可觀察巖石微觀結(jié)構(gòu)、模擬井下力學(xué)試驗(yàn)等儀器裝備達(dá)586臺(tái)(套)，承擔(dān)多個(gè)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等，研發(fā)深部低滲煤層增透與瓦斯災(zāi)害防控、細(xì)粒煤戰(zhàn)略資源高效浮選等關(guān)鍵技術(shù)，獲首屆“國家卓越工程師團(tuán)隊(duì)”榮譽(yù)稱號……近年來，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩果累累。

近日，記者走進(jìn)位于河南省平頂山市、鄭州市的煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，近距離感受煉焦煤資源綠色開發(fā)中的科研力量。

研發(fā)煉焦煤開采與洗選關(guān)鍵技術(shù)

煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室前身可追溯至2012年，當(dāng)時(shí)的深部煤炭資源開發(fā)與化工多聯(lián)產(chǎn)工程技術(shù)研究中心啟動(dòng)建設(shè);2015年，煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲科技部批復(fù)，并于2022年成為首批進(jìn)行重組的能源領(lǐng)域國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一;2023年3月，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式獲批建設(shè)，依托單位為中國平煤神馬集團(tuán)、鄭州大學(xué)以及中國礦業(yè)大學(xué)。

作為稀缺的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，煉焦煤是推動(dòng)煤炭由燃料變原料、材料、高端產(chǎn)品的戰(zhàn)略性資源。隨著開采深度的增加，以平頂山礦區(qū)為代表的煉焦煤開采礦井面臨高瓦斯、高地應(yīng)力、高地溫“三高”開采環(huán)境，亟需構(gòu)建深部復(fù)雜條件下資源綠色安全開采體系。

“我們錨定透明采掘、數(shù)智加工、綠色轉(zhuǎn)化三大研發(fā)方向，圍繞‘煉焦煤資源開采—資源材料化—材料產(chǎn)品化—產(chǎn)品高端化’，開展先導(dǎo)性理論研究、前沿性技術(shù)研發(fā)以及裝備研制工作，在井下地質(zhì)條件精細(xì)化識(shí)別、深部巷道圍巖控制與高效掘進(jìn)、井下多場景熱害協(xié)同治理等關(guān)鍵技術(shù)方面取得積極進(jìn)展。”煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、中國平煤神馬集團(tuán)首席科學(xué)家張建國表示。

結(jié)合多年來企業(yè)的探索經(jīng)驗(yàn)，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重組后，確定了首批多個(gè)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目，涵蓋稀缺煉焦煤分選全流程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及中煤深度加工中試系統(tǒng)開發(fā)、受限空間立式X光智能選矸機(jī)器人設(shè)備研發(fā)、煤礦深部井巷開拓系統(tǒng)TBM安全高效掘進(jìn)技術(shù)體系、煤基COx(碳氧化物)加氫制高附加值高碳α-烯烴工藝技術(shù)開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目。

煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行副主任王滿告訴記者，圍繞上述關(guān)鍵項(xiàng)目，該實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出深井采掘作業(yè)空間模塊化高效局部制冷降溫系統(tǒng)、礦井水井下回用系統(tǒng)、TDS煤炭干選系統(tǒng)和5G智能分選數(shù)字平臺(tái)、高效可控苯制環(huán)己烴催化劑等代表性成果，在平頂山礦區(qū)應(yīng)用并取得顯著效果。

“深部煉焦煤開發(fā)呈現(xiàn)低品質(zhì)化，雜質(zhì)含量高、煤矸嵌布粒度細(xì)、微細(xì)粒含量高，浮選面臨黏土—煤粒罩蓋嚴(yán)重、回收率低等難題。我們研發(fā)了多段鋸齒圓盤渦輪強(qiáng)制剪切調(diào)漿技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)了藥劑分散與細(xì)泥剝離過程的高效協(xié)同。”王滿表示。

2023年10月，上述裝備在中國平煤神馬集團(tuán)七星選煤廠開始應(yīng)用，如今已更新到第三代并推廣應(yīng)用了7套裝備。浮選藥劑消耗平均節(jié)省20%，浮選精煤產(chǎn)率提高2個(gè)百分點(diǎn)以上，企業(yè)利潤年增加千萬元以上。

該實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的煤礦深部井巷開拓系統(tǒng)TBM，搭載超前鉆機(jī)隨鉆測試系統(tǒng)，建立煤礦復(fù)合地層TBM掘進(jìn)參數(shù)智能預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了隨鉆參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測;TDS、TGS兩類智能干選系統(tǒng)，在中國平煤神馬集團(tuán)11家原煤生產(chǎn)單位投用，累計(jì)年增收節(jié)支超3億元。該實(shí)驗(yàn)室成員先后到河南焦作煤業(yè)集團(tuán)、永煤集團(tuán)、神火公司的14對礦井調(diào)研，建立了基于多維信息規(guī)律分析的瓦斯災(zāi)害辨識(shí)及差異化管控技術(shù)體系。

成立以來，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲批多個(gè)國家級和省級重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，授權(quán)發(fā)明專利181項(xiàng)、國際發(fā)明專利16項(xiàng)，制定國家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)、能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)，發(fā)布省部級工法3項(xiàng)，并獲得國家級、省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)項(xiàng)。

在位于平頂山市的煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場，記者看到多臺(tái)深部煤炭開采大型實(shí)驗(yàn)裝備。其中，真三軸多功能物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能模擬煤礦井下真實(shí)環(huán)境，開展多場耦合條件下的滲流、壓裂實(shí)驗(yàn);災(zāi)害模擬系統(tǒng)能開展深部煤層瓦斯突出實(shí)驗(yàn)，研究不同壓力、地應(yīng)力條件下的突出規(guī)律。

如今，該實(shí)驗(yàn)室根據(jù)儀器設(shè)備主要功能，分為力學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分、瓦斯吸附、檢測分析、物理模擬等9條主線，支撐團(tuán)隊(duì)開展測試活動(dòng)。

聚焦綠色開發(fā)與副產(chǎn)品高值轉(zhuǎn)化

位于鄭州大學(xué)的煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)場地與儀器設(shè)備更偏向于精密化。該實(shí)驗(yàn)室固定成員、鄭州大學(xué)化工學(xué)院教授涂維峰告訴記者，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聚焦煉焦煤資源綠色轉(zhuǎn)化方向，開展焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)化、焦化苯高效利用、煤焦油分離與利用、煤瀝青改性、煤基尼龍單體綠色合成、煤焦化工廢水潔凈處理與資源化利用等研究。

“煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是以產(chǎn)業(yè)鏈為延伸，三家依托單位分屬不同方向，分工明確。煉焦煤經(jīng)過開采、洗選后進(jìn)行綠色轉(zhuǎn)化，綠色轉(zhuǎn)化的核心是工業(yè)催化劑，所以我們實(shí)驗(yàn)室60%的工作聚焦于工業(yè)催化劑的設(shè)計(jì)與研究。”涂維峰表示。

記者看到一臺(tái)集成多個(gè)腔體與管道、類似醫(yī)學(xué)探測儀器的精密裝置，它的學(xué)名是動(dòng)態(tài)現(xiàn)場原位X射線光電子能譜。這臺(tái)裝置能利用X射線激發(fā)出催化劑表面原子內(nèi)層電子或價(jià)電子并進(jìn)行能量分析，用來鑒定元素組成及化學(xué)態(tài)。

“一種成熟的工業(yè)催化劑從研發(fā)到工業(yè)應(yīng)用，通常需要30年左右，研發(fā)投入巨大，且至今仍主要依靠試錯(cuò)篩選結(jié)果。我們基于工業(yè)催化劑‘理性設(shè)計(jì)、可控制備’理念，創(chuàng)立了動(dòng)態(tài)現(xiàn)場原位譜學(xué)技術(shù)輔助的工業(yè)催化劑研究方法，以期形成‘催化劑制備—活化—反應(yīng)—傳遞’的協(xié)同調(diào)控方法。”涂維峰說。

煉焦副產(chǎn)品高值化轉(zhuǎn)化過程中，如一氧化碳、二氧化碳加氫制甲醇、甲烷、烯烴，苯選擇性加氫制環(huán)己烴等，常在高溫、高壓、高空速、多組分并行的復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行。催化劑結(jié)構(gòu)及活性中心始終處于動(dòng)態(tài)變化之中，遵循自身的全生命周期。

因此，該實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了催化反應(yīng)原位—動(dòng)態(tài)環(huán)境和涉及外場作用條件下對催化表界面和反應(yīng)中間體進(jìn)行高時(shí)空分辨和高靈敏表征的新技術(shù)，組建了具有國際先進(jìn)水平的原位動(dòng)態(tài)分子光譜實(shí)驗(yàn)室，擁有動(dòng)態(tài)現(xiàn)場原位拉曼光譜、高壓—近常壓X射線光電子能譜、原位傅里葉變換紅外光譜、常壓掃描隧道顯微鏡、原位X射線衍射儀、拉曼光譜—掃描電子顯微鏡聯(lián)用系統(tǒng)等，能夠在納微尺度對催化劑在活化、反應(yīng)、失活等全生命周期內(nèi)進(jìn)行深度解析。

“我們基于原位譜學(xué)技術(shù)輔助的工業(yè)催化劑研究方法，設(shè)計(jì)了一氧化碳、二氧化碳加氫制α-烯烴高效工業(yè)催化劑，形成了宏量制備技術(shù)，并與中國平煤神馬集團(tuán)合作開展百噸級工業(yè)示范。催化劑性能處于國際領(lǐng)先水平，工藝技術(shù)達(dá)到工業(yè)化要求。”涂維峰說。

近年來，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室圍繞煉焦副產(chǎn)物高值轉(zhuǎn)化，研發(fā)了苯選擇性加氫催化劑及催化工藝技術(shù)，焦?fàn)t煤氣、熱解氣、合成氣單段等低溫合成甲烷成套技術(shù)，一氧化碳、二氧化碳加氫制α-烯烴催化劑及催化工藝技術(shù)。

在綠色轉(zhuǎn)化方面，該實(shí)驗(yàn)室圍繞煉焦煤資源開發(fā)過程中“三廢”排放問題，研發(fā)了工業(yè)有機(jī)高鹽廢水深度處理創(chuàng)新技術(shù)并建成國內(nèi)最大單體類芬頓高級氧化反應(yīng)器，開發(fā)了工業(yè)稀溶液中稀貴、稀有金屬極限提取技術(shù)，助力煉焦煤資源向優(yōu)質(zhì)原料、清潔燃料以及高附加值材料的清潔高效轉(zhuǎn)化。研究成果獲河南省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、河南省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等。

串聯(lián)起產(chǎn)學(xué)研用研發(fā)模式

如今，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有固定成員193人，積聚中國工程院院士張鐵崗、中國科學(xué)院院士吳養(yǎng)潔等戰(zhàn)略科技人才。該實(shí)驗(yàn)室擁有博士學(xué)位的人員占比68.4%，40歲以下青年人才占比39.4%，還有聯(lián)合培養(yǎng)的博士、碩士研究生等流動(dòng)人才，共同參與實(shí)驗(yàn)測試研究、科研攻關(guān)等。

張建國介紹，該實(shí)驗(yàn)室實(shí)行理事會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下的主任負(fù)責(zé)制，重組以來召開多次理事會(huì)會(huì)議、學(xué)術(shù)委員會(huì)會(huì)議，構(gòu)建以中國平煤神馬集團(tuán)為核心、鄭州大學(xué)與中國礦業(yè)大學(xué)為兩翼、校企多層級研發(fā)平臺(tái)協(xié)同集成研發(fā)體系。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)室建立常態(tài)化協(xié)同辦公機(jī)制，通過月度線上調(diào)度、季度線下會(huì)商，確保研發(fā)攻關(guān)工作穩(wěn)步推進(jìn)。

另外，該實(shí)驗(yàn)室也在不斷細(xì)化管理制度。2025年1月，該實(shí)驗(yàn)室制定了《煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研成果獎(jiǎng)勵(lì)辦法》，獎(jiǎng)勵(lì)范圍涵蓋全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固定人員取得的科研成果，包括論文、著作、專利和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2025年3月，該實(shí)驗(yàn)室與科研人員簽訂年度實(shí)驗(yàn)研究目標(biāo)責(zé)任狀，確保相關(guān)項(xiàng)目順利推進(jìn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2025年，該實(shí)驗(yàn)室研究總機(jī)時(shí)共計(jì)87304小時(shí)，對外服務(wù)總機(jī)時(shí)2980.5小時(shí)。2025年，先后有10名博士研究生和15名碩士研究生在該實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究，使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備總機(jī)時(shí)約3600小時(shí)。

在國際交流合作方面，該實(shí)驗(yàn)室與俄羅斯、蒙古國、日本等國家的企業(yè)、學(xué)者展開了交流合作。2025年4月，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“政府間國際科技創(chuàng)新合作”重點(diǎn)專項(xiàng)年度進(jìn)展交流會(huì)在該實(shí)驗(yàn)室中國礦業(yè)大學(xué)場地舉行，蒙古國科學(xué)院與該實(shí)驗(yàn)室簽署了諒解合作備忘錄，在低品質(zhì)煤炭資源雜質(zhì)精準(zhǔn)脫除與定向催化熱解耦合提質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)方面展開合作。該實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建舉辦的“材能”論壇上，國內(nèi)外專家經(jīng)常授課指導(dǎo)，截至目前已舉辦十幾期。

近年來，該實(shí)驗(yàn)室連續(xù)開展了科普教育活動(dòng)。2025年全國科技活動(dòng)周期間，該實(shí)驗(yàn)室先后在中國平煤神馬集團(tuán)、中國礦業(yè)大學(xué)舉辦年度公眾科普活動(dòng)及開放日活動(dòng)。在首個(gè)全國科普月期間，該實(shí)驗(yàn)室組織開展了系列科普活動(dòng)，參觀了西大井1919紅色教育基地。

如今，該實(shí)驗(yàn)室正在謀劃搬入平頂山白龜湖新科創(chuàng)基地。面向“十五五”，該實(shí)驗(yàn)室將重點(diǎn)研究深部多場耦合環(huán)境的災(zāi)害智能化防控技術(shù)裝備、構(gòu)建復(fù)雜煉焦煤全粒級深度潔凈加工與優(yōu)化決策控制技術(shù)體系，突破煉焦煤向優(yōu)質(zhì)原料、清潔燃料和高附加值材料的清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù)理論。