柴油机燃用配煤水煤浆的研究及前景

专题研究资源开发与市场 Resource Development& Market.20025柴油机燃用配煤水煤浆的研究及前景崔荣健1,高志芳2,张晓勇3(1江苏海事职业技术学院江苏南京2001;2中国矿业大学化学与环境学院,北京100033江苏省环境监测中心,江苏南京20036)摘要综述了当今世界能源状况以及国内外柴油机燃料的研发和利用进展。结合国内外配煤水煤浆的研究及在柴油机上的应用现状根据我国目前煤炭资源的开采和利用,以及配煤水煤浆具有低灰、低污染的优点,指出柴油机燃用配煤水煤浆具有广阔的应用前景关键词:柴油机;燃料;煤炭;配煤水煤浆中图分类号:TK421·,7文献标志码:A文章编号:1005-8141(2009)11-101404Research Prospect of Combustion of Blended-coal Coal Water Shurry in Diesel EngineCUI Rong-jian', GAO Zhi-fang, ZHANG Xiao-yong'(1. Jiangsu Institute of Maritime Affairs Vocational Technology, Nanjing 210001,China2. School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China;3 Jiangsu Emvironmental Monitoring Center, Nanjing 210036, China)Abstract: Energy situation of world and comprehensive utilization of diesel fuel at home and abroad were discussed in the paper Blended-coalhad low ash and pollution combined with the study on blended-coal Cws and application in diesel engine, combustion of blended- coal coal waterslurry in diesel engine had broad application prospects according to coal mining and utilization at present in ChinaKey words: diesel engine; fuel; coal; blended-coal CWS1前言水平的提高,预计未来世界能源消费量将以每年3%当今世界能源结构中,人类所利用的能源主要是的速度增长,到2020年世界一次能源消费总量将达到煤炭、石油、天然气等化石能源。我国是世界上以煤炭200250亿t标准煤以上{4为主要能源的国家之一,煤炭的消耗约占总能源构成表1200年世界主要国家能源消费统计【1万t油当量)的76%,我国75%的发电燃料、80%的居民生活燃料国家石油夭然气媒炭核能水力。合计和60%的化工原料都来自煤炭1。20年1月份国中国20.8%3.3%70,4%0.7%5.9%100.0%土资源部发布了《全国矿产资源规划》,预计到200年943.1595.7573.719.758.82361.4我国将消耗石油5亿t煤炭35亿t,即使到2050年煤美国39.9%252%24.3%82.5%100.0%炭在我国能源结构中的比例也不会少于35%12]。加拿大102.39.630.42118.3321.72007年全球能源消费总量为1093×105万t油法国91.337.312.09.714.4255.1当量(表1)。在2007年全球能源能源消费结构中,8%14.6%4.7%39.1%5.6%100.09石油平均占35.6%(比2006年的35.8%下降了德国112.674586.031.86.2311.036.2%24.0%27.7%10.2%2.0%100.0%02%)天然气平均占25.6%(比200年的23.7%上意大利8.8179.6升了1.9%)煤炭平均占28.6%(比2006年的28.4%46.4%39.9%97%78.282.339.214.12.1215.9上升了0.2%)核能平均占56%、水力平均占64%。英国36.2%381%18.2%6.5%1.0%100.0%1259394.99.536.240.5692,0在世界主要能源消费国的能源消费结构中,石油一般俄罗斯18%571%13.7%52%5:8%100%仍占38%左右天然气一般占23%左右。虽然石油在日本发达国家能源结构中的比例上升很快但煤炭仍将是44.2%15.7%24.2%12.2%3.7%100.0%未来几十年内主要的能源供应来源。韩国107633.359.732.31.1234.0煤炭作为世界一次能源的重要组成部分,对世界JV中国煤化工40217404经济发展起着重要作用。随着人口的增加,社会生活,0%6.8%100.0%CNMH2.0721093世界收稿日期:200-09-11修订日期:200-10-24356%25.6%28.6%5.6第一作者简介:崔荣健(1980-)男河北省沧州人,江苏海事职业注资料来源于“ BP Statistical Review of World Energy”,200年技术学院教师主要从事轮机工程方面的研究目前虽然核能水电能等能源比重在逐步加大,但014资源开发与市场 Resoure Deyelopment&Mnkt200025(11专题研究石油煤炭和天然气仍然在能源格局中处于主体地位,于基油燃料许多科学家已经考虑到原油的储存量燃2007年三者所占比例分别为36%286%和256%。油的生产和原油的消耗等。廉价油的时代已经结束,图1为我国历年原煤生产量,由图1可见随着经济所以各国都在积极考虑开发应用可替代燃料{0。针的发展,我国原煤生产量呈现明显增长趋势,因此充分对这种情况,使用可替代燃料是必然的趋势。对内燃而且有效地利用煤炭至关重要。机来说,有大量基油替代燃料可提供:①天然气及其天2922353022然气衍生燃料、甲醇、液化气(CL)、二甲醚(DME)等。②气态或液态的煤基代油燃料、液化煤、水煤浆。③生25物燃料,如油菜籽、甲酯(RME)、乙醇、液化生物(BmL)。④氢气。虽然天然气是最早被应用到点火式内燃机中的,但是天然气和乙醇这些低十六烷值的燃199719981999200020012002200320042005200620072008料在柴油机中的应用可能性较小Ⅲ。氢气经常被认田1我国历年原煤生产量为是解决当今能源问题的一个重要能源,但实际上并不是这样,主要原因是氢并不是资源型能源,而是类似2柴油机燃料的研究于电的能源载体。氢的产生需要高代价,耗费大量能目前柴油机燃料主要以柴油为主要燃料未来柴量。电这种高阶能量载体不应该被应用到氢的产生过油机的发展主要以减少排放降低能耗为宗旨而且排程中此外氢很难在机动车上存储。放标准将更加严格,欧洲计划到2030年达到零排放。生物燃料是道路机动车最好的替代能源然而它由于全球变暖各国要通过法律控制减少温室气体的的实际应用在欧盟国家只占全部能源消耗量的排放。这就意味着必须提高燃烧效率或使用二氧化1%-12%3,其他能源如太阳能潮汐能风能和地碳零排放的燃料,如使用生物燃料。最终油基燃料的热能很难直接代替基燃料应用与机动车油。水煤浆是获得是很有限的,或者出现短缺。世界大部分燃油资20世纪70年代末世界石油危机以后开发出来的煤炭源来自政治不稳定的国家或地区,国际能源署(IA)对新产品,是一种可代替重油和煤的新型洁净燃料。水世界油燃料的预测表明,到2030年世界油消耗从2004煤浆在各种工业应用中燃烧效率达到到9%以上是年的82.1亿桶/d增长到114亿桶/d,具体预测见图燃烧散煤的1倍接近或达到燃油水平。一般2水煤2。根据图2预测,中国和印度的油耗将在此时期增长浆可代替It重油可在工业锅炉、电站锅炉和工业窑超过目前的2倍。1995年中国没有进口任何原油,但炉等代替油或煤、气燃用。是到2005年中国变为世界第二大原油进口国家。因此,未来的发动机不能仅仅考虑以石油为基本燃料,还3配煤水煤浆的研究现状有考虑使用其他新能源来取代石油。水煤浆作为新型燃料,具有易燃、稳定、流动性强等特点,在工业锅炉、电站锅炉、工业窑炉上能代替油、总需求量■油砂气、煤燃烧。其燃烧效率高,产生烟尘、二氧化硫、氮氧团萍海油口普通油化物等污染物相对较低,是当今世界洁净能源的一个每需重要品种,已显示出了明显的经济优势,包括代油效益、节能效益、环境效益、综合利用效益。201年原国家计委发布的《国民经济和社会发展第十个五年计划普通油能源发展重点专项规划》和《当前优先发展的高新技术产业重点领域指南》中,也把水煤浆技术作为加快开发昌昌虽目昌昌目普和推广的技术之-。201年原国家经贸委发布的《节图2世界原油生产预测图约和替代燃料油“十五”规划》中更是把水煤浆技术作20世界70年代,普通原油的生产量开始增加;为替代燃料油的首选技术。20002010年保持平稳生产,之后开始下降,这段时间性七世质糙紅密切相关变质程度较深海油生产出现增长趋势,随后开始下降;而世界上对浅的中国煤化工交难制备高浓度水煤油燃料的总需求量出现明显增长趋势⑨。世界能源消浆CNMH或浆煤种,可制备出较耗继续增长的主要原因是:世界人口不断增长和发展高浓度的水煤浆。因此,对难成浆煤种可改善其成浆中国家对能源需求的增长。发达国家的经济主要依赖性能的途径除了从原料煤种粒度级配制浆工艺及分1015·专题研究资源开发与市场 Resource Development& Market.20025散剂技术等方面加以解决外,还可通过配人一定比例源。二次世界大战之前和大战期间,德国的公司已将的易成浆煤种,达到改善其成浆性能的目的。采用配柴油机燃煤这项技术投人商用2。20世纪5060年煤方法可改善难制浆煤的成浆性能,而且简易经代末美国西南研究所、弗吉尼亚工业大学和霍华德大济1。此外配煤技术的实施可扩大原料煤种的适用学等都针对这一技术做了大量工作。1930-1945年,范围,实现原料多样化及资源的合理利用。目前国内德国的帕列克斯基对煤和煤基燃料在柴油机上燃用的运行的几套水煤浆加压气化制合成气装置,受原料煤有关问题进行了深入研究。美国西南研究所和霍怀特质的限制。为了提高生产能力,降低气化过程中的能大学、弗吉尼亚综合工程研究所相继研究了煤和煤基耗氧耗和煤耗,大都采用配煤技术来改善原料煤种的燃料在柴油机上燃用的可行性3]。20世纪70年代,成浆性能,提高制浆浓度,实现水煤浆加压气化装置的南非采用了 Fishcher- Tropsch法研究了煤作为内燃机长周期安全稳定、经济运行。我国低阶褐煤燃烧值低,液体燃料;瑞士的苏尔寿公司在大型低速柴油机上进但是含硫量低,如果和髙热值髙硫煤配煤可以充分利行了燃用煤粉和油煤浆的研究。1978年美国能源部用各个煤种的优势,相互补充彼此的劣势,达到充分利下属的能源保护和再生部门对柴油机和燃汽轮机以煤用和降低污染的目的6浆为燃料开展了专门的研究,进行了大量的试验。由淮南工业学院化学工程系李寒旭、纪明俊等研究于燃汽轮机和柴油机锈蚀和磨损等难以解决的问题,了配合煤制水煤浆表明利用两种煤的优势可有效提放弃了以煤为燃料的研究冽)。进入20世纪80年代,高难成浆煤种的制浆浓度。中国科学院山西煤炭澳大利亚墨尔本理工学院的卡斯迪克试验研究了利用化学研究所尉迟唯、李保庆、李文等选用三种性能较褐煤粉加柴油组成的煤浆油在柴油机上的燃用,并取差、不适宜制浆的煤作为原料煤选用成浆性、稳定性得了可喜的成果;20世纪8090年代,美国通用汽车或流变性较好的三种煤作为配煤进行混合煤制备水煤公司、通用电气公司、 COOPER能源系统公司、底特律浆1。安徽理工大学汤永新等研究结果证明配煤可柴油机公司和西南研究所在柴油机上对煤基代用燃料显著降低高灰熔融性煤的灰溶点。叶向荣等刘获的燃烧进行了大量的试验研究,其中包括固定式柴油得了使用不同分散剂对水煤浆性能最佳时所对应的粒机、机用中速柴油机以及卡车用高速柴油机等。实验度级配。刘定平等利用最小二乘支持向量机结果表明,在中速和髙速柴油机上燃烧煤基代用燃料( LSSVM)对球磨机电流和水煤浆浓度进行多目标建是可行的0模,并得出了最佳配煤方案,从而确定了水煤浆生产优我国对柴油机燃烧水煤浆的研究主要集中在燃烧化配煤策略。安徽理工大学化学系陈晓玲{2研究了特性及排放。正当该技术在世界范围内蓬勃发展并过配煤线性规划模型,结果证明动力配煤的分析基水分、渡到实用化阶段时,1985年底国际石油价格暴跌,给灰分硫分、挥发分、发热量可认为具有线性可加性。煤代油研究以沉重打击。美国、瑞典等西方国家因此纪明俊等2研究了安徽淮化集团公司 Texaco工艺所放慢甚至停止了水煤浆商业化的步伐,而将其作为采用淮南煤配煤制取水煤浆结果表明配煤可以提高项新技术储备起来。但从国际资源看,石油资源远不煤浆浓度和改善流变特性能够满足工业生产的实际及煤炭丰富。据1980年统计,全球石油储量仅够世界需要。水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心周寿消耗34年。专家预言,油价回升是必然的,以煤代油祖x4研究了水煤浆加压气化装置的优化配煤证明配是大方向3。煤可以有效提高水煤浆的性能满足一定的工业需要国外许多研究人员320针对配煤煤质指标可加性的5柴油机燃用配煤水煤浆的前景争论从理论上探讨了动力配煤煤质指标的可加性,并基于减少油的利用和较高的燃料成本,应开发利用数理统计的方法进行了论证,得出动力配煤的灰分、用天然气和可持续新型燃料,对一些煤炭丰富的国家,水分硫分、挥发分发热量等主要煤质指标的分析基开发煤基代油的技术对经济发展是非常有利的。从发指标具有线性可加性的重要结论,为动力配煤提供了动机的工作原理方面来讲,在柴油机上使用水煤浆是理论基础。完全可行的尤其是中速增压柴油机,而柴油发电站多用此和4柴油机应用水煤浆的研究现状宜的中国煤化工行改进,使其使用便量的柴油机改为燃用柴油机使用煤作燃料可上溯到柴油机的早期发展水煤CNMHG从环保和可持续发阶段。狄赛尔发明柴油机时其名称为多种燃料发动展角度看,对柴油机燃用水煤浆的主要限制因素就是机而煤则为首选燃料因为当时煤是德国的主要能排放后处理设备庞大而固定式柴油电站则由于空间1016·资源开发与市场 Resource develogment&Maks200925(1)→·专题研究相对富裕而不受此影响。从配煤水煤浆的优势上看,Z]. Int J Alternat Propul(UAP),2007:1配煤水煤浆具有较低的灰分,对柴油机的磨损较小。[14刘焕杰艾缀用水煤浆燃料替代燃料油燃烧的经济效益[]华因此应对柴油机燃用水煤浆技术进行深人研究特别5y可法,姚强曹欣玉等煤浆燃烧流动传热和气化的理论与应是燃料喷射混合及其燃烧的研究,以找到降低水煤浆用技术[M].杭州:浙江大学出版社,1997制作成本的途径。目前柴油机燃用水煤浆主要的问题6]Humg2 H, Wang H W, hen Y. Study on Combustion Characteristics d是灰份太大、自燃点是否合适、雾化困难燃料供给泵compression Ignition Engine Fueled with Dimethylether[J].Joumal of Auto-送及储存、废气排放和热值大小。mobile Engineering, 2000, 213(3): 647-652[I门]李寒旭纪明俊李军等混合煤对水煤浆性能的影响[门]选煤技术,2001,(3):54-56[18】尉迟唯李保庆李文混合煤制浆对水煤浆性质的影响[J]燃料化[]《中国能源发展报告》编辑委员会.200中国能源发展报告[M].北学学报,2004,32(1):31-36京:中国水利水电出版社,2007:19-31[19]汤永新陈迎,纪明俊配煤对煤灰熔点和水煤浆性能影响的研究]张玉卓煤制油技术现状和发展前景[C]北京:2006中国科协年会[J]煤炭技术,2008,21(11):15-18.节约能源与循环经济分会,2006:9[20]叶向荣,刘定平陈其粒度级配对混煤水煤浆浓度与黏度的影响[3]范维唐成玉琪等中国未来能源与洁净煤技术科技进步与学科[J]煤炭转化,208,31(2):28发展[M]北京:中国科学技术出版社,200[4]陈清如洁净煤炭能源[C]北京:20中国科协年会—节约能源[21]刘定平叶向荣邓华裕基于LsM-MODE的水煤浆优化配煤研究[J.选煤技术,2008,(3):16-22.与循环经济分会,2006:9[2]陈晓玲配煤线性规划模型的研究[J煤炭加工与综合利用,200[5]科技信息[EBoL].hp://w.chinase.com/ww/dwv/sinfor(2):34-37.[23]纪明俊李寒旭燕春福淮化Teo气化配煤制取水煤浆的研究[6]Roberts CE, Syder JC, Stowell C, d dd. The Heavy-duty Gasoline En.[J]安徽化工,2002,(6):4-6An Altemative to Mee Emission Standards o Tomorow[s.Wr(x]周寿祖朱风梅张继嫌水煤浆加压气化装置的优化配媒[],化肥dale, PA: Society of Automotive Engineers Inc, 2004设计,2003,41(1):32-387] Van Waalwijk M. nels for Homogeneous Charge Compresion Ignition(HC[25陈文敏,等动力配煤主要煤质指标的可加性[煤质技术与科学C1)Engine [Z). Automo Fuels Surv, 2001: 6管理,199,(4):30-32.[8]amela F, Pock WF, Same T Potenzial Altemativer Verbrermungsverfahr[26]Seiji Nomura, TakaShi Arima, Kenji Kato. Coal Blending Theory forhanging Process]Fod,200,(83):171-1776.branrmungsmotors Universitat Graz, 2003[27]韩树,毕小平张更云柴油机燃用水煤浆技术的综述[刀内燃机工[9]Hy-SPACE, FP 5 Growth, Contr. No[ EB/OL].G3RD-CT-2002程,198,19(4):5-1000787.SeeAlso:/http://cordis.europaew/en/home.htmls.2005[28]Tracy E W Jr Feasibility Study o Powdered Coal as Fuel Engines[R][1o]Biaggini G, Knecht W. The Advanced Iveco CurSor 10 Heavy Duty TruckWRI Report.Diesel Engine[c].FISITA Congress, Seoul,Korea,2000[29 JHUANG Z H, LU H B JLANG D M, ed ad. Study on Cambuation Character-[I1JELEGT FPS Growth, Contr. No[EB/OL ].G3RD-CT-2002-00788Seeistics a DI Died Engine Operating on Dietl/Methanol 6Lendsc [J]Also:/http://cordis.europaew/en/home.htmls.2005[12]Johnson M Developments in Auxiliary Power for Vehiclea[J].Clobal Emis[30]Rushdi A, Sharma A, Gupta R. An Experimental Study of the Effoct o Coelsion Manage,205,(2):8-9Blending on Ash Deposition [J]. Fuel, 2004, (83): 495-506[13] Hountalas D, Katano CO, Kouremenog DA,aa, Study o Available Ex-[31袁红莉杨金水,王风芹等不可再生能源物质褐煤的生物可持续haust Gas Heat Reoowery Technologies for HD Diesel Engine Applications发展问题展望[]世界科技研究与发展,00,(3):13-17(上接第1005页)经济,2006,(2):62-63棕榈油的需求增长,中国可在海南建立油棕种植基地[3]张希财林位夫棕油供需及其竞争力分析[J]中国油脂,200,30培育并发展自己的棕榈油加工产业。④积极实施海外(1):61-41.[4]莫汉姆德阿卜德棕椭油在全球的贸易[刀日用化学品科学200投资战略0。中国应充分利用Wo规则及外汇储备通过对外直接投资的方式到中东、南美、非洲地区[5]程黔207年国内棕榈油市场行情回顾和展望[]粮油加工,200建立油棕种植及棕榈油加工基地,突破自身资源禀赋(2):25-31方面的局限控制更多国际棕榈油资源,也可应对印马[6]周正海浅谈棕椭油进口[.粮食与油脂20)15-17两国的贸易保护政策,缓解对印马两国棕榈油进口的71施康生,王丽娜世界棕椭油市场供求与价格走势[浙江经济,依赖2003,(15):64[8汪中国煤化工工19(12)[9]范[].中国经济周刊,200,参考文献CNMHG]李竹风对棕侧油的综合分析与开发展望[农产品加工203)[0曹旭平中印马三国棕搁油国际贸易比较之实证分析U]粮油加工,2008,(12):18-21.[2]张蓉芳,丁士军从马来西亚棕榈油产业看中国油脂业[门江苏农村1017