古文哲,楊寶貴,顧成進(jìn)
(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083;2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710054)
煤炭是我國的基礎(chǔ)能源,安全高效的運輸系統(tǒng)是支撐煤炭行業(yè)穩(wěn)定運行,保證國家能源供給安全,促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重要保障[1]。煤炭生產(chǎn)、銷售和利用過程中都面臨著龐大的運輸任務(wù),且除了煤炭運輸之外,礦山企業(yè)還面臨著大量伴生產(chǎn)物以及工業(yè)固廢的運輸負(fù)擔(dān)[2]。目前,煤炭行業(yè)運輸系統(tǒng)形成以鐵路為主,公路和水路為輔的格局[3],管道輸送作為一種傳統(tǒng)流體物料輸送技術(shù),在煤炭運輸領(lǐng)域占有的比重較小。但近年來,隨著大紅山鐵礦、甕福磷礦等管道輸送項目的穩(wěn)定運行,管道輸送技術(shù)在金屬礦山運輸領(lǐng)域擁有良好使用效果和用戶反饋,煤炭行業(yè)也逐步開始探索管道運輸模式。2020年隨著神渭管道輸煤項目的全線通車,標(biāo)志著我國管道輸煤技術(shù)在工程實踐中取得重大突破。管道輸送技術(shù)也逐漸引起行業(yè)的重視。
目前,在生態(tài)優(yōu)先的發(fā)展理念下,我國煤炭工業(yè)也在積極探索綠色、低碳、清潔改革之路,煤炭行業(yè)運輸系統(tǒng)的綠色轉(zhuǎn)變將成為未來發(fā)展的必然趨勢。陳浮[4]指出當(dāng)前環(huán)境下,如何綠色科學(xué)的采煤、運煤、用煤是實現(xiàn)“30·60”目標(biāo)的關(guān)鍵;沈筱[5]提出在低碳經(jīng)濟(jì)背景下,應(yīng)該優(yōu)化運輸體系,提高物流效率,探索綠色運輸模式,加強政企合作制定相關(guān)產(chǎn)業(yè)措施,提高煤炭行業(yè)綠色物流水平。管道運輸作為一種綠色運輸方式,是煤炭行業(yè)綠色變革的重要組成部分。盡管在煤炭運輸領(lǐng)域工程應(yīng)用較少,但不少學(xué)者已針對管道輸送技術(shù)在煤炭領(lǐng)域的應(yīng)用展開了深入的研究。于新勝[6]、馬妍[7]、鄧自剛[8]等學(xué)者認(rèn)為管道輸煤對地形的適應(yīng)性強,且具有高效、環(huán)保、低損耗等優(yōu)勢,并指出管道輸煤構(gòu)建的新型煤炭物流體系可作為鐵路和公路運輸?shù)挠行аa充,具有重要的戰(zhàn)略意義;蔣煜[9]從煤炭清潔加工利用與現(xiàn)代煤化工發(fā)展需求角度分析了管道輸煤技術(shù)發(fā)展的趨勢,指出廢水制漿技術(shù)是煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級重點研究方向之一;梁霏飛[10]結(jié)合神渭管道輸煤項目的設(shè)計及工程經(jīng)驗總結(jié)了長距離輸煤管道煤漿制備技術(shù)工程應(yīng)用的最新成果,提出長距離輸送矸石及電廠、煤化工尾渣等煤基固廢的是未來的研究方向;吳磊[11]研究認(rèn)為管道輸煤技術(shù)在露天礦坑內(nèi)具有應(yīng)用前景,且技術(shù)可行,但經(jīng)濟(jì)性是否合理需要綜合輸送距離等多因素進(jìn)行分析。
綜上所述,目前國內(nèi)學(xué)者針對管道輸送在煤炭行業(yè),特別是煤漿輸送方面進(jìn)行了一定的研究,并取得了一定成果,但很少有學(xué)者就管道輸送技術(shù)在煤炭行業(yè)的適用性以及對運輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行深入研究。為此,本文通過分析煤炭行業(yè)運輸現(xiàn)狀、運輸結(jié)構(gòu)特點和存在的問題,探索管道輸送技術(shù)在煤炭領(lǐng)域的應(yīng)用前景和技術(shù)優(yōu)勢,并對其具體的適用性以及工藝流程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,為煤炭行業(yè)運輸模式選擇提供了新思路,為優(yōu)化行業(yè)運輸結(jié)構(gòu)、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性、實現(xiàn)綠色物流奠定了基礎(chǔ)。
煤炭是我國的基礎(chǔ)能源,但煤炭分布與煤炭需求的空間差異決定了我國“西煤東運”和“北煤南運”的總體格局[12]。我國的煤炭產(chǎn)地主要集中在內(nèi)蒙古、山西、陜西和新疆等西北地區(qū),而煤炭消耗大省山東、江蘇等主要分布在我國的東南地區(qū),相關(guān)部門預(yù)測“十四五”期間我們煤炭生產(chǎn)集中度將進(jìn)一步提高,煤炭運輸任務(wù)將更加艱巨。除此之外,煤炭行業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的伴生產(chǎn)物以及工業(yè)固廢,據(jù)統(tǒng)計2020年,我國產(chǎn)生煤基固廢約15億t,其中煤矸石約7.95億t,因此,煤炭行業(yè)面臨嚴(yán)重的運輸負(fù)擔(dān)。
目前,我國煤炭行業(yè)運輸系統(tǒng)呈現(xiàn)以鐵路為主公路和水路為輔的運輸結(jié)構(gòu)[13]。水路運輸受地理因素限制,發(fā)展?jié)摿ο鄬^??;公路運輸考慮到成本等因素,主要承擔(dān)中短途運輸及“公轉(zhuǎn)鐵”、“公轉(zhuǎn)水”等轉(zhuǎn)運任務(wù),因此,鐵路運輸一直以來肩負(fù)著煤炭行業(yè)的主要運輸任務(wù)。近年來,在低碳環(huán)保的發(fā)展理念下,公路運輸過程中的安全、環(huán)保問題進(jìn)一步凸顯,隨著《推進(jìn)運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整三年行動計劃(2018—2020年)》等產(chǎn)業(yè)政策,在新一輪公轉(zhuǎn)鐵的改革下,鐵路運輸?shù)谋戎剡M(jìn)一步提高,導(dǎo)致煤炭行業(yè)運輸系統(tǒng)對于鐵路的依耐性更強,運輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和發(fā)展空間都受到了嚴(yán)重的影響。
除此之外,隨著能源供給側(cè)改革的不斷深入,煤炭行業(yè)整體水平有了長足的進(jìn)步,精細(xì)化、集約化、智能化水平進(jìn)一步提高,傳統(tǒng)運輸模式的弊端也逐漸凸顯,主要包括:
1)環(huán)保性有待提高:傳統(tǒng)的運輸方式運輸過程中會產(chǎn)生CO2、SO2等溫室氣體,且運輸過程中會出現(xiàn)揚塵等現(xiàn)象,對環(huán)境污染嚴(yán)重;另外,由于運輸過程中存在風(fēng)力和顛簸等外部因素,表面干燥、細(xì)散的煤粉會揚起或散落到運輸沿線,造成了大氣中可吸入顆粒物濃度急劇升高,對運輸線路環(huán)境造成不同程度的粉塵污染[14,15],在我國北方部分煤炭主產(chǎn)地區(qū)空氣中揚塵質(zhì)量濃度達(dá)到34~85mg/m3,遠(yuǎn)超過國家規(guī)定的0.5mg/m3標(biāo)準(zhǔn),極大地威脅著運輸沿線人民的身體健康。
2)安全性不足:以公路運輸最為嚴(yán)重,由于我國煤炭行業(yè)公路貨運市場相對開放,且準(zhǔn)入門檻低,加之受我國地域廣等諸多因素影響,導(dǎo)致公路運輸市場始終供不應(yīng)求,公路貨運車輛已達(dá)數(shù)百萬輛之多,占用了我國大量的公路資源,且如此龐大的貨運量每年會引發(fā)大量的交通事故,給交通運輸系統(tǒng)和交通參與人員的安全性帶來了嚴(yán)重的威脅。
3)集約化有待提高:一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的運輸模式智能化水平較低,需要大量的人員予以輔助,特別是公路運輸,司機平均文化水平偏低,管理難度大,運力資源浪費嚴(yán)重;另一方面,鐵路和公路運輸過程中都存在一定的損耗,據(jù)鐵道部運輸部門統(tǒng)計,2020年我國煤炭運輸揚塵散落的煤粉已超過2000萬t,資源浪費嚴(yán)重。另外,煤炭運輸過程中,存在利用高階能源運輸?shù)碗A能源的問題,加之能源轉(zhuǎn)化率也有限,導(dǎo)致資源利用率較低,運輸成本較高。
漿體管道輸送的基本原理是將固體物料破碎研磨成細(xì)小顆粒,然后與水混合配備成一定濃度的漿體,利用泵提供動力,以管路作為通道進(jìn)行物料的運輸,最后在終端利用配套設(shè)備對物料進(jìn)行脫水工作,以完成固體物料的運輸[16-18]。其主要工藝環(huán)節(jié)包括研磨攪拌制漿、泵送加壓、管道輸送、末端脫水等流程,根據(jù)不同類型的輸送工況,末端可以進(jìn)行成品利用、尾渣排放或水循環(huán)處理,如圖1所示。
圖1 漿體管道輸送工藝流程
漿體管道輸送在我國煤炭運輸領(lǐng)域?qū)儆谝环N新興的運輸模式,與傳統(tǒng)技術(shù)相比,優(yōu)勢明顯,對于煤炭行業(yè)創(chuàng)新運輸方式、優(yōu)化運輸結(jié)構(gòu)均有積極促進(jìn)效果,其優(yōu)勢具體包括:
1)綠色環(huán)保。輸漿管道通常直埋地下,采用封閉式運輸,與傳統(tǒng)鐵運、汽運相對,能耗低、損耗小、污染少,輸送沿線不產(chǎn)塵、無噪聲,對環(huán)境影響小,可實現(xiàn)“運煤不見煤、排渣不見灰”,且輸漿用水可循環(huán)利用,綠色環(huán)保。
2)安全可靠。管道輸送工況相對穩(wěn)定,輸送過程中人員參與較少,安全風(fēng)險低,且管道輸送技術(shù)對地質(zhì)條件適應(yīng)性較強,爬坡能力強,對于山區(qū)等復(fù)雜條件優(yōu)勢明顯,與傳統(tǒng)技術(shù)相比能保證物料的穩(wěn)定輸送,降低外界因素的影響,可靠性較高。
3)智能高效。管道輸送系統(tǒng)智能高效,目前基本可實現(xiàn)智能化控制,對人工需求較低,自動化程度高,是運輸方式由人工密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)化的結(jié)果,建設(shè)一條管線可以實現(xiàn)多種物料的運輸,可以實現(xiàn)多產(chǎn)業(yè)共建共享,且管道輸送項目建設(shè)投資和運營成本優(yōu)勢明顯。
利用漿體管道輸送技術(shù)進(jìn)行固體物料的運輸已經(jīng)有100多年的歷史。1891年,美國人將煤炭破碎成粉末并使用管道將其用水沖走,自此煤漿管道輸送技術(shù)在美國取得了專利。1914年,英國泰晤士河畔的一家電廠利用管道水力輸送技術(shù)將煤炭運輸至倫敦發(fā)電廠進(jìn)行發(fā)電。1957年,美國建成了世界第一條長距離煤炭運輸管道——俄亥俄管道,打破了煤炭以鐵路為主運輸?shù)膫鹘y(tǒng)思維。1970年,美國再次建成了第二條長距離煤炭運輸管道——黑邁薩管道,進(jìn)一步推動了煤炭漿體運輸?shù)默F(xiàn)代化發(fā)展,該管道自建成以來,運轉(zhuǎn)情況良好,經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益顯著,成功運行達(dá)30多年。隨著漿體管道輸送的普遍應(yīng)用,國外在管道輸送參數(shù)、輸送系統(tǒng)等方面進(jìn)行了大量的理論與試驗研究,取得了眾多研究成果,極大推動了漿體管道運輸?shù)陌l(fā)展。
我國于20世紀(jì)80年代開始探索固體物料礦漿長距離管道輸送技術(shù),并率先在白馬、尖山、攀枝花等金屬礦山開展了實驗研究,為我國第一批礦漿長距離管道輸送項目的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代我國陸續(xù)完成太鋼尖山鐵礦、昆鋼大紅山鐵礦、貴州甕福磷精礦等多條代表性管道輸送項目,盡管80年代在煤炭領(lǐng)域也規(guī)劃了一批輸煤管道,但由于各種原因均未實施,直至2020年9月,陜煤神渭管道全線通車,標(biāo)志著管道輸送技術(shù)在煤炭領(lǐng)域取得重大突破,我國首條長距離輸煤管道正式建成。國內(nèi)外代表性的管道工程項目見表1。
表1 國內(nèi)外典型長距離礦漿管路輸送案例
3.1.1 煤炭資源運輸
2020年我國原煤產(chǎn)量39億t,同比增長0.9%,原煤消耗量36.5億t,同比增長0.9%,煤炭供需市場仍保持較高水平。巨大的供需關(guān)系以及其地域性差異,導(dǎo)致煤炭運輸市場需求量巨大。數(shù)據(jù)顯示2020年我國煤炭跨省運輸量已達(dá)27.6億t,近十年平均增幅不足3%,可以看出傳統(tǒng)運輸行業(yè)發(fā)展空間受限,因此,管道輸送作為一種新型高效輸送方式,煤炭運輸市場前景廣闊。
除此之外,煤炭運輸系統(tǒng)受制于運輸模式的單一以及各種客觀因素的影響,其運輸結(jié)構(gòu)存在一定的失衡。例如,鐵路輻射范圍外,中短距離煤炭運輸只能選擇公路運輸,盡管經(jīng)濟(jì)性欠佳;冬季煤炭需求量較大的情況下,運輸能力彈性空間受限等。管道輸送作為一種投資周期短、運行成本低的運輸方式可以有效彌補煤炭運輸手段的不足,優(yōu)化運輸結(jié)構(gòu),提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖2 2010—2020年我國煤炭產(chǎn)量與跨省運輸量
3.1.2 煤基固廢運輸
煤炭生產(chǎn)和利用過程中會產(chǎn)生大量的煤基固廢,西北地區(qū)煤-電-化能源基地產(chǎn)生的典型固廢包括煤矸石、粉煤灰、電石渣、氣化渣、脫硫石膏等[19,20]。煤基固廢的解決方法是規(guī)模化處理和資源化利用[21],為了減小運輸距離、降低運輸成本,煤基固廢處置點或利用點選址通常距離電廠等產(chǎn)廢點相對較近,因此其主要面臨短途運輸(<50km)。以我國西北地區(qū)為例,傳統(tǒng)煤基固廢的運輸主要依賴公路運輸,近年來,隨著環(huán)保政策逐步完善,內(nèi)蒙古部分地區(qū)率先出臺了一系列優(yōu)惠政策鼓勵推廣管道輸送等綠色技術(shù),管道運輸綠色高效的優(yōu)勢進(jìn)一步彰顯。為了降低運輸過程中帶來的環(huán)境問題,減小地面地區(qū)交通運輸壓力,蒙西地區(qū)陸續(xù)規(guī)劃了數(shù)條煤基固廢專用運輸管線,主要承擔(dān)電廠、化工廠等產(chǎn)廢單位向固廢渣場的定向運輸任務(wù)。煤礦領(lǐng)域由于固廢體量大,汽車運輸存在成本高、污染嚴(yán)重,給地面交通運輸造成負(fù)荷大、安全風(fēng)險高等問題,而管道輸送占用空間小,不影響地面交通,綠色環(huán)保,且經(jīng)濟(jì)高效。因此,管道輸送技術(shù)非常適合煤基固廢的運輸特點。
3.2.1 技術(shù)集成度高
漿體管道輸送是一項涉及學(xué)科多、工藝要求高的運輸技術(shù),其本質(zhì)是以水為載體、以管路為運輸通道,實現(xiàn)物料的高效輸送,這也就決定了輸送過程中要消耗大量的水,盡管隨著技術(shù)工藝的不斷優(yōu)化升級,目前輸送用水已經(jīng)可以實現(xiàn)循環(huán)利用,但是終端脫水工藝技術(shù)難度也相對較大;其次,管道運輸過程中對物料的粒度、級配、濃度等參數(shù)具有較高的要求,不同類型物料參數(shù)要求也不盡相同,因此,輸送前需要開展相關(guān)參數(shù)測定分析,輸送過程中需要對礦漿輸送狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控,以保障物料的安全輸送;再次,物料參數(shù)的確定需要統(tǒng)籌考慮物料終端用途、破碎制漿成本、管道輸送能耗以及管道的安全運行,涉及因素多,分析難度大,這也是礦漿管道輸送下一步的主攻方向。
3.2.2 管理水平要求高
實現(xiàn)礦漿管道輸送最重要的是要保證輸送工況穩(wěn)定、供需關(guān)系平衡。建設(shè)一條運輸管線與傳統(tǒng)的公路鐵路相比,功能單一,目標(biāo)固定,因此,需要企業(yè)形成聯(lián)動效應(yīng),保持相對穩(wěn)定的供需關(guān)系,特別是企業(yè)間的供需,但在目前開放的市場經(jīng)濟(jì)下很難保證,所以無論是供方、需求方、還是第三方進(jìn)行管輸項目建設(shè)都存在一定的風(fēng)險。因此,為了規(guī)避這種風(fēng)險,充分發(fā)揮管輸技術(shù)的優(yōu)勢,運營過程中需要形成健全的管理機制,特別是在建設(shè)運輸項目初期需要進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、合理布局。
在2013年中國國際管道大會上,國內(nèi)外管道專家共同提出了未來管道運輸?shù)陌l(fā)展方向,即“我國長距離礦漿輸送管道將朝著更大口徑、更高壓力、更高鋼級、更多介質(zhì)和更加智能的方向發(fā)展”[22]。隨著科技的發(fā)展和新的市場需求,煤炭領(lǐng)域漿體管道輸送技術(shù)的發(fā)展趨勢將表現(xiàn)在以下3個方面:
智能化是我國煤炭行業(yè)發(fā)展的大趨勢[23-25],同時也是漿體管道輸送技術(shù)的發(fā)展方向。隨著信息化科技技術(shù)與工業(yè)產(chǎn)業(yè)的深度融合,漿體管道輸送將邁入智慧化的道路。智慧管道基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù),搭建管路物聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)管路系統(tǒng)互聯(lián)互通,借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù),進(jìn)行管路系統(tǒng)的感知與監(jiān)測,實現(xiàn)管路的智能化應(yīng)用。智慧管道具有以下3個特征:①可監(jiān)測,從各種渠道獲取管路實時數(shù)據(jù)信息,監(jiān)測管路運輸過程中所有設(shè)備狀態(tài);②可控制,根據(jù)獲取的信息對管路實時運營情況進(jìn)行分析,控制管路運輸狀態(tài);③可調(diào)節(jié),對管路運輸狀態(tài)進(jìn)行分析、演算,對管路系統(tǒng)整體進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。我國應(yīng)著力發(fā)展煤礦漿體運輸?shù)闹腔酃艿?,從而提高管道運輸?shù)陌踩胶瓦\營效益。
目前礦漿管道輸送主要應(yīng)用于金屬礦山,礦漿輸送濃度一般介于55%~65%之間。一方面,礦漿制備過程中對固體物料破碎的粒度和顆粒的級配具有一定的要求,特別是對于細(xì)顆粒的占比要求較高。由于礦石破碎或研磨成粉料成本較高,控制顆粒級配的難度較大,這給礦漿管輸技術(shù)在煤炭行業(yè)的推廣帶來了一定的難度。另一方面,管道輸送的主要目的是實現(xiàn)固體物料的運輸,其輸送效率與漿體的濃度成正比,提高礦漿輸送濃度,不僅可以提高運輸效率、節(jié)省運輸成本,還可以降低制漿用水量,減小部分地區(qū)因為水資源匱乏對于該技術(shù)的制約。因此,如何降低制漿成本和制漿難度,提高輸送效率,即實現(xiàn)固體顆粒粒度要求更寬、級配范圍更廣的高濃度礦漿輸送是未來重要發(fā)展方向之一。
以晉陜蒙為代表的煤炭生產(chǎn)大省分布著一些能源型城市,例如鄂爾多斯、榆林,這些典型的能源型城市承擔(dān)著國家重要的能源輸出任務(wù),由于煤礦、煤化工、煤電等產(chǎn)業(yè)體量巨大,在其生產(chǎn)和運輸過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染、交通運輸超載、交通負(fù)荷超限等問題非常嚴(yán)重。在這些能源型城市構(gòu)建綠色管道運輸系統(tǒng)有基礎(chǔ)、有條件、有優(yōu)勢,且項目的建設(shè)符合國家節(jié)能、環(huán)保、節(jié)約用地的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,是打造地上、地下立體交通運輸體系的綠色工程,地下綠色管道運輸網(wǎng)的構(gòu)建將極大地改善和優(yōu)化城市的交通運輸系統(tǒng),對于協(xié)同推進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù),打造現(xiàn)代化智慧綠色能源城市意義重大。
主管部門可協(xié)調(diào)煤炭、化工、電廠等多方企業(yè),分析其煤炭供需現(xiàn)狀、固廢運輸情況,結(jié)合發(fā)展規(guī)劃統(tǒng)籌考慮,對于供需穩(wěn)定或固廢運輸點固定的企業(yè),鼓勵開展綠色管道工程建設(shè),并予以政策支持,大幅降低公路運輸比重,特別是中短途運輸,以緩解煤炭行業(yè)龐大的公路運輸量給城市交通帶來的一系列安全、環(huán)保問題,為新型能源型城市綠色運輸系統(tǒng)構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。
雙碳背景下,煤炭行業(yè)正在經(jīng)歷一場綠色革命,淘汰落后產(chǎn)能、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是這場革命的主旋律。煤炭行業(yè)運輸系統(tǒng)作為重污染、高碳排的主要環(huán)節(jié)是此次綠色變革的重要部分。隨著“碳排放權(quán)”市場建立,粗放落后的運輸方式將會被淘汰,煤炭行業(yè)運輸系統(tǒng)將面臨更嚴(yán)重的危機——公路運輸能力逐漸削弱,鐵路運輸依耐性更強,運輸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。管道輸送作為一種清潔高效的輸送方式,與傳統(tǒng)的運輸模式相比具有綠色環(huán)保、安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢,在煤炭資源及煤基固廢運輸方面應(yīng)用前景廣闊,特別是在中短途運輸、點對點運輸方面可以替代傳統(tǒng)的公路運輸,能緩解地面交通系統(tǒng)運輸壓力、降低運輸系統(tǒng)碳排放,優(yōu)化煤炭行業(yè)運輸結(jié)構(gòu)、提高運輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對于煤炭行業(yè)運輸系統(tǒng)綠色改革具有積極的促進(jìn)作用。與此同時,由于煤炭行業(yè)大型礦漿管道輸送實踐經(jīng)驗較少,與傳統(tǒng)公路運輸相比,現(xiàn)階段漿體管道輸送技術(shù)仍存在技術(shù)集成度高、管理水平要求高等挑戰(zhàn)。