上海煤炭流向與先進燃煤發(fā)電路線圖分析

復(fù)旦大學(xué)能源研究中心 潘克西 朱漢雄 常征 劉治星 單鈺理

上海煤炭流向與先進燃煤發(fā)電路線圖分析

復(fù)旦大學(xué)能源研究中心 潘克西 朱漢雄 常征 劉治星 單鈺理

能源流向圖能夠清晰、直觀地核算展示從生產(chǎn)調(diào)入、加工轉(zhuǎn)換，直至終端消費的上海煤炭利用全景全程。該文基于2010年“上海煤炭流向與先進燃煤發(fā)電路線圖”，系統(tǒng)分析各個環(huán)節(jié)煤炭數(shù)據(jù)的基本構(gòu)成和內(nèi)在聯(lián)系，重點關(guān)注發(fā)電用煤的變化趨勢和深層措施，多情景預(yù)測上海煤炭利用的優(yōu)化目標(biāo)和實現(xiàn)路徑。研究顯示，上海煤炭消費的“飽和點”已于2011年出現(xiàn)，煤炭消費已開始向能源利用效率高、污染排放控制好的發(fā)電領(lǐng)域集中。以2012年全市煤炭消費量為基準(zhǔn)，關(guān)閉、替代分散中小鍋爐窯爐約能削減耗煤300萬t；關(guān)閉、改造熱電聯(lián)產(chǎn)機組約能削減耗煤300萬t；關(guān)閉、升級亞臨界等低效機組，即使實現(xiàn)將所有燃煤機組全部升級為超超臨界機組的強化情景，也只能再削減耗煤250萬t左右。若要考慮能效、排放、裝備技術(shù)、企業(yè)成本、居民電價承受力等多目標(biāo)最優(yōu)，就必須進行煤炭全供應(yīng)鏈、以及煤電全生命周期等系統(tǒng)分析，繪制多方案行動路線圖，該文是相關(guān)系列研究的初探。

煤炭；流向；燃煤發(fā)電；上海

上海煤炭流向始于外省市調(diào)入和進口，經(jīng)運輸中轉(zhuǎn)（主要指市外的水陸聯(lián)運、內(nèi)河與鐵路運輸）、加工轉(zhuǎn)換（發(fā)電、供熱、煉焦、制氣），止于鍋爐窯爐等終端利用設(shè)備，環(huán)環(huán)相扣、緊密銜接，具有清晰的、系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系和數(shù)據(jù)相關(guān)性，如圖1所示①數(shù)據(jù)來源：復(fù)旦大學(xué)能源流向與碳排放因子數(shù)據(jù)庫http://202.120.227.3/dvn/dv/FDED。當(dāng)前和今后一段時期，上海的煤炭消費將快速持續(xù)地向發(fā)電企業(yè)集中，等量、減量替代升級的發(fā)電機組將主要為超超臨界、IGCC等，上海的煤炭利用將呈現(xiàn)高能效、低排放、環(huán)境友好的先進燃煤發(fā)電景象。

1 上海煤炭流向的主要節(jié)點與關(guān)鍵數(shù)據(jù)

在圖1中用縱向紅線分割、標(biāo)注出上海煤炭流向的七大主要節(jié)點和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，具體為原產(chǎn)地調(diào)入量、運輸中轉(zhuǎn)量、可供消費量、分品種消費量、分用途消費量、分發(fā)電企業(yè)消費量、高效機組消費量等。

（1）原產(chǎn)地調(diào)入量

上海煤炭全部由外埠調(diào)入，國內(nèi)為主、進口為輔。2010年上?？傆嬚{(diào)入煤炭7853.7萬t，其中來自山西、內(nèi)蒙古、陜西、河北、河南、山東以及東北三省等主產(chǎn)地的煤炭累計7218.2萬t，占調(diào)入總量的91.91%；來自安徽、江蘇等鄰近省份的煤炭323萬t，占調(diào)入總量的4.11%；進口150多萬t，呈現(xiàn)快速增加的態(tài)勢。

（2）運輸中轉(zhuǎn)量

煤炭通過水陸聯(lián)運、鐵路和內(nèi)河運輸進入上海，其中水陸聯(lián)運是最主要的輸運方式。2010年經(jīng)水陸聯(lián)運進入上海的煤炭累計6776.6萬t，占調(diào)入總量的86.29%，中轉(zhuǎn)港主要有秦皇島港、京唐港、天津港、黃驊港、青島港、日照港、連云港、錦州港等，江蘇徐州等地的煤炭經(jīng)京杭運河、西南煤炭經(jīng)長江進入上海，江蘇大屯、安徽淮南淮北等地的煤炭經(jīng)鐵路進入上海。參見圖2。

2010年經(jīng)上海中轉(zhuǎn)調(diào)出煤炭1869.0萬t，主要去向為江蘇、浙江，主要品種為煙煤。

（3）可供本地消費量與主要煤種

圖1上海煤炭流向與先進燃煤發(fā)電路線圖2010年（單位：萬t）

圖2上海煤炭調(diào)入流向圖（2010年,萬t）[注2]

2010年，可供上海本地消費的煤炭量為5945.8萬t（含其他焦化產(chǎn)品70.28萬t），其中消費的原煤、洗精煤、型煤等合計5875.52萬t，比2009年增長10.75%，比2001年增長27.35%；扣除12萬t的配送損失量，實際消費煤炭5863.52萬t。其中，煙煤4725.2萬t、煉焦煤949.4萬t、無煙煤189.0萬t。煙煤主要用于發(fā)電、供熱、制氣、化工原料和分散的中小鍋爐窯爐，煉焦煤全部用于煉焦，來自河南永城的無煙煤（182萬t）全部用于寶鋼的高爐噴吹，無煙洗塊煤（14.3萬t）用于工業(yè)窯爐。

（4）分用途消費量

上海煤炭的主要利用途徑為發(fā)電（含自備電廠）、供熱（發(fā)電供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)供熱、集中供熱）、工商業(yè)鍋爐窯爐③]主要指除電力企業(yè)、寶鋼以外的工商業(yè)企業(yè)使用的中小鍋爐、茶水爐、灶及窯爐。、制煤氣、冶金煉焦、寶鋼高爐噴吹和化工原料等；主要用煤部門為電力（包括發(fā)電和供熱用煤）、工商業(yè)（除電力、寶鋼以外的鍋爐窯爐用煤）、冶金（包括煉焦、高爐噴吹用煤）、化工（化工原料用煤）。其中發(fā)電、供熱、鍋爐窯爐為通過燃燒的能源利用，制氣為非燃燒的能源利用，煉焦、高爐噴吹、化工原料為非能源利用。

2010年上海發(fā)電用煤達到3421.2萬t的高位，比2009年增加560.91萬t，比2001年增加1199.26萬t，是10年來增長最快的一年，這主要是世博會的拉動。發(fā)電和供熱的用煤增量（581.26萬t）超過了當(dāng)年煤炭消費的總增長量（570.35萬t）；得益于天然氣置換煤氣工作的大面積完成，2010年制氣用煤比2009年減少14.06萬t，下降63.76%，是10年來降幅最大的年份；煉焦用煤承接長期的遞減趨勢再減28.49萬t，下降2.84%；化工原料用煤比2009年增加30.13萬t，上升26.49%。

2010年直接燃燒用煤合計1004.86萬t，僅比2009年微增1.51萬t。直接燃燒用煤主要由工商業(yè)分散中小鍋爐窯爐用煤、寶鋼高爐噴吹用煤、寶鋼羅涇綜合板廠Corex爐用煤以及市內(nèi)配送損失量構(gòu)成。高爐噴吹用煤由寶鋼本部和不銹鋼廠用煤兩部分組成，2010年為375.73萬t，伴隨不銹鋼廠的關(guān)閉遷出，2017年前會逐步減少，之后唯一的寶鋼本部高爐噴吹用煤將長期穩(wěn)定在300萬t左右；2010年Corex爐消耗大同洗塊煤94.7萬t，2013年前寶鋼羅涇綜合板廠的兩座Corex爐將全部關(guān)停，煤炭消費量歸零；工商業(yè)分散中小鍋爐窯爐消費的洗塊煤長期穩(wěn)定在每年15萬t左右，消費的原煤由10年前的每年700萬t左右，逐步減少到2010年的508.13萬t，伴隨上海市分散燃煤鍋爐窯爐關(guān)閉、清潔能源替代工作的有序推進，用于中小鍋爐窯爐的煤炭將于2015年底基本削減完畢。

（5）分發(fā)電企業(yè)消費量

2010年，上海20家燃煤發(fā)電企業(yè)共擁有發(fā)電機組58臺，裝機容量合計1583.97萬kW，占全市發(fā)電裝機總量（1987.38萬kW）的79.7%；燃煤機組發(fā)電866.29億kWh，占全市發(fā)電總量（941.05億kWh）的92.06%；全年消耗電煤3669.42萬t，占全市煤炭消費總量的62.45%，其中發(fā)電耗煤3421.20萬t，發(fā)電供熱耗煤20.27萬t、熱電聯(lián)產(chǎn)供熱耗煤227.95萬t。

（6）高效燃煤機組消費量

伴隨外高橋三廠、漕涇發(fā)電廠等超超臨界機組的陸續(xù)投產(chǎn)和穩(wěn)定運行，2010年上海高效燃煤機組（超超臨界532萬kW、超臨界300萬kW）的耗煤量快速增加至1562.0萬t，占電力企業(yè)用煤量的42.57%，占全市用煤總量的26.58%，在很好地保障了全市經(jīng)濟社會特別是世博會用電需求的同時，顯著地提高了用煤效率、降低了污染物排放。其中超超臨界機組耗煤872.2萬t，占電力企業(yè)用煤量的23.77%，較往年有突破性的提升；超臨界機組耗煤689.8萬t，占電力企業(yè)用煤量的18.80%，較往年大幅提升。與此同時，亞臨界機組耗煤1432.8萬t、其他機組耗煤674.7萬t，都從既往消費高位快速跌落。

2011年上海煤炭消費總量達到6141.95萬t的歷史高位，成為上海煤炭消費的“飽和點”，詳見圖3；2012年上海煤炭消費迅速回落到5703.22萬t，利用途徑優(yōu)化趨勢明顯，在全市耗煤總量削減的前提下，超超臨界、超臨界等高效燃煤機組耗煤量比2010年增加313.9萬t，增長20.1%，占電力企業(yè)用煤量的51.43%，占全市用煤總量的32.89%；其中最先進的超超臨界機組耗煤量增長342.4萬t，增長39.3%，在電力企業(yè)用煤量和全市用煤總量中的占比分別達到33.3%和21.3%。表明上海煤炭向能源利用效率高、污染排放控制好的先進燃煤發(fā)電領(lǐng)域集中的速度更快、強度更高④數(shù)據(jù)來源：復(fù)旦大學(xué)能源流向與碳排放因子數(shù)據(jù)庫http://202.120.227.3/dvn/dv/FDED，《上海煤炭流向與先進燃煤發(fā)電路線圖2010-2012》。。

圖3上海煤炭分用途消費量變化趨勢圖（2001-2012）

2 上海煤炭流向與需求情景分析

伴隨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的有序調(diào)整和大氣污染治理力度的不斷加大，上海煤炭消費逐步進入可判、可控、可循的規(guī)律性發(fā)展軌道。按基準(zhǔn)情景、優(yōu)化情景、強化情景發(fā)展，上海煤炭的消費“飽和點”——6200萬t已在2011年出現(xiàn)。優(yōu)化情景是比較客觀、比較現(xiàn)實的發(fā)展目標(biāo)；鑒于當(dāng)前中央政府強烈的治污意愿和百姓高漲的環(huán)保訴求，強化情景的兌現(xiàn)落地已成大勢所趨，但涉及眾多利益相關(guān)方，工作難度較大；照常情景不會出現(xiàn)、也不允許出現(xiàn)。

基于2010-2012年上海煤炭流向圖及歷年煤炭分用途消費實際數(shù)據(jù)⑤數(shù)據(jù)來源：復(fù)旦大學(xué)能源流向與碳排放因子數(shù)據(jù)庫之上海能源流向與碳排放因子數(shù)據(jù)庫http://202.120.227.3/dvn/dv/ FDED/faces/StudyListingPage.xhtml;jsessionid=9dec56575082be5e8b31f7bc90d5?mode=1&collectionId=47。，測算得到2015年、2020年、2030年等關(guān)鍵年份各情景的分用途上海煤炭需求量數(shù)據(jù)，詳見表1。

照常情景設(shè)定為上海煤炭按照既往利用模式與消費趨勢慣性發(fā)展，繼續(xù)加強本市自發(fā)電能力的建設(shè)（主要是新建或改造升級的超超臨界等先進燃煤機組）。2025年發(fā)電用煤達到4888萬t，同時全市煤炭消費總量達到6300萬t的“飽和點”，隨后再逐年平緩下降，2030年約為6050萬t⑥數(shù)據(jù)來源：復(fù)旦大學(xué)能源流向與碳排放因子數(shù)據(jù)庫之上海能源流向與碳排放因子數(shù)據(jù)庫http://202.120.227.3/dvn/dv/ FDED/faces/StudyListingPage.xhtml;jsessionid=9dec56575082be5e8b31f7bc90d5?mode=1&collectionId=47?！渡虾Ｄ茉粗虚L期發(fā)展戰(zhàn)略研究：煤炭石油》（上海市發(fā)改委、復(fù)旦大學(xué)能源研究中心，2012）。

基準(zhǔn)情景按照《上海市能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》、《上海市節(jié)能和應(yīng)對氣候變化“十二五”規(guī)劃》、《上海市環(huán)境保護和生態(tài)建設(shè)“十二五”規(guī)劃》等政府文件要求，以2015年上海煤炭消費總量5800萬t的控制目標(biāo)為基準(zhǔn)進行分項測算。隨著上海焦化廠、浦東煤氣廠的關(guān)閉，上海煉焦用煤全部為寶鋼的煉焦用煤，同時根據(jù)《上海市鋼鐵產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》以及寶鋼集團的企業(yè)規(guī)劃，2012-2017年間將完成鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，寶鋼在上海地區(qū)減少鐵產(chǎn)能約580萬t，鋼產(chǎn)能約660萬t，相應(yīng)減少煤炭的消費量（約為目前的三分之一），同時參照《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)——鋼鐵行業(yè)（高爐煉鐵）》“入爐焦比”逐步降低等要求，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)；伴隨天然氣置換工作的進行，人工煤氣廠陸續(xù)關(guān)閉，制氣用煤歸零；隨著工商業(yè)中小燃煤鍋爐關(guān)停、清潔替代工作力度的加大，到2015年除個別確需保留的窯爐外，上海分散燃燒用煤基本削減完畢；依據(jù)寶鋼的企業(yè)規(guī)劃，同時參照國家《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)——鋼鐵行業(yè)（高爐煉鐵）》“高爐噴吹煤比”逐步提高等要求并考慮技術(shù)進步因素，預(yù)計高爐噴吹用煤會有所減少；目前上?；ぴ嫌妹喝繛槿A誼集團的煤化工用煤。2012年底，華誼集團位于吳涇的4#工程建成，年耗煤量有所增加，考慮到技術(shù)進步等因素預(yù)測2015年為220萬t。根據(jù)上海的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃，煤化工項目將逐步遷出上海，因此預(yù)測2020年后化工原料用煤量將降到200萬t以下。

表1 上海煤炭分用途需求量預(yù)測表（單位：萬t）

優(yōu)化情景按照國家《大氣污染防治行動計劃》、《上海市清潔空氣行動》等一系列控制煤炭消費總量、改進煤炭利用方式的政策措施和責(zé)任目標(biāo)，以2015年上海煤炭消費總量5400萬t為責(zé)任目標(biāo)進行分項測算。2500余臺工商業(yè)中小鍋爐、300余臺工業(yè)窯爐將會關(guān)閉或完成清潔能源替代，可削減煤炭約300萬t，到2017年上海市將全面取消分散燃煤；2030年后煤化工項目全部遷出。

強化情景是在優(yōu)化情景基礎(chǔ)上的進一步挖潛，主要工作是關(guān)閉、改造污染控制較差的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機組（或由燃機和天然氣分布式供能替代），相關(guān)的300余萬噸耗煤轉(zhuǎn)入先進燃煤發(fā)電；壓減煉焦用煤和化工用煤，力爭實現(xiàn)2015年煤炭消費總量控制在5000萬t的目標(biāo)。

就煤炭對上海清潔空氣行動和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的貢獻而言，一在消費總量的控制，二在利用途徑的改變。其主要任務(wù)近期在于削減分散中小燃煤鍋爐窯爐的耗煤量，中期在于削減效率低、污染大的熱電聯(lián)產(chǎn)耗煤量，遠期在于通過發(fā)電技術(shù)、冶煉技術(shù)的更新?lián)Q代，在改善煤炭質(zhì)量、提高煤炭利用效率的同時，從根本上隔斷燃煤與大氣污染物排放的聯(lián)系，徹底實現(xiàn)煤炭的清潔、低碳利用。電力是煤炭利用的最高形式，超超臨界、IGCC等先進燃煤發(fā)電技術(shù)是煤炭高效、清潔、低碳利用的主要途徑和依托，是上海煤炭利用優(yōu)化的必由之路。

3 燃煤發(fā)電進展與技術(shù)的先進性

電力是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)性與支柱性產(chǎn)業(yè)，是生產(chǎn)、傳輸和銷售電能的公用事業(yè)；是命脈行業(yè)，關(guān)系國計民生，對日常生產(chǎn)生活的影響直接、深刻而廣泛。由于電力是一種最清潔最精確的、可定時定量控制的、能實現(xiàn)多種形式轉(zhuǎn)換的、輸送快捷使用方便的能源，因此電力的利用已經(jīng)遍及經(jīng)濟社會和人民生活的各個領(lǐng)域，成為現(xiàn)代社會之必需。事實上，電力工業(yè)的發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個國家和城市經(jīng)濟社會發(fā)展水平特別是綜合技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)尺。

我國燃煤發(fā)電的路線一直是向著大容量、高參數(shù)、高能效、低污染的先進發(fā)電目標(biāo)發(fā)展。上世紀(jì)70年代，燃煤發(fā)電設(shè)備以高壓為主，單機容量在10萬kW以下，電廠凈效率僅為32%，尾氣只進行簡單的除塵，之后直接排入大氣，對環(huán)境污染巨大；80年代，燃煤發(fā)電設(shè)備以超高壓為主，單機容量在10-30萬kW之間，電廠凈效率有所提高，開始安裝尾氣脫硫裝置；到90年代，燃煤發(fā)電設(shè)備逐步從超高壓轉(zhuǎn)向亞臨界，單機容量以30-60萬kW為主，電廠凈效率進一步提高到37%，尾氣處理關(guān)注NOx排放。開始引進超臨界機組，電廠凈效率達到40%左右。

進入本世紀(jì)，我國超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電機組快速發(fā)展，并屢創(chuàng)全球運行最好記錄。單機容量迅速過渡到100萬kW以上，電廠凈效率提高到41%-42%，未來有望進一步提升到46%，在嚴(yán)格除塵、脫硫、脫硝的基礎(chǔ)上，脫汞和捕集CO2技術(shù)已進入研發(fā)和示范階段。

從全球來看，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，超超臨界機組已成為一項成熟的先進燃煤發(fā)電技術(shù)，節(jié)能、環(huán)保效益顯著，并且還在向更高的參數(shù)、更好的效益方向發(fā)展。超超臨界一次再熱機組熱效率一般可以達到43%以上，二次再熱機組的熱效率可以達到45%以上，由此超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)必將成為煤炭高效、清潔、低碳利用的主要途徑。

目前，上海共有6臺超超臨界機組，分別為2008年投產(chǎn)運行的上海外高橋第三發(fā)電廠（簡稱“外三”）的兩臺1000MW機組、2009年底投產(chǎn)運行的華能上海石洞口發(fā)電有限公司（簡稱“華能石洞口”）兩臺660MW機組和2010年投產(chǎn)運行的上海上電漕涇發(fā)電有限公司（簡稱“上電漕涇”）的兩臺1000MW機組。6臺機組自投產(chǎn)以來，運行穩(wěn)定，供電煤耗持續(xù)降低。其中，外三機組連年刷新世界同期最低供電煤耗記錄，詳見表2。

表2 上海超超臨界發(fā)電廠供電煤耗（gce/kWh）

超超臨界機組的高效率有效提升了上海燃煤機組的總體效率。2012年上海燃煤機組供電煤耗僅為305.4gce/kWh，其中超超臨界機組供電煤耗282.7 gce/kWh，電廠凈效率43.5%，比超臨界機組供電煤耗低19.6gce/kWh，電廠凈效率高2.8%；比亞臨界機組供電煤耗低44.7gce/kWh，電廠凈效率高5.9%。

按照2012年上海燃煤供電量794.2億kWh計算，若采用超超臨界機組替代亞臨界和其他燃煤機組發(fā)電（情景1），可減少供電煤耗150.0萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，折合實物量減少電煤消費量210.0萬t；若全部采用超超臨界機組發(fā)電（情景2），可減少供電煤耗180.2萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，折合實物量減少電煤消費量252.3萬t，詳見圖4。

4 結(jié)語

圖4上海超超臨界替代情景電煤消費量變化趨勢圖（2010-2012）

（1）上海煤炭流向圖能夠清晰、直觀地展示從生產(chǎn)調(diào)入、加工轉(zhuǎn)換，直至終端消費的煤炭利用全景全程，能夠核算并系統(tǒng)闡明各個環(huán)節(jié)煤炭數(shù)據(jù)的基本構(gòu)成和內(nèi)在聯(lián)系，是研究上海煤炭問題、判斷上海煤炭形勢的理想工具和方法；

（2）上海煤炭消費的“飽和點”已于2011年出現(xiàn)，上海煤炭優(yōu)化的目標(biāo)和路線圖已日漸清晰、可控。2015年基本完成分散中小鍋爐窯爐的用煤削減（約300萬t），2020年完成部分現(xiàn)役熱電聯(lián)產(chǎn)機組用煤的等量、減量轉(zhuǎn)換（約300萬t），推動煤炭消費快速向能源利用效率高、污染排放控制好的超超臨界、IGCC等先進燃煤發(fā)電領(lǐng)域集中；

（3）2015年上海煤炭的消費總量會下降到5400萬t以下，甚至更低，這主要得益于工商業(yè)分散中小鍋爐窯爐的關(guān)閉、替代。屆時上海的煤炭消費也將主要集中于發(fā)電企業(yè)和寶鋼，中遠期煤炭消費總量的下降幅度將主要取決于先進發(fā)電技術(shù)、冶煉技術(shù)的應(yīng)用水平和設(shè)備更新?lián)Q代的進程。

（4）在未來可以預(yù)見的時間內(nèi)，煤炭仍將是上海發(fā)電的主要燃料，但伴隨超超臨界、IGCC等先進燃煤發(fā)電技術(shù)和設(shè)備在上海的普遍利用，常規(guī)污染物排放將會得到根本性的改觀，減緩和控制CO2等溫室氣體排放的條件日漸成熟。

（5）實施空氣清潔行動計劃：控制煤炭消費總量是基礎(chǔ)，調(diào)整煤炭消費途徑是核心，提升煤炭利用技術(shù)和設(shè)備水平是關(guān)鍵、是根本，是隔斷煤炭利用與污染排放聯(lián)系的革命性措施，能夠切實保障經(jīng)濟社會的持續(xù)健康發(fā)展。

5 致謝

本文及相關(guān)研究的進行，始終得到上海市發(fā)改委、經(jīng)信委、統(tǒng)計局、環(huán)保局，以及華東電網(wǎng)、申能集團、上海電力公司等機構(gòu)和相關(guān)人士的支持與幫助，特別得到上海能源資深專家施明融先生、章樹榮先生的具體指導(dǎo)和數(shù)據(jù)審核，在此一并致以誠摯的謝意。

“煤為基礎(chǔ)、電為中心”的能源格局將長期存在，“高碳能源、低碳利用”之征途任重而道遠，“保障供應(yīng)、消解價格”牽一發(fā)而動全身，敏感而迫切，需要持續(xù)的煤炭全供應(yīng)鏈、電煤全生命周期等系統(tǒng)分析，筆者所在復(fù)旦能源團隊基于長期的實證數(shù)據(jù)積累和先進的能流圖、Leap模型以及利益相關(guān)者網(wǎng)絡(luò)分析等工具方法，就相關(guān)問題展開系列的研究，期望能夠?qū)ι虾Ｄ酥寥珖拿禾肯M總量控制、大氣污染防治有所貢獻，期望與各位同仁共進、共榮，共同為上海的能源事業(yè)增添動力。

[1]國家統(tǒng)計局能源統(tǒng)計司.中國能源統(tǒng)計年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計出版社2001-2012.

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呂東1龔成晨1李健1徐竟成2

1.上海紡織節(jié)能環(huán)保中心2.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

摘要：印染行業(yè)是我國傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)，由于印染廢水成分復(fù)雜、可生化性差，其處理過程具有工藝復(fù)雜、處理流程長、耗能高等特點。該文從印染廢水的處理工藝、處理設(shè)備及污泥處置等方面就其節(jié)能途徑進行分析，探討工藝技術(shù)及設(shè)備對印染廢水處理能耗的影響并提出相應(yīng)的節(jié)能對策，以求在達標(biāo)排放或資源化利用的前提下，實現(xiàn)低能耗、低成本運行，為印染廢水的低能耗處理處置提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：印染廢水；處理工藝；能耗；節(jié)能途徑；資源化

Abstract:Dying industry is one of the traditional pillar industries in china.Due to the complicated compositions and poor biodegradability of dying wastewater,conventional treatment processesforwhicharecomplex,longtreatmentprocessandhighenergyconsumption. Starting with discussion on possible energy saving ways in treatment processes,equipments and sludge disposal of dying wastewater,the study has investigated the effects of different technologies and processes of the wastewater and put forward some feasible energy saving measures,to guarantee that effluent meet the discharge standard or can be reused.The study could provide a reference for the low-energy treatment of dying wastewater.

Keywords:dying wastewater；treatment process；energy consumption；energy saving way；reuse

0 前言

印染行業(yè)作為傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)，在我國國民經(jīng)濟中發(fā)揮著巨大的作用。然而印染行業(yè)屬于高能耗、高污染產(chǎn)業(yè)，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國印染廢水日排放量為3×106～4×106 t，是工業(yè)廢水的主要來源之一[1]。印染廢水具有水質(zhì)復(fù)雜、堿度大、色度高、有機物含量高、可生化性差等特點，為廢水處理帶來了較大的難度。

印染廢水的傳統(tǒng)處理主要有物理法、化學(xué)法和生物法。物化法對印染廢水具有一定的去除效果，但處理成本高，且易生成大量難處理的污泥導(dǎo)致后續(xù)處置費用的增加。生物法被認為是運行成本相對較低且污泥生成量較少的處理方法，我國印染廢水處理以生物法為主。然而，為取得較好的處理效果，傳統(tǒng)生物處理工藝流程較長，處理負荷低且好氧鼓風(fēng)曝氣、污泥脫水等工序能耗高，在很大程度上增加了處理成本[2]。

近年來，隨著我國印染廢水處理工藝及資源化技術(shù)的不斷發(fā)展，低能耗及處理成本是技術(shù)進步的重要考察內(nèi)容之一。本文綜合分析印染廢水處理工藝、運行設(shè)備及污泥處置過程中的能耗分析，探析廢水處理過程中的資源化利用潛力及有效途徑，為印染廢水的低能耗處理提供參考與借鑒。

1 印染廢水處理工藝節(jié)能途徑分析

印染廢水可生化性差，單獨好氧生物法較難取得良好的處理效果。因此在處理過程中，采用缺氧水解工藝作為預(yù)處理，將可生化性較差、難降解有機物轉(zhuǎn)化成可降解有機物，提高廢水的可生化性，為提高好氧處理效率創(chuàng)造條件，典型處理流程如圖1所示：

由圖1可見，印染廢水處理主要由缺氧水解、好氧處理、泥水分離等工序組成，隨著處理工藝不斷發(fā)展，不同工藝在能耗及處理效果、成本方面均存在一定的差異。

（1）厭氧工藝能耗分析

印染廢水的厭氧處理主要是利用厭氧反應(yīng)的水解階段提高可生化性，常稱為缺氧水解或水解酸化，其原理為通過將厭氧反應(yīng)控制在水解和產(chǎn)酸階段，使廢水中難降解有機物轉(zhuǎn)化成小分子有機物，提高可生化性，達到脫色的效果，具有投資低、負荷高等優(yōu)點，但傳統(tǒng)的缺氧水解工藝存在設(shè)備能耗較高且維護頻繁等不足；為了節(jié)省動力，近年來水解工藝逐漸發(fā)展為多采用斜板式厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）（Anaerobic baffle-plate reactor），利用水力下降速度沖擊下層活性污泥，起到了良好的泥水混合效果，減少機械攪拌設(shè)備能耗；研究發(fā)現(xiàn)該工藝具有投資省、操作簡便等優(yōu)點，同時可節(jié)省約10%的運行能耗[3]。

（2）好氧工藝能耗分析

印染廢水經(jīng)厭氧處理后可生化性明顯提高，通過后續(xù)好氧處理能進一步降解有機物。曝氣生物濾池和生物接觸氧化法的實質(zhì)都是生物膜法，即通過在池內(nèi)安裝一定數(shù)量的生物填料，利用填料上附著的生物膜與充足供應(yīng)的氧氣產(chǎn)生的生物氧化作用降解有機物，達到水質(zhì)凈化目的[4]。

曝氣生物濾池是在生物濾池基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型工藝，與傳統(tǒng)活性污泥法相比，該工藝具有氧傳遞利用效率高、占地面積小、抗負荷沖擊能力強、避免污泥膨脹和出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)勢。

生物接觸氧化法相較傳統(tǒng)活性污泥法，最明顯的優(yōu)勢在于容積負荷高且處理時間短；由于處理時間縮短，相同體積的生物接觸氧化池與活性污泥池相比，處理能力提高了2～8倍。同時新型多孔性纖維材料極大的增加了填料的比表面積，提高氧的傳遞效率，降低供氧能耗；此外省去污泥回流工序也一定程度的降低了能耗，加上生物接觸氧化法不存在污泥膨脹問題，且污泥生成量較小，減輕了后續(xù)污泥處置負荷。趙煒[5]通過研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)好氧工藝相比，采用生物接觸氧化法可節(jié)約30%的運行能耗。

（3）減少過程水力提升次數(shù)與揚程

印染廢水處理過程中，水力提升是必須步驟，也是印染廢水處理的主要能耗組成部分。通過水泵流量及揚程的合理選擇對廢水進行有效的一次提升，避免二次提升所造成的額外能耗，對能耗降低具有直接效益。同時污水處理廠整體布局應(yīng)使各設(shè)備盡量緊湊，避免管路連接過長造成不必要的水頭損失，減少水泵臺數(shù)和選用高效水泵，都能不同程度的降低電耗。

圖1印染廢水典型處理流程圖

（4）低耗能印染廢水組合處理工藝

綜上所述，印染廢水處理工藝應(yīng)向高效、節(jié)能、低碳等方向不斷發(fā)展；通過分析，利用缺氧水解-生物接觸氧化為生化處理主體工藝的組合工藝具有處理效果好、能耗低、污泥生成量少、運行費用低等優(yōu)點，具有較好的節(jié)能潛力。

2 印染廢水處理設(shè)備節(jié)能途徑分析

印染廢水處理過程中，各種設(shè)備的電耗是日常運行的主要成本，占總運行成本的60%以上；而水泵及鼓風(fēng)機等設(shè)備電耗占整個污水處理廠總電耗的70%～80%?？梢娫谟∪緩U水處理過程中，水泵及風(fēng)機等大型耗電設(shè)備的合理運行具有很大的節(jié)能空間。

（1）低能耗提升設(shè)備

水泵是污水處理過程中的重要設(shè)備，其作用是原水提升、污水回流及剩余污泥排放等，水泵的運行效率直接影響電耗及運行成本。隨著變頻技術(shù)的不斷成熟，利用變頻調(diào)速控制代替閥門或調(diào)速擋板能始終維持水泵高效運行，具有顯著的節(jié)能節(jié)電效益。

（2）低能耗曝氣設(shè)備

鼓風(fēng)機主要用于好氧生物處理的供氧，供氣量控制是鼓風(fēng)機最顯著的節(jié)能方法。近年來利用反應(yīng)池溶解氧（DO）（Dissolved oxygen）在線監(jiān)測進行風(fēng)量控制的PID（Proportion Integration Differentiation）控制技術(shù)得到廣泛運用（參見圖2），可有效避免過度曝氣及不必要的硝化反應(yīng)，具有較好的節(jié)能效益[6]；此外通過對DO的模糊控制，能有效減少閥門調(diào)節(jié)頻率，延長設(shè)備使用壽命，近年來在污水處理行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

曝氣裝置主要用于將空氣快速、均勻、高效地轉(zhuǎn)移致污水中，加強有機物與微生物接觸，最終實現(xiàn)廢水降解的目的。與傳統(tǒng)曝氣設(shè)備相比，新型微孔曝氣裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、氣泡粒徑小、性能穩(wěn)定、耐腐蝕性強、能耗低等優(yōu)點，能顯著提高氧利用效率，降低曝氣設(shè)備運行負荷，節(jié)約供氧成本。

3 印染廢水污泥處置過程節(jié)能途徑分析

印染廢水處理后的剩余污泥成分復(fù)雜、有害物濃度高、處置難度大，一般納入危險廢棄物范疇。通過傳統(tǒng)機械脫水方式得到的泥餅含水率在80%左右，無法達到填埋工藝的要求且容易造成二次污染，而焚燒法處理印染廢水污泥的能耗大、成本高[7]，因此深度脫水成為污泥后續(xù)處理處置的前提條件。

熱干化技術(shù)是污泥深度處理的主要手段之一，但該方法能耗大且穩(wěn)定性差。厭氧消化技術(shù)能量回收較高、環(huán)境影響較小，但同樣存在著技術(shù)尚不成熟、資源化程度低、處置成本高等缺陷。近年來，利用水泥工業(yè)作為污泥資源化途徑受到重視，水泥窯的高溫環(huán)境可實現(xiàn)污泥的干化、焚燒并充分利用其熱值，殘渣也能部分代替粘土用作水泥原料，最終實現(xiàn)污泥的無害化、減量化、資源化，為印染廢水污泥低能耗處置提供可行的出路[8]。

圖2溶解氧在線監(jiān)測PID控制系統(tǒng)示意圖

4 印染廢水資源化利用能效分析

印染廢水主要來源于退漿、煮練、漂白、染色等工序，漿料、染料及纖維是印染廢水的主要成分；其回收利用，不僅節(jié)省資源、降低成本、創(chuàng)造經(jīng)濟效益，還能減輕廢水處理的難度，減少排放量，對印染廢水的資源化利用具有重要意義。

（1）高濃度有機物分離

印染廢水中大量有機物如漿料（PVA等）（Polyvinyl alcohol）、絲光淡堿、絲膠蛋白等均具有一定的回收利用價值。利用化學(xué)凝結(jié)法進行印染廢水PVA回收具有設(shè)備簡單、操作方便、運行能耗低等優(yōu)勢[9]，通過對上海某印染企業(yè)廢水處理的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)化學(xué)凝結(jié)法處理后的PVA回收率及COD（Proportion Integration Differentiation）去除率均達到80%左右，回收的PVA經(jīng)進一步處理可達到資源化利用目的。李海紅等[10]通過酸析法提取印染廢水中的溶解性絲膠蛋白后利用超濾膜分離濃縮上清液，研究發(fā)現(xiàn)酸析和超濾對COD去除率分別在35%和70%左右，絲膠蛋白得到有效回收。

（2）印染廢水再生利用

將處理后的印染廢水進行循環(huán)利用是提高重復(fù)利用率、降低新水消耗的重要途徑。張景麗等[11]利用水解酸化—生物接觸氧化—微濾—反滲透工藝處理某企業(yè)印染廢水，處理后出水水質(zhì)高于企業(yè)染整軟水標(biāo)準(zhǔn)，可作為染整用水重復(fù)利用。黃瑞敏等[12]利用混凝處理+曝氣生物濾池處理印染廢水，研究表明出水COD指標(biāo)低于國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)，接近回用水平。

（3）廢水熱量回收利用

印染工藝中排放大量廢水的同時熱量也隨之被攜帶排出，造成能量浪費。利用水源熱泵回收印染廢水中的廢熱是一項有效的節(jié)能措施，該技術(shù)可減少一次性能源消耗，提高生產(chǎn)效率并降低運行成本。夏冬[13]通過研究發(fā)現(xiàn)常州某印染企業(yè)利用工業(yè)熱泵系統(tǒng)回收印染廢水中的熱量，并將其用于染缸前端的自來水加熱及車間供暖的熱源，全年節(jié)省能耗、電耗約130萬元，具有較好的節(jié)能及經(jīng)濟效益。

5 結(jié)束語

隨著我國污水處理行業(yè)節(jié)能減排工作的不斷深入，印染廢水處理處置也趨于高效、節(jié)能、低碳。選擇處理效果好、能耗低的生化處理組合工藝，采用低能耗供氧與動力設(shè)備，并利用信息化技術(shù)采取對應(yīng)的工藝控制方式，可以顯著降低運行電耗；此外，通過有機物分離回收、廢水再生利用及余熱利用等途徑提高印染廢水的資源化利用水平，對降低印染廢水處理處置的能耗也具有應(yīng)用價值。

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Coal Flow and Advanced Coal-Fired Power Generation Pathways Analysis for Shanghai

Pan ke xi,Zhu han xiong,Chang zheng,Liu zhi xing,Dan yu li

Energy flow chart can be used to clearly and directly demonstrate the entire picture and process of coal use in Shanghai from production and import/export,to transformation and finally to end-use sectors.Based on Shanghai Coal Flow and Advanced Coal-Fired Power Generation Chart in 2010,this paper systematically analyzed basic compositions and inner relations of data between each using-process.Focusing on the changing trends of coal for power generation and further measurements,a multi-scenario forecast of coal use optimization target and realization pathways has been developed.The results show that the so-called‘peak point’of coal consumption in Shanghai had appeared in 2011 which indicated that coal consumption has begun to converge into energy-efficient and emission-controlled sector of power generation.Taken 2012 as base year,coal consumption could be reduced by 3000000 tons by shut-down and accelerations of energy-inefficient units such as decentralized small size units;and reduced by 3000000 tons more through shut-down and renovation of combined heat and power(CHP)units;and at most reduced by 2500000 tons more from substituting other coalfired power units such as sub-critical units by ultra-supercritical ones.Therefore,it is quite necessary to systematically analyze the whole supply chain of coal and life cycle analysis of coal-fired power generation,and to portray a multi-strategy action plan if we take more objectives into consideration such as efficiency,emission,equipment,technology,cost and affordance of electric price by residence.And this study is the first attempt of the studies series.

coal; flow; coal-fired power generation; Shanghai

印染廢水處理過程的節(jié)能途經(jīng)分析

The Analysis of the Energy Saving Ways in Dying Wastewater Treatment

Lu dong，Gong Cheng-chen，Li Jian，Xu Jing cheng

國家社科基金（《能源利用中的碳脈分析與減排政策研究》10BGL064）、電力系統(tǒng)國家重點實驗室項目（《電力用煤潛在碳排放因子核算與電廠煤樣實測分析》SKLD10KZ02）、復(fù)旦大學(xué)“985工程”三期整體推進社會科學(xué)研究項目（《后危機時代歐盟政治、經(jīng)濟、社會格局的調(diào)整及我國的應(yīng)對》2012SHKXYB010）。

潘克西，復(fù)旦大學(xué)社會發(fā)展與公共政策學(xué)院副教授、復(fù)旦大學(xué)能源研究中心副主任。

②數(shù)據(jù)來源：復(fù)旦大學(xué)能源流向與碳排放因子數(shù)據(jù)庫http://202.120.227.3/dvn/dv/FDED

【基金項目】水體污染控制與治理國家科技重大專項（2009ZX07317-005）

【作者簡介】呂東（1961～），上海紡織節(jié)能環(huán)保中心副主任，高級工程師。徐竟成（1961～），同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：水污染控制及水資源再生利用。