能源与环境是现代社会面临的两大主题。伴随着国民经济快速发展，我国已成为世界上的能源生产和消费大国，然而经济社会发展与资源环境的矛盾日益突出。我国“相对富煤、贫油、少气、缺铀”的资源禀赋条件决定了煤炭作为我国主体能源的地位短期内不会改变，是短期内不可替代的稳定主体能源，可以说，煤炭产业虽然不是“朝阳产业”，但短期内也决不会变成“夕阳产业”。然而，由于人们过去过度地重视了眼前的经济利益，忽视了长远的生态价值，长期以来煤炭资源在勘查、开发和消费利用过程中的大量工程活动，在点、线、面、体不同维度的不断扩展中极大地扰动甚至破坏了由山、水、林、田、湖、草这一生命共同体组成的生态环境，诱发了环境污染、生态损害、资源浪费、超高排放等诸多问题[1]。
但“去煤化”、寻找其他完全替代能源短期内不符合我国目前能源资源的禀赋特点，不能满足我国目前日益增长的巨大能源需求，也不能真正解决我国目前面临的能源安全和结构调整问题。因此，中国 “能源革命”的关键问题之一在于煤炭工业自身进行“革命”，即打造我国主体能源(煤炭)升级版，实现煤炭资源在地质勘查过程中的综合协调、绿色、深部与智慧和开发过程中的绿色、安全、职业健康、高采出率与高效益以及消费利用过程中的清洁化、低碳化目标，这是符合我国能源资源禀赋特征的现实选择，是解决我国能源困局的关键之一，也是探索具有我国特色的能源可持续发展必须解决的重大科技难题，对破解我国目前经济社会发展与生态环境保护突出矛盾具有重要的理论意义和实用价值。
1 煤炭资源勘查过程中的主要问题与对策
1.1 综合协调地质勘查问题
煤炭地质勘查是煤炭资源和与其共伴生资源成功开发的重要基础地质保障，是关系矿业开发的质量和效益的大问题。传统的煤炭地质勘查主要是针对煤炭资源本身的勘查，但随着我国煤炭工业的快速发展和煤炭科技进步，综合协调勘查已成为煤炭地质勘查的主流。
综合协调地质勘查主要包括勘查目的、勘查内容和勘查手段等的综合。勘查目的的综合协调包括煤炭资源勘查、建井勘查、生产安全勘查、生态环保勘查和闭坑修复勘查等;勘查内容的综合协调包括在煤炭资源勘查过程中，要协调兼顾煤层气、油气、地下水(地热水)、铀、锂、锗和镓等具有战略性价值的共伴生矿产资源的勘查，解决过去以资源类型不同而分别进行勘查的传统弊病问题，这些弊病包括勘查周期长、重复工作量多、费用高、多次进场对资源系统的生态环境扰动破坏大和部分资源被遗漏等问题[2];勘查手段的综合协调包括传统的地质勘查手段、遥感无人机技术、地面航空高精度地球物理勘探、定向分支造孔等精准快速钻探、现代智慧勘查技术等。
1.2 绿色地质勘查问题
“既要找到金山银山，又要留住绿水青山”是新时代地质勘查工作的重要发展方向。“金山银山”就是要形成“以煤炭为主、煤系共伴生矿产资源协调勘查”新体系，要实现“留住绿水青山”，就是要建立煤炭与其共伴生资源、水资源、生态环境保护三位一体的勘查技术和综合评价体系，寻找到当前符合科学绿色开发的煤炭资源，达到煤炭和共伴生资源勘查与生态环境保护双赢的局面。
绿色勘查是煤炭地质勘查的发展趋势，具体来说是指综合考虑勘查区的生态环境、勘查成本、勘查劳动强度等[3]，合理选择先进、节约、高效的勘查技术手段、方法、设备和工艺，综合开展资源的勘查与评价，最大限度降低对生态环境的扰动和影响，实施地质勘查全过程环境影响最小化控制，以最少的成本取得预期的地质信息与成果，实现找矿与环保双赢的煤炭地质勘查模式[3-4]。
1.3 深部地质勘查问题
随着浅部煤炭资源日益枯竭，深部煤炭资源勘查迫在眉睫。据统计，我国煤炭资源埋深超过1 000 m的深部煤炭资源量约为2.68万亿t，占总量的51.34%[5]，储量丰富，但由于深部煤炭在地质构造、聚煤模式、岩石赋存状态等都不同于浅部，因此，深部煤炭地质勘查将是一个全新的课题，是今后煤炭地质勘查的热点和难点问题。此外，由于新时代煤炭地质勘查在投资主体和思路上已发生了变化，更需要在勘查理论与标准、勘查模式与内容、勘查手段与技术、勘查工程与部署、勘查管理与实施等方面开展创新性研发工作。
1.4 智慧地质勘查问题
随着云平台、大数据、物联网和移动互联等现代信息技术的快速发展和推广应用，传统煤炭地质勘查必将迎来新的春天。野外地质调查可获得大量数据、文字记录、素描图、照片、采样等;钻探现场工作人员实时记录钻探采集信息、位置信息、时间信息、人员信息等;物探现场工作人员可采集煤系和相关地层不同物理属性的大量数据;野外采样和现场各种试验可得到大量的地质信息;室内资料整理分析又可获得一大批数据和图表等。这些通过不同勘查阶段和手段所获得的海量数据信息如何实现软硬件的自动采集、计算统计、分析查询、甄别反演、图表绘制、处理管理、社会服务和实时发布？是新时代智慧地质勘查的主要任务和工作内容。
2 煤炭资源开发过程中的主要问题与对策
2.1 绿色化问题
矿业工程活动在我国经济社会进步和改善人民生活水平等方面发挥了巨大作用，特别在西部地区，许多省份GDP的80%以上均由矿业工程活动所贡献。然而因多种原因，矿业工程活动在为我国创造巨大财富的同时，也诱发了让人心痛的严重的矿山生态环境问题。煤炭作为中国短期内不可替代的可依赖主体能源为经济社会的发展提供了能源保障，但同时因煤炭行业较为粗放式的发展模式对矿区生态环境也造成了严重扰动破坏，在矿山勘探、建设、生产和闭坑全生命周期的不同阶段带来了诸多生态环境问题，如“三废”排放、地面变形、回采导致含水层结构破坏而诱发矿山排(突)水、供水、生态环保3者之间矛盾、沙漠化和水土流失等问题[1];此外，在煤矿区建设规划与设计、矿山运营管理智能化、矿山企业文化与诚信体系建设、矿区与矿地和谐等方面也出现了问题。因此，要打造中国主体能源(煤炭)的升级版，就需要推进煤炭资源绿色化开采[6]，建设绿色矿山，发展绿色矿业，走煤炭资源高效开发与生态环境协调发展的绿色之路。
煤炭资源绿色化开发是要形成煤炭资源开发与生态环境协调发展的矿业模式，最大限度地实现煤炭资源在全生命周期开发过程中扰动的生态环境降低到最低程度，不超过矿区生态环境承载力。要实现煤炭工业的绿色化开发目标，有诸多急需的关键课题亟待解决，主要包括:矿区环境、资源开发方式、资源综合利用、节能减排、科技创新及企业建设等，从而实现矿区环境生态化、开采方式科学化、资源利用高效化、节能减排标准化、管理信息数字化和矿区社区和谐化，形成一套完整地科学和高效的煤炭资源绿色化开发体系，如图1所示。
破解煤矿绿色化问题的关键对策就是实施传统矿业理念和技术的“十大”转变，即从仅重视生产阶段问题逐渐转变为重视从规划设计、勘查、建设、生产和闭坑等矿山全生命周期出现的所有问题，从生态环境扰动破坏后修复治理转变为从采掘源头控制与后修复治理齐头并进，从生态环境被动修复治理转变为避免其出现或恶化的积极主动防控，从矿山开发的高能耗与“三废”的多排放转变为低能耗与少排放，从单一煤炭资源开采转变为煤系共伴生资源协同开采，从矿山开发过程中排放的“三废”转变为“三宝”，从资源的固态化开采转变为流态化开采，从对环境扰动较大的传统冒落式开采转变为对其环境扰动较小的充填式、条带式等开采，从仅重视矿山生产与安全转变为矿山生产安全、矿山合法合规生产、职业健康、企业文化与诚信体系、矿区与矿地和谐等方面的综合重视，从矿山机械化和信息化转变为智慧化和智能化。
图1 煤炭资源绿色化开发体系
Fig.1 Green development system of coal resource
通过矿业理念和技术的“十大”转变，走出一条符合循环经济发展的绿色矿业模式，为打造中国煤炭主体能源升级版提供强有力的理论指导和技术支撑，为长远的可持续发展打下坚实基础，推动绿色矿业发展，实现良好的经济、社会和生态环境综合效益。
2.2 安全问题
长期以来，生产安全问题是制约我国煤炭工业健康发展的重要因素之一。我国煤炭资源虽相对丰富，但由于我国是一个由多个构造板块经多序次地质构造运动拼接而成的陆地，地质构造条件较为复杂，大部分煤炭资源赋存条件相对较差，埋藏深度较大，大部分矿井采用井工方式开采，瓦斯、水、火、冲击地压、煤尘等各类矿山灾害严重，威胁着煤矿的生产安全。进入新世纪以来，国家在煤矿安全生产领域投入了大量的人力、物力和财力，并且出台了一系列相关法规和技术标准，在多方共同努力下，煤矿生产安全形势在煤炭产量成倍大幅增加情况下逐步得到改善，为煤炭工业的可持续健康发展提供了重要保障。
图2为我国2000—2018年煤炭安全生产形势变化情况。由图2可看出，2000—2018年，我国煤炭年产量增加3倍左右，但煤矿事故起数和死亡人数等指标均在逐年大幅下降，从纵向上看，我国煤矿生产安全形势明显趋于好转。2000年全国煤炭产量13.84亿t，煤矿事故总起数达2 720起，总死亡人数达5 796人，百万吨死亡率为4.188;但当2018年全国煤炭产量达35.8亿t时，煤矿事故起数224起，下降了91.8%，死亡人数333人，下降了94.3%，百万吨死亡率为0.093，下降了97.8%。但从横向上分析，我国生产安全状况和世界先进产煤国家相比较还有很大差距，仅以2018年为例，我国煤矿百万吨死亡率为0.093，虽首次降到0.1以下，但美国近10 a的平均百万吨死亡率仅为0.028[7]，而澳大利亚煤矿的百万度死亡率更是低于0.02以下，自2003年以来，澳大利亚煤炭行业连续多年未发生人员死亡事故，安全生产目标已从“零死亡”转到“零伤害”[7]。可见，我国百万吨死亡率还远远高于世界主要产煤国家，煤矿安全形势仍不乐观，煤矿安全生产问题永远在路上。
当前，一些煤矿企业法律意识淡薄、违法违规行为突出、安全基础薄弱、事故隐患较多等影响安全生产的深层次问题尚未得到根本解决，特别从2016年以来煤炭市场需求旺盛、价格持续震荡上扬以及产量增加等情况下，国有大煤矿有超能力、超强度生产冲动，小煤矿复产增产快产甚至越界盗采资源，事故风险在加剧，煤矿安全生产形势依然非常严峻。在打造煤炭工业升级版的过程中，应牢固树立煤矿发展安全先行的理念，加大力度整治煤矿安全生产违法违规行为，强化事故查处和警示教育，借鉴先进产煤国家的安全生产经验，建立健全我国重大风险管控体系;强化智慧矿山建设的整体规划与部署，研发智能化采掘核心技术与关键装备，大幅减少井下作业员工人数;加强云平台、大数据、人工智能、互联网等现代信息技术与矿业安全的深度融合;强力推进煤矿安全科技进步和煤矿灾害治理力度，完善煤矿安全基础建设和煤矿安全监管监察执法制度等煤矿安全生产工作，不断提升我国煤炭工业安全生产水平。
2.3 采出率问题
提高煤炭资源采出率和利用率是打造煤炭工业升级版的重要保障。尽管我国煤炭资源储量相对丰富，在世界煤炭资源储量中位居第3，占世界煤炭资源总储量的12%左右，但与资源储量位居世界第1的美国相比，不及其一半。但从产量上来看，我国煤炭年产量几乎是美国的4倍，显然我国煤炭资源的开发强度是相当大的。中国的能源资源禀赋特点一直被认为是“相对富煤、贫油、少气、缺铀”，一个“富”字容易让我们忽略了中国煤炭资源开发中的一个严重问题，即“煤炭资源浪费”。中国现在每年因开采而造成的煤炭资源浪费高达10多亿t，全国煤炭资源的平均采出率仅有30%～50%，而发达国家总体采出率可达80%以上[8]。目前，我国大型矿井煤炭资源采出率均值为30%～40%，中小型矿井回收率不足10%[9]，仅以2000—2010年为例，我国煤炭累积产量234.4亿t，按30%～40%的采出率计算，这11 a间，我国浪费了311～505亿t在短期内不可再生的宝贵原煤资源。同时我国薄煤层资源储量丰富，储量约为600多亿t，全国80%以上的矿区均有分布[10]，但为了片面追求产量和短期经济效益，1.2 m以下厚度的煤层几乎被放弃开采;同时也有相当部分煤炭企业没有按照批准的开发利用方案或设计组织生产，“挑肥拣瘦、采优弃劣、采厚弃薄、采易弃难”的采煤乱象较普遍存在于我国各煤炭储量大省及部分煤炭储量相对贫乏地区，这不仅缩短了矿山的服务年限，也造成了煤炭资源的严重浪费。
图2 2000—2018年我国煤炭产量、百万吨死亡率、事故起数和死亡人数变化(数据来源:国家统计局)
Fig.2 Changes of China’s coal production,million tons of mortality,the number of accidents and deaths form the year of 2000 to 2018 (Data resources:National Bureau of Statistics)
导致我国煤炭资源采出率水平不高的原因不仅有先天因素，也有后天影响;我国煤炭资源的禀赋条件相对较差，相当多的煤炭资源在开采过程中经常面临着地质构造复杂、埋藏条件较差、灾害频发等诸多不利条件，导致我国煤炭资源开采难度较大，采出率低;另外，因不同煤质煤层销售价格差异而导致的资源整体采出率低也是一个先天因素，采优质煤层，弃劣质煤层，由于煤层的原始沉积环境等不同，其煤质差别较大，如我国华北型煤田上覆的侏罗系煤层因其沉积环境主要以内陆河湖相沉积为主，故其硫分较低，而华北型石炭—二叠系煤层因其以海相或海陆交互相沉积为主，故其硫分较高。就华北型石炭—二叠系煤田比较而言，因上部二叠系煤层主要以海退过程中的海陆交互相沉积为主，故煤层硫分较低，而下部石炭系煤层主要以海侵过程中的海相沉积为主，故其硫分较高;同时由于我国煤炭行业门槛低，煤炭产业高度分散，相当部分中小型煤炭企业为了谋求自身发展，通常采用投入少、成本低的开采方式，忽视了对先进采煤技术、工艺和设备的研发，挑肥拣瘦致使资源采出率低;此外，政府监管力度不够也是导致煤炭资源采出率低下的重要原因之一。由于煤炭资源在短期内具有不可再生属性，如何提高煤炭资源在开采过程中的采出率和使用消费过程中的利用率、减少煤炭资源浪费与损失日益紧迫。
因此，在打造中国主体能源(煤炭)升级版的过程中，不仅要关心煤炭资源开发与绿色环境保护的关系，且应注重资源开发与资源本身保护的关系，应及时有效地遏制煤炭资源浪费的势头。首先应针对煤炭资源的浪费问题，因地制宜地研究和制定煤炭资源合理开发利用的相关法律制度和规范标准，加强煤炭资源的监督与管理;其次在充分考虑资源的禀赋特征条件下，推行煤炭资源税改革，对积极开采薄煤层、边角煤、劣质煤、难采煤、老窑残煤的煤矿企业应给予降低或免征煤炭资源税的优惠政策;鼓励煤炭企业加大优、劣煤质煤层的优化配采和配选(洗)工作，提高矿井资源采出率，延长其服务年限，增加其经济效益，如优化配采和配选(洗)我国华北型煤田上覆的侏罗系煤层与下伏的石炭—二叠系煤层、上覆的二叠系煤层与下伏的石炭系煤层等;淘汰落后产能的煤炭企业，加强企业的整合力度，增强其综合竞争力，从而推动技术攻关及科技创新，提升煤炭行业的整体开采技术水平，实现信息化及智能化开采，最大限度地降低对煤炭资源的浪费，提升我国煤炭资源的整体采出率水平。
2.4 职业健康问题
由于我国煤炭资源普遍埋藏较深，煤矿多采用井工方式开采，井下的工作环境较为恶劣，开采过程中存在粉尘、煤尘、噪声、高温、振动、高湿和危害气体等污染问题，对煤矿井下职工的健康与安全造成较大威胁。多年来，虽然我国的防尘设备和基础设施有了较大改善，广大煤矿一线职工的职业病防范意识有所增强，但总体来说，煤矿职业健康问题目前仍然没有得到根本解决。据初步测算，目前我国煤炭行业每年仅尘肺病死亡病例已超过煤矿生产安全事故总死亡人数的2倍以上，煤矿尘肺病和矽肺病人数仍占全国尘肺病总人数的半数以上[11]。同时相比于近年来我国煤矿安全生产形势持续稳定好转、煤矿事故总死亡人数多年连续下降的态势，煤矿职业病报告病例数却未见显著下降，如图3所示(数据来源:原国家安全生产监督总局和卫生部)。仅以2016年为例，我国煤矿职业病报告病例达13 070例，占41.1%[12]，居于各行业之首，是当年煤矿安全事故总死亡人数的24倍。因此，我国煤矿职业健康形势较为严峻，切实做好煤矿职业健康工作已十分迫切。
图3 2006—2016年煤矿事故死亡人数与煤矿职业病报告病例对比
Fig.3 Comparisons between the number of deaths of coal mine accidents and occupation report cases of coal mines
影响煤矿职业健康的危害因素主要是粉尘危害和高温热害，特别因吸入粉尘而导致的尘肺病是可防不可治的疾病，可以说是“白伤”多于“红伤”、“白伤”重于“红伤”[13]。据《2016年职业病防治工作情况通报》，2016年共报告职业性尘肺病27 992例，其中，95.49%的病例为煤矿工人尘肺和矽肺，分别为16 658例和10 072例。尘肺病报告病例数占2016年职业病报告总例数的88.36%[12]。据不完全统计，目前我国约有81万尘肺病人，有20万人因尘肺病死亡，并且每年还陆续发生1万～1.5万尘肺新病例，因此尘肺病被称作“隐形矿难”[14]。近年来煤矿企业及部分关停煤矿时有发生职工尘肺病群发事件，导致煤矿工人投诉、上访等现象，造成了较为恶劣的社会影响;且煤矿工人多为农民工，农民工家庭因职业健康问题出现“返贫”、“致贫”现象在一些地区大量存在，引起社会不稳定问题。
尽管近年来我国在煤矿职业健康工作方面较之前取得了长足的进步，但因多种原因，我国煤矿职业健康状况距离先进发达产煤国家水平还有一定差距。因此，在打造煤炭工业升级版的过程中应积极地借鉴国外煤矿职业健康的发展经验，研究建立符合新时代我国国情的煤矿职业健康管理体系与法律制度;其次，充分发挥舆论监督作用，加强煤矿职业健康教育和法律宣传，增强煤矿工人的健康保护意识和维权意识;积极探索及推进煤矿职业健康信息化建设，实现煤矿企业、煤矿安全监察机构及煤矿职工对煤矿作业场所与职业病相关危害因素的动态监察，实现对煤矿职业病危害监察及监管的实时互通和全面覆盖;最后对已患有煤矿职业病的职工，煤矿企业及政府应该积极做好治疗、康复等工作，妥善安排善后工作和保障好煤矿职工的合法权益。
2.5 高效益问题
目前，煤炭工业的发展不能再简单地追求高效，应该走出“高效”等于“高效率”的误区，实现煤炭工业的“高效益”而不是“高效率”发展。从煤炭开采的完全成本核算观点来看，应该把煤炭开采过程中对生态环境的破坏、扰动等计入到煤炭利用成本中去，企业最终追求目标是可持续的高效益发展;从煤炭开采的系统论观点而言，系统最终追求的是整个煤炭资源开发系统的总体效益最优，而不是该系统中某个子系统的效益最优，最大化煤炭企业的总体效益[15]。
随着煤炭科学技术发展，我国采煤技术已日趋成熟，且随着综采综放成套技术及配套装备的发展，近年来，我国已建成了多个千万吨级的大型高产高效矿井，极大地促进了煤炭工业的发展，满足了国民经济建设和人民生活需要。例如，目前我国普遍采用的长壁式大采高采煤技术具有煤炭损失少、单产高、采煤系统简单、对地质条件适应性强等优点，但其在应用发展过程中对周围环境和生态系统的扰动没有给予足够的重视，由于地下地层原始是连续沉积的，大规模和高强度的非充填开采对煤层顶、底板易造成破坏，进而扰动地表的生态系统;同时也对其顶底板的含水层结构和地下水系统造成不可估量的影响，是一种以牺牲资源和生态环境为代价的开采方式，高效率但低效益。而短壁式采煤法是一种限高开采或分层间歇的高效益但低效率的开采方法，该方法以短工作面为特征，设备投资少，矿山压力显现较弱，对上覆岩层的破坏扰动规模、导水裂隙带高度、地表下沉程度的影响都相对减弱[16]，但其开采效率及采区采出率相对较低，在目前追求高产高效率的情况下并未得到重视。
煤炭资源开发过程中应该根据现场实际地质条件，动态优化开采工艺参数，通过合理地优选开采技术方法，尽可能地降低或消除煤炭资源开发过程中诱发的“灾害属性”的负效应，降低对生态环境的扰动破坏，最大程度地挖掘其“资源属性”的正效应，实现煤炭资源开发与生态环境保护的协调、可持续的发展，最终达到煤炭资源高效益开发、灾害有效防控、生态环境保护的多赢目标，实现煤炭工业升级版的高效益可持续发展。
3 煤炭资源消费利用过程中的主要问题与对策
煤炭资源是人类生活与生产活动中重要的能源基础和化工原料。煤炭资源是我国目前储量最多、分布最广、最经济的能源资源，在我国一次性能源消费中占据着主导地位并在短期内保持不变，将持续为我国的国民经济发展和社会稳定提供强大的能源动力支撑。目前，我国煤炭资源在消费利用过程中主要是作为燃煤发电的燃料和煤化工的基础原料。由于以燃煤机组为主的火力发电在成本和电能质量等方面具有显著优势，就电力装机口径而言，我国燃煤发电机组占比超过67%[17];此外，由于我国石油和天然气资源相对匮乏，对外依赖度逐年增高，寻找替代能源非常必要，而煤化工与石油化工有很好的相互替代性，发展煤化工可以作为石油和天然气化工很好的补充，对解决能源安全问题有着很强的战略意义;目前我国的煤化工在核心技术及产业规模等方面正在不断突破与壮大，有着巨大的发展潜力和市场前景。
3.1 煤炭资源的清洁化利用问题
尽管煤炭资源在我国的能源结构中具有无可比拟的优势，但其大规模不合理的消费利用也带来了严重的环境污染和生态环境损毁。煤炭在燃烧过程中排放的SO2,NOx及烟尘等都是目前大气污染的主要污染源之一，我国每年约80%二氧化碳、85%二氧化硫、67%氮氧化物、70%悬浮物来自于煤炭资源的利用[18]。由于煤炭不合理与不科学消费利用导致的环境污染和生态损毁已是我国目前面临的一个严重现实问题。因此，我们可看到中国煤炭资源在开采、加工、转化、发电和终端消费过程中存在着巨大的清洁化潜力和空间，理论上通过煤炭资源的清洁利用后可实现能源的转换效率和污染物排放达到与天然气相当水平的目标。为了解决煤炭资源在消费利用过程中造成的环境污染问题，确保经济可持续高效发展，应更积极地推动煤炭清洁利用技术的研究。目前，中国在先进清洁超低排放燃煤发电技术、整体煤气化联合循环技术、煤基多联产技术和新型现代精细煤化工等煤炭资源清洁化利用技术方面取得了很大的突破与进展，为中国实现煤炭清洁化利用目标提供了有力的技术支撑。
3.1.1 先进清洁超低排放燃煤发电技术
我国电力需求及装机容量持续高速增长，同时又面临着环境污染和生态损毁的严峻挑战，特别是“雾霾”已成为全国性的一个社会问题。鉴于我国资源禀赋的特点和能源成本的制约，我国电力的主要来源是火电，需要消耗大量的煤炭，我国电力工业以燃煤为主的结构在短期内不会改变。如果要想减少环境污染，就必须在改善能效和降低污染物排放上下大功夫。发展先进清洁超低排放燃煤发电技术是解决目前电力需求高速增长及寻求煤电清洁化和高效化的有效途径和战略选择。
近年来我国的许多发电企业在污染物排放控制及提高能效方面取得了显著进展，使得煤炭资源在清洁化消费与利用方面迈上了一个新台阶，上海外高桥第三发电厂(简称“外三”)在清洁化利用方面走在了世界前列。从2009年开始，“外三”先后研发并投入使用的主要技术包括[19]零能耗脱硫技术、电除尘系统优化技术、低氧燃烧及低NOx排放技术、节能型全天候脱硝技术、低排放高水分劣质煤掺烧技术和脱硫扩容增效技术等。伴随着以上一系列重大创新技术在“外三”机组上的分步实施，“外三”的供电能耗水平(或发电净效率)和大气污染物排放浓度水平逐年显著下降，2015年“外三”在年平均负荷率为72%的情况下，两台机组实际平均供电煤耗完成277.33 g/(kWh);SO2,NOx及粉尘的实际平均排放浓度分别为14.82 mg/m3,17.97 mg/m3及7.21 mg/m3(滤膜法为0.60 mg/m3)，其综合排放水平已赶超天然气发电机组[19]。
“外三”成功的实践表明，通过核心技术的不断创新，燃煤电厂完全可以实现超低排放，实现煤炭的清洁化利用。但是，“外三”仍然没有很好解决煤炭消费利用过程中低碳化这一难题。虽然现阶段由于雾霾的压力，环境治理问题的重要性可能在一定程度上超过了低碳议题，但这并非意味着低碳议题不重要。
3.1.2 整体煤气化联合循环技术
整体煤气化联合循环技术(Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC)把煤炭气化和煤气净化与联合循环发电技术结合在一起，是一种先进的洁净煤燃烧发电技术。IGCC发电技术通过煤气化生成合成燃料气，经过脱硫和除渣后，驱动燃气轮机发电，其尾气进入余热锅炉，生产蒸汽驱动蒸汽轮机做功发电，使燃气与蒸汽联合发电，被认为是世界上最清洁的燃煤发电技术[20-21]。典型的IGCC发电系统[22]如图4所示。
图4 典型IGCC系统
Fig.4 Diagram of typical IGCC system
IGCC发电技术不仅具有超低的硫、氮排放，并有发电效率高、水耗小等优点[23]，实现了煤炭清洁化利用，更为重要的是IGCC发电技术能够实现先进清洁超低排放燃煤发电技术不能解决的低碳化问题。在IGCC发电系统中对汽化炉采用富氧或纯氧加压气化技术，这使得所需分离的气体体积大幅度减小，二氧化碳浓度显著增大，便于二氧化碳的捕捉和封存，可实现二氧化碳近零排放[23]。IGCC发电技术是目前现有发电技术中减排温室气体最可行与经济的方法，应该在电力行业中大力推广与应用，打造成燃煤发电中煤炭清洁化与低碳化利用的行业标杆，成为我国能源战略的重要选择之一。
华能天津IGCC电站示范工程的建成是我国煤炭清洁化与低碳化利用技术的一座里程碑，标志着我国在燃烧前二氧化碳捕集技术领域取得了重大突破，向近零排放的煤基能源清洁发电迈出了关键一步。随着环保标准和二氧化碳减排要求的日益严格，IGCC发电技术在将来具有更广阔的应用前景。但由于该项技术目前存在投资和运行成本高及系统运行复杂等问题，目前以气化为基础的IGCC如果只用于发电在经济上有较大问题，暂不适合推广。
3.1.3 煤基多联产技术
煤基多联产技术是以煤为原料，通过气化炉将煤进行裂解和气化，经过除尘和脱硫的干净合成气进入合成反应器，生成脂肪烃、芳香烃、醇类、醚类等多种具有高附加值的化工产品和多种洁净的二次能源(气体和液体燃料等)，利用工艺过程中的热进行发电等，实现热、电、冷联产[24-26](图5[27])，有机地将电力生产和化工品的工艺过程有机地耦合在一起，达到了提高物质和能量综合利用效率以及减少污染物排放之目的。
图5 煤基多联产系统
Fig.5 System of coal-based polygeneration system
煤基多联产技术具有“组分对口、分级转化、温度对口、梯级利用”的特点[28]，可以根据需要把化工生产和动力系统灵活地调整，优化系统效能，实现系统输入能量的梯级利用，减少系统能量损失。煤基多联产也可以生产多种高附加值产品，有助于缓解能源供需矛盾和液体燃料短缺。此外，煤基多联产系统的优越性也体现在对污染物和温室气体排放的精准管控方面，达到环保和对温室气体排放的严格标准。一方面是因为生成的合成气可以在气化炉内高效地脱除各种污染物，另一方面是在煤气化整个工艺过程中二氧化碳浓度高，易于捕捉，降低了二氧化碳的捕捉成本，也满足了二氧化碳减排的需要。
煤基多联产技术不是煤炭转化技术的简单叠加，目前我国的煤基多联产技术的发展和应用还处于初级阶段，在基础理论、系统优化及完善、诸如高效气化、分级气化、稀有元素提取、燃料电池、高效高温净化和灰渣综合利用等重大关键技术问题尚需亟待解决。但我们应该看到煤基多联产是清洁高效的煤炭转化利用技术，符合循环经济原则，具有明显的经济和环境效益，是综合解决我国煤炭资源超清洁高效利用的关键技术之一，是打造我国主体能源(煤炭)升级版的重要发展方向。
3.1.4 培育现代新型煤化工技术
随着我国经济社会发展和人民生活水平提高，原油和天然气消费量不断增加，我国石油和天然气对外依赖度逐年增加，2018年的依赖度分别为70.9%和45.3%，能源安全问题日益凸显。相对而言，我国煤炭资源丰富，现代煤化工可通过利用我国丰富的煤炭资源，将其转化为汽油、柴油、甲醇等液体燃料，部分替代常规石油基汽油、柴油，可有效缓解我国石油供需矛盾，满足终端优质能源需求。特别在目前国际百年未有之大变局、中美贸易摩擦前景不明或在极端情况背景下，煤制油技术在保障我国能源安全和社会基本运行与人民生活基本保障等方面意义十分重大。经过多年发展，我国现代煤化工核心技术不断突破，产业规模不断壮大，取得了显著成果，煤制烯烃、煤制油等项目的技术与规模处在世界前列，发展现代煤化工不仅可解决我国替代部分石化基础原料的迫切需求，也符合我国能源资源禀赋特点的现实需求。
当前我国现代煤化工市场需求量大，发展前景十分可观，但也面临着一系列新挑战。煤化工的一大特点是耗水量大，但我国煤炭资源与水资源在空间位置上的逆向赋存分布特征，制约了煤化工产业的健康发展;煤化工的高耗能与“三废”排放问题仍未得到圆满解决[29]，随着新环保法实施和《巴黎协定》签署，现代煤化工的监管将更加严格，煤化工项目获得用水、用能、环境指标的难度加大;同时实施碳交易税和环保税也是大势所趋;油价及煤价也是影响煤化工发展的重要因素，当前国际油价低迷，相对于石油化工，煤化工的投资成本偏高，没有优势。同样，煤价过高也使得煤化工产业缺乏竞争力;此外，产业链短和距离终端市场较远也是我国现代煤化工产业面临的一个突出问题[30]。因此，在这样的形势背景下，煤化工面临着技术突破、经济性、环保、水资源等诸多方面的压力，这势必会影响现代煤化工产业的整体竞争力。
现代煤化工发展必须以煤炭资源清洁高效利用为指导原则，把基础科学研究、前沿技术创新、工程应用等作为重要的研究课题;同时加强现代煤化工顶层设计，做好产业布局及优化，让现代煤化工向高端化和精细化方向发展，提升煤化工企业的盈利能力和竞争力，真正做强做大现代煤化工产业，这不仅是保障国家能源安全的战略需要，也是打造我国主体能源(煤炭)升级版的重要途径。
3.2 煤炭资源的低碳化发展问题
目前煤炭消费利用过程中的二氧化碳排放问题比其清洁化问题更难解决，煤炭的低碳化问题比清洁化更需关注。煤炭资源本身是高碳能源，要实现低碳发展，似乎是个伪命题，饱受争议。实际上，由煤炭资源所构成的能源系统中，在煤炭资源的勘查与开发、加工与转化、燃烧与利用等全产业链中均存在着直接或间接的碳排放[31]，如能在其中一个产业或几个产业结构中减少二氧化碳排放，就能够逐步实现煤炭资源的低碳化发展。因此，从这个视角来看，提出煤炭资源在勘查、开发和利用全过程中的低碳化，不仅具有明确地科学内涵，更是实现我国温室气体减排的有效科学手段之一。
3.2.1 开发过程中的低碳化
煤系共伴生资源包括煤层气、煤矸石及伴生矿等在煤层及开采过程中出现或形成的资源。
(1)加快煤层气的开发利用。我国煤层气资源丰富，据原国土资源部统计资料，截至2016年底，煤层气埋深2 000 m以浅地质资源量30万亿m3，可采资源量12.5万亿m3[32]，具有巨大的开发潜力。2016年中国煤炭资源开发过程中释放的瓦斯气体为135亿m3，仅有35%被作为能源资源利用，其余65%都被排放到大气中[33];瓦斯的主要成分是甲烷，对臭氧层具有很强的破坏作用，其温室效应是二氧化碳的21倍。因此，加大煤层气资源的开发利用可大大减少煤炭资源开发过程中的温室气体排放，同时也可预防瓦斯事故，保障煤矿安全生产。
(2)充分利用煤矸石资源。煤矸石中含有残煤、碳质泥岩和废木材等可燃物，煤矸石长期露天堆放，矸石山内部的热量逐渐积累，煤矸石中的残煤会发生自燃，产生大量的CO2,SO2,NOx及CmHm等有害气体直接被排放到大气中。因此，充分对煤矸石分类利用，比如煤矸石发电、利用煤矸石进行充填开采等等，不仅节约资源，同时也是减少煤炭资源开发过程中碳排放的有效途径。
(3)充分开采利用煤系伴生矿。我国主要的煤系伴生矿资源主要有高岭土、石墨及石膏等;据调查，耐火黏土材料作为重要的伴生矿资源在工业中被广泛采用，其绝大部分来自于煤系底层中，膨润土的80%以上的资源也存在于煤系地层中，且距离煤层越近，其品位越高[34]。开发煤炭资源的同时对煤系伴生矿资源进行开采利用，不仅可以避免资源的浪费，不仅节约相关煤系伴生矿资源的开发成本，也实现了企业经济效益的提升，符合我国煤炭工业低碳化发展的要求。
3.2.2 加工过程中的低碳化
提升煤炭资源质量、降低煤炭在终端能源利用中的原煤直接燃烧比例是我国实现煤炭资源低碳化的有效途径之一。
(1)煤炭洗选加工。我国煤炭资源的灰分及硫分含量偏高，通过煤炭分选加工，不仅可有效地减少原煤中的灰含量和硫含量，还可间接地减少二氧化碳的排放，例如在发电过程中煤灰分每降低1%，每度电的标准煤减少2～5 g，全国每年可减少CO2的排放量约为1 500万～3 750万t[31]，有效地提高了燃煤发电效率，减少了碳排放。
(2)提高原煤入选率。2017年，我国原煤入选率为70.2%[35]，但与世界主要产煤国家的平均入选率80%以上仍有差距。我国煤炭运输格局是“北煤南运、西煤东运”，随着煤炭主产区的西移，我国商品煤的平均运输距离已超过580 km，并还在逐渐延长。通过原煤入选可就地排除大量矸石(占原煤入选量15%～20%)，若按平均18%计算，每入选1亿t原煤，可排除1 800万t煤矸石，按铁路运输煤炭20亿t、平均运距600 km计算，可节约运力2 160亿t·km[18]，不仅省去了大量无效运输、降低成本，更减少了铁路、公路和水路运输等过程中消耗的大量电力及化石能源等带来的环境污染及大量的二氧化碳排放。
3.2.3 燃烧与转化过程中的低碳化
目前我国是世界上每年碳排放量最多的国家，其碳排放主要集中在能源行业，而煤炭燃烧与转化过程中排放的二氧化碳是我国温室气体排放的最大贡献者。仅以燃煤发电为例，2016年，我国煤电行业总共排放了34.76亿t二氧化碳，占当年全国总量的34.24%[36]，是名副其实的碳排放大户，尽管目前我国在燃煤发电清洁发展取得了巨大成效，在燃煤发电技术和污染物排放等方面已经达到世界先进水平，但燃煤发电过程中二氧化碳排放高的难题仍未得到有效解决，实现煤炭资源的低碳化利用不仅是我国所面临的问题，也是一个世界性难题。不仅煤电行业，诸如钢铁行业和煤化工等其他煤炭资源消耗大户，也应该更多地关注和实现煤炭资源的低碳化。
目前世界各国都致力于研发减少二氧化碳排放的方法和技术，其中二氧化碳捕捉与封存技术(Carbon Capture and Storage,CCS)已成为各国减少二氧化碳排放的重要策略及研究热点，这将是推动煤炭资源走向低碳化时代的加速器。碳捕获与封存技术(CCS)，是指将燃煤发电、煤化工及冶金等过程中产生的CO2收集起来，将其安全地埋存在地层中，从而达到减少CO2排放之目的，满足CO2减排之需求。煤电行业是目前世界各国CCS技术的主要应用领域，相比与汽车尾气及居民生活排放的CO2，煤电行业排放的CO2具有来源固定、量大、集中且易于统一处理的特点。
我国是一个相对富煤的国家，煤炭资源在能源生产与消费结构中均占据了绝对主导地位，CCS技术在我国应该在煤炭资源的开发与消费利用的全生命周期中应用，煤炭资源除了在燃烧过程中会排放CO2，其在勘查、开发、加工利用和转化等各个环节也会排放CO2或者产生以高浓度形式存在的副产品CO2，如果在此过程中也充分利用CCS技术实施CO2捕获与封存，将会实现煤炭资源从勘查、开发到消费利用全生命周期的低碳化，显然比仅仅捕获燃烧过程中的CO2更符合我国国情。
4 结 语
在我国，相对丰富的煤炭资源仍然是目前稳定供应最有保障、成本可接受的优势能源矿产，抛弃以煤为主的现实能源选择去解决中国的能源问题，是本末倒置，是不现实、不科学、不明智的，应该有清醒的认识。当前煤炭工业面临着有利条件与制约因素相互交织、增长潜力与发展压力同时并存的局面，我们应该更科学地、更理智地厘清思路，精准找出煤炭勘查、开发和消费利用全生命周期过程中出现的问题，合理制定出解决问题的对策方案，打造我国主体能源(煤炭)的升级版，推动煤炭勘查向综合协调与深部智慧、开发向安全高效与节约绿色、消费利用朝着清洁化与低碳化方向健康发展，形成以煤为主、多种能源互补的安全可靠绿色清洁的基础能源保障体系。
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