黄河几字弯区现代煤化工产业适水发展路径研究

杨玉峰 ,  杨舒越 ,  金之钧 ,  胡书怡 ,  张波 ,  李新宇 ,  刁子怡 ,  含笑 ,  高颖 ,  石卓儒 ,  张喆 ,  苏海录 ,  刘洋 ,  王炜玮

中国工程科学 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (4) : 162 -175.

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中国工程科学 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (4) : 162 -175. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2025.07.029
黄河几字弯区水–土–经济高质量协同发展战略研究

黄河几字弯区现代煤化工产业适水发展路径研究

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Pathways for Water-Adaptive Development of Modern Coal Chemical Industry in the Jiziwan Region of the Yellow River Basin

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摘要

黄河几字弯区是我国现代煤化工产业战略核心区，其可持续发展面临严峻的水资源约束。本文综合考虑区域宏观社会经济发展态势、国家与区域能源战略与规划、现代煤化工技术发展与市场趋势等多重因素，采用“自下而上”的产品定额法，对黄河几字弯区现代煤化工产业中长期用水趋势进行了研判，并总结了产业发展面临的主要问题。研究发现：当前黄河几字弯区现代煤化工产业发展存在水资源先天不足、节水技术存在瓶颈与非常规水资源利用不足、当前供水能力无法满足未来现代煤化工产业发展要求三方面挑战。基于以上判断，提出了拓宽水资源供给空间、强化水资源管理与利用、推动现代煤化工技术创新的现代煤化工适水发展战略路径。

Abstract

The Jiziwan region in the Yellow River basin serves as the strategic core of China's modern coal chemical industry; however, sustainable development of the region is severely constrained by limited water resources. This study considers multiple factors, including regional macro socioeconomic development trends, national and regional energy strategies and plans, as well as technological and market development trends in the modern coal chemical industry. We adopt a bottom-up, product-based water demand estimation method to project medium- and long-term water use trends in the region and identify key challenges to the sustainable development of the regional coal chemical industry. Our findings highlight three major constraints: an inherent shortage of water resources; bottlenecks in water-saving technologies and under-utilization of unconventional water sources; and insufficient water supply capacity to meet the demands of future industrial expansion. In response, we propose strategic pathways for water-adaptive development: expanding the diversity of water supply sources, enhancing the efficiency and effectiveness of water resource management, and advancing technological innovation in the modern coal chemical sector.

Graphical abstract

关键词

黄河几字弯 / 现代煤化工 / 适水发展战略 / 水资源约束 / 节水

Key words

Jiziwan region of Yellow River / modern coal chemical industry / water-adaptive development strategy / water constraints / water conservation

引用本文

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杨玉峰,杨舒越,金之钧,胡书怡,张波,李新宇,刁子怡,含笑,高颖,石卓儒,张喆,苏海录,刘洋,王炜玮. 黄河几字弯区现代煤化工产业适水发展路径研究[J]. 中国工程科学, 2025, 27(4): 162-175 DOI:10.15302/J-SSCAE-2025.07.029

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一、 前言

黄河流域生态保护和高质量发展是事关中华民族伟大复兴的千秋大计。黄河几字弯区横跨甘、宁、蒙、陕、晋五省区，不仅是黄河中上游水土流失和泥沙来源的关键区域，更是我国“能源流域”的核心地带[1]。该区域的煤炭资源储量占全国68%[2]，集中了多个大型煤炭基地和现代煤化工产业示范区，是我国能源安全的战略基石[3]。

现代煤化工，也称新型煤化工或煤炭深加工，是以煤为主要原料，通过加工转化生产多种清洁燃料和化工原料的产业。其涵盖的领域包括煤制油（煤直接液化、煤间接液化）、煤制天然气、煤制化学品（如烯烃、芳烃、乙二醇等）等。传统煤化工以焦化和简单气化技术为核心，主要生产如焦炭、合成氨、甲醇等附加值低的大宗基础化工原料，存在“三高一低”的问题，即“高能耗、高污染、高排放、低价值”。而现代煤化工则以气化、液化为主要路线，与传统煤化工相比，降低了能耗和污染，通过高端化和精细化发展，提高了产品的附加值。从工艺流程、产品质量、环保效果、技术水平和综合经济效益等多个维度来看，现代煤化工都明显优于传统煤化工。

我国现代煤化工产业的发展已取得显著进展。目前，已实现商业化的工艺路线主要有4条，分别是煤制油、煤制天然气、煤制乙二醇和煤制烯烃。我国现代煤化工的发展是国家能源战略调整、技术进步和产业政策引导的综合体现。进入21世纪，随着我国经济的快速发展，对能源和基础化工原料的需求急剧增长，国际油价开始波动并呈现上涨趋势，加之我国“富煤、贫油、少气”的资源禀赋特点，促使国家开始重视煤炭的高效清洁转化利用，以保障国家能源安全[4]。“九五”和“十五”期间，煤直接液化、煤气化和费托合成等一批现代煤化工技术开始加快实验研发；“十一五”和“十二五”期间，我国现代煤化工加速发展，国家发展和改革委员会等部门发布了一系列文件鼓励有序发展现代煤化工，如《国家发展改革委关于加强煤化工项目建设管理促进产业健康发展的通知》《关于规范煤化工产业有序发展的通知》《关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见》等；“十三五”期间，现代煤化工行业进入“提质增效”阶段，重点在于技术创新、节能减排、优化产品结构、延长产业链和提升附加值，部分不符合环保和能耗标准或缺乏竞争力的项目被叫停或缓批[5]；“十四五”时期，国家提出“碳达峰、碳中和”目标，能源安全面临新挑战，煤炭作为我国主体能源的地位短期内难以改变，现代煤化工进入绿色低碳转型和战略布局优化时期[6]。

然而，黄河几字弯区丰富的能源禀赋与其脆弱的生态本底形成鲜明对比。这里气候干旱、降水稀少，水资源极度短缺，生态系统敏感脆弱，土地沙化、盐渍化问题突出[7]。现代煤化工产业在为国家贡献能源产品的同时，也是典型的高耗水、高耗能产业[8]。这使得“煤多水少”的矛盾成为制约该区域可持续发展的瓶颈。在此背景下，传统的“以水定产”发展模式已难以为继。如何破解水资源瓶颈，推动现代煤化工产业走上与水资源、水环境、水生态相协调的“适水发展”道路，成为亟待解决的重大理论与现实课题。本文聚焦黄河几字弯区现代煤化工适水发展现状，剖析现代煤化工适水发展面临的问题和挑战，并提出针对性发展路径，以为黄河几字弯区能源绿色、安全发展提供参考。

二、 黄河几字弯区现代煤化工产业发展现状

黄河几字弯区已成为我国现代煤化工产业的集聚区。2017年，国家发展和改革委员会、工业和信息化部联合发布《现代煤化工产业创新发展布局方案》，提出在陕西榆林、新疆淮东、宁夏宁东和内蒙古鄂尔多斯建立4个现代煤化工产业示范区。其中，黄河几字弯流域内的陕西榆林、内蒙古鄂尔多斯和宁夏宁东三地作为国家重点能源资源基地，集中了全国最具代表性的现代煤化工产业集群，是国家能源战略实施和产业技术示范的核心区；三地同处黄河几字弯区，是全国煤炭资源最富集、开发程度最高的地区之一，合计煤炭探明储量超过5×1011 t，现代煤化工产业总产能占全国的75%以上，已初步形成煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤基新材料等较为完整的产业链[9]。其中，榆林是全国现代煤化工产业先行区，在煤制烯烃、煤制芳烃等领域具有重要示范意义；鄂尔多斯是全国最大的煤炭生产市，其现代煤化工在资源开发与生态治理协同中起着关键作用；宁东基地被列为国家现代煤化工产业示范区和绿色园区，建成了全国领先的煤间接液化和高端新材料项目[10]。因此，本文以榆林、鄂尔多斯和宁东三个能源富集区为代表，对黄河几字弯区现代煤化工产业发展情况进行研究，三地现代煤化工产业链及主要产品情况见表1。

（一） 重点地区现状

1. 榆林

榆林作为国家重要的能源化工基地，其现代煤化工产业以规模化、集约化为显著特征。榆林的煤炭资源尤为突出，探明储量约为1.5×1011 t [11]。依托丰富的煤炭资源，榆林市已经建成了多条大型煤制甲醇、煤制烯烃、煤制油等生产线，形成了一套完整的产业链条。榆林的发展重点在于推动煤化工产业向高端化、精细化转型，致力于生产高附加值的新材料和专用化学品，其产业规模和技术水平在全国具有领先地位。目前，榆林拥有煤化工上下游企业130余家，煤焦油加氢、聚氯乙烯的年产能分别为3.97×106 t、1.66×106 t，占全国产能的50%、60%，产业规模和技术水平在全国处于领先地位。

2. 鄂尔多斯

鄂尔多斯的现代煤化工产业更注重循环经济和产业多元化发展，正积极探索现代煤化工与新能源耦合发展模式。作为全国最大的煤炭生产基地之一，鄂尔多斯探明煤炭储量超过2×1011 t，煤炭年产量占全国总产量的1/6以上，是现代煤化工产业发展的优质资源高地。同时，鄂尔多斯市风光资源丰富，可再生能源快速发展，依托煤炭与新能源的双重资源优势，已构建起以煤制油、煤制天然气、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤基高端化学品等产品为支撑的多元化、链条化产业体系。在多个细分领域，鄂尔多斯已居全国领先地位：煤制甲醇的年产能为7.26×106 t，煤制天然气的年产能为1.6×109 m3（1.05×106 t），均居全国第一位；煤制乙二醇的年产能为1.18×106 t，居全国第二位。

3. 宁东

宁东的现代煤化工产业以高水平的园区化、一体化建设为特色。宁东能源化工基地是国家级大型能源化工基地，位于宁夏回族自治区中部偏东，规划总面积为4450 km2，拥有丰富的煤炭资源，探明储量高达3.31×1010 t，超过宁夏全区总储量的80%，为发展现代煤化工产业提供了坚实的资源保障。宁东将众多煤化工企业集中于一个产业园区内，共享公用工程、物流运输和环保设施，显著提升了该地区产业的整体竞争力和可持续性。宁东地区在煤制烯烃、煤制油等领域拥有多项先进技术和重大项目，是西北地区现代煤化工产业的重要增长极和示范区。

（二） 重点产业现状

1. 煤制油

煤制合成油主要以煤为原料，通过一系列催化加氢反应生成液态油。目前黄河几字弯区煤制油产量约为7.4×106 t，宁东是煤制油的主要产地，产量约为4.05×106 t，占黄河几字弯区的55%左右。

按照生产工艺的不同，煤制油可以分为直接液化合成油工艺和间接液化合成油工艺，以及正在逐步推广的煤基甲醇合成油工艺。目前煤制油需进一步开发新一代直接液化集成技术、直接液化油品的高端应用、高低温费托联产高附加值产品、新型费托合成催化剂等方向（见表2）。

2. 煤制天然气

煤制天然气即以煤为原料，经过气化、净化等工艺制取以甲烷为主要成分的气体产品，副产物为石脑油、焦油、硫磺、粗酚和液氨等。目前黄河几字弯区煤制天然气产量为1.4×109 m3，鄂尔多斯是区域煤制气的最主要产地。

煤制天然气的主要工艺为煤气化生产合成气，通过将原料煤加压气化，随后通过气体转换单元提高H2/CO比再进行甲烷化反应生产天然气。整个工艺在技术上是成熟的，现阶段煤制气的研发重心为气化技术的革新和甲烷化。

煤的气化技术主要有蒸汽 ‒ 纯氧气化、加氢气化和催化蒸汽气化3种工艺，其中蒸汽 ‒ 纯氧气化为传统工艺，目前最为经济和成熟，后两者不需空分装置因此可以节省能耗费用，但技术尚不够成熟，无商业化装置运行。

煤的大型合成气甲烷化工艺我国尚未掌握，主要向国外购买，包括丹麦托普索公司（Haldor Topsoe）推出的甲烷化循环工艺技术、英国戴维公司（Davy）的甲烷化技术和德国鲁奇有限责任公司（Lurgi）的技术等。

3. 煤制烯烃

煤制烯烃即煤制甲醇制烯烃，制取过程包括煤气化、合成气净化、合成气制甲醇以及甲醇制烯烃（MTO）等环节。其中，煤制甲醇属于传统煤化工，工艺较为成熟，国内以煤气化制甲醇为主；但MTO属于现代煤化工，技术壁垒较高，目前主要的MTO技术包括UOP/HydroMTO、甲醇制取低碳烯烃（DMTO）、上海石化研究院的MTO技术（SMTO）以及流化床甲醇转化丙烯技术（FMTP）等。目前黄河几字弯区煤制烯烃的总产量约为8.1×106 t，其中，榆林产量为3.1×106 t，约占黄河几字弯区产量的40%；宁东产量为2.9×106 t，约占36%。

当前国内对MTO技术认可度最高的是DMTO技术，由大连化学物理研究所（大连化物所）自主研发。综合比较工艺特点与技术指标，DMTO工业装置稳定运行时可实现高甲醇转化率和双烯收率（见表3）。

4. 煤制乙二醇

煤制乙二醇即以煤为原料制取乙二醇。目前黄河几字弯区煤制乙二醇的总产量约为3.17×106 t，榆林作为区域煤制乙二醇的核心产地，产量超过2×106 t，约占区域总产量的64%。

现有的煤制乙二醇制备技术主要分为三条路径，分别为直接法、烯烃法和草酸酯法。其中，草酸酯法流程短、成本低，是目前国内受到关注度最高的煤制乙二醇技术（见表4）。

三、 黄河几字弯区现代煤化工产业规模与用水量测算

（一） 测算方法

能源产品用水需求受技术进步、产业政策、区域发展规划等多重因素影响，传统基于历史数据拟合或趋势外推的方法难以准确刻画其未来变化趋势。因此，为实现科学、合理且具有解释力的预测，有必要将宏观经济社会发展态势、国家与区域能源战略及规划、现代煤化工技术发展与市场趋势等因素系统融入预测框架中。

如图1所示，本研究采用“自下而上”的产品定额法对现代煤化工产业用水需求进行测算。该方法以主要现代煤化工产品为基本预测对象，首先对鄂尔多斯、榆林与宁东地区主要煤化工产品（煤制油、煤制气、煤制烯烃、煤制乙二醇）的未来产量变化趋势进行预测。产量预测综合考虑需求侧和供应侧因素：在需求侧，通过识别宏观政策引导以及主要能源产品的发展等关键变量，明确其影响路径，预测现代煤化工产品的市场需求；在供应侧，依据国家相关产业政策与区域发展规划，2030年前基于具体项目规划进行产能预测，2030年后，一直到2060年则结合“双碳”战略背景下的产业调控预期进行长期推演，确定现代煤化工产能的变化趋势。实际产量参考产能利用率水平，按80%~90%区间确定，从而获得产品产量的合理预测值。最终，结合需求量与产能的双重约束，确定各类产品的产量增长率，从而得出未来产量。

在用水强度方面，参考各省行业用水定额，确定各类煤化工产品的现行用水定额。考虑技术进步的影响，对用水定额进行动态调整，并依据下列公式测算：

化工用水量ij=化工产量ij×用水参数ij

式（1）中，i表示城市，j表示预测年份。

在获得各类煤化工产品的用水量后，对鄂尔多斯、榆林和宁东三地现代煤化工产业用水量的预测结果进行加总，估算黄河几字弯区现代煤化工产业的用水需求。

（二） 产量测算逻辑与影响机制分析

在产量预测中，现代煤化工产业整体发展与具体产品产量变化受到不同因素的影响。总体来看，现代煤化工的发展方向和产能上限主要受国家能源战略、安全保障需求及碳排放约束政策驱动，供给端为主导因素。截至“十四五”初期，能源安全需求推动产业扩张，受国际地缘政治风险及国内政策支持影响，现代煤化工作为替代石油、天然气进口的重要手段，产能保持较快扩张态势，目前仍存在一定的产能释放潜力（见表5）。但受“双碳”目标与市场环境影响，“十四五”中后期和“十五五”时期的政策重心预计会继续转向高质量与绿色低碳发展新阶段，产能规模受到严格管控。国家发展和改革委员会于2023年发布的《关于推动现代煤化工产业健康发展的通知》提出，从严从紧控制现代煤化工产能规模和新增煤炭消费量，并强调新建煤制烯烃等项目应优先布局于煤炭和水资源相对丰富、环境容量较大的地区，推动产业集聚化、园区化发展。未来产业发展将从单纯扩张转向控量提质，重点提升资源利用效率和环境绩效，预计现有项目落地后，未来整体产量将有所下降。

在具体产品的产量预测中，市场因素对煤制烯烃等市场化程度较高的产品影响显著。其中，国际油价作为决定石油化工产品成本与价格的重要变量，对现代煤化工的市场竞争力具有间接调节作用。现代煤化工作为石油化工的重要补充，其盈利能力与国际油价高度相关。当国际油价上升，油基产品成本提高，煤化工产品的相对成本优势相应提升，从而增强市场需求和产能利用率；反之，其盈利能力则被削弱，抑制新增产能投放。以布伦特原油价格为基准，煤制油项目的盈亏平衡价格大致在60~65美元/桶，煤制烯烃项目在原油价格为60美元/桶时具备竞争力[6]，整体而言，油价高于60美元/桶时，煤制油和煤制化学品的成本竞争力相对增强，有助于稳定或提升产量。

煤制烯烃作为市场化程度较高的煤化工产品，其产量对国际油价、原料煤价与产品价格波动尤为敏感。近年来，产能增长快于需求，行业供需错配显著，盈利能力持续承压，抑制了新产能的释放。短期内，在政策支持与重点项目集中投产的推动下，三地产量整体呈现增长趋势。然而从中长期看，在“双碳”背景下，煤制烯烃将面临更严格的碳排放和能效约束，新增项目将主要布局于煤炭和水资源条件较好、环境容量较大的区域，整体产量增速将逐步放缓。

煤制乙二醇产量主要受开工率与原料煤价、聚酯产业链需求等市场变量影响。近年来，产能过剩和开工率低迷（整体维持在50%~60%）导致产量增长乏力。短期内，榆林和鄂尔多斯作为核心产区，产能预计稳定，产量增长主要依靠开工率修复。2025—2040年，行业将通过优化工艺和绿色改造提升运行效率，产量缓慢增长或保持平稳，呈现低速演化趋势。

煤制油则表现出较强的战略属性，其发展初衷与国家能源自主化目标紧密相关。短期内，在国家战略储备和能源安全要求下，相关项目（如神华煤直接液化项目）获得政策倾斜，产量持续增长。但长期面临资源约束、清洁替代与碳排放压力，增长空间有限。

在煤制气方面，鄂尔多斯是黄河几字弯区的重要产地。短期来看，受华星新能源有限公司及国家能源集团示范项目等带动，产能迅速扩张，产量显著增长。中长期则需关注煤炭资源收缩、天然气需求下降及非常规天然气替代等因素，可能压缩煤制气发展空间。同时，环保政策与能耗强度控制也将制约项目投放节奏，结构调整成为主导方向。

基于以上研判，鄂尔多斯市煤制烯烃产量将由2023年的2.1×106 t增长至2035年的5.87×106 t，随后因产业转型和高端化发展逐步回落，至2060年将降至2.95×106 t；煤制油在能源自主化战略支撑下，产量由2023年的1.15×106 t增长至2035年的3.37×106 t，2060年回落至1.93×106 t；煤制气受示范项目带动，在2023年产量为1.4×109 m3的基础上，2040年增至9.9×109 m3，2060年下降至4.9×109 m3；煤制乙二醇则由2023年的8.9×105 t增至2040年的1.09×106 t，2060年回落至8.3×105 t。黄河几字弯区现代煤化工主要产品的产量趋势如图2所示。

榆林市煤制烯烃产量在2023年为3.1×106 t，受规划支撑与资源约束影响，2035年增至4.91×106 t后缓慢下降，2060年为3.45×106 t；煤制油则从2023年的2.18×106 t增至2040年的4.6×106 t，2060年下降至3.07×106 t；煤制乙二醇产量由2023年的2.04×106 t小幅增至2030年的2.13×106 t，2035年起逐步下滑，2060年下降为1.66×106 t。

宁东基地方面，煤制烯烃产量由2023年的2.91×106 t增长至2030年的4.05×106 t，随后因碳中和约束及转型升级降至2060年的3.22×106 t；煤制油产量由2023年的4.05×106 t上升至2030年的6.6×106 t，2060年下降至4.63×106 t；煤制乙二醇产量自2023年的2.4×105 t略增至2030年的2.6×105 t，至2060年降至1.7×105 t。综合测算，至2030年，榆林、鄂尔多斯与宁东基地的煤制油、煤制烯烃及煤制乙二醇等核心产品年总产量将达到约3×107 t。

（三） 用水测算

三地各类现代煤化工产品的现行用水定额参考了所属省份行业用水定额中的化工类标准[13~15]，如表6所示。在此基础上，结合对区域用水技术进步趋势的判断，预测未来黄河几字弯区化工产业的用水定额变动趋势。最终，将预测得到的产品产量与相应时期的用水定额相乘，测算出各主要现代煤化工产品未来的用水需求。

根据测算结果，2025—2060年，黄河几字弯区现代煤化工主要产品用水总量呈现先上升后下降的趋势，并在2035年前后达到峰值。2023年黄河几字弯区现代煤化工主要产品用水总量约为1.9×109 t，2030年预计达到3.2×109 t，2035年达到3.5×109 t（峰值）。此后，随着节水技术的进步以及化工产品产量的降低，用水总量开始减少，2040年达到3.4×109 t左右，2050年降至2.6×109 t左右，2060年降至2.0×109 t左右，但仍然高于2023年水平。黄河几字弯区现代煤化工主要产品用水量趋势如图3所示。

从产品来看，黄河几字弯区2030年煤制烯烃用水量达到约1.68×108 t，煤制油用水量约为7×107 t，煤制气用水量约为4.2×107 t，煤制乙二醇的用水量约为4.06×107 t；2040年，煤制烯烃用水量约为1.65×108 t，煤制油用水量约为7.9×107 t，煤制气用水量约为5.2×107 t，煤制乙二醇用水量约为3.9×107 t。

分城市看，到2030年，榆林现代煤化工用水量预计达到1×108 t，较2023年增加约2.5×107 t；鄂尔多斯现代煤化工用水量约为1.39×108 t，较2023年增加约9×107 t；银川现代煤化工用水量约为8×107 t，较2023年增加约2×107 t。产业扩张背景下，黄河几字弯区三大煤化工基地用水需求均显著增长，区域用水压力持续加剧；到2040年，三地现代煤化工产业用水量仍持续在高位，榆林预计为1.02×108 t，鄂尔多斯约为1.45×108 t，银川约为8.7×107 t。尽管增长幅度趋缓，但整体水资源需求总量依旧远高于当前水平。这一趋势说明，在水资源供需高度紧张的背景下，煤化工产业短期内仍将是区域用水的主要增长源，水资源约束将成为制约产业高质量发展的核心瓶颈之一。

四、 黄河几字弯区现代煤化工产业适水发展面临的核心挑战

在能源结构转型与“双碳”目标驱动下，现代煤化工作为保障国家能源安全和基础化工原料供应的重要产业，其发展路径正面临严峻的战略性考验。当前，我国现代煤化工产业虽然取得了显著成就，但其受水所限的发展问题也同样不容忽视。

（一） 水资源先天短缺构成产业发展的根本制约

黄河几字弯区水资源总体十分匮乏，数据显示，过去10年间，黄河几字弯区城市群水资源总量主要在1.5×1010~3×1010 m3之间波动，区域水文条件受降水波动影响显著，水资源年际稳定性较差。2021年因降水偏丰，区域水资源量短暂突破3×1010 m3，但2022年即回落至2.06×1010 m3，水资源供给脆弱性问题突出。

榆林、鄂尔多斯与宁东地区地处黄河几字弯干旱 ‒ 半干旱地带，水资源短缺问题尤为突出。2023年水资源总量分别为2.7×109 m3、2.9×109 m3和1×108 m3（银川市），远低于全国平均水平，自然水环境承载力有限。该区域同时也是我国人均水资源量最低的区域之一。其中，银川人均水资源量仅在800 m3左右，不足全国平均水平的1/2。榆林与鄂尔多斯也处于人均用水量远低于全国平均水平的行列，区域内水资源供需结构长期处于紧平衡状态。与此同时，三地的现代煤化工项目普遍布局在靠近煤炭资源区的干旱地带，缺乏稳定水源支撑，严重依赖黄河取水或深层地下水，进一步加剧了区域水环境的压力与生态脆弱性。

（二） 节水技术瓶颈与非常规水资源利用不足加剧水资源困境

黄河几字弯区煤化工产业在节水技术和水资源管理制度两方面存在明显短板，双重约束加剧区域水资源紧张局面。在技术层面，现代煤化工废水“近零排放”体系虽已初具雏形，形成“预处理 ‒ 生化处理 ‒ 深度处理 ‒ 膜浓缩 ‒ 蒸发结晶”工艺路径，但关键处理环节仍存在建设投资大、运行成本高、运行稳定性差等问题，制约了在大多数项目中的大规模应用[8]。具体而言，膜浓缩系统运行能耗高、易污堵、寿命短。高效膜浓缩（如高效反渗透）虽可提升水回用率，但对进水水质（化学需氧量、硬度、硅）极为敏感，膜污堵频发且运行维护成本高，系统稳定性难以保障。此外，终端蒸发结晶系统同样存在运行成本高、结垢严重的问题。高浓盐水经蒸发结晶，在处理过程中换热器结垢问题普遍存在，需要加药、投盐种等措施才能维持系统正常运行，导致系统能耗与运营成本显著上升[16]。据测算，煤化工企业实现“近零排放”系统的单位处理规模投资达2万元/m3，是一般污水处理项目的5倍以上，环保投资占总投资的比例高达约15%[6]，显著高于企业常规运营成本的承受能力。

在制度层面，水资源管理制度的缺位进一步放大了水资源约束，特别是矿井水等非常规水源的权属界定不清、水权交易机制缺失，导致其难以纳入用水总量控制体系，利用效率低下[17]。矿井水的法律属性和权属关系不明晰，使得煤矿企业虽持有取水许可证，却因不具备水资源特许经营权而无法将其处理后的水作为商品资源供给周边煤化工项目，只能自用或外排。即使相关法规允许节水量交易，矿井水也因权能体系不完整而被排除在水权交易体系之外，形成制度性障碍。另外，地方政府要求矿井水外排须达到严格的Ⅲ类地表水标准，迫使煤矿投入高昂成本进行深度处理（10~20元/m3），而下游煤化工企业取水虽仅需Ⅳ类标准，却因进水需稳定达标也须配套处理设施，造成“排水与取水两头收费”的局面，显著抬升企业用水成本，削弱了使用矿井水的积极性[18]。在黄河流域高耗水项目密集布局、区域性水资源紧张加剧的背景下，技术与制度的双重瓶颈，不仅放大了水资源约束的现实压力，也严重影响了煤化工产业向绿色、高效方向转型的步伐。

（三） 当前供水能力无法满足未来现代煤化工产业发展要求

现代煤化工属于典型的高耗水产业，根据上述预测结果，到2030年黄河几字弯三个重点地区的现代煤化工产业用水总量将达到3.2×108 t左右，较2023年显著增长约1.3×108 t，并且到2035年此增量会进一步扩大至1.6×108 t。这一趋势表明，在产业扩张态势下，未来煤化工用水需求将更加集中化、高强度，区域水资源紧张局势将进一步加剧，面临更为严峻的协调与保障压力。随着产业结构升级和外部环境变化，其未来发展面临着日益严峻的水资源约束。

一是在“能耗双控”和“碳排放双控”等严厉政策的约束下，未来大型现代煤化工项目的审批和新建将受到严格限制[19]，导致行业新增产能空间受限。为了满足国内日益增长的能源和化工产品需求，现有已投产的煤化工项目，特别是集中在黄河几字弯区等水资源禀赋欠佳但煤炭资源丰富的地区，其产能利用率将有望进一步提升。几字弯区当前水资源利用已趋于供需平衡状态，且农业用水和生态环境用水需求具有高度刚性。因此，在既定技术水平下，现有煤化工项目产量的短期提升，将直接增加对水资源的总需求量，在保障农业和生态用水的前提下，极易导致煤化工产业用水面临短缺困境，加剧区域内水资源的竞争与分配矛盾。

二是新兴产业的崛起将直接挤占现代煤化工的水资源供给。特别是以电解水制氢为代表的氢能产业，其规模化发展对水资源的需求量巨大且刚性。风电制氢的用水量为36.40 L/kg，光伏制氢的用水量为66.65 L/kg[20]。以鄂尔多斯市为例，规划至2025年年底形成4×105 t/a、2030年年底达到1×106 t/a的绿氢制造规模，氢能产业具有极强的规模化发展势头。以2030年鄂尔多斯制造1×106 t绿氢为目标计算，若主要采用风电制氢，将新增用水量约3.6×106 t；若主要采用光伏制氢，将新增用水量约6.67×106 t，在水资源紧缺的刚性约束下，将与现代煤化工用水增量形成强力竞争。此外，新能源发电行业光伏板清洗、风力发电冷却等虽然单体水耗不高，但随着新能源装机容量的几何级增长，其累积的水需求不容忽视。在水资源总量有限且分布不均的国情下，这些战略性新兴产业的快速扩张，势必会在区域层面与传统工业，特别是高耗水的现代煤化工产业形成激烈的水资源竞争，导致后者可获取的水资源配额相对缩减。

三是现代煤化工自身的高端化与绿色化转型，将带来新的水资源挑战。为提升产品附加值和符合环保要求，现代煤化工正向生产高纯度、高附加值的精细化学品和特种材料迈进。这类高端产品的生产工艺往往更加复杂，对进料水质要求严苛，同时在提纯、分离、洗涤等环节或许需要更多的工艺用水。因此，高端化与绿色化在提高水资源利用效率的同时，也可能在特定环节或总体水处理链条上增加水资源投入。

五、 黄河几字弯区现代煤化工产业适水发展战略路径

面对水资源总量短缺、利用效率低下的约束，黄河几字弯区煤化工发展已对区域资源环境承载造成较大压力。在“以水定产、量水而行”的总原则下，将水资源承载力作为产业规模与技术路线的前置决策变量，通过制度创新倒逼效率革命、技术迭代激活节水潜能、系统协同拓展生态容量，构建与区域水 ‒ 能源禀赋深度适配的现代煤化工新范式。

（一） 拓宽水资源供给空间

我国属于缺水国家，人均水资源量在世界各国中排名100位之后，水资源并不丰富，大部分区域需要采用传统的“以水定产”模式，即依托当地现有的水资源承载量，在不考虑外部水资源调配的情况下决定产业发展的方向和规模。黄河几字弯区更是严重缺水，一方面黄河流域降水少，水资源匮乏，且水质与长江不同，含泥沙量较大，处理难度更高；另一方面由于黄河流域生态环境脆弱，无法对水资源进行过度开采，目前已经接近水资源开发极限，现有水资源无法满足更大的需求，进而抑制了该区域产业的进一步发展，对经济社会发展也造成较大影响。而我国东南部地区降水较北方丰沛，产业以制造业和高新技术产业为主，受水资源约束较小，而西北地区背靠丰富的能源及矿产资源，产业以高耗水的能源、化工产业为主，因此水资源不足对西北地区发展的制约比东南地区更加严峻。

水资源限制很可能影响黄河几字弯区未来发挥其对于国家的重要战略作用。黄河几字弯区水资源的利用模式需要从以需求端节水为主要抓手的模式转变为从需求端节水和供给端开源两端共同发力，并以供给端开源为重点方向的新的“以水定产”模式，在南水北调西线调水工程实施以及进一步规划的推进下，通过增加水资源供给来支持黄河几字弯区的发展，为国家日后的战略布局、经济发展、能源安全发挥更重要的作用，产生更多效益。

进一步优化水资源空间配置。水利部应牵头制定水资源高效利用与区域协调调配的指导政策，适时调整“八七分水”方案，更好地适应黄河流域当前资源分布变化及能源产业发展的新需求。建议在南水北调西线一期等重大调水工程的支持下，充分利用洮河与黄河几字弯区的高程差，以隧洞形式穿越洮河与渭河分水岭，向陇东黄土高原等地引水到几字弯中部的白于山高地，并以此为轴线自流辐射沿黄能源经济带，加大对鄂尔多斯、榆林等重点能源化工基地的水资源保障力度，推动能源产业向资源承载能力更强、生态风险更低的区域集聚，形成水 ‒ 能 ‒ 产高度匹配的新发展格局，全面释放沿黄地区经济发展潜力[21]。

（二） 增强水资源管理与利用效率

要更好推动现代煤化工适水发展，解决现代煤化工的水资源制约问题，依然要持续推进需求端节水，应将提高疏干水利用率、加大高盐水污染治理与利用力度作为现代煤化工适水发展战略的双支柱。一方面要从前端“少取水”，以增加疏干水等非常规水资源的利用来压减新鲜水资源需求；另一方面要在末端“零排放，变资源”，以资源化技术消除污染并创造更多价值。

1. 提高矿井疏干水利用率

疏干水是煤炭开采过程中含水层屏障被打破，汇入采掘面所产生的涌水，是黄河几字弯区的重要非常规水源。但疏干水流经采煤工作面和巷道时易遭受污染，导致水中含有较多的煤岩粉末和少量有机物，悬浮物、化学需氧量等物质超标，矿化度一般也较高，直接排放会对生态环境造成负面影响，形成水污染[22,23]。

按照单吨煤涌水量1.29 m3/t的水平粗略计算，黄河几字弯区煤矿每年产生的疏干水量约有2.3×109 t，然而疏干水的平均利用水平仍然较低，全国煤矿开采总涌水量的利用率仅为43.8%[24]，造成了大量水资源的浪费和环境隐患。近年来，伴随着能源需求的增长，采煤量逐渐增加，随之产生的疏干水量也不断增加，疏干水的浪费与用水短缺形成了明显矛盾。

疏干水利用能够带来显著的经济、社会和生态效益。以中天合创能源有限责任公司疏干水资源化利用项目数据为例，在实施项目前，该公司原本供水工程年费用为2.7亿元，项目实施后总费用为1亿元，年经济效益可达1.7亿元左右[25]。若能够对疏干水加以有效利用，不仅能够缓解与其他产业之间的用水竞争，增加现代煤化工的水资源供给，也能够避免地下水超采及对地表水体的污染，既高效利用了水资源，又能够产生更大的社会和环境效益。

疏干水可以经过一系列物理、化学、生物处理，将水中的悬浮物、沉淀物、有机物等净化至无害的程度，进而能够用于生产、生活。针对黄河几字弯区疏干水量大且水资源紧缺的情况，可考虑以鄂尔多斯、榆林等煤炭开采量大、会产生较多疏干水的城市为先行试点，优先布局现代煤化工企业周边的矿井水管网，再逐步纳入区域大水网建设规划，研发高效矿井疏干水处理技术及工艺，从煤矿处理、中间收集、下游企业利用三端发力，降低对环境的不良影响，扎实做好矿井疏干水综合利用。

2. 加大高盐水污染治理与利用力度

高盐废水主要来源于煤化工企业的生产过程，具有组分复杂、含盐和重金属量高、毒性大、硬度高等特点，处理难度较大，若直接排放，将会对生态环境和人类健康造成不可逆的危害。

目前，主要的高盐水处理工艺有蒸发塘处理工艺、生物处理、膜处理、蒸发结晶工艺，以及将结晶盐资源利用的分盐结晶工艺[26]。大多数企业仍然采用蒸发塘（晾晒池）处理高盐水，晾晒池占地面积大，并且长期运行具有溃坝、溢流等隐患，容易对环境造成二次污染[27]。

进一步加强技术攻关，降低投资和运行成本，提高处理工艺稳定性，充分回用水资源，能够使得化工生产中所伴生的高盐水问题转化为一种资源再利用的新途径。这样不仅能够减少对环境的危害，还能够变废为宝，产生新的经济效益，并更好地与区域水资源的开源节流相互配合，解决黄河几字弯地区现代煤化工产业发展所带来的后顾之忧。

（三） 推动现代煤化工技术创新

推动现代煤化工技术的创新与升级具有重要的现实意义，既是实现资源高效利用和可持续发展的必由之路，也是应对日益严峻的水资源形势的有效策略。一方面，通过技术深度革新与现有装置的迭代改造，不断提升煤化工全产业链的用水效率；另一方面，通过耦合先进工艺，开发高技术含量、高附加值的新材料与特种化学品，在不增加水资源消耗的前提下，有效提升产业链整体的经济效益与市场竞争力，突破同质化竞争瓶颈，以单位水资源创造更高的经济价值。

1. 促进技术升级，拓宽水资源节约空间

现代煤化工耗水量大主要存在两个原因：一是由于煤炭本身碳多氢少的原料特性使得现代煤化工在转化反应中需要大量的氢，因此在反应中需要水来作为补足氢的原料；二是因为现有的现代煤化工工艺流程较长，反应步骤多，并且系统集成度较差，使得循环用水大大增加。因此，促进现代煤化工产业的工艺和技术创新，鼓励旧有项目升级改造，能够拓展更大的水资源节约空间，以缓解现代煤化工高耗水所带来的矛盾。

推广耗水更低的工艺路线以节约变换反应用水。不同技术路线会使相同产品的耗水量存在较大差距。对于煤气化路线，干粉煤气化使用煤粉反应，用水环节主要在于冷却，相比于需要加入30%~40%（质量比）的水煤浆气化法更加节水，水煤浆工艺的新鲜水消耗量为0.33 t/1000 Nm3，循环冷却水消耗量为13.33 t/1000 Nm3，而干粉煤工艺则为0.2 t/1000 Nm3和9.5 t/1000 Nm3 [28]；在装置方面，固定床、流化床、气流床等不同的气化工艺路线所消耗的蒸汽量也有所不同，在使用相同煤种的情况下，固定床耗水最多，流化床和气流床相对较少[8]。

对于液化路线，由于直接液化是煤炭与溶剂和氢气直接反应，而间接液化比直接液化增加了煤气化制合成气的环节，典型项目的间接液化单位产品水耗为7.99 t/t，而直接液化为6.05 t/t [18]，因此直接液化工艺相较于间接液化工艺更加节水。

使用空冷系统代替传统的水冷系统以节约冷却过程的循环水消耗。在冷却高温合成气时也需要大量用水，传统的湿冷法比空冷法更加耗水，并且可能带来循环水污染问题[29]。经过对比，闭式空冷器比传统的机械通风逆流式冷却塔能够节约80%的循环水，节水效果明显。

2. 增加现代煤化工单位耗水产值

延长现代煤化工的产业链，能够为产品带来更多附加价值，从而提高单位耗水产值。以煤制甲醇为例，根据内蒙古自治区用水定额，其单位产品水耗约为8.5 m3/t，市场价格约为5300元/t，即单位水耗产值约为624元/t。若继续向下游延伸，将其转化为聚乙烯醇等高附加值产品，尽管单位产品水耗会提升至约21 m3/t，但产品价格却可高达21 450元/t，即单位水耗产值为1021元/t，相较于煤制甲醇提升了约64%。而同样是生产“聚合物”，生产通用聚乙烯和生产高性能医用级聚醚醚酮，产品价值相差百倍以上。这意味着，通过产业升级和技术路线优化，可以大幅提升每吨水所创造的经济价值，进而提升现代煤化工行业的适水性。

六、 结语

水资源始终是制约黄河几字弯区现代煤化工产业可持续发展的关键瓶颈。本研究通过对黄河几字弯核心区（榆林、鄂尔多斯和宁东）现代煤化工产业的现状、发展趋势及未来需水量的深入分析与预测，系统性地揭示了该地区面临的严峻挑战：水资源禀赋先天不足、用水管理粗放以及未来产业用水需求持续攀升。研究结果表明，若延续传统粗放的发展模式，水资源短缺问题将更加突出。

为有效破解这一困境，本研究认为，黄河几字弯区现代煤化工产业亟需以制度创新为抓手，紧扣区域水资源禀赋特征，依托现有及可争取的水资源调配方案，强化“以水定产、量水而行”的发展逻辑，系统优化水资源配置与流转机制，切实提升水资源利用效率。同时，应大力推动现代煤化工产业向降低水耗、提升产值的方向转型升级，从而实现产业发展与水资源承载力的动态平衡和协同共进。

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基金资助

中国工程院咨询项目“黄河几字弯区水 ‒ 土 ‒ 经济高质量协同发展战略研究”(2024-XBZD-11)

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