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让人类对煤炭资源有爱无恨

2017-1-3 16:13 |原作者: 谢昱航|来自: 企业观察报

摘要: 人类对煤炭资源的态度,可以用“又爱又恨”来形容。一方面,煤炭是人类的主要能源,在我国尤其如此。煤炭是我国储量最丰富的化石能源,占比达96%;在一次能源消费中,煤炭长期占70%左右(2015年为63%),预计到2030 ...


人类对煤炭资源的态度,可以用“又爱又恨”来形容。一方面,煤炭是人类的主要能源,在我国尤其如此。煤炭是我国储量最丰富的化石能源,占比达96%;在一次能源消费中,煤炭长期占70%左右(2015年为63%),预计到2030年,仍占一次能源消费的55%左右。另一方面,煤炭的大量使用,也给人类带来一些麻烦。


首要的是煤炭使用对大气的污染。煤炭被指是雾霾的罪魁祸首,国际环保机构自然资源保护协会表示,煤炭直接燃烧对PM2.5贡献率为31%,非直接燃烧贡献率为31%,总和为62%。除了大气排放,还有开采过程中对水资源的破坏、对地表生态的破坏等。

不管批评者如何反对煤炭资源的使用,一个不容争议的事实是,人类还离不了煤炭资源。既然离不了,那就只能想办法减少煤炭资源的开采和使用对环境造成的损害。这已成为人类社会的一大课题,在这个领域的研究取得任何突破,都会给人类社会带来福祉。

有幸看到,一家中国企业成为了探路前锋,他们走在了科技的前沿,取得了令人瞩目的成就。这家企业就是神华集团。神华集团不但在燃煤电厂通过“超低排放改造”,使大气排放物达到或低于燃气机组排放标准,而且大力推动煤炭清洁转化,使煤炭变成清洁的油品、变成聚乙稀、聚丙稀等清洁化工原料。更重要的,他们针对煤炭开采对水资源和地表生态造成破坏的行业难题,开展技术攻关,取得的成果“煤炭开采水资源保护利用与地表生态修复”,产生了可观的经济效益和社会效益,获得全国专利金奖。国家知识产权局在评价该技术时说,该专利在世界范围内处于技术垄断地位,具有专利控制力。

神华集团的实践让人们看到,把煤炭资源对环境的影响控制在最小范围,让煤炭资源只造福人类而不带来伤害,实现人类对煤炭资源的“又爱又恨”向“有爱无恨”转变,并不是遥不可及的梦想。

地下水资源破坏是煤炭产业发展的“拦路虎”

神华集团是以煤炭为基础,集煤矿、电厂、铁路、港口、航运、煤制油煤化工一体化开发,产、运、销一条龙经营的综合型能源企业集团,国内规模最大、现代化程度最高、实力最强的煤炭企业和全球最大的煤炭经销商。

地下水资源破坏是煤炭开发面临的重大问题。煤炭开采过程中,每生产1吨煤平均产生2吨矿井水,我国煤炭年产量约38亿吨,每年约产生矿井水80亿吨。矿井水一直被视为井下的危险源,为了井下安全生产需将矿井水抽采到地面,而地面缺乏大容量、经济的储水设施,矿井水利用率仅为25%左右,大部分水经处理达标后排放,造成大量水资源浪费。目前,我国煤炭开采每年损失矿井水60亿吨,相当于我国每年工业和民用缺水量的60%。

水是紧缺资源。占世界人口总数40%的80个国家和地区严重缺水。中国也是缺水国家,我国人均水资源量仅占世界的四分之一左右,每年缺水500亿吨,655个城市中现在有近400个城市缺水。

煤炭开采要损失大量的地下水,而煤炭产业本身却是水资源消耗的重点产业。煤炭全产业链水资源消耗占能源产业水耗的一半以上,全球煤炭开发利用的水资源消耗量超过360亿吨,中国煤炭开发利用全产业链的水资源消耗每年超过180亿吨。这更让煤炭开采造成的地下水损失显得不可容忍。

煤炭开采也严重损伤地表。据统计,万吨煤开采损伤土地约0.2公顷。目前全国采煤沉降损伤土地面积已达100万公顷,但矿区地表生态修复率一直不足30%。水资源短缺成为制约矿区生态修复的关键因素。

严重的水资源浪费,成为煤炭行业发展路上的一大“拦路虎”。要让煤炭科学开采,让煤炭产业清洁发展,必须攻克这一产业难题。而中国水资源分布严重不均的特点,使水资源保护的攻关紧迫性进一步显现。

我国淮河流域及以北地区国土面积占全国的63.5%,但是水资源量仅占全国的19%。特别是西部的晋、陕、蒙、宁、甘5个省区,水资源量仅占3.9%。然而,西部是煤炭开采的主战场,上述5个省区,煤炭储量占我国探明的三分之二左右,产量占全国的70%左右。神华集团80%以上的煤炭产量就集中在我国西部地区。尤其西部矿区的地下水资源保护和利用难度大,那里蒸发量是年降雨量的6倍左右,大量矿井水外排后很快蒸发损失。在中国西部,水资源短缺、生态脆弱和煤炭资源开发利用之间的矛盾非常突出。

20年攻关让“水害”变“水利”

直面矛盾,神华人认为要彻底解决问题,只能走科技创新的路。1996年,“煤炭开采水资源保护利用与地表生态修复”科技创新团队应运而生。

团队由中国工程院院士、神华集团科技发展部总经理顾大钊领衔。顾大钊是我国矿山建设井巷特殊工程领域的第一位博士。在澳大利亚进行博士后研究期间,研制出被国外学者称为“顾氏材料(Gustone)”的相似材料。1995年以来,长期从事西部煤炭开采水资源保护利用技术研发和工程实践(他提出了煤矿地下水库储用矿井水的技术思想,建立了煤矿地下水库理论框架和技术体系,奠定了我国在此技术领域的国际领先地位),先后获国家科技进步一等奖1项、二等奖4项。

一开始,研发沿着三条技术路线往前推进:一是想办法在煤炭开采过程中不产生矿井水;二是如果有水了,井下不敢存,能不能把水存在地面;三是把水存在井下。三条技术路线同时进行,最终发现前两条技术路线行不通──西部大规模、高效率煤炭开采必然产生矿井水;把水排到地表,因为地表蒸发量非常大,水根本就保不住。没有办法,只能走第三条路。

第三条路线,就是在煤炭开采的过程中,不把水排到地表而是存在井下,不仅供井下使用,还供给地面。把水储存在井下,需要解决三个问题:一是井下到底能不能存水?二是井下能不能多存点水?三是井下能不能把矿井水全存住,不外排。

围绕这三个问题,科技团队做了整整近20年的攻关。从1996年到1998年,建成了第一个工作面储水设施,存了5万方水。证明可以储水,然后,把每一个工作面加大,将好多工作面连到一块,扩大了储水空间;从1998年一直到2006年,做成了第一个地下水库,能储60万方水,但是还会往地面排水;从2006年一直到2010年,在不同煤层、不同区域做很多的水库,然后把水库连接,到2010年,终于建成了第一个分布式地下水库──大柳塔煤矿分布式地下水库工程,储水量710万方。

大柳塔煤矿分布式地下水库工程实现了矿井水零排放,保护了水资源;同时建成地面沉陷区生态示范工程。该项成果为解决我国煤炭开采领域普遍存在的矿井水利用率低、水资源损失严重、地表生态损伤修复差的问题提供了有效的技术途径。尤其是将矿井水的处置模式由“外排—蒸发损失”变为“储存—保护利用”,实现了化“水害”为“水利”,既大幅提高了矿井水利用率,又保障了煤炭的安全、高效开采,探索出了煤炭资源开采与水资源保护利用的协调发展模式,为保护和利用我国每年因煤炭开采损失的60亿吨矿井水提供了有效的技术支撑,对实现煤炭绿色开采具有重大意义。

由于项目成果形成了针对我们西部矿区煤炭开采水资源保护利用与地表生态修复方面的成套技术体系,使得我国在相关领域处于全球领先水平。截至目前,该技术共获得水资源保护利用与地表生态修复方面的专利授权40项以上,相继获2014年国家科技进步二等奖、第十七届中国专利金奖。

经济效益与社会效益双丰收

地下水库技术成熟后,在世界最大的井工矿区——神华神东矿区得到全面推广应用。神东矿区2014年一年用水量是6800万方,95%以上即6500万方的水来自煤矿地下水库里的水,解决了神东矿区生产、生活和生态的用水问题。不仅如此,煤矿地下水库的水还供给地面电厂、煤制油煤化工厂。截至2015年12月,在神东矿区建成煤矿地下水库35座,储水2580万方,煤矿地下水库提供了矿区生产、生活和生态用水的95%以上。近三年,煤矿地下水库供水量近2亿方,为矿区发展提供了水资源保障。

实践证明,这套技术不但管用,而且安全。目前,在神东矿区,每一个水库里面有多少水,水位有多少,水量有多少,水库周边的坝体的应力变形是什么样的,地面每个人的手机上都可以实时反映出来。世界煤炭协会认为这个项目是世界首创,而且值得世界主要产煤国推广。

为推广应用煤矿地下水库技术,神华集团先后于2014年12月、2015年2月召开两次集团层面会议,要求在总结归纳神东矿区煤矿地下水库技术与示范工程建设经验基础上,全面推广应用煤矿地下水库技术,保护利用矿井水资源;集团公司统筹科研经费,在2015年进行科技项目立项,开展技术攻关,推进各矿区煤矿地下水库技术研发与示范工程建设;目前在神华大雁矿区、宝煤、宁东矿区、榆神矿区、新疆矿区正在进行关键技术研发与示范工程建设。

地下水库技术的经济效益非常明显。以神东为例,神东现在每年大概用水7000万方,如果没有这个技术,一方水的成本是15块钱以上,现在神东除了需要外调300万方水完全可以自给自足,这个项目每年给神东创造直接经济效益超过10个亿元。据统计,近3年共计为神华节约购水费用、矿井水外排处理费用28.52亿元。

社会效益也是有目共睹的。由于在神东矿区地表生态保护方面采取了一系列技术,一方面在煤炭开采过程中减少对地表生态的损伤,另一方面充分利用保护住的水资源,加强生态恢复。把存在地下的水抽到地面来,根据需要进行喷灌或者滴灌,极大地改善了地表生态。神东矿区原来是沙漠化矿区,在神东矿区开发之前,地表植被覆盖率是3%到11%,现在地表植被覆盖率超过了80%。

神东不仅是世界最大的矿区,也是世界上最缺水的矿区。因为技术上的突破实现了两个转变:一是西部矿区原来是耗水大户,现在变成了一个水源地,不仅可以自己用,还可以给外部供水;另外还有一个转变就是使原来沙漠化的地表生态变成了绿洲。

不断追求科技创新红利

多年的攻关中,研究团队围绕煤炭开采水资源保护利用与地表生态修复,从煤炭开采水资源保护、煤炭开采水资源处理与利用、煤炭开采地表生态减损与修复三个技术方向,突破了一个个技术难题,取得的成果远不止“地下水库”一项。
比如,“大型能源基地生态恢复技术与示范”项目,针对大型能源基地环境保障和生态建设的技术需求,通过不同尺度生态脆弱区大型能源基地的生态效应评估与决策方法及应用研究,为我国大型能源基地的可持续发展提供生态环境保护与恢复的关键技术支撑和科学决策与评价支持。围绕该项目,共获得中国专利9项(其中发明专利3项),发表学术论文110篇。

比如,“千万吨矿井群资源与环境协调开发”项目,突出矿区群的资源与环境协调开发的核心,重点开发协调煤炭资源开发条件与现代开采工艺和技术、煤炭资源开发与水资源保护与利用、煤炭资源开发与矿区生态环境保护及经济型开发之间关系的关键技术与方法。通过实施该项目,获中国授权专利12项(含发明专利6项)国内外发表论文88篇(含三大检索19篇)等。查新与检索表明,成果中的主要指标近五年处于国际领先。该项目研究成果获2012年度国家科技进步二等奖。

在神华集团的发展中,科技创新的作用得到充分显现。神华拥有煤炭、电力、铁路、港口、航运、煤制油煤化工产业,可以说在每个产业都有不俗的表现。煤炭开发上,神华目前的开采效率和安全性居世界领先地位(神东煤炭集团全员工效最高的时候达到126吨,目前还在80多吨,而美国全员工效是40吨左右,我国整个的全员工效平均大概是8吨左右);在煤炭利用上,神华煤炭发电排放的主要污染物(粉尘、二氧化硫和氮氧化物)比燃气电厂的排放标准还要低;在煤炭转化上,神华建成了世界第一条年产100万吨煤直接液化的生产线,在煤制烯烃、间接煤制油等方面都走在了行业的前列。神华人自己总结,这么多年取得的发展,都和科技创新、科技进步密切相关。

神华的科技创新实践,充分显现了一个央企的创新主体作用。为了继续承担主体使命,神华已经在科技团队建设和人才培养激励等方面做好了准备,并将不断注入新能量。2015年,神华集团“煤炭开采水资源保护与利用”实验室成为国家重点实验室。依托这一重要平台,神华整合各类专门技术人才,成立了专门研发与示范工程技术团队。并将面向国内外引进一批“煤炭开采水资源保护利用与矿区生态修复技术”方面的领军研发人才,充实现有研发团队。

为保证科研投入,神华集团统筹科研经费,集中支持煤炭开采矿井水保护利用、地表生态修复方面的科技攻关,并依托神华西部主要矿区,开展试验验证和工程示范。而且积极推动人才体制机制的创新,建立了较完善的成长通道和激励机制。比如打通神华科技人才的成长通道,为承担国家科技项目和重大战略研究项目提供配套经费支持,制定实施科技成果转化创效的分配机制。

神华以自己的实践证明,科技是一个“暴利行业”:投入三百万,获得收益是一百个亿。按照这个投入收益比,神华今天在科技创新方面的布局,未来会产生什么收益,令人期待。或许,人类对煤炭资源“有爱无恨”的态度,会加快到来。

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