低階煤提質(zhì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

王慧，渾寶炬，夏新茹

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

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低階煤提質(zhì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

王慧，渾寶炬，夏新茹

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

低階煤；干燥脫水；熱解提質(zhì)；成型壓縮

針對低階煤干燥脫水、熱解提質(zhì)、成型壓縮3類技術(shù)，論述了低階煤蒸發(fā)脫水和非蒸發(fā)脫水、氣相熱解法和固相熱解法、有粘結(jié)劑成型法和無粘結(jié)劑成型法的工作原理及特點(diǎn)，并探討了我國低階煤提質(zhì)技術(shù)今后的發(fā)展趨勢。結(jié)果表明：我國低階煤提質(zhì)技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)橛酂嵫h(huán)利用技術(shù)、電-氣-熱多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、成型技術(shù)，有助于推動潔凈煤技術(shù)的發(fā)展，降低耗能。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對潔凈煤炭資源需求的日益劇增，國內(nèi)優(yōu)質(zhì)煤炭的開采已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場需求，所以深入研究低階煤干燥提質(zhì)技術(shù)能有效緩解我國煤炭資源緊張的局面。低階煤是低變質(zhì)程度的煤，其特點(diǎn)為：灰分、含硫量低，密度小，粘結(jié)性差，揮發(fā)分、含水量、活性強(qiáng)度高，但熱穩(wěn)定性很差，發(fā)熱量較低，容易風(fēng)化，易發(fā)生自燃，不宜長期貯存和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，因此需要對低階煤進(jìn)行提質(zhì)加工處理。

提質(zhì)技術(shù)是對儲量豐富的低階煤采用一些加工處理方法來脫去其外在水分，降低灰分，致使其發(fā)熱量增大，有的還可得到高利用價值的產(chǎn)物，能夠使資源供給不足等情況得到緩解，同時能夠保護(hù)環(huán)境、減少耗能[1-3]。

1 低階煤提質(zhì)技術(shù)的分類及原理

1.1 干燥脫水技術(shù)

1.1.1 蒸發(fā)干燥脫水技術(shù)

蒸發(fā)干燥脫水技術(shù)是利用直接或間接的方法加熱低階煤，使其外在水分以氣體形態(tài)擴(kuò)散出來。

(1)滾筒式干燥。該項(xiàng)技術(shù)是將經(jīng)過給料器的低階煤由大傾角導(dǎo)料板將其導(dǎo)入滾筒中，隨著筒體旋轉(zhuǎn)和自身的角度，低階煤由筒底被揚(yáng)料板提升到筒頂再落下，同時由燃燒爐進(jìn)入干燥機(jī)中的熱空氣與其直接觸碰進(jìn)行傳熱，圖1為滾筒式干燥的工藝流程圖。該項(xiàng)技術(shù)具有投資較低、操作容易、產(chǎn)能大的優(yōu)點(diǎn)，但易產(chǎn)生煤塵，且由于與熱空氣直接接觸，存在燃燒、爆炸的危險[4]。

(2)蒸汽流化床干燥。該項(xiàng)技術(shù)由澳大利亞莫奈什大學(xué)研發(fā)，在流化床干燥器中，來自汽輪機(jī)的部分廢熱蒸氣經(jīng)壓縮機(jī)輸送到干燥器和原煤預(yù)熱器中作為干燥介質(zhì)，而另一部分則是通過循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，以減少耗能，圖2為蒸汽流化床干燥流程圖。該項(xiàng)技術(shù)使用的干燥介質(zhì)中加入了惰性氣體，這有利于避免爆燃的產(chǎn)生，但壓降較高，易磨損[5]。

圖1 滾筒干燥的工藝流程圖

圖2 蒸汽流化床干燥的流程圖

1.1.2 非蒸發(fā)脫水提質(zhì)技術(shù)

夏天木訥地點(diǎn)了點(diǎn)頭，得到允許的葉曉曉立馬行動起來，她迅速到廚房搜羅，找到了一個番茄，兩只雞蛋，她撕了兩包方便面，將面在滾水中撈了撈，做了一道番茄雞蛋炒面。

非蒸發(fā)脫水提質(zhì)技術(shù)是將一定溫度、壓力下的蒸氣直接或間接加熱低階煤，使其水分以液體形態(tài)去除，得到的產(chǎn)品除了低水煤還有水煤漿。在進(jìn)行脫水時沒有消耗蒸發(fā)熱能，不易自燃。

(1)熱力脫水技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)由澳大利亞的墨爾本大學(xué)研發(fā)，其工藝流程為：先將原煤通過磨粉機(jī)進(jìn)行磨碎，再與水混合制成水煤漿后通過高壓泵進(jìn)入約300 ℃的反應(yīng)器中進(jìn)行加熱；反應(yīng)后的水煤漿經(jīng)過冷卻器、減壓器、離心泵等設(shè)備來除去過多的水分，從而產(chǎn)出干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為50%的水煤漿，產(chǎn)品熱值很高，圖3為熱力脫水技術(shù)流程圖。該項(xiàng)技術(shù)的缺點(diǎn)是：投資大；廢水處理繁雜，若處理不當(dāng)，會引起環(huán)境污染；通過該項(xiàng)技術(shù)得到的水煤漿濃度不高[6,7]。

圖3 熱力脫水技術(shù)的流程圖

(2)UBC(Upgrading Brown Coal)低階煤干燥。該項(xiàng)技術(shù)是由日本神戶制鋼所開發(fā)的，其工藝流程為：首先將低階煤利用磨碎機(jī)研磨為粉末，與再生油結(jié)合制備油煤漿后送至蒸發(fā)器中蒸發(fā)，隨后進(jìn)入脫水裝置中進(jìn)行脫水處理，脫水后的煤漿送到固液分離器中回收輕油，得到低水分的低階煤粉末，并將其擠壓成型煤，圖4為UBC干燥技術(shù)流程圖。通過該技術(shù)得到的型煤具有燃燒性能高、價格低的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 UBC干燥技術(shù)的流程圖

1.2 熱解提質(zhì)技術(shù)

干燥后的低階煤在隔絕空氣且溫度持續(xù)升高的環(huán)境中發(fā)生熱解反應(yīng)，在脫除大量水分的同時，還產(chǎn)出了半焦、焦油、焦炭、粗苯、煤氣等成分，這個過程就是低階煤熱解提質(zhì)技術(shù)。

1.2.1 氣相熱載體法

氣相熱載體法通常是將干燥介質(zhì)(如引入惰性氣體的高溫?zé)釤煔?輸送到熱解反應(yīng)室來對低階原煤進(jìn)行加熱的。比較有代表性的低階煤氣相熱載體熱解法如下：

(1)LFC(Liquid From Coal)熱解技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是由美國SGI和SMC共同研發(fā)的，其工藝流程為：把經(jīng)過破碎、篩分、干燥后的低階煤運(yùn)送到熱解爐發(fā)生熱解反應(yīng)，同時去除了剩下的水分，其中干燥部分是利用CDL(Coal Derived Liquids，屬于一種低硫工業(yè)燃料油)捕集器捕集到的熱煙氣來加熱干燥煤；煤停止熱解反應(yīng)后進(jìn)入精制反應(yīng)器與O2發(fā)生鈍化，可以避免煤的自燃，提高其熱穩(wěn)定性，圖5為LFC熱解技術(shù)的流程圖。通過該技術(shù)得到的產(chǎn)品有固體燃料PDF(Process Derived Fuel)和CDL，但后續(xù)操作設(shè)備易發(fā)生堵塞[8]。

圖5 LFC熱解技術(shù)的流程圖

(2)LCC(Low-rank Coal Conversion)熱解提質(zhì)技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是由中國五環(huán)工程集團(tuán)與大唐華銀電力集團(tuán)共同研發(fā)的，操作流程包括干燥、輕度熱解、精制熱解三部分。低階煤首先進(jìn)入干燥爐中被熱煙氣(由干燥熱風(fēng)爐產(chǎn)生)加熱，以便除掉外在水分；隨后干燥煤送到熱解爐中被熱氣流(由熱解熱風(fēng)爐產(chǎn)生)加熱后發(fā)生輕微熱解反應(yīng)，產(chǎn)生氣相產(chǎn)品；最后進(jìn)入精制塔中發(fā)生水合反應(yīng)與氧化反應(yīng)，產(chǎn)生固相PMC(Process Middle Coke)產(chǎn)品，圖6為LCC熱解技術(shù)的流程圖。該項(xiàng)技術(shù)的缺點(diǎn)是產(chǎn)品焦油、半焦的質(zhì)量比較差，還需外在提供熱量，因此成本太高[9]。

圖6 LCC熱解技術(shù)的流程圖

1.2.2 固相熱載體法

固相熱載體法使用的加熱介質(zhì)是熱解反應(yīng)后得到的半焦和熱灰。

(1)煤固相熱載體快速熱解技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是由大連理工大學(xué)研發(fā)的，其操作過程為：將磨碎后的低階煤用550 ℃左右的高溫?zé)煔鈱ζ漕A(yù)熱干燥且將其輸送到干燥槽中；干燥后的低階煤進(jìn)入混合器與800 ℃左右的粉焦混合，最后在反應(yīng)器中進(jìn)行熱解反應(yīng)，得到氣相產(chǎn)品；剩下的煤氣經(jīng)過旋風(fēng)除塵器、洗氣管、氣液分離器后得到焦油，再經(jīng)過間冷器后得到輕汽油；把反應(yīng)器中得到的一部分半焦冷卻得到有用產(chǎn)品，另一部分則在提升管的底部與熱煙氣中的O2作用發(fā)生燃燒，使半焦受熱并提至熱焦粉槽中用于循環(huán)熱載體，圖7為煤固相熱載體快速熱解技術(shù)的流程圖。該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)為裝置多、投資很大，且溫度容易影響混合時間[10]。

圖7 煤固相熱載體快速熱解技術(shù)的流程圖

(2)循環(huán)流化床多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)是由淮礦企業(yè)和浙大聯(lián)合研發(fā)的，其操作過程為：低階煤在氣化爐中和循環(huán)灰(旋風(fēng)分離器分離出的)結(jié)合，且溫度達(dá)到約600 ℃時開始熱解，得到的焦油、灰渣和粗煤氣經(jīng)過旋風(fēng)分離器、激冷塔、電捕焦油器后產(chǎn)生輕油和焦油，一部分煤氣流回氣化爐，剩余部分凈化后再循環(huán)使用；循環(huán)灰與半焦被送至鍋爐發(fā)生燃燒產(chǎn)生高溫氣體把物料輸送到分離器中，分離出來的煙氣通過過熱器、空氣預(yù)熱器等設(shè)備得到的蒸汽能夠用來發(fā)電，且提供熱量，圖8為循環(huán)流化床多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)流程圖。該項(xiàng)技術(shù)很好地綜合了熱解爐與循環(huán)流化床，實(shí)現(xiàn)了電-氣-熱-焦油的多聯(lián)生產(chǎn)[11]。

圖8 循環(huán)流化床多聯(lián)合生產(chǎn)的流程圖

1.3 壓縮成型技術(shù)

低階煤壓縮成型技術(shù)主要是通過剪切或高壓將粉煤的孔隙構(gòu)造破壞掉，再壓縮成型，成型后的煤有多種形狀與尺寸，防水性良好，該項(xiàng)技術(shù)可以很好地避免煤塵產(chǎn)量大、自燃等問題[12-14]。

1.3.1 有粘結(jié)劑成型法

有粘結(jié)劑成型法的對象主要是變質(zhì)程度較高的低階煤，粘結(jié)劑通常用腐植酸、黏土、瀝青、淀粉等物質(zhì)。

上述提到的UBC干燥技術(shù)使用的粘結(jié)劑是輕質(zhì)油，可以很好地把提質(zhì)后的煤壓縮成型，該項(xiàng)研究利用生物質(zhì)作為粘結(jié)劑把煤粉擠壓成型，生物質(zhì)的主要成分有甘蔗渣、玉米秸及鋸末等，粘結(jié)劑用量占總量的11%～26%；國內(nèi)李登新等人將工業(yè)廢棄物作為粘結(jié)劑應(yīng)用到低階煤壓縮成型技術(shù)中。

1.3.2 無粘結(jié)劑成型法

無粘結(jié)劑壓縮成型法：把提質(zhì)后的煤保持在指定溫度下，經(jīng)過一段時間后直接壓縮成型。

由澳大利亞亞太煤鋼集團(tuán)研究的"冷干"技術(shù)是采用剪切作用破壞提質(zhì)煤的孔隙構(gòu)造，然后壓縮成型，形狀為棒狀，其含水量由原來的59%降到9%～15%，發(fā)熱量接近煙煤；中國礦業(yè)大學(xué)和神華集團(tuán)共同研發(fā)的HPU(Hot Press Upgrading)干燥技術(shù)是把提質(zhì)后的煤輸送到成型機(jī)內(nèi)壓縮成型。

2 低階煤提質(zhì)技術(shù)的發(fā)展趨勢

余熱循環(huán)利用。完善工藝流程，確保干燥、熱解時設(shè)備的熱量穩(wěn)定，循環(huán)利用余熱資源，為有效加工低階煤提供一個新途徑。

電-氣-熱多聯(lián)生產(chǎn)。我國需要多使用循環(huán)流化床多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，不僅可以把低階煤分級，還可以電-氣-熱多聯(lián)生產(chǎn)。

壓縮成型。提高干燥、熱解煤的成型工藝，可以很好的避免煤塵產(chǎn)量大、自燃等問題，加強(qiáng)產(chǎn)品熱穩(wěn)定性。因此在引進(jìn)國外成型工藝的同時，研究出適用于我國低階煤的壓縮成型工藝，找到高效節(jié)約的粘結(jié)劑。

3 結(jié)論

隨著我國不斷開采優(yōu)質(zhì)煤炭，其資源持續(xù)減少，從而使對儲量豐富的低階煤資源的利用問題凸顯起來，并使低階煤提質(zhì)技術(shù)也得到了我國的高度重視。但我國低階煤提質(zhì)技術(shù)起步晚，在開展研究該項(xiàng)技術(shù)時需引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上，不斷加強(qiáng)我國低階煤提質(zhì)技術(shù)的自主創(chuàng)新。逐步向余熱循環(huán)利用技術(shù)、電-氣-熱多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、成型技術(shù)方面發(fā)展，有助于我國潔凈煤炭資源的利用，降低耗能，并為低階煤提質(zhì)技術(shù)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

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Development Status and Trends of Upgrading Technology of Low-rank Coal

WANG Hui, YUN Bao-ju, XIA Xin-ru

(College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063000,China)

low-rank coal; dehydration; upgrading by pyrolysis; compression molding

Aiming at the three technologies such as dehydration, upgrading by pyrolysis and compression molding, the work principles and characteristics of low-rank coal evaporation dehydration and non-evaporating dehydration, gas phase pyrolysis and solid phase pyrolysis, adhesive molding and non-adhesive molding were summarized, and the development trends of upgrading technology of low-lank coal were discussed. Results show that: the development direction of China's upgrading technology of low-rank coal is waste-heat recycling technology, electricity-gas-heat polygeneration technology and molding technology, and conduce to promote the development of clean coal technology and reduce energy consumption.

2095-2716(2016)01-0082-06

2015-07-16

2015-11-25

河北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(ZD20131063)。

TQ536.9

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