魏思策, 石 磊

1 清華大學(xué)， 化學(xué)工程系, 北京 100084 2 清華大學(xué)， 環(huán)境學(xué)院, 國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084

基于水足跡理論的煤制油產(chǎn)業(yè)布局評(píng)價(jià)

魏思策1, 石 磊2,*

1 清華大學(xué)， 化學(xué)工程系, 北京 100084 2 清華大學(xué)， 環(huán)境學(xué)院, 國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084

煤制油是我國(guó)應(yīng)對(duì)石油危機(jī)的重要途徑之一，但其高耗水的特點(diǎn)使其備受爭(zhēng)議。利用水足跡理論對(duì)全國(guó)五大煤炭基地2015年規(guī)劃的煤制油產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了藍(lán)水足跡和灰水足跡的測(cè)算，分析了煤制油產(chǎn)業(yè)對(duì)這些區(qū)域水資源的耗用情況及沖擊程度。結(jié)果顯示，神東、晉東和新疆伊犁3個(gè)基地的煤制油產(chǎn)業(yè)藍(lán)水足跡超過了1 億t、灰水足跡超過了3 億t，其中神東地區(qū)作為最大的煤制油產(chǎn)地兩項(xiàng)數(shù)值分別達(dá)到1.9 億t和4.1 億t與當(dāng)?shù)厮Y源總量對(duì)比，寧東地區(qū)煤制油耗水沖擊最大，占當(dāng)?shù)厮Y源總量的28.2%；新疆伊犁地區(qū)比例最小，為0.36%。通過對(duì)這5個(gè)煤炭基地以區(qū)域?yàn)槌叨鹊乃阚E結(jié)構(gòu)分析和評(píng)價(jià)比較，得出了兩種煤制油工藝的水資源消耗差異，并且為煤制油產(chǎn)業(yè)在五大基地的合理布局給出了依據(jù)，與此同時(shí)為接下來煤制油產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新和流程優(yōu)化也提出了相應(yīng)的建議。

水足跡; 煤制油; 生命周期; 煤炭基地

隨著石油資源的耗竭以及價(jià)格的不斷攀升，煤制油技術(shù)成為緩解石油危機(jī)的重要措施之一，這對(duì)于“貧油、富煤”的我國(guó)尤其重要。然而，煤制油過程高耗水和高耗能的特點(diǎn)，使煤制油產(chǎn)業(yè)倍受爭(zhēng)議。2008年，國(guó)家印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)煤制油項(xiàng)目管理有關(guān)問題的通知》，指出停止除示范工程以外所有的煤制油項(xiàng)目，旨在全面分析論證煤制油項(xiàng)目的可行性。針對(duì)煤制油高耗水爭(zhēng)議，本文采用水足跡方法對(duì)我國(guó)五大煤炭基地煤制油項(xiàng)目開展研究，分析煤制油產(chǎn)業(yè)對(duì)這些區(qū)域水資源的利用情況及沖擊程度。

水足跡的概念最早由Hoekstra 界定，意指一個(gè)國(guó)家、地區(qū)或個(gè)人在一定時(shí)間內(nèi)消費(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量[1]。因可以形象地表征出社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)于水資源環(huán)境的壓力，水足跡自提出后迅速推廣應(yīng)用到國(guó)家、省、市、區(qū)、流域等不同尺度，識(shí)別這些尺度上水足跡的規(guī)模變化、結(jié)構(gòu)變化及其影響因素，為水資源安全、糧食安全及生態(tài)環(huán)境壓力等問題提供決策支持[2- 6]。同時(shí)，因國(guó)際貿(mào)易所引致的虛擬水貿(mào)易問題，水足跡研究拓展到大米、玉米和小麥等農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域[7- 9]，其后又進(jìn)一步拓展到工業(yè)產(chǎn)品領(lǐng)域。近年來，開始出現(xiàn)對(duì)典型工業(yè)過程的水足跡研究，例如印染、鋼鐵和紡織等[10- 13]。

煤制油產(chǎn)業(yè)是一種替代石油資源的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，早在20世紀(jì)70年代美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家就開展了開拓性的研究，南非等國(guó)家甚至建立了中試規(guī)模的裝置[14]。然而，由于資源稟賦的特異性和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大需求，煤制油的真正大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化卻很可能發(fā)生在我國(guó)。位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯的神華百萬噸級(jí)直接液化煤制油示范裝置是世界上第1個(gè)百萬噸級(jí)的直接液化煤制油商業(yè)示范裝置[15],這標(biāo)志著我國(guó)成為煤制油產(chǎn)業(yè)的核心國(guó)家。尤其進(jìn)入“十二五”以來，我國(guó)正在建設(shè)和規(guī)劃中的煤制油裝置多達(dá)15 套，總產(chǎn)能高達(dá)2337 萬t。然而，我國(guó)的煤制油裝置基本位于缺水地區(qū)，而其相對(duì)高耗水特征引發(fā)了巨大的產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)幾h。因此，開展煤制油產(chǎn)業(yè)的水足跡及其產(chǎn)業(yè)布局研究就顯得尤為重要。

由于煤制油產(chǎn)業(yè)尚處在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化前期，煤制油產(chǎn)業(yè)的水足跡研究至今未見報(bào)道?？紤]到正面臨煤制油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，選取神東、晉東、寧東、陜北、新疆伊犁五大煤炭基地，通過搜集相關(guān)資料，一方面開展煤制油產(chǎn)業(yè)全周期耗水量的測(cè)算，指出水資源優(yōu)化的關(guān)鍵流程環(huán)節(jié)和削減潛力；另一方面，通過分析煤制油產(chǎn)業(yè)對(duì)五大煤炭基地水資源利用和沖擊的情況，為煤制油產(chǎn)業(yè)的布局提供依據(jù)。

1 研究對(duì)象和區(qū)域

1.1 煤制油

煤制油也稱煤液化，是以煤炭為原料生產(chǎn)液體燃料和化工原料的煤化工技術(shù)的簡(jiǎn)稱。通常有兩種技術(shù)路線，直接液化和間接液化[16]。

煤直接液化是煤在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫l件下，直接催化加氫裂化，使其降解和加氫轉(zhuǎn)化為液體油品的工藝過程，煤直接液化也稱加氫液化。其生命周期圖及具體生產(chǎn)工藝流程如圖1中虛線框所示[17]。煤直接液化技術(shù)國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量的技術(shù)研究，并建設(shè)了許多中試裝置，位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯的神華百萬噸級(jí)直接液化煤制油示范裝置成為世界上第1個(gè)百萬噸級(jí)的直接液化煤制油商業(yè)示范裝置。

煤的間接液化以煤為原料先經(jīng)氣化制合成氣(CO+H2)，再在催化劑的作用下，經(jīng) F-T 合成生成烴類產(chǎn)品和化學(xué)品的過程。具體的工藝流程如圖1實(shí)線框所示。間接液化在國(guó)外已有70多年歷史，而我國(guó)是從20世紀(jì)70年代開始開展煤炭液化技術(shù)研究。2009年3月20日，采用中科合成油公司技術(shù)的伊泰16 萬t/a煤間接液化項(xiàng)目正式產(chǎn)油成功。該項(xiàng)目采用的漿態(tài)床反應(yīng)器、費(fèi)托合成催化劑、油品精制和系統(tǒng)集成全部由我國(guó)自主研制。

圖1 直接煤制油和間接煤制油生產(chǎn)工藝及生命周期流程示意圖

1.2 研究區(qū)域

本次研究的區(qū)域?yàn)閲?guó)家“十二五”期間重點(diǎn)建設(shè)的14個(gè)煤炭基地中的5個(gè)，分別是神東、晉東、寧東、陜北和新疆基地，其中新疆基地的主要研究對(duì)象是伊犁地區(qū)。這5個(gè)基地的煤炭?jī)?chǔ)量和水資源量如表1所示[18- 19]。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1 水足跡計(jì)算方法

根據(jù)藍(lán)水足跡的定義可知煤制油企業(yè)藍(lán)水足跡(WFB)的計(jì)算公式[20]為:

WFB=WFB1+WFB2

(1)

式中,WFB1是運(yùn)營(yíng)藍(lán)水足跡，即與產(chǎn)品生產(chǎn)直接相關(guān)的藍(lán)水足跡，WBF2是供應(yīng)藍(lán)水足跡，即與產(chǎn)品投入相關(guān)的供應(yīng)鏈藍(lán)水足跡[21]。

針對(duì)本文所研究的煤制油、火電廠和采煤廠等企業(yè)，其企業(yè)灰水足跡的環(huán)境影響因子nk,m，來自單項(xiàng)排放濃度與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該項(xiàng)濃度限值c限,k,m的比值：

nk,m=c排,k,m/c限,k,m

(2)

在計(jì)算企業(yè)的灰水足跡時(shí)，應(yīng)對(duì)各項(xiàng)污染物的環(huán)境影響因子逐一進(jìn)行計(jì)算，最后選取最大值計(jì)算企業(yè)的灰水足跡:

(3)

當(dāng)直排與納管的濃度限值不同時(shí)，應(yīng)當(dāng)單獨(dú)算出各自的灰水足跡再相加：

WFG=WFG1+WFG2

(4)

企業(yè)灰水足跡可分為直排和納管兩部分，直排水和納管水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不同。直排水一般按地方污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)?shù)貨]有發(fā)布地方標(biāo)準(zhǔn)按《中華人民共和國(guó)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)。納管水一般按照國(guó)家建設(shè)部發(fā)布的《污水排入城市下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ343—2010)，若存在地方或園區(qū)發(fā)布納管水標(biāo)準(zhǔn)，則按照地方或園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。分別計(jì)算納管水和直排水對(duì)應(yīng)的灰水足跡再相加:

(5)

式中，c1為直排入水體的冷卻水中對(duì)水體影響最大的污染物濃度(mg/L);D1為直排入水體的冷卻水量(t);c2為經(jīng)污水處理設(shè)施處理的納管的排水中對(duì)水體影響最大的污染物濃度(mg/L);D2為經(jīng)污水處理設(shè)施處理的納管的排水量(t);c3為經(jīng)污水處理設(shè)施處理的直排入水體的排水中對(duì)水體影響最大的污染物濃度(mg/L);D3為經(jīng)污水處理設(shè)施處理的直排入水體的排水量(t);c為根據(jù)該地域受納水體水質(zhì)級(jí)別對(duì)應(yīng)的當(dāng)?shù)刂迸潘鬯C合排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相應(yīng)污染物濃度限值，若不存在地方標(biāo)準(zhǔn)，則根據(jù)《中華人民共和國(guó)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)中規(guī)定的相應(yīng)限值(mg/L);c納為根據(jù)當(dāng)?shù)丶{管污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相應(yīng)污染物濃度限值，若不存在地方標(biāo)準(zhǔn)，則根據(jù)《污水排入城市下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ343—2010)中規(guī)定的相應(yīng)限值(mg/L)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)來源及用途如表2所示[22- 23]。

表2 數(shù)據(jù)來源 [22- 23]Table 2 Data sources [22- 23]

3 結(jié)果與討論

3.1 藍(lán)水足跡

在生命周期理論的框架下，煤制油的藍(lán)水足跡既包括與煤制油生產(chǎn)直接相關(guān)的藍(lán)水，也包括與產(chǎn)品投入相關(guān)的供應(yīng)鏈藍(lán)水，即生命周期藍(lán)水[24- 25]。

3.1.1 煤制油直接藍(lán)水

圖2 兩種煤制油工藝運(yùn)營(yíng)藍(lán)水足跡

兩種煤制油技術(shù)的生產(chǎn)工藝差異比較大，因此對(duì)于各項(xiàng)資源的消耗值也各不相同。針對(duì)兩種不同的煤制油技術(shù)，其生產(chǎn)1 t油品的運(yùn)營(yíng)藍(lán)水足跡及相關(guān)資源消耗數(shù)據(jù)如圖2所示。

由圖2可知：

(1)直接煤制油和間接煤制油運(yùn)營(yíng)藍(lán)水足跡分別為12 t和13 t，運(yùn)營(yíng)藍(lán)水足跡值均比較高，其中間接煤制油略高于直接煤制油。

(2)在其他資源消耗方面，直接煤制油生產(chǎn)單位油品需要耗電1180kWh、耗煤3.3 t，而間接煤制油需耗電820kWh、耗煤3.64 t，耗電量較少但耗煤量較多。

3.1.2 生命周期藍(lán)水

生命周期藍(lán)水以投入生產(chǎn)的煤炭資源和電力資源的藍(lán)水為主，根據(jù)五大煤炭基地2015年煤制油產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃情況，各基地的生命周期藍(lán)水足跡的具體計(jì)算數(shù)據(jù)如附表1所示。根據(jù)煤制油技術(shù)的生命周期圖(圖1)，生命周期藍(lán)水足跡計(jì)算將煤制油產(chǎn)業(yè)全周期的能耗、水耗全部考慮其中，其中煤炭資源的藍(lán)水足跡包括采煤廠運(yùn)營(yíng)藍(lán)水足跡及其耗電所產(chǎn)生的供應(yīng)藍(lán)水足跡，電力資源的藍(lán)水足跡包括火電廠運(yùn)營(yíng)藍(lán)水足跡及其耗煤、耗電所產(chǎn)生的供應(yīng)藍(lán)水足跡。

對(duì)比5個(gè)煤炭基地的生命周期藍(lán)水足跡，神東地區(qū)的生命周期藍(lán)水足跡量最大，其中直接煤制油達(dá)到6737.31 萬t，而晉東地區(qū)生命周期藍(lán)水足跡為4751.38 萬t，其生命周期平均藍(lán)水足跡分別為13.47 t和8.47 t，相差59%之多，這說明生命周期藍(lán)水足跡與各基地其他工業(yè)部門耗水情況有較大關(guān)系；而神東地區(qū)直接煤制油和間接煤制油的生命周期平均藍(lán)水足跡分別為13.47 t和13.39 t，差異極小，可見兩種煤制油技術(shù)的生命周期藍(lán)水足跡基本相同。

此外，由結(jié)果可知，在煤制油的生命周期藍(lán)水足跡中，采煤業(yè)的藍(lán)水足跡占較大比例，而在整個(gè)煤制油產(chǎn)業(yè)中，電煤所只占不到10%的比例，最主要的耗煤環(huán)節(jié)是煤制油的生產(chǎn)過程，因此生產(chǎn)耗煤的藍(lán)水足跡是煤制油過程主要的水耗。

整合結(jié)果可知兩種煤制油產(chǎn)業(yè)在五大基地總的藍(lán)水足跡，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 五大基地2015年煤制油總的藍(lán)水足跡Table 3 Total blue water footprint of five coal base in 2015

圖3 2015年煤制油需水量與當(dāng)?shù)厮Y源總量的比值

由表3可知，2015年煤制油產(chǎn)業(yè)在五大基地的總藍(lán)水足跡分別為1.9 億t、1.2 億t、0.9 億t、0.22 億t和1.29 億t，說明煤制油規(guī)劃產(chǎn)量對(duì)總藍(lán)水足跡起到?jīng)Q定性作用；而總藍(lán)水足跡平均值分別為25.71 t、20.96 t、21.98 t、22.37 t、23.08 t，說明不同基地各工業(yè)部門的用水情況對(duì)該地區(qū)煤制油產(chǎn)業(yè)水耗有很大影響。

在煤制油總的藍(lán)水足跡中，生命周期藍(lán)水約占總藍(lán)水足跡的一半，可見生命周期藍(lán)水是總藍(lán)水中不可忽略的重要組成部分。 基于對(duì)煤制油產(chǎn)業(yè)耗水量的計(jì)算，評(píng)價(jià)煤制油產(chǎn)業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源消耗情況需要與該地區(qū)水資源總量進(jìn)行比對(duì)，從而得出煤制油產(chǎn)業(yè)對(duì)該區(qū)域水資源的耗用程度。煤制油耗水量占當(dāng)?shù)厮Y源總量的比例如圖3所示。

由圖3可知：

五大基地煤制油耗水占當(dāng)?shù)厮Y源量的比例分別為6.49%、4.90%、28.18%、0.47%、0.36%，各地區(qū)比例差別較大，造成這樣差異的原因一方面是因?yàn)樗Y源稟賦的不同，寧東地區(qū)水資源總量為3.2 億t，而新疆伊犁水資源豐富，總量為360.67 億t；另一方面是因?yàn)槊褐朴彤a(chǎn)業(yè)規(guī)模的不同，神東地區(qū)規(guī)劃產(chǎn)量為736 萬t，而陜北地區(qū)僅為100 萬t。

總的來看，神東、晉東地區(qū)將是煤制油的主產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)水資源量相對(duì)匱乏但藍(lán)水消耗量較大，水足跡值高于其它幾個(gè)地區(qū)；寧東地區(qū)水資源比較匱乏，同時(shí)煤制油規(guī)模較大，因此水足跡值相對(duì)水資源總量的比例高于其它幾個(gè)地區(qū)；陜北地區(qū)煤制油產(chǎn)量較小，因此水足跡總量也比較?。恍陆晾绲貐^(qū)水資源量很充沛，煤制油產(chǎn)量大，因此水足跡總量也很大。

3.2 灰水足跡

在生命周期理論的框架下，煤制油的灰水足跡也包括兩部分，分別是煤制油生產(chǎn)環(huán)節(jié)中直接排放的廢水，還有與產(chǎn)品投入相關(guān)的廢水，即生命周期灰水。

圖4 兩種煤制油工藝的直接廢水

3.2.1 煤制油直接灰水

在煤制油的生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢水，針對(duì)兩種不同的煤制油技術(shù)，它們各自的廢水排放量如圖4所示[26- 29]。

兩種煤制油工藝的單位油品廢水量分別為4.4 t和5.64 t，相比之下間接煤制油工藝在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生更多的廢水。煤制油產(chǎn)生的廢水會(huì)全部進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行綜合處理，經(jīng)過處理的廢水中各項(xiàng)主要污染物濃度如附表2所示[30]。

兩種煤制油技術(shù)產(chǎn)生的廢水中污染物濃度各不相同，但經(jīng)過處理后以相同的濃度排出，且污水處理廠已經(jīng)去除了廢水中絕大部分的污染物。將污水處理廠排出的污染物濃度與地表水標(biāo)準(zhǔn)(五類)相比可以得到環(huán)境影響因子，在各項(xiàng)污染物的環(huán)境影響因子中選取最大值7.5作為煤制油企業(yè)的灰水足跡。根據(jù)灰水足跡計(jì)算公式(公式5)可知五大基地煤制油產(chǎn)業(yè)的直接灰水足跡，具體如表4所示。

表4 五大基地2015年煤制油產(chǎn)業(yè)的直接灰水足跡Table 4 Direct gray water footprint of five coal bases in 2015

由表4可知，煤制油總的直接灰水足跡值均超過當(dāng)?shù)乜偟乃{(lán)水足跡，其中神東地區(qū)灰水足跡達(dá)2.66 億t，比總藍(lán)水足跡多40%。但其單位產(chǎn)量平均水足跡僅為36.7 t，低于其他4個(gè)地區(qū)，這主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)煤制油產(chǎn)業(yè)為兩種技術(shù)共存，由表9可知直接煤制油廢水排放量較少，故直接煤制油技術(shù)的灰水足跡要少于間接煤制油。

3.2.2 生命周期灰水

與生命周期藍(lán)水類似，煤制油產(chǎn)業(yè)的生命周期灰水也是水足跡中非常重要的組成部分，主要包括火電廠和采煤廠的灰水足跡，具體廢水中各主要污染物濃度及灰水足跡數(shù)如附表3所示[31]。

將污水處理廠排出的污染物濃度與地表水標(biāo)準(zhǔn)(五類)相比可以得到環(huán)境影響因子，在各項(xiàng)污染物的環(huán)境影響因子中選取最大值7.5作為煤制油企業(yè)的生命周期灰水足跡，由此求得的五大基地2015年生命周期灰水足跡值如表5所示。

表5 五大基地2015年生命周期灰水足跡Table 5 Life cycle gray water footprint of five coal bases in 2015

圖5 五大基地2015年煤制油產(chǎn)業(yè)總灰水足跡

由附表3可知，采煤廠和火電廠的廢水影響因子分別是5和7.5。從質(zhì)的角度來說，采煤廠廢水中各污染物濃度相比火電廠較低，其影響因子也顯著低于火電廠，為后者的三分之二；從量的角度來說，采煤廠的廢水排放量遠(yuǎn)高于火電廠的廢水排放量，前者廢水排放量約為后者的五萬倍。綜合來看，在生命周期灰水中，采煤廠的灰水足跡占據(jù)幾乎所有比例，火電廠的灰水足跡甚至可忽略不計(jì)。

對(duì)比附表3與表4發(fā)現(xiàn)，生命周期灰水足跡的量已經(jīng)接近部分區(qū)域甚至高于煤制油直接產(chǎn)生的灰水足跡的一半，可見生命周期灰水是煤制油產(chǎn)業(yè)灰水足跡中不可忽視的重要組成部分。五大基地煤制油產(chǎn)業(yè)全周期灰水足跡及平均灰水足跡分別如圖5和圖6所示。

由上圖可知，各地區(qū)煤制油灰水足跡已超過當(dāng)?shù)孛褐朴退{(lán)水足跡的兩倍，其中神東地區(qū)以4.1 億t的量位居灰水足跡第一；而五大基地平均灰水足跡值分別為56.08 t、62.17 t、62.28 t、62.19 t和62.51 t，神東地區(qū)灰水足跡平均值低于其他幾個(gè)地區(qū)，主要原因是該地區(qū)規(guī)劃的直接煤制油項(xiàng)目比間接煤制油的灰水足跡要少。

根據(jù)上述所有結(jié)果，可以繪出煤制油產(chǎn)業(yè)在每個(gè)地區(qū)的用水狀況，如圖7所示。

3.3 討論

對(duì)比五大基地的煤制油產(chǎn)業(yè)用水狀況可知，神東地區(qū)總藍(lán)水足跡和總灰水足跡最大，分別高達(dá)1.90 億t和4.13 億t；而晉東、寧東和新疆伊犁地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模相似，其藍(lán)水總量和灰水總量也趨于相同，從數(shù)量上看僅次于神東地區(qū)；陜北地區(qū)煤制油產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，故藍(lán)水總量和灰水總量均顯著低于其他地區(qū)，僅為0.23 億t和0.62 億t。根據(jù)煤制油藍(lán)水足跡與當(dāng)?shù)厮Y源量的比值可知，寧東地區(qū)的比例高達(dá)28%；神東、晉東地區(qū)比例分別為6.49%和4.90%，相比寧東地區(qū)對(duì)水資源的影響要小；而陜北和新疆伊犁地區(qū)的比例均小于0.5%，遠(yuǎn)低于其他3個(gè)地區(qū)，說明該產(chǎn)業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源的影響程度甚微。

圖6 五大基地2015年煤制油產(chǎn)業(yè)平均灰水足跡

圖7 各煤炭基地煤制油藍(lán)水足跡

對(duì)比兩種煤制油工藝，從藍(lán)水足跡的數(shù)據(jù)來看，兩種工藝的新水消耗量基本相同，但從灰水足跡的數(shù)據(jù)來看，神東地區(qū)的平均灰水足跡低于其他幾個(gè)地區(qū)，這主要是因?yàn)樯駯|地區(qū)有大量的直接煤制油規(guī)劃，由此可知，直接煤制油工藝的廢水排放對(duì)環(huán)境的影響力低于間接煤制油，而兩種工藝耗水量基本相同。

通過對(duì)這5個(gè)煤炭基地以區(qū)域?yàn)槌叨鹊乃阚E結(jié)構(gòu)分析和評(píng)價(jià)比較，很直觀的看出不同煤炭基地水資源受煤制油產(chǎn)業(yè)影響的程度差異非常大，煤制油產(chǎn)業(yè)占當(dāng)?shù)厮Y源總量的比例在寧東地區(qū)高達(dá)28%而在新疆伊犁則僅為0.36%，因此單純的從從水資源的角度來說，新疆伊犁等水資源豐富的地區(qū)更適合煤制油產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模布局，而水資源相對(duì)匱乏的地區(qū)則應(yīng)遵循“以水定煤”的原則，適度開發(fā)煤制油產(chǎn)業(yè)，但可以綜合利用水權(quán)置換、工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)等政策杠桿來調(diào)整工業(yè)用水配額，實(shí)現(xiàn)水資源的最優(yōu)利用；與此同時(shí)，通過對(duì)煤制油產(chǎn)業(yè)全周期水足跡的測(cè)算，也可以看到生命周期水足跡占到總水足跡的一半以上，其中尤其以采煤業(yè)產(chǎn)生的水足跡為主，因此采煤業(yè)作為該產(chǎn)業(yè)流程中耗水量最大以及最有改善潛力的部分，應(yīng)該是今后煤制油產(chǎn)業(yè)布局前需要予以特別關(guān)注的，無論是采煤業(yè)的技術(shù)革新還是流程優(yōu)化，只要是有利于其減少水足跡的方法都將極大的促進(jìn)煤制油產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)。

本文中使用的方法是水足跡方法，在測(cè)算中主要考慮了煤制油直接生產(chǎn)、生產(chǎn)耗煤、生產(chǎn)耗電這三部分的水足跡，而其他各個(gè)方面的水足跡例如行政管理、運(yùn)輸?shù)炔糠值乃阚E因?yàn)殡y以測(cè)算且所占比例較小故未計(jì)入總水足跡中，因此本文測(cè)算出的水足跡數(shù)據(jù)并不能非常準(zhǔn)確的表現(xiàn)真實(shí)的煤制油產(chǎn)業(yè)的水足跡數(shù)據(jù)，在下一步的研究中將進(jìn)一步優(yōu)化算法并獲取更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，通過理論數(shù)據(jù)與實(shí)際消耗的結(jié)合擬合出更加符合實(shí)際的測(cè)算公式。

4 結(jié)論

(1)五大基地煤制油產(chǎn)業(yè)水足跡的分析結(jié)果表明，除陜北基地以外各地區(qū)煤制油藍(lán)水足跡均接近或超過1 億t、灰水足跡均超過2 億t，煤制油作為一項(xiàng)高耗水產(chǎn)業(yè)，不僅其直接生產(chǎn)過程需要消耗大量新水并排出大量廢水，而且生產(chǎn)所用的電力資源及煤炭資源對(duì)水資源也有很大的影響，其中生命周期藍(lán)水約占藍(lán)水總量的50%，生命周期灰水約為總灰水足跡的三分之一，成為水足跡中不可忽略的重要組成部分。綜合考慮直接和生命周期水足跡，煤制油生產(chǎn)一噸油品的平均藍(lán)水和灰水足跡分別為23 t和60 t左右。

(2)對(duì)比五大基地煤制油產(chǎn)業(yè)的藍(lán)水、灰水足跡和水資源開發(fā)率等數(shù)據(jù)可知，寧東地區(qū)規(guī)劃的煤制油規(guī)模偏大，水足跡值相對(duì)水資源總量的比例高于其它幾個(gè)地區(qū)，高達(dá)28.2%，對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源的沖擊較大；神東和晉東地區(qū)兩地區(qū)的總規(guī)劃量約1300 萬t，藍(lán)水足跡對(duì)水資源的利用率分別為6.49%和4.90%，可以成為煤制油產(chǎn)業(yè)適宜發(fā)展的區(qū)域；陜北地區(qū)煤制油產(chǎn)量較小，因此水足跡總量也比較小，藍(lán)水、灰水足跡分別為0.23 億t和0.62 億t；新疆伊犁地區(qū)煤制油產(chǎn)量很大，藍(lán)水、灰水足跡總量分別達(dá)到1.28 億t和3.37 億t，但因?yàn)樵摰貐^(qū)水資源量比較充沛，因此藍(lán)水足跡占水資源總量的比例僅為0.36%，對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源的影響較小。

(3)通過測(cè)算可以明顯的看到采煤業(yè)是煤制油產(chǎn)業(yè)流程中對(duì)水資源影響最大的模塊，因此可以利用技術(shù)革新和流程優(yōu)化等方法來減少其水足跡，從而間接的減少煤制油產(chǎn)業(yè)的水足跡；另外，通過對(duì)以上數(shù)據(jù)的整體分析，我們也可以知道在煤制油產(chǎn)業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源影響較小的地區(qū)更適合大規(guī)模發(fā)展煤制油產(chǎn)業(yè)，而在影響較大的地區(qū)則需要更加謹(jǐn)慎地進(jìn)行規(guī)劃，堅(jiān)持“以水定煤”的原則，在規(guī)劃之初做好整個(gè)煤化工園區(qū)的規(guī)劃，以循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念協(xié)調(diào)上下游產(chǎn)業(yè)的關(guān)系，通過工藝內(nèi)流程優(yōu)化、園區(qū)內(nèi)水資源循環(huán)利用、流域內(nèi)水權(quán)置換等方式方法的結(jié)合，最終來實(shí)現(xiàn)煤制油產(chǎn)業(yè)水足跡的下降，促進(jìn)其在各區(qū)域的大規(guī)模布局。

總的來說，各煤炭基地的煤制油項(xiàng)目在規(guī)劃之初需要進(jìn)行合理性和可行性分析，在保證做好水資源影響評(píng)估的基礎(chǔ)上，進(jìn)行科學(xué)的布局和規(guī)劃。

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The coal-oil industrial layout evaluation based on water footprint theory

WEI Sice1, SHI Lei2,*

1DepartmentofChemicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China2StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryonEco-industry,SchoolofEnvironment,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China

“The Water Footprint Concept” as introduced by Hoekstra(2002), indicates the consumption of water needed for the production of the goods and services in a certain period of time consumed by any of the known population (a country, a region or a person). The products and services referred here contain the necessary human food, all kinds of daily necessities, domestic water and environmental water. Green water, Blue water and Gray water are the three components of the water footprint. This can be used to reveal the water consumption in the process of industrial activity and provide scientific basis to manage and regulate water usage in industrial production activities. Coal Oil/CTL, also known as Coal Liquefaction, is short for the coal chemical technology of producing liquid fuels and chemical raw materials based on coal. There are usually two technical routes: Direct Coal-Oil and Indirect Coal-Oil. The Coal-Oil industry is a strategic choice for China to cope with the oil crisis. Due to the high water consumption, however, the industry brings about many controversies. Based on water footprint theory, we calculated the blue water footprints and gray water footprints of the planned coal-oil industries in the nation′s five largest coal bases: Shendong, Jindong, Ningdong, Shanbei and Xinjiang Yili. The water footprint includes direct water footprint and life cycle water footprint. The former means the water footprint associated directly with the production while the latter means the water footprint in the whole production supply chain. As the coal-oil industry consumes large amounts of coal and power resources, so the water footprints in coal plant and thermal power plant are both considered in the life cycle water footprint. Thus, we not only calculated the power consumption of the thermal power plant and coal plant themselves but also took the coal consumption in thermal power plant into account. The results show that three out of five coal bases, Shendong, Jindong,and Xinjiang Yili have over 100 million tons of blue water footprint and their gray water footprint exceeded 300 million tons. Among them, for Shendong region as the largest coal-oil producer, these two values reached 190 million tons and 410 million tons respectively. From 2015 on,every year 7.26 million tons of oil is expected to be produced. Among the blue water and gray water footprints, the life cycle water footprint that includes coal and power resources water footprints accounted for nearly 50%. Therefore the life cycle water footprint has become a very important part of the water footprint. In addition the coal plant water footprint is much greater than thermal power plant. Compared with the local regional water resources, the utilization of water resources in Ningdong region is the largest (28.2%) and Xinjiang Yili region the smallest (0.36%). The results also show the regional average blue water and gray water footprints data of the coal-oil industry is basically the same: to produce 1 ton of oil the average blue water footprint is 20—26 tons while the gray water is 56—62 tons. All in all, the coal-oil industry layout planning should follow the principles of supply-side management and be based on local water resources and water environmental capability.

water footprint; coal-oil; life cycle; coal base

附表1 2015年煤制油在五大基地的生命周期藍(lán)水足跡Appendix 1 The life cycle blue water footprint of indirect coal-oil in five coal bases in 2015

附表2 煤制油直接廢水中各項(xiàng)污染物濃度Appendix 2 Coal-oil direct wastewater pollutant concentration

附表3 煤制油生命周期廢水中各項(xiàng)污染物濃度Appendix 3 Coal-oil life cycle wastewater pollutant concentration

水體污染控制與治理重大專項(xiàng)(2012ZX07203- 004, 2012ZX07301- 005)

2013- 09- 23;

2014- 07- 02

10.5846/stxb201309232340

*通訊作者Corresponding author.E-mail: slone@tsinghua.edu.cn

魏思策, 石磊.基于水足跡理論的煤制油產(chǎn)業(yè)布局評(píng)價(jià).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(12):4203- 4214.

Wei S C, Shi L.The coal-oil industrial layout evaluation based on water footprint theory.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):4203- 4214.