煤炭分级调湿技术研究探析

2015-07-10刘周恩崔艳红

当代化工 2015年10期

刘周恩崔艳红

摘要：在煤炭焦化、热解和气化等高值化利用过程中，需对原料煤进行分级破碎调湿等预处理以达到使用要求。因此，对煤炭分级破湿处理技术进行了研究探析，分析了这些技术的特点和发展趋势。研究表明，煤炭分级调湿一体化类技术是煤炭分级调湿预处理技术未来的发展趋势，尤其是流化-气流复合床一体化技术，应着重研发这类技术，为满足煤炭高值化利用提供满足要求的原料。

关键词：煤预处理技术；分级；调湿；研发进展与趋势；一体化

中图分类号：TQ 530 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）10-2413-05

Study on Coal Graded Crushing and Moisture Control Technology

LIU Zhou-en1，CUI Yan-hong2

（1. Institute of Energy Conservation & Low Carbon Technology， Beijing Shenwu Environment & Energy Technology Co.， Ltd.， Beijing 102200， China；

2. Beijing Sharp Optical Instrument Co.， Ltd.， Beijing 100015， China）

Abstract： Before coking， pyrolysis or gasification of coal ， feed coal need be retreated， such as coal graded crushing， moisture control and so on. In this paper， the coal graded crushing and moisture control technology was analyzed and studied， and characteristics and development tread of the technology were discussed. The results show that， the coal graded crushing and moisture control technology is the development trend of coal pretreatment technology， especially the technology of fluidization- entrained flow bed， which should be emphatically developed.

Key words： Coal pretreatment technologies； Classification； Moisture control； Development trend； integration

1 引言

在煤炭焦化、热解和气化等高值化利用过程中，对原料煤粒径和湿度均有一定要求。比如，炼焦装炉原料煤的粒径和湿度分别为<3 mm和6%～9%（wt） [1]；又比如，循环流化床粉煤气化装炉原料煤的粒径和湿度分别为<8 mm和<9% [2]。但原料煤粒径分布较宽，一般在0～20 mm，最大可达50 mm；湿度也较高，一般在12%）左右或更高。因此，在装炉前必须对原料煤进行破碎和调湿等预处理。

在原料煤破碎调湿过程中，原料煤的粒径分布非常广，相当一部分粒径较小的细煤组分不需破碎就满足生产要求，若全部组分一起破碎，不仅增大破碎量及其消耗的机械能，且会将不需破碎的细煤组分再次破碎而生成大量粒径过细的煤灰，在破碎及后续生产过程中产生“飞灰”现象，不仅恶化操作环境，且影响煤炭高值化产品的品质[3]。由此可见，破碎应集中于粗原料煤组分上。

同时，研究表明，煤炭的湿度一般随其粒径增大而变小，即粒径越大湿度越小[4]，相当部分粒径较大的粗煤组分不用调湿即能满足生产要求，若将这部分粗煤与其他组分一起调湿，将会使其调湿过度，也会造成“飞灰”等现象，影响操作和使用效果。由此可见，调湿应集中于细煤组分上。

综上，在煤炭破碎调湿之前，应将原料煤分级成不同组分，根据组分的粒径和湿度的不同分别破碎和调湿，这将改善煤炭处理效果，提高处产品煤的品质，对煤炭高值化利用具有非常重要的意义。因此，本文着重研究了煤炭分级破碎调湿技术。其中，破碎一般作为独立单元单独进行，与分级和调湿过程关联不大，且破碎技术简单。基于此，本文只讲述煤的分级调湿技术。

2 煤炭分级调湿技术

煤炭的分级调湿技术按实现方式可分为三类：煤炭分级类技术、煤炭调湿类技术和煤炭分级调湿一体化类技术。

2.1 煤炭分级类技术

这类技术可分为煤炭筛分分级技术和煤炭气力分级（又称风选）技术。

2.1.1 煤炭筛分技术

煤炭筛分分级技术主要用筛分机通过机械振动方式将原料分级，其所用设备主要有固定筛、滚轴筛、滚筒筛、摇动筛、共振筛、概率筛、等厚筛和振动筛等，其中振动筛设备相对于其它设备而言效果最好，是目前应用最广泛的筛分设备[5，6]。该类技术工艺简单，所需设备少且简单，占地面积少，投资成本低，生产效率较高，单台设备产能大。但分级不彻底，粗煤组分中夹杂大量细煤颗粒，尤其是原料煤湿度较大时，效果更差。该技术一般适用分级6 mm以上物料，很难分级6 mm以下煤炭[7]。

2.1.2 煤炭气力分级技术

煤炭气力分级技术主要通过气力夹带对原料煤风选分级，如哈尔滨煤炭工业公司用FX12型振动流化床风选机对原料煤分级，如图1所示[8]。

图1 FX12型风选机工作原理示意图

Fig.1 Operational principle of FX12 winnowing separator

该设备最大可将15 mm以下组分分离出去。相对筛分分级技术而言，该技术工艺较复杂，所需设备较多，占地面积大，投资也较大。但该技术的分级效果很好，分级较彻底，细煤和粗煤组分之间掺杂现象较小；分级可调节性较强，分级切割粒径可达0.12 mm，比较适合粒径较小的煤炭分级；在分级时煤颗粒处在成流化态，粒径不一的各组分分布较均匀，改善了原料煤品质[9]；且在分级时若用热风介质或专门加热的话，可同时实现煤调湿。

这两种分级技术在工业中均广泛应用，只是则重点不同。相对而言，筛分分级主要用于分级要求不高的场合，尤其是分级粒径较大的煤炭，其技术和经济优势比较明显；而气力分级主要用于分级要求较高的场合，尤其是小粒径煤的分级。

分级后再破碎粒径大于要求的粗煤组分，大幅提高了煤炭破碎效果，降低能耗和飞灰量。但分级时难以同时调湿，分级后还需用专门设备对煤调湿以达到湿度要求。

2.2 煤调湿技术

煤调湿技术首先由日本于20世纪80年代开发利用，于20世纪90年代传入中国并得到广泛的应用和发展。这类技术根据其发展历程可以分为三代[10]：热介质油回转炉煤调湿技术（第一代）、蒸汽回转炉煤调湿技术（第二代）和流化床煤调湿技术（第三代）。

2.2.1 热介质油回转炉煤调湿技术（第一代）[11， 12]

热介质油回转炉煤调湿技术的工艺流程如图2所示，热介质油先由热蒸汽等热源加热升温，再通入回转炉内与煤换热并对其调湿而达到湿度要求，换热后热介质油从回转炉内排出后再次被热源加热而循环利用。

图2 蒸汽介质油回转炉煤调湿技术工艺流程图

Fig.2 Schematic of coal moisture control technology with heat-transfer oil in rotary oven

该技术处理量大，调湿效果较好，但由于采用间接换热，传热效率较低，流程复杂，装置庞大，操作环节多，投资高，且所有原煤组分一起调湿，易使低湿度组分调湿过度，而高湿度组分调湿不足。

2.2.2 蒸汽回转炉煤调湿技术（第二代）[12，13]

该技术由第一代煤调湿技术改进而来，可直接以蒸汽为热源对煤调湿，其工艺流程如图3所示。该技术与第一代相似，不同之处在与蒸汽热源不是先与热介质油换热，再通过热介质油对原料煤加热调湿的，而是蒸汽直接通入回转炉内加热原料煤进行调湿，调湿效果更好，产能大幅提高，是现在利用最为广泛的煤调湿技术。但其与第一代技术相似，装置庞大，投资高，占地多且技术操作复杂，且无法直接利用荒煤气、热烟气等气体显热。

图3 蒸汽回转炉煤调湿技术工艺流程图

Fig.3 Schematic of coal moisture control technology with steam in rotary oven

2.2.3 流化床煤调湿技术（第三代）[10，15]

本技术是日本石兰焦化室开发的，采用流化床调湿装置，利用热烟气做流化介质与物料煤直接接触换热调湿，其工艺流程如图4所示。

图4 流化床煤调湿技术工艺流程图

Fig.4 Schematic of coal moisture control technology with flue gas in fluidized bed

燃烧生成的250～300 ℃热烟气鼓入调湿装置，在布气板作用下，在调湿装置内均匀分布；同时用加料器将原料煤加入调湿装置内并与热烟气混合接触进行热调湿。调湿后粗煤组分经卸料口排出，细煤组分随气流经流化床上部排出，用除尘器捕集后回收。调湿后煤湿度可由10%（wt）调整到5%左右，粗煤分率从40%～50%提高到70%～80%。用该技术煤调湿时，煤与热烟气直接接触，热效率高，反应时间短，生产效率高，工艺流程短，操作简单，投资少，并可简单分级。尤其值得一提的是，该技术以热气体为介质，可直接利用焦炉荒煤气、焦炉烟气、或电厂内低压过热蒸汽来对煤调湿。不过，在调湿过程中物料直接接触，干燥迅速，所有组分一起调湿，极易造成局部调湿过度，物料以流态化态存在，尾气内灰分含量较大，易污染环境。

整体而言，以上三代技术均能有效对煤调湿，然而均是全部物料一起加入装置而不能分级调湿，很难避免调湿不均。不过，从这类技术发展趋势来看，流化床煤调湿技术是未来发展的热点。

2.3 煤炭分级调湿一体化技术

基于以上煤分级和调湿技术的特点，尤其是结合气力分级和流化床调湿技术的特点和共性，人们开发出煤分级与调湿一体化技术。利用这类技术，煤分级和调湿可在同一个设备内耦合进行，即在气力作用下，原煤被分级成不同组分；同时，在气流热作用下，不同煤组分根据组分粒径和湿度的不同在设备内不同位置调湿，实现了在同一设备内分级和调湿一体化，这大幅提高了生产效率，降低了设备投资和生产成本，尤其是可根据粒径不同进行分级和调湿，分级调湿后各组分再根据粒径不同分别破碎，实现了分级调湿破碎，提高了调湿和破碎的效果。这类技术主要有振动流化床分级调湿一体化技术、移动-流化复合床分级调湿一体化技术、内热复合流化床分级调湿一体化技术和流化-气流复合床分级调湿一体化技术等。

2.3.1 移动-流化复合床分级调湿一体化技术[16，17]

该技术的工艺流程如图5所示。热烟气（230 ℃）从底部进入分级调湿室内，原料煤通过顶部加入。原料煤与热烟气在筛板上充分接触换热进行调湿；同时调节溢流堰高度，使比重和粒径不同的煤颗粒经不同下料口排出而实现分级。排出的废气由布袋除尘器将细粉分离后排空。煤湿度在30 s 左右可由10%降到5%左右，分级后得到粗煤和细煤样中大粒径粗煤分率均为40%，使粉碎量减少了一半，降低了粉碎能耗。通过该技术，可有效地直接利用热烟气同时对煤炭分级与调湿，热效率高，调湿效果较好，生产能力大。但是，该装置移动床流程过长，反应时间长，容易调湿过度，设备结构复杂，操作繁琐，占地面积大，投资大，粗煤组分和细煤组分还存在相互掺杂现象，分级不彻底，这也体现了流化床分级不够精确和彻底的缺点。

图5 气固流化床-移动床分级调湿耦合技术工艺流程图

Fig.5 Schematic of coal moisture control integrated with classification in fluidized-moving bed

2.3.2 振动-流化复合床分级调湿一体化技术

该技术由中冶焦耐集团开发，利用热烟气在输送床和振动流化床集成的反应器内对焦煤分级调湿，工艺流程如图6所示[18]。

图6 振动流化床煤分级调湿技术工艺流程图

Fig.6 Schematic of coal moisture control integrated with classification in vibrating fluidized bed

煤炭经播洒装置连续地抛洒到分级调湿装置床面上，在振动力和高速气流作用下，所有煤料都处于剧烈运动中，大粒径煤料（如>3 mm）在振动布风板上跳动，快速移向出料口排出；中粒径煤料（如接近3 mm）从布风板中心区随气流快速上升，沿两侧壁下滑回落或从低速处回落，如此循环数次，即可到达出料端，从由一组倾斜隔板隔出的不同高度的出料口溢出；小粒径煤料（如≤3 mm）被夹带出，由细粒分离器、旋风除尘器和布袋除尘器收集。在分级时，在热气流作用下，大颗粒在布风板上运动时被调湿，中粒径煤在振动流化床内剧烈流化状态下被调湿，小粒径煤在被气流夹带走时被调湿，从而实现了分级调湿一体化。该技术分级效率高，物料与加热介质直接接触，热效率高；同时，物料处在高速气流或者振动状态，无堆积或者气流短路现象，调湿快，只需几秒钟，不同组分处在不同状态，可根据粒径和湿度的不同进行调湿，调湿效果好。对于处于相同状态的物料而言，在高速气流夹带或振动状态下而混合均匀，调湿效果均匀，且工艺较简单，操作简便。但是，该装置界面大，占地面积大，振动流化床内气速较高，振动和气流输送耗能高，振动流化床内构件结构复杂，制造成本高。

2.3.3 内热复合流化床分级调湿一体化技术[19， 20]

该技术由中国科学院工程热物理研究所开发，其工艺流程如图7所示[19]。

图7 内热复合流化床煤分级调湿技术工艺流程图

Fig.7 Schematic of coal moisture control integrated with classification in internal-heated fluidized bed

将170 ℃过热蒸汽作为加热介质蒸汽通如内置换热器内[20]，并通过布风管向流化床内均匀地鼓入空气作为流化介质，通过间接换热，空气被加热成热流化风；同时从顶部向分级调湿装置内加入原料煤，其中粒径较小的组分在风力作用下没有进入截面较小的下段时就夹带走，这一段基本为气力夹带段，剩余组分进截面较小的下段后在风力作用下以流化状态存在，在装置内形成流化段，其中一些粒径过大的组分由于难以流化而沉入底部，随着物料排出而逐步下移，形成移动段，物料实现了分级，在分级时，在内置加热器和热气流作用下，物料分别在气力夹带段、流花段和移动段脱水调湿，从而实现分级与调湿一体化。

通过本技术的处理，物料湿度可从10%～12 %（wt）左右降到5%～6%，湿度约可降低5个百分点，基本可达到调湿目的，且该技术工艺较为简单，所需设备较少，投资较少，操作简便，操作成本较低。但是，由于气力夹带段截面积比流化段大，而为了保证物料能在流花段内流化和过大煤颗粒不流化，同时也为了防止内置换热器风力磨蚀，装置内风速不能过高，这使气力夹带段风速更低，在低风速下，夹带出的组分粒径一般很小，一般在0.2 mm以下，基本起到除灰的作用，很难得到可用的小粒径组分煤；由于流化分级特性，在流化段只能对物料粗分，且分级不彻底，因此整个分级效果较差。由于装置内风速较小，风速调节范围不大，分级可调节性较小。物料从装置上部加入，当装置截面较大时，很物料易分布不均，尤其是物料湿度较大时，更易团块，加料难度较大，且团块内小粒径组分很难在气力夹带段被分离出而直接随团块进入到流花段，这也恶化了分级效果。另外，由于是间接换热，热效率和利用率均偏低，加之内置构件改变了物料流动状态，流化效果较差，易局部积料和热量分布不均匀，这会使局部温度过高，甚至会飞升，极易造成物料中细煤组分自燃，严重时会造成失火事故。经多年开发，该技术已实现了500 kg/h工业中试，但由于自身局限，该技术距开发成型并实现工业化应用还需一定时日。

2.3.4 流化-气流复合床分级调湿一体化技术

本技术是由中国科学院过程工程研究所开发，其工艺流程如图8所示。

热烟气从进气口进入到装置内，在布风管作用下，均匀地依次进入流化床和气流床内，最后从顶部排出；同时向装置内加入原料煤，原料煤在气力作用下被进入气流床内，然后随热烟气排出，经分离器分离后获得细煤组分；没有被夹带的组分落入流化床内不断流化，然后溢流口排出，而过大的颗粒组分不能被流化而落入流化床底部（布风管下面）并从底部下料管排出，煤被分级成不同组分；在分级时，不同组分分别在装置内与热气流换热调湿，从而实现分级调湿一体化。

图8 流化-气流床煤分级调湿技术工艺流程图

Fig.8 Schematic of coal moisture control integrated with classification in fluidized-pneumatic bed

经该技术处理，煤湿度可从10%～12%（wt）调整到5%～6%甚至更低，达到了调湿要求[22]。同时，由于加料口位于气流床底部，气速对进料影响不大，内构件较少，不用考虑其风蚀，因此气流床气速可根据分级需要而调整，分级调节性非常强。由于气流床内气速可调性很强，在满足流化床内气速的同时，可以在气流床底部安装二级进气口，从而根据分级和调湿的综合效果，调整气流床和流化床内气量配比，使分级效果和调湿效果达到最优化，装置和工艺操作的调节性很强。由于装置内的气量可以根据需要随意调节，在相同煤和气体配比的情况下，可大幅增加原料煤处理量，通过开发本技术进行的2 t/h的中试试验效果来看，根据气流床截面积来算，其单位面积的正常处理量为7.2 t/（m2·h），最高可达15 t/（m2·h）左右，是其它技术装置处理量的2～3倍[22]，在相同处理量的情况下，大幅减少了装置的占地面积，降低了投资成本。不过该技术与其它采用气力分级调湿的技术一样，其加料要求较高，尤其是原料湿度不能太高，否则容易团块，不利于进料和分级，可能会造成“泻料”现象，严重时会出现堵料塞现象。

相对于其它煤分级调湿一体化技术，本技术基于较强大的分级调湿调节性和单设备大产能等特点，其优势比较明显，是未来具有良好发展前景的煤分级调湿一体化技术。

整体而言，煤分级调湿一体化技术是结合煤分级技术和煤调湿技术的特点和共性近年来才开发出来，虽然技术还不太成熟。但是这类技术相对于单独的煤分级技术和煤调湿技术，已展现出强大的技术和经济优势，是未来煤预处理技术发展的趋势和热点，尤其是流化-气流复合床煤调湿一体化技术。

3 结语

本文着重地分析研究了高值化用煤的分级和调湿预处理技术，随着煤炭高值化利用对煤质的要求越来越高，煤炭分级和调湿预处理技术迅速发展，开发出许多相关技术，且经多年研发，这两类技术逐步向一体化方向发展，这是煤炭分级和调湿预处理技术发展的趋势和方向，虽然这些技术都还不太成熟，但其技术和经济优势逐步显现出来。因此，建议研发这类技术，尤其是流化-气流复合床分级调湿一体化技术，以满足未来煤高值化利用的需求。

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