赵 汀，刘 超，周凤英，张 艳，闫 强，闫睿哲，赵海云

(1.中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037；2.东华大学计算机科学与技术学院，上海 201620；3.北京市节约用水办公室，北京 100038)

我国能源资源禀赋特点为“富煤、贫油、少气”，大量油气资源需要依赖进口。2019年，我国天然气产量1 736.2亿m3，进口量1 311.7亿m3，进口依存度达43.0%。现代煤化工产业是解决我国油气过度依赖进口的有效途径。截至2019年底，我国已建和在建的现代煤化工项目76个，其中，煤制天然气5个(已投产4个，在建1个)、煤制油9个(已投产7个，在建2个)、煤制烯烃27个(已投产12个，在建15个)、煤制乙二醇35个(已投产20万t，在建14个)，产能分布集中，大多数分布在我国的内蒙古、山西、陕西、新疆、宁夏西部五省(区)[1-2]。

1 智能选址方法的概况

煤化工是一个高投入、高风险的产业，受煤质、煤炭价格、技术、运输、水资源、国际油气价格、环境保护等多种影响因素作用，其布局选址是否合理至关重要。以往煤化工产业规划选址决策的方法主要依靠专家经验分析判断，实时性和灵活性较差，迫切需要一种可以降低企业风险的技术手段。基于线性规划算法的智能选址是一种通过大量煤炭煤质、储量、运输、环境等多元参数，采用GIS智能规划软件技术，通过不断迭代选取煤化工选厂位置，循环试错求取生产要素配置最优化配置方案的方法[3]。

2 智能选址主要参数

煤矿的煤质配分决定了可以生产化工产品的种类，而煤化工生产成本中煤炭和物流成本占40%～70%，煤质配分、煤炭价格和运输成本的高低直接影响煤炭生产企业竞争力水平，煤炭运输成本预测是煤炭物流成本管理中极为重要的环节[4-5]。通过分别对不同煤矿的物流进行GIS优化测算，平衡比较输煤矿山的运输路径、煤质配分、价格等因子，对成本进行优化预算，能使企业对煤炭成本和物流成本及其变化趋势做到“心中有数”，以减少决策的盲目性和主观性。水资源和环境保护也是制约煤化工项目的关键因素，通过产量测算水资源消耗量[6]，计算周边水资源供给量是否满足初期和未来的生产需要，以及选址必须满足环保要求，如水资源和环境保护任意一项无法达标则此选址一票否决。

3 智能布局选址的六个步骤

基于多指标线性规划的煤化工产业智能布局选址包括6个步骤(图1)。

1) 煤炭挥发分的约束条件。煤炭中的挥发分含量越高，其着火性能越好，燃烧越稳定。对一台气化炉来说，煤炭挥发分的含量不但不能比设置的最小值低，而且煤炭挥发分的含量不能比设置的最高值高，过高喷口可能被烧坏或发生其他事故。由此挥发分含量的参数指标构成了一个对目标函数的约束条件，满足我国主要气化工艺要求的挥发分区间见式(1)。

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(1)

步骤S01：获取拟建煤化工区域的空间坐标。初始选点可以是一个比较粗略的目标，后面由算法逐步在行政区内迭代优化。

步骤S02：设定煤化工产品类别、年产能。选择市场上比较有前景的煤化工产品，通过产能推断出消耗原煤的数量[7-8]，进入步骤S03。

步骤S03：分析煤化工产品耗煤量、煤质要求。我国煤化工气化工艺路线主要分为五种：气流床粉煤气化、气流床水煤浆气化、流化床气化、固定床气化、直接液化。通过大量煤化工项目的实地调研数据，中国地质科学院特种煤调查项目对企业实际用煤的煤类、煤质与国家煤炭分类标准进行对比分析，建立了一套符合我国国情和煤炭资源禀赋的气化/液化/焦化用煤指标体系[2,4,6,9]。

该指标体系主要涵盖生产每一种化工产品所需原煤数量、煤质要求，包括煤炭的挥发分、发热量、灰分、硫分、水分、灰熔点、灰成分等具体要求[10-11]，以气流床粉煤气化工艺为例如下所述。

2) 煤炭发热量的约束条件。煤炭市场一般以煤炭发热量的多少对煤炭进行定价，煤炭发热量的大小直接关系到它的利用方式和需求量，因此发热量多少就构成了目标函数的约束条件，见式(2)。

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(2)

3) 煤炭灰分含量的约束条件。煤炭中灰分含量的上升会使煤炭燃烧时火焰的传播速度减慢、着火事件推迟、燃烧不稳定不充分、结渣情况更严重，汽化炉也会出现严重的磨损，因此煤炭灰分含量的多少构成了目标函数的约束条件，见式(3)。

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(3)

4) 煤炭水分含量的约束条件。煤炭中水分含量过量会恶化原料煤的流散性，更会导致原料煤黏结或堵塞。因此，需考虑到煤炭水分不应超过最大值，煤炭中水分含量的多少所构成的约束条件，满足我国主要气化工艺要求的水分合理区间见式(4)。

6

(4)

5) 煤炭硫分含量的约束条件。煤炭中硫分是可燃性的物质，但倘若燃烧含硫量过高，煤炭会导致气化炉的空气预热器的腐蚀、堵灰，还会污染空气。煤炭中硫分含量越多，其所形成的硫酸蒸汽的酸露点就越高，因此对于煤炭六份含量的约束条件，满足我国主要气化工艺要求的硫份区间见式(5)。

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(5)

6) 煤炭灰熔点的约束条件。煤经高温灼烧后剩余的残留物即灰分的成分相当复杂，主要有硅、铝、铁、钙、镁、钾和钠等元素的氧化物，这些成分决定了煤炭灰熔融性、灰渣黏度特性。煤炭灰熔点高，不易结渣，如果灰熔点超标，就会造成气化炉结渣，影响配煤工作的正常进行，满足我国主要气化炉要求的煤炭灰熔点范围区间见式(6)。

1 250

(6)

步骤S04：多目标拆分评价因子，形成模型参数。

1) 获取坐标周围煤炭企业供煤煤质、储量、产量、价格数据。

2) 通过最短路径算法、GIS技术分别测算每一个矿山到拟建点的最优运输路径，得到距离和时间，从而推算运输成本。

3) 获取坐标周围水资源供应量、保护区空间关系，以及每种产品的市场需求。

步骤S05：多目标线性规划计算最优煤量配分和测算成本。配煤的灰分、水分、硫分、挥发分、发热量、灰成分、灰熔融温度均具有线性可加性，因此利用线性规划建立数学模型来指导配煤。该数学模型由目标函数和约束条件两部分构成，目标函数见式(7)，约束条件见式(8)。

(7)

(8)

步骤S06：可行分析。比较步骤S05中测算的配煤供应量、成本和收益，如果煤质无法满足生产需要或者内部收益率低于行业平均水平，则选择的放弃此点，回到步骤S01重新选择，重复流程，通过迭代再次比较，直到煤质满足要求和内部收益率高于行业平均水平，则此点进入选址目的名录，通过智能选址评价后煤化工企业可进入详细设计阶段。

4 新疆煤炭富集区煤化工基地选址实践

2018年新疆煤化工项目选址，运用本方法在新疆多个候选区域进行了智能优化选址工作。

第一步：新疆区域内有3个煤炭比较集中的区域，初始时分别在3个区域内粗略选择了3个位置：①新疆东部乌鲁木齐东北80 km处准噶尔煤盆地区域；②新疆西部伊犁县伊犁煤盆地中部伊犁河5 km处；③新疆北部额尔齐斯河南40 km，距五彩滩煤矿100 km处。获取三个位置的经纬度，随后根据坐标提取评价参数，对建厂位置进行优化。

第二步：设定煤化工产品为煤制气，随着城市化的进展，我国大城市都倾向于使用更清洁的天然气作为生活、生产的燃料，我国天然气缺口较大，需要大量进口，所以选择煤制气产品将获得良好效益，煤制天然气产能为60亿m3/a。

第三步：分析煤制气耗煤量、煤质要求，见表1。由表1可知，产能为60亿m3/a煤制天然气项目需供煤7 260万t/a，耗水0.9亿m3/a。如采用气流床粉煤气化工艺，煤质约束条件见式(1)～式(6)。

表1 消耗对比

第四步：获取坐标周边100 km范围内的大型煤炭企业供煤煤质、储量、产量、价格数据，所需数据项目参见第三步，以及煤矿的报价(元/t)，年产能(万t)，见表2煤矿实例。

表2 煤矿实例

计算从煤矿到拟建点的最少运输成本(满足煤质要求的矿山实例)，3个选址区域计算机最短运输路径计算见图2，结果见表3。

表3 煤矿运输实例

图2 选址系统最短运输路径计算

通过最短路径算法、GIS技术分别测算每一个矿山到设置坐标点的最优运输路径，得到距离和时间，从而推算运输成本；获取坐标周围水资源供应量；通过坐标点与水系(大江大河、水库)的距离测算，水资源供应情况见表4。 获取每种产品的市场需求：煤制天然气市场很好，市场处于紧缺状态。 获取坐标是否在自然保护区范围内：都在保护区10 km外。

表4 三个选区水资源情况

第五步：由第四步获取的多个参数，式(7)和式(8)计算最优煤量配分和测算成本，用计算机软件求解线性规划模型寻优(表5)。

表5 三个选区评价结果

第六步：比较S05步骤中测算的配煤供应量、成本和收益，满足煤质要求和水资源要求的选址为伊犁和五彩滩，而伊犁为最优选址，通过这种选址优化的方法，再继续优化迭代，智能选址评价后最终选择了伊犁哈萨克自治州霍城县西南XX km的点位，向煤化工企业推荐进入详细设计阶段。

5 结 语

在煤化工产业用煤特征研究基础上，通过分解煤化工工艺所要求的煤质关键指标，建立水资源、煤质、运输、环境等多参数约束方程和目标函数、运用线性规划评价方法，采集矿山煤质、水资源、环境、运输等多源数据，融合成为智能规划算法，迭代评价形成优化布局方案，通过不断迭代优选煤化工选厂位置，循环试错，从而优选出生产所需要素配置最优化方案。以准东、伊利、五彩湾三个煤炭富集区为研究对象，运用此方法进行智能选址，在满足工艺煤质要求的条件下，供应相同数量的煤炭，准东富煤区虽然总成本最低，但由于水源地距离太远被否决，而伊利综合成本、水资源等因素排名第一，选址建议选择伊利富煤区。