可觀察巖石微觀結(jié)構(gòu)、模擬井下力學試驗等儀器裝備達586臺(套)，承擔多個國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目等，研發(fā)深部低滲煤層增透與瓦斯災害防控、細粒煤戰(zhàn)略資源高效浮選等關(guān)鍵技術(shù)，獲首屆“國家卓越工程師團隊”榮譽稱號……近年來，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室碩果累累。

近日，記者走進位于河南省平頂山市、鄭州市的煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室，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)全國重點實驗室前身可追溯至2012年，當時的深部煤炭資源開發(fā)與化工多聯(lián)產(chǎn)工程技術(shù)研究中心啟動建設(shè);2015年，煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室獲科技部批復，并于2022年成為首批進行重組的能源領(lǐng)域國家重點實驗室之一;2023年3月，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室正式獲批建設(shè)，依托單位為中國平煤神馬集團、鄭州大學以及中國礦業(yè)大學。

作為稀缺的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，煉焦煤是推動煤炭由燃料變原料、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、高地應力、高地溫“三高”開采環(huán)境，亟需構(gòu)建深部復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)條件精細化識別、深部巷道圍巖控制與高效掘進、井下多場景熱害協(xié)同治理等關(guān)鍵技術(shù)方面取得積極進展。”煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室主任、中國平煤神馬集團首席科學家張建國表示。

結(jié)合多年來企業(yè)的探索經(jīng)驗，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室重組后，確定了首批多個重大科技攻關(guān)項目，涵蓋稀缺煉焦煤分選全流程重點實驗室建設(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)項目。

煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室執(zhí)行副主任王滿告訴記者，圍繞上述關(guān)鍵項目，該實驗室研發(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、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、微細粒含量高，浮選面臨黏土—煤粒罩蓋嚴重、回收率低等難題。我們研發(fā)了多段鋸齒圓盤渦輪強制剪切調(diào)漿技術(shù)與裝備，實現(xiàn)了藥劑分散與細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七星選煤廠開始應用，如今已更新到第三代并推廣應用了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個百分點以上，企業(yè)利潤年增加千萬元以上。

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

成立以來，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室獲批多個國家級和省級重點研發(fā)項目，授權(quán)發(fā)明專利181項、國際發(fā)明專利16項，制定國家標準1項、能源行業(yè)標準3項，發(fā)布省部級工法3項，并獲得國家級、省部級科技進步獎項。

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

如今，該實驗室根據(jù)儀器設(shè)備主要功能，分為力學性質(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，支撐團隊開展測試活動。

聚焦綠色開發(fā)與副產(chǎn)品高值轉(zhuǎn)化

位于鄭州大學的煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室的實驗場地與儀器設(shè)備更偏向于精密化。該實驗室固定成員、鄭州大學化工學院教授涂維峰告訴記者，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室聚焦煉焦煤資源綠色轉(zhuǎn)化方向，開展焦爐煤氣轉(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)全國重點實驗室是以產(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，所以我們實驗室60%的工作聚焦于工業(yè)催化劑的設(shè)計與研究。”涂維峰表示。

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

“一種成熟的工業(yè)催化劑從研發(fā)到工業(yè)應用，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篩選結(jié)果。我們基于工業(yè)催化劑‘理性設(shè)計、可控制備’理念，創(chuàng)立了動態(tài)現(xiàn)場原位譜學技術(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—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、多組分并行的復雜環(huán)境中進行。催化劑結(jié)構(gòu)及活性中心始終處于動態(tài)變化之中，遵循自身的全生命周期。

因此，該實驗室研發(fā)了催化反應原位—動態(tài)環(huán)境和涉及外場作用條件下對催化表界面和反應中間體進行高時空分辨和高靈敏表征的新技術(shù)，組建了具有國際先進水平的原位動態(tài)分子光譜實驗室，擁有動態(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、失活等全生命周期內(nèi)進行深度解析。

“我們基于原位譜學技術(shù)輔助的工業(yè)催化劑研究方法，設(shè)計了一氧化碳、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)全國重點實驗室圍繞煉焦副產(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)，焦爐煤氣、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，該實驗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步獎一等獎、河南省自然科學獎一等獎等。

串聯(lián)起產(chǎn)學研用研發(fā)模式

如今，煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室擁有固定成員193人，積聚中國工程院院士張鐵崗、中國科學院院士吳養(yǎng)潔等戰(zhàn)略科技人才。該實驗室擁有博士學位的人員占比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、碩士研究生等流動人才，共同參與實驗測試研究、科研攻關(guān)等。

張建國介紹，該實驗室實行理事會領(lǐng)導下的主任負責制，重組以來召開多次理事會會議、學術(shù)委員會會議，構(gòu)建以中國平煤神馬集團為核心、鄭州大學與中國礦業(yè)大學為兩翼、校企多層級研發(fā)平臺協(xié)同集成研發(fā)體系。同時，該實驗室建立常態(tài)化協(xié)同辦公機制，通過月度線上調(diào)度、季度線下會商，確保研發(fā)攻關(guān)工作穩(wěn)步推進。

另外，該實驗室也在不斷細化管理制度。2025年1月，該實驗室制定了《煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點實驗室科研成果獎勵辦法》，獎勵范圍涵蓋全國重點實驗室固定人員取得的科研成果，包括論文、著作、專利和技術(shù)標準。2025年3月，該實驗室與科研人員簽訂年度實驗研究目標責任狀，確保相關(guān)項目順利推進。

據(jù)統(tǒng)計，2025年，該實驗室研究總機時共計87304小時，對外服務(wù)總機時2980.5小時。2025年，先后有10名博士研究生和15名碩士研究生在該實驗室進行研究，使用實驗設(shè)備總機時約3600小時。

在國際交流合作方面，該實驗室與俄羅斯、蒙古國、日本等國家的企業(yè)、學者展開了交流合作。2025年4月，國家重點研發(fā)計劃“政府間國際科技創(chuàng)新合作”重點專項年度進展交流會在該實驗室中國礦業(yè)大學場地舉行，蒙古國科學院與該實驗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。該實驗室創(chuàng)建舉辦的“材能”論壇上，國內(nèi)外專家經(jīng)常授課指導，截至目前已舉辦十幾期。

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

如今，該實驗室正在謀劃搬入平頂山白龜湖新科創(chuàng)基地。面向“十五五”，該實驗室將重點研究深部多場耦合環(huán)境的災害智能化防控技術(shù)裝備、構(gòu)建復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。