自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，中國(guó)工業(yè)化和城市化發(fā)展迅速。2003 ～ 2011 年，中國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP) 的年均增長(zhǎng)率接近10.7%。盡管近幾年來(lái)GDP 增速相對(duì)放緩，但在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)仍將保持穩(wěn)定的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展目標(biāo)，中國(guó)的一次能源消費(fèi)也將實(shí)現(xiàn)同步增長(zhǎng)。煤炭是中國(guó)的主體能源，占中國(guó)一次能源消費(fèi)量的70% 左右。煤炭產(chǎn)量從2001 年的13.8 億噸迅速增加到2013 年的36.8 億噸。盡管近年來(lái)煤炭消費(fèi)需求增速減緩，但在今后較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)煤炭仍將是中國(guó)的主要能源。然而，煤炭行業(yè)的需水量較大，水資源是該行業(yè)發(fā)展的限制性因素。此外，中國(guó)水資源和煤炭資源地域分布不均衡，呈逆向分布。煤炭資源主要集中于中國(guó)北方地區(qū)，而水資源儲(chǔ)量在南方地區(qū)較為充足。因此，水資源短缺可能成為制約中國(guó)富煤地區(qū)煤炭行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的一大障礙。
本文全面分析了中國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)鏈中原煤開(kāi)采、洗選、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化和最終處理環(huán)節(jié)的水資源消耗問(wèn)題；闡述了水資源系統(tǒng)和煤炭行業(yè)之間的相互關(guān)系；并基于水資源節(jié)約的技術(shù)措施和政策建議，設(shè)定幾種了情景假設(shè)，并預(yù)測(cè)了2020 年和2030 年中國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的用水量情況。
煤炭產(chǎn)業(yè)鏈中的水資源消耗
煤炭產(chǎn)業(yè)鏈由原煤開(kāi)采、洗選、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化以及對(duì)污染物、排放物和廢棄物的處理等幾個(gè)環(huán)節(jié)組成。每個(gè)環(huán)節(jié)使用的水資源或是從自然水體（即地表水或地下水）中直接抽采，或是從產(chǎn)業(yè)鏈其他階段中回收、再利用。煤炭產(chǎn)業(yè)鏈中的水資源問(wèn)題應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面：對(duì)生活和生產(chǎn)用水的影響、水循環(huán)利用、廢水處理以及對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響等。
2011 年，中國(guó)總用水量為6107 億m3，其中工業(yè)用水占23.9%。煤炭產(chǎn)業(yè)鏈中的原煤開(kāi)采、洗選、燃煤發(fā)電和煤化工等是主要的用水環(huán)節(jié)。
原煤開(kāi)采環(huán)節(jié)
目前，中國(guó)的煤礦數(shù)量約為14000 處，2012 年煤炭總產(chǎn)量為36.3 億噸。這些煤礦中有70% 位于缺水地區(qū)，大約40% 面臨嚴(yán)重的水資源短缺問(wèn)題。在原煤開(kāi)采過(guò)程中，每生產(chǎn)1 噸原煤需要消耗0.5 噸水，同時(shí)外排出約1 ～ 2 噸礦井水。每年原煤開(kāi)采環(huán)節(jié)生產(chǎn)的廢水累計(jì)可達(dá)到30 ～ 60 億噸。此外，煤炭開(kāi)采活動(dòng)也可能破壞水資源系統(tǒng)，尤其對(duì)地下水系統(tǒng)造成影響。例如在中國(guó)山西省，噸煤開(kāi)采破壞地下水靜儲(chǔ)量值為1.07 噸。
原煤洗選環(huán)節(jié)
在原煤洗選環(huán)節(jié)，水資源主要用于洗煤。洗煤過(guò)程所消耗的水資源量遠(yuǎn)低于煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的其他環(huán)節(jié)。在中國(guó)，94% 的精煤通過(guò)洗選加工得出。噸煤平均取水量為2.5 噸，其中，選煤循環(huán)補(bǔ)水量為0.15 噸，生產(chǎn)用水量為0.05 噸，其余水則在閉路中循環(huán)利用。根據(jù)中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2012 年，中國(guó)原煤入洗率為56%，動(dòng)力煤入洗率達(dá)到35%。洗選能夠降低煤中灰分和硫含量，提高煤的質(zhì)量。發(fā)電廠的燃煤灰分每降低1%，煤耗就可降低2～5 gce/kWh。
在中國(guó)，盡管濕法洗煤已經(jīng)成熟而且效率較高，但是，水資源相關(guān)問(wèn)題仍然是提高原煤入洗率的關(guān)鍵性技術(shù)障礙。在極端干旱的地區(qū)，比如中國(guó)西北部，原煤洗選過(guò)程中的水凈損失仍然無(wú)法接受。此外，中國(guó)豐富的年輕煤種在水中很容易降解，因此不適合采用洗選工藝。采用濕法洗選加工出來(lái)的精煤，外部水分達(dá)到12%以上，在嚴(yán)寒條件下運(yùn)輸時(shí)，很容易結(jié)冰凍結(jié)。
煤炭轉(zhuǎn)化
煤炭行業(yè)消耗的大部分水資源主要用于煤炭轉(zhuǎn)化。燃煤發(fā)電是煤炭轉(zhuǎn)化利用的主要領(lǐng)域，取水量較大，而且許多電廠還位于干旱缺水地區(qū)。根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)的數(shù)據(jù)，2010 年中國(guó)火電廠（大部分是燃煤電廠）的平均發(fā)電耗水量是2.45kg/kWh，而美國(guó)火電廠2005 年的平均發(fā)電耗水量?jī)H為1.78 kg/kWh。這主要是因?yàn)橹忻纼蓢?guó)火電廠的構(gòu)成比例不同。中國(guó)火電廠中燃煤發(fā)電比例遠(yuǎn)高于美國(guó)，而燃?xì)獍l(fā)電的比例低于美國(guó)。燃煤電廠的主要用水需求來(lái)源于冷卻系統(tǒng)。采用空氣冷卻技術(shù)取代水冷系統(tǒng)，雖然會(huì)降低發(fā)電效率，但可以節(jié)約水資源。目前，中國(guó)火力發(fā)電廠的空氣冷卻技術(shù)取得了巨大進(jìn)步。根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)數(shù)據(jù)，2013 年中國(guó)采用空氣冷卻技術(shù)的發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到了150GW，占火電廠總裝機(jī)容量的17%。隨著大規(guī)模超臨界電廠、超超臨界電廠的建設(shè)運(yùn)營(yíng)和節(jié)能節(jié)水技術(shù)的發(fā)展，會(huì)進(jìn)一步降低燃煤電廠水耗，這對(duì)水資源匱乏地區(qū)尤為重要。
在煤化工方面，每生產(chǎn)1 噸焦炭需要消耗大約2.5 噸水。在煤制油領(lǐng)域，年產(chǎn)能為150 萬(wàn)噸的間接煤制油項(xiàng)目，每生產(chǎn)1 噸產(chǎn)品需要消耗6 ～ 10 噸水，是典型的“耗水大戶(hù)”。
中國(guó)煤炭行業(yè)的水資源利用效率仍存在巨大的改進(jìn)空間。通過(guò)整體協(xié)同規(guī)劃，而不是孤立地著眼于每個(gè)環(huán)節(jié)，從煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的角度來(lái)考慮水問(wèn)題，可以進(jìn)一步提高節(jié)水效率。
情景分析：2020年和2030年煤炭產(chǎn)業(yè)鏈中的用水量
2010 年11 月，中國(guó)國(guó)務(wù)院批復(fù)了《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃》，設(shè)定了中國(guó)2020 年和2030 年的用水總量目標(biāo)為6700 億m3 和7000 億m3，其中，工業(yè)用水目標(biāo)分別是1270 億m3 和1200 億m3。這就要求燃煤電廠采用更加節(jié)水的技術(shù)。
情景設(shè)計(jì)
國(guó)際能源署（IEA）在《世界能源展望 2010》中設(shè)計(jì)了3 種情景：當(dāng)前政策情景、新政策情景和450 情景，用于預(yù)測(cè)2020 年和2030 年全球的能源需求趨勢(shì)。本文以《世界能源展望2010》中當(dāng)前政策情景的煤炭需求數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)；用新政策情景中的數(shù)據(jù)表征政策對(duì)未來(lái)煤炭需求趨勢(shì)的影響。此外，根據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的潛力，在情景設(shè)計(jì)中納入了技術(shù)水平因素對(duì)用水量的影響�；谝陨霞僭O(shè)，我們提出以下4 個(gè)情景：
（1）情景1（S1）: 作為基準(zhǔn)情景，不考慮任何政策變化和/ 或技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的影響。
（2）情景2（S2）: 考慮當(dāng)前政策下，技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生的影響。
（3）情景3（S3）: 考慮政策變化造成的影響，但不考慮技術(shù)進(jìn)步的影響。
（4）情景4（S4）: 同時(shí)綜合考慮政策變化和技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的協(xié)同作用。
由于2010 年批復(fù)的《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃》以2008年作為基準(zhǔn)年，因此，本文也以2008 年作為情景分析的基準(zhǔn)年。本文沒(méi)有將燃煤發(fā)電行業(yè)的直流冷卻水系統(tǒng)的取水量計(jì)入分析中。因?yàn)橹绷骼鋮s水系統(tǒng)的取水量雖然較大，但是消耗量很小，提取的大部分水資源最終返回到水源地。
情景預(yù)測(cè)的結(jié)果
情景1 和情景3 中并未考慮技術(shù)進(jìn)步因素，因此，在這兩個(gè)情景中，煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的用水量將持續(xù)增加。在情景2 和情景4 中，2020 年之前煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的用水量稍有下降，此后用水量明顯降低。
情景1 的預(yù)測(cè)結(jié)果表明，如果政府不出臺(tái)任何節(jié)水政策，亦不推動(dòng)任何技術(shù)進(jìn)步，那么煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的用水量將持續(xù)增長(zhǎng)。到2030 年，煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的用水量將是2008 年用水量的兩倍。
情景2 的預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在當(dāng)前政策的指導(dǎo)下，發(fā)展和推廣節(jié)水技術(shù)能夠有效地控制煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的用水量：2030 年的用水量將比目標(biāo)值降低11%，而2020 年的用水量略高于2008 年的基準(zhǔn)值。但是從現(xiàn)在到2020 年期間，預(yù)計(jì)其他用水密集型行業(yè)（例如造紙、冶金和紡織行業(yè)）的用水量會(huì)有所增加。因此，我們預(yù)計(jì)，如果在當(dāng)前政策下，只依靠技術(shù)進(jìn)步，2020 年實(shí)際的工業(yè)用水量將會(huì)超過(guò)目標(biāo)值。為實(shí)現(xiàn)用水量目標(biāo)，必須要實(shí)施有效的新政策。
在情景3 的分析中，考慮了政策改變對(duì)用水量的影響。從2020 年至2030 年，該情景中的用水量沒(méi)有顯著增長(zhǎng)，但仍高于2008 年用水量。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，如果僅靠政策變化產(chǎn)生的潛在影響力來(lái)減少煤炭產(chǎn)業(yè)鏈中的用水量，其作用有限。要實(shí)現(xiàn)必要的節(jié)水目標(biāo)，政府應(yīng)該實(shí)施更加嚴(yán)格的政策，并推廣相應(yīng)的工業(yè)節(jié)水技術(shù)。
通過(guò)比較情景2 和情景3 的預(yù)測(cè)結(jié)果，可以得出結(jié)論，技術(shù)進(jìn)步比政策改變能夠產(chǎn)生更多實(shí)質(zhì)性影響。為確保實(shí)現(xiàn)2020 年和2030 年的工業(yè)用水量目標(biāo)值，加快發(fā)展和推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步至關(guān)重要。
情景4 的結(jié)果表征了政策改變和技術(shù)進(jìn)步的協(xié)同作用對(duì)減少用水量的綜合影響。2030 年，煤炭產(chǎn)業(yè)鏈中的用水量預(yù)測(cè)值為107 億m3，占工業(yè)用水量目標(biāo)值的9%。但在2020 年前后，情景4 與情景2 中出現(xiàn)的問(wèn)題類(lèi)似。在情景4 中，預(yù)計(jì)2020 年煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的用水量可能達(dá)到149 億m3，即工業(yè)用水量目標(biāo)值的12% 左右。但實(shí)際工業(yè)用水量很可能超過(guò)該年的節(jié)水目標(biāo)值。出現(xiàn)這一情況的原因與情景2 中所述的原因相同。因此，必須出臺(tái)更嚴(yán)格的政策，同時(shí)加快推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步才能進(jìn)一步降低用水量。
根據(jù)2030 年煤炭產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)用水量的情景分析結(jié)果，燃煤發(fā)電的用水量占比最大，因此，燃煤發(fā)電也是最具節(jié)水潛能的環(huán)節(jié)。2008 年，燃煤發(fā)電的用水量為78.6 億m3，發(fā)電量為2759 太瓦時(shí)（TWh，1TWh=109kWh）。在情景2 中，2030 年的燃煤發(fā)電量的預(yù)測(cè)值為6605 TWh，與2008 年相比增加140%，而總用水量將降低20%。在情景4 中，2030 年的燃煤發(fā)電量預(yù)測(cè)值為5060 TWh，與2008 年相比增加83%，而總用水量降低36%�？傮w來(lái)說(shuō)，由于燃煤發(fā)電行業(yè)具有的節(jié)水潛力最大，因此筆者認(rèn)為，對(duì)燃煤發(fā)電行業(yè)施行嚴(yán)格的節(jié)水政策和推進(jìn)節(jié)水技術(shù)進(jìn)步，可能是降低中國(guó)煤炭行業(yè)用水量的最有效方法。
與燃煤發(fā)電行業(yè)的節(jié)水潛力相比，原煤開(kāi)采、洗選和煤化工環(huán)節(jié)的潛在節(jié)水量相對(duì)較小，但在估算每個(gè)行業(yè)內(nèi)的節(jié)水率時(shí)，這4 個(gè)情景仍存在顯著差異。就原煤開(kāi)采而言，情景1 的用水量預(yù)測(cè)值為111 億立方米。與情景1 相比，在情景2 中原煤開(kāi)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，預(yù)計(jì)原煤開(kāi)采的用水量將降低64%。洗選和煤化工行業(yè)也得出了相似的結(jié)果。
以上情景分析的結(jié)果表明，隨著技術(shù)進(jìn)步和新政策的實(shí)施，可以實(shí)現(xiàn)用水量的大幅度降低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益（降低用水成本）和環(huán)境效益（較少?gòu)U水排放）。
切實(shí)可行的節(jié)水途徑
如上文所述，中國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的水資源問(wèn)題可能會(huì)嚴(yán)重限制中國(guó)煤炭行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，我們建議煤炭產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)采取以下節(jié)水途徑。
（1）在原煤開(kāi)采環(huán)節(jié)，目前存在大量的廢水外排問(wèn)題。因此，原煤開(kāi)采環(huán)節(jié)的最大節(jié)水潛能在，根據(jù)水質(zhì)，回收處理外排廢水用于其他用途。
（2）由于洗選加工能夠提高燃煤發(fā)電效率，因此，提高中國(guó)動(dòng)力煤洗選率，可以實(shí)現(xiàn)較高的節(jié)水效益。
（3）情景分析的結(jié)果表明，燃煤發(fā)電是中國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)鏈中用水量最大的環(huán)節(jié)，節(jié)水潛能最大。對(duì)于循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，最佳循環(huán)水濃縮倍率（此術(shù)語(yǔ)用于描述補(bǔ)入系統(tǒng)中的新鮮水的鹽濃度與系統(tǒng)中循環(huán)水的鹽濃度的比率。這可以確保冷卻塔中不會(huì)積聚太多結(jié)垢）通常是4 ～ 5，而中國(guó)80% 的燃煤電廠的濃縮倍率低于3。實(shí)踐證明，提高濃縮倍率是降低電廠耗水量有效的途徑。另一種途徑是減少循環(huán)水量，控制冷卻塔內(nèi)水損失率。此外，回收利用廢水、在干旱地區(qū)使用空冷機(jī)組，以及在沿海地區(qū)利用海水冷卻等，都能有效降低燃煤發(fā)電行業(yè)的總耗水量。
（4）在煤化工行業(yè)，許多新項(xiàng)目正在建造或規(guī)劃中，因此，該領(lǐng)域的用水量將迅速增加。在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，提高轉(zhuǎn)化效率和廢水處理能力有助于節(jié)約水資源。
結(jié)論
水資源對(duì)于中國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)鏈具有重要意義。我們的分析結(jié)果表明，到2030 年，燃煤發(fā)電行業(yè)的用水量在煤炭產(chǎn)業(yè)鏈中所占比例仍是最高的。對(duì)于控制總體用水量而言，技術(shù)進(jìn)步和實(shí)施嚴(yán)格的政策都非常必要。在短期內(nèi)，技術(shù)進(jìn)步比制定政策更能有效地降低用水量。煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)該根據(jù)具體情況采用不同的措施以節(jié)約水資源�；厥绽脧U水、提高洗選率、優(yōu)化燃煤電廠的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)和除灰系統(tǒng)以及提高燃煤電廠效率等，都是非常實(shí)用且相對(duì)有效的節(jié)水措施。煤炭行業(yè)應(yīng)充分利用節(jié)水措施以實(shí)現(xiàn)用水量目標(biāo)，進(jìn)而促進(jìn)中國(guó)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

致謝
我們?cè)诖酥孕牡馗兄x國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)給予的基金支持（項(xiàng)目編號(hào)51106080），以及BP 公司的“能源可持續(xù)性挑戰(zhàn)”項(xiàng)目和BP 公司與清華大學(xué)第二階段合作而給予的大力資金支持。同時(shí)我們要感謝美國(guó)華盛頓特區(qū)中國(guó)環(huán)境論壇的吳嵐(Jennifer Turner) 博士為本文提供了大量寶貴的數(shù)據(jù)。對(duì)此我們表示誠(chéng)摯的謝意。

（來(lái)源：《基石》  作者：清華大學(xué)熱能工程系電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授  李政；清華大學(xué)熱能工程系電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生  潘玲穎；文/ 清華大學(xué)熱能工程系電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授  劉培；清華大學(xué)熱能工程系電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授  麻林巍 ）