摘要：研发新型特种燃料，助力煤炭变原料

日前，在中国煤炭工业协会组织召开的技术成果鉴定会上，国家能源准能集团研发的煤基纳米碳氢燃料工业化制备和煤基纳米碳氢燃料火力发电两大技术体系被鉴定为“国内外首创、达到国际领先水平”。

煤基纳米碳氢燃料如何实现工业化制备？技术人员攻克了哪些难关？新型燃料将对煤炭行业产生什么影响？近日，记者采访了准能集团相关人员。

研制煤基纳米碳氢燃料

“煤基纳米碳氢燃料是由煤、水和少量添加剂经先进的纳米化处理工艺，制成的一种基本颗粒粒度为纳米级、具有较高表面活性的液态煤基特种燃料。”准能集团氧化铝中试厂煤基纳米碳氢燃料制备车间主任甄鹏告诉记者。

这种燃料表面上与水煤浆类似，但它是一种全新的煤基液态燃料，且与水煤浆性质完全不同。水煤浆浓度在65%左右，且要添加一部分稳定剂，如果浓度进一步降低就很难成浆。“碳氢燃料因为是纳米级，表面活性高，所以在较低浓度下也可以表现出稳定性和成浆性。”甄鹏表示。

工作人员在观察煤基纳米碳氢燃料燃烧状态

研制煤基纳米碳氢燃料，是以内蒙古准格尔煤田丰富资源为基础的。

内蒙古准格尔煤田拥有267亿吨煤炭地质储量，伴生的氧化铝资源储量达35亿吨，镓资源保有储量85.7万吨，氧化硅资源保有储量26亿吨，是国家重要的能源基地，也是粉煤灰提取氧化铝的优质原材料储备区。

为了充分发挥煤炭资源价值，准能集团一直致力于低碳循环经济模式下的高铝煤炭资源利用，曾首创粉煤灰“一步酸溶法”提取氧化铝新技术，获得国内外多项专利。2021年，准能集团转变粉煤灰提取氧化铝技术思路，开展了煤基纳米碳氢燃料制备试验。而以煤基纳米碳氢燃料替代煤炭高效发电后获取的粉煤灰活性更强，在同等条件下，粉煤灰中氧化铝溶出率可提高10%。

“同时，准能集团矸石发电厂两台150兆瓦及两台330兆瓦机组发电煤耗达到347克/千瓦时。按照国家要求，‘十四五’末发电煤耗要达到300克/千瓦时以下。降低煤耗、转型发展迫在眉睫。”准能集团氧化铝中试厂党委副书记、厂长黄涌波表示。

2021年3月，准能集团成立了以党委书记、董事长杜善周为组长的领导小组，联合清华大学、三易（海南）新材料公司、浙江大学、中国工程物理研究院、东方锅炉公司、中国矿业大学、中南大学、中国煤科煤炭科学技术研究院有限公司等单位，组建了专业研发团队，进行煤基纳米碳氢燃料科研攻关。

破解建炉、测氢和燃烧难题

董晖、叶涛、甄鹏等人，是技术团队核心成员。他们见证了燃料从生产到燃烧，再到工业化制备和火力发电的全过程。

“2021年3月，我们开始和三易公司合作。他们主要负责燃料制备，我们拿到燃料后去做检测和化验，再进行应用。一开始，我们自建了一个比较小型的喷雾式燃烧试验装置，第一次实现了新型燃料的雾化燃烧，完成了其与同浓度的水煤浆燃烧特性比照。通过不断开展喷雾试验，我们测试了一些雾化喷嘴结构对雾化方式的影响，并根据试验结果，又建设了一台稍大、可低温燃烧的装置，热功率在0.7兆瓦左右，兼顾检测应用和燃烧展示功用。最后，我们在150兆瓦的循环流化床锅炉上，进行了一次72小时燃烧的工业化考核，验证了新型燃料的可行性。”甄鹏表示。

研发过程中，技术小组相继完成了试验平台、半工业化试验台、150兆瓦循环流化床锅炉工业化应用研究，还完成了煤基纳米碳氢燃料炉前存储输送、雾化控制、低温点火、燃烧调整、高效分离、布风、超低排放七项关键技术研究，建立起煤基纳米碳氢燃料火力发电技术体系，最终实现4000大卡煤制备50%浓度煤基纳米碳氢燃料在180摄氏度至200摄氏度低温条件下成功点燃，并实现稳定燃烧。

“在煤基纳米碳氢燃料燃烧的研究过程中，我们还是经历了一些坎坷的。”甄鹏表示，“首先就是缺少适合新型燃料的燃烧装置。”

水煤浆在国内的研究与应用已比较成熟。因与水煤浆特性类似，刚开始时，技术人员将煤基纳米碳氢燃料在水煤浆燃烧锅炉中进行燃烧试验与测试分析。但煤基纳米碳氢燃料多了一个“附氢”的过程，因此，在水煤浆锅炉上燃烧得出的试验结果，并没有得到专业人士的认可。

“我们去学校测试材料性能，但炉子以前是烧水煤浆或煤粉的，没有雾化结构。而新型燃料要通过雾化的燃烧方式，才能实现充分稳定地燃烧。人家也不可能因为一个试验项目就把炉子彻底改造一遍。”甄鹏说。“现有测试设备也好、现有标准也好，都不太适用于新型燃料。当时，我们正处于燃料前期研究的时间节点上，真有一种时不我待的感觉。”

屡次碰壁后，研究陷入停滞状态。对此，杜善周表示，在基础研究过程中，一定要坚持“以我为主”的原则。于是，准能集团决定研制专供新型燃料燃烧的装置。通过咨询国内外专业机构，技术人员弄清了如何建炉、设置炉膛温度、布置监测点等，专门配套了适合新型燃料的雾化喷嘴等重要装置，从而实现燃料的喷雾式燃烧。

“从建成小型的喷雾燃烧炉子，到第一次点火试烧成功，我们心情都很激动。这意味着‘万里长征’走出了第一步。”甄鹏说。

装置有了，如何检测出氢气及数值大小，是技术人员面临的又一道难题。根据制备原理，他们应用三易公司独创的一种无介质湿法粉碎技术，使煤在设备内形成高温高压微爆，使大分子碳链快速发生裂解，短时间内将煤粉颗粒裂解至纳米级。同时，将煤浆中的水裂解成氢与氧，利用微爆促使颗粒的碳链与氢结合，形成一种新型燃料。通过氢的增加，实现总体热值的提高。因此，氢能否附着上成了关键。

“之前，我们给很多专业机构送过一些样品，但因为测试方法不太适用于新型燃料，所有测试测出的氢气有时很少，有时彻底没有。最后，我们找到中国工程物理研究院材料物理所，重新搭建一套专门测氢气的分析装置，终于实现了监测数值的标准化。”当时，甄鹏等人在四川成都的测试现场，看到气象色谱中显示出的氢气峰值时，万分激动。

如何让新型燃料在低温状态下持续燃烧，同样是技术人员面临的难题。按照常规流程，锅炉点火时，需要用油将炉温烘到一定温度时进料，再逐步撤油；等油全部撤去后，实现燃料的独立自持燃烧。技术人员发现，当炉温在400摄氏度时，燃料可以自持稳定燃烧。那么，从节能降耗的角度出发，最低要到多少摄氏度，燃料依然可以保持自持稳定燃烧？

“有了这个想法后，我们商量着可以试一试。一开始，我们从50摄氏度开始，喷上新型燃料和柴油一起烧，送进去后立刻撤油，但没成功；接着到100摄氏度、150摄氏度，燃料燃烧了八九分钟后灭掉了；最后尝试到180摄氏度，燃料可以一直稳定燃烧，而且炉膛温度升得也比较正常。从前年到去年，我们与合作单位一直对新型燃料特性进行逐步优化，提升了燃烧效果。”甄鹏表示。

有助于火电机组灵活性改造

研发17项专有技术、形成89项专利，准能集团终于成功制备出煤基纳米碳氢燃料。相关人员表示，此燃料具有制备原料热值低、燃料固含低、点火温度低和燃料热值高的特点，拓宽了低热值煤炭的应用领域。

如今，煤基纳米碳氢燃料不仅实现了低温点火和持续稳定燃烧，还成功降低发电煤耗50克/千瓦时、降低二氧化碳排放量128克/千瓦时，为传统火电机组灵活性改造提供了重要技术支撑。同时，煤基纳米碳氢燃料灰渣活性高，可作为粉煤灰提取氧化铝的优质原料，有效降低生产成本，每年产生直接经济效益2500万元。

“对于新型燃料来说，通过验证燃料低温点火特性和能量释放优势，间接反映了燃料附氢‘赋能’优势。这是把煤炭纳米化后再利用的一种可能性，是一次新尝试。对于准能集团这个以煤炭开采、坑口发电为主的企业来说，新型燃料进一步降低了锅炉机组发电的能耗和煤耗。”甄鹏表示。“从准能集团循环经济的发展思路来看，烧完新型燃料之后，再提取铝钾，实现了煤炭由燃料向燃料加原料的转变。”

另外，技术小组还发现煤基纳米碳氢燃料具有优良理化特性。依据这些特性，准能集团可逐步探索开发燃料新的应用领域。其高活性可作为煤化工领域的催化剂；其储氢“赋能”特性可作为储氢功能材料；其纳米化特性可作为农业种植领域的碳基肥料；其高热值、低温点火、均一稳定等特性，可替代部分传统燃油产品。

“未来，准能集团将围绕煤基纳米碳氢燃料制备技术的推广应用，打造具有核心竞争力的煤基纳米碳氢燃料产业平台，组建国家煤基纳米碳氢燃料创新中心，联合煤电油产业上下游企业创建煤基纳米碳氢燃料产业联盟，用实际行动助力企业绿色发展。”黄涌波表示。