能源-煤炭信息与细节设计
第一部分 煤炭的五要素分析
引言
表 1 煤炭的三种类型（按煤阶）
类型 | 赋存特征 | 典型用途 | 本项目 |
褐煤 | 低阶煤，含水 30%–60%，热值 10–20 MJ/kg，易自燃 | 坑口发电、气化、供热 | 备选；热值低意味着吨位翻倍，见第五节 |
烟煤 | 中高阶煤，热值 25–30 MJ/kg，挥发分适中 | 发电、工业燃烧 | 本矿不是烟煤，见【修正】 |
无烟煤 | 高阶煤，热值 30–33 MJ/kg，挥发分极低 | 工业燃烧、民用、冶金 | 备选；点火难，不适合小机组 |
本矿实测
项目 | 实测值 | 说明 |
煤类 | 不黏煤 31（BN31） | 按 GB/T 5751-2009《中国煤炭分类》，以可采煤层各项平均值划分 |
热值 | Qgr,ad 18.45 MJ/kg（Qgr,d 19.13） | 空气干燥基高位；工程用收到基低位 Qnet,ar ≈ 16.29 MJ/kg（见第五节推算） |
灰分 Ad | 35.25%（21.54–66.22%） | 原煤；浮煤 14.09% |
挥发分 Vdaf | 33.79%（7.96–47.84%） | 原煤；属中高挥发分 |
全硫 St,d | 2.72%（1.25–3.67%） | 原煤；浮煤 2.78%，属高硫煤 |
水分 Mad | 1.68%（0.10–5.34%） | 原煤 |
氢 Hdaf | 5.05%（4.67–5.44%） | 原煤；用于低位发热量换算 |
磷 Pd | 0.071%（0.024–0.160%） | 原煤；洗后可降至 0.015% 以下 |
粘结指数 G | 2 | 不黏结 |
灰熔点 | 低熔—中熔点 | 煤灰中铝硅酸盐约 55%，氧化铁/钙/镁约 25% |
本文的基本立场：煤在我们世界里不是「电源」，是「确定性」。它是六种能源中唯一的高密度、可储存、可搬运、可随时启停、不受天气影响的能源 —— 买的是确定性，代价是碳与不可再生。这一立场贯穿五节，并在结论收束为一句话：煤只该用在「高品位、不可替代」的两处。
一、能量密度
与地热（过程性能源）不同，煤是含能体能源：能量固定在物质里，可以储存、可以搬运。它的能量密度同样要分两个层次看。
表 2 煤的能量密度的两个层次
层次 | 指标 | 数量级 | 含义 |
质量密度 | 单位质量热值 | 约 10¹ MJ/kg 量级 | 通用：褐煤 10–20、烟煤 25–30、无烟煤 30–33、标准煤 29.4；本矿 16.29（收到基低位） |
体积密度 | 单位体积热值 | 约 10⁴ MJ/m³ 量级 | 本矿：堆密度约 0.95 t/m³（高灰致真密度升到约 1.59 t/m³）→ 约 15 500 MJ/m³ |
表 3 煤与其它含能体能源的能量密度对比
载体 | 质量密度（MJ/kg） | 体积密度（MJ/m³） | 相对水平 |
沼气（CH₄ 60%） | — | 约 21.5 | 体积密度最低 |
地热水（温差 50 K） | — | 约 209 | 见《地热能介绍》 |
散装秸秆（60 kg/m³） | 15 | 约 900 | 基准 |
生物质颗粒（650 kg/m³） | 15 | 约 9 750 | 基准 ×11 |
双河不黏煤（0.95 t/m³） | 16.29 | 约 15 500 | 基准 ×17 |
烟煤（通用值 850 kg/m³） | 25 | 约 21 250 | 基准 ×24 |
标准煤（口径 29.4 MJ/kg） | 29.4 | 约 25 000 | 基准 ×28 |
石油 | 42 | 约 35 870 | 基准 ×40 |
氢 | 142 | — | 质量密度最高 |
优点
· 六源中唯一的「存量」能源：光、风、水、生物质、地热都是「流」，只有煤是「存量」——它可以被积累、被储备、被调度。
· 体积密度足够高：一车煤所含能量是同一车散装秸秆的 17 倍（原按 25 MJ/kg 写 24 倍，按实测 16.29 修正）。这决定了它可以长距离运输，而生物质不行。
· 不受天气与季节影响：储能不需要电池，调度不需要预测。
缺点
· 低阶煤含水高、热值低：本矿 Qgr,ad 18.45 MJ/kg，仅为通用烟煤（25–30）的 62%–74%，同样热量需求下吨位要翻 1.4–1.6 倍。
· 灰分高：实测 Ad 35.25%，是通用烟煤假设（6.91%）的 5 倍，直接放大灰渣量与除尘负担。
· 硫分高：实测 St,d 2.72%，是通用假设（1.21%）的 2.2 倍，且洗选不能脱硫（见第四节）。
· 碳排是六源中最高：单位能量碳排远高于地热、光伏、风、生物质（生物质为碳中性）。
· 不可再生：与其余五源的根本差别，见第三节。
二、空间分布
本方案的核心是「库存前置」：把前 30 年的煤放在界内，把矿留在界外。
表 4 煤的空间特征与供应时序
阶段 | 来源 | 运输方式 |
展开态 ～ 第 30 年 | 界内库存（随展开态带入） | 无 —— 不依赖任何界外设施 |
第 30 年起 | 大理州剑川县双河煤矿（在产） | 展开后自建的低标准道路 ＋ 公路短驳 |
双河煤矿的储量与产能（实测）
项目 | 数值 | 来源 |
位置 | 云南省大理州剑川县（距选址地约 70 km） | 普查报告封面与正文 |
勘查区面积 | 3.32 km² | 普查报告 §8.8 |
1975 年勘探提交 | C1+C2 表内外 848.69 万吨；批准表内 782.9 万吨 | 普查报告 §8.3.1 |
2008 年备案（大国土资矿储备字〔2008〕122 号） | 累计探明 386 万吨、保有 218 万吨（121b 56＋122b 60＋333 102），采空 168 万吨 | 普查报告 §8.3.1 |
2017 年核实 | 累计查明 111b+122b+333 类 411 万吨 | 普查报告 §8.3.1 |
本次普查出让范围 | 76 万吨（标高 2600 m 以上 49 万吨 ＋ 2300 m 以下 27 万吨） | 普查报告摘要 |
矿井设计规模 | 6 万吨/年（2008 年实际年产约 4.5 万吨） | 普查报告 §8.8 |
开采方式 | 地下开采，平硐开拓 | 普查报告 §8.8 |
可采煤层 | C1 唯一可采，厚 0.82–1.97 m（均 1.28 m），倾角 10°–25° 单斜 | 普查报告 §8.4.2、§8.3.2 |
表 5 界内库存的规模
项 | 数值 | 说明 |
年耗实物煤 | 695 t | 按 Qnet,ar 16.29 MJ/kg、气化＋燃气机 28% 效率 |
30 年库存 | 20 800 t（≈ 11 500 t 标准煤） | 695 t × 30 年 |
库存体积 | 约 2.2 万 m³ ≈ 21 900 块（≈ 8.8 块/人） | 按堆密度 0.95 t/m³ |
为什么是「库存 + 修路」这个组合
· 库存让展开态自成闭环：空间规则（S3）要求展开那一刻界外不得有任何人为设施 —— 井、路、电站都不能有。自带 30 年用煤，意味着煤这条链在前 30 年完全不依赖界外。
· 修路把「不可再生」的风险换成可控的工程量：道路是「一次投入、长期收益」，它把界外在产的双河煤矿接入本世界；保有 218 万吨这一事实直接消除了「几年就采完」的百年风险。
· 代价：这条场外道路是煤链唯一需要的界外工程，其建设能耗并入能源账的「建筑与土木」科目。
时序上的一个硬约束：路必须在库存耗尽之前建成。按 30 年库存，意味着第 20–25 年就要完成勘测与施工，而不是等第 30 年再动手。
三、时间分布
表 6 煤在三个时间尺度上的表现
尺度 | 表现 | 对设计的含义 |
百年 | 不可再生，但双河煤矿保有 218 万吨 → 百年供应可控（年耗 695 t，百年累计 6.95 万吨，占保有量约 3%） | 风险从「有没有煤」转为「运不运得出」，这是可控的一类风险 |
年 | 只在干季（11–4 月）运煤；雨季原则上不安排运输 | 需按半年用量设置中转堆场 |
日 | 出力完全可控，可按需启停、不受天气影响 | 唯一「想什么时候发就什么时候发」的电源 |
两阶段的时间结构，是煤方案区别于其他五源的最显著特征：
· 第 0–30 年：煤静止在仓库里，不采矿、不修路、不产生界外扰动。这段时间它只做两件事 —— 工业高品位热与补偿发电。
· 第 30 年起：路通，双河煤矿接入，煤从「库存」转为「流量」，供应不再受 30 年上限约束。
不可再生带来的治理问题，不会因为储量充足而消失。它是这个世界上唯一的「存量公共品」，在人的尺度上用完即无。因此煤必须在制度上按「百年信托」记账：年度配额全民共议、动用需跨代表决。
储存要求
实测矿井自燃倾向为「不易自燃」（普查报告 §8.7.3），这是好消息；但 Vdaf 33.79% 属中高挥发分，堆场条件不同于井下（松散、通风、堆积），仍须防雨防潮、通风与温度监测、分区堆存与先进先出轮换。煤尘有爆炸性（同上），堆场与输煤系统须按防爆设计。
四、利用方法
地热的利用方法由温度决定，生物质的由含水率决定，煤的由「需求的品位」决定。
表 7 煤的利用路线选择
用途 | 路线 | 效率量级 | 本方案取舍 |
工业高品位热 | 直接燃烧 | 80%–90% | ✓ 采纳（1.00 GWh/年） |
补偿发电 | 气化＋燃气内燃机 | 25%–30% | ✓ 采纳（0.60 GWh/年，按终端计电） |
主力发电 | 常规或超超临界煤电 | 33%–45% | ✗ 否决：本项目体量不匹配，且碳排最集中 |
采暖／生活热水 | 直接燃烧或热水锅炉 | 80%–90% | ✗ 否决：地热已覆盖，烧煤是能质错配 |
冶金还原剂 | 焦炭 | — | ✗ 否决：本矿为不黏煤 BN31，不黏结、不能炼焦（实测 G＝2） |
本方案只走两条路：工业直接燃烧 ＋ 补偿发电。
关键判据：煤烧出来的是 1 000 ℃ 以上的高品位热。凡是地热就能满足的低温热，一律不该烧煤 —— 这是「能质匹配」原则在煤炭上的直接推论，也是本方案把煤严格限制在两处的原因。
工艺链：破碎筛分 → 气化 → 煤气净化 → 燃气内燃机发电 ＋ 工业炉供热 → 余热回收 → 尾气净化 → 灰渣回填。
五、转化效率
同一吨煤，用法的效率相差 2–3 倍。
表 8 煤的不同利用路线效率
路线 | 效率 | 说明 |
超超临界发电 | 约 45% | 与 600 ℃ 锅炉卡诺上限 65.9% 相比，相对卡诺 68% |
常规煤电 | 33%–40% | 本项目规模不适用 |
气化＋燃气内燃机（小型） | 25%–30% | 本方案取 28% |
直接燃烧供热 | 80%–90% | 本方案主用途之一 |
CO₂ 封存附加能耗 | −10%～−20% | 必须计入，不能漏 |
与地热是同一条规律：《地热能介绍》已证明「同一股 85 ℃ 热水，发电约 8%、直接供暖可达 90%」。煤重复了同一件事 —— 直接供热的效率是发电的 2.5–3 倍。差别在于：地热是「温度不够所以发不了电」，煤是「温度太高所以不该只拿来发电」。前者是资源约束，后者是选择；我们必须做对的是后者。
本项目核算
环节 | 计算过程 | 结果 |
收到基低位发热量 | Qgr,ad 18.45 × (100−9)/(100−1.68) − 206×H_ar − 23×Mar（GB/T 213） | 16.29 MJ/kg（Mar 取 9% 推算） |
煤热值（年） | 695 t × 16.29 MJ/kg | 3.14 GWh/年 |
折标准煤 | 11.3 GJ ÷ 29.4 GJ/t | 约 384 t 标准煤/年 |
其中发电用 | 0.60 ÷ 28% | 2.14 GWh |
其中直接燃烧 | — | 1.00 GWh（计入「燃料」） |
发电产出 | 2.14 × 28% | 0.60 GWh_e/年 |
供电效率 | 0.60 ÷ 2.14 | 28%（气化＋燃气机，待核已解决） |
发电环节热损失 | 2.14 − 0.60 | 1.54 GWh/年（不计入能耗） |
30 年库存 | 695 t × 30 | 20 800 t（≈ 2.2 万 m³） |
口径：用于发电的燃料不与终端用电重复计入（课程口径，按终端计）—— 发电用的 2.14 GWh 煤只按产出的 0.60 GWh 电计入；直接燃烧的 1.00 GWh 计入「燃料」。故煤对「计入能耗」的贡献 ＝ 0.60 ＋ 1.00 ＝ 1.60 GWh/年，全案计入能耗 17.75 GWh ＝ 7 100 kWh/人·年，不因本次修正而改变。
表 9-1 煤质依据（原「云南六矿均值」已被实测替代）
实测：双河煤矿 C1 煤层
指标 | 原煤 | 浮煤 | 分级（GB/T 15224 等） |
水分 Mad /% | 1.68 | 1.43 | — |
灰分 Ad /% | 35.25 | 14.09 | 高灰煤 |
挥发分 Vdaf /% | 33.79 | 32.92 | 中高挥发分 |
固定碳 FCad /% | 53.45 | 60.09 | 低固定碳 |
Qgr,ad / MJ·kg⁻¹ | 18.45 | — | 中低发热量 |
Qgr,d / MJ·kg⁻¹ | 19.13 | — | — |
全硫 St,d /% | 2.72 | 2.78 | 高硫煤 |
磷 Pd /% | 0.071 | ≤0.015 | 中磷分 |
灰熔点 | 低熔—中熔点 | — | — |
对比：原引用的云南六矿统计值（仅作横向对比，不再作为本方案依据）
来源 | 灰分 Ad/% | 挥发分 Vdaf/% | 全硫 St,d/% |
云南省烟煤（全省均值） | 25.52 | 25.40 | 3.48 |
恩洪 | 6.77 | 21.70 | 0.21 |
圭山 | 7.22 | 22.15 | 0.31 |
明良 | 6.26 | 21.53 | 4.99 |
富源 | 7.97 | 35.90 | 0.26 |
羊场 | 8.69 | 36.86 | 0.22 |
一平浪 | 4.53 | 36.93 | 1.27 |
上述六矿均值 | 6.91 | 29.18 | 1.21 |
双河煤矿（实测） | 35.25 | 33.79 | 2.72 |
表 9 吨位敏感表（按修正后的 3.14 GWh 年煤热值需求重算）
煤阶 | 热值（MJ/kg） | 年耗实物煤 | 30 年库存 |
无烟煤 | 30 | 377 t | 11 310 t |
标准煤口径 | 29.4 | 384 t | 11 520 t |
烟煤（通用） | 25 | 452 t | 13 560 t |
褐煤（高） | 20 | 565 t | 16 950 t |
褐煤（低） | 15 | 754 t | 22 620 t |
双河不黏煤（实测） | 16.29 | 695 t | 20 850 t |
附 生态后果（煤炭必须单列的一节）
表 10 煤的三项补偿责任（按实测重算）
项 | 量级 | 必做动作 |
CO₂ | 约 1 100 t CO₂/年（695 t × ≈1.6 t CO₂/t），百年 ≈ 11 万 t | 点源封存。量级约为全社区呼吸量的 1.3 倍 |
灰渣 | 约 245 t/年（Ad 35.25%），30 年 7 350 t | 回填采空区或作土壤改良剂；须检测重金属 |
SO₂ | 约 38 t/年（St,d 2.72%，未脱硫）；须烟气脱硫 ≥90% 后降至 3.8 t/年 | 湿式洗涤／石灰石法；洗选不能脱硫 |
酸性矿井水 | 硫分氧化成硫酸；本矿为高硫煤（2.72%），风险高于原假设 | 水处理闭环，否则经溪流进入湖体源头 |
附加 | 道路与堆场粉尘、煤尘爆炸性、地表扰动 | 分区作业、防爆设计、边采边填、覆土种植乡土植物 |
三环补偿链：CO₂ 封存 ＋ 灰渣回填 ＋ 采后复垦 —— 缺一不可。只要断一环，百年尺度上就会累积成「我们批评的旧地球」的缩影。这是全案唯一一处追责追不到别人头上的风险。
设计原则
1. 只用于两处：工业高品位直接燃烧 ＋ 补偿发电。绝不做主力电源，绝不做采暖与生活热水。
2. 库存前置：展开态自带 30 年用煤（20 800 t ≈ 2.2 万 m³ ≈ 21 900 块），前 30 年零界外依赖。
3. 路在库存耗尽前建成：第 20–25 年完成勘测与施工；场外低标准道路是煤链唯一的界外工程，且只在干季运煤。
4. 三环补偿：CO₂ 封存 ＋ 灰渣回填 ＋ 采后复垦，缺一不可，逐项写入运维台账。
5. 百年信托：煤是唯一「用完即无」的存量公共品，年度配额由全民共议，动用需跨代表决。
6. 煤质已落定：按实测 Qnet,ar 16.29 MJ/kg、Ad 35.25%、St,d 2.72%、煤类 BN31 定规模；仍需补齐的项目见第二部分第 7 条。
第二部分 煤炭使用方案
1. 路线与设备
项 | 取值 | 说明 |
气化路线 | 两段式固定床气化 → 煤气净化 → 燃气内燃机 | 高挥发分 33.79% 是两段炉干馏段的天然优势；国产成熟、规模匹配 |
不选流化床的原因 | — | 高空隙率要求下 600 Nm³/h 级偏小，且 35% 灰的飞灰含碳损失大 |
不选液态排渣的原因 | — | 与低灰熔点契合但无小型成熟产品 |
净发电效率 | 28% | 气化 70%–75% × 燃气机 35%–38%，计净化与输送损失 |
装机 | 2 × 300 kW 并联（合计 600 kW） | N+1 冗余；缺口小时单开一台满负荷运行 |
年运行时间 | ≈1 000 h | 缺口季每天约 8 h × 4 个月 |
气化炉规模 | 约 600 Nm³/h | 煤气热值 5.5 MJ/Nm³；年产煤气约 205 万 Nm³ |
气化炉运行方式 | 年运行 5 000–6 000 h，气柜缓冲 | 气化炉怕频繁启停（结焦、焦油凝结），故连续为主；煤气在发电与工业炉之间切换 |
2. 煤量与库存
项 | 数值 | 说明 |
年耗实物煤 | 695 t | Qnet,ar 16.29 MJ/kg |
实物煤热值 | 3.14 GWh/年 | 发电 2.14 ＋ 工业直燃 1.00 |
计入能耗贡献 | 1.60 GWh/年 | 0.60 电（按终端计）＋ 1.00 燃料 |
30 年库存 | 20 800 t | — |
库存体积 | 约 2.2 万 m³ ≈ 21 900 块 | 堆密度 0.95 t/m³；占总预算 2.19% |
人均 | 约 8.8 块/人 | — |
3. 排放与脱硫
项 | 数值 | 处置 |
灰渣 | 245 t/年（30 年 7 350 t） | 回填采空区／土壤改良剂；检测重金属 |
SO₂（未脱硫） | 38 t/年（15 kg/人·年） | 必须烟气脱硫 ≥90%（湿式洗涤／石灰石法） |
SO₂（脱硫后） | 3.8 t/年（1.5 kg/人·年） | — |
CO₂ | 约 1 100 t/年（0.44 t/人·年） | 点源封存；捕集附加能耗 10%–20% 须计入 |
洗选 | 否决 | 普查报告实测：1.4 比重理论精煤回收率 <35%，「很难选煤」，结论为「C1 煤层洗选价值不大」；且洗后硫分 2.78% 反高于原煤 2.72%，洗选不能脱硫 |
4. 结渣控制（本路线唯一硬伤）
实测灰成分：SiO₂ 43.4%、Al₂O₃ 15.9%、Fe₂O₃ 11.9%、CaO 10.7%、MgO 3.6%。派生指标：
指标 | 计算 | 判读 |
碱酸比 B/A | (Fe₂O₃+CaO+MgO) ÷ (SiO₂+Al₂O₃) ＝ 0.44 | >0.4 → 中等偏严重结渣 |
硅比 G | SiO₂ ÷ (SiO₂+CaO+MgO+Fe₂O₃) ＝ 62.4% | <65 → 结渣倾向较强 |
灰熔点 | 报告定性为「低熔—中熔点」 | 工作假设 ST ≈ 1 150–1 200 ℃；具体温度待补 |
对策（前两条必做）：
· 掺加石灰石／白云石提高灰熔点至 1 300 ℃ 以上（同时可固硫）
· 蒸汽-空气混合气化，把氧化区温度压到软化温度以下 100–150 ℃
· 优选矿区内灰熔点偏高的煤层段（报告指出灰分变化无规律，值得做煤层分选）
· 机械除渣 ＋ 破渣装置，定期排渣
· 退路：若结渣压不住，改为「低温干馏（550–650 ℃）＋ 半焦直燃」分离工艺，干馏段温度低必然不结渣
5. 物流
年运量 695 t，按 20 t/车计约 35 车次/年。仅在干季（11–4 月）运输，约每周 1.4 趟。占双河矿现产能（6 万吨/年）的约 1.2%。运输道路为展开后自建的低标准碎石便道，其建设能耗（一次性约 4.5 GWh）并入能源账「建筑与土木」科目。
第四部分 资料来源
· [1] 课堂讲义：《能源的五个基本特征》（能量密度、空间分布、时间分布、利用方法、转化效率）。
· [2] 《大理州双河煤矿有限责任公司双河煤矿普查探矿权出让收益评估报告》，北京中宝信资产评估有限公司，评估基准日 2025-02-28。本报告数据直接来源：
§8.3.1 资源储量沿革；§8.3.2 构造（走向南北、倾向 105°–107°、倾角 10°–25°）；§8.4.2 含煤性与可采煤层厚度；§8.5.2 煤的化学性质（Mad、Ad、Vdaf、FCad、Qgr,ad、Qgr,d、St,d、Pd、Hdaf、灰成分、灰熔点）；§8.5.3 煤类划分（BN31）；§8.6 加工工艺技术性能与可选性；§8.7.3 环境地质（瓦斯、煤尘、自燃倾向）；§8.8 勘查现状与产能。
· [3] GB/T 5751—2009《中国煤炭分类》：煤类牌号划分依据（本矿为不黏煤 31，BN31）。
· [4] GB/T 15224.1/.2/.3—2010《煤炭灰分分级／硫分分级／发热量分级》：煤质等级判定依据。
· [5] GB/T 213《煤的发热量测定方法》：高位发热量与收到基低位发热量换算公式。
· [6] GB/T 219《煤灰熔融性的测定方法》：灰熔点术语与分级。
· [7] 标准煤口径 29.4 MJ/kg（对应约 7 000 kcal/kg），本方案全案统一取值。
· [8] 我们世界的能源总账与落位设计：《百万立方》能源桑基图（7,100 版 · A 方案）。
· [9] 月度电量平衡所用气象数据：《洱源县 2025 年气候影响评价》（洱源国家基本气象站）。其中大风站次分布（冬春 164 站次 : 汛期 9 站次）、年日照 2 001.9 h、雨季 5/24–11/8 等数据用于推断风电月度相位。
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