煤基納米碳氫燃料技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

黃涌波，杜善周

(國能準(zhǔn)能集團有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，010300)

0 研究背景

為積極落實國家“雙碳”目標(biāo)，推進煤炭清潔高效利用，國能準(zhǔn)能集團有限責(zé)任公司(以下簡稱為“準(zhǔn)能集團”)通過將煤炭納米化處理，制備出成漿濃度范圍寬、點火溫度低、燃料熱值高、附氫賦能的煤基納米碳氫燃料，并積極開展煤基納米碳氫燃料技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用。煤基納米碳氫燃料具備優(yōu)良的理化特性，準(zhǔn)能集團重點推進該燃料在火力發(fā)電、替代柴油生產(chǎn)銨油炸藥以及煤炭伴生資源高值化利用領(lǐng)域的研究，同時不斷探索煤基納米碳氫燃料在燃油替代、煤化工、高端吸附劑等領(lǐng)域的應(yīng)用，以進一步提升煤炭附加值，引領(lǐng)煤炭行業(yè)綠色低碳發(fā)展。

準(zhǔn)能集團擁有煤炭資源儲量30.85億t，不僅是低硫、特低磷、高灰熔點的優(yōu)質(zhì)動力煤，還是良好的化工用煤，同時富含鋁、鎵、鋰等有價元素。

1 煤基納米碳氫燃料的性能優(yōu)勢

煤基納米碳氫燃料是由煤、水和少量添加劑經(jīng)先進的納米化處理工藝形成的一種新型、高效、清潔的煤基特種燃料，中位粒度為454 nm，具有成漿濃度范圍寬、點火溫度低、燃料熱值高、附氫賦能等特性。

準(zhǔn)能集團通過開展煤種選擇、粒度級配研究，優(yōu)選出了制備煤基納米碳氫燃料的最佳原料方案。同時，基于納米化技術(shù)原理和助磨劑作用機理，完成了助磨劑的優(yōu)選，通過分散劑優(yōu)選提升了燃料穩(wěn)定性，再結(jié)合納米化技術(shù)控制煤粉顆粒的表面活性，成功制備出煤基納米碳氫燃料，并形成了煤基納米碳氫燃料工業(yè)化制備技術(shù)[1-2]。

中南大學(xué)對煤基納米碳氫燃料進行的粘度對比實驗如圖1所示。實驗結(jié)果表明，與水煤漿的假塑性流體特性相比，煤基納米碳氫燃料的流變粘度穩(wěn)定性高，其粘度特性已由假塑性流體變成了類似牛頓流體，燃料成漿濃度范圍寬，可在35%～69%濃度范圍內(nèi)穩(wěn)定成漿。

圖1 漿料的觸變性質(zhì)測定(觸變環(huán))

中國工程物理研究院對煤基納米碳氫燃料進行了熱值測試(表1)和氣相組分分析，標(biāo)準(zhǔn)氣中的H2與樣品揮發(fā)性成分的峰位對比如圖2所示。測試結(jié)果表明，該燃料中含有氫氣，且具有緩釋現(xiàn)象，其發(fā)熱量較同濃度水煤漿提升了10%～30%。

表1 煤基納米碳氫燃料與水煤漿熱值測試

圖2 標(biāo)準(zhǔn)氣(Ar-H2)中的H2與樣品揮發(fā)性成分的峰位對比

安徽理工大學(xué)熱重-質(zhì)譜聯(lián)用實驗分析了不同粒徑漿體氣體逸出情況，如圖3所示，并進行了溶劑萃取實驗研究。研究結(jié)果揭示了煤基納米碳氫燃料熱值提升的主要原因，在納米化過程中煤奪取水中氫元素，生成了氫氣釋放的前驅(qū)體醛類化合物和H2、CO、CH4、O2等小分子，提升了燃料熱值，為燃料150℃低溫穩(wěn)定燃燒提供了保障。

圖3 不同粒徑漿體氣體逸出情況分析

中國工程物理研究院和安徽理工大學(xué)的研究，證實了煤基納米碳氫燃料制備過程中煤和水混合進行納米化時，生成了H2等小分子氣體以及小碳鏈有機物。同時，納米級煤粒子表面活性呈幾何級數(shù)增長，微觀層面加強了其捕獲和束縛氫的能力，通過氫的增加實現(xiàn)了總體熱值的提高。因此，煤基納米碳氫燃料具有附氫賦能的特性。

2 煤基納米碳氫燃料多領(lǐng)域工業(yè)化應(yīng)用的探索

煤基納米碳氫燃料作為新型特種燃料，具有優(yōu)良的理化特性，準(zhǔn)能集團重點推進其在火力發(fā)電、替代柴油生產(chǎn)銨油炸藥、煤炭伴生資源高值化利用領(lǐng)域的研究，同時不斷探索煤基納米碳氫燃料在燃油替代、煤化工、高端吸附劑等領(lǐng)域的應(yīng)用，以期進一步提升煤炭附加值，實現(xiàn)煤炭清潔高效利用。

2.1 火力發(fā)電應(yīng)用研究

2.1.1 技術(shù)路徑

基于煤基納米碳氫燃料的流體特性，準(zhǔn)能集團研發(fā)團隊設(shè)計開發(fā)了適合該燃料的專用霧化噴嘴，實現(xiàn)了燃料的高效霧化。設(shè)計搭建了0.7 MW煤基納米碳氫燃料燃燒試驗應(yīng)用平臺，完成了爐前儲存輸送、霧化控制、低溫點火及燃燒調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)試驗研究[3-4]。研究開展了3 MW半工業(yè)化試驗，獲取煤基納米碳氫燃料燃燒的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。自主開發(fā)了高效分離器、布風(fēng)系統(tǒng)、智能噴嘴等關(guān)鍵部件，完成了準(zhǔn)能集團矸石發(fā)電公司150 MW鍋爐改造及工業(yè)化示范應(yīng)用，取得了煤基納米碳氫燃料發(fā)電關(guān)鍵指標(biāo)的新突破，形成了煤基納米碳氫燃料火力發(fā)電技術(shù)。具體研發(fā)路徑如圖4所示。

圖4 火力發(fā)電研究技術(shù)路徑

2.1.2 研發(fā)創(chuàng)新成果

(1)攻克了低濃度煤基納米碳氫燃料穩(wěn)定燃燒關(guān)鍵技術(shù)，首次在150～200℃低溫下，實現(xiàn)了16.72 kJ/kg煤制備50%濃度的煤基納米碳氫燃料點火及穩(wěn)定燃燒。

(2)研發(fā)了煤基納米碳氫燃料火力發(fā)電技術(shù)，經(jīng)150 MW循環(huán)流化床鍋爐72 h運行驗證，運行期間的發(fā)電煤耗比原來的燃煤發(fā)電標(biāo)煤耗量下降了50 g/(kW·h)，達到低煤耗、低碳排放的效果。

(3)建成首套煤基納米碳氫燃料發(fā)電裝備，并完成了工業(yè)化示范應(yīng)用。

2022年11月12日，“煤基納米碳氫燃料工業(yè)化制備技術(shù)”和“煤基納米碳氫燃料火力發(fā)電技術(shù)”通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的科技成果鑒定，由3位院士和6位知名專家組成的鑒定委員會一致認為該技術(shù)成果屬“國內(nèi)外首創(chuàng)，達到國際領(lǐng)先水平”。

2.1.3 推廣應(yīng)用價值

煤基納米碳氫燃料火力發(fā)電技術(shù)可降低發(fā)電標(biāo)煤耗量50 g/(kW·h)，實現(xiàn)煤炭節(jié)能、降耗、減污、增效的清潔化燃燒。該技術(shù)可使300 MW以下燃煤發(fā)電機組的供電標(biāo)煤耗量降至300 g/(kW·h)以下，滿足國家“十四五”末全國火電平均供電煤耗的要求，有望成為傳統(tǒng)火電機組靈活性改造的顛覆性技術(shù)，助力國家“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。

國家能源集團2022年火力發(fā)電量9 527億kW·h，按降低發(fā)電標(biāo)煤耗量50 g/(kW·h)計算，可節(jié)約標(biāo)煤4 763.5萬t/a，減少二氧化碳排放1.19億t/a。按照2022年全國燃煤發(fā)電量5.42萬億kW·h計算，每年可節(jié)約標(biāo)煤2.71億t，減少二氧化碳排放6.76億t。

2.2 替代柴油生產(chǎn)銨油炸藥研究

銨油炸藥由多孔粒狀硝酸銨和柴油(約占6%)組成，是工業(yè)炸藥中使用量最大、應(yīng)用范圍最廣的炸藥品種之一。柴油作為可燃劑，占炸藥成本的14.5%。為降低炸藥成本，準(zhǔn)能集團一直致力于新型工業(yè)炸藥的研發(fā)[5-6]。

煤基納米碳氫燃料是一種新型液態(tài)煤基特種燃料，具有附氫賦能的特性，并且具備點火溫度低、燃料熱值高的優(yōu)勢，作為炸藥的可燃劑，可完全替代柴油制備銨油炸藥。

2.2.1 技術(shù)路徑

基于銨油炸藥對可燃劑的相關(guān)技術(shù)要求，開展煤粉粒度級配、制漿工藝、助磨劑和分散劑等研究，制備出替代柴油生產(chǎn)工業(yè)炸藥的煤基納米碳氫可燃劑。

以多孔粒狀硝酸銨、煤基納米碳氫可燃劑、柴油為研究對象，基于工業(yè)炸藥配方零氧平衡的原則，研究建立了新型煤基納米碳氫炸藥設(shè)計配方數(shù)學(xué)模型。通過分析確定影響新型煤基納米碳氫炸藥的主控因素，利用小樣試驗對炸藥各組分的占比進行了優(yōu)化驗證，并繼續(xù)進行爆炸速度、雷管感度、儲存穩(wěn)定性、作功能力、猛度等爆炸性能測試。根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)化確定了炸藥配方設(shè)計方案，研發(fā)出適用于新型煤基納米碳氫炸藥的生產(chǎn)工藝技術(shù)及其裝備，通過進行露天煤礦現(xiàn)場爆破試驗，獲得新型煤基納米碳氫炸藥并形成其制備工藝。具體研發(fā)路徑如圖5所示。

圖5 新型煤基納米碳氫炸藥研發(fā)技術(shù)路徑

2.2.2 創(chuàng)新成果

(1)首次開發(fā)出可替代柴油生產(chǎn)工業(yè)炸藥的煤基納米碳氫可燃劑及其制備技術(shù)，研制的新型煤基納米碳氫炸藥主要爆炸性能指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)銨油炸藥，其原材料成本可降低12.7%，爆炸速度高于3 100 m/s，猛度提升20%，作功能力提升35%。

(2)研發(fā)了新型煤基納米碳氫炸藥生產(chǎn)工藝與設(shè)備，實現(xiàn)了炸藥的現(xiàn)場混裝與工業(yè)化應(yīng)用。

(3)完成了新型煤基納米碳氫炸藥在黑岱溝露天煤礦松動爆破中的試驗應(yīng)用，爆堆隆起高度、邊幫沉降高度、巖石爆破拉伸塊度等爆破指標(biāo)良好。

2023年8月4日，“新型煤基納米碳氫炸藥及制備工藝技術(shù)”成果通過國家工業(yè)和信息化部科技成果鑒定，鑒定認為項目屬“國內(nèi)外首創(chuàng)，達到國際領(lǐng)先水平”。

2.2.3 推廣應(yīng)用價值

煤基納米碳氫燃料在工業(yè)炸藥生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用，實現(xiàn)了煤炭在工業(yè)炸藥生產(chǎn)中的清潔高效利用，為促進煤炭行業(yè)和民爆行業(yè)節(jié)能減排、實現(xiàn)煤礦企業(yè)綠色轉(zhuǎn)型高質(zhì)量發(fā)展開拓了新路徑，緩解了工業(yè)炸藥生產(chǎn)對石油產(chǎn)品的依賴。

使用煤基納米碳氫燃料替代柴油可節(jié)約炸藥成本420元/t，按2022年國能準(zhǔn)能集團銨油炸藥6.8萬t 計，可節(jié)約炸藥成本約2 856萬元。按照2022年全國工業(yè)銨油炸藥年用量97.86萬t計算，可節(jié)約柴油5.87萬t，節(jié)約炸藥成本4.1億元。

2.3 煤炭伴生資源高值化利用研究

煤基納米碳氫燃料的低溫燃燒特性，有效提高了灰渣活性，為準(zhǔn)能集團從粉煤灰中高效提取鋁、鎵、鋰等戰(zhàn)略資源創(chuàng)造了有利條件[7-8]。

利用煤基納米碳氫燃料工業(yè)化制備技術(shù)和火力發(fā)電技術(shù)可實現(xiàn)煤炭高效燃燒，能將傳統(tǒng)火電鍋爐改造為循環(huán)經(jīng)濟的“三源裝置”，即原料源、蒸汽源和動力源，以高活性粉煤灰、鍋爐富余蒸汽和高溫?zé)煔鉃樵仙a(chǎn)氧化鋁，實現(xiàn)了煤炭的“吃干榨凈”，從源頭上解決了粉煤灰循環(huán)經(jīng)濟動力成本過高問題；同時，煤基納米碳氫燃料的灰渣活性高、溶出溫度低，可有效降低目前一步酸溶法制備氧化鋁設(shè)備的材質(zhì)防腐等級及成本。

結(jié)合“一步酸溶法”技術(shù)、“水熱除雜”技術(shù)，準(zhǔn)能集團重新開創(chuàng)了以“脫碳、除硅、提鋁”為核心的高鋁粉煤灰綜合利用工業(yè)技術(shù)路徑，構(gòu)建了“納米碳氫發(fā)電-粉煤灰-氧化鋁(鋰、鎵、硅等)-綠色電解鋁及鋁產(chǎn)品”完整的循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈。該產(chǎn)業(yè)鏈的建成，總價值達6 093.60元，保守估計循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈提升煤炭價值18倍，見表2，實現(xiàn)了煤炭由“烏金”到“國家重要戰(zhàn)略資源”的價值躍遷，拓寬了煤炭清潔高效利用行業(yè)的路徑，推動了煤炭行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

表2 循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈煤炭價值情況

2.4 煤基納米碳氫燃料在燃油替代、煤氣化、吸附劑領(lǐng)域的應(yīng)用探索

2.4.1 燃油替代

通過優(yōu)選納米碳氫燃料、柴油及復(fù)合乳化劑配比，制備出組分為煤基納米碳氫燃料70%、柴油30%的特種煤基油品。2022年12月8日，特種煤基油品在柴油發(fā)動機上實現(xiàn)了壓燃點火，并平穩(wěn)運行，驗證了煤基納米碳氫燃料替代柴油作為燃料的可行性。目前，正在開展煤基納米碳氫燃料高比例替代柴油的研發(fā)應(yīng)用、柴油發(fā)動機優(yōu)化改造及脫硫、除灰等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，有望在礦用卡車、船舶上實現(xiàn)燃油替代，為其能源供應(yīng)提供了新的解決方案，以緩解我國原油緊缺局面[9]。

2.4.2 替代水煤漿用于煤氣化

傳統(tǒng)水煤漿濃度為60%[10]，進一步提升水煤漿濃度成本極高。煤基納米碳氫燃料成漿濃度高，現(xiàn)已提升至69%，高濃度煤基納米碳氫燃料可大幅降低煤氣化生產(chǎn)成本，并提高合成氣中的有效氣體成分和氣化產(chǎn)率，可極大提升水煤漿煤氣化的市場競爭力。

2.4.3 燃燒產(chǎn)物制備吸附劑

煤基納米碳氫燃料的燃燒產(chǎn)物粉煤灰屬于微納米級，具有多孔、高比表面積、高活性的特點，通過復(fù)配納米級新材料，可開發(fā)出多種市場潛力巨大的吸附性材料，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益可使煤炭價值提高數(shù)十倍。

3 結(jié)語

準(zhǔn)能集團始終堅持新發(fā)展理念、堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，并在綠色低碳轉(zhuǎn)型領(lǐng)域發(fā)力，目的就是要破解資源型企業(yè)陷阱，打造高質(zhì)量發(fā)展的煤礦企業(yè)。煤基納米碳氫燃料技術(shù)是企業(yè)撬動“雙碳”目標(biāo)、完成能源革故鼎新的有力杠桿，它的推廣及應(yīng)用，必將是世界能源領(lǐng)域的一次偉大革命，更將為人類工業(yè)文明的進步做出重要貢獻。為此，準(zhǔn)能集團將致力打造煤基納米碳氫燃料產(chǎn)業(yè)平臺、國家煤基納米碳氫燃料創(chuàng)新中心、煤基納米碳氫燃料產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，引領(lǐng)煤炭行業(yè)綠色低碳發(fā)展。