李鑫，李臣威，張海軍，李文峰

(1.中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州 221116；2.國家煤加工與潔凈化工程技術研究中心，江蘇 徐州 221116)

褐煤是一種變質(zhì)程度最低的低階煤，外表呈褐色或者暗褐色、無光澤，因此得名褐煤[1]。有數(shù)據(jù)表明，全世界褐煤地下儲量估計為4.345×106Mt[2]，約占全球煤炭總儲量的40%，以歐洲、亞洲和北美洲為主要分布地[3]。褐煤按照其變質(zhì)程度劃分，可劃分為年輕褐煤和年老褐煤兩類，也稱其為軟褐煤和硬褐煤。硬褐煤資源分布與褐煤總分布區(qū)域大致相同，主要是在歐洲，其次為亞洲和北美洲，而目前已探明的硬褐煤儲量最多的前三個國家分別是美國、俄羅斯以及中國。軟褐煤中俄羅斯的儲量為世界第一，約占全球軟褐煤總儲量的1/3；其次為德國，占全球軟褐煤總儲量的1/5以上；排在第三的澳大利亞擁有豐富的軟褐煤資源，約占世界總儲量的10%；同時，美國在軟褐煤方面的資源儲量也較為豐富，約占世界的10%。

目前，我國已探明的褐煤保有儲量為1.311×105Mt，在全國煤炭總儲量中約占13%，其分布情況見表1[3]。

表1 中國分區(qū)域褐煤儲量分布Table 1 Distribution of lignite reserves inChina by region

由表1可知，褐煤資源在我國的主要分布區(qū)域是華北地區(qū)，該地區(qū)褐煤儲量占全國褐煤總儲量的77.8%，且絕大多數(shù)為年老褐煤，內(nèi)蒙古東部地區(qū)的褐煤資源也是賦存最集中的，約占70%。西南地區(qū)是我國的褐煤第二大基地，其儲量僅次于華北區(qū)，約占全國褐煤儲量的12.5%，其中云南省境內(nèi)儲存著大部分褐煤，且區(qū)內(nèi)煤種大多是變質(zhì)程度低的年輕褐煤。我國的東北、中南、華東和西北區(qū)域也有著一定數(shù)量的褐煤資源賦存，但與華北、西南兩區(qū)相比均較少。

1 褐煤利用現(xiàn)狀

褐煤傳統(tǒng)的利用方式有直接用于燃燒發(fā)電、液化用煤、氣化用煤以及制備炭質(zhì)吸附劑等。

1.1直接燃燒

直接燃燒是全球?qū)置豪米钣凭靡彩亲畛Ｒ姷姆椒?。由于褐煤變質(zhì)程度低，內(nèi)部孔隙較為發(fā)達，其內(nèi)在水分含量通常很高，遠距離運輸成本高且容易凍車，因此褐煤主要用于附近自設電站燃燒發(fā)電，只有少量的褐煤在經(jīng)過干燥脫水或制成型煤之后通過公路或鐵路運輸?shù)捷^遠處作工業(yè)鍋爐燃料或者售為民用。從全世界范圍來看，2015年全球的褐煤開采總量為1.16×103Mt[4]，德國波蘭希臘等國為主要的生產(chǎn)國與消費國。在德國，其2015年的褐煤開采量約為1.781×102Mt，大約90%的褐煤生產(chǎn)用于發(fā)電和供熱，占全國總發(fā)電量的20%以上[4]。在波蘭，褐煤的每年開采量在63～66 Mt之間，其燃燒產(chǎn)生的電力占全國總發(fā)電量的1/3以上[4]。希臘褐煤儲量約5×103Mt，從1989～2005年褐煤的發(fā)電量對全國發(fā)電總量的貢獻率在40%以上，在1997～2005年10年間甚至超過了50%[5]。在我國，每年開采出的褐煤中估計有超過90%被用在各種工業(yè)鍋爐和發(fā)電廠[6]。褐煤直接燃燒會帶來一系列的問題，與其它高階煤種相比，褐煤的發(fā)熱量低，水分、灰分、含氧量、揮發(fā)分高，煤灰熔點變化大，易于氧化自燃，且褐煤粉塵容易爆炸。作為燃料直接燃燒時熱利用效率較低，且排出的粉塵量大，溫室氣體排放量大，環(huán)境污染嚴重。在預熱干燥階段蒸發(fā)水分和加熱灰分需要消耗大量的熱量，并且在燃燒之前往往需要預先干燥脫除一部分水分，這會產(chǎn)生大量的煤粉，容易引起爆炸。所以發(fā)展更為清潔環(huán)保高利用率的褐煤利用技術是有效的充分利用褐煤資源的關鍵。

水煤漿是一種以煤為原料的液態(tài)流體燃料，于20世紀70年代開發(fā)利用。一般是由65%左右的煤、34%左右的水和1%左右的化學添加劑混合，并通過物理加工得到的一種能替代油且具有流動性的煤基燃料，具有較好的穩(wěn)定性和流變性，可直接用管道輸送[7]，且易于儲存，可通過霧化燃燒，儲運過程全封閉，既減少損失又不污染環(huán)境，是解決煤炭運輸問題的方法之一。與直接燃燒相比，經(jīng)過加工的燃用水煤漿具有燃燒效率高、燃燒過程更易于操作和控制、節(jié)約能耗以及對生態(tài)環(huán)境友好等顯著優(yōu)點[8]。隨著水煤漿應用程度不斷加大，且相應的手段及條件的逐漸成熟，所以在制漿用煤的選擇上，也由中等變質(zhì)程度的煙煤向低階褐煤方向擴展。在引進國外先進的熱水干燥技術的基礎上，黑龍江礦業(yè)學院潔凈煤技術研究所僅用熱水干燥褐煤而不完全烘干，在直接制漿的條件下，得到了由褐煤制得的濃度為60%左右的水煤漿[9]。

1.2 褐煤液化

煤的液化是指通過一系列化學手段把正常狀態(tài)的煤炭進行加工處理，將其轉(zhuǎn)化成諸如汽油、柴油、液化石油氣等液態(tài)燃料形態(tài)利用的潔凈煤技術。根據(jù)所采用的化學加工手段的不同，將煤炭的液化又分為直接液化和間接液化。

1.2.1 直接液化 直接液化是指煤在一定的溫度和高壓條件下，在氫氣氛圍以及催化劑的催化作用下發(fā)生反應，使煤中的有機大分子直接轉(zhuǎn)化為低分子烴類的工藝過程。對于適用于直接液化工藝的原料煤，要求其含碳量一般在65%～85%、H/C比率>0.8、灰分含量低于10%，且揮發(fā)分含量不低于40%。褐煤具有較低的煤化程度和較低的碳含量，且由于其變質(zhì)程度較低，表面有較多的羧基、羰基和亞甲基等側(cè)鏈，液化活性較高，對于提質(zhì)后的褐煤可以通過直接液化進行加工利用。

1.2.2 間接液化 間接液化是在高溫環(huán)境下將煤炭與氧氣和水蒸氣進行混合反應，先合成中間氣體，然后再將中間態(tài)氣體合成為液態(tài)燃料的工藝過程。在合成過程的各階段中，通過選用不同的催化劑種類以及不同的反應條件可以得到各種不同的產(chǎn)品。南非的SASOL 廠采用的F-T合成法目前已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)運行，國內(nèi)有代表性的是中科院山西煤化學研究所開發(fā)的MTG合成汽油新技術，工業(yè)示范裝置目前已投產(chǎn)[10]。

褐煤液化工藝要解決的第一個問題就是脫水耗能。由于褐煤多孔且親水的特點，褐煤含水量通?？蛇_30%以上，褐煤中的水與有機氧通過氫鍵結(jié)合，如果采用干燥蒸發(fā)的方法將消耗大量的能量且只能脫除外在水。所以褐煤的非蒸發(fā)脫水被認為是一種節(jié)能的工藝，非蒸發(fā)脫水主要是使用溶劑脫水，但所用溶劑以及脫除的水與脫水后的煤中有機質(zhì)不能有效分離，因而難以循環(huán)利用，暫時不能應用在工業(yè)上。此外，褐煤中氧含量較高，在液化過程將消耗大量的氫氣，因此降低氫氣的消耗對降低液化成本具有重要意義，水恒福等[11]研究認為，以水為溶劑在CO氣氛下褐煤具有較好的液化性能，有利于褐煤直接液化。

1.3 褐煤氣化

煤炭氣化是在氣化爐中以煤或煤焦為原料，在高溫條件下與添加的氣化劑發(fā)生一系列反應，最終將原料煤轉(zhuǎn)化為煤氣的過程。以褐煤為氣化原料具有煤價低廉、原料易得等優(yōu)點，同時由于褐煤揮發(fā)分含量高、結(jié)構疏松等特點使得褐煤生成的煤焦具有豐富的孔隙，用于反應的有效比表面積大，生成的煤氣中有效氣成分含量更高。大唐克旗利用褐煤制天然氣項目是我國首個采用碎煤加壓氣化技術的煤制氣示范項目，目前已形成了40億m3/a的產(chǎn)能規(guī)模[12]。段清兵等[13]以蒙東地區(qū)的扎賚諾爾煤、寶礦提質(zhì)煤這兩種煤為原料，在采用分級研磨工藝下制得的氣化水煤漿其最高濃度均達到了設計指標值。

1.4 炭質(zhì)吸附劑

活性炭是一種常用的多孔吸附材料，具有較發(fā)達的內(nèi)孔隙和較大的總比表面積。優(yōu)良的活性炭具有吸附能力強、化學穩(wěn)定性好、機械強度高、易復用等特點?；钚蕴勘粡V泛運用于污水凈化、溶劑吸附回收以及空氣凈化等方面[14]。煤炭作為活性炭生產(chǎn)的原料，具有資源豐富、結(jié)構與組成多樣、多種煤可配合使用等優(yōu)點。

在過去一段相當長的時間里廣泛用于制取活性炭的是煙煤，但是隨著煙煤開采和利用強度越來越大，其儲量越來越少，有時不易得到。而褐煤價格低廉，質(zhì)地軟，毛細孔多，所以一些褐煤儲量豐富的國家對褐煤制活性炭進行了廣泛深入的研究[14]。張聲俊等[15]選用錫林格勒盟褐煤，在800 ℃的炭化活化溫度以及45 min的活化時間條件下，獲得了吸附性能良好的活性炭。羅道成等[16]以湖南某礦的褐煤為原料，活化劑選用H3PO4，添加劑選用H2SO4，在一定的工藝條件下獲得了機械強度為88.2%、比表面積為1 158.6 m2/g的活性炭，其對碘和亞甲基藍吸附值分別為946.5 mg/g和203.4 mg/g。但是在利用煤制活性炭工藝中，原料煤需滿足的必要條件之一就是灰分<10%，因為灰分若高，則會對生產(chǎn)出的活性炭的吸附性能產(chǎn)生不利影響。我國褐煤一般存在高水分和高灰分的特點，褐煤作為煤化工原料也受到一定的限制，故而制備之前需要對褐煤做脫水降灰等預先的處理。

2 褐煤利用存在的問題

褐煤自帶原始水分高、灰分高，在用作發(fā)熱、發(fā)電燃料以及煤化工原料時，褐煤的可利用程度都較低。由于褐煤帶水量大，傳統(tǒng)的煤粉鍋爐通過直接燃燒褐煤所產(chǎn)生的廢熱煙氣量大，為達到需要的產(chǎn)熱量，鍋爐爐膛空間被迫加大。同時由于水分和灰分都較高，電廠在自己生產(chǎn)煤粉時，對磨機的選擇受到限制，且對磨機使用壽命有影響。

褐煤熱穩(wěn)定性較低，在煤炭氣化工藝中，因適應性較差，不宜采用常壓固定床氣化工藝，而對于加壓固定床氣化工藝，也存在著由于煤氣出口溫度晝低，導致冷卻產(chǎn)生的焦油、酚水等產(chǎn)物難以處理的問題[17]。而且褐煤成漿性能較差，其漿體的流動性難以滿足氣流床利用水煤漿制氣工藝的要求。目前流化床直接氣化是褐煤氣化比較適宜的工藝，但目前這種氣化設備的處理量有限。此外，褐煤用于干煤粉氣流床氣化的工藝也只經(jīng)過試驗，還未經(jīng)過現(xiàn)場的生產(chǎn)檢驗。

3 褐煤利用：大力發(fā)展褐煤提質(zhì)技術，科學進行褐煤資源的輸配

3.1 褐煤提質(zhì)

煤炭提質(zhì)是指采用一系列物理、化學等手段脫除煤中的雜質(zhì)，將煤炭質(zhì)量提升，并達到用戶要求的方法和手段。對于褐煤來講，其提質(zhì)是包括以脫水為目的的干燥提質(zhì)和以降灰為目的的洗選提質(zhì)。

褐煤孔隙發(fā)達，水分較高，褐煤提質(zhì)的關鍵之一就是降低煤中的水分。目前國內(nèi)外褐煤提質(zhì)方法大致可以分為直接或間接加熱干燥、成型提質(zhì)技術等。加熱干燥一般是利用飽和蒸汽或者過熱蒸汽作為介質(zhì)對褐煤進行加熱使其中的水分蒸發(fā)出來達到降低褐煤水分的目的。成型提質(zhì)技術一般指已將褐煤顆粒狀物料經(jīng)過初步的干燥處理，使褐煤水分降到5%～8%后，先進入預壓裝置進行輥壓成型，再進入高壓裝置壓制成型煤[18]。褐煤經(jīng)過擠壓成型后，體積變小、密度變大，并且由于外力的高壓等作用使其凝膠、孔隙結(jié)構發(fā)生變化，孔隙度減小，從本質(zhì)上改變了煤階。因此褐煤經(jīng)熱壓成型后不易風化氧化，其干燥之后復吸以及儲存的問題也得到了解決。代表的工藝有澳大利亞懷特公司的無黏結(jié)劑BCB軋輥成型工藝，以及神華集團與中國礦業(yè)大學聯(lián)合開發(fā)的熱壓成型HPU工藝等[19]。神華寶日希勒建成的2×0.5 Mt/a褐煤提質(zhì)工業(yè)試驗項目，就是采用HPU工藝，該工藝在2009年10月試車成功，產(chǎn)出型煤的造粒率更高，且水分降低了約25%，煤質(zhì)發(fā)熱量也提高到了22.2 kJ/g以上[20]。

在洗選方面，由于褐煤變質(zhì)程度低，煤質(zhì)結(jié)構不穩(wěn)定，具有遇水易泥化的特點。因為人們之前多圍繞干燥脫水、熱解等方面研究褐煤的利用問題，這導致我國褐煤開發(fā)利用速度和洗選規(guī)模遠遠不如煙煤和無煙煤。鄧曉陽[21]在分析煤炭科學研究總院唐山研究院于2011年3月針對具有高灰高水易泥化特點的錫林浩特4號煤做出的《內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司4號煤可選性試驗研究報告》后指出，矸石與煤在泥化程度方面存在明顯的差異，高灰分、高水分的褐煤在水中的泥化過程實際上也達到了褐煤的分選降灰的目的。因而從根本上否定了人們認為褐煤易泥化，不能通過洗選來對褐煤提質(zhì)的傳統(tǒng)觀念。褐煤洗選有其特殊性，從實際生產(chǎn)上看，變質(zhì)程度高的年老褐煤采用洗選是比較適宜的，但是變質(zhì)程度低的年輕褐煤進入洗選就會有洗水濃度高、對煤泥水處理系統(tǒng)要求大等特點[22]，所以低階煤的洗選關鍵在于細粒煤泥水的分選。

浮選是細粒煤泥水處理中應用較為廣泛、效果較好的一種處理方法，利用煤泥和礦物雜質(zhì)表面親疏水性的差異來實現(xiàn)二者的分離。實際生產(chǎn)中多使用煤油、柴油等作為捕收劑，但是由于褐煤內(nèi)部孔隙高度發(fā)達，變質(zhì)程度低，其表面含氧官能團如羥基、羧基、羰基等數(shù)量眾多，與變質(zhì)程度較高的煙煤和無煙煤相比，為達到滿意的分選指標，褐煤煤泥的浮選常常會造成較大的油耗[23]，這是因為短鏈烴類油在煤顆粒表面容易產(chǎn)生孔隙滲透現(xiàn)象而長鏈烴類油由于黏度的原因又往往難以在煤顆粒表面充分的鋪展[24]，為此常常需要在捕收劑中添加一定量的乳化劑來優(yōu)化浮選效果。乳化劑不但能使乳化體系獲得一個較長的穩(wěn)定時間[25]，還能使分散在礦漿中的捕收劑形成的油珠的尺寸減小[26]。土耳其研究人員Cebeci[27]在不同的藥劑制度下研究了Yozgat Ayridam褐煤的可浮性，在一定的轉(zhuǎn)速、充氣量等浮選條件下采用煤油、煤油+乳化劑、煤油+乳化劑+表面活性劑三種藥劑制度進行了浮選實驗。研究表明在第一種藥劑制度下精煤可燃體回收率最低，這是因為煤油的分散性最差，在很大程度上煤油在煤顆粒表面的鋪展受到限制，同時也受煤油在煤顆粒表面的孔隙滲透趨勢影響，但是使用表面活性劑可以增加溶液的黏度進而降低其孔隙滲透趨勢。其他兩組藥劑制度下可以獲得較高的可燃體回收率主要基于以下幾點：形成了穩(wěn)定的乳液膠體；在水中表面活性劑存在的情況下捕收劑更容易分散和形成了大量的尺寸較小的油珠以及表面活性劑在煤-水界面和氣-液界面的相互作用。Xia等[28]研究了不同預潤濕時間對中國太西選煤廠氧化煤浮選行為的影響，在葉輪轉(zhuǎn)速為1 910 r/min的條件下在浮選槽中分別對煤樣預先潤濕1，2，3，4，5 min，然后在捕收劑為5 kg/t、起泡劑為1 kg/t、充氣速率為2.5 L/min的實驗室條件下進行了浮選實驗。XPS實驗結(jié)果表明，煤的表面親水性的含氧官能團，例如 C—O、CO、COOH等，為46.10%，親水性的含氧官能團在預潤濕過程中會與水分子結(jié)合形成氫鍵，所以低品質(zhì)煤在預潤濕的過程中顆粒表面會覆蓋一層較厚的水化膜，造成可浮性下降；SEM實驗結(jié)果表明，低品質(zhì)煤的表面粗糙不平，有很多的裂縫和孔隙，這是造成該類煤泥浮選過程中藥耗較高的原因之一；浮選實驗結(jié)果表明，隨著預潤濕時間的增長，精煤可燃體回收率和精煤的灰分都有所降低。精煤可燃體回收率降低是因為隨著預潤濕時間的增長，氧化煤顆粒表面的水化膜越來越厚，其與捕收劑分子吸附的機會減少，與氣泡碰撞過程中液膜排液更加困難，故難以進入精礦泡沫層；在預潤濕時間較短時精煤的灰分較高是因為當高灰成分表面在短時間潤濕的情況下表面的水化膜較薄，中等灰分和高灰分的顆粒也有與捕收劑或氣泡碰撞發(fā)生吸附或者黏附的機會，進而進入精礦泡沫層，即在預潤濕時間較短的情況下可以獲得較高的可燃體回收率，在預潤濕時間較長的條件下可以獲得灰分較低的精煤產(chǎn)品。在低階煤的分選方面還有很多專家學者通過利用反浮選方法等手段正做著很多的工作，也取得了一定的成果?？梢钥隙ǖ氖?，隨著優(yōu)質(zhì)煤炭資源的日漸枯竭，基于浮選技術的褐煤煤泥的分選方興未艾。

3.2 褐煤輸配

煤炭輸配指將煤炭由開采區(qū)域至消費區(qū)域的輸送過程，以及在用煤中心的儲存及配送至用戶的過程。我國煤炭資源“西多東少”、“北多南少”的分布特點以及長期煤電分離的體制、煤炭生產(chǎn)和消費呈逆向分布的特點決定了我國煤炭輸配“西煤東運”、“北煤南運”的格局。有學者[29]通過建立重心模型對我國2000～2012年的煤炭生產(chǎn)以及消費重心的動態(tài)變化軌跡進行了模擬研究，研究表明在這“黃金十年”以來，我國煤炭消費重心移動總體呈現(xiàn)“W” 狀的趨勢，由西南轉(zhuǎn)向西北再回西南最后折向西北。由總體變化趨勢來看，煤炭消費重心體現(xiàn)為不斷西進的，在南北徘徊的波動中最終向北偏移。消費重心軌跡的偏移也對應著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的進行[29]。

呂濤等[30]在研究煤炭運輸問題時，提出了關于煤炭外運的經(jīng)濟輸送半徑概念，即在輸入輸出量固定和平衡的生產(chǎn)和消耗的前提下，以及一定的煤炭運輸條件下，全國跨區(qū)域調(diào)運總成本最小的主要輸出區(qū)的平均輸送距離。測算在不同調(diào)出量下，新疆產(chǎn)出的煤炭向外調(diào)配的流量、流向和運輸距離的平均值，結(jié)果表明，隨著煤炭外運量的增加，其運距也隨著不斷增加。谷樹忠[31]在研究資源利用相關問題時提出了資源場和資源勢的理論，董瑜等[32]在研究資源流動問題時提出了資源流動障礙因子的概念。褐煤的高灰分、高水分屬于不利于褐煤輸送的因素，按照該理論，我國蒙東和云貴地區(qū)褐煤儲量豐富，洗選提質(zhì)后單類資源勢較其他地區(qū)高，表明該地區(qū)褐煤資源有向其他地區(qū)輸送的潛力，并且隨著高品質(zhì)煤炭資源的日漸枯竭以及褐煤洗選技術的不斷進步，儲量豐富的褐煤資源具有越來越廣闊的利用前景。

4 結(jié)束語

煤炭是我國的最重要的一次能源，褐煤在我國煤炭資源結(jié)構中占據(jù)著重要的地位。但由于褐煤自身存在的諸多問題，需要進行提質(zhì)后才能進行使用。根據(jù)褐煤的水分高、灰分高以及易泥化特性，比較多種提質(zhì)手段，發(fā)現(xiàn)浮選是較為廣泛也較為有效的手段。而有效合理的輸配對褐煤的利用起到了關鍵性的作用，也對經(jīng)濟的發(fā)展起到了重要的影響。

隨著煤炭的開發(fā)與利用，如今開采出的煤質(zhì)越來越偏難選。而目前褐煤資源在我國只是小規(guī)模開發(fā)利用，隨著洗選和提質(zhì)技術的不斷發(fā)展和國家對煤炭輸送通道的大力建設，褐煤資源具有越來越廣闊的利用前景，開發(fā)利用褐煤資源對于緩解我國的能源危機具有重要的意義。