煤基纳米碳氢燃料技术研发与应用_中国煤炭行业知识服务平台

煤基纳米碳氢燃料技术研发与应用

论文概要

为积极落实国家“双碳”目标，准能集团立足能源资源禀赋和产业优势，通过科技创新，以煤炭清洁化燃烧和高值化利用为方向，在世界上首次研制出煤基纳米碳氢燃料。介绍了煤基纳米碳氢燃料的特性，阐述了国能准能集团在该燃料应用领域的创新研发和工业化探索，并归纳总结了取得的主要研发成果。煤基纳米碳氢燃料用于发电可有效节煤，替代柴油生产铵油炸药可取得降低炸药成本、提高炸药性能，替代水煤浆用于煤气化可提高煤气有效组分和气化产率。认为，煤基纳米碳氢燃料的创新研发将进一步提升煤炭附加值，引领煤炭行业绿色低碳发展。

作者简介

黄涌波（1968-），男，汉族，中共党员，博士研究生学历，教授级高级工程师，现任国能准能集团循环经济管理部经理、中国神华能源股份有限公司哈尔乌素露天煤矿循环经济产业孵化基地经理兼党委书记。

黄涌波的主要研究方向为粉煤灰提铝及煤基纳米碳氢燃料的研制与应用。主持开发了酸法氧化铝输送、下料和烟气净化等关键技术，构建了酸法氧化铝电解工艺技术体系；开发出结晶氯化铝水溶除杂、煤基纳米碳氢燃料工业化制备及火力发电等系列原创性技术。

黄涌波作为主要完成人，参与研发的5项科学成果被鉴定为国际领先水平；他主持或参与的重点科技项目19项，获得授权专利41项，出版专著1部，编制国家标准1项，发表相关论文7篇，获得省部级二等奖4项、三等奖4项，荣获“有色金属行业技术能手”等荣誉称号。

主要内容

首先，比较详细地介绍了煤基纳米碳氢燃料的性能优势。煤基纳米碳氢燃料是由煤、水和少量添加剂经先进纳米化处理工艺形成的一种新型、高效、清洁的煤基特种燃料，中位粒度为454 nm，具有成浆浓度范围宽、点火温度低、燃料热值高、附氢赋能等特性。国能准能集团通过开展煤种选择、粒度级配研究，优选出了制备煤基纳米碳氢燃料的最佳的原料方案；同时，基于纳米化技术原理和助磨剂作用机理，完成了助磨剂的优选，通过分散剂优选提升了该燃料的稳定性，再结合纳米化技术控制煤粉颗粒的表面活性，成功制备出煤基纳米碳氢燃料，并形成了煤基纳米碳氢燃料工业化制备技术。通过中国工程物理研究院和安徽理工大学的研究，证实了煤基纳米碳氢燃料制备过程中煤和水混合进行纳米化时,生成了H₂等小分子气体以及小碳链有机物。同时，纳米级煤粒子表面活性呈几何级数增长，微观层面加强了其捕获和束缚氢的能力，通过氢的增加实现了总体热值的提高。因此，煤基纳米碳氢燃料具有附氢赋能的特性。

其次，阐述了煤基纳米碳氢燃料在多领域工业化应用的探索过程。

1）在火力发电领域：国能准能集团研发团队设计开发了适合煤基纳米碳氢燃料的专用雾化喷嘴，实现了燃料的高效雾化；设计搭建了0.7 MW煤基纳米碳氢燃料燃烧试验应用平台，完成了炉前储存输送、雾化控制、低温点火及燃烧调整等关键技术试验研究；研究开展了3 MW半工业化试验，获得煤基纳米碳氢燃料燃烧的关键数据；自主开发了高效分离器、布风系统、智能喷嘴等关键部件，完成了准能集团矸石发电公司150 MW锅炉改造及工业化示范应用，形成了煤基纳米碳氢燃料火力发电技术。

2）在替代柴油生产铵油炸药领域：煤基纳米碳氢燃料是一种新型液态煤基特种燃料，具有附氢赋能的特性，并且具备点火温度低、燃料热值高的优势，作为炸药的可燃剂，可完全替代柴油制备铵油炸药；通过分析确定影响新型煤基纳米碳氢炸药的主控因素，利用小样试验对炸药各组分的占比进行了优化验证；根据试验结果优化确定了炸药配方设计方案，研发出适用于新型煤基纳米碳氢炸药的生产工艺技术及其装备，并进行了现场煤层爆破试验，形成新型煤基纳米碳氢炸药及制备工艺技术。

3）在煤炭伴生资源高值化利用领域：煤基纳米碳氢燃料的低温燃烧特性，有效提高了灰渣活性，为国能准能集团从粉煤灰中高效提取铝、镓、锂等战略资源创造了有利条件；利用煤基纳米碳氢燃料工业化制备和火力发电技术实现得煤炭高效燃烧，可将传统火电锅炉改造为循环经济的“三源装置”，即原料源、蒸汽源和动力源，以高活性粉煤灰为原料，锅炉富余蒸汽和高温烟气用于生产氧化铝，实现了煤炭的“吃干榨净”，从源头上解决粉煤灰循环经济动力成本过高问题；同时，煤基纳米碳氢燃料的灰渣活性高、溶出温度低，可有效降低目前一步酸溶法制备氧化铝设备的材质防腐等级及成本；重新开创了以“脱碳、除硅、提铝”为核心的高铝粉煤灰综合利用工业技术路径，构建了“纳米碳氢发电-粉煤灰-氧化铝（锂、镓、硅等）-绿色电解铝及铝产品”的完整的循环经济产业链。

4）在燃油替代、煤气化、吸附剂领域：通过优选纳米碳氢燃料、柴油及复合乳化剂配比，制备出组分为煤基纳米碳氢燃料70%、柴油30%的特种煤基油品；传统水煤浆浓度为60%，进一步提升水煤浆浓度成本极高，但煤基纳米碳氢燃料成浆浓度高，现已提升至69%，大幅降低了煤气化生产成本，提高了合成气中的有效气体成分和气化产率；煤基纳米碳氢燃料的燃烧产物—粉煤灰属于微纳米级，具有多孔、高比表面积、高活性的特点，通过复配纳米级新材料，可开发出多种市场潜力巨大的吸附性材料。

第三，笔者认为煤基纳米碳氢燃料技术是煤矿企业撬动“双碳”目标、完成能源革故鼎新的有力杠杆，它的推广及应用，必将是世界能源领域的一次伟大革命，更将为人类工业文明的进步做出重要贡献。

主要图表