世界煤炭可供人类用多久？
2013-8-29 23:34|
发布者: 龙翔五洲|
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评论: 1|原作者: 望远镜 |来自: 东方红网
摘要: 世界煤炭可供人类用多久？时间:2013-08-29 19:45来源:来稿选登作者:望远镜点击:56 次本文在讨论煤炭 “储量”与“资源量”的差异、煤炭的开采条件、煤类及煤质构成与用途关系的基础上，根据资源量、储量和消费量的现有资料，结合开采条件、采收率等因素，对全球煤炭资 摘要：本文在讨论煤炭 “储量”与“资源量”的差异、煤炭的开采条件、煤类及煤质构成与用途关系的基础上，根据资源量、储量和消费量的现有资料，结合开采条件、 ...
世界煤炭可供人类用多久？时间:2013-08-29 19:45来源:来稿选登 作者:望远镜 点击: 56 次本文在讨论煤炭 “储量”与“资源量”的差异、煤炭的开采条件、煤类及煤质构成与用途关系的基础上，根据资源量、储量和消费量的现有资料，结合开采条件、采收率等因素，对全球煤炭资 摘要：本文在讨论煤炭 “储量”与“资源量”的差异、煤炭的开采条件、煤类及煤质构成与用途关系的基础上，根据资源量、储量和消费量的现有资料，结合开采条件、采收率等因素，对全球煤炭资源的可采年限作了粗略估计：若全球煤炭产量在2020年达到峰值，此后每年按0.5％递减，则2175年用完。在全球煤炭减产过程中，将对中国的电力、粮食、钢铁等生产和人民生活带来巨大的冲击。并指出:煤炭可采年数还要受淡水、耕地等资源的限制,并受环境承载能力和矿工生命安全的制约。煤炭资源的有限性、集中性、难采性及开采和消费对环境的破坏等特征都是自然规律,而不是人的意志决定的，所以人类只有改变现代的生产生活模式，才能闯过难关。目录一、煤炭“储量”与“资源量”的巨大差距#一1、新口径“储量”、“基础储量”和“资源量”的关系；2、旧口径“资源量”、“储量”、“累计探明储量”、“保有储量”的关系；3、新旧口径“储量”“资源量”折算实例。二、大部分煤资源不能开采到地面上的原因#二:1、预测资源比重大，可靠性差；2、精查的资源也有开采损失；3、深部资源存量大,开采难；4、开采过薄的煤层不合算；5、地表环境制约煤田开发；6、地质构造影响采收率。三、实存的煤类、煤质结构不能满足用途的需求#三:1、优质无烟煤显著偏少；2、炼焦用煤短缺；3、质量太差的煤缺乏能源价值。四、地壳存煤能支撑多久？#四:1、对全球最终可采储量的估计；2、对全球煤炭可用期的估计五、全球煤炭减产过程中的负面影响#五:1、全球煤炭减产过程中对中国的冲击；2、对其它缺煤国的负面影响。六、开采和消费煤炭要付出的资源、环境和安全代价#六:1、与人畜生存争夺水资源；2、排放污水影响更多人的健康；3、占用并坍陷土地；4、污染空气；5、排放温室气体；6、危及矿工生命安全与健康。小结—煤炭资源的特征及其客观必然性 工业革命(1750)以来的200年,煤炭居全球能耗首位,1950年仍占世界能耗61.5％。1965年才降为38.7％，比石油少0.7个百分点,成为第二位的能源。[i] 中国2012年煤炭消费仍占总量的67.1％，石油居第二位为18.4％。[ii] 因为煤可变油，有望成为油气枯竭后的替代品。所以研究世界能源,就有必要研究“世界煤炭可供人类用多久”的问题。1984年第27届国际地质大会发表的“世界煤炭资源报告”称：世界煤炭资源量为14.81万亿吨，加上中国等国增加的3.88万亿吨，世界资源总量达18.69万亿吨。[iii] 2009年世界煤炭产量69.4亿吨，简单计算可供人类使用2693多年。而2009年公布的世界煤炭储量只有8260亿吨,[iv] 照此计算只可供119年。两种口径相差2500多年,原因何在？一、煤炭“储量”与“资源量”的巨大差距1、新口径“储量”、“基础储量”和“资源量”的关系。 按国际标准,从对“矿区地质查勘程度”、对拟建“可行性研究程度”和投产后“经济效益”三方面,把地下煤炭资源分为“储量”、“基础储量”和“资源量”三个级别。其中: “地质查勘程度”分:探明的、控制的、推断的和预测的四个等级。“探明的”或“控制的”指对矿区的煤层、煤质、煤类、构造及岩浆岩等地质条件“查明”或“基本查明”；“推断的”大致查明其地质特征；“预测的”用“地质特征相似的已知矿床”类比,估算的资源量。 “可行性研究程度”包括可行性研究、预可行性研究和概略研究三等级。“可行性研究”是指矿山项目立项后，对所在地气象、水文、地质、地形及交通，建矿资金筹措、生产、销售、价格、环境等进行的研究；“预可行性研究”内容同上，只是粗略些；“概略研究”仅对项目经济意义作概略评价。 开采后“经济效益”分为经济的、边界经济的、次边界经济的、内蕴经济的四个等级。“经济的”指从建矿到报废全过程中，扣除投资和生产成本后净收益率(净收益与总收入之比)≥行业基准水平；“边界经济的” 指净收益率在行业基准水平与0之间，即投产后各年总和不亏本；“次边界经济的”(不经济)净收益为负数；“内蕴经济的”指无法确定未来的净收益状况。 新口径储量、基础储量、资源量的划分标准及之间关系是： 储量=查勘达到“探明的”和“控制的”程度,确认为“经济的”全部地下资源-设计与开采损失（1式） 基础储量=储量+计算“储量”时扣除的损失+经查勘达探明和控制程度的“边界经济的”资源量（2式） 资源量=基础储量+经查勘达探明和控制程度的“不经济”地下资源+经概略研究的“内蕴经济资源”+未经推断和研究仅凭预测估计的资源（3式） 将（1式）、（2式）代入（3式）后： 资源量=①储量+②储量计算时扣除的损失+③确认的“边界经济资源”+④确认的“不经济资源”+⑤推断的内蕴经济资源+⑥预测的资源（4式） 由（4式）可见,从地下采上来的煤炭①，只占资源总量6个部分之一。 2、旧口径“资源量”、“储量”、“累计探明储量”、“保有储量”的关系。 旧口径“储量”是已发现的煤炭资源量。它不论勘查程度和经济价值大小，只要提交勘查报告都算在内。从对“煤层、煤质、煤类、构造及岩浆岩等地质条件”作了“详细研究”的A级储量，到只作了“初步了解”的D级储量,均算在“储量”之内。[v] “累计探明储量”指历次探明储量之和。“保有储量”指乞止某时点剩余的累计探明储量。 “保有储量”=累计探明储量-已采出产量-开采损失 “资源量”=累计探明储量+预测资源量; 预测资源量=预测可靠+预测可能+预测推断 3、新旧口径“储量”“资源量”折算实例。 以中国为例，第二次全国煤田预测，至1981年底资源总量50592亿吨。当时的构成： 储量5665亿吨(1975年底)+预测资源量44927亿吨=资源总量50592亿吨; 1996年底，“累计探明储量”增至10273亿吨。其中，精查储量2510亿吨,详查储量1815亿吨,普查与找煤储量5948亿吨。表明1976~1996年的20年中经不同程度的查勘，将4927亿吨资源量转化为储量。至此,旧口径“累计探明储量”占资源量的20.3%(=10273/50592)。 1996年末的“保有储量”为10025亿吨。此后，中国统计年鉴每年公布煤炭的保有储量，2001年为10033亿吨。按2002年产量15.5亿吨和30％采收率(按省矿水平)推算,2002年保有储量应为9981亿吨(10033-15.5/30%)。同年公布了新口径基础储量3318亿吨。这样，新口径“基础储量”相当于旧口径“保有储量”的33.2%(=3318/9981=33.2%)。 中国统计年鉴公布2004年基础储量3373亿吨，《世界矿产年评》公布中国同年新口径“储量”1145亿吨。由此,新口径“储量”相当于新口径“基础储量”的33.9％(=1145/3373)。 按此例，新口径“储量”相当于旧口径“储量”的11.3%(=33.2%*33.9%)。“储量”只占“资源量”的2.3%(11.3%*20.3%) 资源量最多的原苏联(含俄罗斯、乌克兰和哈萨克斯坦)2004年储量2224.4亿吨，占资源量68000亿吨的3.27％。资源量第三位的美国,同年储量2466.4亿吨，占资源量36000亿吨的6.85％。可见实际可采的煤,比资源总量要少得多。其原因如下: 二、大部分煤资源不能开采到地面上的原因 大部分煤资源不能转化为可采“储量”的原因主要是： 1、预测资源比重大，可靠性差。 资源量的构成中,绝大部分是未经查勘或很少查勘的“预测资源”。如中国1981年预测的资源总量中,预测资源量达44927亿吨,占总量88.8％。其中预测可靠级、预测可能级和预测推断级又分别占预测资源量的31.45％、44.19％和24.36％。当时的旧“储量”只占资源总量的11.2%,15年后的1996年才增至20.3%,可靠性差的预测资源量仍占总量的79.7%。 如最大的鄂尔多斯煤田，其资源总量虽占全国的31.6%,达16000亿吨。但当时的“精查储量”(比新口径“储量”大,未扣除损失)只有600亿吨，只占资源总量的3.75％。其余96.25%的资源数大部分由预测得来。[vi] 2、精查的资源也有开采损失。 实际开采过程中总会发生各种储量损失，包括：由安全需要及水文地质环境的限制必须预留各种煤柱；因支护、分层等限制损失的頂底煤；实际开采过程中发现新情况必须丢失的煤炭；以及违背设计乱采乱挖的损失。实际采收的煤炭与减少的确认资源之比为“采收率”。中国实际平均采收率约为30％：小矿10~15%，省矿30%，国矿50%，最先进80%。[vii] 3、深部资源存量大,开采难。 一般认为，矿山开采深度超过600m即为深井开采(或为600~800m)。过此深度的岩石力学性质已超越线性规律。易发生岩爆、瓦斯、流变、底板突水等地质灾害。[viii] 发生矿难后极难避險，清理事故的投入和损失的资源都很大。虽可通过加固巷道、工作面的支护，增加避險设施，但若增加的投入小于产出就将失去意义。 煤炭资源最多的苏(含俄罗斯、乌克兰、哈萨克斯坦)、中、美三国资源总量15.46万亿吨，占全球的82.7％。而界定的埋深：原苏联1800m，中国北方2000m,南方1500m，美国1822m。[ix] 多数资源在600m以深。如中国的50592亿吨煤资源中，600m以浅为17709亿吨，只占35％。而>600m占65％。其中601~1000m占17.8％，1001~1500m占22.3％，1501~2000m占24.9％。又如，俄罗斯的勒拿煤田资源量达15390亿吨，煤层总厚度4000~7000m，共有煤层150层，仅可采50层；库兹涅茨克煤田资源量6430亿吨，煤层总厚度5000~8000m，共300层，仅可采130层；通古斯煤田资源量20890亿吨，煤层总厚300~1800m，百余层中仅可采20余层。[x] 可见,从深度上看，世界煤炭大国及一些特大煤田的资源大部分难以开采。一般情况，地下每向下100m，地温增加30C。[xi] 如果地面200C，则600m深就达380C，已超过人的体温,必须降温。但若达800m，不加空调将达480C，人将无法生存。这也是深度限制的一个因素。 4、开采薄煤层不合算。 地下的煤炭呈层状分布，煤层之间夹着煤矸石。煤层厚薄不一。世界上前10位的煤资源国规定,划入“资源量” 最小厚度0.3~0.7m，[xii]更薄煤层的存煤不计入资源量或储量之内。中国规定最小煤厚度为0.3~1米。[xiii] 以0.5m厚的煤层为例，若该煤矿的工作面3m高，则需开采6吨物质才能剝离1吨煤炭，其中5吨是煤矸石。还要将其输送到相应位置。与开采3m厚的煤层相比，显然多耗5倍的人力、物力和能源。只要每吨煤炭投入的成本和能耗大于产出，就没有开采价值了。所以划入资源量的小于1m厚的煤层,必有一部分缺少开采价值。 5、地表环境制约煤田开发。 若煤田处于气候恶劣、沙漠、地表崎岖不平或严重缺水的地域,虽有丰富的地下资源，但要开采出来并运至需要的地方，有可能得不偿失。如世界最大的通古斯煤田，地处严寒的西西伯利亚，“自然条件恶劣，许多地区人类难以到达”。确认和推测的储量只占预测资源量的千分之几。生产的煤只能供当地人使用。所估资源量将有大部分永远留在地下。中国最大的鄂尔多斯煤田，煤质较好的中部为“黄土高原梁峁地形，沟谷陡峻或被沙漠覆盖，只有小规模开采”。第二大的准噶尔煤田，大部分布于戈壁之中。[xiv] 煤炭开采、洗选、发电都需大量的水资源，而人民生活、农业生产更需要水。二者矛盾也迫使部分煤资源不能开采。 6、地质构造影响采收率。 地下的煤层很少呈水平展布。有的是单向倾斜，倾斜角可达45度以上；有的有寬缓或紧密的褶皱；有的有一组或多组断层；有的煤层厚度无规律变化，甚至呈透镜状、鸡窝状不连续的分布。在复杂构造的区域采煤有可能事倍功半，得不偿失。还有的煤田局部有岩浆活动，地温梯度可达9.3-9.80C/100m。[xv] 300m深就>400C。没有强大的空调设备无法开采。 三、实存的煤类、煤质结构不能满足用途的需求 煤炭的按变质程度依次分为：a褐煤：未变质；b、低变质烟煤：包括长焰煤、不粘煤和弱粘煤(按变质程度由低到高列出，下同)；c、中变质烟煤：包括气煤、肥煤、焦煤和瘦煤；d高变质烟煤：指贫煤;e无烟煤，是变质程度最高的煤炭。 使用煤炭时,主要看所含的硫分、灰分、水分、挥发分、发热量等指标。硫分是煤炭中含硫百分比。硫在燃煤时排放S02污染空气，进而形成酸雨，影响农业和人体健康。还会腐蚀设备；灰分是煤炭中不能燃烧物质的百分比。燃煤烧尽变成炉渣或煤灰。灰分增多热值下降，还会在炉内结渣影响燃烧;挥发分是煤炭中所含可燃性气体的百分比。挥发分高了虽可降低着火点，但易使煤粒坍缩，不耐烧；水分是煤炭中含水百分比。水分高了不仅影响热值，还增加了运输能耗；发热量是每公斤煤燃烧产生的热量,7000大卡/公斤称为“标准煤”。保持原有水分测定的发热量称“湿基发热量”，蒸干水分测定的发热量称“干基发热量”。 发热量主要取决于煤的含碳量。变质程度越高，挥发分和水分越低，发热量越高。 煤炭的用途按需求量分依次为：燃料、炼焦、作为合成氨的原料、其它用途。地下资源的实际比例不能满足用途结构的需求。 1、优质无烟煤显著偏少。 合成氨主要用于生产氮肥，如尿素等。世界多数国家虽用天然气作合成氨的原料，但化肥产量最高的中国却用块状的优质无烟煤作原料。要求此类无烟煤的固定碳＞80%，灰分＜25%，硫分≤2%，粒度均匀:25～75mm,或19～50mm,或13～25mm，机械强度＞65%，热稳定性＞60%(指煤在高温作用下保持原来粒度的性能，即耐热性)，灰熔点＞1250℃，挥发分不高于9%，化学反应性愈强愈好。[i] 世界煤资源最多的苏中美三国特大型煤田中，含有无烟煤的只有中苏(含俄罗斯和乌克兰)两国，其中俄罗斯含无烟煤的煤田主要分布在气候恶劣的西伯利亚，包括北极圈内的伯朝拉煤田和“许多地区人类难以到达”的通古斯煤田。乌克兰分布在开采条件复杂的顿涅茨煤田。只有中西伯利亚的库兹涅茨克煤田属中等开采条件，其确认储量不超过300亿吨。 [ii]中国无烟煤1996年保有煤量1156亿吨，主要集中在山西、贵州两省。只有晋东南的沁水煤田上部山西组,产低灰低硫优质无烟煤(晋城的兰花炭),估计保有储量不超过300亿吨。沁水煤田下部太原组及贵州、四川的无烟煤为中高硫至特高硫煤，不适于合成氨生产。[iii]即使把俄罗斯的无烟煤估计在内,[iv] 世界可作合成氨原料的无烟煤保有储量不超过600亿吨。从旧口径“保有储量”到新口径的“储量”约11.3%,至1996年末全球优质无烟煤最终可采67.8亿吨(600*11.3%)。假如该类煤只给中国生产合成氨使用，则至2009年末最终可采量减至57亿吨 [v] 只占2009年全球煤炭储量的0.69％。可见全球优质无烟煤远远不能满足需要。 2、炼焦用煤短缺 焦炭在炼铁炉中起着还原、熔化矿石，提供热能和支撑炉料，保持炉料透气性能良好的作用。炼焦用煤要求灰分<11.5％，硫分<1.5％，水分<12％。世界炼焦用煤的资源量1.14万亿吨，只占资源总量18.69万亿吨的6％。其中作为炼焦基础煤的肥煤、焦煤和瘦煤,1984年的经济可采储量约3500~4000亿吨，而优质炼焦煤仅600亿吨。[vi]至2009年，如果新发现优质炼焦煤储量，小于25年开采耗用的储量，则此类煤剩余储量应小于600亿吨。况且旧口径的储量到新口径储量还要大打折扣，故全球炼焦煤远远不能满足2009年世界铁矿石含铁储量770亿吨的需求。[vii] 3、质量太差的煤缺乏能源价值。 燃料用煤主要是火电厂发电之用，其次为其它工业用煤。中国2009年这两类煤分别占当年消费总量的48.7％和17.8％,共66.5％。都是在锅炉中燃烧，产生蒸汽推动汽轮机发电或直接使用蒸汽。虽然可以使用高灰分和高水分、低发热量的劣质煤。但因水分和灰分不能转化成热能，而且在开采、洗选和清理煤渣时都要耗能，在炉膛中蒸发水分和加热灰分也要耗热，所以灰分水分越高，生产1吨相同压力的蒸汽所需原煤越多。如用“能量净收得率” 考核，可判断其开采及利用价值。 能量净收得率N0=(用于生产蒸汽的热能-从开采到清理炉渣的能耗)/用于生产蒸汽的热能。(5式) (5式)的“从开采到清理炉渣的能耗”未含运输能耗。N0表示的“能量净收得率”,适用于对坑口电厂用煤的判断。若N0≤0则此种煤资源没有开采价值。如澳大利亚的吉普斯兰褐煤田，水分高达50~60％，湿基发热量只有600~900大卡，虽有1080亿吨资源量，419亿吨可采储量，是否有开采价值就需要试验研究。[viii] 远离矿区锅炉所耗煤炭都要消耗运输能，其“能量净收得率”可用“NL”表示,下标L为燃煤锅炉到产煤坑口的距离。 NL=[用于生产蒸汽的热能-(从开采到清理炉渣能耗+运输能耗)]/用于生产蒸汽的热能(6式) 使用同种运输工具时，运输能耗必隨L增加, NL随之减少。当NL≤0则不宜用此种煤。 褐煤的发热量一般只有标准煤的一半左右。2009年世界煤炭储量中“烟煤和无烟煤”与“次烟煤和褐煤”约各占一半。美国的3.6万亿吨煤炭资源量中，褐煤占64％。在能源统计上，原煤的发热量按5000大卡/公斤折算。对于能源使用价值来说，褐煤与硬煤(烟煤和无烟煤的总称)的储量，就不能简单相加了。 四、地壳存煤能支撑多久？ 1、对全球最终可采储量的估计。 1984年预测的全球煤炭资源量18.69万亿吨，估计2010年的可采储量，需作以下扣除: 一是地理环境恶劣的煤资源。如上文列举的俄罗斯通古斯煤田，“许多地区人类难以到达”；部分在北数圈内的伯朝拉煤田和美国的科尔维尔煤田；自然环境严酷的勒拿煤田；大部分在戈壁滩内的准噶尔煤田和大部分沟谷陡峻或被沙漠覆盖的鄂尔多斯煤田等。这些煤田的预测资源量共6万亿吨。[ix] 若2/3不可采，则扣除4万亿吨,下剩14.69万亿吨。 二是垂深大于600米的资源。要采取特殊的支护设备及安全措施才能开采，由经济成本、能耗和人身安全，决定了这部分资源很少可开采。中国1981年预测600m以浅为15288亿吨，约占预测资源总量50592亿吨的30％，601米以深的资源占70%。[x]全球煤炭资源主要以1800~2000m以浅的范围界定的，全球平均>600m资源若占总量的50%,其中的10％即总量的5％可采，则应扣除45％不可采部分6.61万亿吨(14.69*45%)，下剩8.08万亿吨。 三是1985~2009的25年煤炭生产消耗的600m以浅资源量。中国1997进行了第三次煤炭资源预测，表明至1992年末全国<1000m的资源18440亿吨，比1981年预测的26705亿吨少8265亿吨,1982~92产量共101.8亿吨，开采量仅为资源减少量的1.23％(101.8/8265)。由开采损失等多种因素，中国此间每产1.23亿吨煤炭，要减少100亿吨600m以浅的资源。全球平均这一比例若放大1倍，为2.5％。估计1985~2009年全球累计产煤1376亿吨。[xi] 至2009年末的600m 以浅的资源总量相应减少5.5万亿吨。(1376/2.5%)下剩2.58万亿吨。 四是地质结构极复杂、严重缺水及不经济资源。按20％估计,应扣除0.52万亿吨。下剩2.06万亿吨。 五是设计与开采损失。中国煤炭平均采收率30%,全球平均若为50％，则最终可采10300亿吨。比2009年的新口径儲量8260亿吨多2040亿吨。[xii] 2、对全球煤炭可用期的估计。 2008~2012年世界煤炭消费年均增速虽然达3.2％,但除中国外的世界其它国家的年均增速却为-0.3％。[xiii] 可见除中国外的世界各国的煤炭消费有趋于停滞的迹象。 世界煤炭产量似乎也出现了接近峰值的迹象。2012年与2008年相比,世界煤炭产量虽增加了11.255亿吨，但是除中国增加的9.01亿吨外，其它国家只增加了2.24亿吨，再除去印尼、澳大利亚和印度增加的2.8亿吨，其余国家合计减产了0.56亿吨。[xiv] 那么中国2012比2008年增产9.01亿吨是否可靠呢？2008年末全国煤炭库存至少为3亿吨。[xv] 2009~2012年累计产量133.8亿吨，消费量132.7亿吨,净进口了7亿吨,[xvi] 2012年末库存应增至11.1亿吨(3+133.8-132.7+7)，但实际库存仅有2.84亿吨,[xvii] 比按公布数字推算的库存少了8.26亿吨。如果今年6月末库存和近4年消费数字真实，就有可能说明近4年中国煤炭产量数存在8.26亿吨的水分。那么世界煤炭产量就可能接近峰值。 任何一种不可再生资源的产量，都不可能沿着“大于1的指数”曲线单调增加，直至耗尽。而是达到某一峰值后将会减少，直至用完。 考虑到近期世界煤炭产量受2008年后美国金融风暴的影响，数年内世界煤炭产量还可能回升。尤其是中国、印度的需求趋势将促使产量回升。若2013~2020年全球煤炭消费量在2012年74.6亿吨基础上,年均递增2％，[xviii] 则2020年世界原煤消费量约87.4亿吨(74.6*1.028)。2010~2020年内需生产860亿吨才能满足消费。[xix] 上文估算的2009年末可采的10300亿吨储量,2020年末减至9440亿吨(10300-860)。若从2021年起每年递减0.5%，则剩余储量可用155年。[xx] 即2175年用完。 当然，若发现大量可采煤炭资源—如全球变暖，西伯利亚冻土融化，俄罗斯特大煤田可采量猛增，则另当别论。按上列算法，2021年后全球煤炭生产(消费)的递减速度越快，可用年数越长。可以推算，当年递减速度>0.926%,可以无限延长使用年限。但如按此速80年后,即至2100年全球煤炭消费量将减至2020年的47.5%((1-0.926%)80) ,已逐渐退出主能源的地位了。分析表明，并不是全球煤炭资源全部枯竭才对人类产生严重影响，而是在可采资源减少的过程中，逐步扩大负面影响的。 五、全球煤炭减产过程中的负面影响
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