褐煤提质技术的现状浅析

贾梦阳 JIA Meng-yang；邰世康 TAI Shi-kang

（中国矿业大学（北京），北京100083）

0 引言

中国富煤贫油少气，是世界上少数以煤炭为主要能源的国家。煤炭产量从上世纪80年代超过10亿吨后，一直稳居世界第一。

随着我国经济的日益发展以及对能源需求的不断增长，国内优质煤的供应日渐紧张，发展褐煤提质的技术以及应用可以缓解我国紧张用煤需求。

1 褐煤的特点

褐煤是矿化程度最低的矿产煤，煤质特点是水分大、孔隙率达、挥发分高、不黏结、热值低，含有不同数量的腐殖酸，含氧量在15%-30%左右，热稳定性差，易风化不适合储存以及长距离运输，直接燃烧不仅热值低，而且污染环境，浪费巨大。提质后的褐煤，相比提质前，水分可以下降70%左右，发热量可提升6MJ/kg左右，表面性质也会发生一定的改变，不仅有利于贮存和运输，而且有利于燃烧，发电，化工方面的使用，所以，提质成为了褐煤较为环保并高效的利用方式。

2 褐煤提质的技术现状

褐煤提质指的是在一定的温度压力条件下，脱除褐煤的水分，含氧官能团以及多余的灰分，提高褐煤品质的过程。提质的方法主要有物理法和化学法，物理法的是将褐煤加热或与高温物质，如热烟气、过热蒸汽等，进行换热，脱除其中的水分和部分挥发分，提质过程中煤体不发生化学变化。化学法是在较高的温度下，在隔绝空气（或在非氧化气氛）条件下，褐煤发生热解反应，在脱除水分和大部分挥发分的同时，生成煤气、焦油、粗苯和焦炭或半焦的过程。此过程中，褐煤煤体发生了焦化和热分解等化学变化。

2.1 物理法

物理法指的是干燥脱水提质，干燥法又分为两类：蒸发脱水提质，非蒸发脱水提质。

2.1.1 蒸发脱水提质

褐煤蒸发脱水技术是指在较低温度下，通过使用过热蒸汽、烟道气或热油为干燥介质进行脱水的一种褐煤脱水干燥方法，下面介绍几种蒸发脱水提质的方法。

2.1.1.1 回转管式干燥工艺

该工艺适用于褐煤的轻度干燥，在常压下褐煤在管式干燥器内在低压蒸汽的作用下被加热到100℃左右，此时水分被蒸发出来，脱水后的空气通过除尘器和煤粉分离开，一部分空气进入回转窑作为脱水介质继续循环，剩余的排入大气。

此方法用于褐煤的快速、轻度干燥，但是干燥后不易长期储存、运输，干燥后的褐煤复吸现象严重，另外此法尾气排放量大，排空的粉尘较多，不环保且能耗大。

2.1.1.2 泽玛克（ZEMAG）褐煤干燥成型提质技术

ZEMAG技术工艺流程分为预制、干燥、破碎和成型。褐煤经初步破碎处理后，进入管式干燥机，干燥后的褐煤经过进一步破碎以达到成型工艺要求的粒度，最后压缩成型。

该工艺采用低压饱和蒸汽作为干燥介质，运行成本低，三废排放少，具有较为成熟的运行经验。

2.1.1.3 褐煤脱水热压提质（HPU）

HPU技术是神华集团与中国矿业大学（北京）共同研究的课题，具体的工艺流程是：

褐煤经过备煤系统破碎之后在6.4MPa和150-350℃的循环流化床高温烟气炉中被加热，通过粉煤直管式气流干燥装置，然后通过高压对辊成型机挤压成型。

此过程可脱去煤中80%左右的水分，同时发热量可提高约20%，经过热压作用，煤颗粒的孔隙减少，比表面积降低，而且煤分子的侧链含氧官能团如羧基，羟基，甲氧基等减少，一定程度上抑制了复吸作用。另外产出型煤的成型率较高，跌落试验效果好，对其长距离运输和电厂燃用有一定的意义。

2.1.1.4 UBC褐煤提质技术

UBC褐煤提质技术的脱水介质为再生油（通常是石油的轻油）和重油，脱水介质和经破碎处理过的褐煤混合成煤浆，然后再蒸发器中加热，褐煤孔隙中的水分被蒸发，同时重油进入到褐煤的孔隙中，一定程度上阻止了褐煤的复吸现象并降低了自燃反应，在通过细颈盛水瓶回收煤浆中的油，之后用干燥机加热脱除吸附在煤中的油，最后将提质后的煤品压缩成型。

UBC提质技术应用在印尼的Satui矿，经过工业测试，体制后的褐煤发热量可升高一倍以上，普遍提高到26.96MJ/kg以上，水分大幅减少，不过，提质同时会造成一定量的油品浪费。

2.1.1.5 BCB提质技术

BCB提质技术是由澳大利亚White能源公司研发的，具体的工艺流程为褐煤经过充分破碎后（小于3mm）在干燥筒仓中被300-400℃的烟气快速升温至105-110℃，通过“闪蒸式烘干”脱除煤中的水分，再经旋风分离器捕集后压缩成型，由于型煤在生产过程中会升温，为避免自燃现象，常通过喷水对型煤进行冷却处理。

技术不改变煤的化学性质以及焦化特性，加工成本低，但是由于冷却过程又进行喷水冷却，所以脱水的效果不明显。

2.1.1.6 Coldry“冷干”提质工艺

澳大利亚亚太煤钢公司提出的冷干提质工艺，具体过程是：褐煤在设备中经“剪切”作用打破煤的碳结构，实现煤的脱水过程，因为整个分离过程在20℃-30℃下进行，所以称为“冷干”。破碎之后的煤，经过成型作用，形成煤条，之后自然断裂成为棒状的型煤，经过传输过程的吹风冷却，以及自然硬化作用之后，经过将近两天的蒸汽干燥就可获得最终的型煤产品。

此工艺提质之后可将含水量约60%的褐煤制成水分为8%～14%的型煤，其发热量也能达到烟煤的水平，这种先通过机械排水，然后烘干，能耗较低，排水效较好。但是目前澳大利亚亚太煤钢公司只有一条5t/h的试验线，处理量过小，而且处理时间过长。

2.1.1.7 热压脱水工艺（MTE）

由德国多特蒙德大学研发的MTE热压脱水工艺与“冷干”工艺类似，不过该法综合了热脱水以及机械脱水的方法，在220℃的条件下进行机械脱水，压缩成型后的型煤采用连续闪蒸的工艺，能够较好地脱水。

2.1.2 非蒸发脱水提质

非蒸发脱水技术是近年来发展起来的新型褐煤干燥技术，该技术是在一定温度和压力，以及隔绝空气的条件下，将褐煤与高温高压的水蒸气和溶剂直接接触，褐煤内的水分呈液态脱出，不需蒸发潜热，热效率高，同时减少了温室气体的排放。

2.1.2.1 K-Fuel提质技术

K-Fuel提质技术是由美国KFx公司在上世纪80年代开发的技术，具体的提质过程是：

褐煤经过破碎筛分至6-80mm后，进入间歇式压力容器，在压力和温度分别为大约3.7MPa和238℃条件下反应一段时间，这段过程，褐煤的内水蒸发，一些含氧官能团被分解，煤粒的表面性质发生改变，亲水性降低，复吸现象得到控制，排出的物料通过固液分离得到提质的褐煤。目前，K-Fuel提质技术已经工业应用。

该技术可将褐煤中的水分降低一半以上，热值也有大幅提升，缺点是处理过程为间歇处理，处理量小，能耗相对较大，由于处理的煤的粒级为6-80mm，对细粒煤需要专门回收。

2.1.2.2 D-K脱水工艺

日本电源开发公司和川崎重工公司开发了D-K非蒸发脱水工艺，实现褐煤水分在非蒸发条件下加热，使水分以液体状态从褐煤中脱出，其煤质变化类似天然的煤化作用。整套装置有4台压力釜，可实现半连续运转，压力釜之间排出的蒸汽和热水可进行回收。

D-K脱水提质工艺过程类似于天然的煤化作用，褐煤经过破碎处理后在4台压力釜中实现半连续运转。

2.2 化学法

2.2.1 褐煤热解提质技术

热解提质按照热解温度可分为低温（500-600℃）热解和中温（600-800℃）热解；根据供热介质不同，热解提质技术又可分为气相热载体热解技术、固相热载体热解技术，以及其他特殊的热解技术。

2.2.1.1 L-S低温热解法

德国Lurqi-GmbH公司开发的Lurgi-Spueigas（L-S）低温热解工艺法采用的是内热式气体载体工艺，具体的流程是：

褐煤经破碎到25-60mm之后，自上而下通入到热解炉中，在炉中和燃烧气逆流直接接触受热，此过程可脱去大部分的水，脱水之后，物料进入到热解炉的干馏段发生热解，物料被高温热气加热至500℃，生成的半焦经过冷却后作为固体产物，干馏段的挥发物经冷凝冷却之后得到焦油以及热解水。

热解法脱水效果好，生成焦油，半焦多种产品，利于煤炭的综合利用，但是该方法采用气相载体热解技术，增加了冷却系统的负荷，另外挥发物和热解烟气分离困难。

2.2.1.2 Toscoal低温热解工艺

Toscoal低温热解工艺是美国油页岩公司和Rocky Flats基于油页岩干流工艺改进的，具体流程是：

褐煤经过粉碎（小于12.7mm）后用瓷球加热器的热烟道气加热，之后进入热解转炉与热瓷球碰撞接触发生热解，常用的干馏温度为430-540℃，产生半焦和挥发物，半焦通过筛子与瓷球分离，挥发物分离净化后部分作为燃料返回热解炉。

该方法的干馏温度以及产品分布较易控制，但是设备复杂，维修量大。

2.2.2 ENCOAL提质技术

美国褐煤提质技ENCOAL提质技术，具体的工艺流程是：

褐煤被破碎到3-50mm，然后送入旋转炉干燥器在一定条件下（温度和处理时间）进行干燥脱水，干燥之后进入回转窑热解器进行热解，用热循环器将窑内温度升高到550℃左右，通过快速冷凝热解，得到过程衍生产物半焦和焦油，热解生成的气体在燃烧室内燃烧，为热解过程提供热量。

该技术在1992年由美国壳牌采矿公司建厂并试运营成功，处理量可达1000t/d。工艺脱水体制效果好，处理量大，但是对于气体产物不能进行很好的回收。

2.2.3 流化床快速热解工艺

澳大利亚联邦科学与工业研究院（CSIRO）研究开发了流化床快速热解工艺，具体的工艺流程是：

褐煤经过破碎制粉后和无氧气体（通常为氮气）喷入流化床热反应炉，与反应器底部进入的液化石油气燃烧产生的烟气接触反应，煤粉在热解炉中快速热解（停留时间小于0.5s），离开反应器的气体通过温度约350℃的高效旋风分离器使大量半焦分离出来，气体则经过冷却器进入约80℃的电捕焦油器，产物经分离、冷却后得到半焦、焦油、热解气等。

2.2.4 多段回转炉（MRF）热解工艺

中国研究煤炭热解技术中，比较典型的技术有煤炭科学研究总院北京煤化工分院开发的多段回转炉（MRF）热解工艺，具体的工艺流程为：

将粒度为6-30mm的褐煤在回转干燥器中干燥后进入外热式回转热解炉中进行低温热解，所得产品在冷却炉中用水冷却熄焦后得到提质半焦产品，由热解炉排出的热解气体经过冷却分离回收进一步处理利用。

2.2.5 褐煤固体热载体干馏多联产（DG）工艺

大连理工大学开发的DG工艺是将褐煤通过与热载体（通常为半焦）快速混合加热使其热解而得到轻质油品、煤气和半焦的技术。

DG法主要优点是焦油产率高，干馏煤气热值高，生产不需纯氧，产生的废水量小。目前，建立年处理85万t褐煤固体热载体快速热解技术工业化生产示范工程的技术条件已经成熟。

3 煤提质技术的展望

近些年，又出现了很多的新兴提质技术，以褐煤的微波提质技术为例，微波脱提质技术的原理是微波的加热具有选择性，会优先被介电损耗系数高的物质吸收，而水的节点损耗系数相对高于其他物质，因此水分子对微波有较强的吸收作用，所以可以用微波深入穿透煤炭，利用微波的加热作用进行脱水。

该方法可以减小煤颗粒的孔隙，微波处理后，亲水官能团含量降低，可以一定程度上降低褐煤的复吸以及自燃现象，同时比干燥提质技术能耗低并且不消耗任何脱水介质。

另外，许多褐煤提质技术还处于实验研究阶段，不能够工业化应用，工业生产不能有效地模拟实验室环境导致达不到实验室研究效果，提质过程无法进行细致的计算机模拟对比，这是制约褐煤提质技术应用的难题之一，随着能源的战略意义日益凸显，褐煤提质的工业化应用将会是近几年的发展方向。

4 总结

随着优质煤种数量的减少，相对丰富的褐煤就越来越受到人们的重视，但是由于褐煤高水、高灰、低发热量、易自燃等原因，使其不易直接洗选加工并长途运输利用，所以褐煤提质技术就越来越重要，我国的褐煤提质技术取得了一定的成就，我们可以借鉴国外的先进提质技术，结合我国褐煤的具体性质，进行改进和创新，进而推进我国褐煤提质技术的发展，同时更加高效的利用褐煤资源，推进能源的高效利用。

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