褐煤提质技术浅析

孙健秋，王为明，刘 悦

（ 吉林省电力勘测设计院，长春 130000）

目前，我国一次能源的供应仍将以煤为主，到2050年的长期能源战略，应是发展以煤为主多元化的清洁能源体系。我国已经探明的煤炭储量为724.116 Gt，其中褐煤约占总储量的14%。褐煤是一种高挥发分、高水分、高灰分、低热值、低灰熔点的煤炭资源，难以洗选和储存，易自燃，单位能量的运输成本较高，长距离输送经济性差，不适合长期储存和远距离运输，使得褐煤的开采和利用受到很大限制，长期以来被视作劣质燃料。降低水分，提高能量密度，防止自燃是褐煤提质加工的关键性问题，开发褐煤提质技术是褐煤综合利用的发展趋势。

提质过程主要是褐煤的脱水过程，脱水过程除脱去部分水分外，也伴随着一些煤的组成和结构的变化。提质后的产品具有以下优点:

(1)褐煤水分大量去除，空隙大量减少，机械强度明显增加，便于远距离运输;

(2)提质后的褐煤不易风化，减少资源浪费，降低煤堆存自燃带来的环境污染;

(3)提质煤单位质量的发热量相对增加，其成分和性质趋近于烟煤，更加稳定。

发展褐煤提质产业，可以有效缓解优质动力煤的供应紧张局面，提高煤炭资源的综合利用，更好地满足国内能源需求，为国民经济发展提供有力的安全保障。

1 褐煤提质技术

近年来，褐煤资源丰富的澳大利亚、美国、德国、印尼等国家开始重视褐煤的提质技术研究，部分提质技术的研究成果得到工程应用。我国褐煤提质技术产业化刚刚起步，褐煤提质大规模工业化生产装置和示范项目正在研究与开发中。

褐煤提质技术流派比较多，总结起来可分为两大类:干燥脱水技术和热解技术，大部分技术处于试验和研发阶段。

1.1 干燥脱水技术

干燥脱水技术可分为直接换热脱水和间接换热脱水。直接换热脱水往往遵循高温瞬间干燥原则，短时间提供充足的干燥热量，缩短干燥加热时间，在褐煤挥发份达到其挥发温度之前完成干燥脱水。高温瞬间干燥方式因其供热量大、干燥强度大等因素，单体项目生产规模可以提高，但是安全因素是工艺技术的关键。间接换热脱水往往遵循低温干燥原则，干燥温度选择在低于褐煤挥发份析出温度，一般进行低温长时间加热干燥，受低温供热量有限等条件限制，间接换热脱水技术的单机生产能力一般偏小。

具有代表性的干燥脱水技术:

(1)美国“K燃料工艺”;

(2)日本D－K非蒸发脱水工艺;(3)日本“UBC”技术;

(4)德国泽玛克管式干燥技术;

(5)澳大利亚怀特能源的高温烟气气流干燥(BCB)技术;

(6)中国神华高温烟气气流干燥无粘结剂挤压(HPU)技术。

1.2 热解技术

热解技术是指褐煤在加热过程中发生一系列的物理和化学变化，使煤中水分蒸发，氧含量减少，热值提高。在热解提质过程中，同时获得固体无烟燃料，液体焦油和煤气。

具有代表性的热解技术:

(1)德国Lurqi GmbH公司开发的 Lurgi－Spuelgas低温热解工艺;

(2)德国Lurqi GmbH公司和美国Ruhurgas AG公司联合开发的固体热载体低温干馏工艺;

(3)美国瓷球热载体低温快速热解技术;

(4)中国煤炭科学研究总院北京煤化工分院开发的多段回转炉工艺;

(5)大连理工固体热载体快速热解技术。

除了上述褐煤提质技术，成型技术也可以在一定程度上起到提质的作用。提质后的型煤可以做为工业原料和燃料使用，具有足够的机械强度、较高的跌落强度、足够的热稳定性、较强的耐潮、抗水性能。

2 典型工艺介绍

2.1 美国“K燃料工艺”

在上世纪80年代中期，美国长青能源公司开发了K燃料工艺(K－Fuel Process)技术，经过二十年的完善已进入工业应用阶段。

K燃料工艺过程如下:煤经过粉碎之后，通过传送装置送入压力和温度分别维持在3.7 MPa和238℃的高压釜后，煤块发生破裂，将硫化物从煤中分离出来，煤中的水分也随之蒸发掉。经过高温高压处理的煤粉和蒸发出来的水蒸汽可以直接送入锅炉进行发电或供热。

2.2 日本“UBC”技术

日本神户制钢所(Kobe Steel Group)于1993年开始研究UBC(Upgrading Brown Coal)褐煤提质技术，其特点是用轻油去除褐煤中的水分。

“UBC”技术工艺过程如下:将褐煤研磨成粉状后，与再生油(通常是石油裂解产生的轻油)和重油混合，形成煤浆，然后在蒸发器中加热煤浆，水分被蒸发，再用细颈盛水瓶从脱水的煤浆中回收油，得到提质粉煤，最后将提质的煤压制成型。

2.3 泽玛克管式干燥技术

泽玛克管式干燥机技术属于以蒸汽为热源的间接换热干燥技术，两端带空心轴的回转窑体内有多根换热管，窑体稍微倾斜，蒸汽沿窑体一端的空心轴进入窑体，并迅速向换热管管外表面扩散。原煤连续不断地从上方送入干燥机的换热管内，由于窑体是倾斜的，当窑体旋转时，煤连续地在换热管内从进料端流到出料端。与煤一起进入机体内的空气吸收了水分以后在除尘器内与干煤粉分离。一部分重新压缩进入干燥机，另一部分排入大气。

2.4 怀特能源公司BCB技术

BCB(无粘合剂煤块制作)技术工艺过程如下:褐煤由粗破碎机和细破碎机两级破碎至0 mm～3 mm，由带式给料机及斗提机送入原煤仓。原煤仓内的煤由给煤机加入到干燥管中，在干燥管中，褐煤被烟气炉产生的500℃ ～600℃热烟气干燥并提升，快速升温至105℃ ～110℃的同时，煤中部分水分转化为水蒸气。然后不完全干燥的煤粉经过旋风分离器和除尘器分离，干燥后的大部分热烟气由风机加压循环使用，小部分通过袋式过滤器过滤后排放至大气。旋风分离器和袋式过滤器分离下来的干煤经过中间储仓及输送设备送至对辊挤压成型，型煤经冷却后由带式输送机送出。

该工艺技术为一种闪速循环干燥技术，结合干燥产品的物理及化学稳定性，对高水分煤进行提质。在该工艺中，干燥产品的过程无需粘结剂。褐煤经过该工艺，可提质脱去约75%的水分，发热量可提高40%左右，该技术在印尼建有100×104t/a的工业化装置。

2.5 中国神华HPU技术

中国神华100×104t/a褐煤提质项目是国内第一个真正的褐煤提质项目，其项目本身具有十分重要的参考借鉴意义，工程于2008年开工建设，现已建成调试。

HPU技术由神华国际贸易有限责任公司委托中国矿业大学(北京)开发的褐煤提质工艺即褐煤热压提质技术(HOT PRESS UPGRADING，简称HPU)。

神华HPU技术是在参考澳大利亚怀特能源BCB技术的基础上，结合国内技术研究或设备制造等专业单位的相关技术，研究开发的一套新的褐煤提质技术。其工艺过程如下:原煤先经过一次粗破碎和筛分，筛下小于13 mm的煤送入炉前燃料仓，燃料煤从燃料仓经称重式给煤机送入烟气炉炉膛内进行流化燃烧产生高温烟气，热烟气进入气流干燥器作为干燥介质。

筛上大于13 mm的原煤经二次细破碎到小于3 mm的粉煤再经皮带送入原料仓，煤粉通过皮带称重计量后进入直管式气流干燥器内。在气流干燥器中，粉煤中的水分被高温热烟气蒸发而带走，气流干燥器出口的干燥煤粉水分含量可降至≤8%，干燥后的煤粉随烟气依次进入掺混料仓、布袋除尘器，净化后的尾气通过引风机经烟囱排入大气。收集下来的煤粉进入热压机高压成型，成型后的型煤产品经冷却网带冷却后由皮带送至成品仓，未成型的煤粉经斗提机返回掺混料仓再去成型。

图1为神华HPU技术工艺流程图。

2.6 德国Lurqi GmbH公司与美国Ruhurgas AG公司联合开发的固体热载体低温干馏工艺

初步预热的小块原料煤同来自分离器的热半焦在干馏器内混合，发生热分解反应。从干馏器出来的半焦进入提升管底部，由热空气提送，同时在提升管中烧除其中的残碳，使温度升高，然后进入分离器内进行气固分离，半焦再返回干馏器，如此循环。从干馏器逸出的挥发物，经除尘、冷凝、回收焦油后，得到热值较高的煤气。

2.7 Toscoal煤低温热解技术

Toscoal煤低温热解技术是美国油页岩公司和Rocky Flats研究中心基于油页岩干馏工艺开发的，于1970年至1976年间在25 t/d的中试厂先后对次烟煤、粘结性烟煤进行了试验。

粉碎干煤在提升管内用来自瓷球加热器的热烟道气预热，预热煤在热解转炉中和热瓷球接触，受热并发生分解。半焦在回转筛中与瓷球分离，瓷球再进入提升管被提升、加热循环使用。

2.8 大连理工大学固体热载体干馏工艺

褐煤固体热载体法快速热解是一个以褐煤半焦作热载体为基本特点的技术。核心部分是固体热载体循环系统，其中包括:加热气流提升管(用于提升和再次燃烧加热循环的颗粒固体热载体)、热载体贮槽(将热的固体热载体从燃烧烟气中分离出来，并贮存待用)、混合器(将原料煤与热载体迅速混合)和热解反应器(为混合后物料提供充分停留时间，使热解反应进行完全)。

原料褐煤由原煤贮槽经螺旋给料机送入干燥提升管的底部，用热烟气进行干燥提升。热烟气来自干馏系统的热烟气下降管。干燥提升管的下部设有沸腾段，较大的煤粒在此得到充分干燥。经过干燥，煤中的水分可由26%左右降低到5%以下，煤料温度约120℃，由二级旋风分离器分离(其中第二级采用环流式旋风除尘器)收集，干煤入干煤贮槽。

3 褐煤提质产品市场分析

由于褐煤提质后，其单位质量的热值有较大幅度提高，运输成本较褐煤降低约30%，产品覆盖地域更加广阔。在我国褐煤资源丰富的地区，可以实现资源就地加工，对褐煤进行干燥提质，附加值大幅增加，提质褐煤的优势得以体现。

以内蒙某褐煤提质项目为例，当地褐煤发热量约为3600 kCal/kg，售价220元/吨，如加工成提质型煤，每吨原料煤可得提质煤约0.73 t，出厂成本约为280元，自国铁站至秦皇岛装船完毕，总费用预计约70元，则1 t褐煤提质为0.73 t后运至秦皇岛装船完毕总成本约350元，型煤产品发热量约为5000 kCal/kg，而目前相近品质的烟煤装船价约在650元/吨，每吨原煤与提质后产品利润相差650×0.73－350=124.5元。

随着我国国民经济的高速发展，煤炭需求量增长迅速，作为不可再生的一次能源，煤炭市场价格将会稳步上升，提质褐煤将有广阔的市场需求。

4 结束语

世界优质煤炭资源越来越少，开采费用日益增加，从煤炭价格和国家能源安全角度出发，对价格相对低廉、储量较为丰富的褐煤资源进行综合利用，具有较高的经济价值和社会价值。

褐煤加工利用在我国起步较晚，目前正处于试验研究和工业化初始应用阶段，根据现有情况分析，存在一定风险。从技术上来讲，存在诸如安全、环保、节能、稳定、投资成本高、运行成本高等不同的问题，其技术的成熟性、工艺设备的稳定性、可靠性等多方面均具有不确定因素;从市场前景来讲，提质煤经远距离运输后，与普通动力煤相比成本优势并不非常明显，且目前所建的褐煤提质项目尚没有明确的目标市场，在产品品质上没有能够做到差异化来满足市场的不同需求，产品市场接受程度有待检验;从国家政策上来讲，鉴于褐煤提质项目处于试验阶段，国家并未对该类项目提出成熟的规范和指导性政策。随着项目的发展，国家将会加强引导和约束，淘汰较差的工艺和项目，对较成熟的工艺提出必要的政策规定，如环境保护、资源利用等方面的标准。