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從用“好煤”到“用好”煤

2024/9/23 22:59:54       

  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)強強聯(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!备呒壒こ處焻遣ń榻B,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)濟效益。

  “團隊基于煤分子結(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到理想分選效果等。

  “團隊研發(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!蓖趺谰榻B,團隊除引入其他煤種降低優(yōu)質(zhì)煉焦煤用量來保護戰(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!巴ㄟ^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’!痹摴緳z測運營中心主任李志強介紹,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)以及先進信息技術(shù),檢測中心不僅擁有進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。

  “‘?dāng)?shù)字化’和‘精準(zhǔn)研判’是我們制勝的法寶!蓖趺谰榻B,2020年,中心團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、先進檢測設(shè)備等深度賦能,中心團隊構(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,并進一步強化與煤焦鋼企業(yè)間技術(shù)交流與合作。

  其實,為找到配煤“最優(yōu)解”,中心團隊多年來一直與企業(yè)合作探索。從2014年開始,該團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,該團隊與太鋼集團、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,團隊先后與十余家企業(yè)進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,讓團隊成員程亞楠記憶猶新!霸谘芯繙睾蜅l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!蓖趺谰榻B,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)成焦機理”,對于補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,全力推進能源科技創(chuàng)新,促進煤化工產(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)濟效益。

  “隨著科技發(fā)展,我們對煤炭的利用率還會提高!蓖趺谰兔夯ご蛄耸畮啄杲坏,專注于煉焦煤選配一體化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用,最大限度保護性開發(fā)利用稀缺寶貴的煉焦煤資源。未來的路還很長,團隊也將繼續(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。


來源:山西日報


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