從遠(yuǎn)古時期的鉆木取火發(fā)現(xiàn)生物熱能，到17世紀(jì)末英國人發(fā)明蒸汽機(jī)開啟工業(yè)革命，再到1969年法國人建成第一臺太陽能發(fā)電站清潔能源登上歷史舞臺，可以說，人類發(fā)展史伴隨著能源的開發(fā)和利用?，F(xiàn)如今，綠色發(fā)展、低碳發(fā)展、循環(huán)利用，成為能源革命首要目標(biāo)。
作為全國第一個全省域轉(zhuǎn)型綜改試驗區(qū)，第一個能源革命改革試點，山西把落實低碳目標(biāo)、建設(shè)美麗山西擺在戰(zhàn)略優(yōu)先位置，把低碳、節(jié)能、提效作為重要突破口。而作為新晉國家級專精特新重點的“小巨人”企業(yè)，山西文龍中美環(huán)能科技股份有限公司（以下簡稱“文龍中美”）多年來錨定環(huán)保事業(yè)、聚焦低碳技術(shù)，在余熱資源回收、煤礦充填開采、火電深度調(diào)峰領(lǐng)域，持續(xù)攻關(guān)，相繼推出一系列“黑”科技，為能源革命提供了“山西方案”，成就了一番“綠”事業(yè)。
■■ 聚焦工礦企業(yè)余熱資源
應(yīng)收盡收
工礦企業(yè)余熱資源回收利用技術(shù)，是文龍中美的第一項“黑”科技。在他們的眼中，煤礦職工洗浴廢水是撬動節(jié)能減排的杠桿，礦井自由流動的乏風(fēng)是調(diào)節(jié)資源浪費的節(jié)排器。
2013年，煤礦洗浴廢水余熱利用技術(shù)研發(fā)成功，并獲得國家專利，2014年開始在相關(guān)企業(yè)推廣應(yīng)用，2015年在山西焦煤西山煤電東曲礦大獲成功。
該技術(shù)通過一次換熱和污水源熱泵，分別提取洗浴廢水熱量，加熱自來水，滿足洗浴需求，替代原有燃煤、燃?xì)?、燃油、甲醇鍋爐。制備一噸42攝氏度的洗浴水僅需3度電，成本是燃煤鍋爐的1/3、燃?xì)忮仩t的1/4，熱效率是空氣源熱泵的3倍，節(jié)能效果顯著。可廣泛用于礦井等大中型工礦企業(yè)及學(xué)校、醫(yī)院等日用洗浴熱水量需求不小于150噸的浴室。
此后，文龍中美研發(fā)團(tuán)隊乘勝追擊，空壓機(jī)余熱利用技術(shù)、礦井回風(fēng)熱能梯度高效利用技術(shù)、礦井水余熱高效利用技術(shù)等九大核心技術(shù)相繼登場亮相。其中，礦井回風(fēng)乙二醇雙級提熱熱泵技術(shù)，入選國家自然資源部發(fā)布的《礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用先進(jìn)適用技術(shù)目錄（2019）》，是該目錄中70項煤炭類技術(shù)中，唯一一項煤礦余熱資源化利用技術(shù)。
中國富煤貧油少氣的資源稟賦，決定了煤炭長期以來是中國工業(yè)的“主糧”。煤炭產(chǎn)業(yè)鏈條長，涉及面寬，很多技術(shù)都是一直在研發(fā)、升級中。如何讓傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)環(huán)保節(jié)能發(fā)展，是許多科研團(tuán)隊孜孜以求的攻堅目標(biāo)。文龍中美的礦井回風(fēng)乙二醇雙級提熱熱泵技術(shù)正是切中了這一時代命題。
礦井回風(fēng)是煤礦生產(chǎn)的生命線安全線，進(jìn)風(fēng)溫度必須大于2攝氏度。但是對于山西的忻州、大同乃至很多高緯度地區(qū)來說，冬天的溫度動輒零下二三十?dāng)z氏度，這幾十度的溫差之下，進(jìn)風(fēng)溫度提高到2度以上，無論用煤還是用電加熱，一刻都不能停，每年都是一筆很大的開支。
“全世界煤礦目前在采的中國最多，山西又是中國煤礦最多的省份之一。世界上最先進(jìn)的煤礦技術(shù)在山西，最實用、最先進(jìn)的煤礦節(jié)能環(huán)保技術(shù)也必然誕生在山西?！蔽凝堉忻赖呢?fù)責(zé)人如是說。公司專注于做節(jié)能技術(shù)服務(wù)方案解決商，2015年提出高寒地區(qū)礦井回風(fēng)熱能梯度高效利用技術(shù)的設(shè)想，從山西實際情況出發(fā)，把礦井出來的熱風(fēng)熱量，用公司研發(fā)的專業(yè)設(shè)備提取，采用熱能梯度高效利用方法，把進(jìn)風(fēng)溫度從零下二三十?dāng)z氏度加熱到規(guī)定溫度再送至井下。經(jīng)過兩年的研發(fā)和實驗，2018年，晉能控股集團(tuán)同忻煤礦首先使用了這項全世界唯一的技術(shù)。煤礦數(shù)據(jù)顯示，和傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t加熱相比，節(jié)約70%的費用，和電熱風(fēng)爐相比，節(jié)約2/3的費用。
立足省情和煤礦實際，在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中挖掘新技術(shù)，是山西省專精特新技術(shù)發(fā)展的一個特點。特別是節(jié)能減排和清潔能源、環(huán)保技術(shù)方面，山西有著得天獨厚的優(yōu)勢。近年來的實踐證明，任何一個技術(shù)只要能在節(jié)能環(huán)保方面有大的突破，就當(dāng)之無愧可以說是“單項冠軍”技術(shù)企業(yè)。
戴著節(jié)能環(huán)保技術(shù)“桂冠”的文龍中美，吸引了越來越多工礦企業(yè)的目光，催生了工礦企業(yè)余熱資源回收利用技術(shù)大面積推廣的“馬太效應(yīng)”。幾年來，文龍中美的“黑”科技，在晉能控股塔山煤礦等數(shù)十家煤礦企業(yè)相繼落戶，開花結(jié)果，成就了山西省域更多煤礦企業(yè)的“綠”事業(yè)，取得良好經(jīng)濟(jì)和社會效益。
■■ 聚焦煤礦充填多重目標(biāo)
一注達(dá)成
如何實現(xiàn)我國煤礦超大量三廢（固、液、氣）低成本地質(zhì)封存及生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展，是中國科協(xié)發(fā)布的2022十大工程技術(shù)難題之一。文龍中美研發(fā)的數(shù)智化覆巖離層注漿充填技術(shù)，正是重點解決這一難題的關(guān)鍵“密鑰”，是文龍中美瞄準(zhǔn)煤礦綠色開采而聚力攻關(guān)的第二大“黑”科技。
山西因煤而興，山西也受煤之困。
長期以來，傳統(tǒng)長壁式采煤方法由于暴露面積較大，無休止的地表塌陷——充填治理怪圈，成為困擾煤礦企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一大難題。無數(shù)采礦人不斷尋求控制地表塌陷，又充分復(fù)用煤基固廢（煤矸石、粉煤灰、煤泥等）更優(yōu)解。
采煤沉陷區(qū)治理同樣是得到高度關(guān)注的問題?！伴_展煤礦充填開采可行性研究”是國務(wù)院采煤沉陷區(qū)綜合治理部級聯(lián)席會議確定的11項重點工作之一，為掌握煤礦充填開采現(xiàn)狀和存在問題，探討推行充填開采技術(shù)的可行性，“因地制宜推廣高效充填開采等先進(jìn)工藝技術(shù)，降低采煤沉陷影響”成為煤礦充填技術(shù)研究方向。
文龍中美研發(fā)團(tuán)隊將目光鎖定煤礦充填技術(shù)研究。據(jù)文龍中美研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人介紹，煤礦離層注漿技術(shù)在上個世紀(jì)80年代引進(jìn)我國，相繼在遼寧老虎臺、河北開灤等地實踐，后因設(shè)備工藝、支撐理論等瓶頸制約逐漸暫停。21世紀(jì)初，中國礦大研究團(tuán)隊，經(jīng)過反復(fù)改進(jìn)和提升，該技術(shù)在兩淮地區(qū)再次興起。
山東、陜北、內(nèi)蒙古等地的部分礦井，地層中的關(guān)鍵層，具有厚度大，強(qiáng)度高，埋深適中，連續(xù)性好等特點，被稱之為典型關(guān)鍵層。但典型關(guān)鍵層的賦存條件相對理想化，我國大部分煤礦中非典型關(guān)鍵層賦存則比較普遍。以我國山西太原、長治為例，如西山煤電屯蘭礦、山煤國際霍爾辛赫礦等，其緩慢下沉帶地層中的所謂關(guān)鍵層，具有厚度不太厚，強(qiáng)度不太高，連續(xù)性不夠好的特點，被稱之為非典型關(guān)鍵層。
在這種地層條件下，繼續(xù)采用典型關(guān)鍵層下注漿控制技術(shù)，往往出現(xiàn)效果不盡如人意，反復(fù)跑漿、地層斷裂等現(xiàn)象。
鑒于此，數(shù)智化覆巖離層注漿充填技術(shù)應(yīng)運而生。
對于如何保持離層注漿效果的長期穩(wěn)定性，以及保證受護(hù)對象長久安全的使用。文龍中美團(tuán)隊采用“腳穿鞋、頂戴帽”的綜合處理措施來實現(xiàn)。
所謂“穿鞋”是將檢查孔打入煤層底板以下，通過高壓旋噴加固技術(shù)將漿液注入到穩(wěn)定的地層中，在受護(hù)建構(gòu)筑物底部區(qū)域形成穩(wěn)定的可以對地基承載力加強(qiáng)的底部支撐。“戴帽”指提前對上覆巖層中可能產(chǎn)生離層的巖層進(jìn)行預(yù)判，對檢查孔中此地層所在的位置進(jìn)行射孔操作。并進(jìn)行壓水監(jiān)測，以判斷離層的發(fā)育情況，一旦有漏失現(xiàn)象發(fā)生，即進(jìn)行二次注漿操作。實際操作中，將粉煤灰、煤泥、煤矸石等煤基固廢與礦井水混合配比成漿液，通過地面鉆孔向關(guān)鍵層下方采動裂隙注漿充填。注漿凝固后，產(chǎn)生“壓下托上”作用，在關(guān)鍵層下方形成全域支撐體，有效阻止關(guān)鍵層斷裂，防止地表塌陷。
通過“穿鞋帶帽”技術(shù)的實施，可對建/構(gòu)筑物的地基承載力進(jìn)行行之有效的加強(qiáng)，同時對于離層注漿減沉技術(shù)實施后可能產(chǎn)生的地層滯后下沉現(xiàn)象。該技術(shù)應(yīng)用包括“三下”采煤、沉陷控制、處置固廢、減震防沖、保水開采等，實現(xiàn)了多重目標(biāo)一“注”達(dá)成，綠色開采安全高效。
首先，我國“三下”壓煤量巨大，尤其在埋深大、煤層層數(shù)多的礦區(qū)。該技術(shù)應(yīng)用不僅保護(hù)了地面建筑物、鐵路、地下水體不被破壞，而且實現(xiàn)多出煤、降成本、高效率、保安全、解放壓覆煤炭資源、提高資源回收率。
其次，地表減沉技術(shù)最廣泛適應(yīng)于建/構(gòu)筑物壓煤開采。推廣應(yīng)用后，實現(xiàn)了“三下”安全開采，建/構(gòu)筑物下沉系數(shù)小于0.1，處于規(guī)范允許變形以內(nèi)。
第三，處置固廢?！半p碳”目標(biāo)下，煤礦面臨固廢減排和綜合利用迫切需求。該技術(shù)處理粉煤灰、煤矸石、煤泥等固廢，實現(xiàn)無害化減排目的。
第四，減震防沖。該技術(shù)能夠防止堅硬巖層破斷，減小其能量釋放，減緩實體煤應(yīng)力集中，從而實現(xiàn)減震防沖目的。
第五，保水開采。該技術(shù)通過控制關(guān)鍵層不破斷，降低充填層位以上巖層破裂程度，使其免于長壁開采導(dǎo)致的滲透性增加，從而減少淺部含水層向下滲流，達(dá)到保水效果，在干旱、半干旱礦區(qū)水資源保護(hù)中具有重要意義。
總之，這項控制關(guān)鍵層不斷裂的源頭技術(shù)，在不改變工作面采煤工藝與裝備的同時，保證地面注漿與井下采煤互不干擾、同步實施，一舉實現(xiàn)提高資源回收率、延長礦井服務(wù)年限、保護(hù)含水層資源、減少沖擊地壓、保護(hù)地面建（構(gòu)）筑物、保護(hù)土地與環(huán)境、無害化處置煤基固廢等多重目標(biāo)，突破了我國煤礦綠色開采技術(shù)難題，為煤炭開采開啟全生命周期“綠色循環(huán)之旅”。
2021年10月，數(shù)智化覆巖離層注漿充填技術(shù)首先在山西焦煤山煤國際霍爾辛赫煤礦3501工作面推廣，目前該礦一期工程勝利竣工。經(jīng)測算，可釋放“三下”壓覆煤量約51萬噸，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益3.7億元。每年處理矸石70萬噸，節(jié)約矸石處置費3400萬元。每年處理礦井水1156立方米，節(jié)約處理費208萬元，節(jié)約地表附著物遷建、修復(fù)等費用5854萬元。
一期工程結(jié)束后，項目評審組一直認(rèn)為，文龍中美的這項技術(shù)，在霍爾辛赫礦的成功實踐，不僅解決了非典型關(guān)鍵層下注漿控制沉漿工程中，易跑漿、效果差等現(xiàn)象，豐富了離層注漿理論，也可有效解決我國許多地區(qū)，非典型關(guān)鍵層下的煤炭解放難題。
項目上報集團(tuán)后，也得到集團(tuán)外聘專家的交口稱贊，認(rèn)為這項技術(shù)不僅解決了許多技術(shù)難題，經(jīng)濟(jì)價值也十分可觀。一是效果好。地面一注能夠有效保護(hù)建/構(gòu)筑物、工業(yè)設(shè)施與環(huán)境，損傷低。二是效率高。技術(shù)操作不繁瑣，只需地面打孔注漿，無需對采面做任何改變，無需專用充填支架，不改現(xiàn)有采煤工藝，充填與采煤同步實施干擾最小，單工作面年產(chǎn)量可達(dá)300萬t/a。三是成本低。覆巖離層注漿充填使用的材料是煤基固廢，可就地取材，不僅來源廣、成本低，而且無害化處置、減輕環(huán)保壓力，綜合充填成本僅需40元/噸-60元/噸。關(guān)鍵還能有效利用煤基固廢，無需申請排堆場雇人拉運，免除固廢污染后顧之憂。四是適應(yīng)廣。覆巖離層注漿充填技術(shù)，憑借強(qiáng)大的適用性，已成功用于綜采、綜放工作面、單一煤層及多煤層開采，最大采厚達(dá)9米。
山西焦煤山煤國際霍爾辛赫煤礦3501工作面的試采成功，為解決山西省這個煤炭大省諸多高產(chǎn)高效礦井受“三下”壓煤困擾問題，以及大量固廢煤矸石的堆放及環(huán)境污染問題，提供了十分寶貴的可借鑒經(jīng)驗，具有可持續(xù)發(fā)展示范效應(yīng)，社會效益潛力巨大。
■■ 聚焦火電機(jī)組深度調(diào)峰
以煤代油
近年來，風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源電力行業(yè)高速發(fā)展，正在引領(lǐng)新一輪能源革命。隨著新能源電力在電力系統(tǒng)中占比將逐步提高，對電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力提出了更高的要求。時間上，風(fēng)光發(fā)電受自然環(huán)境影響，發(fā)電波動性較大，且出力往往同用電負(fù)荷不匹配?？臻g上，風(fēng)光裝機(jī)主要分布在東北、華北北部和西北地區(qū)，與用電負(fù)荷較高的中東部地區(qū)存在空間上的不匹配。
為了維持棄風(fēng)棄光率在合理范圍，亟需通過加大調(diào)峰能力建設(shè)投入，來持續(xù)推動消納水平的提升。此時，文龍中美研發(fā)的大調(diào)節(jié)比燃燒器深度調(diào)峰技術(shù)，作為又一項“黑”科技，應(yīng)運而生。
該技術(shù)通過融合煤粉燃燒技術(shù)、中頻電加熱技術(shù)和兩相流輸送技術(shù)，一舉突破冷爐條件下直接點燃煤粉燃燒器的難關(guān)，可使火電機(jī)組降低負(fù)荷75%。2018年8月，在哈爾濱鍋爐廠有限公司30MW試驗臺成功完成熱態(tài)試驗。2019年5月，開始在山西焦煤武鄉(xiāng)電廠2#發(fā)電機(jī)組工業(yè)化應(yīng)用。2021年1月完成調(diào)試。同年10月山西省能源局委托山西省電科院完成驗收。
該項目順利完成國家電網(wǎng)對2#機(jī)組純凝工況下最小出力試驗、AGC試驗、一次調(diào)頻試驗三項驗收，各項參數(shù)均符合規(guī)定。武鄉(xiāng)電廠因此成為山西省調(diào)峰能力達(dá)到35%額定負(fù)荷且通過國家電網(wǎng)驗收的電廠。
項目投入使用后，1臺600MW機(jī)組1年調(diào)峰2000小時，可消納2.4億Kwh新能源電力，節(jié)約標(biāo)煤8萬噸，且不產(chǎn)生固廢、廢水及廢氣，在一定程度上減少油氣依賴，大量消納新能源，實現(xiàn)鍋爐全煤種燃燒和深度調(diào)峰能力。
近年來，新能源電力快速發(fā)展，裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，新能源發(fā)電出力及發(fā)電量屢創(chuàng)新高。為優(yōu)先消納新能源，受國家政策干預(yù)影響，火電機(jī)組長時間停機(jī)備用，受制于設(shè)備安全及可靠性，火電機(jī)組不能短時頻繁啟停，造成晚高峰新能源小發(fā)時段電力保供能力下降，而大調(diào)節(jié)比燃燒器深度調(diào)峰技術(shù)的出現(xiàn)，根本解決了這一難題，啟停變得越來越得心應(yīng)手。
參與評審的多位專家指出，這是一項去油化、革油命的顛覆性技術(shù)，是火電機(jī)組調(diào)峰新常態(tài)下靈活性改造首選，將徹底擺脫對油的依賴，對解決我國富煤貧油少氣問題具有重大戰(zhàn)略意義。同時，在“雙碳”經(jīng)濟(jì)背景下，火電的深度調(diào)峰能力將實現(xiàn)清潔能源與傳統(tǒng)能源優(yōu)勢互補(bǔ)，發(fā)揮出巨大的協(xié)同作用。
2022年以來，國家繼續(xù)統(tǒng)籌指導(dǎo)煤電企業(yè)著力抓好煤耗300克以上機(jī)組，特別是亞臨界機(jī)組節(jié)能降碳改造、大型風(fēng)光基地配套煤電靈活性改造、東北地區(qū)和工業(yè)園區(qū)供熱改造，逐步降低煤電裝機(jī)占比和發(fā)電量占比，進(jìn)一步提升煤電靈活調(diào)節(jié)能力和清潔高效水平。
4月20日召開的國務(wù)院常務(wù)會議明確，要推動煤電機(jī)組節(jié)能減排改造、靈活性改造、供熱改造，提高能源使用效率，2022年煤電機(jī)組改造升級規(guī)模將超過2.2億千瓦。
5月10日，國家發(fā)改委等六部門聯(lián)合印發(fā)《煤炭清潔高效利用重點領(lǐng)域標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平（2022年版）》，為燃煤發(fā)電機(jī)組、燃煤供熱鍋爐等劃定各類指標(biāo)基準(zhǔn)線，對標(biāo)“雙碳”目標(biāo)任務(wù)，加大財政資金支持力度。
有學(xué)者表示，從政策端來看，“十四五”期間，國家大力鼓勵火電企業(yè)發(fā)展靈活性改造，強(qiáng)調(diào)存量煤電機(jī)組應(yīng)改盡改，預(yù)計“十四五”期間將完成2億千瓦，對應(yīng)市場空間超過300億元。
事實證明，煤電機(jī)組完全具備靈活性改造效果好、性價比高、周期短的特點，因此可以說火電靈活性改造中推廣應(yīng)用文龍中美研發(fā)的大調(diào)節(jié)比燃燒器深度調(diào)峰技術(shù)，將是“十四五”期間推動新能源消納最重要的手段之一。
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