CN104371778B - 高能炭醇浆体清洁燃料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高能炭醇浆体清洁燃料及其制备方法，其中清洁燃料由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉45~63%和甲醇37~55%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂1~2%、分散剂1~3%、微米金属粉0.1~0.3%、催化剂0.1~0.2%和脱硫剂0.5~1%，以及将pH值调节为6.5~7.5之间的pH调节剂。本发明具有燃烧率高、热值高、成本低、二氧化硫和氮氧化物排放量小的优点；可广泛地应用于各种锅炉、柴油机、燃气轮机和隧道式陶瓷烧成窑、耐火砖倒焰窑、陶瓷喷雾干燥塔热风炉、水泥回转窑、铁矿石烧结机等的燃料。

Description

高能炭醇浆体清洁燃料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种洁净煤技术，尤其是一种燃烧效率高、黏度低和流动性好的高能炭醇浆体清洁燃料及其制备方法。

背景技术

原煤的传统燃烧不仅效率低下，并是会导致大气污染。中国科学院近日公布了“大气灰霾追因与控制”专项组最新研究结果指出，机动车排放和燃煤是导致近年来雾霾的主因，其中，二氧化硫和氮氧化物是PM2.5的最直接来源。目前，我国二氧化硫和二氧化碳排放量居世界第一位，酸雨的覆盖面积超过国土面积的12.6%，二氧化碳排放量占全球总排放量的23.33%。为了降低煤炭燃烧对环境的污染，国家正在大力地推广清洁能源，扶持洁净煤技术，鼓励使用清洁能源代替原煤和重油的直接燃烧。

在过去的几十年中，人们对水煤浆进行了研究。但是水煤浆对于制浆煤种有一定的选择性，而且其燃点较高，热值和燃烧温度比煤燃烧时低，对管路及喷嘴要求比较高，改造所占费用比较高。

近几年来，人们为了改善燃料的有害成份排放量，人们提出醇基燃料，就是甲醇为主要原料的燃料，这种醇基燃料虽然在二氧化硫和氮氧化物有所改善，但是，醇基燃料却存在热值低和成本高的问题。

发明内容

为了克服上述问题，本发明向社会提供一种燃烧率高、成本相对低廉、热值高，以及二氧化硫和氮氧化物排放量相对较小的高能炭醇浆体清洁燃料。

本发明的技术方案是：提供一种高能炭醇浆体清洁燃料，由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉45~63%和甲醇37~55%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂1~2%、分散剂1~3%、微米金属粉0.1~0.3%、催化剂0.1~0.2%和脱硫剂0.5~1%，以及将pH值调节为6.5~7.5之间的pH调节剂。

作为对本发明的改进，所述煤粉48~60%和甲醇40~52%。

作为对本发明的改进，所述煤粉50~57%和甲醇43~50%。

作为对本发明的改进，所述煤粉50~55%和甲醇45~50%。

作为对本发明的改进，所述分散剂是脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯磺酸钠或斯潘80；或者，所述分散剂是脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯磺酸钠和斯潘80中的任意两种以上的混合物。

作为对本发明的改进，所述稳定剂是含量为3%的卡波姆。

作为对本发明的改进，所述微米金属粉是微米铝粉、微米铁粉、微米锌粉、微米铍粉、微米镁粉或微米铜粉；或者所述微米金属粉是微米铝粉、微米铁粉、微米锌粉、微米铍粉、微米镁粉和微米铜粉中的任意两种以上的混合物。

作为对本发明的改进，所述催化剂是二茂铁或高锰酸钾；或者二茂铁和高锰酸钾的混合物。

作为对本发明的改进，所述脱硫剂是300目以上的碳酸钙粉。

本发明还提供一种制备高能炭醇浆体清洁燃料的方法，包括：

（1）、将精洗煤放入球磨机中粉碎，300目过筛的煤粉备用；

（2）、将煤粉和甲醇按权利要求1-4中任何一项权利要求所述的比例混合；（3）、在保持料温在42℃-50℃的情况下，按比例加入占煤粉和甲醇重量的催化剂，搅拌10-15分钟；再加入占煤粉和甲醇重量的分散剂，继续搅拌5-10分钟；再加入占煤粉和甲醇重量的稳定剂，继续搅拌5-10分钟；再加入占煤粉和甲醇重量的微米金属粉和脱硫剂，继续搅拌5-10分钟；再加入pH调节剂将pH值调节为6.5~7.5之间；

（4）、混合完成后，用胶体磨磨一次。

本发明采用300目精细精洗煤粉和甲醇为主要原料，制成低粘度、流动性好、易点燃的清洁燃料，本发明可使用燃烧机喷燃，可以稳定一个月不变化。本高能炭醇浆体清洁燃料能够在高原及寒冷地区使用，不凝固，不影响点燃和燃烧。

尤其是在本发明中添加了微米金属粉（铝粉、铁粉、锌粉、镁粉和铜粉混合物或其中之一），在混合燃料中添加的微米金属粉，充分利用金属的还原性，在燃烧过程中可以直接和氧化剂的碳和氧气反应，有一个生成氧化物，和硫酸盐，硝酸盐的过程。在金属反应生成氧化物时还具有催化剂和热值增幅剂的作用。促使燃料充分燃烧，提高燃料的热利用效率，达到节能和减轻排放的目的。

本发明使固体的煤炭，变成流动性好的液态，便于管道输送，存储和运输。泵输代替了人员的劳动。罐储代替了堆放，提高了安全性和场地的清洁。

本发明采用燃烧脱硫技术，添加炉内燃烧脱硫添加剂，大部分脱除燃烧过程中产生的二氧化硫。同时可以将二氧化氮脱除。

本发明添加了燃烧催化剂，使甲醇和煤粉在燃烧时互相促燃，提高燃烬率，能使燃料燃烬率达到95%以上。一定层度上减少了氮氧化物的形成。

本发明由于甲醇有分子小，为有极性，表面张力小的的特点，使煤粉悬浮在甲醇中的难度，远远超过水煤浆，本发明的高能炭醇浆体燃料，采用了特别的稳定剂，分散剂复配，解决了难以解决的分层问题。使高能炭醇浆体燃料能够稳定一个月以上。

总而言之，本发明在煤粉和甲醇混合后，添加微米金属粉、分散剂、稳定剂、催化剂脱硫剂，使煤粉和金属粉成为均匀分布的较稳定悬浮体。由于甲醇本身具有一定的热值，故高能炭醇浆体清洁燃料燃烧性能比水煤浆要好很多，并且高能炭醇浆体清洁燃料具有黏度低和流动性好等优点。便于管道输送，存储和运输。泵输代替了人员的劳动。罐储代替了堆放，提高了安全性和场地的清洁。甲醇的凝点较低，即使在寒冷地区也不冻结，点火容易可使用燃油燃烧机以喷燃方式燃烧。因此，高能炭醇浆体清洁燃料的制备可以充分利用现有充裕的煤炭资源，减少运输过程中的能源消耗，同时也可以解决我国甲醇产能过剩的问题。采用燃烧脱硫技术脱除燃烧过程中产生的二氧化硫。添加了燃烧催化剂提高燃烬率减少了氮氧化物的形成，燃烧排放完全符合新的《锅炉大气污染物排放标准》。

具体实施方式

在完成本发明之前，首先要制备稳定剂，其制备方法是：称占重量3%卡波姆(carbomer)颗粒，在占重量为97%去离子冷水中均匀分散开。即在500-800rpm高速搅拌下，把卡波姆(carbomer)颗粒用筛网筛入搅拌的漩涡中，可选用的分散设备可以是喷射器，絮凝分散器，以及常规分散器。一旦卡波姆(carbomer)颗粒浸润后，应降低搅拌速度以减少空气进入体系，直到树脂完全水合。滴入三乙醇胺使液体的PH值为6.5~7.5，直到形成透明凝胶，备用。本发明中的卡波姆最好采用商品名为卡波姆940，这种卡波姆具有长流变性、低粘度、高清澈度，中等耐离子性及耐剪切，适用于凝胶及乳液的特点。

本发明中的分散剂可以采用脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯磺酸钠或斯潘80，也可以采用脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯磺酸钠和斯潘80按重量比5:3:3:1的比例搅拌混合，而形成混合液体分散剂。或者分散剂采用脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯磺酸钠和斯潘80中的任意两种或两种以上的不同成份按任意比例混合而成的分散剂。

本发明下述各实施例中，为了叙述的方便，将脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯磺酸钠或斯潘80，简称为分散剂（1）；将脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯磺酸钠和斯潘80按重量比5:3:3:1的比例搅拌混合，而形成混合液体分散剂，简称为分散剂（2）；将脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯磺酸钠和斯潘80中的任意两种或两种以上的不同成份按任意比例混合而成的分散剂，简称为分散剂（3）。

本发明中的煤粉可以采用300目过筛的煤粉，脱硫剂可以采用300目以上的碳酸钙粉。pH调节剂可以采用碳酸氢钠，其用量是将制备的高能炭醇浆体清洁燃料的PH值调节为6.5~7.5之间，一般用量为每1000Kg的煤粉和甲醇的混合物采用20g-30g的碳酸氢钠。

本发明中，下述各实施例均可以采用下述方法制备：

一种制备高能炭醇浆体清洁燃料的方法，包括：

（1）、将精洗煤放入球磨机中粉碎，300目过筛的煤粉备用；

（2）、将煤粉和甲醇按权利要求1-4中任何一项权利要求所述的比例混合；（3）、在保持料温在42℃-50℃的情况下，按比例加入占煤粉和甲醇重量的催化剂，搅拌10-15分钟；再加入占煤粉和甲醇重量的分散剂，继续搅拌5-10分钟；再加入占煤粉和甲醇重量的稳定剂，继续搅拌5-10分钟；再加入占煤粉和甲醇重量的微米金属粉和脱硫剂，继续搅拌5-10分钟；再加入pH调节剂将pH值调节为6.5~7.5之间；

（4）、混合完成后，用胶体磨磨一次。

实施例1

一种高能炭醇浆体清洁燃料，由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉45%和甲醇55%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂1%、分散剂（1）1%、微米金属粉0.1%、催化剂0.1%和脱硫剂0.5%，用碳酸氢钠将实施例1的混合物的pH值调节至6.5~7.5之间。

实施例2

一种高能炭醇浆体清洁燃料，由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉47%和甲醇53%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂1.5%、分散剂（2）2%、微米金属粉0.2%、催化剂0.2%和脱硫剂0.6%，用碳酸氢钠将实施例2的混合物的pH值调节至6.5~7.5之间。

实施例3

一种高能炭醇浆体清洁燃料，由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉49%和甲醇51%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂2%、分散剂（2）3%、微米金属粉0.3%、催化剂0.2%和脱硫剂0.7%，用碳酸氢钠将实施例3的混合物的pH值调节至6.5~7.5之间。

实施例4

一种高能炭醇浆体清洁燃料，由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉51%和甲醇49%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂2%、分散剂（1）3%、微米金属粉0.3%、催化剂0.1%和脱硫剂0.8%，用碳酸氢钠将实施例4的混合物的pH值调节至6.5~7.5之间。

实施例5

一种高能炭醇浆体清洁燃料，由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉53%和甲醇47%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂2%、分散剂（2）2%、微米金属粉0.2%、催化剂0.2%和脱硫剂0.9%，用碳酸氢钠将实施例5的混合物的pH值调节至6.5~7.5之间。

实施例6

一种高能炭醇浆体清洁燃料，由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉55%和甲醇45%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂2%、分散剂（2）3%、微米金属粉0.1%、催化剂0.2%和脱硫剂1%，用碳酸氢钠将实施例6的混合物的pH值调节至6.5~7.5之间。

实施例7

一种高能炭醇浆体清洁燃料，由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉57%和甲醇43%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂2%、分散剂（1）3%、微米金属粉0.3%、催化剂0.2%和脱硫剂1%，用碳酸氢钠将实施例7的混合物的pH值调节至6.5~7.5之间。

实施例8

一种高能炭醇浆体清洁燃料，由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉59%和甲醇41%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂1%、分散剂（2）3%、微米金属粉0.2%、催化剂0.2%和脱硫剂1%，用碳酸氢钠将实施例8的混合物的pH值调节至6.5~7.5之间。

实施例9

一种高能炭醇浆体清洁燃料，由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉61%和甲醇39%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂2%、分散剂（2）3%、微米金属粉0.1%、催化剂0.2%和脱硫剂1%，用碳酸氢钠将实施例9的混合物的pH值调节至6.5~7.5之间。

实施例10

一种高能炭醇浆体清洁燃料，由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉63%和甲醇37%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂1%、分散剂（2）1%、微米金属粉0.2%、催化剂0.1%和脱硫剂0.5%，用碳酸氢钠将实施例10的混合物的pH值调节至6.5~7.5之间。

本发明中，煤粉与甲醇的较优比例为所述煤粉48~60%和甲醇40~52%；或者，所述煤粉50~57%和甲醇43~50%。其煤粉与甲醇的最佳比例为所述煤粉50~55%和甲醇45~50%。

本发明中，所述微米金属粉可以是微米铝粉、微米铁粉、微米锌粉、微米铍粉、微米镁粉或微米铜粉；或者所述微米金属粉是微米铝粉、微米铁粉、微米锌粉、微米铍粉、微米镁粉和微米铜粉中的任意两种以上的混合物。所述催化剂可以是二茂铁或高锰酸钾；或者二茂铁和高锰酸钾的混合物。

本发明是一种极好的锅炉代油燃料，替代范围远远广于普通水煤浆，作为工业燃料有望广泛应用于各种锅炉、柴油机、燃气轮机和隧道式陶瓷烧成窑、耐火砖倒焰窑、陶瓷喷雾干燥塔热风炉、水泥回转窑、铁矿石烧结机等均可应用。同时高能炭醇浆体清洁燃料又具有很好的环境效益，高能炭醇浆体燃料具有低灰、粒度小等特点。

它可以解决目前工业和供暖热力燃烧领域诸多传统燃料存在的排放、成本、原料供应等方面问题。作为一种未来的洁净燃料，其低成本，低污染排放使它具有极为广阔的市场应用前景。

本发明还具有如下特点：

1。本发明为屈服假塑性流体，有较低的粘度。这种燃料也具有剪切降粘性质。使得混合后的燃料能够长时间保持稳定，不分层。

2。甲醇的加入，使高能炭醇浆体清洁燃料的燃点低于水煤浆。实验制备的浆体经稍微加热即能点燃，燃烧过程中醇煤相互链式促燃，其热值较高，可超过动力用煤的热值，这也是水煤浆技术无法比拟的。

3。本发明中的煤种适应性较广。在试验中，无烟煤、烟煤、褐煤等多种煤已经成功制得高能炭醇浆体燃料，其各种性能均能令人满意。

4。在流变性上高能炭醇浆体清洁燃料完全不同于水煤浆，这表明其内部结构与水煤浆也有较大差异。实验证明这种内部结构，使体系的稳定性大大增加。这种煤浆静置1个月甚至更长时间仍能保持稳定。

5。本发明中的煤含量较水煤浆稍低，而燃烧效率却比水煤浆大幅提高，原因是煤和甲醇在燃烧中的互相促进作用。具体表现在甲醇的易燃性可以点燃不易点燃的煤，而煤的持续燃烧性，又能保持甲醇的持续燃烧，燃烬率大大提高。其污染物的排放也相应的减少。

6.活泼微米金属粉有粒子小，表面积大，反应活性高、热值超高等特点，可以直接用做燃料，或者作为添加剂在燃料体系得到应用，本发明首先在燃料中添加微米金属粉（铝、铁、锌、镁、铍、铜混合物或其中之一，或其中任意两种不同微米金属粉的混合物）。添加微米金属粉可以使燃烧热值大幅增加，例如微米铝粉能使燃烧热值增高38000kcal/kg以上。

7.实验结果表明，在本发明中添加一定量的金属粉，高能炭醇浆体清洁燃料的燃烧热值会显著增加，因此在高能炭醇浆体清洁燃料中添加金属纳米粉，不应看作是高能炭醇浆体燃料和金属纳米粉的简单混合。一般来说，甲醇和煤粉的主要成分是碳、烷烃和醇，除此之外，还含有一些芳烃和含S，N的化合物。而金属粉对高能炭醇浆体燃料燃烧热值的影响除了和本身的燃烧热有关外，可能还和金属粉与高能炭醇浆体燃料之间的反应以及反应能进行的程度有关，或者起到催化剂的作用。比如：碳和金属铝反应生成碳化铝放出超过生成氧化铝的热能。或者金属和含S，N化合物在氧气中燃烧，可能生成金属的硝酸盐或者硫酸盐。或者金属氧化物的催化剂作用。

8.排放指标，石灰石（碳酸钙粉）在高温下煅烧生成氧化钙，氧化钙与二氧化硫反应进一步生成硫酸钙，抑制了二氧化硫的排放，而燃烧装置的运行温度是氧化钙脱硫的最佳运行温度，可有效的减少二氧化硫的排放。并且金属氧化物的产生，产生了硫酸盐、硝酸盐。本发明的高能炭醇浆体燃料有近一半的甲醇，甲醇燃烧只产生二氧化碳和水，大量稀释了燃煤的原有排放，使各项排放指标得到提高。

9.金属生成硝酸盐和硫酸盐放出的热量往往大于生成氧化物放出的热量。金属和S，N元素反应生成硫酸盐或者硝酸盐比s，N元素生成氧化物或者相应阴离子放出的热量要大。由于高能炭醇浆体燃料中S，N化合物的含量一定，因此一定的金属粉添加剂有利于提高燃烧热值。金属铝和铁生成硫酸盐或硝酸盐放出的热量最多，因此微米铝和铁对高能炭醇浆体燃料的燃烧热值有较大的增幅。同时消耗了排放气体中的S，N起到一定脱硫脱硝作用。

下表为本发明与普通水煤浆（下称对照样1）和普通醇基工业燃料（下称对照样2）各项性能指标的对照表(以精洗烟煤所制的煤粉做试验)。

从上表可以看出，本发明相对于对照样1具有燃烧率高、燃烧热值高、二氧化硫排放量和氮氧化物排放量低的优点；本发明相对于对照样2具有燃烧率高、燃烧热值高和成本低的优点。

Claims (7)

1.一种高能炭醇浆体清洁燃料，其特征在于：由下述重量百分比的组份组成，300目以上的煤粉45~63%和甲醇37~55%；占煤粉和甲醇总重量的稳定剂1~2%、分散剂1~3%、微米金属粉0.1~0.3%、催化剂0.1~0.2%和脱硫剂0.5~1%，以及将pH值调节为6.5~7.5之间的pH调节剂；其中，所述分散剂为脂肪酸甲酯、脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚、脂肪酸甲酯磺酸钠和斯潘80按重量比5:3:3:1的比例搅拌混合而成；所述稳定剂是含量为3%的卡波姆；所述脱硫剂是300目以上的碳酸钙粉。

2.根据权利要求1所述的高能炭醇浆体清洁燃料，其特征在于：所述煤粉48~60%和甲醇40~52%。

3.根据权利要求1所述的高能炭醇浆体清洁燃料，其特征在于：所述煤粉50~57%和甲醇43~50%。

4.根据权利要求1所述的高能炭醇浆体清洁燃料，其特征在于：所述煤粉50~55%和甲醇45~50%。

5.根据权利要求1至4中任何一项权利要求所述的高能炭醇浆体清洁燃料，其特征在于：所述微米金属粉是微米铝粉、微米铁粉、微米锌粉、微米铍粉、微米镁粉或微米铜粉；或者所述微米金属粉是微米铝粉、微米铁粉、微米锌粉、微米铍粉、微米镁粉和微米铜粉中的任意两种以上的混合物。

6.根据权利要求1至4中任何一项权利要求所述的高能炭醇浆体清洁燃料，其特征在于：所述催化剂是二茂铁或高锰酸钾；或者二茂铁和高锰酸钾的混合物。

7.一种制备高能炭醇浆体清洁燃料的方法，其特征在于：

（1）、将精洗煤放入球磨机中粉碎，300目过筛的煤粉备用；

（2）、将煤粉和甲醇按权利要求1-4中任何一项权利要求所述的比例混合；（3）、在保持料温在42℃-50℃的情况下，按比例加入占煤粉和甲醇重量的催化剂，搅拌10-15分钟；再加入占煤粉和甲醇重量的分散剂，继续搅拌5-10分钟；再加入占煤粉和甲醇重量的稳定剂，继续搅拌5-10分钟；再加入占煤粉和甲醇重量的微米金属粉和脱硫剂，继续搅拌5-10分钟；再加入pH调节剂将pH值调节为6.5~7.5之间；

（4）、混合完成后，用胶体磨磨一次。