煤炭開(kāi)發(fā)利用工程演化研究

凌 文 （神華集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京市東城區(qū)，100011）

0.引言

煤炭是我國(guó)的主體能源，煤炭占化石能源基礎(chǔ)儲(chǔ)量的96%，這決定了煤炭相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)性地位[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)占我國(guó)一次能源的70%左右。據(jù)中國(guó)工程院預(yù)測(cè)，至2030年煤炭仍將占我國(guó)能源消費(fèi)的50%～55%[2]。

煤炭粗放式開(kāi)發(fā)利用模式難以為繼，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)需求迫切。近十多年來(lái)，煤炭消費(fèi)保持年均2億噸的速度增長(zhǎng)。煤炭大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用引發(fā)的生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題亟待解決。當(dāng)前，我國(guó)煤炭行業(yè)面臨需求放緩、產(chǎn)能過(guò)剩等新情況。必須通過(guò)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)煤炭安全、綠色、智能開(kāi)發(fā)和清潔高效利用。

本文應(yīng)用工程哲學(xué)思想，探討了煤炭開(kāi)發(fā)利用的工程演化機(jī)理，構(gòu)建了煤炭開(kāi)發(fā)利用工程演化“力學(xué)模型”，研究了煤炭開(kāi)發(fā)利用的工程演化進(jìn)程，提出了煤炭開(kāi)發(fā)利用工程演化方向和路徑。

1. 煤炭開(kāi)發(fā)利用工程演化機(jī)理研究

工程是構(gòu)建并運(yùn)行一個(gè)“人工實(shí)在”的物質(zhì)性實(shí)踐過(guò)程。工程與社會(huì)的矛盾、工程與自然的矛盾以及工程內(nèi)部矛盾推進(jìn)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(dòng)力、篩選力共同作用下的優(yōu)化過(guò)程。

煤炭開(kāi)發(fā)利用工程集成了勘探、開(kāi)采、加工提質(zhì)、燃燒、轉(zhuǎn)化及開(kāi)發(fā)利用全過(guò)程中的節(jié)能、節(jié)水、減排、低碳和環(huán)保等領(lǐng)域。煤炭開(kāi)發(fā)利用工程演化亦受工程演化理論“四力”影響，“力學(xué)模型”見(jiàn)圖1所示?？梢钥闯?，煤炭開(kāi)發(fā)利用工程是在市場(chǎng)需求、社會(huì)需求、相關(guān)產(chǎn)業(yè)等要素組成的拉力，新技術(shù)、新裝備、新工藝、新資源等要素組成的推力，運(yùn)輸、環(huán)保、技術(shù)、資源分布等要素組成的制約力，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境容量、產(chǎn)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(kāi)發(fā)從東部為主到中西部的大型煤炭能源基地，煤炭開(kāi)采從分散、粗放、集約化程度低到千萬(wàn)噸級(jí)礦井群為代表的現(xiàn)代化開(kāi)采，煤炭利用從分散燃燒到清潔燃煤發(fā)電和轉(zhuǎn)化，煤炭開(kāi)發(fā)利用經(jīng)歷了從量到質(zhì)的飛越，這是力學(xué)模型“四力”作用的演化結(jié)果。

2. 煤炭開(kāi)發(fā)工程演化研究

2.1 煤炭開(kāi)發(fā)時(shí)空工程演化

圖1.煤炭開(kāi)發(fā)利用工程演化“力學(xué)模型”

煤炭開(kāi)采的時(shí)空演化是煤炭工業(yè)發(fā)展的顯著特征。隨著時(shí)間推移，煤炭資源開(kāi)發(fā)空間演化也伴隨發(fā)生。社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的持續(xù)需求是煤炭開(kāi)發(fā)時(shí)空演化的直接拉力；煤炭地域上分布不均、資源賦存和開(kāi)采條件的差異構(gòu)成制約力；國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策作為篩選力，引導(dǎo)著煤炭開(kāi)發(fā)的時(shí)空變遷。

我國(guó)煤炭開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了以東、中部為主到中、西部主導(dǎo)的時(shí)空演化。我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展拉動(dòng)了以煤炭為主的能源需求快速增長(zhǎng)，西多東少的煤炭資源空間賦存特征，是煤炭開(kāi)發(fā)的制約力，在拉力和制約力的雙重作用下，煤炭開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了從東、中部向中、西部轉(zhuǎn)移的時(shí)空演化。傳統(tǒng)影響西部煤炭工業(yè)發(fā)展的運(yùn)輸通道制約力，隨著大秦、朔黃、京原鐵路等運(yùn)輸通道的建成而得到有效解決。我國(guó)實(shí)施了淘汰安全隱患多、效率低下、資源浪費(fèi)、產(chǎn)能落后的煤炭產(chǎn)業(yè)政策，形成了煤炭開(kāi)發(fā)布局優(yōu)化的篩選力。2000年之前，我國(guó)煤炭開(kāi)發(fā)以中、東部為主，東部地區(qū)煤炭保有儲(chǔ)量約554億噸、中部地區(qū)煤炭保有儲(chǔ)量約3198億噸，中、東部煤炭產(chǎn)量共7.04億噸，占全國(guó)煤炭總產(chǎn)量的70.4%；2014年，西部地區(qū)煤炭生產(chǎn)占全國(guó)煤炭總產(chǎn)量的78.7%，形成了以晉陜蒙寧甘地區(qū)為主戰(zhàn)場(chǎng)的煤炭開(kāi)發(fā)格局。

煤炭開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略西移是煤炭開(kāi)發(fā)時(shí)空演化的持續(xù)過(guò)程。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，晉陜蒙寧甘地區(qū)隨著煤炭開(kāi)發(fā)，資源儲(chǔ)量將逐步減少，開(kāi)采條件逐步復(fù)雜，這一趨勢(shì)將對(duì)未來(lái)煤炭開(kāi)發(fā)構(gòu)成新的制約力。我國(guó)以新疆為代表的西部地區(qū)資源儲(chǔ)量豐富，煤層地質(zhì)和開(kāi)采條件相對(duì)簡(jiǎn)單，這為我國(guó)煤炭資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)利用提供了資源基礎(chǔ)，并將進(jìn)一步推動(dòng)以西部為主的適合我國(guó)煤炭賦存特征的開(kāi)發(fā)布局的演化。

2.2 煤炭開(kāi)發(fā)方式工程演化

煤炭開(kāi)發(fā)方式的工程演化是“四力”作用的結(jié)果。能源需求是煤炭開(kāi)發(fā)方式演化的持續(xù)拉力。由于煤炭裝備和采煤技術(shù)水平低等制約力影響，煤炭開(kāi)發(fā)方式粗放?？萍歼M(jìn)步和裝備制造水平提升，促進(jìn)了煤炭開(kāi)采方式的轉(zhuǎn)變。

煤炭開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了粗放式到安全高效的工程演化。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的推動(dòng)，制約煤炭規(guī)模化、集約化、高效率的技術(shù)和裝備難題被陸續(xù)破解。新技術(shù)裝備推力發(fā)揮了重要作用，代表性的新技術(shù)裝備，如超大工作面開(kāi)采技術(shù)、煤巷快速掘進(jìn)技術(shù)、大型高端液壓支架裝備等。以千萬(wàn)噸級(jí)礦井群為基礎(chǔ)的神華神東現(xiàn)代化礦區(qū)率先建成，引領(lǐng)了煤炭開(kāi)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(lǐng)的科學(xué)開(kāi)采是煤炭開(kāi)發(fā)方式的未來(lái)演化形態(tài)。隨著煤炭大規(guī)模的安全高效開(kāi)采，煤炭開(kāi)發(fā)帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出。首先，樹(shù)立和堅(jiān)持科學(xué)的開(kāi)發(fā)理念，是開(kāi)發(fā)方式轉(zhuǎn)變提升的主要拉力；其次，堅(jiān)持“煤炭開(kāi)采與生態(tài)保護(hù)并重”，依靠科技創(chuàng)新的推力，突破煤炭開(kāi)采制約，是實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)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(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)同的模式和工程技術(shù)體系是煤炭開(kāi)發(fā)方式轉(zhuǎn)變的新推力。神華探索實(shí)踐了基于煤炭開(kāi)發(fā)與環(huán)境協(xié)同的開(kāi)發(fā)模式，并取得顯著成效：建立了“煤炭開(kāi)采前規(guī)劃布局、采中地表主動(dòng)減損、采后分區(qū)引導(dǎo)修復(fù)”的一體化模式，構(gòu)建了煤炭開(kāi)采與地表生態(tài)修復(fù)協(xié)同工程技術(shù)體系，包括基于地表生態(tài)主動(dòng)減損的煤炭現(xiàn)代開(kāi)采技術(shù)、礦區(qū)地表生態(tài)引導(dǎo)修復(fù)和微生物促進(jìn)技術(shù)、水資源優(yōu)化配置技術(shù)、協(xié)同管控協(xié)調(diào)度評(píng)價(jià)技術(shù)等。神華煤炭開(kāi)采地表生態(tài)和地下水保護(hù)工程技術(shù)被國(guó)土資源部、科技部作為先進(jìn)技術(shù)在全國(guó)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(lèi)社會(huì)文明進(jìn)步，煤炭利用方式不斷演化，社會(huì)發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)稀缺資源需求的強(qiáng)大拉力，一次次拉動(dòng)了煤炭利用方式的轉(zhuǎn)變；并在新技術(shù)、新裝備、新工藝的強(qiáng)大推力和國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策、配套標(biāo)準(zhǔn)的篩選力作用下，綜合推進(jìn)了煤炭利用方式的工程演化。

煤炭的熱能利用經(jīng)歷了分散燃燒到規(guī)?；l(fā)電和簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化過(guò)程。建國(guó)之初，我國(guó)煤炭的利用形式主要以散煤燃燒為主，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)、生活用電大幅增加，發(fā)電對(duì)煤炭的需求拉動(dòng)了煤炭利用方式的轉(zhuǎn)變，當(dāng)前我國(guó)發(fā)電用煤占煤炭消費(fèi)總量的53%左右。同時(shí)，隨著冶金等行業(yè)的發(fā)展，煤炭作為還原劑的材質(zhì)功能得到利用。

煤炭從燃料向原料、燃料并重轉(zhuǎn)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(guó)煤炭消耗31.2億噸，其中發(fā)電供熱和工業(yè)用煤達(dá)到23.9億噸，占比76.6%[5]。近年來(lái)，我國(guó)油氣對(duì)外依存度的持續(xù)提升，2014年中國(guó)進(jìn)口原油3.1億噸，對(duì)外依存度近60%；進(jìn)口天然氣580億立方米，對(duì)外依存度超過(guò)32%?；谖覈?guó)化石能源資源稟賦，發(fā)展煤基能源化工以補(bǔ)充油氣資源不足成為煤炭利用方式轉(zhuǎn)變的強(qiáng)大拉力。經(jīng)過(guò)持續(xù)技術(shù)研發(fā)和攻關(guān)，一批如神華煤直接液化、中科合成油間接液化等工藝技術(shù)陸續(xù)突破并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，新技術(shù)工藝的發(fā)明推動(dòng)了煤炭利用方式的轉(zhuǎn)變。

煤炭多聯(lián)產(chǎn)耦合系統(tǒng)是煤炭利用的演化方向。多聯(lián)產(chǎn)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(shí)質(zhì)是多種產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化耦合[6]。基于未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新模式的理念革新是推動(dòng)煤炭利用方式轉(zhuǎn)變的持續(xù)拉力；雙氣頭氣化聯(lián)產(chǎn)、煤炭分級(jí)轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)、電熱化聯(lián)產(chǎn)等技術(shù)創(chuàng)新為煤炭聯(lián)產(chǎn)耦合利用提供了可能和演化推力；國(guó)家近年也加大了多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)示范，成為煤炭利用方式的篩選力。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，隨著我國(guó)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)，煤炭聯(lián)產(chǎn)耦合利用方式將成為推動(dòng)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(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)伴生資源的需求是拉力，煤炭伴生資源地質(zhì)賦存和品位特征是制約力，新技術(shù)、新工藝等是重要推力，這些作用力共同構(gòu)成了推動(dòng)煤炭利用邊界擴(kuò)展的動(dòng)力。

煤伴生資源一直作為廢物直接填埋或簡(jiǎn)單利用，制約了煤炭非碳?xì)湓刭Y源利用邊界的擴(kuò)展演化。煤炭燃燒過(guò)程也是煤中伴生資源的二次富集過(guò)程，當(dāng)粉煤灰中伴生資源達(dá)到一定工業(yè)品位，則具有開(kāi)發(fā)價(jià)值。但一直以來(lái)，煤伴生資源開(kāi)發(fā)利用意識(shí)不強(qiáng)、配套產(chǎn)業(yè)化技術(shù)缺乏成為重要制約力。以準(zhǔn)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(guó)氧化鋁基礎(chǔ)資源量的7倍左右；伴生鎵資源約86萬(wàn)噸，為世界已探明儲(chǔ)量的80%；我國(guó)鋁土礦對(duì)外依存度超過(guò)50%，鎵資源是重要的國(guó)際戰(zhàn)略資源。該煤田煤炭燃燒后的粉煤灰長(zhǎng)期以來(lái)被直接填埋或作為建材等初級(jí)利用，既浪費(fèi)資源，又污染環(huán)境。

實(shí)現(xiàn)伴生資源的深度開(kāi)發(fā)和高效循環(huán)利用是煤炭利用邊界擴(kuò)展的新途徑。在未充分開(kāi)發(fā)利用的煤炭伴生資源中，尋找目前具有市場(chǎng)潛力的、具有開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的稀缺資源（需求新拉力），通過(guò)科技攻關(guān)研發(fā)、突破技術(shù)瓶頸（突破制約力），伴生資源回收利用符合產(chǎn)業(yè)和環(huán)保政策（符合篩選力），形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模和產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)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(zhǔn)格爾地區(qū)的煤炭利用邊界問(wèn)題，神華集團(tuán)組織協(xié)同攻關(guān)，攻克了“一步酸溶法”核心工藝技術(shù)，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(jīng)濟(jì)示范工程，為煤炭利用的邊界擴(kuò)展提供了工程示范。

4. 結(jié)論

本文分析了我國(guó)煤炭當(dāng)前面臨的問(wèn)題，應(yīng)用工程哲學(xué)和工程演化理論，研究提出煤炭開(kāi)發(fā)利用工程演化“力學(xué)模型”，并剖析了發(fā)展拉力、推力、制動(dòng)力和篩選力等“四力”作用機(jī)理。應(yīng)用該力學(xué)模型，分別研究了煤炭開(kāi)發(fā)時(shí)空、開(kāi)發(fā)方式和煤炭利用方式、利用邊界擴(kuò)展的工程演化路線(xiàn)。

（1）煤炭開(kāi)發(fā)時(shí)空工程演化方面，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求形成煤炭大規(guī)模開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)拉力，煤炭西多東少賦存特征推動(dòng)了煤炭開(kāi)發(fā)的時(shí)空變化，在多重力的綜合作用下，煤炭開(kāi)發(fā)時(shí)空呈現(xiàn)逐步西移的演化趨勢(shì)。

（2）煤炭開(kāi)發(fā)方式工程演化方面，市場(chǎng)持續(xù)需求拉力和新技術(shù)工藝、新裝備的推力共同作用，推動(dòng)了煤炭開(kāi)發(fā)由粗放向安全高效方向演化；主動(dòng)型生態(tài)文明建設(shè)理念成為推動(dòng)煤炭科學(xué)開(kāi)發(fā)的重要?jiǎng)恿?，并引領(lǐng)了未來(lái)煤炭開(kāi)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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求拉力和新技術(shù)工藝、新裝備的推力作用，煤炭利用方式經(jīng)歷了從傳統(tǒng)分散燃燒到超低排放發(fā)電、現(xiàn)代煤炭轉(zhuǎn)化的演化過(guò)程，未來(lái)基于資源、能源、環(huán)境協(xié)同的聯(lián)產(chǎn)耦合系統(tǒng)是重要方向。

（4）煤炭利用邊界擴(kuò)展工程演化方面，通過(guò)外部稀缺資源的需求拉力和產(chǎn)業(yè)化新技術(shù)、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(kuò)展路徑。

厘清煤炭開(kāi)發(fā)利用工程演化，對(duì)于國(guó)家能源戰(zhàn)略規(guī)劃制定具有參考價(jià)值，對(duì)于產(chǎn)業(yè)科學(xué)布局和政策制定具有借鑒作用，對(duì)于企業(yè)發(fā)展路線(xiàn)選擇和科學(xué)決策具有重要的指導(dǎo)意義。

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