能源煤化工基地代謝過程及其環境影響分析

沈鵬，傅澤強，高寶，鄔娜，謝園園

中國環境科學研究院，北京 100012

“缺油少氣富煤”是我國的能源結構特點，資源稟賦決定了在相當長的時期內我國以煤為主的能源結構不會改變。2007年11月29日，國家發展和改革委員會發布了中國第一部《煤炭產業政策》［1］。政策明確提出，我國將建設13個大型煤炭基地，且優先發展循環經濟和資源綜合利用項目［2］。

能源煤化工基地是指特定區域內以煤炭、火電、煤化工和建材等產業為主體形成的產業集聚區。具體而言，在煤炭資源相對富集的地區，以煤炭及其共生或伴生資源的綜合開發和利用為主線，通過與火力發電、煤化工等下游產業建立共生關系，實現煤炭資源的就地轉化和價值增值的產業集聚區。借助本地區煤炭資源的優勢，以原煤開采為基礎，圍繞煤炭生產過程所涉及的一系列相關聯的生產單元的不同組合，從煤炭產業延伸的角度，向前、向后關聯，形成不同的煤炭產業鏈。這些產業鏈不僅實現了原煤的價值增值，還在很大程度上減輕了廢棄物排放對生態環境造成的影響。筆者對能源煤化工基地代謝過程進行分析，識別污染物產生的主要節點和代謝廢物種類，以及對生態環境的影響，進而提出能源煤化工基地環境保護對策，以期為促進能源煤化工基地健康、可持續發展提供指導。

1 物質代謝分析

1.1 分析方法

能源煤化工基地物質流分析的范圍，包括整個基地內的生產活動(煤炭采掘、熱力發電、煤化工以及建筑材料行業)，還包括基地內工業三廢的產生、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流過程分為輸入、消費、輸出和循環利用四個部分［3-6］。

輸入物質主要包括能源、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、建筑用非金屬礦物，如白云石、石灰石和石膏等。

物質消費過程即生產過程，在此過程中，能源被消費用以加工原材料。作為能源的煤炭、燃料油以及部分水資源轉化成非物質性的電力和熱力，作為原材料的煤炭和其他礦物經過加工成為煤制品、煤化工產品以及建筑材料等。

輸出物質包括產品和廢棄物。其中，產品包括煤炭、煤制品、化工產品以及建材等產品;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需氧量、生物需氧量、氨氮、石油類和酚類污染物，固體廢物以煤矸石為主。在數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。循環利用的物質主要包括水資源和煤矸石。

循環利用部分包括能源煤化工基地內部的物質循環，如工業廢水的重復利用、工業固體廢物的綜合利用等。

從物質流分析過程可以看到，消費過程損耗和廢棄物輸出是造成資源環境問題的根本原因。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發展的關鍵［7］。

1.2 代謝過程分析

能源煤化工基地是由人類社會、經濟活動和自然條件共同組合而成的復合生態系統。有別于一般意義上的工業園區，能源煤化工基地規模相對更大，以發展煤炭行業為主，并具有比較完整的生產體系。從產業鏈角度，能源煤化工基地實現了上下游產業聯營和集聚;從物質代謝角度，此類基地由生產者——煤炭采掘行業、消費者——火力發電和煤化工行業、次級消費者——新材料等高能耗行業和分解者——建材生產行業構成，在一定程度上形成了食物鏈網結構。

工業代謝理論認為經濟系統的生產過程是一個將物質和能量轉化為產品和廢物的流動過程。能源煤化工基地物質代謝過程如圖1所示。

圖1 能源煤化工基地物質代謝過程Fig.1 Metabolism schematic diagram of energy coal industrial base

水資源和能源經過基地內產業系統的代謝過程最終形成了產品和污染物。原煤經過洗選產生附加值更高的煤產品，煤產品在基地的代謝途徑有三個:1)作為產品直接運出基地銷售;2)提供給熱力發電廠作為燃料進行發電;3)作為煤化工行業的原料進行煤化工產品的生產。

能源煤化工基地物質代謝具有代謝規模大、物質流動速率快等特點［8］。物質代謝系統中，生產者與消費者為能源密集、污染密集型行業，分解者僅有建材生產行業一類，對煤炭生產、加工過程產生的廢棄物有一定消化能力，但在消化的數量和種類上都不能與廢棄物產生速度相匹配。與自然生態系統代謝過程相比，基地內的分解機制十分不完備，導致產生排放的廢物量遠大于生態環境的自凈能力，對生態環境造成了嚴重的負面影響。隨著基地生產規模的擴大，其對所在區域生態環境的影響也在增加［9］。

1.3 生態環境影響分析

通過能源煤化工基地物質代謝過程分析可以發現，在煤炭開采、加工和轉化過程中，污染物產生和排放的主要節點是煤炭開采行業的礦井水和煤矸石、電力行業的沖渣廢水和大氣污染物、煤化工行業的廢水和廢氣等，這些污染物已經引發了嚴重的生態環境問題。

1.3.1 水環境

煤炭開采過程產生的礦井水被排到地表、流入河道或滲入地下后，對地表和地下水系會造成嚴重污染。地下水水位下降，導致大面積疏干漏斗的出現，使水源枯竭或河水斷流［10］。煤矸石是我國目前排放量最大的工業固體廢物之一，大量煤矸石長期堆放不僅占用土地，而且造成環境污染。排放的煤矸石廢物隨大氣降水和地表徑流進入河、湖等，使地表水受污染，隨滲瀝水進入土壤而使地下水受污染［11-12］。

在火電行業中，現有火電廠主要采用水力除灰系統，沖灰渣水是火電廢水中排放量最大、污染物超標最嚴重的廢水。

作為能源煤化工基地的主導行業，煤化工是一個高污染、高安全要求的行業，其運行周期長、工藝流程多且復雜，每個環節都會產生污染物，雖然有部分可以回收，但無法回收的大多有毒有害，稍有不慎還可能造成重大的環境安全事故［13］。煤化工項目產生的廢水主要來源于氣化、凈化、合成、精制等生產裝置及生活、化驗污水等，主要污染物為化學需氧量、生物需氧量、氨氮、石油類等。

1.3.2 大氣環境

煤炭開采過程產生的煤矸石自燃時會生成NOx、SO2和H2S等有害氣體，還有部分地區的煤矸石存在放射性污染［14］。此外，煤炭開采行業的大氣污染物主要有煤炭生產過程中釋放的煤層氣(主要成分是CH4)和用炸藥落礦、用柴油機為動力的設備而產生的CO和NOx等有毒氣體以及煤炭自燃產生的 CO、CO2等［15］。

而火力發電是硫酸煙霧和酸雨的主要責任者。與水電、核電相比，火力發電對環境的污染最大，治理的工作最重。目前我國燃煤產生的SO2排放量占全國總排放量的74%，燃煤產生的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］。

在大氣環境影響方面，煤化工項目產生的廢氣主要來源于備煤和氣化、凈化、污水處理等生產裝置產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 生態系統

我國未來煤炭規劃區大部分集中在資源豐富的西北地區。然而西北地區生態環境脆弱，水資源缺乏，環境容量有限。該地區沙化耕地和沙化草地的面積呈持續增長的趨勢;局部地區土壤鹽漬化增長勢頭仍在加重;石漠化問題突出。

受國家發展和改革委員會委托，中國煤炭地質總局開展了“大型煤炭基地煤炭資源、水資源和生態環境綜合評價”課題研究。結果顯示，我國13個大型煤炭基地中，環境容量小的是晉北、晉中、神(府)東(勝)、陜北煤炭基地，環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，環境容量大的只有云貴煤炭基地。這13個大型能源煤炭基地還存在地質不穩定和地質塌陷的風險，該類型地區主要以黑(龍江)東、蘇魯豫皖魯西和云貴基地為代表，其生態約束主要體現在煤炭資源的開發對地質構造的破壞，造成地面塌陷以及一些地質災害。平原地區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丘陵地區，煤炭開采引起的地表塌陷容易誘發滑坡、崩塌、地裂縫等地質災害。通過研究發現，地面塌陷對黑東和蘇魯豫皖生態脆弱性的約束程度達到22%，地質災害對云貴基地生態脆弱性的約束程度達到60% 以上［17］。

2 生態環境影響減緩對策

根據能源煤化工基地生產全過程的各階段，從污染預防和循環經濟思想出發，將能源煤化工基地的經濟環境保護策略分為五個階段，即源頭預防階段，過程控制階段，污染治理階段，循環利用階段，環境管理階段。

2.1 源頭預防階段

對于能源煤化工基地入園企業，應確保其為基地所主導產業企業或與主導產業企業具有產業上下游關系。對已頒布清潔生產標準的行業企業，應達到清潔生產標準二級水平，即國內清潔生產先進水平，對還未頒布清潔生產標準的行業企業，應達到國內同行業領先水平。相關清潔生產標準見表1。

表1 能源煤化工基地所涉及相關清潔生產標準Table 1 The list of related cleaner production standards

2.2 過程控制階段

能源煤化工基地的入園企業大多具有高能耗、高物耗及使用和排放有毒有害物質等特點，符合《清潔生產促進法》對雙超雙有企業的規定。而本著對入園企業從嚴要求的原則，對于進駐能源煤化工基地的企業應在正式投產1年內進行清潔生產審核。

環境監測:基地內企業需配合環境主管部門進行環境監測的取樣和在線監測儀器的維護等工作。

2.3 污染治理階段

能源煤化工基地主導產業(煤礦開采、煤化工、發電、建材)的主要污染治理技術應能使三廢排放達到國家規定的污染物排放標準(表2)。

表2 能源煤化工基地所涉及相關排放標準Table 2 The list of related emission standards

2.4 循環利用階段

能源煤化工基地是密集的產業集聚區，工業化程度高，基地內企業眾多，物質流動量大。能源煤化工基地建設的初衷是，在產業鏈運作過程中，煤炭及其生產剩余物質經過在煤炭產業及煤炭輻射產業各環節的層級循環流動，得到充分的利用，成為所輻射產業的輸入資源，經過再利用、再循環，使得最終排放到環境中的廢物盡可能的少［18］。能源煤化工基地的四大主導產業中，煤炭開采生產的產品用于電廠發電和化工廠的生產，而發電廠和煤礦產生的固體廢物又可直接用于建材的生產，此外，能源煤化工基地整個生產過程中所產生的水、氣等物質均應有效地參與到循環過程中，從而形成一個閉合的、可循環的、生態的循環經濟產業框架(圖2)［19-20］。

通過對能源煤化工基地的物質流分析可以看出，目前我國的能源煤化工基地存在著很大的生態工業鏈網結構優化潛力。能源煤化工基地內各種資源的代謝方式呈現多元化，如煤炭資源的流動、水資源的流動、能源的流動等。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路徑的存在，為資源代謝過程中產生的多種副產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經濟示意圖Fig.2 Circular economy schematic diagram of energy coal chemical base

物料優化與循環利用:煤炭開采過程中產生的原煤經過洗選后，精煤送往化工廠進行焦化、氣化、液化等生產;中煤、煤泥以及洗選矸則送往發電廠進行發電;電廠所產生的粉煤灰和脫硫石膏，以及煤礦和洗選廠所產生的掘進矸被送往建材廠生產水泥、混凝土和石膏等產品。

用水優化與循環利用:煤炭開采過程中產生的礦井水進入污水處理廠，經處理后的中水又重新用于煤炭開采環節;而洗選廠的洗煤廢水經污水處理廠的處理后，也可重新用于洗選;居民生活污水經污水處理廠處理后，中水可用于公共綠化、沖廁等。

能源流優化與循環利用:燃煤發電是能源煤化工基地的主導產業之一，因此，電力是能源煤化工基地的主要產品之一。煤炭開采所產生的煤矸石和煤層氣，也可分別用于發電，供居民生活使用。焦化工程中所產生的焦爐煤氣可用于居民生活的燃氣使用［22］。

2.5 環境管理階段

能源煤化工基地發展循環經濟離不開相應的保障措施，這些措施來源于國家、企業自身和社會公眾。在國家層面表現為需要制定促進行業發展循環經濟的政策、法規支撐體系，能源煤化工行業的宏觀調控，提高能源煤化工的產業集中度;設立專門的機構來管理和保障基地各項工作的運行。其中，環境保護職能部門需要建立嚴格的環境監測和監控體系，從而提高能源煤化工基地的環境監測、執法能力，以及環境信息的收集能力和對應急事件的處理能力;能源煤化工企業自身需要不斷強化技術更新、技術創新，強化環境質量意識;社會層面需要引導公眾參與，加強公眾環境保護督促意識，強化社會監督機制［23］。

3 結論

大量的物質消耗和產出是能源煤化工基地物質代謝的最主要特點，由此造成了能源煤化工基地的廢物代謝量大，環境影響后果嚴重。因此，通過能源煤化工基地的代謝過程分析，明確主要污染物產排節點，對削減污染物產生與排放、及有針對性地進行污染物治理具有促進作用。根據物質流特性，制訂和實施全過程環境保護策略，還可以推動能源煤化工基地發展循環經濟和生態工業，為相關產業鏈和關鍵技術的開發與推廣提供政策依據。因此，加強環境準入，發展循環經濟，能夠實現煤炭資源的就地轉化，資源的優勢互補，提高能源安全保障水平，增強能源供應能力，有利于能源煤化工基地真正實現資源能源的節約和污染物的減量。

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