煤基納米碳?xì)淙剂霞夹g(shù)研發(fā)與應(yīng)用

黃涌波，杜善周

(國(guó)能準(zhǔn)能集團(tuán)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(shí)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，推進(jìn)煤炭清潔高效利用，國(guó)能準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“準(zhǔn)能集團(tuán)”)通過(guò)將煤炭納米化處理，制備出成漿濃度范圍寬、點(diǎn)火溫度低、燃料熱值高、附氫賦能的煤基納米碳?xì)淙剂希⒎e極開(kāi)展煤基納米碳?xì)淙剂霞夹g(shù)研發(fā)與應(yīng)用。煤基納米碳?xì)淙剂暇邆鋬?yōu)良的理化特性，準(zhǔn)能集團(tuán)重點(diǎn)推進(jìn)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(shí)不斷探索煤基納米碳?xì)淙剂显谌加吞娲⒚夯ぁ⒏叨宋絼┑阮I(lǐng)域的應(yīng)用，以進(jìn)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(tuán)擁有煤炭資源儲(chǔ)量30.85億t，不僅是低硫、特低磷、高灰熔點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤，還是良好的化工用煤，同時(shí)富含鋁、鎵、鋰等有價(jià)元素。

1 煤基納米碳?xì)淙剂系男阅軆?yōu)勢(shì)

煤基納米碳?xì)淙剂鲜怯擅骸⑺蜕倭刻砑觿┙?jīng)先進(jìn)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(diǎn)火溫度低、燃料熱值高、附氫賦能等特性。

準(zhǔn)能集團(tuán)通過(guò)開(kāi)展煤種選擇、粒度級(jí)配研究，優(yōu)選出了制備煤基納米碳?xì)淙剂系淖罴言戏桨浮Ｍ瑫r(shí)，基于納米化技術(shù)原理和助磨劑作用機(jī)理，完成了助磨劑的優(yōu)選，通過(guò)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?xì)淙剂希⑿纬闪嗣夯{米碳?xì)淙剂瞎I(yè)化制備技術(shù)[1-2]。

中南大學(xué)對(duì)煤基納米碳?xì)淙剂线M(jìn)行的粘度對(duì)比實(shí)驗(yàn)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與水煤漿的假塑性流體特性相比，煤基納米碳?xì)淙剂系牧髯冋扯确€(wěn)定性高，其粘度特性已由假塑性流體變成了類(lèi)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(cè)定(觸變環(huán))

中國(guó)工程物理研究院對(duì)煤基納米碳?xì)淙剂线M(jìn)行了熱值測(cè)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(duì)比如圖2所示。測(cè)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?xì)淙剂吓c水煤漿熱值測(cè)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(duì)比

安徽理工大學(xué)熱重-質(zhì)譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)分析了不同粒徑漿體氣體逸出情況，如圖3所示，并進(jìn)行了溶劑萃取實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果揭示了煤基納米碳?xì)淙剂蠠嶂堤嵘闹饕颍诩{米化過(guò)程中煤奪取水中氫元素，生成了氫氣釋放的前驅(qū)體醛類(lèi)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(guó)工程物理研究院和安徽理工大學(xué)的研究，證實(shí)了煤基納米碳?xì)淙剂现苽溥^(guò)程中煤和水混合進(jìn)行納米化時(shí)，生成了H2等小分子氣體以及小碳鏈有機(jī)物。同時(shí)，納米級(jí)煤粒子表面活性呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，微觀層面加強(qiáng)了其捕獲和束縛氫的能力，通過(guò)氫的增加實(shí)現(xiàn)了總體熱值的提高。因此，煤基納米碳?xì)淙剂暇哂懈綒滟x能的特性。

2 煤基納米碳?xì)淙剂隙囝I(lǐng)域工業(yè)化應(yīng)用的探索

煤基納米碳?xì)淙剂献鳛樾滦吞胤N燃料，具有優(yōu)良的理化特性，準(zhǔn)能集團(tuán)重點(diǎn)推進(jìn)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(shí)不斷探索煤基納米碳?xì)淙剂显谌加吞娲⒚夯ぁ⒏叨宋絼┑阮I(lǐng)域的應(yīng)用，以期進(jìn)一步提升煤炭附加值，實(shí)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?xì)淙剂系牧黧w特性，準(zhǔn)能集團(tuán)研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了適合該燃料的專(zhuān)用霧化噴嘴，實(shí)現(xiàn)了燃料的高效霧化。設(shè)計(jì)搭建了0.7 MW煤基納米碳?xì)淙剂先紵囼?yàn)應(yīng)用平臺(tái)，完成了爐前儲(chǔ)存輸送、霧化控制、低溫點(diǎn)火及燃燒調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究[3-4]。研究開(kāi)展了3 MW半工業(yè)化試驗(yàn)，獲取煤基納米碳?xì)淙剂先紵年P(guān)鍵數(shù)據(jù)。自主開(kāi)發(fā)了高效分離器、布風(fēng)系統(tǒng)、智能?chē)娮斓汝P(guān)鍵部件，完成了準(zhǔn)能集團(tuán)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?xì)淙剂习l(fā)電關(guān)鍵指標(biāo)的新突破，形成了煤基納米碳?xì)淙剂匣鹆Πl(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?xì)淙剂戏€(wěn)定燃燒關(guān)鍵技術(shù)，首次在150～200℃低溫下，實(shí)現(xiàn)了16.72 kJ/kg煤制備50%濃度的煤基納米碳?xì)淙剂宵c(diǎn)火及穩(wěn)定燃燒。

(2)研發(fā)了煤基納米碳?xì)淙剂匣鹆Πl(fā)電技術(shù)，經(jīng)150 MW循環(huán)流化床鍋爐72 h運(yùn)行驗(yàn)證，運(yùn)行期間的發(fā)電煤耗比原來(lái)的燃煤發(fā)電標(biāo)煤耗量下降了50 g/(kW·h)，達(dá)到低煤耗、低碳排放的效果。

(3)建成首套煤基納米碳?xì)淙剂习l(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?xì)淙剂瞎I(yè)化制備技術(shù)”和“煤基納米碳?xì)淙剂匣鹆Πl(fā)電技術(shù)”通過(guò)了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果鑒定，由3位院士和6位知名專(zhuān)家組成的鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為該技術(shù)成果屬“國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”。

2.1.3 推廣應(yīng)用價(jià)值

煤基納米碳?xì)淙剂匣鹆Πl(fā)電技術(shù)可降低發(fā)電標(biāo)煤耗量50 g/(kW·h)，實(shí)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(jī)組的供電標(biāo)煤耗量降至300 g/(kW·h)以下，滿足國(guó)家“十四五”末全國(guó)火電平均供電煤耗的要求，有望成為傳統(tǒng)火電機(jī)組靈活性改造的顛覆性技術(shù)，助力國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

國(guó)家能源集團(tuán)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(jì)算，可節(jié)約標(biāo)煤4 763.5萬(wàn)t/a，減少二氧化碳排放1.19億t/a。按照2022年全國(guó)燃煤發(fā)電量5.42萬(wàn)億kW·h計(jì)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(tuán)一直致力于新型工業(yè)炸藥的研發(fā)[5-6]。

煤基納米碳?xì)淙剂鲜且环N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(diǎn)火溫度低、燃料熱值高的優(yōu)勢(shì)，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(duì)可燃劑的相關(guān)技術(shù)要求，開(kāi)展煤粉粒度級(jí)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?xì)淇扇紕?/p>

以多孔粒狀硝酸銨、煤基納米碳?xì)淇扇紕⒉裼蜑檠芯繉?duì)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?xì)湔ㄋ幵O(shè)計(jì)配方數(shù)學(xué)模型。通過(guò)分析確定影響新型煤基納米碳?xì)湔ㄋ幍闹骺匾蛩兀眯釉囼?yàn)對(duì)炸藥各組分的占比進(jìn)行了優(yōu)化驗(yàn)證，并繼續(xù)進(jìn)行爆炸速度、雷管感度、儲(chǔ)存穩(wěn)定性、作功能力、猛度等爆炸性能測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化確定了炸藥配方設(shè)計(jì)方案，研發(fā)出適用于新型煤基納米碳?xì)湔ㄋ幍纳a(chǎn)工藝技術(shù)及其裝備，通過(guò)進(jìn)行露天煤礦現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，獲得新型煤基納米碳?xì)湔ㄋ幉⑿纬善渲苽涔に嚒＞唧w研發(fā)路徑如圖5所示。

圖5 新型煤基納米碳?xì)湔ㄋ幯邪l(fā)技術(shù)路徑

2.2.2 創(chuàng)新成果

(1)首次開(kāi)發(fā)出可替代柴油生產(chǎn)工業(yè)炸藥的煤基納米碳?xì)淇扇紕┘捌渲苽浼夹g(shù)，研制的新型煤基納米碳?xì)湔ㄋ幹饕ㄐ阅苤笜?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?xì)湔ㄋ幧a(chǎn)工藝與設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了炸藥的現(xiàn)場(chǎng)混裝與工業(yè)化應(yīng)用。

(3)完成了新型煤基納米碳?xì)湔ㄋ幵诤卺窚下短烀旱V松動(dòng)爆破中的試驗(yàn)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?xì)湔ㄋ幖爸苽涔に嚰夹g(shù)”成果通過(guò)國(guó)家工業(yè)和信息化部科技成果鑒定，鑒定認(rèn)為項(xiàng)目屬“國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”。

2.2.3 推廣應(yīng)用價(jià)值

煤基納米碳?xì)淙剂显诠I(yè)炸藥生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用，實(shí)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(jìn)煤炭行業(yè)和民爆行業(yè)節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)綠色轉(zhuǎn)型高質(zhì)量發(fā)展開(kāi)拓了新路徑，緩解了工業(yè)炸藥生產(chǎn)對(duì)石油產(chǎn)品的依賴。

使用煤基納米碳?xì)淙剂咸娲裼涂晒?jié)約炸藥成本420元/t，按2022年國(guó)能準(zhǔn)能集團(tuán)銨油炸藥6.8萬(wàn)t 計(jì)，可節(jié)約炸藥成本約2 856萬(wàn)元。按照2022年全國(guó)工業(yè)銨油炸藥年用量97.86萬(wàn)t計(jì)算，可節(jié)約柴油5.87萬(wàn)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?xì)淙剂系牡蜏厝紵匦裕行岣吡嘶以钚裕瑸闇?zhǔn)能集團(tuán)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?xì)淙剂瞎I(yè)化制備技術(shù)和火力發(fā)電技術(shù)可實(shí)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(jì)的“三源裝置”，即原料源、蒸汽源和動(dòng)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(shí)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(jì)動(dòng)力成本過(guò)高問(wèn)題；同時(shí)，煤基納米碳?xì)淙剂系幕以钚愿摺⑷艹鰷囟鹊停捎行Ы档湍壳耙徊剿崛芊ㄖ苽溲趸X設(shè)備的材質(zhì)防腐等級(jí)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(tuán)重新開(kāi)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?xì)浒l(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(jì)產(chǎn)業(yè)鏈。該產(chǎn)業(yè)鏈的建成，總價(jià)值達(dá)6 093.60元，保守估計(jì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈提升煤炭?jī)r(jià)值18倍，見(jiàn)表2，實(shí)現(xiàn)了煤炭由“烏金”到“國(guó)家重要戰(zhàn)略資源”的價(jià)值躍遷，拓寬了煤炭清潔高效利用行業(yè)的路徑，推動(dòng)了煤炭行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

表2 循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈煤炭?jī)r(jià)值情況

2.4 煤基納米碳?xì)淙剂显谌加吞娲⒚簹饣⑽絼╊I(lǐng)域的應(yīng)用探索

2.4.1 燃油替代

通過(guò)優(yōu)選納米碳?xì)淙剂稀⒉裼图皬?fù)合乳化劑配比，制備出組分為煤基納米碳?xì)淙剂?0%、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(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了壓燃點(diǎn)火，并平穩(wěn)運(yùn)行，驗(yàn)證了煤基納米碳?xì)淙剂咸娲裼妥鳛槿剂系目尚行浴Ｄ壳埃陂_(kāi)展煤基納米碳?xì)淙剂细弑壤娲裼偷难邪l(fā)應(yīng)用、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)、船舶上實(shí)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(guó)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(jìn)一步提升水煤漿濃度成本極高。煤基納米碳?xì)淙剂铣蓾{濃度高，現(xiàn)已提升至69%，高濃度煤基納米碳?xì)淙剂峡纱蠓档兔簹饣a(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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.4.3 燃燒產(chǎn)物制備吸附劑

煤基納米碳?xì)淙剂系娜紵a(chǎn)物粉煤灰屬于微納米級(jí)，具有多孔、高比表面積、高活性的特點(diǎn)，通過(guò)復(fù)配納米級(jí)新材料，可開(kāi)發(fā)出多種市場(chǎng)潛力巨大的吸附性材料，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可使煤炭?jī)r(jià)值提高數(shù)十倍。

3 結(jié)語(yǔ)

準(zhǔn)能集團(tuán)始終堅(jiān)持新發(fā)展理念、堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)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?xì)淙剂霞夹g(shù)是企業(yè)撬動(dòng)“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(lèi)工業(yè)文明的進(jìn)步做出重要貢獻(xiàn)。為此，準(zhǔn)能集團(tuán)將致力打造煤基納米碳?xì)淙剂袭a(chǎn)業(yè)平臺(tái)、國(guó)家煤基納米碳?xì)淙剂蟿?chuàng)新中心、煤基納米碳?xì)淙剂袭a(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，引領(lǐng)煤炭行業(yè)綠色低碳發(fā)展。