高豪杰，樊永勝，熊 新，鄭竹安，金麗珠，朱躍釗

（1. 鹽城工學院 汽車工程學院，江蘇 鹽城 224051；2. 南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816）

近年來，我國的能源需求急劇增長，能源短缺與大氣污染問題日益凸顯。我國能源消費結構中煤炭占70%，傳統(tǒng)的煤炭利用方式使得霧霾問題日益嚴重，空氣質量嚴重惡化。因此，研究煤炭資源多元化、清潔和高效轉化利用的相關理論并推進其產業(yè)化進程，實施以低能耗、低污染和低排放為特征的煤炭利用模式［1］，是實現我國環(huán)境、資源和能源可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

褐煤是一種尚未被大規(guī)模開發(fā)利用的低階煤［2］，它的能量密度相對較低，單位能量運輸成本較高，易自燃，難以儲存。如果在開采地附近加以合理利用轉化，既可以補充高品質能源的缺口，降低污染物排放，又可以帶動區(qū)域經濟發(fā)展［3］。目前，褐煤利用技術的研究領域主要為干燥脫水、直接燃燒及通過高溫熱化學反應轉化為氣體或液體燃料等［4］。與煙煤和無煙煤等高品質煤炭相比，褐煤的揮發(fā)分含量高，反應速度快，非常適合氣化生產工業(yè)燃氣、戶用煤氣和化工合成氣。氣化技術可降低粉塵顆粒物的排放，緩解日益嚴峻的霧霾問題［5］。

傳統(tǒng)的褐煤熱解氣化工藝對進入氣化爐的原料的含水率有較高的要求，一般要求將原料含水率降至20%（w）以下，造成前期干燥處理費用較高，且干燥過程中產生的水蒸氣得不到利用，而物料的水蒸氣氣化過程又需要水蒸氣輸入，干燥和水蒸氣的重新制備屬于能源重復消耗，導致了能量的巨大浪費。各種新的氣化技術［6-7］尚處在理論研究階段，雖然能省去預干燥成本，但是產生的燃氣熱值太低，產氣成分無法控制，能量浪費嚴重，氣化后剩余的半焦無法回收，使得總轉化率下降。開發(fā)高效的高濕物料清潔利用技術，減少處理成本，提高利用效率顯得非常關鍵。因此，開發(fā)高效的高水分褐煤直接熱化學轉化技術，充分利用脫水過程中產生的水蒸氣，是提高氣化過程的總轉化率和熱效率，以及實現褐煤等低品質、高含水率煤種的清潔高效利用的重要措施之一。

本文從褐煤高效清潔轉化利用的角度，闡述了高水分褐煤的氣化技術研究進展，分析了現有氣化工藝的優(yōu)缺點和主要影響因素，并對褐煤氣化技術的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 我國褐煤資源及其特性

我國褐煤資源相對較豐富，已探明的保有儲量約1.3×1011t，占全國煤炭儲量的13%左右［8］。在已探明的褐煤資源中，以內蒙古東部和云南地區(qū)為主要分布區(qū)域。內蒙古地區(qū)的儲量占全國褐煤資源總量的75%，主要集中在內蒙古東部地區(qū)；西南地區(qū)的云南等省份的儲量約占20%；華東、東北和中南地區(qū)僅占5%左右［9-10］。我國的褐煤煤層厚，埋藏淺，生產成本較低，便于大規(guī)模開采。此外，對褐煤進行開發(fā)和利用，也有益于當地的經濟發(fā)展。

我國褐煤的總體煤質特性為高水分含量、高揮發(fā)分含量、高灰分含量、低熱值和低灰熔點，主要特性參數為：1）高水分含量。大部分褐煤的全水分含量為20%～50%（w），昭通地區(qū)的晚第三紀褐煤全水分含量大于50%（w）。2）高灰分含量。我國大部分褐煤的灰分含量（干基）為10%～25%（w），而澳大利亞、印度尼西亞等國家的褐煤灰分含量一般低于5%（w）。3）熱值低。褐煤的收到基低位熱值一般為12～15 MJ/kg。

2 高水分褐煤的利用方式

目前，我國褐煤的利用方式包括直接燃燒、液化、干燥后熱解、作為煉焦原料以及干燥后制取蠟和腐植酸制品等。褐煤具有化學反應活性較好及無黏結性特點，這有利于褐煤就地加工轉化為氣體或液體燃料進行輸送，提高外運的經濟性［11］。褐煤熱解氣化是高效利用、潔凈利用的先導，也是褐煤氣聯合循環(huán)發(fā)電技術、燃料電池等許多能源高新技術的重要環(huán)節(jié)和關鍵技術。

2.1 直接燃燒

目前，褐煤最主要的利用方式是直接燃燒，產生的熱量用于供熱或者發(fā)電，是煤炭資源的主要利用途徑［12］。由于褐煤的含水量過高，因此不適宜長距離輸運，只有較少量經提質或壓制成型后外運，用于工業(yè)鍋爐燃料或居民日常生活［13-14］。通常先對高濕褐煤進行干燥，使褐煤中水分析出的理論最低能耗為2 341 kJ/kg，干燥處理費用較高，產生的煙氣中含有大量低壓水蒸氣且難以再利用。

2.2 褐煤液化

煤炭液化技術是指通過熱化學轉化的方法將塊狀煤轉化為液體燃料或其他化工產品的轉化技術。褐煤直接液化的主要產物為燃料汽油、柴油以及芳烴等化工原料，同時還副產富H2燃料氣和液化石油氣等［15］。隨著石油天然氣等傳統(tǒng)油氣資源的日益枯竭，能源問題日益凸顯。通過褐煤的高效液化生產液體燃料的技術是高效和清潔利用褐煤，解決褐煤燃燒污染，替代石油燃料的可靠技術［16］。褐煤的碳含量低，氫含量相對較高，揮發(fā)分含量高，有機質可以最大限度地轉化為液體產品；但由于褐煤液化技術相對復雜，能耗高，與天然氣、石油等相比還不具備經濟性方面的優(yōu)勢，許多工藝還有待改進［17］。

2.3 褐煤氣化

與煙煤和無煙煤等高品質煤炭相比，褐煤的揮發(fā)分含量高，反應速度快。氣化可充分利用褐煤的這一優(yōu)勢，獲取優(yōu)質的液態(tài)產物（焦油）和氣態(tài)產物（富H2煤氣），同時得到高熱值的半焦產物。相對于直接空氣氣化或燃燒，氣化方式得到的高品質固、液、氣產物可以后續(xù)再分別進行精細化轉化利用，可獲取良好的經濟和社會效益［18］。氣化方式不僅能提高褐煤的利用效率，還能減輕環(huán)境污染，是褐煤潔凈高效利用的重要途徑。

常見的褐煤氣化裝置有固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化三大類，不同氣化技術對原料煤的品質均有相應的要求。由于褐煤在空氣中容易風化碎裂，對氣化爐的煤粒適應性要求較高。褐煤的成漿性較差、成型困難，因此，采用水煤漿氣化和固定床氣化都存在較大困難。目前，最普遍采用的是流化床氣化。

褐煤氣化工藝按升溫方式可分為外熱式和內熱式兩類。外熱式氣化爐的加熱載體不與原料接觸，熱量由爐壁導入，內熱式氣化爐的加熱介質與原料直接接觸。外熱式氣化工藝產氣熱值高，污染物排放低于內熱式氣化，且對氣化原料的形態(tài)、尺寸和形狀等的適應性較好，但是其熱效率較低，熱阻相對較大，氣化氣體不會被載氣稀釋。內熱式氣化工藝加熱速率較快，加熱均勻，處理量大，但是氣體容易被稀釋［19］。

3 熱化學轉化過程的影響因素

3.1 轉化體系

近年來，由于石油危機的影響，以制氣或產油為目標的褐煤熱解氣化技術開始興起［20］，研究人員圍繞褐煤熱解氣化技術開展了大量研究，并獲得了許多重要的特性數據。

美國Toscoal公司開發(fā)了褐煤低溫熱解技術，用高濕的懷俄明褐煤進行實驗，褐煤入爐前進行了干燥，熱解溫度為中低溫，主要生產焦油并副產富H2煤氣［21］。20世紀90年代，大連理工大學開發(fā)了固體熱載體褐煤干餾工藝［22］，進行了褐煤粉的中低溫快速熱解研究，可生產中熱值煤氣，但褐煤必須經過預干燥處理，該工藝還對褐煤的黏性、灰分要求較嚴格，工藝復雜且熱效率較低。山東棗莊地區(qū)利用美國氣體技術研究院研發(fā)的U-Gas流化床氣化爐開展了高水分褐煤的氣化研究，將純氧和過熱水蒸氣作為氣化劑，產生的燃氣部分燃燒后與褐煤進行熱交換，由于停留時間較短，使得反應不充分，熱效率低［23］。大連理工大學、華東理工大學、中國科學院山西煤炭化學研究所、浙江大學和中國礦業(yè)大學等先后進行了褐煤水煤漿氣化實驗，由于褐煤的成漿濃度低（漿體中褐煤的比例小于50%），流動性差，因此氣化過程的能耗較高［24-27］。中國科學院山西煤炭化學研究所、昆明理工大學等先后進行了連續(xù)式超臨界水反應器中褐煤制氫的研究，建立了處理量為1 kg/h的連續(xù)式超臨界水反應裝置，發(fā)現提高反應溫度可以增加氫氣產率，但是超臨界屬于高溫高壓狀態(tài)，系統(tǒng)能耗較高，設備腐蝕較嚴重［28］。

中國礦業(yè)大學、國家煤礦安監(jiān)總局等開展了褐煤地下氣化的研究，分別以富氧和富氧-水蒸氣為氣化介質，進行了褐煤的地下氣化模型實驗，證明褐煤地下氣化可穩(wěn)定生產富H2煤氣，產出氣體的熱值為9～14 MJ/m3［29］。波蘭中央礦業(yè)研究所開展了以制氫為目的的褐煤地下氣化研究，采用的褐煤含水率為46.5%（w），發(fā)現高濕褐煤的地下氣化可獲得富H2燃料氣，氣體熱值為7.2 MJ/m3，氣化效率可達59%，但不同參數對氣化過程的影響尚不明確［30］。俄羅斯遠東聯邦大學進行了大量的褐煤地下氣化實驗研究，發(fā)現氣化過程很難控制，產生的氣體容易向地面泄漏［31］。

邰學林［32］使用具有自主知識產權的“邰氏粉煤氣化爐”開展了褐煤的氣化實驗，采用流化床粉煤氣化技術集成自熱式煤氣煤粉逆流熔渣氣流床氣化技術，發(fā)現含水率小于35%（w）的褐煤無需干燥系統(tǒng)和磨煤系統(tǒng)，碳轉化率可達到99%，冷煤氣效率可達74%，飛灰中幾乎無殘?zhí)?。該技術目前正處于工程實踐階段，放大效果尚有待實踐檢驗，該技術若成功應用，可能會取代傳統(tǒng)的褐煤氣化技術。

由于褐煤水分含量高，傳統(tǒng)工藝的氣化反應單元和干燥單元是獨立且分離的，褐煤經過多次重復受熱，干燥蒸發(fā)出的低壓水蒸氣未被利用，使得熱效率較低。而高濕褐煤直接地下氣化的利用方式還處于實驗階段，反應過程較難控制，存在泄漏問題，反應區(qū)域溫度梯度大，轉化率和熱效率偏低。傳統(tǒng)的氣化體系很難實現高濕褐煤的高效氣化過程，而采用外熱式氣化爐可提高氣化過程的可控性，水分蒸發(fā)產生的水蒸氣不會被加熱介質稀釋，可直接作為氣化劑。在此背景下，開展高濕褐煤的原位清潔轉化技術的理論研究，可豐富它的轉化利用方式、提高利用效率、降低利用過程產生的污染。邰學林的兩段式自熱式煤氣煤粉逆流熔渣氣流床氣化技術是高濕褐煤氣化領域的一個亮點技術［33］。

3.2 反應氣氛

反應氣氛是影響氣化過程以及產物產率的重要因素。選擇的氣氛應使反應具有較低的轉化溫度、較高的一次轉化效率和熱效率，能高效、穩(wěn)定地實現氣化過程。此外，高濕原料自身水分蒸發(fā)產生的水蒸氣氣氛對整個氣化過程也會產生較大的影響。

Xiao等［10］采用鎳和橄欖石的混合物作為原料的加熱載體和焦油裂解的催化劑，開展了褐煤的水蒸氣氣化實驗，發(fā)現水蒸氣的存在促進了焦油的裂解，制取的燃氣中H2最高可達52%（φ），以干燥無灰基計算出的氣體產率達0.47 m3/kg。Takarada等［34］利用加壓流化床反應器研究了氣氛（如水蒸氣、氮氣）對Yallourn褐煤熱解特性、產氣率及產品氣體組成的影響，結果表明，當用水蒸氣作為反應氣氛，溫度為597～707 ℃時，褐煤的質量損失沒有太大變化，但是水蒸氣氣氛下，H2，CO，CO2的產率比在氮氣氣氛下高很多；當溫度高于707 ℃時，隨著熱解溫度的升高，H2，CO的產率顯著增加，轉化率逐漸提高，驗證了水蒸氣對褐煤氣化反應的促進作用。王毅［8］研究發(fā)現，褐煤的高溫水蒸氣熱解與常規(guī)熱解產氣的性質明顯不同，褐煤在以高溫水蒸氣為介質的條件下，可獲得富H2燃氣，且氣體中H2含量遠大于常規(guī)熱解氣體中H2含量。王鵬等［35］分別采用大雁、協(xié)莊和昔陽的煤在氮氣、CO2及水蒸氣熱解氣氛下進行了熱解實驗，結果表明，溫度高于600 ℃后，水蒸氣和CO2氣氛下碳轉化率遠大于氮氣氣氛下的碳轉化率，水蒸氣氣氛下的碳轉化率和富H2燃氣的產率最大。Hayashi等［36］研究表明，煤熱解過程中形成的水蒸氣也能與揮發(fā)分發(fā)生重整反應生成H2，CO，CO2，提高反應過程轉化率。Gao等［37］在外熱式移動床氣化爐內開展了高水分褐煤直接氣化以及與生物質共氣化的研究，將褐煤中蒸發(fā)出的水分直接作為氣化劑，發(fā)現褐煤含水率越高，總的氣化轉化率也越高，但水分與褐煤的協(xié)同反應機理尚待研究。

總的來說，高濕褐煤干燥過程中產生的低壓水蒸氣可以直接作為氣化劑，提高褐煤的轉化效率。褐煤自身水分的遷移及協(xié)同反應機制，以及如何提高水蒸氣的利用效率等，尚待進一步研究。

3.3 粒徑的影響

Patel等［38］在下吸式固定床氣化爐中進行了褐煤氣化實驗研究，認為對于黏結性煤種，粒徑對焦油的產率有較大影響。相同溫度條件下，粒徑增大后，會延長揮發(fā)分在顆粒內的停留時間，促進大分子焦油的二次裂解，產氣率隨著粒徑的增加而增大，最佳顆粒直徑為22～25 mm。Versan等［39］通過熱重分析儀研究了粒徑對煤熱解特性的影響，發(fā)現隨著粒徑的減小，揮發(fā)分的析出速率加快，總的熱解質量損失逐漸增大。張翠珍等［40］研究了顆粒粒徑對滕州煙煤、黑龍江大頭煤熱解特性的影響，實驗結果表明，熱解質量損失和質量損失速率均隨著粒徑的增大而減小，這是由于大顆粒煤炭的傳熱傳質滯后作用造成的；大粒徑煤的揮發(fā)分析出阻力較大，揮發(fā)分的二次裂解更充分；當煤的粒徑小于0.25 mm時，熱解質量損失隨著粒徑的減小而減小。

從以上的研究可知，熱解過程中褐煤顆粒粒徑對傳熱傳質過程有較大影響，應選擇合理的顆粒粒徑，既要獲得良好的加熱速率，又要保證揮發(fā)分的停留時間，使熱解過程更加高效。

3.4 與木屑摻混調配

與高含水率褐煤相比，木屑的顯著特點是含水量低，氫含量高，固定碳含量低，揮發(fā)分含量高。褐煤中的氫含量相對較少，兩者共同熱解可以平衡混合原料的總含水率，為褐煤補充廉價氫源，提高氣體產率。將高濕碳基原料自身蒸發(fā)出來的水蒸氣作為共熱解的氣化劑，同時將木屑中的氫和大量揮發(fā)分有效地轉化為燃料氣體，可改善產物品質，提高原料的轉化率［41］。目前，褐煤與各類生物質共氣化的相關研究較多，且都驗證了褐煤與生物質的協(xié)同作用，但是由于生物質原料、成本以及燃氣凈化方面尚存在一些困難，目前尚未見有大規(guī)模示范裝置。

4 結語

褐煤氣化可獲得高熱值煤氣、高附加值焦油以及潔凈的半焦，是清潔利用褐煤的重要途徑。高水分褐煤不經預干燥直接氣化是一個比較新的領域，需要開發(fā)能夠實現褐煤干燥與原位氣化一體化工藝，將褐煤干燥產生的水蒸氣作為氣化劑有效利用起來，使它成為褐煤氣化過程中的氫源，同時提高氣化過程的熱效率，節(jié)約干燥設備的投資。目前的高水分褐煤氣化技術存在工藝流程復雜、熱效率低和技術不成熟等問題。同時，以褐煤地下氣化技術為代表的高水分褐煤直接利用方式還處于實驗階段，需要探索反應過程機理，尋找提高燃氣品質、氣化效率和熱效率的方法。在熱解反應過程和熱解反應體系，以及供熱方式，機理，傳熱、傳質過程優(yōu)化，反應性能強化，以及一體化成套裝備方面，尚有很多科學和技術問題待解決。流化床粉煤氣化集成自熱式煤氣煤粉逆流熔渣氣流床氣化技術，具有較高的熱效率和碳轉化率，是一項很有前景的褐煤氣化技術，后續(xù)可以該技術為基礎嘗試采用高水分褐煤或者木屑與褐煤的摻混物做為氣化原料，開展實驗研究，以取得得較好的示范應用。