煤炭管道输送技术应用前景研究

古文哲，杨宝贵，顾成进

(1.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083；2.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

煤炭是我国的基础能源，安全高效的运输系统是支撑煤炭行业稳定运行，保证国家能源供给安全，促进国民经济健康发展的重要保障[1]。煤炭生产、销售和利用过程中都面临着庞大的运输任务，且除了煤炭运输之外，矿山企业还面临着大量伴生产物以及工业固废的运输负担[2]。目前，煤炭行业运输系统形成以铁路为主，公路和水路为辅的格局[3]，管道输送作为一种传统流体物料输送技术，在煤炭运输领域占有的比重较小。但近年来，随着大红山铁矿、瓮福磷矿等管道输送项目的稳定运行，管道输送技术在金属矿山运输领域拥有良好使用效果和用户反馈，煤炭行业也逐步开始探索管道运输模式。2020年随着神渭管道输煤项目的全线通车，标志着我国管道输煤技术在工程实践中取得重大突破。管道输送技术也逐渐引起行业的重视。

目前，在生态优先的发展理念下，我国煤炭工业也在积极探索绿色、低碳、清洁改革之路，煤炭行业运输系统的绿色转变将成为未来发展的必然趋势。陈浮[4]指出当前环境下，如何绿色科学的采煤、运煤、用煤是实现“30·60”目标的关键；沈筱[5]提出在低碳经济背景下，应该优化运输体系，提高物流效率，探索绿色运输模式，加强政企合作制定相关产业措施，提高煤炭行业绿色物流水平。管道运输作为一种绿色运输方式，是煤炭行业绿色变革的重要组成部分。尽管在煤炭运输领域工程应用较少，但不少学者已针对管道输送技术在煤炭领域的应用展开了深入的研究。于新胜[6]、马妍[7]、邓自刚[8]等学者认为管道输煤对地形的适应性强，且具有高效、环保、低损耗等优势，并指出管道输煤构建的新型煤炭物流体系可作为铁路和公路运输的有效补充，具有重要的战略意义；蒋煜[9]从煤炭清洁加工利用与现代煤化工发展需求角度分析了管道输煤技术发展的趋势，指出废水制浆技术是煤炭产业转型升级重点研究方向之一；梁霏飞[10]结合神渭管道输煤项目的设计及工程经验总结了长距离输煤管道煤浆制备技术工程应用的最新成果，提出长距离输送矸石及电厂、煤化工尾渣等煤基固废的是未来的研究方向；吴磊[11]研究认为管道输煤技术在露天矿坑内具有应用前景，且技术可行，但经济性是否合理需要综合输送距离等多因素进行分析。

综上所述，目前国内学者针对管道输送在煤炭行业，特别是煤浆输送方面进行了一定的研究，并取得了一定成果，但很少有学者就管道输送技术在煤炭行业的适用性以及对运输结构优化等方面进行深入研究。为此，本文通过分析煤炭行业运输现状、运输结构特点和存在的问题，探索管道输送技术在煤炭领域的应用前景和技术优势，并对其具体的适用性以及工艺流程进行了系统的研究，为煤炭行业运输模式选择提供了新思路，为优化行业运输结构、提升系统稳定性、实现绿色物流奠定了基础。

1 煤炭行业运输现状及问题分析

煤炭是我国的基础能源，但煤炭分布与煤炭需求的空间差异决定了我国“西煤东运”和“北煤南运”的总体格局[12]。我国的煤炭产地主要集中在内蒙古、山西、陕西和新疆等西北地区，而煤炭消耗大省山东、江苏等主要分布在我国的东南地区，相关部门预测“十四五”期间我们煤炭生产集中度将进一步提高，煤炭运输任务将更加艰巨。除此之外，煤炭行业在生产过程中会产生大量的伴生产物以及工业固废，据统计2020年，我国产生煤基固废约15亿t，其中煤矸石约7.95亿t，因此，煤炭行业面临严重的运输负担。

目前，我国煤炭行业运输系统呈现以铁路为主公路和水路为辅的运输结构[13]。水路运输受地理因素限制，发展潜力相对较小；公路运输考虑到成本等因素，主要承担中短途运输及“公转铁”、“公转水”等转运任务，因此，铁路运输一直以来肩负着煤炭行业的主要运输任务。近年来，在低碳环保的发展理念下，公路运输过程中的安全、环保问题进一步凸显，随着《推进运输结构调整三年行动计划(2018—2020年)》等产业政策，在新一轮公转铁的改革下，铁路运输的比重进一步提高，导致煤炭行业运输系统对于铁路的依耐性更强，运输系统结构的稳定性和发展空间都受到了严重的影响。

除此之外，随着能源供给侧改革的不断深入，煤炭行业整体水平有了长足的进步，精细化、集约化、智能化水平进一步提高，传统运输模式的弊端也逐渐凸显，主要包括：

1)环保性有待提高：传统的运输方式运输过程中会产生CO2、SO2等温室气体，且运输过程中会出现扬尘等现象，对环境污染严重；另外，由于运输过程中存在风力和颠簸等外部因素，表面干燥、细散的煤粉会扬起或散落到运输沿线，造成了大气中可吸入颗粒物浓度急剧升高，对运输线路环境造成不同程度的粉尘污染[14，15]，在我国北方部分煤炭主产地区空气中扬尘质量浓度达到34～85mg/m3，远超过国家规定的0.5mg/m3标准，极大地威胁着运输沿线人民的身体健康。

2)安全性不足：以公路运输最为严重，由于我国煤炭行业公路货运市场相对开放，且准入门槛低，加之受我国地域广等诸多因素影响，导致公路运输市场始终供不应求，公路货运车辆已达数百万辆之多，占用了我国大量的公路资源，且如此庞大的货运量每年会引发大量的交通事故，给交通运输系统和交通参与人员的安全性带来了严重的威胁。

3)集约化有待提高：一方面传统的运输模式智能化水平较低，需要大量的人员予以辅助，特别是公路运输，司机平均文化水平偏低，管理难度大，运力资源浪费严重；另一方面，铁路和公路运输过程中都存在一定的损耗，据铁道部运输部门统计，2020年我国煤炭运输扬尘散落的煤粉已超过2000万t，资源浪费严重。另外，煤炭运输过程中，存在利用高阶能源运输低阶能源的问题，加之能源转化率也有限，导致资源利用率较低，运输成本较高。

2 浆体管道输送技术原理与应用现状

2.1 浆体管道输送技术原理

浆体管道输送的基本原理是将固体物料破碎研磨成细小颗粒，然后与水混合配备成一定浓度的浆体，利用泵提供动力，以管路作为通道进行物料的运输，最后在终端利用配套设备对物料进行脱水工作，以完成固体物料的运输[16-18]。其主要工艺环节包括研磨搅拌制浆、泵送加压、管道输送、末端脱水等流程，根据不同类型的输送工况，末端可以进行成品利用、尾渣排放或水循环处理，如图1所示。

图1 浆体管道输送工艺流程

2.2 浆体管道输送技术优势

浆体管道输送在我国煤炭运输领域属于一种新兴的运输模式，与传统技术相比，优势明显，对于煤炭行业创新运输方式、优化运输结构均有积极促进效果，其优势具体包括：

1)绿色环保。输浆管道通常直埋地下，采用封闭式运输，与传统铁运、汽运相对，能耗低、损耗小、污染少，输送沿线不产尘、无噪声，对环境影响小，可实现“运煤不见煤、排渣不见灰”，且输浆用水可循环利用，绿色环保。

2)安全可靠。管道输送工况相对稳定，输送过程中人员参与较少，安全风险低，且管道输送技术对地质条件适应性较强，爬坡能力强，对于山区等复杂条件优势明显，与传统技术相比能保证物料的稳定输送，降低外界因素的影响，可靠性较高。

3)智能高效。管道输送系统智能高效，目前基本可实现智能化控制，对人工需求较低，自动化程度高，是运输方式由人工密集型向技术密集型转化的结果，建设一条管线可以实现多种物料的运输，可以实现多产业共建共享，且管道输送项目建设投资和运营成本优势明显。

2.3 浆体管道输送技术应用现状

利用浆体管道输送技术进行固体物料的运输已经有100多年的历史。1891年，美国人将煤炭破碎成粉末并使用管道将其用水冲走，自此煤浆管道输送技术在美国取得了专利。1914年，英国泰晤士河畔的一家电厂利用管道水力输送技术将煤炭运输至伦敦发电厂进行发电。1957年，美国建成了世界第一条长距离煤炭运输管道——俄亥俄管道，打破了煤炭以铁路为主运输的传统思维。1970年，美国再次建成了第二条长距离煤炭运输管道——黑迈萨管道，进一步推动了煤炭浆体运输的现代化发展，该管道自建成以来，运转情况良好，经济及环境效益显著，成功运行达30多年。随着浆体管道输送的普遍应用，国外在管道输送参数、输送系统等方面进行了大量的理论与试验研究，取得了众多研究成果，极大推动了浆体管道运输的发展。

我国于20世纪80年代开始探索固体物料矿浆长距离管道输送技术，并率先在白马、尖山、攀枝花等金属矿山开展了实验研究，为我国第一批矿浆长距离管道输送项目的建设奠定了基础。20世纪90年代我国陆续完成太钢尖山铁矿、昆钢大红山铁矿、贵州瓮福磷精矿等多条代表性管道输送项目，尽管80年代在煤炭领域也规划了一批输煤管道，但由于各种原因均未实施，直至2020年9月，陕煤神渭管道全线通车，标志着管道输送技术在煤炭领域取得重大突破，我国首条长距离输煤管道正式建成。国内外代表性的管道工程项目见表1。

表1 国内外典型长距离矿浆管路输送案例

3 管道输送技术在煤炭领域的机遇与挑战

3.1 发展机遇及市场前景分析

3.1.1 煤炭资源运输

2020年我国原煤产量39亿t，同比增长0.9%，原煤消耗量36.5亿t，同比增长0.9%，煤炭供需市场仍保持较高水平。巨大的供需关系以及其地域性差异，导致煤炭运输市场需求量巨大。数据显示2020年我国煤炭跨省运输量已达27.6亿t，近十年平均增幅不足3%，可以看出传统运输行业发展空间受限，因此，管道输送作为一种新型高效输送方式，煤炭运输市场前景广阔。

除此之外，煤炭运输系统受制于运输模式的单一以及各种客观因素的影响，其运输结构存在一定的失衡。例如，铁路辐射范围外，中短距离煤炭运输只能选择公路运输，尽管经济性欠佳；冬季煤炭需求量较大的情况下，运输能力弹性空间受限等。管道输送作为一种投资周期短、运行成本低的运输方式可以有效弥补煤炭运输手段的不足，优化运输结构，提升系统的稳定性。

图2 2010—2020年我国煤炭产量与跨省运输量

3.1.2 煤基固废运输

煤炭生产和利用过程中会产生大量的煤基固废，西北地区煤-电-化能源基地产生的典型固废包括煤矸石、粉煤灰、电石渣、气化渣、脱硫石膏等[19，20]。煤基固废的解决方法是规模化处理和资源化利用[21]，为了减小运输距离、降低运输成本，煤基固废处置点或利用点选址通常距离电厂等产废点相对较近，因此其主要面临短途运输(<50km)。以我国西北地区为例，传统煤基固废的运输主要依赖公路运输，近年来，随着环保政策逐步完善，内蒙古部分地区率先出台了一系列优惠政策鼓励推广管道输送等绿色技术，管道运输绿色高效的优势进一步彰显。为了降低运输过程中带来的环境问题，减小地面地区交通运输压力，蒙西地区陆续规划了数条煤基固废专用运输管线，主要承担电厂、化工厂等产废单位向固废渣场的定向运输任务。煤矿领域由于固废体量大，汽车运输存在成本高、污染严重，给地面交通运输造成负荷大、安全风险高等问题，而管道输送占用空间小，不影响地面交通，绿色环保，且经济高效。因此，管道输送技术非常适合煤基固废的运输特点。

3.2 管道输送技术在煤炭领域的挑战

3.2.1 技术集成度高

浆体管道输送是一项涉及学科多、工艺要求高的运输技术，其本质是以水为载体、以管路为运输通道，实现物料的高效输送，这也就决定了输送过程中要消耗大量的水，尽管随着技术工艺的不断优化升级，目前输送用水已经可以实现循环利用，但是终端脱水工艺技术难度也相对较大；其次，管道运输过程中对物料的粒度、级配、浓度等参数具有较高的要求，不同类型物料参数要求也不尽相同，因此，输送前需要开展相关参数测定分析，输送过程中需要对矿浆输送状态进行实时监控，以保障物料的安全输送；再次，物料参数的确定需要统筹考虑物料终端用途、破碎制浆成本、管道输送能耗以及管道的安全运行，涉及因素多，分析难度大，这也是矿浆管道输送下一步的主攻方向。

3.2.2 管理水平要求高

实现矿浆管道输送最重要的是要保证输送工况稳定、供需关系平衡。建设一条运输管线与传统的公路铁路相比，功能单一，目标固定，因此，需要企业形成联动效应，保持相对稳定的供需关系，特别是企业间的供需，但在目前开放的市场经济下很难保证，所以无论是供方、需求方、还是第三方进行管输项目建设都存在一定的风险。因此，为了规避这种风险，充分发挥管输技术的优势，运营过程中需要形成健全的管理机制，特别是在建设运输项目初期需要进行统筹规划、合理布局。

4 管道输送技术在煤炭领域的发展趋势

在2013年中国国际管道大会上，国内外管道专家共同提出了未来管道运输的发展方向，即“我国长距离矿浆输送管道将朝着更大口径、更高压力、更高钢级、更多介质和更加智能的方向发展”[22]。随着科技的发展和新的市场需求，煤炭领域浆体管道输送技术的发展趋势将表现在以下3个方面：

4.1 智慧管道输送

智能化是我国煤炭行业发展的大趋势[23-25]，同时也是浆体管道输送技术的发展方向。随着信息化科技技术与工业产业的深度融合，浆体管道输送将迈入智慧化的道路。智慧管道基于物联网、云计算等技术，搭建管路物联网，实现管路系统互联互通，借助大数据分析技术，进行管路系统的感知与监测，实现管路的智能化应用。智慧管道具有以下3个特征：①可监测，从各种渠道获取管路实时数据信息，监测管路运输过程中所有设备状态；②可控制，根据获取的信息对管路实时运营情况进行分析，控制管路运输状态；③可调节，对管路运输状态进行分析、演算，对管路系统整体进行优化调节。我国应着力发展煤矿浆体运输的智慧管道，从而提高管道运输的安全水平和运营效益。

4.2 宽粒级、高浓度浆体管道输送

目前矿浆管道输送主要应用于金属矿山，矿浆输送浓度一般介于55%～65%之间。一方面，矿浆制备过程中对固体物料破碎的粒度和颗粒的级配具有一定的要求，特别是对于细颗粒的占比要求较高。由于矿石破碎或研磨成粉料成本较高，控制颗粒级配的难度较大，这给矿浆管输技术在煤炭行业的推广带来了一定的难度。另一方面，管道输送的主要目的是实现固体物料的运输，其输送效率与浆体的浓度成正比，提高矿浆输送浓度，不仅可以提高运输效率、节省运输成本，还可以降低制浆用水量，减小部分地区因为水资源匮乏对于该技术的制约。因此，如何降低制浆成本和制浆难度，提高输送效率，即实现固体颗粒粒度要求更宽、级配范围更广的高浓度矿浆输送是未来重要发展方向之一。

4.3 能源城市绿色运输系统构建

以晋陕蒙为代表的煤炭生产大省分布着一些能源型城市，例如鄂尔多斯、榆林，这些典型的能源型城市承担着国家重要的能源输出任务，由于煤矿、煤化工、煤电等产业体量巨大，在其生产和运输过程中产生的环境污染、交通运输超载、交通负荷超限等问题非常严重。在这些能源型城市构建绿色管道运输系统有基础、有条件、有优势，且项目的建设符合国家节能、环保、节约用地的可持续发展战略，是打造地上、地下立体交通运输体系的绿色工程，地下绿色管道运输网的构建将极大地改善和优化城市的交通运输系统，对于协同推进地区经济高质量发展与生态环境保护，打造现代化智慧绿色能源城市意义重大。

主管部门可协调煤炭、化工、电厂等多方企业，分析其煤炭供需现状、固废运输情况，结合发展规划统筹考虑，对于供需稳定或固废运输点固定的企业，鼓励开展绿色管道工程建设，并予以政策支持，大幅降低公路运输比重，特别是中短途运输，以缓解煤炭行业庞大的公路运输量给城市交通带来的一系列安全、环保问题，为新型能源型城市绿色运输系统构建奠定基础。

5 结 语

双碳背景下，煤炭行业正在经历一场绿色革命，淘汰落后产能、优化产业结构是这场革命的主旋律。煤炭行业运输系统作为重污染、高碳排的主要环节是此次绿色变革的重要部分。随着“碳排放权”市场建立，粗放落后的运输方式将会被淘汰，煤炭行业运输系统将面临更严重的危机——公路运输能力逐渐削弱，铁路运输依耐性更强，运输结构稳定性进一步降低。管道输送作为一种清洁高效的输送方式，与传统的运输模式相比具有绿色环保、安全可靠、经济高效等优势，在煤炭资源及煤基固废运输方面应用前景广阔，特别是在中短途运输、点对点运输方面可以替代传统的公路运输，能缓解地面交通系统运输压力、降低运输系统碳排放，优化煤炭行业运输结构、提高运输系统的稳定性，对于煤炭行业运输系统绿色改革具有积极的促进作用。与此同时，由于煤炭行业大型矿浆管道输送实践经验较少，与传统公路运输相比，现阶段浆体管道输送技术仍存在技术集成度高、管理水平要求高等挑战。