曾在春中國(guó)五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

褐煤干燥提質(zhì)技術(shù)淺談

曾在春＊中國(guó)五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

介紹褐煤的基本性質(zhì)和幾種褐煤的干燥提質(zhì)技術(shù),如管式干燥技術(shù)、蒸汽流化床干燥技術(shù) (DWT法)、熱脫水工藝和LFC褐煤干燥等,簡(jiǎn)單分析各工藝,展望褐煤干燥提質(zhì)的前景。

褐煤干燥 提質(zhì)技術(shù) 煤化工

據(jù)預(yù)測(cè),全世界硬煤 (包括煙煤和無煙煤)地質(zhì)儲(chǔ)量約為 6×1012t(6萬億噸),占煤炭總儲(chǔ)量的 60%以上;褐煤地質(zhì)儲(chǔ)量約有 4×1012t(4萬億噸),約占煤炭?jī)?chǔ)量 40%[1]。中國(guó)是煤炭主導(dǎo)性化石能源資源相對(duì)豐富的國(guó)家,2006年煤炭資源保有量 1.03×1012t(10345億噸)。中國(guó)褐煤資源豐富,己探明的保有儲(chǔ)量達(dá) 1.3×1011t(1303億噸),占全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的 13%,其中內(nèi)蒙古的褐煤儲(chǔ)量最大,占全國(guó)褐煤儲(chǔ)量的 77%[2]。目前褐煤主要用于直接燃燒發(fā)電。富含水褐煤的干燥提質(zhì)是在一定溫度下經(jīng)脫水后轉(zhuǎn)化成具有類似煙煤性質(zhì)的提質(zhì)煤。提質(zhì)后的褐煤將更有利于綜合利用、運(yùn)輸和貯存。通過干燥處理降低煤的水分,一方面可以提高熱值和能量密度,降低運(yùn)輸成本,另一方面還可以提高下游裝置的利用效率,降低設(shè)備規(guī)模[3]。因此,近年來褐煤的有效綜合利用成為一個(gè)熱門研究和極具開發(fā)前景的領(lǐng)域。

1 褐煤的基本性質(zhì)

褐煤是煤化程度最低的煤種,其特點(diǎn)是高揮發(fā)份含量約 50%、水含量高達(dá) 30%以上、熱值低約為 14MJ/kg、低灰熔點(diǎn)、孔隙度大、揮發(fā)份高、含有不同數(shù)量的腐植酸[4]。氧含量高達(dá) 15%～30%,化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng),熱穩(wěn)定性差,塊煤加熱時(shí)破碎嚴(yán)重,存放在空氣中很容易風(fēng)化變質(zhì),碎裂成小塊甚至粉末狀,使熱值進(jìn)一步降低,煤灰中常含有較多的鈣鹽,主要來自腐植酸鈣、碳酸鈣和硅酸鈣[5]。

因其熱值低、易自燃、不宜長(zhǎng)途運(yùn)輸,長(zhǎng)期被視作一種劣質(zhì)煤,其開發(fā)利用程度不高,目前僅用作坑口電廠燃燒和坑口氣化原料。水份是褐煤的顯著特征之一,也是影響其使用的重要參數(shù)之一。在各類煤中褐煤的水份是最高的,全水份Mt一般可達(dá) 10%～40%,其中第三紀(jì)年輕褐煤可達(dá) 30%～40%,侏羅紀(jì)褐煤的 Mt一般不超過30%。

研究表明有 3種形式的水份以特定的狀態(tài)同煤相結(jié)合[6]:①在較大的毛細(xì)管中有游離水或微弱結(jié)合的水,經(jīng)過等溫抽氣即可除去;②在微孔中有緊緊吸住的水,它在適度增高的壓力和溫度下可以除去;③水還能化學(xué)吸附在煤上,這種水只有在較高的蒸汽壓力下才能脫出。

根據(jù)水份的結(jié)合狀態(tài)可分為游離水和結(jié)晶水兩大類,前者又可分為外在和內(nèi)在水份兩種。

2 褐煤干燥提質(zhì)技術(shù)

2.1 管式干燥技術(shù)

德國(guó)和俄羅斯干燥低變質(zhì)程度年青煙煤普遍采用以低壓飽和蒸汽為干燥介質(zhì)的管式干燥機(jī)技術(shù)。這種干燥機(jī)外觀與滾筒干燥機(jī)相似,其內(nèi)部設(shè)置了大量干燥管,故稱之為管式干燥機(jī)[7]。這種干燥機(jī)采用間接干燥原理,煤在管內(nèi)流動(dòng),蒸汽通過管壁傳熱,具有安全可靠、結(jié)構(gòu)合理、傳熱效率高、干燥效果較好等特點(diǎn),特別適用于燃點(diǎn)低的易燃易爆的年青煤種。

褐煤的蒸汽管式干燥機(jī)技術(shù)有兩種:一種是管內(nèi)通蒸汽加熱,殼內(nèi)走煤的管式干燥機(jī);另一種是管內(nèi)走煤,殼體通蒸汽加熱的管式干燥機(jī)。管式干燥是一種以壓力為 0.15～0.55MPa的飽和蒸汽為加熱介質(zhì)的間接加熱干燥技術(shù),管式干燥機(jī)示意見圖 1。

圖1 管式干燥機(jī)示意圖

常壓下用低壓蒸汽通過管式干燥器將煤加熱到約 100℃,使水份蒸發(fā),并利用和煤一起進(jìn)入干燥器的空氣作為脫水介質(zhì),通過除塵器將煤粉分離,部分空氣經(jīng)壓縮進(jìn)入干燥器循環(huán),部分排大氣。該技術(shù)由于通過加熱蒸發(fā)褐煤中的水份,因此,能耗較高,尾氣排放量較大。此法為目前工業(yè)應(yīng)用最為成熟的褐煤干燥方法之一[8]。

管式干燥機(jī)由包括殼體、蒸汽管、蒸汽分配器及錘擊器的筒體、可根據(jù)物料特點(diǎn)選擇進(jìn)出料螺旋或溜槽式進(jìn)料、進(jìn)出料端密封、蒸汽分配系統(tǒng)、包括電機(jī)、減速機(jī)、齒輪、托輪及滾圈的傳動(dòng)系統(tǒng)、控制裝置及潤(rùn)滑系統(tǒng)組成。管式干燥技術(shù)在 20世紀(jì) 70～80年代被東德用于褐煤干燥,干燥后的褐煤用于生產(chǎn)型煤。著名的蒸汽管干燥機(jī)制造商—日本 TSK為澳大利亞和印度尼西亞的褐煤干燥提供的干燥機(jī)就是蒸汽走管內(nèi)的蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī),以蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)為核心的煤調(diào)濕技術(shù)是當(dāng)前鋼鐵焦化行業(yè)普遍采用的節(jié)能降耗技術(shù)。蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)的普及和發(fā)展證明了其優(yōu)越性,下面比較兩者的特點(diǎn)。

(1)煤的燃點(diǎn)為 185℃,干燥過程中空氣與褐煤接觸很容易引起燃燒爆炸,在干燥機(jī)不隔絕空氣的條件下,不能杜絕褐煤的燃燒爆炸。解決褐煤燃燒爆炸的最好辦法是將褐煤與空氣隔離,傳統(tǒng)的管式干燥機(jī)由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),無法實(shí)現(xiàn)密閉無氧操作。蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)組采用軸承定位的密封技術(shù),可實(shí)現(xiàn)無氧運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)第一套HDPE蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)組干燥的揮發(fā)份為溶劑級(jí)汽油的己烷,其危險(xiǎn)性大于褐煤,實(shí)際運(yùn)行證明密閉型蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)組是安全可靠的。

(2)褐煤如在換熱管上粘結(jié),將影響換熱和干燥效果,蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)組可通過“錘擊防粘結(jié)”技術(shù)和 “熱處理”技術(shù)等方法來處理;管式干燥機(jī)無法采用 “錘擊防粘結(jié)”和 “熱處理”技術(shù)。

(3)蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)可以干燥的最大顆?？蛇_(dá) 30mm;管式干燥機(jī)干燥的最大顆粒不能大于8mm,管式干燥機(jī)對(duì)破碎機(jī)的要求較高。

(4)密閉型蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥工藝是在褐煤干燥方面的集成創(chuàng)新,符合當(dāng)前國(guó)家科技創(chuàng)新的發(fā)展方向。

2.2 蒸汽流化床干燥技術(shù) (DW T法)

蒸汽流化床干燥器示意見圖 2。

圖2 蒸汽流化床干燥器示意圖

在流化床干燥器內(nèi),蒸汽不僅是干燥介質(zhì),而且還是流化介質(zhì)。因此,干燥蒸發(fā)的蒸汽不含空氣和其他雜物,可通過多種方法進(jìn)一步利用。例如,蒸發(fā)的水份經(jīng)過再循環(huán)作為流化介質(zhì)進(jìn)入流化床,利用凝結(jié)時(shí)所放出的汽化潛熱,將其壓縮成為過熱蒸汽。過熱蒸汽將高水份褐煤流從干燥機(jī)的底部吹向沸騰床上部,產(chǎn)生流化現(xiàn)象。流化床的蒸汽吸收褐煤中蒸發(fā)出的水份,原煤從干燥機(jī)的上部輸入,經(jīng)過旋流分離器,部分蒸汽再被導(dǎo)回干燥機(jī)。干燥機(jī)所需能量由蒸汽輪機(jī)提供。

2.3 熱脫水工藝

該工藝與前述方法不同之處在于水的移除狀態(tài)為熱法脫水過程。熱源為過熱蒸汽,工藝過程溫度約為 235℃,為維持水份不被汽化,系統(tǒng)壓力必須維持在同溫度下水的飽和蒸汽壓之上,一般約為 3MPa。該工藝過程將水在液態(tài)下移除,同時(shí)工藝過程廢熱蒸汽可分級(jí)使用,熱能能夠得到回收利用,能耗較低。另外,由于過程原料煤細(xì)粉較少,經(jīng)脫除水份后的褐煤不易在空氣中自燃,因此,可利用空氣進(jìn)一步自然干燥。此法的缺點(diǎn)為水份不能得到最大限度的脫除,系統(tǒng)干煤含水量約為 23%[10]。

2.4 LFC褐煤干燥提質(zhì)技術(shù)

LFC是一種煤炭輕度熱解工藝技術(shù)。20世紀(jì)80年代初美國(guó) SGI首先提出褐煤提質(zhì)技術(shù)概念,1989年 12月美國(guó)能源部選擇該技術(shù)并資助成立ENCOAL公司。M.W.Kellogg公司作為 EPC承包商建設(shè)了該公司的 1000t/d的示范工程,1992年至1997年共運(yùn)行了五年。在示范工廠運(yùn)行五年的基礎(chǔ)之上,該工藝被修改完善,日本三菱重工(MH I)完成了工藝裝置單系列 5000t/d規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)計(jì),準(zhǔn)備商業(yè)推廣。

LFC褐煤干燥提質(zhì)工藝流程見圖 3。

圖3 LFC工藝流程框圖

褐煤經(jīng)破碎和篩分后送入干燥爐,被來自干燥燃燒爐的熱氣流加熱脫除水份。必須嚴(yán)格控制熱氣體在干燥爐內(nèi)的停留時(shí)間和溫度,以滿足能夠脫除煤炭中水份且不會(huì)發(fā)生熱解反應(yīng),還需嚴(yán)格控制原煤溫度,確保不會(huì)釋放大量的甲烷、一氧化碳和二氧化碳。離開干燥爐的氣體經(jīng)旋風(fēng)除塵后分為兩部分,一部分與干燥燃燒爐進(jìn)口氣體混合作為補(bǔ)充燃料,另外一部分送煙氣脫硫裝置,經(jīng)脫硫后排大氣。

離開干燥爐的固體送熱解爐,用來自熱解燃燒爐的熱循環(huán)氣流加熱熱解。在熱解過程中,幾乎所有剩余的水份均被脫除,并發(fā)生了輕度氣化反應(yīng),煤中揮發(fā)性氣體被釋放出來。在離開熱解爐后,固體在激冷盤中被工藝水迅速冷卻以終止氣化反應(yīng),在激冷過程中會(huì)產(chǎn)生水煤氣,經(jīng)水洗冷卻至一定溫度后與一次燃料氣混合,作為干燥燃燒爐和熱解燃燒爐的燃料。

激冷盤中的固體送 PDF(穩(wěn)定的低硫高熱值燃料,其特性與煙煤類似)精制單元,該單元包括預(yù)冷及加濕反應(yīng)器、PDF精制反應(yīng)器和最終冷卻器。在預(yù)冷卻及加濕反應(yīng)器中,PDF被冷卻至環(huán)境溫度,并加入一定量工藝水以使 PDF發(fā)生再水合反應(yīng),再水合后的 PDF中的水份含量與大氣中的水份含量相平衡。然后送 PDF精制反應(yīng)器與與空氣充分接觸,氧化、冷卻到常溫最后送貯倉。

從熱解爐出來的熱氣體經(jīng)旋風(fēng)除塵后進(jìn)入激冷塔冷卻,激冷塔的溫度控制在使 CDL(類似于柴油的煤衍生液體)冷凝下來,并保證水不被冷凝。激冷塔頂出來的氣體進(jìn)電除塵器,氣體中未冷凝的 CDL被捕集下來,并回流至激冷塔,而從電除塵器出來的氣體作為一次燃料氣送干燥燃燒爐和熱解燃燒爐,補(bǔ)充系統(tǒng)所需的熱量。冷凝下來的 CDL被乙二醇換熱器冷卻到 71℃,約 99%(wt)CDL回流至激冷塔,其余約 1%的 CDL送離心分離機(jī)分離后得到 CDL產(chǎn)品。

3 褐煤干燥的意義

我國(guó)貧油、少氣、煤炭資源豐富。從目前來看,我們能源消費(fèi)總量已經(jīng)位居世界第二,約占世界能源消費(fèi)總量的 11%。與此同時(shí),我國(guó)每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的產(chǎn)出效率僅相當(dāng)于日本的 10.3%、歐盟的 16.8%。而由于褐煤是一種高揮發(fā)份含量、高水份、低熱值、低灰熔點(diǎn)、容易自燃的煤種,長(zhǎng)期被視為一種劣質(zhì)煤資源。目前僅用作坑口電廠燃料和坑口氣化原料,限制了褐煤資源的合理利用和開發(fā)。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,國(guó)內(nèi)煤炭資源已出現(xiàn)緊張,煤炭、電力、冶金、化工等許多行業(yè)都考慮選擇褐煤作為原料。

國(guó)家已確立了“以煤為主”的能源發(fā)展戰(zhàn)略,發(fā)展褐煤的干燥提質(zhì)加工的綜合利用產(chǎn)業(yè),可以有效緩解優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤的供應(yīng)緊張局面,用低品位煤炭替代優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤的資源渠道,延伸了褐煤工業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈,提高褐煤資源的綜合利用效率和環(huán)境效益,更好地滿足國(guó)內(nèi)的能源需求,為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力的安全保障。

4 前景與展望

由于前些年國(guó)內(nèi)對(duì)傳統(tǒng)煤化工的盲目發(fā)展,使產(chǎn)能過剩,導(dǎo)致煤炭資源的嚴(yán)重浪費(fèi),近幾年國(guó)家停止審批新建或單純擴(kuò)大產(chǎn)能的焦炭、電石、甲醇等傳統(tǒng)煤化工項(xiàng)目。褐煤干燥是一種對(duì)褐煤的潔凈利用的產(chǎn)業(yè),能大幅度減少了褐煤直接燃燒對(duì)環(huán)境的污染,與此同時(shí),提高了褐煤的綜合利用效率,是一種低碳的環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)。因此,未來褐煤產(chǎn)業(yè)必將得到空前的研究與發(fā)展。

1 萬永周等.褐煤脫水預(yù)干燥技術(shù)進(jìn)展 [J].煤炭工程,2008 (8).

2 趙永飛等.中國(guó)褐煤加工利用淺談 [J].潔凈煤技術(shù),2009(6).

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5 田忠坤等.一休化加速旋風(fēng)提質(zhì)干燥設(shè)備在褐煤電廠中應(yīng)用的研究 [J].潔凈煤技術(shù),2007(5).

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7 汪壽建.褐煤干燥成型工藝技術(shù)綜述 [J].化肥設(shè)計(jì),2009(5).

8 云增杰.高水分燃料褐煤脫水技術(shù) [J].露天采礦技術(shù),2008(4).

9 熊友輝.高水分褐煤燃燒發(fā)電的集成干燥技術(shù) [J].鍋爐技術(shù),2006,37(增刊).

10 高俊榮等.褐煤干燥脫水技術(shù)研究進(jìn)展 [J].潔凈煤技術(shù),2008(6).

2010-08-10)

＊曾在春:助理工程師。2009年畢業(yè)于廣西大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)獲碩士學(xué)位。主要從事管道布置工作。聯(lián)系電話: (027)81926301,13429882495,E-mail:zengzaichun@cwcec.com。