考慮生命周期的中國煤電水足跡評估

檀勤良，姚洵睿，艾柄均

（1. 華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206；2. 新能源電力與低碳發展研究北京市重點實驗室，北京 102206）

能源和水資源是我國的基礎性和戰略性資源，密切關系到我國經濟發展狀況乃至國家安全保障等方面，其中煤炭一直占據能源生產和消費總額的一半以上，也是對水資源影響最大的能源類型。而煤電生產行業需要用到大量煤炭和水資源，煤電生產中煤炭開采、洗選和燃煤發電等各個階段都需要大量用水來運轉，因此合理評價煤電生產行業的水資源利用情況對我國資源和經濟可持續發展具有重要影響。

水足跡是水資源利用情況的一項綜合評價指標[1]，可以量化行業對水資源的具體影響，因此本文基于水足跡理論，從耗水情況和水污染情況的綜合視角探討了中國煤電生產行業對水資源的影響情況。水足跡這一概念最早是由荷蘭學者杰恩·胡克斯特拉于2002年提出，《水足跡評價手冊》[2]將水足跡分為綠色水足跡、藍色水足跡和灰色水足跡三部分，當前隨著能源領域水足跡研究的不斷深入，針對煤電生產行業的水足跡研究越來越多。其中不少學者針對煤電生產的燃煤發電階段進行研究，Liao X等人[3]評估了中國12條未來輸電線路中燃煤電廠的區域耗水量和機會性節水量；Wang Z和Wu X D等人[4-5]以耗水和節水為核心核算了燃煤電廠耗水量，重點討論了當前我國燃煤發電節水的重要性，并且后者研究結果表明冷卻環節耗水量占燃煤發電藍色水足跡的主要部分；Liao X和Zhang X等人[6-7]從冷卻環節入手，結合中國“三紅線”政策和水資源分布不均衡等現實因素，討論了冷卻技術升級對于降低藍色水足跡的重要性。這些研究側重于耗水情況的研究，均沒有涉及到水污染情況的討論。而水污染情況的討論較為復雜，如Chai L等人[8]評估中國煤電生產的用水與污染時，只考慮了煤炭生產過程中影響因子最大的水污染物石油，并沒有考慮燃煤發電過程中影響因子最大的水污染物氨氮。

綜上所述，目前已有的煤電水足跡研究或局限于煤電生產的耗水情況，沒有考慮水污染情況，或側重于煤電生產的燃煤發電階段，未涉及洗煤和采煤等其余階段。基于此，本文以生命周期理論為基礎構建了煤電水足跡評估模型，將煤電水足跡劃分為煤炭生產水足跡和燃煤發電水足跡，并將灰色水足跡細分為直接水足跡和間接水足跡，討論了不同年份和不同情景假設下的中國煤電水足跡。

一、研究方法和基礎數據

（一） 模型基本假設

煤電水足跡的生命周期包括煤炭開采、洗選、運輸和燃煤發電等各個過程。為簡化本文的計算，本文提出以下兩點假設：

1.綠水足跡是指儲存在原有土壤中雨水的蒸發，在產品生產過程中所利用到的雨水量，主要用于農業生產領域，由于我國雨水回收系統不成熟，其直接利用量很小，相關數據難以獲得，并且煤電生產整個過程基本不涉及農產品，因此本文不對煤電生產的綠色水足跡進行核算，只考慮煤電生產過程消耗的地表水和地下水，以及污水處理過程中的用水量，即煤電的藍色水足跡和灰色水足跡。

2.運輸過程中產生的水足跡一般占比很小，除非運輸過程中使用了水電能源和生物質等耗水能源，而我國現有煤炭運輸主要采用鐵路和公路運輸，該過程產生的水足跡占比較小，因此本文忽略煤炭運輸過程中所產生的水足跡，只考慮煤炭開采、洗選和燃煤發電過程中所產生的水足跡，并將煤炭的開采和洗選等過程統稱為煤炭生產。

（二） 煤電水足跡評估模型

根據以上假設，本文所建立的煤電水足跡評估模型如下所示：

式中，WFblue為煤電生產的藍色水足跡，WFgrey為 煤電生產的灰色水足跡。其中WFblue,c和WFgrey,c分別為煤炭生產的藍色水足跡和灰色水足跡，kg/kgce；WFblue,e和WFgrey,e分別為燃煤發電的藍色水足跡和灰色水足跡，kg/kwh。

1. 藍色水足跡評估

藍色水足跡是指在煤電生產過程中，地表水和地下水總的消耗量。

式中，WFblue,ep為 單位電量的生產藍水足跡，kg/kwh；WFblue,cp為單位煤炭的生產藍水足跡，kg/kwh；mc/e為 燃煤發電階段的單位煤耗量，kg/kwh；mw/e為燃煤發電階段的單位水耗量, kg/kwh；mc/c為單位產煤量的耗煤量，kgce/kgce；me/c為 單位產煤量的耗電量，kwh/kgce；mw/c為單位產煤量的水耗量，kg/kgce。

2. 灰色水足跡評估

灰色水足跡是指對于煤電生產過程中所產生的水污染物，要將其稀釋到國家標準污染物濃度范圍之內所消耗的淡水量。

式中，WFgrep,P為污染物p的灰色水足跡；QW為生產單位廢水的排放量；LP為污染物p在所排廢水中的濃度；Cmax為國家標準規定的污染物P所允許的最大濃度；Cnet為現有環境中污染物p的初始濃度，而灰色水足跡WFgrep,P取所有水污染物中的最大值。研究將灰色水足跡分為直接水足跡和間接水足跡兩部分，直接水足跡是指在煤電生產現場所產生的水足跡，而間接水足跡是指在上游能源生產供應鏈過程中所產生的水足跡。

式中，WFgrey,c,direct和WFgrey,e,direct分別為煤炭生產和燃煤發電的直接灰色水足跡，WFgrey,c,indirect和WFgrey,e,indirect分別為煤炭生產和燃煤發電的間接灰色水足跡。

式中，Fp為 水污染物p的影響因子；Femis,p為 水污染物p允許排放的最高濃度；Fmax,p為收納水質中水污染物p的標準限值；Fmax為影響因子最大的水污染物。而Fmax,c和Fmax,e分別為煤炭生產和燃煤發電過程中的最大影響因子；mwaste/c和mwaste/e分別為單位煤炭生產和單位燃煤發電量的污水排放量，據此可以得到直接灰色水足跡和間接灰色水足跡，分別如下式所示：

（三） 基礎數據

為核算“十三五”規劃期間的煤電水足跡，本文在核算過程中所用到的基礎數據有2016—2018三年的真實數據，并根據這三年的數據線性推測出未來2019和2020兩年的數據，如表1所示：

表 1 單位電力生產的主要原料消耗

煤炭生產包括煤炭開采和洗選等過程，該過程中消耗的能源以煤炭和電力為主，根據中國統計年鑒[9]，最終可以得到表2所示結果。

表 2 生產每噸標準煤的能源消耗

由表2可知，我國近幾年平均標準煤電耗為0.035 kwh/kgce，平均標準煤煤耗為0.039 kgce/kgce，并依據煤炭開采和洗選業廢水排放量，我國生產1 kg原煤所排放的廢水量為0.53 kg。同時研究假設煤電生產行業的廢水排放都要求按照國家煤炭工業污染物排放標準來執行，如表3和表4所示，煤炭生產和燃煤發電過程中影響因子最大的水污染物分別為石油類和氨氮水污染物，影響因子分別為5和12.5，基于這兩種水污染物來計算這兩個階段的直接灰色水足跡。

表 3 煤炭生產過程中水污染物

表 4 燃煤發電過程中水污染物

我國煤炭資源分布廣泛，由于煤炭結構和工藝技術等方面的差異，不同地區單位產煤耗水量具有較大差異，本文根據我國12個大型煤礦基地煤炭生產的耗水情況[10]（表5），單位產煤耗水量取這12個地區的平均值：2.02 kg/kgce。

表 5 我國主要大型煤礦基地煤炭生產耗水情況

二、結果與分析

（一） 藍色水足跡評估

本文通過能值換算系數將單位統一化，計算得到十三五規劃期間的煤電單位能值藍色水足跡，結果表明煤電單位能值藍色水足跡中燃煤發電階段占比88%左右，遠遠高于煤炭生產階段，原因在于燃煤電廠的冷卻水和循環水消耗會直接導致藍色水足跡的大量增加，因此藍色水足跡的控制重點在于燃煤發電的水冷卻環節。水冷卻環節是指通過空氣冷卻、閉環冷卻和開環冷卻等三種冷卻技術來完成水的冷卻，Macknick等人[11]研究了三種冷卻技術下燃煤電廠耗水量和抽水量的中位數。由表6可以看出，閉環冷卻耗水量為另外兩種冷卻技術耗水量的5-6倍，其中耗水量最小的空氣冷卻技術由于技術不成熟性，需較高的運行成本，而耗水量較小的開環冷卻技術由于水單次流通并冷卻的特點，需要極大的抽水量，只適用于水資源充足的沿海地區。

表 6 燃煤電廠耗水量和抽水量的中位數

圖 1 煤電藍水足跡的情景假設

我國2018年采用空氣冷卻技術、閉環冷卻技術和開環冷卻技術的燃煤機組比例大約為11:29:10，以此為基準，本文提高空氣冷卻的燃煤機組比例，降低開環冷卻的燃煤機組比例，設立四種情景假設，四種情景假設中三種冷卻技術比例分別為3:5:2；4:4:2；5:3:2；6:2:2，并計算了2018年煤電藍水足跡在四種情景假設下的降低幅度，得到如圖1所示結果。由圖1可知：技術的升級及空冷技術的提升會顯著降低煤電藍水足跡，之前我國一直將關注點放在燃煤電廠的安全運行上，而在低水耗技術的開發利用方面關注度不夠，當今我國應該積極推進超超臨界的高水平燃煤機組建設，通過不斷提高空冷機組占比來降低煤電藍色水足跡。考慮我國的煤炭資源和水資源分布具有地域差異性，不同地域之間煤電生產情況不同[12]，研究核算了我國各大區域煤電藍水足跡在當地水資源總量占比，得到結果圖2。

圖 2 分區域的煤電藍水足跡研究

由圖2可知，我國華北區域水資源總量中煤電藍水足跡占比高達9.99%，該地區又屬于內陸區域，需要重視空冷技術的研發與應用以降低煤電藍水足跡，若以華北區域的9.99%為最高承受標準，可以計算得華東、東北、西北、華中、南方等五個地區尚可承擔的煤電藍水足跡分別為478.21、123.44、221.40、344.11、1551.81億立方米，可得南方區域的水資源較為充足，尤其是南部沿海地帶可以利用可循環抽取的海水來進行開環冷卻技術。而其余四個地區水資源就較為緊張，其中尤以東北和西北兩大地區的水資源短缺情況更為嚴重，這些缺水區域應該將重心放于空冷技術的提升方面。

（二） 灰色水足跡評估

參考藍水足跡的處理方式，可計算得到十三五規劃期間的灰色水足跡，結果如圖3所示：

圖 3 煤電單位能值灰色水足跡

并取以上五年灰水足跡的平均值，分析不同類型灰水足跡占比，結果得到燃煤發電階段中直接灰水足跡和間接灰水足跡約各占一半，而煤炭生產階段中間接灰水足跡只占有一小部分，原因在于二次能源電力比一次能源煤炭需要經過更多的加工環節和使用更多的過程燃料。考慮到燃煤發電灰水足跡占整個環節的82.38%，遠遠高于煤炭生產，為進一步探究燃煤發電階段灰水足跡的主要影響因素，研究選取燃煤發電過程中單位電力煤耗、單位電力水耗、單位電力廢水排放量這三位指標2009年左右的數值水平，以2016—2020這五年的實際情況作為基準，基于控制變量法的原則進行敏感性分析，研究不同情景下灰水足跡的變化情況，比較三個指標數值變化對煤電灰水足跡的影響力大小，結果如下圖4所示：

圖 4 四種情景下煤電灰水足跡對比

由圖4可知單位電力水耗的變化對煤電灰水足跡沒有任何影響，而單位電力廢水排放量和單位電力煤耗量兩個指標均與煤電灰水足跡呈正相關，其中單位電力廢水排放量的增加對煤電灰水足跡影響最大，與09年0.6 kg/kwh的水平相比，當前0.06 kg/kwh的水平使煤電灰水足跡下降了78%左右，可見我國單位電力廢水排放量的控制工作頗有成效。但我國近三年的單位電力廢水排放量一直停留在0.06 kg/kwh的水平，對此我國應該采取措施減少單位電力廢水排放量，爭取早日實現我國燃煤發電的廢水零排放。同時，與世界已有的煤耗量僅為0.256 kg/kwh的先進燃煤機組水平相比，我國當前煤耗量水平高達0.308 kg/kwh，相比之下我國煤電灰水足跡仍存在7.58%的下降空間，對此我國也應該采取措施降低我國燃煤機組煤耗量，爭取早日達到世界最先進水平。

（三） 我國煤電水足跡影響分析

本文基于上述計算得到的單位能值煤電水足跡，再結合我國年度燃煤發電量[12]和煤炭生產總量[9]可換算得到我國煤電水足跡，具體結果如表7所示：煤電水足跡對水資源的占用會影響到整個國家水資源的分配和其他行業的發展，煤電藍水足跡屬于可供工業用水資源的一部分，煤電灰水足跡屬于非可供用水資源的一部分，分別計算這兩種水足跡在其中的占比，并結合總煤電水足跡在我國水資源總量中的占比，分析我國煤電水足跡的影響，得到結果如圖5所示：

表 7 我國水資源情況

圖 5 煤電水足跡占比情況

由圖5可得，我國煤電水足跡相關占比在逐年增加。其中非可供用水中煤電灰水足跡占比保持在1%之內，這說明我國煤電生產行業的水污染控制工作有著較好的成效，為了更好的保護生態環境和提高用水質量，燃煤電廠需要透徹理解化學處理原則，選擇更科學的水處理藥劑和表面處理藥液，設計科學的廢水凈化工藝，攻克循環排污水和脫硫廢水等技術難點，早日實現煤電生產行業真正意義上的廢水零排放。而工業用水中煤電藍水足跡占比保持在10%之上，將嚴重影響到我國工業行業其余可供用水的情況，同時水資源總量中煤電水足跡占比在2018年超過了1%，在一定程度上會制約我國農業等領域的發展，對此，我國要秉承“控制增量、優化布局”的原則，嚴格控制我國煤炭消費增長，通過“等量替換”等方式來安排燃煤項目，積極推進高水平超超臨界燃煤機組的建設，提高大規模的高參數燃煤機組占比。

三、結論與展望

本研究有兩大參考價值：第一，不同于以往不少研究，本研究不以污染物含量最大為標準，而是從允許濃度入手計算水污染物的影響因子，以影響因子最大為標準確定首要污染物，計算得出煤炭生產和燃煤發電階段的首要污染物分別為石油類和氨氮污染物，首要污染物的確定是量化灰色水足跡的關鍵一步，這對于水-能系統中的水質管理能夠提供較好的參考價值。第二，基于全生命周期理論，本研究構建了涵蓋煤炭生產和燃煤發電全過程的煤電水足跡評估模型，以我國“十三五”期間的燃煤機組為對象，量化了煤電藍水足跡和灰水足跡，并分析比較了不同情景假設下的煤電水足跡，研究表明降低單位能值藍色水足跡和灰色水足跡的關鍵分別在于冷卻技術的升級和廢水零排放的實現，接著分析了煤電生產行業水足跡的影響，為國家燃煤電廠的建設和相關政策的制定提供參考依據。

全國各個燃煤電廠冷卻技術的確定是沒有官方統計數據的，同時其中主觀判斷的成分本身就具有不精確性，而冷卻技術的升級又與藍色水足跡密切相關，如何利用冷卻技術以達到最佳的藍色水足跡，這是一個值得進一步探討的課題。