地還存在地質(zhì)不穩(wěn)定和地質(zhì)塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，該類(lèi)型地區(qū)主要以黑(龍江)東、蘇魯豫皖魯西和云貴基地為代表，其生態(tài)約束主要體現(xiàn)在煤炭資源的開(kāi)發(fā)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的破壞，造成地面塌陷以及一些地質(zhì)災(zāi)害。平原地區(qū)地面塌陷的后果是大量耕地被損、房屋倒塌等。云貴基地則地處山區(qū)丘陵地區(qū)，煤炭開(kāi)采引起的地表塌陷容易誘發(fā)滑坡、崩塌、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，地面塌陷對(duì)黑東和蘇魯豫皖生態(tài)脆弱性的約束程度達(dá)到22%，地質(zhì)災(zāi)害對(duì)云貴基地生態(tài)脆弱性的約束程度達(dá)到60% 以上［17］。

2 生態(tài)環(huán)境影響減緩對(duì)策

根據(jù)能源煤化工基地生產(chǎn)全過(guò)程的各階段，從污染預(yù)防和循環(huán)經(jīng)濟(jì)思想出發(fā)，將能源煤化工基地的經(jīng)濟(jì)環(huán)境保護(hù)策略分為五個(gè)階段，即源頭預(yù)防階段，過(guò)程控制階段，污染治理階段，循環(huán)利用階段，環(huán)境管理階段。

2.1 源頭預(yù)防階段

對(duì)于能源煤化工基地入園企業(yè)，應(yīng)確保其為基地所主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)企業(yè)或與主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)企業(yè)具有產(chǎn)業(yè)上下游關(guān)系。對(duì)已頒布清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)企業(yè)，應(yīng)達(dá)到清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)水平，即國(guó)內(nèi)清潔生產(chǎn)先進(jìn)水平，對(duì)還未頒布清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)企業(yè)，應(yīng)達(dá)到國(guó)內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平。相關(guān)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 能源煤化工基地所涉及相關(guān)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The list of related cleaner production standards

2.2 過(guò)程控制階段

能源煤化工基地的入園企業(yè)大多具有高能耗、高物耗及使用和排放有毒有害物質(zhì)等特點(diǎn)，符合《清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》對(duì)雙超雙有企業(yè)的規(guī)定。而本著對(duì)入園企業(yè)從嚴(yán)要求的原則，對(duì)于進(jìn)駐能源煤化工基地的企業(yè)應(yīng)在正式投產(chǎn)1年內(nèi)進(jìn)行清潔生產(chǎn)審核。

環(huán)境監(jiān)測(cè):基地內(nèi)企業(yè)需配合環(huán)境主管部門(mén)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的取樣和在線監(jiān)測(cè)儀器的維護(hù)等工作。

2.3 污染治理階段

能源煤化工基地主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)(煤礦開(kāi)采、煤化工、發(fā)電、建材)的主要污染治理技術(shù)應(yīng)能使三廢排放達(dá)到國(guó)家規(guī)定的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 能源煤化工基地所涉及相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The list of related emission standards

2.4 循環(huán)利用階段

能源煤化工基地是密集的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，工業(yè)化程度高，基地內(nèi)企業(yè)眾多，物質(zhì)流動(dòng)量大。能源煤化工基地建設(shè)的初衷是，在產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)作過(guò)程中，煤炭及其生產(chǎn)剩余物質(zhì)經(jīng)過(guò)在煤炭產(chǎn)業(yè)及煤炭輻射產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)的層級(jí)循環(huán)流動(dòng)，得到充分的利用，成為所輻射產(chǎn)業(yè)的輸入資源，經(jīng)過(guò)再利用、再循環(huán)，使得最終排放到環(huán)境中的廢物盡可能的少［18］。能源煤化工基地的四大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)中，煤炭開(kāi)采生產(chǎn)的產(chǎn)品用于電廠發(fā)電和化工廠的生產(chǎn)，而發(fā)電廠和煤礦產(chǎn)生的固體廢物又可直接用于建材的生產(chǎn)，此外，能源煤化工基地整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的水、氣等物質(zhì)均應(yīng)有效地參與到循環(huán)過(guò)程中，從而形成一個(gè)閉合的、可循環(huán)的、生態(tài)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)框架(圖2)［19-20］。

通過(guò)對(duì)能源煤化工基地的物質(zhì)流分析可以看出，目前我國(guó)的能源煤化工基地存在著很大的生態(tài)工業(yè)鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化潛力。能源煤化工基地內(nèi)各種資源的代謝方式呈現(xiàn)多元化，如煤炭資源的流動(dòng)、水資源的流動(dòng)、能源的流動(dòng)等。代謝方式不同，代謝路徑也不同，由于資源多種代謝方式和資源多種流動(dòng)路徑的存在，為資源代謝過(guò)程中產(chǎn)生的多種副產(chǎn)品和廢棄物提供了利用途徑，有利于資源利用率的提高［21］。

圖2 能源煤化工基地循環(huán)經(jīng)濟(jì)示意圖Fig.2 Circular economy schematic diagram of energy coal chemical base

物料優(yōu)化與循環(huán)利用:煤炭開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的原煤經(jīng)過(guò)洗選后，精煤送往化工廠進(jìn)行焦化、氣化、液化等生產(chǎn);中煤、煤泥以及洗選矸則送往發(fā)電廠進(jìn)行發(fā)電;電廠所產(chǎn)生的粉煤灰和脫硫石膏，以及煤礦和洗選廠所產(chǎn)生的掘進(jìn)矸被送往建材廠生產(chǎn)水泥、混凝土和石膏等產(chǎn)品。

用水優(yōu)化與循環(huán)利用:煤炭開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的礦井水進(jìn)入污水處理廠，經(jīng)處理后的中水又重新用于煤炭開(kāi)采環(huán)節(jié);而洗選廠的洗煤廢水經(jīng)污水處理廠的處理后，也可重新用于洗選;居民生活污水經(jīng)污水處理廠處理后，中水可用于公共綠化、沖廁等。

能源流優(yōu)化與循環(huán)利用:燃煤發(fā)電是能源煤化工基地的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，因此，電力是能源煤化工基地的主要產(chǎn)品之一。煤炭開(kāi)采所產(chǎn)生的煤矸石和煤層氣，也可分別用于發(fā)電，供居民生活使用。焦化工程中所產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣可用于居民生活的燃?xì)馐褂茫?2］。

2.5 環(huán)境管理階段

能源煤化工基地發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)離不開(kāi)相應(yīng)的保障措施，這些措施來(lái)源于國(guó)家、企業(yè)自身和社會(huì)公眾。在國(guó)家層面表現(xiàn)為需要制定促進(jìn)行業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的政策、法規(guī)支撐體系，能源煤化工行業(yè)的宏觀調(diào)控，提高能源煤化工的產(chǎn)業(yè)集中度;設(shè)立專(zhuān)門(mén)的機(jī)構(gòu)來(lái)管理和保障基地各項(xiàng)工作的運(yùn)行。其中，環(huán)境保護(hù)職能部門(mén)需要建立嚴(yán)格的環(huán)境監(jiān)測(cè)和監(jiān)控體系，從而提高能源煤化工基地的環(huán)境監(jiān)測(cè)、執(zhí)法能力，以及環(huán)境信息的收集能力和對(duì)應(yīng)急事件的處理能力;能源煤化工企業(yè)自身需要不斷強(qiáng)化技術(shù)更新、技術(shù)創(chuàng)新，強(qiáng)化環(huán)境質(zhì)量意識(shí);社會(huì)層面需要引導(dǎo)公眾參與，加強(qiáng)公眾環(huán)境保護(hù)督促意識(shí)，強(qiáng)化社會(huì)監(jiān)督機(jī)制［23］。

3 結(jié)論

大量的物質(zhì)消耗和產(chǎn)出是能源煤化工基地物質(zhì)代謝的最主要特點(diǎn)，由此造成了能源煤化工基地的廢物代謝量大，環(huán)境影響后果嚴(yán)重。因此，通過(guò)能源煤化工基地的代謝過(guò)程分析，明確主要污染物產(chǎn)排節(jié)點(diǎn)，對(duì)削減污染物產(chǎn)生與排放、及有針對(duì)性地進(jìn)行污染物治理具有促進(jìn)作用。根據(jù)物質(zhì)流特性，制訂和實(shí)施全過(guò)程環(huán)境保護(hù)策略，還可以推動(dòng)能源煤化工基地發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)工業(yè)，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈和關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)與推廣提供政策依據(jù)。因此，加強(qiáng)環(huán)境準(zhǔn)入，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭資源的就地轉(zhuǎn)化，資源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高能源安全保障水平，增強(qiáng)能源供應(yīng)能力，有利于能源煤化工基地真正實(shí)現(xiàn)資源能源的節(jié)約和污染物的減量。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).煤炭產(chǎn)業(yè)政策:2007年第 80號(hào)［EB/OL］.［2007-11-23］.http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbgg/2007gonggao/t20071128_175124.htm.

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