0 研究背景

为积极落实国家“双碳”目标，推进煤炭清洁高效利用，国能准能集团有限责任公司(以下简称为“准能集团”)通过将煤炭纳米化处理，制备出成浆浓度范围宽、点火温度低、燃料热值高、附氢赋能的煤基纳米碳氢燃料，并积极开展煤基纳米碳氢燃料技术研发与应用。煤基纳米碳氢燃料具备优良的理化特性，准能集团重点推进该燃料在火力发电、替代柴油生产铵油炸药以及煤炭伴生资源高值化利用领域的研究，同时不断探索煤基纳米碳氢燃料在燃油替代、煤化工、高端吸附剂等领域的应用，以进一步提升煤炭附加值，引领煤炭行业绿色低碳发展。

准能集团拥有煤炭资源储量30.85亿t，不仅是低硫、特低磷、高灰熔点的优质动力煤，还是良好的化工用煤，同时富含铝、镓、锂等有价元素。

1 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的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。

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燃料稳定性，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[1-2]。

中南大学对煤基纳米碳氢燃料进行的粘度对比实验如图1所示。实验结果表明，与水煤浆的假塑性流体特性相比，煤基纳米碳氢燃料的流变粘度稳定性高，其粘度特性已由假塑性流体变成了类似牛顿流体，燃料成浆浓度范围宽，可在35%～69%浓度范围内稳定成浆。

中国工程物理研究院对煤基纳米碳氢燃料进行了热值测试(表1)和气相组分分析，标准气中的H2与样品挥发性成分的峰位对比如图2所示。测试结果表明，该燃料中含有氢气，且具有缓释现象，其发热量较同浓度水煤浆提升了10%～30%。

安徽理工大学热重-质谱联用实验分析了不同粒径浆体气体逸出情况，如图3所示，并进行了溶剂萃取实验研究。研究结果揭示了煤基纳米碳氢燃料热值提升的主要原因，在纳米化过程中煤夺取水中氢元素，生成了氢气释放的前驱体醛类化合物和H2、CO、CH4、O2等小分子，提升了燃料热值，为燃料150℃低温稳定燃烧提供了保障。

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。

2 煤基纳米碳氢燃料多领域工业化应用的探索

煤基纳米碳氢燃料作为新型特种燃料，具有优良的理化特性，准能集团重点推进其在火力发电、替代柴油生产铵油炸药、煤炭伴生资源高值化利用领域的研究，同时不断探索煤基纳米碳氢燃料在燃油替代、煤化工、高端吸附剂等领域的应用，以期进一步提升煤炭附加值，实现煤炭清洁高效利用。

2.1 火力发电应用研究

2.1.1 技术路径

基于煤基纳米碳氢燃料的流体特性，准能集团研发团队设计开发了适合该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[3-4]。研究开展了3 MW半工业化试验，获取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，取得了煤基纳米碳氢燃料发电关键指标的新突破，形成了煤基纳米碳氢燃料火力发电技术。具体研发路径如图4所示。

2.1.2 研发创新成果

(1)攻克了低浓度煤基纳米碳氢燃料稳定燃烧关键技术，首次在150～200℃低温下，实现了16.72 kJ/kg煤制备50%浓度的煤基纳米碳氢燃料点火及稳定燃烧。

(2)研发了煤基纳米碳氢燃料火力发电技术，经150 MW循环流化床锅炉72 h运行验证，运行期间的发电煤耗比原来的燃煤发电标煤耗量下降了50 g/(kW·h)，达到低煤耗、低碳排放的效果。

(3)建成首套煤基纳米碳氢燃料发电装备，并完成了工业化示范应用。

2022年11月12日，“煤基纳米碳氢燃料工业化制备技术”和“煤基纳米碳氢燃料火力发电技术”通过了中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，由3位院士和6位知名专家组成的鉴定委员会一致认为该技术成果属“国内外首创，达到国际领先水平”。

2.1.3 推广应用价值

煤基纳米碳氢燃料火力发电技术可降低发电标煤耗量50 g/(kW·h)，实现煤炭节能、降耗、减污、增效的清洁化燃烧。该技术可使300 MW以下燃煤发电机组的供电标煤耗量降至300 g/(kW·h)以下，满足国家“十四五”末全国火电平均供电煤耗的要求，有望成为传统火电机组灵活性改造的颠覆性技术，助力国家“双碳”目标的实现。

国家能源集团2022年火力发电量9 527亿kW·h，按降低发电标煤耗量50 g/(kW·h)计算，可节约标煤4 763.5万t/a，减少二氧化碳排放1.19亿t/a。按照2022年全国燃煤发电量5.42万亿kW·h计算，每年可节约标煤2.71亿t，减少二氧化碳排放6.76亿t。

2.2 替代柴油生产铵油炸药研究

铵油炸药由多孔粒状硝酸铵和柴油(约占6%)组成，是工业炸药中使用量最大、应用范围最广的炸药品种之一。柴油作为可燃剂，占炸药成本的14.5%。为降低炸药成本，准能集团一直致力于新型工业炸药的研发[5-6]。

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。

2.2.1 技术路径

基于铵油炸药对可燃剂的相关技术要求，开展煤粉粒度级配、制浆工艺、助磨剂和分散剂等研究，制备出替代柴油生产工业炸药的煤基纳米碳氢可燃剂。

以多孔粒状硝酸铵、煤基纳米碳氢可燃剂、柴油为研究对象，基于工业炸药配方零氧平衡的原则，研究建立了新型煤基纳米碳氢炸药设计配方数学模型。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，并继续进行爆炸速度、雷管感度、储存稳定性、作功能力、猛度等爆炸性能测试。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，通过进行露天煤矿现场爆破试验，获得新型煤基纳米碳氢炸药并形成其制备工艺。具体研发路径如图5所示。

2.2.2 创新成果

(1)首次开发出可替代柴油生产工业炸药的煤基纳米碳氢可燃剂及其制备技术，研制的新型煤基纳米碳氢炸药主要爆炸性能指标优于传统铵油炸药，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)研发了新型煤基纳米碳氢炸药生产工艺与设备，实现了炸药的现场混装与工业化应用。

(3)完成了新型煤基纳米碳氢炸药在黑岱沟露天煤矿松动爆破中的试验应用，爆堆隆起高度、边帮沉降高度、岩石爆破拉伸块度等爆破指标良好。

2023年8月4日，“新型煤基纳米碳氢炸药及制备工艺技术”成果通过国家工业和信息化部科技成果鉴定，鉴定认为项目属“国内外首创，达到国际领先水平”。

2.2.3 推广应用价值

煤基纳米碳氢燃料在工业炸药生产中的推广应用，实现了煤炭在工业炸药生产中的清洁高效利用，为促进煤炭行业和民爆行业节能减排、实现煤矿企业绿色转型高质量发展开拓了新路径，缓解了工业炸药生产对石油产品的依赖。

使用煤基纳米碳氢燃料替代柴油可节约炸药成本420元/t，按2022年国能准能集团铵油炸药6.8万t 计，可节约炸药成本约2 856万元。按照2022年全国工业铵油炸药年用量97.86万t计算，可节约柴油5.87万t，节约炸药成本4.1亿元。

2.3 煤炭伴生资源高值化利用研究

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[7-8]。

利用煤基纳米碳氢燃料工业化制备技术和火力发电技术可实现煤炭高效燃烧，能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、锅炉富余蒸汽和高温烟气为原料生产氧化铝，实现了煤炭的“吃干榨净”，从源头上解决了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。

结合“一步酸溶法”技术、“水热除杂”技术，准能集团重新开创了以“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”完整的循环经济产业链。该产业链的建成，总价值达6 093.60元，保守估计循环经济产业链提升煤炭价值18倍，见表2，实现了煤炭由“乌金”到“国家重要战略资源”的价值跃迁，拓宽了煤炭清洁高效利用行业的路径，推动了煤炭行业的高质量发展。

2.4 煤基纳米碳氢燃料在燃油替代、煤气化、吸附剂领域的应用探索

2.4.1 燃油替代

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。2022年12月8日，特种煤基油品在柴油发动机上实现了压燃点火，并平稳运行，验证了煤基纳米碳氢燃料替代柴油作为燃料的可行性。目前，正在开展煤基纳米碳氢燃料高比例替代柴油的研发应用、柴油发动机优化改造及脱硫、除灰等关键技术攻关，有望在矿用卡车、船舶上实现燃油替代，为其能源供应提供了新的解决方案，以缓解我国原油紧缺局面[9]。

2.4.2 替代水煤浆用于煤气化

传统水煤浆浓度为60%[10]，进一步提升水煤浆浓度成本极高。煤基纳米碳氢燃料成浆浓度高，现已提升至69%，高浓度煤基纳米碳氢燃料可大幅降低煤气化生产成本，并提高合成气中的有效气体成分和气化产率，可极大提升水煤浆煤气化的市场竞争力。

2.4.3 燃烧产物制备吸附剂

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，产生的经济效益可使煤炭价值提高数十倍。

3 结语

准能集团始终坚持新发展理念、坚持创新驱动发展，并在绿色低碳转型领域发力，目的就是要破解资源型企业陷阱，打造高质量发展的煤矿企业。煤基纳米碳氢燃料技术是企业撬动“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。为此，准能集团将致力打造煤基纳米碳氢燃料产业平台、国家煤基纳米碳氢燃料创新中心、煤基纳米碳氢燃料产业联盟，引领煤炭行业绿色低碳发展。

参考文献：

[1] 张国庆,杜善周,黄涌波,等.水煤浆制备工艺现状及发展趋势[J].洁净煤技术,2023,29(5):133-142.

[2] 张国庆,李云妹,黄涌波,等.基于正交实验的准格尔煤水煤浆性能优化[J].煤炭转化,2023,46(4):20-27.

[3] 张代鑫,张国庆,刘海军,等.水煤浆循环流化床燃烧飞灰特性研究[J/OL].太原理工大学学报:1-17[2023-09-04].http://kns.cnki.net/kcms/detail/14.1220.N.20230602.1727.004.html

[4] 张代鑫,张国庆,刘海军,等.水煤浆燃烧技术的最新研究进展与工程应用[J].电力学报,2022,37(6):520-530.

[5] 苏浩祥.添加煤粉的铵油炸药相容性研究[D].淮南:安徽理工大学,2020.

[6] 徐鹏.改性铵油炸药复合油相的研究[D].淮南:安徽理工大学,2009.

[7] 郭昭华.粉煤灰“一步酸溶法”提取氧化铝工艺技术及工业化发展研究[J].煤炭工程,2015,47(7):5-8.

[8] 武飞乐,李世春.粉煤灰中铝、镓、锂回收技术研究进展[J].中国有色冶金.2023,52(2):116-126.

[9] 肖进新,赵振国.表面活性剂在能源及乳化油相关领域中的应用[J].日用化学品科学,2022,45(12):52-57.

[10] 张杰.水煤浆提浓技术的应用及对气化炉运行效率的影响[D].北京:北京化工大学,2016.

Research and application of coal-based nano hydrocarbon fuels technology

HUANG Yongbo, DU Shanzhou

(China Energy Zhuneng Group Co., Ltd., Ordos, Inner Mongolia 010300, China)

Abstract In order to actively implement the national goals of carbon peak and carbon neutrality, based on its energy resource endowment and industrial advantages, Zhuneng Group has developed coal-based nano hydrocarbon fuels for the first time in the world through technological innovation, with the direction of clean coal combustion and high-value utilization. The characteristics of coal-based nano hydrocarbon fuels are introduced, the innovative research and industrial exploration of Zhuneng Group in the field of fuel application are elaborated, and the main research and development achievements are summarized. The coal-based nano hydrocarbon fuels for power generation can effectively save coal, replacing diesel to produce ammonium oil explosives can achieve the effect of reducing explosive costs and improving explosive performance, replacing coal water slurry for coal gasification can improve the effective components and gasification yield of coal gas. It is believed that the innovative research and development of coal-based nano hydrocarbon fuels will further enhance the added value of coal and lead the green and low-carbon development of the coal industry.

Keywords coal-based nano hydrocarbon fuel; low carbon cleaning; application scenarios; green and low-carbon development

中图分类号 TD98

文献标志码 A

引用格式：黄涌波，杜善周. 煤基纳米碳氢燃料技术研发与应用[J].中国煤炭，2023，49(9)∶51-56. DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2023.09.008

HUANG Yongbo，DU Shanzhou. Research and application of coal-based nano hydrocarbon fuel technology [J]. China Coal，2023，49(9)：51-56.DOI：10.19880/j.cnki.ccm.2023.09.008

作者简介：黄涌波(1968-)，男，湖南岳阳人，主要研究方向为煤炭伴生资源综合利用及铝电解。E-mail：10578278@ceic.com

(责任编辑 康淑云)