從用“好煤”到“用好”煤

數(shù)字賦能、提質(zhì)增效，新一代信息技術(shù)助推煤焦化行業(yè)向“智造”加速升級。

煤焦化是我省傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)之一。如何最大限度保護(hù)性開發(fā)利用稀缺寶貴的煉焦煤資源?如何為焦化企業(yè)節(jié)能減排、提質(zhì)降本?在太原理工大學(xué)省部共建煤基能源清潔高效利用國家重點實驗室，記者看到傳統(tǒng)煤焦化產(chǎn)業(yè)的面貌正在被“數(shù)智化”大潮所改變。

煤分質(zhì)利用及污染物控制研究中心團(tuán)隊以服務(wù)地方產(chǎn)業(yè)為目標(biāo)，圍繞山西焦化產(chǎn)業(yè)特色和優(yōu)勢，基于煤質(zhì)大數(shù)據(jù)開發(fā)了煉焦煤選配一體化技術(shù)并實現(xiàn)了工程應(yīng)用。王美君教授等研究骨干長期攻關(guān)，與我省煤炭、焦化、鋼鐵企業(yè)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，讓科技成果走出實驗室、走上生產(chǎn)線，不斷交出亮眼“成績單”。

突破傳統(tǒng)配煤方案，構(gòu)建煉焦煤生態(tài)利用新體系

8月7日，太鋼焦化廠煉焦配煤研究基地，幾名科技人員緊張地等待著試驗焦炭熱態(tài)檢測計算結(jié)果，當(dāng)各項指標(biāo)完全達(dá)到預(yù)期時，大家無比振奮。

“使用價格較低的高硫煤種的思路，突破了傳統(tǒng)配煤方案。”高級工程師吳波介紹，該項實驗應(yīng)用了太原理工大學(xué)提供的硫分遷移研究方法，配入高硫煤后焦炭硫分不超標(biāo)，在保證焦炭質(zhì)量的同時降低了煉焦配煤成本。

近年來，太原理工大學(xué)王美君教授帶領(lǐng)的煤分質(zhì)利用及污染物控制研究中心團(tuán)隊面向山西煤焦化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展領(lǐng)域的重大任務(wù)，聚焦關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，在煉焦煤成焦理論探索、多維度配煤煉焦技術(shù)開發(fā)、煉焦配煤工藝優(yōu)化等多方面取得突破性成果。這些技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用后，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

“團(tuán)隊基于煤分子結(jié)構(gòu)熱轉(zhuǎn)化行為提出煉焦煤‘衍構(gòu)成焦機(jī)理’，構(gòu)建更為科學(xué)、系統(tǒng)的煉焦煤評價新體系，借助大數(shù)據(jù)賦能建立煉焦煤的煤質(zhì)大數(shù)據(jù)中心，從用‘好煤’向‘用好’煤轉(zhuǎn)變，構(gòu)建煉焦煤‘清潔、低碳、安全、高效’的生態(tài)利用新體系。”9月2日，在太原理工大學(xué)省部共建煤基能源清潔高效利用國家重點實驗室展廳，一塊標(biāo)著“精細(xì)化煉焦配煤技術(shù)”的展板前，王美君為記者介紹：“配煤技術(shù)，一直是團(tuán)隊關(guān)注和研發(fā)的重點，通過技術(shù)革新迭代，最大限度實現(xiàn)原料煤多樣化、目標(biāo)產(chǎn)物多元化、焦化產(chǎn)能最優(yōu)化、污染排放最小化的目標(biāo)。”

“配煤，就是將氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤等不同種類、不同質(zhì)量特性的煤按照特定比例混合，優(yōu)化煤炭的轉(zhuǎn)化特性，生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的焦炭。”王美君介紹，山西焦炭產(chǎn)量占全國的1/5，但優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源有限，高硫煤占比達(dá)1/3。配煤作為煉焦的核心工序，決定了焦炭的品質(zhì)、價格和成本。如何在保持焦炭各項指標(biāo)穩(wěn)定的前提下，用低價煤取代部分高價煤，優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)，降低配煤成本，精細(xì)化配煤勢在必行。

“過去多采用傳統(tǒng)人工配煤，往往出現(xiàn)原料煤取值保守、難以精準(zhǔn)預(yù)測焦炭質(zhì)量等問題，局限性明顯。”王美君介紹起配煤方面存在的問題，如煉焦配煤與煤炭洗選之間存在脫節(jié)現(xiàn)象，煉焦煤洗選加工廠“按需洗選”，缺乏與下游焦化廠配煤煉焦的功能性相關(guān)聯(lián);不同煤層煤種的可選性、硫分等特性差異較大，混合入洗方法難以達(dá)到理想分選效果等。

“團(tuán)隊研發(fā)構(gòu)建的煉焦煤選配一體化工藝體系在很大程度上解決了以上難題。”王美君介紹，團(tuán)隊除引入其他煤種降低優(yōu)質(zhì)煉焦煤用量來保護(hù)戰(zhàn)略稀缺資源外，還率先提出以性價比為核心的煉焦煤選配聯(lián)動的選配一體化工藝路線，將備煤工序前置到選煤企業(yè)，強(qiáng)化焦化企業(yè)與選煤企業(yè)深度融合，完成煉焦煤的定制化洗選加工，將煉焦備煤工序向煤炭洗選加工段前置，開發(fā)出適用于不同爐型工藝的標(biāo)準(zhǔn)煤或入爐煤產(chǎn)品。

融“數(shù)”提“智”，通過煤焦大數(shù)據(jù)實現(xiàn)對優(yōu)質(zhì)焦煤資源的集約配置

在山西今日智庫能源有限公司的實驗室，技術(shù)人員在操作臺前監(jiān)測設(shè)備運行情況。“通過這些數(shù)據(jù)，可以掌握焦炭的灰分、硫分、揮發(fā)分、粉焦率等檢測項目的具體數(shù)值，做到‘精準(zhǔn)把脈’。”該公司檢測運營中心主任李志強(qiáng)介紹，公司致力于引領(lǐng)煤焦鋼產(chǎn)業(yè)鏈健康發(fā)展，擁有海量煤炭行業(yè)數(shù)據(jù)以及先進(jìn)信息技術(shù)，檢測中心不僅擁有進(jìn)口灰成分測定儀和元素分析儀，還裝備了自主研發(fā)的煤巖分析儀、40公斤環(huán)保型荷重試驗焦?fàn)t、全粘結(jié)指數(shù)攪拌儀等各類設(shè)備50余套。

“‘數(shù)字化’和‘精準(zhǔn)研判’是我們制勝的法寶。”王美君介紹，2020年，中心團(tuán)隊與山西今日智庫能源有限公司合作共建“新型煤焦化產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心”，構(gòu)建煤焦技術(shù)研究、煤焦大數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)等差異化、協(xié)同化平臺，著重開展煤質(zhì)特性分析、煉焦配煤成焦過程研究、煤質(zhì)評價大數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)，以及通過300kg試驗焦?fàn)t、煤炭選配一體化工藝中試基地進(jìn)行新型煤焦技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

得益于大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、先進(jìn)檢測設(shè)備等深度賦能，中心團(tuán)隊構(gòu)建以數(shù)字化為核心的智能化配煤系統(tǒng)，聚焦煤焦鋼產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展中的關(guān)鍵問題，推動煤焦鋼領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展，并進(jìn)一步強(qiáng)化與煤焦鋼企業(yè)間技術(shù)交流與合作。

其實，為找到配煤“最優(yōu)解”，中心團(tuán)隊多年來一直與企業(yè)合作探索。從2014年開始，該團(tuán)隊就與太鋼焦化廠合作，從山西省煤基重點科技攻關(guān)項目——精細(xì)化智能配煤系統(tǒng)開發(fā)與工程示范，到山西省科技重大專項——高效環(huán)保煉焦技術(shù)開發(fā)與合作，雙方開發(fā)中硫焦煤在太鋼7.63m焦?fàn)t成功進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)實踐。在2016年至2023年，太鋼焦化廠實現(xiàn)累計降低配煤成本5.7億元，節(jié)約優(yōu)質(zhì)煉焦煤136萬噸。

2019年，該團(tuán)隊與太鋼集團(tuán)、中國科學(xué)院山西煤化所等單位合作完成的項目——不同煉焦工藝全要素智能化精細(xì)配煤控制技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，獲得山西省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎，本項目關(guān)鍵技術(shù)相繼被列入國家自然科學(xué)基金和省級重大專項項目。

2022年，中心團(tuán)隊與山西焦化股份有限公司合作開展“煉焦煤資源評價體系建立及配煤技術(shù)開發(fā)應(yīng)用”研究項目，利用實驗室小型熱解裝置、坩堝焦、4kg焦?fàn)t、40kg焦?fàn)t、300kg焦?fàn)t、工業(yè)焦?fàn)t等梯級煉焦實驗設(shè)備，以山西焦化配煤方案為基礎(chǔ)，開發(fā)了高硫煤配煤、全煤種配煤等煉焦新技術(shù)，建立了山西焦化焦炭質(zhì)量預(yù)測模型，實現(xiàn)了每噸入爐煤減少焦煤配比6%以上，氣煤、瘦煤、貧煤和無煙煤合計配比增加6%以上，入爐煤成本降低20元/噸以上。同時，針對山西焦化煉焦煤資源特點，建立了山西焦化煉焦煤資源科學(xué)評價體系。

產(chǎn)學(xué)研用深度融合，把能源科技創(chuàng)新的論文寫在祖國大地上

“近年來，團(tuán)隊師生堅持把論文寫在祖國大地上，將實驗室建在企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展需求上，不斷推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用融合的技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)。”王美君說，2016年以來，校企合作持續(xù)加深，通過項目研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化、共建實驗室等不同形式，團(tuán)隊先后與十余家企業(yè)進(jìn)行深度合作并取得一系列成果。

傳承中發(fā)展，開拓中創(chuàng)新。在謝克昌院士領(lǐng)銜的老一輩科學(xué)家關(guān)于“煤結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性”的長期研究和學(xué)術(shù)積淀下，王美君帶領(lǐng)課題組圍繞“如何從化學(xué)反應(yīng)工程的角度解決配煤煉焦技術(shù)創(chuàng)新”這一核心問題展開研究，通過開發(fā)分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)向及化學(xué)反應(yīng)調(diào)變的煤熱轉(zhuǎn)化技術(shù)，構(gòu)建貫通理論、技術(shù)、工程應(yīng)用的配煤技術(shù)創(chuàng)新體系，形成稀缺優(yōu)質(zhì)煉焦煤的保護(hù)性加工利用新路徑。

“創(chuàng)新并非易事，其間所經(jīng)歷的艱辛難以想象。”王美君表示，“10多年來，團(tuán)隊遇到過許多在當(dāng)時覺得解決不了的難題、跨不過去的坎，從理論計算到技術(shù)研發(fā)再到成果轉(zhuǎn)化……創(chuàng)新需要工匠精神，俯下身、沉下心，持之以恒，不斷克服困難，向更高處攀登。”

一次與初衷“南轅北轍”的實驗，讓團(tuán)隊成員程亞楠記憶猶新。“在研究溫和條件下煤炭定向裂解制備縮合芳香族化合物技術(shù)時，幾次相關(guān)實驗結(jié)果都與預(yù)想相反，期望減少的分子量反而增加了。”程亞楠說，當(dāng)大家垂頭喪氣，以為研究方向錯誤時，王美君導(dǎo)師及時給予指導(dǎo)，“同學(xué)們，結(jié)果變化了就證明路沒有走偏。希望得到輕質(zhì)產(chǎn)品，但結(jié)果是重質(zhì)產(chǎn)品。那么，為什么不反其道而行之?”受到啟發(fā)，團(tuán)隊成員重新制定方案，最終實現(xiàn)了溫和條件下煤中弱鍵的斷裂，促進(jìn)縮合芳香碳結(jié)構(gòu)單元的可控解離，為煤的清潔高效及高值化轉(zhuǎn)化貢獻(xiàn)一份力量。

在煤分質(zhì)利用及污染物控制研究中心，有一臺特別的設(shè)備——煉焦煤膨脹壓力測試裝置，這臺2米高的設(shè)備是團(tuán)隊自主研發(fā)的。王美君講述研發(fā)初衷，在煉焦煤結(jié)焦過程中，適當(dāng)膨脹壓力能提高焦炭質(zhì)量，但壓力過高會導(dǎo)致推焦困難和爐墻損壞。目前，常用的活動爐墻結(jié)構(gòu)測試方法耗煤量大，且摩擦力影響結(jié)果。

“煉焦煤膨脹壓力測試裝置可以把這一過程‘微縮’并轉(zhuǎn)移到實驗室。”王美君介紹，通過煤熱解過程中耐高溫彈簧的形變，測定出不同堆密度、不同升溫速率以及單種煤或配合煤的膨脹壓力和位移，用煤量少、操作簡單、可測試壓力范圍大，測試結(jié)果準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好。該項技術(shù)促進(jìn)了煉焦煤評價體系的科學(xué)構(gòu)建、焦炭質(zhì)量和推焦電流的精確預(yù)測，為確保焦?fàn)t穩(wěn)定運行提供了技術(shù)支撐。目前已經(jīng)取得中國、美國、澳大利亞的專利。

近年來，團(tuán)隊還和國內(nèi)外高校、科研院所深度合作，開創(chuàng)性地提出了煉焦煤“衍構(gòu)成焦機(jī)理”，對于補(bǔ)充和延伸煉焦煤成焦理論具有重要的科學(xué)意義和廣泛的工業(yè)應(yīng)用價值;完善了煤中形態(tài)硫的判定方法，將煤中形態(tài)硫劃分至10種以上，提出了“互融性、黏合式、填充式”多維度配煤新理念，實現(xiàn)了基于不同煤種間揮發(fā)分反應(yīng)調(diào)變的配煤技術(shù)優(yōu)化與焦炭質(zhì)量的科學(xué)調(diào)控，拓展了非煉焦煤資源在工業(yè)煉焦生產(chǎn)中的應(yīng)用。

“希望每一種煤、每一塊煤，都能被最大化利用。”自中心成立以來，一次次突破焦化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸難題，在技術(shù)研發(fā)、邁出實驗室、走上生產(chǎn)線的路上循環(huán)往復(fù)。王美君說，團(tuán)隊將繼續(xù)聚焦國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，緊密圍繞山西煤炭資源優(yōu)勢，致力于煤基資源的綠色清潔高效開發(fā)利用，全力推進(jìn)能源科技創(chuàng)新，促進(jìn)煤化工產(chǎn)業(yè)的高端化、多元化、低碳化發(fā)展。

記者手記

深耕科研創(chuàng)新 賦能成果轉(zhuǎn)化

從科研到技術(shù)再到產(chǎn)品，是一條艱辛而漫長的路。

在采訪中，聽著科研團(tuán)隊如何嘔心瀝血、廢寢忘食攻克諸多技術(shù)難關(guān)，眼見那些曾在實驗室反復(fù)測試的技術(shù)，如今在生產(chǎn)線的實際應(yīng)用中發(fā)揮作用，記者深切地感受到，跨過科研與實際應(yīng)用之間的這座橋梁是何等不易。

科研與生產(chǎn)的無縫對接需要搭建良好的平臺，并加強(qiáng)企業(yè)主導(dǎo)的產(chǎn)學(xué)研深度融合。太原理工大學(xué)煤分質(zhì)利用及污染物控制研究中心團(tuán)隊，帶著科研成果從實驗室走向生產(chǎn)線，讓理論中的設(shè)想變成現(xiàn)實中的操作，不僅改變了生產(chǎn)工藝和流程，也帶來了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

“隨著科技發(fā)展，我們對煤炭的利用率還會提高。”王美君和煤化工打了十幾年交道，專注于煉焦煤選配一體化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，最大限度保護(hù)性開發(fā)利用稀缺寶貴的煉焦煤資源。未來的路還很長，團(tuán)隊也將繼續(xù)深挖煤炭背后的潛在價值，推動行業(yè)向高端化、精細(xì)化、智能化方向發(fā)展，為煤炭清潔高效利用和新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展注入新的活力。