褐煤提質(zhì)技術(shù)淺析

孫健秋，王為明，劉 悅

（ 吉林省電力勘測設(shè)計院，長春 130000）

目前，我國一次能源的供應(yīng)仍將以煤為主，到2050年的長期能源戰(zhàn)略，應(yīng)是發(fā)展以煤為主多元化的清潔能源體系。我國已經(jīng)探明的煤炭儲量為724.116 Gt，其中褐煤約占總儲量的14%。褐煤是一種高揮發(fā)分、高水分、高灰分、低熱值、低灰熔點的煤炭資源，難以洗選和儲存，易自燃，單位能量的運輸成本較高，長距離輸送經(jīng)濟性差，不適合長期儲存和遠距離運輸，使得褐煤的開采和利用受到很大限制，長期以來被視作劣質(zhì)燃料。降低水分，提高能量密度，防止自燃是褐煤提質(zhì)加工的關(guān)鍵性問題，開發(fā)褐煤提質(zhì)技術(shù)是褐煤綜合利用的發(fā)展趨勢。

提質(zhì)過程主要是褐煤的脫水過程，脫水過程除脫去部分水分外，也伴隨著一些煤的組成和結(jié)構(gòu)的變化。提質(zhì)后的產(chǎn)品具有以下優(yōu)點:

(1)褐煤水分大量去除，空隙大量減少，機械強度明顯增加，便于遠距離運輸;

(2)提質(zhì)后的褐煤不易風(fēng)化，減少資源浪費，降低煤堆存自燃帶來的環(huán)境污染;

(3)提質(zhì)煤單位質(zhì)量的發(fā)熱量相對增加，其成分和性質(zhì)趨近于煙煤，更加穩(wěn)定。

發(fā)展褐煤提質(zhì)產(chǎn)業(yè)，可以有效緩解優(yōu)質(zhì)動力煤的供應(yīng)緊張局面，提高煤炭資源的綜合利用，更好地滿足國內(nèi)能源需求，為國民經(jīng)濟發(fā)展提供有力的安全保障。

1 褐煤提質(zhì)技術(shù)

近年來，褐煤資源豐富的澳大利亞、美國、德國、印尼等國家開始重視褐煤的提質(zhì)技術(shù)研究，部分提質(zhì)技術(shù)的研究成果得到工程應(yīng)用。我國褐煤提質(zhì)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化剛剛起步，褐煤提質(zhì)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)裝置和示范項目正在研究與開發(fā)中。

褐煤提質(zhì)技術(shù)流派比較多，總結(jié)起來可分為兩大類:干燥脫水技術(shù)和熱解技術(shù)，大部分技術(shù)處于試驗和研發(fā)階段。

1.1 干燥脫水技術(shù)

干燥脫水技術(shù)可分為直接換熱脫水和間接換熱脫水。直接換熱脫水往往遵循高溫瞬間干燥原則，短時間提供充足的干燥熱量，縮短干燥加熱時間，在褐煤揮發(fā)份達到其揮發(fā)溫度之前完成干燥脫水。高溫瞬間干燥方式因其供熱量大、干燥強度大等因素，單體項目生產(chǎn)規(guī)?？梢蕴岣?，但是安全因素是工藝技術(shù)的關(guān)鍵。間接換熱脫水往往遵循低溫干燥原則，干燥溫度選擇在低于褐煤揮發(fā)份析出溫度，一般進行低溫長時間加熱干燥，受低溫供熱量有限等條件限制，間接換熱脫水技術(shù)的單機生產(chǎn)能力一般偏小。

具有代表性的干燥脫水技術(shù):

(1)美國“K燃料工藝”;

(2)日本D－K非蒸發(fā)脫水工藝;(3)日本“UBC”技術(shù);

(4)德國澤瑪克管式干燥技術(shù);

(5)澳大利亞懷特能源的高溫?zé)煔鈿饬鞲稍?BCB)技術(shù);

(6)中國神華高溫?zé)煔鈿饬鞲稍餆o粘結(jié)劑擠壓(HPU)技術(shù)。

1.2 熱解技術(shù)

熱解技術(shù)是指褐煤在加熱過程中發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化，使煤中水分蒸發(fā)，氧含量減少，熱值提高。在熱解提質(zhì)過程中，同時獲得固體無煙燃料，液體焦油和煤氣。

具有代表性的熱解技術(shù):

(1)德國Lurqi GmbH公司開發(fā)的 Lurgi－Spuelgas低溫?zé)峤夤に?

(2)德國Lurqi GmbH公司和美國Ruhurgas AG公司聯(lián)合開發(fā)的固體熱載體低溫干餾工藝;

(3)美國瓷球熱載體低溫快速熱解技術(shù);

(4)中國煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工分院開發(fā)的多段回轉(zhuǎn)爐工藝;

(5)大連理工固體熱載體快速熱解技術(shù)。

除了上述褐煤提質(zhì)技術(shù)，成型技術(shù)也可以在一定程度上起到提質(zhì)的作用。提質(zhì)后的型煤可以做為工業(yè)原料和燃料使用，具有足夠的機械強度、較高的跌落強度、足夠的熱穩(wěn)定性、較強的耐潮、抗水性能。

2 典型工藝介紹

2.1 美國“K燃料工藝”

在上世紀(jì)80年代中期，美國長青能源公司開發(fā)了K燃料工藝(K－Fuel Process)技術(shù)，經(jīng)過二十年的完善已進入工業(yè)應(yīng)用階段。

K燃料工藝過程如下:煤經(jīng)過粉碎之后，通過傳送裝置送入壓力和溫度分別維持在3.7 MPa和238℃的高壓釜后，煤塊發(fā)生破裂，將硫化物從煤中分離出來，煤中的水分也隨之蒸發(fā)掉。經(jīng)過高溫高壓處理的煤粉和蒸發(fā)出來的水蒸汽可以直接送入鍋爐進行發(fā)電或供熱。

2.2 日本“UBC”技術(shù)

日本神戶制鋼所(Kobe Steel Group)于1993年開始研究UBC(Upgrading Brown Coal)褐煤提質(zhì)技術(shù)，其特點是用輕油去除褐煤中的水分。

“UBC”技術(shù)工藝過程如下:將褐煤研磨成粉狀后，與再生油(通常是石油裂解產(chǎn)生的輕油)和重油混合，形成煤漿，然后在蒸發(fā)器中加熱煤漿，水分被蒸發(fā)，再用細頸盛水瓶從脫水的煤漿中回收油，得到提質(zhì)粉煤，最后將提質(zhì)的煤壓制成型。

2.3 澤瑪克管式干燥技術(shù)

澤瑪克管式干燥機技術(shù)屬于以蒸汽為熱源的間接換熱干燥技術(shù)，兩端帶空心軸的回轉(zhuǎn)窯體內(nèi)有多根換熱管，窯體稍微傾斜，蒸汽沿窯體一端的空心軸進入窯體，并迅速向換熱管管外表面擴散。原煤連續(xù)不斷地從上方送入干燥機的換熱管內(nèi)，由于窯體是傾斜的，當(dāng)窯體旋轉(zhuǎn)時，煤連續(xù)地在換熱管內(nèi)從進料端流到出料端。與煤一起進入機體內(nèi)的空氣吸收了水分以后在除塵器內(nèi)與干煤粉分離。一部分重新壓縮進入干燥機，另一部分排入大氣。

2.4 懷特能源公司BCB技術(shù)

BCB(無粘合劑煤塊制作)技術(shù)工藝過程如下:褐煤由粗破碎機和細破碎機兩級破碎至0 mm～3 mm，由帶式給料機及斗提機送入原煤倉。原煤倉內(nèi)的煤由給煤機加入到干燥管中，在干燥管中，褐煤被煙氣爐產(chǎn)生的500℃ ～600℃熱煙氣干燥并提升，快速升溫至105℃ ～110℃的同時，煤中部分水分轉(zhuǎn)化為水蒸氣。然后不完全干燥的煤粉經(jīng)過旋風(fēng)分離器和除塵器分離，干燥后的大部分熱煙氣由風(fēng)機加壓循環(huán)使用，小部分通過袋式過濾器過濾后排放至大氣。旋風(fēng)分離器和袋式過濾器分離下來的干煤經(jīng)過中間儲倉及輸送設(shè)備送至對輥擠壓成型，型煤經(jīng)冷卻后由帶式輸送機送出。

該工藝技術(shù)為一種閃速循環(huán)干燥技術(shù)，結(jié)合干燥產(chǎn)品的物理及化學(xué)穩(wěn)定性，對高水分煤進行提質(zhì)。在該工藝中，干燥產(chǎn)品的過程無需粘結(jié)劑。褐煤經(jīng)過該工藝，可提質(zhì)脫去約75%的水分，發(fā)熱量可提高40%左右，該技術(shù)在印尼建有100×104t/a的工業(yè)化裝置。

2.5 中國神華HPU技術(shù)

中國神華100×104t/a褐煤提質(zhì)項目是國內(nèi)第一個真正的褐煤提質(zhì)項目，其項目本身具有十分重要的參考借鑒意義，工程于2008年開工建設(shè)，現(xiàn)已建成調(diào)試。

HPU技術(shù)由神華國際貿(mào)易有限責(zé)任公司委托中國礦業(yè)大學(xué)(北京)開發(fā)的褐煤提質(zhì)工藝即褐煤熱壓提質(zhì)技術(shù)(HOT PRESS UPGRADING，簡稱HPU)。

神華HPU技術(shù)是在參考澳大利亞懷特能源BCB技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)技術(shù)研究或設(shè)備制造等專業(yè)單位的相關(guān)技術(shù)，研究開發(fā)的一套新的褐煤提質(zhì)技術(shù)。其工藝過程如下:原煤先經(jīng)過一次粗破碎和篩分，篩下小于13 mm的煤送入爐前燃料倉，燃料煤從燃料倉經(jīng)稱重式給煤機送入煙氣爐爐膛內(nèi)進行流化燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，熱煙氣進入氣流干燥器作為干燥介質(zhì)。

篩上大于13 mm的原煤經(jīng)二次細破碎到小于3 mm的粉煤再經(jīng)皮帶送入原料倉，煤粉通過皮帶稱重計量后進入直管式氣流干燥器內(nèi)。在氣流干燥器中，粉煤中的水分被高溫?zé)釤煔庹舭l(fā)而帶走，氣流干燥器出口的干燥煤粉水分含量可降至≤8%，干燥后的煤粉隨煙氣依次進入摻混料倉、布袋除塵器，凈化后的尾氣通過引風(fēng)機經(jīng)煙囪排入大氣。收集下來的煤粉進入熱壓機高壓成型，成型后的型煤產(chǎn)品經(jīng)冷卻網(wǎng)帶冷卻后由皮帶送至成品倉，未成型的煤粉經(jīng)斗提機返回摻混料倉再去成型。

圖1為神華HPU技術(shù)工藝流程圖。

2.6 德國Lurqi GmbH公司與美國Ruhurgas AG公司聯(lián)合開發(fā)的固體熱載體低溫干餾工藝

初步預(yù)熱的小塊原料煤同來自分離器的熱半焦在干餾器內(nèi)混合，發(fā)生熱分解反應(yīng)。從干餾器出來的半焦進入提升管底部，由熱空氣提送，同時在提升管中燒除其中的殘?zhí)迹箿囟壬?，然后進入分離器內(nèi)進行氣固分離，半焦再返回干餾器，如此循環(huán)。從干餾器逸出的揮發(fā)物，經(jīng)除塵、冷凝、回收焦油后，得到熱值較高的煤氣。

2.7 Toscoal煤低溫?zé)峤饧夹g(shù)

Toscoal煤低溫?zé)峤饧夹g(shù)是美國油頁巖公司和Rocky Flats研究中心基于油頁巖干餾工藝開發(fā)的，于1970年至1976年間在25 t/d的中試廠先后對次煙煤、粘結(jié)性煙煤進行了試驗。

粉碎干煤在提升管內(nèi)用來自瓷球加熱器的熱煙道氣預(yù)熱，預(yù)熱煤在熱解轉(zhuǎn)爐中和熱瓷球接觸，受熱并發(fā)生分解。半焦在回轉(zhuǎn)篩中與瓷球分離，瓷球再進入提升管被提升、加熱循環(huán)使用。

2.8 大連理工大學(xué)固體熱載體干餾工藝

褐煤固體熱載體法快速熱解是一個以褐煤半焦作熱載體為基本特點的技術(shù)。核心部分是固體熱載體循環(huán)系統(tǒng)，其中包括:加熱氣流提升管(用于提升和再次燃燒加熱循環(huán)的顆粒固體熱載體)、熱載體貯槽(將熱的固體熱載體從燃燒煙氣中分離出來，并貯存待用)、混合器(將原料煤與熱載體迅速混合)和熱解反應(yīng)器(為混合后物料提供充分停留時間，使熱解反應(yīng)進行完全)。

原料褐煤由原煤貯槽經(jīng)螺旋給料機送入干燥提升管的底部，用熱煙氣進行干燥提升。熱煙氣來自干餾系統(tǒng)的熱煙氣下降管。干燥提升管的下部設(shè)有沸騰段，較大的煤粒在此得到充分干燥。經(jīng)過干燥，煤中的水分可由26%左右降低到5%以下，煤料溫度約120℃，由二級旋風(fēng)分離器分離(其中第二級采用環(huán)流式旋風(fēng)除塵器)收集，干煤入干煤貯槽。

3 褐煤提質(zhì)產(chǎn)品市場分析

由于褐煤提質(zhì)后，其單位質(zhì)量的熱值有較大幅度提高，運輸成本較褐煤降低約30%，產(chǎn)品覆蓋地域更加廣闊。在我國褐煤資源豐富的地區(qū)，可以實現(xiàn)資源就地加工，對褐煤進行干燥提質(zhì)，附加值大幅增加，提質(zhì)褐煤的優(yōu)勢得以體現(xiàn)。

以內(nèi)蒙某褐煤提質(zhì)項目為例，當(dāng)?shù)睾置喊l(fā)熱量約為3600 kCal/kg，售價220元/噸，如加工成提質(zhì)型煤，每噸原料煤可得提質(zhì)煤約0.73 t，出廠成本約為280元，自國鐵站至秦皇島裝船完畢，總費用預(yù)計約70元，則1 t褐煤提質(zhì)為0.73 t后運至秦皇島裝船完畢總成本約350元，型煤產(chǎn)品發(fā)熱量約為5000 kCal/kg，而目前相近品質(zhì)的煙煤裝船價約在650元/噸，每噸原煤與提質(zhì)后產(chǎn)品利潤相差650×0.73－350=124.5元。

隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，煤炭需求量增長迅速，作為不可再生的一次能源，煤炭市場價格將會穩(wěn)步上升，提質(zhì)褐煤將有廣闊的市場需求。

4 結(jié)束語

世界優(yōu)質(zhì)煤炭資源越來越少，開采費用日益增加，從煤炭價格和國家能源安全角度出發(fā)，對價格相對低廉、儲量較為豐富的褐煤資源進行綜合利用，具有較高的經(jīng)濟價值和社會價值。

褐煤加工利用在我國起步較晚，目前正處于試驗研究和工業(yè)化初始應(yīng)用階段，根據(jù)現(xiàn)有情況分析，存在一定風(fēng)險。從技術(shù)上來講，存在諸如安全、環(huán)保、節(jié)能、穩(wěn)定、投資成本高、運行成本高等不同的問題，其技術(shù)的成熟性、工藝設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性等多方面均具有不確定因素;從市場前景來講，提質(zhì)煤經(jīng)遠距離運輸后，與普通動力煤相比成本優(yōu)勢并不非常明顯，且目前所建的褐煤提質(zhì)項目尚沒有明確的目標(biāo)市場，在產(chǎn)品品質(zhì)上沒有能夠做到差異化來滿足市場的不同需求，產(chǎn)品市場接受程度有待檢驗;從國家政策上來講，鑒于褐煤提質(zhì)項目處于試驗階段，國家并未對該類項目提出成熟的規(guī)范和指導(dǎo)性政策。隨著項目的發(fā)展，國家將會加強引導(dǎo)和約束，淘汰較差的工藝和項目，對較成熟的工藝提出必要的政策規(guī)定，如環(huán)境保護、資源利用等方面的標(biāo)準(zhǔn)。