凌  文 （神华集团有限责任公司，北京市东城区，100011） 
 

　　 摘要：本文应用工程哲学思想和工程演化理论，剖析了煤炭开发利用面临的问题，探讨了煤炭开发利用的工程演化机理，提出了煤炭开发利用工程演化“力学模型”，运用该模型研究了煤炭开发时空、开发方式、利用方式和利用边界扩展的工程演化方向及路线，即煤炭开发时空战略西移，开发方式由安全高效向安全高效绿色开采演化，利用方式由燃料向燃料、原料并重和联产耦合方向演化，边界扩展向伴生资源高效循环利用方向演化；介绍了神华在煤炭开发利用领域的探索与实践。
　　 关键词：煤炭开发 煤炭利用 工程演化 神华
0.引言
　　 煤炭是我国的主体能源，煤炭占化石能源基础储量的96%，这决定了煤炭相当长时期内在我国能源结构中的基础性地位[1]。长期以来，煤炭生产和消费占我国一次能源的70%左右。据中国工程院预测，至2030年煤炭仍将占我国能源消费的50%～55%[2]。
　　 煤炭粗放式开发利用模式难以为继，产业转型升级需求迫切。近十多年来，煤炭消费保持年均2亿吨的速度增长。煤炭大规模开发利用引发的生态环境等问题亟待解决。当前，我国煤炭行业面临需求放缓、产能过剩等新情况。必须通过创新驱动，推进转型升级，实现煤炭安全、绿色、智能开发和清洁高效利用。
　　 本文应用工程哲学思想，探讨了煤炭开发利用的工程演化机理，构建了煤炭开发利用工程演化“力学模型”，研究了煤炭开发利用的工程演化进程，提出了煤炭开发利用工程演化方向和路径。
1. 煤炭开发利用工程演化机理研究
　　 工程是构建并运行一个“人工实在”的物质性实践过程。工程与社会的矛盾、工程与自然的矛盾以及工程内部矛盾推进工程不断演化[3]。工程演化是在诸多要素组成的推力、拉力、制动力、筛选力共同作用下的优化过程。
　　 煤炭开发利用工程集成了勘探、开采、加工提质、燃烧、转化及开发利用全过程中的节能、节水、减排、低碳和环保等领域。煤炭开发利用工程演化亦受工程演化理论“四力”影响，“力学模型”见图1所示。可以看出，煤炭开发利用工程是在市场需求、社会需求、相关产业等要素组成的拉力，新技术、新装备、新工艺、新资源等要素组成的推力，运输、环保、技术、资源分布等要素组成的制约力，行业标准、环境容量、产业政策等组成的筛选力共同作用下，逐渐演化发展的。
　　 煤炭开发从东部为主到中西部的大型煤炭能源基地，煤炭开采从分散、粗放、集约化程度低到千万吨级矿井群为代表的现代化开采，煤炭利用从分散燃烧到清洁燃煤发电和转化，煤炭开发利用经历了从量到质的飞越，这是力学模型“四力”作用的演化结果。
2. 煤炭开发工程演化研究
2.1 煤炭开发时空工程演化
　　 煤炭开采的时空演化是煤炭工业发展的显著特征。随着时间推移，煤炭资源开发空间演化也伴随发生。社会经济发展对能源的持续需求是煤炭开发时空演化的直接拉力；煤炭地域上分布不均、资源赋存和开采条件的差异构成制约力；国家产业政策作为筛选力，引导着煤炭开发的时空变迁。
　　 我国煤炭开发经历了以东、中部为主到中、西部主导的时空演化。我国社会经济发展拉动了以煤炭为主的能源需求快速增长，西多东少的煤炭资源空间赋存特征，是煤炭开发的制约力，在拉力和制约力的双重作用下，煤炭开发实现了从东、中部向中、西部转移的时空演化。传统影响西部煤炭工业发展的运输通道制约力，随着大秦、朔黄、京原铁路等运输通道的建成而得到有效解决。我国实施了淘汰安全隐患多、效率低下、资源浪费、产能落后的煤炭产业政策，形成了煤炭开发布局优化的筛选力。2000年之前，我国煤炭开发以中、东部为主，东部地区煤炭保有储量约554亿吨、中部地区煤炭保有储量约3198亿吨，中、东部煤炭产量共7.04亿吨，占全国煤炭总产量的70.4%；2014年，西部地区煤炭生产占全国煤炭总产量的78.7%，形成了以晋陕蒙宁甘地区为主战场的煤炭开发格局。
　　 煤炭开发战略西移是煤炭开发时空演化的持续过程。从长远看，晋陕蒙宁甘地区随着煤炭开发，资源储量将逐步减少，开采条件逐步复杂，这一趋势将对未来煤炭开发构成新的制约力。我国以新疆为代表的西部地区资源储量丰富，煤层地质和开采条件相对简单，这为我国煤炭资源的持续开发利用提供了资源基础，并将进一步推动以西部为主的适合我国煤炭赋存特征的开发布局的演化。
2.2 煤炭开发方式工程演化
　　 煤炭开发方式的工程演化是“四力”作用的结果。能源需求是煤炭开发方式演化的持续拉力。由于煤炭装备和采煤技术水平低等制约力影响，煤炭开发方式粗放。科技进步和装备制造水平提升，促进了煤炭开采方式的转变。
　　 煤炭开发经历了粗放式到安全高效的工程演化。随着社会经济发展和科技进步的推动，制约煤炭规模化、集约化、高效率的技术和装备难题被陆续破解。新技术装备推力发挥了重要作用，代表性的新技术装备，如超大工作面开采技术、煤巷快速掘进技术、大型高端液压支架装备等。以千万吨级矿井群为基础的神华神东现代化矿区率先建成，引领了煤炭开采由粗放型向安全高效型的工程演化。
　　 以生态文明理念为引领的科学开采是煤炭开发方式的未来演化形态。随着煤炭大规模的安全高效开采，煤炭开发带来的生态环境问题日益突出。首先，树立和坚持科学的开发理念，是开发方式转变提升的主要拉力；其次，坚持“煤炭开采与生态保护并重”，依靠科技创新的推力，突破煤炭开采制约，是实现煤炭开发与生态环境的协同的重要途径；第三，建立煤炭开发与生态环境协同的模式和工程技术体系是煤炭开发方式转变的新推力。神华探索实践了基于煤炭开发与环境协同的开发模式，并取得显著成效：建立了“煤炭开采前规划布局、采中地表主动减损、采后分区引导修复”的一体化模式，构建了煤炭开采与地表生态修复协同工程技术体系，包括基于地表生态主动减损的煤炭现代开采技术、矿区地表生态引导修复和微生物促进技术、水资源优化配置技术、协同管控协调度评价技术等。神华煤炭开采地表生态和地下水保护工程技术被国土资源部、科技部作为先进技术在全国推广。
3. 煤炭利用工程演化
3.1 煤炭利用方式工程演化
　　 随着人类社会文明进步，煤炭利用方式不断演化，社会发展对传统稀缺资源需求的强大拉力，一次次拉动了煤炭利用方式的转变；并在新技术、新装备、新工艺的强大推力和国家产业政策、配套标准的筛选力作用下，综合推进了煤炭利用方式的工程演化。
煤炭的热能利用经历了分散燃烧到规模化发电和简单转化过程。建国之初，我国煤炭的利用形式主要以散煤燃烧为主，随着经济的快速发展，社会生产、生活用电大幅增加，发电对煤炭的需求拉动了煤炭利用方式的转变，当前我国发电用煤占煤炭消费总量的53%左右。同时，随着冶金等行业的发展，煤炭作为还原剂的材质功能得到利用。
　　 煤炭从燃料向原料、燃料并重转变是煤炭利用工程演化的重要方面。煤炭利用一直以燃烧为主，2010年我国煤炭消耗31.2亿吨，其中发电供热和工业用煤达到23.9亿吨，占比76.6%[5]。近年来，我国油气对外依存度的持续提升，2014年中国进口原油3.1亿吨，对外依存度近60%；进口天然气580亿立方米，对外依存度超过32%。基于我国化石能源资源禀赋，发展煤基能源化工以补充油气资源不足成为煤炭利用方式转变的强大拉力。经过持续技术研发和攻关，一批如神华煤直接液化、中科合成油间接液化等工艺技术陆续突破并实现产业化，新技术工艺的发明推动了煤炭利用方式的转变。
　　 煤炭多联产耦合系统是煤炭利用的演化方向。多联产系统是从整体系统最优角度出发，跨越行业界限的一种高度灵活的系统，其实质是多种产品生产过程的优化耦合[6]。基于未来产业创新模式的理念革新是推动煤炭利用方式转变的持续拉力；双气头气化联产、煤炭分级转化多联产、电热化联产等技术创新为煤炭联产耦合利用提供了可能和演化推力；国家近年也加大了多联产技术研发和产业示范，成为煤炭利用方式的筛选力。从长远看，随着我国资源节约型、环境友好型社会的建设，煤炭联产耦合利用方式将成为推动资源、能源、环境一体化发展的重要途径。
3.2 煤炭利用边界工程演化
　　 煤中伴生的铝、镓、锗、砷等矿物资源可以回收利用。经济社会发展对伴生资源的需求是拉力，煤炭伴生资源地质赋存和品位特征是制约力，新技术、新工艺等是重要推力，这些作用力共同构成了推动煤炭利用边界扩展的动力。
煤伴生资源一直作为废物直接填埋或简单利用，制约了煤炭非碳氢元素资源利用边界的扩展演化。煤炭燃烧过程也是煤中伴生资源的二次富集过程，当粉煤灰中伴生资源达到一定工业品位，则具有开发价值。但一直以来，煤伴生资源开发利用意识不强、配套产业化技术缺乏成为重要制约力。以准格尔煤田为例，其煤中伴生丰富铝、镓资源，伴生铝资源约40亿吨，为我国氧化铝基础资源量的7倍左右；伴生镓资源约86万吨，为世界已探明储量的80%；我国铝土矿对外依存度超过50%，镓资源是重要的国际战略资源。该煤田煤炭燃烧后的粉煤灰长期以来被直接填埋或作为建材等初级利用，既浪费资源，又污染环境。
　　 实现伴生资源的深度开发和高效循环利用是煤炭利用边界扩展的新途径。在未充分开发利用的煤炭伴生资源中，寻找目前具有市场潜力的、具有开发经济价值的稀缺资源（需求新拉力），通过科技攻关研发、突破技术瓶颈（突破制约力），伴生资源回收利用符合产业和环保政策（符合筛选力），形成产业化规模和产业链价值创造，是一条突破煤炭利用边界的演化途径。按照上述思路重新审视准格尔地区的煤炭利用边界问题，神华集团组织协同攻关，攻克了“一步酸溶法”核心工艺技术，建成4000吨/年粉煤灰提氧化铝、360公斤/年粉煤灰提镓的中试装置，规划了“煤—电—粉煤灰—氧化铝”循环经济示范工程，为煤炭利用的边界扩展提供了工程示范。
4. 结论
　　 本文分析了我国煤炭当前面临的问题，应用工程哲学和工程演化理论，研究提出煤炭开发利用工程演化“力学模型”，并剖析了发展拉力、推力、制动力和筛选力等“四力”作用机理。应用该力学模型，分别研究了煤炭开发时空、开发方式和煤炭利用方式、利用边界扩展的工程演化路线。
（1）煤炭开发时空工程演化方面，社会经济发展对能源的需求形成煤炭大规模开发的市场拉力，煤炭西多东少赋存特征推动了煤炭开发的时空变化，在多重力的综合作用下，煤炭开发时空呈现逐步西移的演化趋势。
（2）煤炭开发方式工程演化方面，市场持续需求拉力和新技术工艺、新装备的推力共同作用，推动了煤炭开发由粗放向安全高效方向演化；主动型生态文明建设理念成为推动煤炭科学开发的重要动力，并引领了未来煤炭开发方式向绿色安全高效方向演化。
（3）煤炭利用方式工程演化方面，受社会经济发展需求拉力和新技术工艺、新装备的推力作用，煤炭利用方式经历了从传统分散燃烧到超低排放发电、现代煤炭转化的演化过程，未来基于资源、能源、环境协同的联产耦合系统是重要方向。
（4）煤炭利用边界扩展工程演化方面，通过外部稀缺资源的需求拉力和产业化新技术、新工艺推力分析，提出了煤炭伴生资源高效循环利用的扩展路径。
　　 厘清煤炭开发利用工程演化，对于国家能源战略规划制定具有参考价值，对于产业科学布局和政策制定具有借鉴作用，对于企业发展路线选择和科学决策具有重要的指导意义。
参考文献
[1]谢克昌等.中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究[M].科学出版社，2014,10.
[2]杜祥琬等.中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究：综合卷[M].科学出版社，2011,2.
[3]殷瑞钰,汪应洛等.工程哲学[M].高等教育出版社,2007,7.
[4]中国煤炭工业协会.中国煤炭工业统计资料汇编[R].中国煤炭工业出版社，2011,9
[5]中华人民共和国统计局.中国能源统计年鉴2011[M].中国统计出版社，2011,12
[6]倪维斗等.多联产系统:综合解决我国能源领域五大问题的重要途径[J]. 动力工程. 2013,4
作者介绍
　　 凌文，男，1963生，管理学博士，教授、博士生导师。长期致力于系统工程理论研究与大型能源工程实践。现任神华集团公司总经理，分管科技等工作。