煤炭開發(fā)利用工程演化研究

凌 文 （神華集團有限責任公司，北京市東城區(qū)，100011）

0.引言

煤炭是我國的主體能源，煤炭占化石能源基礎儲量的96%，這決定了煤炭相當長時期內在我國能源結構中的基礎性地位[1]。長期以來，煤炭生產和消費占我國一次能源的70%左右。據中國工程院預測，至2030年煤炭仍將占我國能源消費的50%～55%[2]。

煤炭粗放式開發(fā)利用模式難以為繼，產業(yè)轉型升級需求迫切。近十多年來，煤炭消費保持年均2億噸的速度增長。煤炭大規(guī)模開發(fā)利用引發(fā)的生態(tài)環(huán)境等問題亟待解決。當前，我國煤炭行業(yè)面臨需求放緩、產能過剩等新情況。必須通過創(chuàng)新驅動，推進轉型升級，實現煤炭安全、綠色、智能開發(fā)和清潔高效利用。

本文應用工程哲學思想，探討了煤炭開發(fā)利用的工程演化機理，構建了煤炭開發(fā)利用工程演化“力學模型”，研究了煤炭開發(fā)利用的工程演化進程，提出了煤炭開發(fā)利用工程演化方向和路徑。

1. 煤炭開發(fā)利用工程演化機理研究

工程是構建并運行一個“人工實在”的物質性實踐過程。工程與社會的矛盾、工程與自然的矛盾以及工程內部矛盾推進工程不斷演化[3]。工程演化是在諸多要素組成的推力、拉力、制動力、篩選力共同作用下的優(yōu)化過程。

煤炭開發(fā)利用工程集成了勘探、開采、加工提質、燃燒、轉化及開發(fā)利用全過程中的節(jié)能、節(jié)水、減排、低碳和環(huán)保等領域。煤炭開發(fā)利用工程演化亦受工程演化理論“四力”影響，“力學模型”見圖1所示。可以看出，煤炭開發(fā)利用工程是在市場需求、社會需求、相關產業(yè)等要素組成的拉力，新技術、新裝備、新工藝、新資源等要素組成的推力，運輸、環(huán)保、技術、資源分布等要素組成的制約力，行業(yè)標準、環(huán)境容量、產業(yè)政策等組成的篩選力共同作用下，逐漸演化發(fā)展的。

煤炭開發(fā)從東部為主到中西部的大型煤炭能源基地，煤炭開采從分散、粗放、集約化程度低到千萬噸級礦井群為代表的現代化開采，煤炭利用從分散燃燒到清潔燃煤發(fā)電和轉化，煤炭開發(fā)利用經歷了從量到質的飛越，這是力學模型“四力”作用的演化結果。

2. 煤炭開發(fā)工程演化研究

2.1 煤炭開發(fā)時空工程演化

圖1.煤炭開發(fā)利用工程演化“力學模型”

煤炭開采的時空演化是煤炭工業(yè)發(fā)展的顯著特征。隨著時間推移，煤炭資源開發(fā)空間演化也伴隨發(fā)生。社會經濟發(fā)展對能源的持續(xù)需求是煤炭開發(fā)時空演化的直接拉力；煤炭地域上分布不均、資源賦存和開采條件的差異構成制約力；國家產業(yè)政策作為篩選力，引導著煤炭開發(fā)的時空變遷。

我國煤炭開發(fā)經歷了以東、中部為主到中、西部主導的時空演化。我國社會經濟發(fā)展拉動了以煤炭為主的能源需求快速增長，西多東少的煤炭資源空間賦存特征，是煤炭開發(fā)的制約力，在拉力和制約力的雙重作用下，煤炭開發(fā)實現了從東、中部向中、西部轉移的時空演化。傳統(tǒng)影響西部煤炭工業(yè)發(fā)展的運輸通道制約力，隨著大秦、朔黃、京原鐵路等運輸通道的建成而得到有效解決。我國實施了淘汰安全隱患多、效率低下、資源浪費、產能落后的煤炭產業(yè)政策，形成了煤炭開發(fā)布局優(yōu)化的篩選力。2000年之前，我國煤炭開發(fā)以中、東部為主，東部地區(qū)煤炭保有儲量約554億噸、中部地區(qū)煤炭保有儲量約3198億噸，中、東部煤炭產量共7.04億噸，占全國煤炭總產量的70.4%；2014年，西部地區(qū)煤炭生產占全國煤炭總產量的78.7%，形成了以晉陜蒙寧甘地區(qū)為主戰(zhàn)場的煤炭開發(fā)格局。

煤炭開發(fā)戰(zhàn)略西移是煤炭開發(fā)時空演化的持續(xù)過程。從長遠看，晉陜蒙寧甘地區(qū)隨著煤炭開發(fā)，資源儲量將逐步減少，開采條件逐步復雜，這一趨勢將對未來煤炭開發(fā)構成新的制約力。我國以新疆為代表的西部地區(qū)資源儲量豐富，煤層地質和開采條件相對簡單，這為我國煤炭資源的持續(xù)開發(fā)利用提供了資源基礎，并將進一步推動以西部為主的適合我國煤炭賦存特征的開發(fā)布局的演化。

2.2 煤炭開發(fā)方式工程演化

煤炭開發(fā)方式的工程演化是“四力”作用的結果。能源需求是煤炭開發(fā)方式演化的持續(xù)拉力。由于煤炭裝備和采煤技術水平低等制約力影響，煤炭開發(fā)方式粗放。科技進步和裝備制造水平提升，促進了煤炭開采方式的轉變。

煤炭開發(fā)經歷了粗放式到安全高效的工程演化。隨著社會經濟發(fā)展和科技進步的推動，制約煤炭規(guī)模化、集約化、高效率的技術和裝備難題被陸續(xù)破解。新技術裝備推力發(fā)揮了重要作用，代表性的新技術裝備，如超大工作面開采技術、煤巷快速掘進技術、大型高端液壓支架裝備等。以千萬噸級礦井群為基礎的神華神東現代化礦區(qū)率先建成，引領了煤炭開采由粗放型向安全高效型的工程演化。

以生態(tài)文明理念為引領的科學開采是煤炭開發(fā)方式的未來演化形態(tài)。隨著煤炭大規(guī)模的安全高效開采，煤炭開發(fā)帶來的生態(tài)環(huán)境問題日益突出。首先，樹立和堅持科學的開發(fā)理念，是開發(fā)方式轉變提升的主要拉力；其次，堅持“煤炭開采與生態(tài)保護并重”，依靠科技創(chuàng)新的推力，突破煤炭開采制約，是實現煤炭開發(fā)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)同的重要途徑；第三，建立煤炭開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)同的模式和工程技術體系是煤炭開發(fā)方式轉變的新推力。神華探索實踐了基于煤炭開發(fā)與環(huán)境協(xié)同的開發(fā)模式，并取得顯著成效：建立了“煤炭開采前規(guī)劃布局、采中地表主動減損、采后分區(qū)引導修復”的一體化模式，構建了煤炭開采與地表生態(tài)修復協(xié)同工程技術體系，包括基于地表生態(tài)主動減損的煤炭現代開采技術、礦區(qū)地表生態(tài)引導修復和微生物促進技術、水資源優(yōu)化配置技術、協(xié)同管控協(xié)調度評價技術等。神華煤炭開采地表生態(tài)和地下水保護工程技術被國土資源部、科技部作為先進技術在全國推廣。

3. 煤炭利用工程演化

3.1 煤炭利用方式工程演化

隨著人類社會文明進步，煤炭利用方式不斷演化，社會發(fā)展對傳統(tǒng)稀缺資源需求的強大拉力，一次次拉動了煤炭利用方式的轉變；并在新技術、新裝備、新工藝的強大推力和國家產業(yè)政策、配套標準的篩選力作用下，綜合推進了煤炭利用方式的工程演化。

煤炭的熱能利用經歷了分散燃燒到規(guī)模化發(fā)電和簡單轉化過程。建國之初，我國煤炭的利用形式主要以散煤燃燒為主，隨著經濟的快速發(fā)展，社會生產、生活用電大幅增加，發(fā)電對煤炭的需求拉動了煤炭利用方式的轉變，當前我國發(fā)電用煤占煤炭消費總量的53%左右。同時，隨著冶金等行業(yè)的發(fā)展，煤炭作為還原劑的材質功能得到利用。

煤炭從燃料向原料、燃料并重轉變是煤炭利用工程演化的重要方面。煤炭利用一直以燃燒為主，2010年我國煤炭消耗31.2億噸，其中發(fā)電供熱和工業(yè)用煤達到23.9億噸，占比76.6%[5]。近年來，我國油氣對外依存度的持續(xù)提升，2014年中國進口原油3.1億噸，對外依存度近60%；進口天然氣580億立方米，對外依存度超過32%。基于我國化石能源資源稟賦，發(fā)展煤基能源化工以補充油氣資源不足成為煤炭利用方式轉變的強大拉力。經過持續(xù)技術研發(fā)和攻關，一批如神華煤直接液化、中科合成油間接液化等工藝技術陸續(xù)突破并實現產業(yè)化，新技術工藝的發(fā)明推動了煤炭利用方式的轉變。

煤炭多聯產耦合系統(tǒng)是煤炭利用的演化方向。多聯產系統(tǒng)是從整體系統(tǒng)最優(yōu)角度出發(fā)，跨越行業(yè)界限的一種高度靈活的系統(tǒng)，其實質是多種產品生產過程的優(yōu)化耦合[6]。基于未來產業(yè)創(chuàng)新模式的理念革新是推動煤炭利用方式轉變的持續(xù)拉力；雙氣頭氣化聯產、煤炭分級轉化多聯產、電熱化聯產等技術創(chuàng)新為煤炭聯產耦合利用提供了可能和演化推力；國家近年也加大了多聯產技術研發(fā)和產業(yè)示范，成為煤炭利用方式的篩選力。從長遠看，隨著我國資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的建設，煤炭聯產耦合利用方式將成為推動資源、能源、環(huán)境一體化發(fā)展的重要途徑。

3.2 煤炭利用邊界工程演化

煤中伴生的鋁、鎵、鍺、砷等礦物資源可以回收利用。經濟社會發(fā)展對伴生資源的需求是拉力，煤炭伴生資源地質賦存和品位特征是制約力，新技術、新工藝等是重要推力，這些作用力共同構成了推動煤炭利用邊界擴展的動力。

煤伴生資源一直作為廢物直接填埋或簡單利用，制約了煤炭非碳氫元素資源利用邊界的擴展演化。煤炭燃燒過程也是煤中伴生資源的二次富集過程，當粉煤灰中伴生資源達到一定工業(yè)品位，則具有開發(fā)價值。但一直以來，煤伴生資源開發(fā)利用意識不強、配套產業(yè)化技術缺乏成為重要制約力。以準格爾煤田為例，其煤中伴生豐富鋁、鎵資源，伴生鋁資源約40億噸，為我國氧化鋁基礎資源量的7倍左右；伴生鎵資源約86萬噸，為世界已探明儲量的80%；我國鋁土礦對外依存度超過50%，鎵資源是重要的國際戰(zhàn)略資源。該煤田煤炭燃燒后的粉煤灰長期以來被直接填埋或作為建材等初級利用，既浪費資源，又污染環(huán)境。

實現伴生資源的深度開發(fā)和高效循環(huán)利用是煤炭利用邊界擴展的新途徑。在未充分開發(fā)利用的煤炭伴生資源中，尋找目前具有市場潛力的、具有開發(fā)經濟價值的稀缺資源（需求新拉力），通過科技攻關研發(fā)、突破技術瓶頸（突破制約力），伴生資源回收利用符合產業(yè)和環(huán)保政策（符合篩選力），形成產業(yè)化規(guī)模和產業(yè)鏈價值創(chuàng)造，是一條突破煤炭利用邊界的演化途徑。按照上述思路重新審視準格爾地區(qū)的煤炭利用邊界問題，神華集團組織協(xié)同攻關，攻克了“一步酸溶法”核心工藝技術，建成4000噸/年粉煤灰提氧化鋁、360公斤/年粉煤灰提鎵的中試裝置，規(guī)劃了“煤—電—粉煤灰—氧化鋁”循環(huán)經濟示范工程，為煤炭利用的邊界擴展提供了工程示范。

4. 結論

本文分析了我國煤炭當前面臨的問題，應用工程哲學和工程演化理論，研究提出煤炭開發(fā)利用工程演化“力學模型”，并剖析了發(fā)展拉力、推力、制動力和篩選力等“四力”作用機理。應用該力學模型，分別研究了煤炭開發(fā)時空、開發(fā)方式和煤炭利用方式、利用邊界擴展的工程演化路線。

（1）煤炭開發(fā)時空工程演化方面，社會經濟發(fā)展對能源的需求形成煤炭大規(guī)模開發(fā)的市場拉力，煤炭西多東少賦存特征推動了煤炭開發(fā)的時空變化，在多重力的綜合作用下，煤炭開發(fā)時空呈現逐步西移的演化趨勢。

（2）煤炭開發(fā)方式工程演化方面，市場持續(xù)需求拉力和新技術工藝、新裝備的推力共同作用，推動了煤炭開發(fā)由粗放向安全高效方向演化；主動型生態(tài)文明建設理念成為推動煤炭科學開發(fā)的重要動力，并引領了未來煤炭開發(fā)方式向綠色安全高效方向演化。

（3）煤炭利用方式工程演化方面，受社會經濟發(fā)展需求拉力和新技術工藝、新裝備的推力作用，煤炭利用方式經歷了從傳統(tǒng)分散燃燒到超低排放發(fā)電、現代煤炭轉化的演化過程，未來基于資源、能源、環(huán)境協(xié)同的聯產耦合系統(tǒng)是重要方向。

（4）煤炭利用邊界擴展工程演化方面，通過外部稀缺資源的需求拉力和產業(yè)化新技術、新工藝推力分析，提出了煤炭伴生資源高效循環(huán)利用的擴展路徑。

厘清煤炭開發(fā)利用工程演化，對于國家能源戰(zhàn)略規(guī)劃制定具有參考價值，對于產業(yè)科學布局和政策制定具有借鑒作用，對于企業(yè)發(fā)展路線選擇和科學決策具有重要的指導意義。

[1]謝克昌等.中國煤炭清潔高效可持續(xù)開發(fā)利用戰(zhàn)略研究[M].科學出版社，2014,10.

[2]杜祥琬等.中國能源中長期（2030、2050）發(fā)展戰(zhàn)略研究：綜合卷[M].科學出版社，2011,2.

[3]殷瑞鈺,汪應洛等.工程哲學[M].高等教育出版社,2007,7.

[4]中國煤炭工業(yè)協(xié)會.中國煤炭工業(yè)統(tǒng)計資料匯編[R].中國煤炭工業(yè)出版社，2011,9

[5]中華人民共和國統(tǒng)計局.中國能源統(tǒng)計年鑒2011[M].中國統(tǒng)計出版社，2011,12

[6]倪維斗等.多聯產系統(tǒng):綜合解決我國能源領域五大問題的重要途徑[J].動力工程. 2013,4