褐煤甲醇煤浆燃料在压缩式内燃机中富氧燃烧的方法

摘要

本发明公开了一种褐煤甲醇煤浆燃料在压缩式内燃机中富氧燃烧的方法。利用甲醇煤浆和富氧燃烧技术解决传统水煤浆在内燃机中点火较困难的问题；通过对尾气产生的CO

说明书

技术领域

本发明涉及褐煤燃料的燃烧方法，尤其是一种褐煤甲醇煤浆燃料在压缩式内 燃机中富氧燃烧的方法。

技术背景

超细煤浆可以代替轻质柴油应用于内燃机和燃气轮机已有所研究，其中超细 超洁净甲醇煤浆的代油范围远远大于精细水煤浆，相对于油煤浆又具有节省燃油 的特性。甲醇原料来源十分广泛，利用甲醇与干燥褐煤制备成的甲醇煤浆可以抑 制褐煤重新吸水的性质，因此将褐煤制备成甲醇煤浆进行应用具有较大的优势。

目前，世界各国所开发的煤浆燃料主要有油煤浆、水煤浆、油水煤浆以及甲 醇煤浆，甲醇煤浆首先由日本三井集团在1984年完成基础研究工作，据报道其 研发工作仅限于中试阶段，该研究所制备的甲醇煤浆粒度在1500μm以下，粘 度在50-1000cps，燃尽率较高，但是尚未将甲醇煤浆应用于压缩式内燃机。

传统煤浆燃料应用于气机中作为代油燃料的燃烧技术以空气或富氧气体作 为助燃气体进行燃烧。查阅专利文献，中国专利公开号CN 101070956A，名称 为“一种水煤浆的燃烧方法及其燃烧设备”公开的内容中，将雾化的水煤浆喷入 燃烧室悬浮燃烧，燃烧火焰在向前流动的过程中逐渐形成高温烟气，使助燃空气 在炉膛内形成悬浮助燃动力场。该方法以空气作为助燃气体，利用对燃烧设备的 改造提高水煤浆的燃尽率，因为该方法中气机燃烧的尾气中含有大量的由空气为 助燃气体产生的NO_X，所以会对环境造成污染。中国专利公开号CN 100390462C，名称为“水煤浆大空间燃烧方法及其专用设备”，为解决现有技 术中水煤浆不使用辅助热源时使用空气为助燃剂低温下不能正常燃烧的问题，采 用富氧空气为助燃剂实现大空间燃烧以提高水煤浆的燃尽率，该种方法同样存在 尾气中含有NO_X对环境造成污染的问题。同时以上两种方法均未能将气机尾气 中产生的CO₂得到利用并实现零碳排放。

内燃机中应用超细超清洁水煤浆作为代油燃料时，由于普通超细超清洁水煤 浆的点火比较困难，导致超细超清洁水煤浆不能完全的代替柴油。美国亨通公司 利用水煤浆在内燃机中进行燃烧，也只限于水煤浆部分代替柴油进行燃烧，需要 附加燃烧系统对水煤浆进行引燃，该方法导致内燃机的机械工艺复杂，操作控制 比较困难，同时对传统内燃机的结构改变较大，很难投入工业应用。

发明内容

本发明提供了一种褐煤甲醇煤浆燃料在压缩式内燃机中富氧燃烧的方法。 利用褐煤的高反应活性以及甲醇的易燃特点，制备成超细超洁净褐煤甲醇煤浆为 代油及代水煤浆燃料，并利用甲醇煤浆和富氧燃烧技术解决传统水煤浆在内燃机 中点火较困难的问题，通过对尾气产生的CO₂进行捕集，实现整体系统零碳排 放，消除了对环境的污染。

本发明采用的技术方案是：采用超细超洁净褐煤甲醇煤浆为燃料，以纯氧和 再循环尾气中高浓度的CO₂混合气体为助燃气体，在压缩式内燃机中进行富氧 燃烧，由压缩内燃机产生驱动力进行应用。内燃机尾气产生的高浓度CO₂一部 分循环与纯氧混合作为助燃气体进行利用，余下部分进行捕集和封存。

本发明提供的净褐煤甲醇煤浆燃料在压缩式内燃机中富氧燃烧的方法包括 以下内容：

一.褐煤甲醇煤浆的制备

首先将褐煤原煤利用破碎机进行粗磨和筛分，选择粗磨后0.5mm以下的煤 粉进行物理及化学脱灰，灰分含量为煤粉质量的1.0％以下；脱灰后的煤粉在 0.1-2bar、100-250℃条件下，经过热水蒸汽流化床干燥器中进行干燥，干燥至 水分含量为煤粉质量的1％以下；然后利用高能球磨机进行超细磨，超细磨后煤 粉粒度为10μm以下；经超细磨后的煤粉在270-350℃、1-5bar条件下，利用 煤沥青或焦油将其进行表面涂覆，所加入的煤沥青或焦油的比例为煤粉质量的 2-7％；涂覆后的煤粉中加入煤粉质量的10-15％的水进行搅拌混合，搅拌3-5min； 加入煤粉质量的20-35％工业甲醇，搅拌3-5min；加入表面活性剂及稳定剂继续 搅拌至混合均匀，表面活性剂及稳定剂的用量为所加煤粉质量的0.2-3％。制备 好的褐煤甲醇煤浆总水分含量为总煤浆质量的18％以下，煤粉的质量为总煤浆 质量的50-60％。在剪切率为100S^-1时其粘度在50-1000cPa·s，静置两个月 内不产生不可恢复性硬沉淀，在柴油机中的燃尽率在99％以上，热值为21-25 MJ/Kg。

二.压缩式内燃机中富氧燃烧装置

压缩式内燃机中富氧燃烧装置包括：空分机、纯氧缓冲罐、压缩机、内燃机 喷嘴、内燃机燃烧室、气缸及活塞、尾气处理系统、CO₂捕集与封存系统，再循 环CO₂管路连接在氧气缓冲罐与压缩机之间的管路上。

三.褐煤甲醇煤浆燃料在压缩式内燃机中富氧燃烧方式

制备好的褐煤甲醇煤浆通过内燃机喷嘴进入压缩式进入内燃机进行富氧燃 烧，燃烧方式为压燃式，内燃机喷嘴的启喷压力为14-18MPa，喷嘴出口速度 为200-300m/s，喷嘴材料采用金属陶瓷内衬，喷嘴结构为三通道喷嘴。由空分 机产生的纯氧与尾气再循环高浓度CO₂提供褐煤甲醇煤浆的助燃气体，其中纯 氧的比例为总体积的50-80％(V/V)，要求氧气的供应量为褐煤甲醇煤浆完全 燃烧理论量的125-145％(V/V)，在内燃机中的燃烧主要发生以下反应：

C(s)+O₂(g)→CO₂(g)              (1)

CO₂(g)+H₂O(g)→CO(g)+H₂(g)      (2)

H₂(g)+O₂(g)→H₂O(g)             (3)

C(s)+CO₂(g)→CO(g)              (4)

CO(g)+O₂(g)→CO₂(g)             (5)

CH₃OH(I)+O₂(g)→CO₂(g)+H₂O(g)   (6)

其中煤粉中的硫主要转化为SO_X，煤粉中的氮主要转化为NO_X，灰分燃烧后以 粉尘形式存在。这些污染物在尾气处理系统中进行处理。

经富氧燃烧后的内燃机尾气中主要含有大量CO₂以及少量的粉尘、SO_X、 NO_X，尾气首先经常规内燃机尾气脱硫脱硝剂脱除SO_X以及NO_X，之后通过布 袋进行除尘，处理后的尾气中含有90-95％的CO₂，其中20-50％的CO₂循环与 纯氧混合提供褐煤甲醇煤浆燃烧的助燃气体，余下部分进行捕集与封存，整个循 环体系过程尾气的零排放。

本发明与同类技术相比，其显著的有益效果体现在：

褐煤甲醇煤浆在压缩式内燃机中进行燃烧，采用富氧燃烧技术，提高了煤粉 的燃尽率。富氧燃烧使得褐煤甲醇煤浆在压缩式内燃机中容易被点燃，采用压燃 式的引燃方式，使得超细超洁净褐煤甲醇煤浆在内燃机中完全替代柴油进行燃 烧。内燃机尾气经脱除粉尘、SO_X以及NO_X后，剩余高浓度的CO₂，高浓度的 CO₂部分被循环与纯氧气体混合作为助燃气体，余下部分压缩储存，实现了尾气 零碳排放体系。该发明对传统燃油内燃机的改动较小，只需要提高内燃机的耐压 耐磨性能，同时纯氧与内燃机尾气再循环高浓度CO₂为助燃气体进行燃烧有效 降低了尾气中NO_X的形成，提高了尾气中CO₂的浓度，减少了尾气处理费用， 并使得处理后的尾气易于压缩储存。该燃烧方法适用于工业小区、居民小区、农 场、商场、边远乡镇分布式发电系统，以及大型船舶动力系统等。

附图说明

图1是褐煤甲醇煤浆燃料在压缩式内燃机中富氧燃烧的方法工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图用实施例具体描述本发明，但具体内容并不限制本发明的保护 范围。

实施例1

如图1所示，利用中国内蒙古锡林浩特地区褐煤，其工业分析成分为：水 分39％，挥发分40％，灰分4.0％，全硫0.3％，热值3800千卡/公斤。将褐煤 原煤利用破碎机进行粗磨和筛分，选择粗磨后0.5mm以下的煤粉采用浮选法进 行物理脱灰，得到灰分含量为煤粉质量0.8％的超低灰褐煤。利用产能为每小时 10吨水蒸发量的水蒸气流化床干燥脱除褐煤中的水分，使褐煤中的水分含量降 至煤粉质量的1％以下。利用充氮气的高能球磨机磨至煤粉粒度为10μm以下， 为了防止超细煤粉在流化床干燥过程中发生爆炸，先将粗煤粉进行干燥再进行超 细磨，为了防止褐煤煤粉在超细磨的过程中发生氧化，超细磨过程中充入氮气； 利用煤沥青在300℃、1.0bar下，以所加煤粉质量的4.5％将干燥后的褐煤煤粉 进行表面涂覆；涂覆后的煤粉首先加入水进行搅拌混合，加入量为所加煤粉质量 的15％，搅拌时间5min，加入工业甲醇，加入量为煤质量的35％，搅拌时间 5min，加入表面活性剂萘磺酸甲醛缩合物，加入量为煤粉质量的1.5％，加入稳 定剂聚丙烯酰胺，加入量为煤粉质量的0.3％，继续搅拌至混合均匀，制成褐煤 甲醇煤浆。制备好的褐煤甲醇煤浆热值为21-25MJ/Kg，总水分含量为总煤浆质 量的16％，煤粉含量为总煤浆质量的55％，要求在剪切率为100S^-1时其粘度在 50-1000cPa·s，静置两个月内不产生不可恢复性硬沉淀。

制备好的褐煤甲醇煤浆通过内燃机喷嘴进入大型柴油机进行富氧燃烧，燃烧 方式为压燃式，内燃机的喷嘴的启喷压力为14-18MPa，喷嘴出口速度为 200-300m/s，喷嘴材料采用金属陶瓷内衬，喷嘴结构为三通道喷嘴。空气进入 空分机，产生的纯氧气进入氧气缓冲罐，由空分机产生的纯氧与尾气再循环高浓 度的CO₂提供褐煤甲醇煤浆的助燃气体，其中纯氧的比例为总体积的60％ (V/V)，氧气的供应量为褐煤甲醇煤浆完全燃烧理论量的135％(V/V)。经富 氧燃烧后的内燃机尾气中含有CO₂以及粉尘、SO_X、NO_X，尾气首先经常规内 燃机尾气脱硫脱硝剂脱除SO_X以及NO_X，之后通过布袋进行除尘，处理后的尾 气含有90-95％(V/V)浓度CO₂，其中20-50％(V/V)的CO₂循环与纯氧混合 提供褐煤甲醇煤浆燃烧的助燃气体，余下部分进行捕集与封存，整个循环体系过 程实现尾气的零排放。

利用大型柴油机进行富氧燃烧发电。尾气中二氧化硫含量和氮氧化物含量低 于国家规定的电厂排放标准。发电规模为50MW，供应2000户规模的居民小区 用电或供农场用电。

实施例2

如图1所示，采用中国产褐煤，其工业分析成分为：水分35-39％，挥发分 38-40％，灰分3.5-4.0％，全硫小于0.3％，热值大于3500千卡/公斤。将褐煤 原煤利用破碎机进行粗磨和筛分，选择粗磨后0.5mm以下的煤粉采用浮选法进 行物理脱灰，得到灰分含量小于煤粉质量的0.8％的超低灰褐煤。利用水蒸气流 化床干燥脱除褐煤中的水分，使褐煤中的水分含量降至煤粉质量的1％以下。利 用充氮气的高能球磨机磨至煤粉粒度为10μm以下，为了防止超细煤粉在流化床 干燥过程中发生爆炸，先将粗煤粉进行干燥再进行超细磨，为了防止褐煤煤粉在 超细磨的过程中发生氧化，超细磨过程中充入氮气；利用煤沥青在300℃、1.0bar 下，以所加煤粉质量的2-7％将干燥后的褐煤煤粉进行表面涂覆；涂覆后的煤粉 首先加入水进行搅拌混合，加入量为所加煤粉质量的10-15％，搅拌时间3-5min， 加入工业甲醇，加入量为煤粉质量的20-35％，搅拌时间3-5min，加入表面活性 剂萘磺酸甲醛缩合物，加入量为煤粉质量的1.0-1.5％，加入稳定剂聚丙烯酰胺， 加入量为煤粉质量的0.3％，继续搅拌至混合均匀，制成褐煤甲醇煤浆。制备好 的褐煤甲醇煤浆热值为21-25MJ/Kg，总水分含量为总煤浆质量的16％以下， 煤粉含量为总煤浆质量的55-60％，要求在剪切率为100S^-1时其粘度在50-1000 cPa·s，静置两个月内不产生不可恢复性硬沉淀。

制备好的褐煤甲醇煤浆由大型内燃机喷嘴喷入船用300KW中型柴油机进行 富氧燃烧，燃烧方式为压燃式，内燃机的喷嘴的启喷压力为14-18MPa，喷嘴 出口速度为200-300m/s，喷嘴材料采用金属陶瓷内衬，喷嘴结构为三通道喷嘴。 由空分机产生的纯氧与尾气再循环高浓度的CO₂提供褐煤甲醇煤浆的助燃气体， 其中纯氧的比例为总体积的60-70％(V/V)，氧气的供应量为褐煤甲醇煤浆完 全燃烧理论量的125-145％(V/V)。经富氧燃烧后的内燃机尾气中含有CO₂以 及粉尘、SO_X、NO_X，尾气首先经常规内燃机尾气脱硫脱硝剂脱除SO_X以及NO_X， 之后通过布袋进行除尘，处理后的尾气中含有90-95％(V/V)浓度的CO₂，其 中20-50％(V/V)的CO₂循环与纯氧混合提供褐煤甲醇煤浆燃烧的助燃气体， 余下部分进行捕集与封存，整个循环体系过程实现尾气的零排放。

船用300KW中型柴油机为1500-2000吨位的船舶提供动力。