褐煤干燥提质技术浅谈

曾在春中国五环工程有限公司 武汉 430223

褐煤干燥提质技术浅谈

曾在春＊中国五环工程有限公司 武汉 430223

介绍褐煤的基本性质和几种褐煤的干燥提质技术,如管式干燥技术、蒸汽流化床干燥技术 (DWT法)、热脱水工艺和LFC褐煤干燥等,简单分析各工艺,展望褐煤干燥提质的前景。

褐煤干燥 提质技术 煤化工

据预测,全世界硬煤 (包括烟煤和无烟煤)地质储量约为 6×1012t(6万亿吨),占煤炭总储量的 60%以上;褐煤地质储量约有 4×1012t(4万亿吨),约占煤炭储量 40%[1]。中国是煤炭主导性化石能源资源相对丰富的国家,2006年煤炭资源保有量 1.03×1012t(10345亿吨)。中国褐煤资源丰富,己探明的保有储量达 1.3×1011t(1303亿吨),占全国煤炭储量的 13%,其中内蒙古的褐煤储量最大,占全国褐煤储量的 77%[2]。目前褐煤主要用于直接燃烧发电。富含水褐煤的干燥提质是在一定温度下经脱水后转化成具有类似烟煤性质的提质煤。提质后的褐煤将更有利于综合利用、运输和贮存。通过干燥处理降低煤的水分,一方面可以提高热值和能量密度,降低运输成本,另一方面还可以提高下游装置的利用效率,降低设备规模[3]。因此,近年来褐煤的有效综合利用成为一个热门研究和极具开发前景的领域。

1 褐煤的基本性质

褐煤是煤化程度最低的煤种,其特点是高挥发份含量约 50%、水含量高达 30%以上、热值低约为 14MJ/kg、低灰熔点、孔隙度大、挥发份高、含有不同数量的腐植酸[4]。氧含量高达 15%～30%,化学反应性强,热稳定性差,块煤加热时破碎严重,存放在空气中很容易风化变质,碎裂成小块甚至粉末状,使热值进一步降低,煤灰中常含有较多的钙盐,主要来自腐植酸钙、碳酸钙和硅酸钙[5]。

因其热值低、易自燃、不宜长途运输,长期被视作一种劣质煤,其开发利用程度不高,目前仅用作坑口电厂燃烧和坑口气化原料。水份是褐煤的显著特征之一,也是影响其使用的重要参数之一。在各类煤中褐煤的水份是最高的,全水份Mt一般可达 10%～40%,其中第三纪年轻褐煤可达 30%～40%,侏罗纪褐煤的 Mt一般不超过30%。

研究表明有 3种形式的水份以特定的状态同煤相结合[6]:①在较大的毛细管中有游离水或微弱结合的水,经过等温抽气即可除去;②在微孔中有紧紧吸住的水,它在适度增高的压力和温度下可以除去;③水还能化学吸附在煤上,这种水只有在较高的蒸汽压力下才能脱出。

根据水份的结合状态可分为游离水和结晶水两大类,前者又可分为外在和内在水份两种。

2 褐煤干燥提质技术

2.1 管式干燥技术

德国和俄罗斯干燥低变质程度年青烟煤普遍采用以低压饱和蒸汽为干燥介质的管式干燥机技术。这种干燥机外观与滚筒干燥机相似,其内部设置了大量干燥管,故称之为管式干燥机[7]。这种干燥机采用间接干燥原理,煤在管内流动,蒸汽通过管壁传热,具有安全可靠、结构合理、传热效率高、干燥效果较好等特点,特别适用于燃点低的易燃易爆的年青煤种。

褐煤的蒸汽管式干燥机技术有两种:一种是管内通蒸汽加热,壳内走煤的管式干燥机;另一种是管内走煤,壳体通蒸汽加热的管式干燥机。管式干燥是一种以压力为 0.15～0.55MPa的饱和蒸汽为加热介质的间接加热干燥技术,管式干燥机示意见图 1。

图1 管式干燥机示意图

常压下用低压蒸汽通过管式干燥器将煤加热到约 100℃,使水份蒸发,并利用和煤一起进入干燥器的空气作为脱水介质,通过除尘器将煤粉分离,部分空气经压缩进入干燥器循环,部分排大气。该技术由于通过加热蒸发褐煤中的水份,因此,能耗较高,尾气排放量较大。此法为目前工业应用最为成熟的褐煤干燥方法之一[8]。

管式干燥机由包括壳体、蒸汽管、蒸汽分配器及锤击器的筒体、可根据物料特点选择进出料螺旋或溜槽式进料、进出料端密封、蒸汽分配系统、包括电机、减速机、齿轮、托轮及滚圈的传动系统、控制装置及润滑系统组成。管式干燥技术在 20世纪 70～80年代被东德用于褐煤干燥,干燥后的褐煤用于生产型煤。著名的蒸汽管干燥机制造商—日本 TSK为澳大利亚和印度尼西亚的褐煤干燥提供的干燥机就是蒸汽走管内的蒸汽管回转干燥机,以蒸汽管回转干燥机为核心的煤调湿技术是当前钢铁焦化行业普遍采用的节能降耗技术。蒸汽管回转干燥机的普及和发展证明了其优越性,下面比较两者的特点。

(1)煤的燃点为 185℃,干燥过程中空气与褐煤接触很容易引起燃烧爆炸,在干燥机不隔绝空气的条件下,不能杜绝褐煤的燃烧爆炸。解决褐煤燃烧爆炸的最好办法是将褐煤与空气隔离,传统的管式干燥机由于自身结构的特点,无法实现密闭无氧操作。蒸汽管回转干燥机组采用轴承定位的密封技术,可实现无氧运行。目前国内第一套HDPE蒸汽管回转干燥机组干燥的挥发份为溶剂级汽油的己烷,其危险性大于褐煤,实际运行证明密闭型蒸汽管回转干燥机组是安全可靠的。

(2)褐煤如在换热管上粘结,将影响换热和干燥效果,蒸汽管回转干燥机组可通过“锤击防粘结”技术和 “热处理”技术等方法来处理;管式干燥机无法采用 “锤击防粘结”和 “热处理”技术。

(3)蒸汽管回转干燥机可以干燥的最大颗粒可达 30mm;管式干燥机干燥的最大颗粒不能大于8mm,管式干燥机对破碎机的要求较高。

(4)密闭型蒸汽管回转干燥工艺是在褐煤干燥方面的集成创新,符合当前国家科技创新的发展方向。

2.2 蒸汽流化床干燥技术 (DW T法)

蒸汽流化床干燥器示意见图 2。

图2 蒸汽流化床干燥器示意图

在流化床干燥器内,蒸汽不仅是干燥介质,而且还是流化介质。因此,干燥蒸发的蒸汽不含空气和其他杂物,可通过多种方法进一步利用。例如,蒸发的水份经过再循环作为流化介质进入流化床,利用凝结时所放出的汽化潜热,将其压缩成为过热蒸汽。过热蒸汽将高水份褐煤流从干燥机的底部吹向沸腾床上部,产生流化现象。流化床的蒸汽吸收褐煤中蒸发出的水份,原煤从干燥机的上部输入,经过旋流分离器,部分蒸汽再被导回干燥机。干燥机所需能量由蒸汽轮机提供。

2.3 热脱水工艺

该工艺与前述方法不同之处在于水的移除状态为热法脱水过程。热源为过热蒸汽,工艺过程温度约为 235℃,为维持水份不被汽化,系统压力必须维持在同温度下水的饱和蒸汽压之上,一般约为 3MPa。该工艺过程将水在液态下移除,同时工艺过程废热蒸汽可分级使用,热能能够得到回收利用,能耗较低。另外,由于过程原料煤细粉较少,经脱除水份后的褐煤不易在空气中自燃,因此,可利用空气进一步自然干燥。此法的缺点为水份不能得到最大限度的脱除,系统干煤含水量约为 23%[10]。

2.4 LFC褐煤干燥提质技术

LFC是一种煤炭轻度热解工艺技术。20世纪80年代初美国 SGI首先提出褐煤提质技术概念,1989年 12月美国能源部选择该技术并资助成立ENCOAL公司。M.W.Kellogg公司作为 EPC承包商建设了该公司的 1000t/d的示范工程,1992年至1997年共运行了五年。在示范工厂运行五年的基础之上,该工艺被修改完善,日本三菱重工(MH I)完成了工艺装置单系列 5000t/d规模的基础设计,准备商业推广。

LFC褐煤干燥提质工艺流程见图 3。

图3 LFC工艺流程框图

褐煤经破碎和筛分后送入干燥炉,被来自干燥燃烧炉的热气流加热脱除水份。必须严格控制热气体在干燥炉内的停留时间和温度,以满足能够脱除煤炭中水份且不会发生热解反应,还需严格控制原煤温度,确保不会释放大量的甲烷、一氧化碳和二氧化碳。离开干燥炉的气体经旋风除尘后分为两部分,一部分与干燥燃烧炉进口气体混合作为补充燃料,另外一部分送烟气脱硫装置,经脱硫后排大气。

离开干燥炉的固体送热解炉,用来自热解燃烧炉的热循环气流加热热解。在热解过程中,几乎所有剩余的水份均被脱除,并发生了轻度气化反应,煤中挥发性气体被释放出来。在离开热解炉后,固体在激冷盘中被工艺水迅速冷却以终止气化反应,在激冷过程中会产生水煤气,经水洗冷却至一定温度后与一次燃料气混合,作为干燥燃烧炉和热解燃烧炉的燃料。

激冷盘中的固体送 PDF(稳定的低硫高热值燃料,其特性与烟煤类似)精制单元,该单元包括预冷及加湿反应器、PDF精制反应器和最终冷却器。在预冷却及加湿反应器中,PDF被冷却至环境温度,并加入一定量工艺水以使 PDF发生再水合反应,再水合后的 PDF中的水份含量与大气中的水份含量相平衡。然后送 PDF精制反应器与与空气充分接触,氧化、冷却到常温最后送贮仓。

从热解炉出来的热气体经旋风除尘后进入激冷塔冷却,激冷塔的温度控制在使 CDL(类似于柴油的煤衍生液体)冷凝下来,并保证水不被冷凝。激冷塔顶出来的气体进电除尘器,气体中未冷凝的 CDL被捕集下来,并回流至激冷塔,而从电除尘器出来的气体作为一次燃料气送干燥燃烧炉和热解燃烧炉,补充系统所需的热量。冷凝下来的 CDL被乙二醇换热器冷却到 71℃,约 99%(wt)CDL回流至激冷塔,其余约 1%的 CDL送离心分离机分离后得到 CDL产品。

3 褐煤干燥的意义

我国贫油、少气、煤炭资源丰富。从目前来看,我们能源消费总量已经位居世界第二,约占世界能源消费总量的 11%。与此同时,我国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的 10.3%、欧盟的 16.8%。而由于褐煤是一种高挥发份含量、高水份、低热值、低灰熔点、容易自燃的煤种,长期被视为一种劣质煤资源。目前仅用作坑口电厂燃料和坑口气化原料,限制了褐煤资源的合理利用和开发。随着经济建设的快速发展,国内煤炭资源已出现紧张,煤炭、电力、冶金、化工等许多行业都考虑选择褐煤作为原料。

国家已确立了“以煤为主”的能源发展战略,发展褐煤的干燥提质加工的综合利用产业,可以有效缓解优质动力煤的供应紧张局面,用低品位煤炭替代优质动力煤的资源渠道,延伸了褐煤工业的产业链,提高褐煤资源的综合利用效率和环境效益,更好地满足国内的能源需求,为国民经济发展提供有力的安全保障。

4 前景与展望

由于前些年国内对传统煤化工的盲目发展,使产能过剩,导致煤炭资源的严重浪费,近几年国家停止审批新建或单纯扩大产能的焦炭、电石、甲醇等传统煤化工项目。褐煤干燥是一种对褐煤的洁净利用的产业,能大幅度减少了褐煤直接燃烧对环境的污染,与此同时,提高了褐煤的综合利用效率,是一种低碳的环境友好型产业。因此,未来褐煤产业必将得到空前的研究与发展。

1 万永周等.褐煤脱水预干燥技术进展 [J].煤炭工程,2008 (8).

2 赵永飞等.中国褐煤加工利用浅谈 [J].洁净煤技术,2009(6).

3 尹立群.我国褐煤资源利用及其利用前景 [J].煤炭科学技术,2004(8).

4 王天威.褐煤改质的基础研究 [J].应用能源技术,2007(9).

5 田忠坤等.一休化加速旋风提质干燥设备在褐煤电厂中应用的研究 [J].洁净煤技术,2007(5).

6 Tibor G.Rozgonyi,赵振本.用饱和蒸汽加工提质高水分褐煤 [J].煤炭转化,1987(2).

7 汪寿建.褐煤干燥成型工艺技术综述 [J].化肥设计,2009(5).

8 云增杰.高水分燃料褐煤脱水技术 [J].露天采矿技术,2008(4).

9 熊友辉.高水分褐煤燃烧发电的集成干燥技术 [J].锅炉技术,2006,37(增刊).

10 高俊荣等.褐煤干燥脱水技术研究进展 [J].洁净煤技术,2008(6).

2010-08-10)

＊曾在春:助理工程师。2009年毕业于广西大学化工过程机械专业获硕士学位。主要从事管道布置工作。联系电话: (027)81926301,13429882495,E-mail:zengzaichun@cwcec.com。