基于生命周期分析的内蒙古自治区煤电水足迹研究

姜小云，张庭婷，吴 唯

（上海交通大学，上海 200240）

引 言

燃煤发电在我国电力结构中占据重要位置。燃煤发电中需要充足的水以保证生产安全性，电厂废水也会对环境水体造成持续影响，同时电厂燃煤在上游生产运输中也占用大量水资源。因此，合理的水耗核算与水资源评价对煤电的可持续发展至关重要。水足迹（Water Footprint）这一概念由 A.Y.HOEKSTRA等[1]提出，是分析某项活动或生产过程水资源占用的综合指标，包含蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹；评价中不仅考虑了直接用水，同时考虑间接用水。能源领域水足迹评价研究早期主要针对生物质能源；随着研究进一步深入，电力水足迹研究也越来越受到关注。美国阿冈国家实验室自下而上核算了美国火电发电阶段的水足迹[2]。C.ZHANG等[3]建立了中国长时间序列煤电用水数据库，研究了煤电取水、耗水及地区水资源压力变化过程。M.MEKONNEN等[4]计算了全球生产电力、热能的平均水足迹。N.DING等[5]研究了我国主要化石燃料和发电方式的平均水足迹。目前已有的火电水足迹评价研究或忽略占比更大的灰水足迹，或未考虑燃料引入的水足迹，而更多的关注电厂水耗和取水量，或缺乏详细的区域分析。基于此，本文将建立涵盖燃煤开采、运输到发电阶段的全生命周期水足迹计算模型，以内蒙古自治区为研究区域，对我国主要产煤区的煤电水足迹进行评价研究，同时分析煤电发展对于当地水资源的影响。评价研究不仅关注了不同机组产生的直接蓝水足迹，也研究上游燃煤生产、运输过程引入到系统的间接蓝水足迹，同时考虑污水排放引起的大量灰水足迹。研究结果深入分析了煤电行业对当地水资源的影响，对我国煤炭资源大省煤电的可持续发展政策制定具有一定的参考意义，也可为当地水资源管理提供理论支持。

1 模型方法与基础数据

1.1 系统边界

本模型区分了煤电生产的3个主要阶段，即燃料生产、运输和发电。水足迹以生产单位电力占用的水资源体积L/（kWh）衡量。煤电厂建设相关的水消耗不作考虑。

水足迹为蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹的总和，其中绿水足迹常在农业研究中涉及，燃煤发电未产生绿水足迹[4]。煤电水足迹包含蓝水足迹和灰水足迹，蓝水足迹定义为在生产过程中消耗的蓝水（地表水和地下水）；灰水足迹则是指将一定的污染物稀释到自然本底浓度或现有环境水质标准所需的淡水体积[1]。蓝水足迹和灰水足迹同时分为直接水足迹和间接水足迹2类，直接水足迹来自燃煤生产、运输、发电等环节的直接水消耗；而间接水足迹则是上述环节所消耗的燃料、电力等引入的水消耗。例如煤炭从开采地运送到当地煤电厂发电，除了电厂直接消耗一部分水之外，所消耗的诸如柴油、电力等燃料也会将自己生命周期的水足迹引入进来。

1.2 水足迹计算

煤电水足迹由公式（1）表示：

式中：Welec——总水足迹，L/（kWh）；

Wd，b——直接蓝水足迹，L/（kWh）；

Wd，g——直接灰水足迹，L/（kWh）；

Wi，b——间接蓝水足迹，L/（kWh）；

Wi，g——间接灰水足迹，L/（kWh）。

灰水足迹由公式（2）计算[4]：

式中：Wg——灰水足迹，L/（kWh）；

Cmax——排放水中浓度最高污染物的质量浓度，mg/L；

Cnat——自然水体中该污染物质量浓度，mg/L；

M——该污染物的排放量，kg。

第五类地表水通常被选为自然水体。考虑不同种类污染物的不同浓度标准，定义i污染物的影响因子ni见式（3）：

对于废水中各种污染物，n值最大的污染物对稀释用水的最终体积影响最大，见公式（4）：

式中：nmax——最大影响因子；

m——污染物种类数量。

本研究假设在原始接收水中，每种污染物的自然浓度为零，灰水足迹简化为公式（5）：

式中：mwaste——排放的污水总量，L/（kWh）。

根据上述水足迹计算方法及本研究所确立系统边界，包含煤炭开采、运输以及电力生产的煤电生命周期的发电、煤炭生产的水足迹由公式（6）、（7）计算，其中所有水足迹又以蓝水和灰水足迹分别计算。

式中：Wcoal——煤炭生产的水足迹，L/kg；

Wtrans——从煤矿运输单位质量煤炭至煤电厂产生的运输阶段水足迹，L/kg；

Wd,elec——煤电生产阶段的直接水足迹，L/（kWh）；

Wd,coal——燃煤生产过程的直接水足迹，L/kg；

mcoal/elec——单位发电量消耗的燃煤质量，kg/（kWh）；

mcoal/coal——生产单位燃煤消耗的煤炭质量，kg/kg；

melec/coal——生产单位燃煤消耗的电力，（kWh）/kg。

1.3 基础数据

水足迹计算中，发电阶段的直接蓝水足迹采取自下而上方法计算。煤电厂在冷却、灰渣炉渣清洗、锅炉水补给等方面存在大量水耗，冷却过程中的水分蒸发是引起直接蓝水足迹的主要因素。目前最普遍的3种电站冷却方法，即直流冷却、循环冷却和空气冷却，具有相当大的水耗差异。直流冷却机组从外界大量取水、经冷却通道后排放，其排放水温度上升通常很低，所以蒸发水分相对较少。循环冷却中，大量水通过冷却塔或池塘蒸发散发热量至大气，并不断补充冷却水。空气冷却以空气或其他气体为冷却介质，蒸发耗水极低。2013年工信部、水利部等联合发布的《重点工业行业用水效率指南》规定了煤电行业单位产品取水量指标，见表1。单机容量更大的电站通常用水效率更高，本研究中的电站根据不同装机容量和冷却方式进行划分，由单位发电量取水量平均值计算直接蓝水足迹。

表1 煤电行业单位产品取水量指标

燃煤运输主要依靠铁路，考虑内蒙古地区煤炭自产自销，运输距离不超过1 000 km，并以最远情况核算最大运输水足迹。每千公里每吨货物铁路运输的能耗为2.72 kg柴油，柴油平均蓝水足迹为11.57 L/kg[6]。煤炭运输过程灰水足迹缺乏数据且比例较小，忽略不计。

我国14个主要煤炭产区生产单位煤炭的平均耗水为1.98 L/kg[7]，近5年来生产1 kg标煤平均耗电为0.026 kWh，消耗标准煤0.035 kg[8]。2015年全国6 000 kW及以上煤电厂机组平均供电标准煤耗为0.321 kg/（kWh）[9]。

计算灰水足迹需考虑处理后排放污水中各污染物的浓度值，国家新版《火力发电厂污染物排放标准》限定了排放污染物含量。比较煤电厂污染物排放限值与受纳水体限值，氟化物对水质的影响最大，影响因子为3.33。《重点工业行业用水效率指南》中，我国煤电单位发电量废水排放量为0.32 L/（kWh）。煤炭开采、洗选产生的灰水足迹可根据国家统计局公布的年煤炭生产量与煤矿排放废水量计算，我国生产每千克原煤排放废水1.79 kg[6,8]。比较GB 20426—2006《煤炭工业污染物排放标准》与受纳水体限值，石油类污染物对水质的影响最大，影响因子为5。

2 内蒙古煤电水足迹评价

作为我国的煤炭资源富集区，内蒙古自治区煤炭已探明储量超万亿吨，居全国首位；“十二五”期间全区累计生产煤炭49.2亿t，为全国第一。丰富的煤炭资源为大型煤电基地的发展提供了良好条件。内蒙古地区火力发电行业近年来突飞猛进，至2017年底，煤电机组装机容量为8 170万kW，居全国第二，年发电量达3 659.2亿kWh[9]。《内蒙古自治区能源发展“十三五”规划》指出：“力争到2020年原煤产量控制在11.5亿t左右，重点发展以电力外送为主的大型煤电基地，火电装机容量达1亿kW。”与此同时，内蒙古作为缺水地区，2016年人均水资源量仅为1 695.49 m3，低于全国平均2 355 m3/人，为世界平均水平的五分之一。此外，内蒙古自治区水资源时空分布极不均衡；水资源总量存在较大年际波动，受气候、水文等因素影响大，可调节能力有限；近十年地区水资源总量年均486.5亿m3，丰水年水资源总量达枯水年的3倍以上，年用水总量维持在180亿m3上下。如何在发展煤电的同时，又不影响当地其他产业的用水，并且不对当地的水资源可持续利用产生影响，将是内蒙古未来煤电发展面临的主要问题之一。而对煤电水足迹的研究，有利于更清楚认识煤电发展中面临的水资源消耗问题，为内蒙古地区煤电的可持续发展策略提供重要依据。

2.1 煤电水足迹研究结果

本研究从燃煤发电厂终端收集了大量详细信息，包括机组容量、年发电量、冷却技术、地理位置等数据，形成了较完备的煤电装机设备数据库。数据库包含内蒙古自治区152座煤电机组，总装机容量达6747万kW，覆盖地区83%的煤电机组。通过分析内蒙地区机组数量、功率，发现600 MW及以上机组占统计机组总数的40%，其发电功率占统计总装机容量比例达57%。根据冷却方式分类，空气冷却机组占总量的53%，循环冷却机组占比47%，没有直流冷却机组。

根据不同机组和冷却方式占比以及其相对应的水足迹，可以计算获得内蒙古地区的煤电水足迹，见图1。由图1结果表明，内蒙古地区燃煤发电全生命周期水足迹为5.974 L/（kWh）。生产单位电力引起的灰水足迹为4.021 L/（kWh），其中直接灰水足迹3.885 L/（kWh），由煤电厂发电过程中的污水排放以及上游煤炭的开采、洗选过程的废水等产生；间接灰水足迹0.136 L/（kWh），来自煤电生命周期各阶段消耗的能源等引入的间接污水排放。生产单位电力的蓝水足迹为 1.953 L/（kWh），其中直接蓝水足迹 1.914 L/（kWh），来自电厂发电用水及上游煤炭生产、运输过程中消耗的蓝水总量；间接蓝水足迹0.039 L/（kWh），来自煤电生命周期各阶段消耗的能源等引入的蓝水消耗。在4项水足迹成分中，占总水足迹比值最高的是直接灰水足迹，达65%，燃煤生产和电厂废水引发的水污染造成了最大部分的水资源占用；其次是直接蓝水足迹，占水足迹总值的32%，其大小与机组容量和冷却方式密切相关。直接水足迹为5.799 L/（kWh），间接水足迹仅0.175 L/（kWh），表明来自燃煤生产、运输、发电等环节的直接水耗远远高于消耗燃料、电力等引入的间接水耗。从水足迹构成上看，水足迹的67.3%为灰水足迹，灰水足迹是蓝水足迹的2倍以上，说明污水排放引起的水资源损耗远高于煤电生产活动引起的地表水、地下水占用量。

图1 内蒙古地区煤电水足迹构成

燃煤发电不同阶段的水足迹构成如图2所示。蓝水足迹中，燃煤电厂发电阶段产生的蓝水足迹最大，占总蓝水足迹的65.7%；燃煤电厂消耗的冷却水，直接导致了大量蓝水足迹生成。上游燃煤开采、洗选等产生的蓝水足迹蕴含在燃煤生产中，占总蓝水足迹33.8%。由前文表1中可以看出，循环冷却耗水量为空气冷却的4倍左右，而直流冷却虽耗水不多，却以水单次流经通道进行冷却，要求较大取水量，仅适于富水地区。因此在内蒙古地区应积极推进高参数、大容量的先进燃煤发电机组建设，比如新建燃煤发电项目尽量采用600 MW及以上超超临界机组。通过增加大型机组占比以及进一步增多空冷机组，来减小煤电直接蓝水足迹，从而降低煤电生命周期蓝水足迹。灰水足迹中，燃煤生产引起的灰水足迹最大，为总灰水足迹的73.5%；发电阶段产生的灰水足迹占总灰水足迹的26.5%。上游燃煤生产阶段的水污染是灰水足迹的主要来源，因此严格控制煤炭开采洗选业的污水排放，降低污染物浓度，对减小煤电灰水足迹至关重要。

图2 内蒙古地区煤电不同生命周期阶段水足迹构成

2.2 煤电发展对内蒙古水资源的影响

内蒙古自治区近十年水资源总量年平均为486.5亿m3，可供人类生产生活使用的年均用水总量182.93亿m3，其中年均工业用水总量20.81亿m3。非供水即被认为是自然水体，其总量为303.56亿 m3。以2017年内蒙古地区燃煤发电量3 659.2亿kWh计算[9]，该地区煤电生产的总水足迹为21.85亿m3，其中总蓝水足迹7.13亿m3，总灰水足迹14.71亿m3。内蒙古地区煤电生产占用水资源情况如图3所示。煤电生产占用总水资源的4.49%，其中蓝水足迹占年均工业用水比例达34.27%，占地区用水总量的3.90%；灰水足迹作为非供水水资源的一部分，占自然水体的4.85%，这部分水资源占用此前未被核算在内，实则被煤电生产活动占用，以稀释、同化污染物。煤电总水足迹占水资源比例较高，必将会对农业等领域的用水产生影响；而煤电蓝水足迹占工业用水比例较高，也会导致工业领域其他行业用水受到影响；灰水的大量产生，则会对区域的水生态环境造成破坏。结合上述单位电力水足迹分析，技术进步可以降低蓝水足迹，而灰水足迹的降低，需要更加严格的法律法规限制煤电行业的污水排放以及提高排污标准来实现。比如，引入更多大容量、空气冷却机组，以减少发电厂水资源消耗；在上游燃煤生产中注意降低水耗；关注煤炭全生命周期的水污染，降低排污总量，减少灰水足迹。

图3 内蒙古煤电生产占用水资源情况

内蒙古自治区水资源主要分布在东部黑龙江流域，其中西部地区人均水资源量不足1 000 m3，属严重短缺情况。西部盟（市）水资源量仅占全区总水资源量的19%，开发利用量却已占全区总量的59.7%，开发利用率高达90%以上，水资源开发潜力已达到饱和[10]。目前在建或规划的以鄂尔多斯、锡林郭勒、呼伦贝尔为代表的大型煤电基地，将扩大装机容量，提高煤电产能，继续增大煤电取用水量。其中，鄂尔多斯市和锡林郭勒盟水资源总量仅分别为29.22亿m3、31.77亿 m3[11]，根据前文中目前内蒙古地区煤电占总用水资源的4.49%估算，仅可支撑发电容量490万kW与530万kW装机容量机组。“十三五”规划中火电装机容量1亿kW的目标，对地区可用水资源量提出了巨大挑战。因此，提高煤电行业用水效率刻不容缓。

3 结 论

本文建立了涵盖燃煤开采、运输到发电的生命周期水足迹计算模型。以内蒙古自治区为研究区域，对我国主要产煤区的煤电水足迹进行了评价研究，同时分析了煤电发展对当地水资源的影响。研究表明，内蒙古地区生产单位煤电的水足迹为5.974 L/（kWh），燃煤开采、洗选产生的灰水足迹以及发电过程产生的蓝水足迹较大。因此，不能忽视发电过程的直接水消耗，也需重视水污染引发的水资源占用。采用具有更高水资源利用效率的大容量、空冷机组，有利于减小煤电直接蓝水足迹；严格法律法规、限制煤电行业的污水排放，以及提高排污标准，可以促进灰水足迹的降低。2017年，内蒙古地区煤电生产总水足迹21.85亿m3，占自治区水资源总量的4.49%。煤电发展必将会对农业等领域的用水产生影响，也会导致工业领域其他产业用水受到影响；灰水的大量产生，则会对区域的水生态环境产生破坏。地区水资源分布不均和建设大型煤电基地发展目标，对水资源利用提出了巨大挑战。