走进全国重点实验室丨煤炭从燃料到原料的突围领跑

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（来源：煤炭工业）

可观察岩石微观结构、模拟井下力学试验等仪器装备达586台（套），承担多个国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等，研发深部低渗煤层增透与瓦斯灾害防控、细粒煤战略资源高效浮选等关键技术，获首届“国家卓越工程师团队”荣誉称号……近年来，炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室硕果累累。

近日，记者走进位于河南省平顶山市、郑州市的炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室，近距离感受炼焦煤资源绿色开发中的科研力量。

研发炼焦煤开采与洗选关键技术

炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室前身可追溯至2012年，当时的深部煤炭资源开发与化工多联产工程技术研究中心启动建设；2015年，炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室获科技部批复，并于2022年成为首批进行重组的能源领域国家重点实验室之一；2023年3月，炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室正式获批建设，依托单位为中国平煤神马集团、郑州大学以及中国矿业大学。

位于平顶山市的炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室

作为稀缺的优质煤炭资源，炼焦煤是推动煤炭由燃料变原料、材料、高端产品的战略性资源。随着开采深度的增加，以平顶山矿区为代表的炼焦煤开采矿井面临高瓦斯、高地应力、高地温“三高”开采环境，亟需构建深部复杂条件下资源绿色安全开采体系。

“我们锚定透明采掘、数智加工、绿色转化三大研发方向，围绕‘炼焦煤资源开采—资源材料化—材料产品化—产品高端化’，开展先导性理论研究、前沿性技术研发以及装备研制工作，在井下地质条件精细化识别、深部巷道围岩控制与高效掘进、井下多场景热害协同治理等关键技术方面取得积极进展。”炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室主任、中国平煤神马集团首席科学家张建国表示。

结合多年来企业的探索经验，炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室重组后，确定了首批多个重大科技攻关项目，涵盖稀缺炼焦煤分选全流程重点实验室建设及中煤深度加工中试系统开发、受限空间立式X光智能选矸机器人设备研发、煤矿深部井巷开拓系统TBM安全高效掘进技术体系、煤基COx（碳氧化物）加氢制高附加值高碳α-烯烃工艺技术开发等关键技术项目。

炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室执行副主任王满告诉记者，围绕上述关键项目，该实验室研发出深井采掘作业空间模块化高效局部制冷降温系统、矿井水井下回用系统、TDS煤炭干选系统和5G智能分选数字平台、高效可控苯制环己烃催化剂等代表性成果，在平顶山矿区应用并取得显著效果。

“深部炼焦煤开发呈现低品质化，杂质含量高、煤矸嵌布粒度细、微细粒含量高，浮选面临黏土—煤粒罩盖严重、回收率低等难题。我们研发了多段锯齿圆盘涡轮强制剪切调浆技术与装备，实现了药剂分散与细泥剥离过程的高效协同。”王满表示。

2023年10月，上述装备在中国平煤神马集团七星选煤厂开始应用，如今已更新到第三代并推广应用了7套装备。浮选药剂消耗平均节省20%，浮选精煤产率提高2个百分点以上，企业利润年增加千万元以上。

该实验室自主研发的煤矿深部井巷开拓系统TBM，搭载超前钻机随钻测试系统，建立煤矿复合地层TBM掘进参数智能预测模型，实现了随钻参数的实时监测；TDS、TGS两类智能干选系统，在中国平煤神马集团11家原煤生产单位投用，累计年增收节支超3亿元。该实验室成员先后到河南焦作煤业集团、永煤集团、神火公司的14对矿井调研，建立了基于多维信息规律分析的瓦斯灾害辨识及差异化管控技术体系。

成立以来，炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室获批多个国家级和省级重点研发项目，授权发明专利181项、国际发明专利16项，制定国家标准1项、能源行业标准3项，发布省部级工法3项，并获得国家级、省部级科技进步奖项。

在位于平顶山市的炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室现场，记者看到多台深部煤炭开采大型实验装备。其中，真三轴多功能物理模拟实验系统能模拟煤矿井下真实环境，开展多场耦合条件下的渗流、压裂实验；灾害模拟系统能开展深部煤层瓦斯突出实验，研究不同压力、地应力条件下的突出规律。

如今，该实验室根据仪器设备主要功能，分为力学性质、微观结构、物质成分、瓦斯吸附、检测分析、物理模拟等9条主线，支撑团队开展测试活动。

聚焦绿色开发与副产品高值转化

位于郑州大学的炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室的实验场地与仪器设备更偏向于精密化。该实验室固定成员、郑州大学化工学院教授涂维峰告诉记者，炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室聚焦炼焦煤资源绿色转化方向，开展焦炉煤气转化、焦化苯高效利用、煤焦油分离与利用、煤沥青改性、煤基尼龙单体绿色合成、煤焦化工废水洁净处理与资源化利用等研究。

郑州大学内的仪器设备

“炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室是以产业链为延伸，三家依托单位分属不同方向，分工明确。炼焦煤经过开采、洗选后进行绿色转化，绿色转化的核心是工业催化剂，所以我们实验室60%的工作聚焦于工业催化剂的设计与研究。”涂维峰表示。

记者看到一台集成多个腔体与管道、类似医学探测仪器的精密装置，它的学名是动态现场原位X射线光电子能谱。这台装置能利用X射线激发出催化剂表面原子内层电子或价电子并进行能量分析，用来鉴定元素组成及化学态。

“一种成熟的工业催化剂从研发到工业应用，通常需要30年左右，研发投入巨大，且至今仍主要依靠试错筛选结果。我们基于工业催化剂‘理性设计、可控制备’理念，创立了动态现场原位谱学技术辅助的工业催化剂研究方法，以期形成‘催化剂制备—活化—反应—传递’的协同调控方法。”涂维峰说。

炼焦副产品高值化转化过程中，如一氧化碳、二氧化碳加氢制甲醇、甲烷、烯烃，苯选择性加氢制环己烃等，常在高温、高压、高空速、多组分并行的复杂环境中进行。催化剂结构及活性中心始终处于动态变化之中，遵循自身的全生命周期。

因此，该实验室研发了催化反应原位—动态环境和涉及外场作用条件下对催化表界面和反应中间体进行高时空分辨和高灵敏表征的新技术，组建了具有国际先进水平的原位动态分子光谱实验室，拥有动态现场原位拉曼光谱、高压—近常压X射线光电子能谱、原位傅里叶变换红外光谱、常压扫描隧道显微镜、原位X射线衍射仪、拉曼光谱—扫描电子显微镜联用系统等，能够在纳微尺度对催化剂在活化、反应、失活等全生命周期内进行深度解析。

“我们基于原位谱学技术辅助的工业催化剂研究方法，设计了一氧化碳、二氧化碳加氢制α-烯烃高效工业催化剂，形成了宏量制备技术，并与中国平煤神马集团合作开展百吨级工业示范。催化剂性能处于国际领先水平，工艺技术达到工业化要求。”涂维峰说。

近年来，炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室围绕炼焦副产物高值转化，研发了苯选择性加氢催化剂及催化工艺技术，焦炉煤气、热解气、合成气单段等低温合成甲烷成套技术，一氧化碳、二氧化碳加氢制α-烯烃催化剂及催化工艺技术。

在绿色转化方面，该实验室围绕炼焦煤资源开发过程中“三废”排放问题，研发了工业有机高盐废水深度处理创新技术并建成国内最大单体类芬顿高级氧化反应器，开发了工业稀溶液中稀贵、稀有金属极限提取技术，助力炼焦煤资源向优质原料、清洁燃料以及高附加值材料的清洁高效转化。研究成果获河南省科技进步奖一等奖、河南省自然科学奖一等奖等。

串联起产学研用研发模式

如今，炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室拥有固定成员193人，积聚中国工程院院士张铁岗、中国科学院院士吴养洁等战略科技人才。该实验室拥有博士学位的人员占比68.4%，40岁以下青年人才占比39.4%，还有联合培养的博士、硕士研究生等流动人才，共同参与实验测试研究、科研攻关等。

张建国介绍，该实验室实行理事会领导下的主任负责制，重组以来召开多次理事会会议、学术委员会会议，构建以中国平煤神马集团为核心、郑州大学与中国矿业大学为两翼、校企多层级研发平台协同集成研发体系。同时，该实验室建立常态化协同办公机制，通过月度线上调度、季度线下会商，确保研发攻关工作稳步推进。

中国矿业大学实验场地

另外，该实验室也在不断细化管理制度。2025年1月，该实验室制定了《炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室科研成果奖励办法》，奖励范围涵盖全国重点实验室固定人员取得的科研成果，包括论文、著作、专利和技术标准。2025年3月，该实验室与科研人员签订年度实验研究目标责任状，确保相关项目顺利推进。

据统计，2025年，该实验室研究总机时共计87304小时，对外服务总机时2980.5小时。2025年，先后有10名博士研究生和15名硕士研究生在该实验室进行研究，使用实验设备总机时约3600小时。

在国际交流合作方面，该实验室与俄罗斯、蒙古国、日本等国家的企业、学者展开了交流合作。2025年4月，国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项年度进展交流会在该实验室中国矿业大学场地举行，蒙古国科学院与该实验室签署了谅解合作备忘录，在低品质煤炭资源杂质精准脱除与定向催化热解耦合提质关键技术方面展开合作。该实验室创建举办的“材能”论坛上，国内外专家经常授课指导，截至目前已举办十几期。

近年来，该实验室连续开展了科普教育活动。2025年全国科技活动周期间，该实验室先后在中国平煤神马集团、中国矿业大学举办年度公众科普活动及开放日活动。在首个全国科普月期间，该实验室组织开展了系列科普活动，参观了西大井1919红色教育基地。

如今，该实验室正在谋划搬入平顶山白龟湖新科创基地。面向“十五五”，该实验室将重点研究深部多场耦合环境的灾害智能化防控技术装备、构建复杂炼焦煤全粒级深度洁净加工与优化决策控制技术体系，突破炼焦煤向优质原料、清洁燃料和高附加值材料的清洁高效转化技术理论。