高水分褐煤气化技术研究进展

高豪杰，樊永胜，熊 新，郑竹安，金丽珠，朱跃钊

（1. 盐城工学院 汽车工程学院，江苏 盐城 224051；2. 南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 211816）

近年来，我国的能源需求急剧增长，能源短缺与大气污染问题日益凸显。我国能源消费结构中煤炭占70%，传统的煤炭利用方式使得雾霾问题日益严重，空气质量严重恶化。因此，研究煤炭资源多元化、清洁和高效转化利用的相关理论并推进其产业化进程，实施以低能耗、低污染和低排放为特征的煤炭利用模式［1］，是实现我国环境、资源和能源可持续发展的必由之路。

褐煤是一种尚未被大规模开发利用的低阶煤［2］，它的能量密度相对较低，单位能量运输成本较高，易自燃，难以储存。如果在开采地附近加以合理利用转化，既可以补充高品质能源的缺口，降低污染物排放，又可以带动区域经济发展［3］。目前，褐煤利用技术的研究领域主要为干燥脱水、直接燃烧及通过高温热化学反应转化为气体或液体燃料等［4］。与烟煤和无烟煤等高品质煤炭相比，褐煤的挥发分含量高，反应速度快，非常适合气化生产工业燃气、户用煤气和化工合成气。气化技术可降低粉尘颗粒物的排放，缓解日益严峻的雾霾问题［5］。

传统的褐煤热解气化工艺对进入气化炉的原料的含水率有较高的要求，一般要求将原料含水率降至20%（w）以下，造成前期干燥处理费用较高，且干燥过程中产生的水蒸气得不到利用，而物料的水蒸气气化过程又需要水蒸气输入，干燥和水蒸气的重新制备属于能源重复消耗，导致了能量的巨大浪费。各种新的气化技术［6-7］尚处在理论研究阶段，虽然能省去预干燥成本，但是产生的燃气热值太低，产气成分无法控制，能量浪费严重，气化后剩余的半焦无法回收，使得总转化率下降。开发高效的高湿物料清洁利用技术，减少处理成本，提高利用效率显得非常关键。因此，开发高效的高水分褐煤直接热化学转化技术，充分利用脱水过程中产生的水蒸气，是提高气化过程的总转化率和热效率，以及实现褐煤等低品质、高含水率煤种的清洁高效利用的重要措施之一。

本文从褐煤高效清洁转化利用的角度，阐述了高水分褐煤的气化技术研究进展，分析了现有气化工艺的优缺点和主要影响因素，并对褐煤气化技术的发展趋势进行了展望。

1 我国褐煤资源及其特性

我国褐煤资源相对较丰富，已探明的保有储量约1.3×1011t，占全国煤炭储量的13%左右［8］。在已探明的褐煤资源中，以内蒙古东部和云南地区为主要分布区域。内蒙古地区的储量占全国褐煤资源总量的75%，主要集中在内蒙古东部地区；西南地区的云南等省份的储量约占20%；华东、东北和中南地区仅占5%左右［9-10］。我国的褐煤煤层厚，埋藏浅，生产成本较低，便于大规模开采。此外，对褐煤进行开发和利用，也有益于当地的经济发展。

我国褐煤的总体煤质特性为高水分含量、高挥发分含量、高灰分含量、低热值和低灰熔点，主要特性参数为：1）高水分含量。大部分褐煤的全水分含量为20%～50%（w），昭通地区的晚第三纪褐煤全水分含量大于50%（w）。2）高灰分含量。我国大部分褐煤的灰分含量（干基）为10%～25%（w），而澳大利亚、印度尼西亚等国家的褐煤灰分含量一般低于5%（w）。3）热值低。褐煤的收到基低位热值一般为12～15 MJ/kg。

2 高水分褐煤的利用方式

目前，我国褐煤的利用方式包括直接燃烧、液化、干燥后热解、作为炼焦原料以及干燥后制取蜡和腐植酸制品等。褐煤具有化学反应活性较好及无黏结性特点，这有利于褐煤就地加工转化为气体或液体燃料进行输送，提高外运的经济性［11］。褐煤热解气化是高效利用、洁净利用的先导，也是褐煤气联合循环发电技术、燃料电池等许多能源高新技术的重要环节和关键技术。

2.1 直接燃烧

目前，褐煤最主要的利用方式是直接燃烧，产生的热量用于供热或者发电，是煤炭资源的主要利用途径［12］。由于褐煤的含水量过高，因此不适宜长距离输运，只有较少量经提质或压制成型后外运，用于工业锅炉燃料或居民日常生活［13-14］。通常先对高湿褐煤进行干燥，使褐煤中水分析出的理论最低能耗为2 341 kJ/kg，干燥处理费用较高，产生的烟气中含有大量低压水蒸气且难以再利用。

2.2 褐煤液化

煤炭液化技术是指通过热化学转化的方法将块状煤转化为液体燃料或其他化工产品的转化技术。褐煤直接液化的主要产物为燃料汽油、柴油以及芳烃等化工原料，同时还副产富H2燃料气和液化石油气等［15］。随着石油天然气等传统油气资源的日益枯竭，能源问题日益凸显。通过褐煤的高效液化生产液体燃料的技术是高效和清洁利用褐煤，解决褐煤燃烧污染，替代石油燃料的可靠技术［16］。褐煤的碳含量低，氢含量相对较高，挥发分含量高，有机质可以最大限度地转化为液体产品；但由于褐煤液化技术相对复杂，能耗高，与天然气、石油等相比还不具备经济性方面的优势，许多工艺还有待改进［17］。

2.3 褐煤气化

与烟煤和无烟煤等高品质煤炭相比，褐煤的挥发分含量高，反应速度快。气化可充分利用褐煤的这一优势，获取优质的液态产物（焦油）和气态产物（富H2煤气），同时得到高热值的半焦产物。相对于直接空气气化或燃烧，气化方式得到的高品质固、液、气产物可以后续再分别进行精细化转化利用，可获取良好的经济和社会效益［18］。气化方式不仅能提高褐煤的利用效率，还能减轻环境污染，是褐煤洁净高效利用的重要途径。

常见的褐煤气化装置有固定床气化、流化床气化、气流床气化三大类，不同气化技术对原料煤的品质均有相应的要求。由于褐煤在空气中容易风化碎裂，对气化炉的煤粒适应性要求较高。褐煤的成浆性较差、成型困难，因此，采用水煤浆气化和固定床气化都存在较大困难。目前，最普遍采用的是流化床气化。

褐煤气化工艺按升温方式可分为外热式和内热式两类。外热式气化炉的加热载体不与原料接触，热量由炉壁导入，内热式气化炉的加热介质与原料直接接触。外热式气化工艺产气热值高，污染物排放低于内热式气化，且对气化原料的形态、尺寸和形状等的适应性较好，但是其热效率较低，热阻相对较大，气化气体不会被载气稀释。内热式气化工艺加热速率较快，加热均匀，处理量大，但是气体容易被稀释［19］。

3 热化学转化过程的影响因素

3.1 转化体系

近年来，由于石油危机的影响，以制气或产油为目标的褐煤热解气化技术开始兴起［20］，研究人员围绕褐煤热解气化技术开展了大量研究，并获得了许多重要的特性数据。

美国Toscoal公司开发了褐煤低温热解技术，用高湿的怀俄明褐煤进行实验，褐煤入炉前进行了干燥，热解温度为中低温，主要生产焦油并副产富H2煤气［21］。20世纪90年代，大连理工大学开发了固体热载体褐煤干馏工艺［22］，进行了褐煤粉的中低温快速热解研究，可生产中热值煤气，但褐煤必须经过预干燥处理，该工艺还对褐煤的黏性、灰分要求较严格，工艺复杂且热效率较低。山东枣庄地区利用美国气体技术研究院研发的U-Gas流化床气化炉开展了高水分褐煤的气化研究，将纯氧和过热水蒸气作为气化剂，产生的燃气部分燃烧后与褐煤进行热交换，由于停留时间较短，使得反应不充分，热效率低［23］。大连理工大学、华东理工大学、中国科学院山西煤炭化学研究所、浙江大学和中国矿业大学等先后进行了褐煤水煤浆气化实验，由于褐煤的成浆浓度低（浆体中褐煤的比例小于50%），流动性差，因此气化过程的能耗较高［24-27］。中国科学院山西煤炭化学研究所、昆明理工大学等先后进行了连续式超临界水反应器中褐煤制氢的研究，建立了处理量为1 kg/h的连续式超临界水反应装置，发现提高反应温度可以增加氢气产率，但是超临界属于高温高压状态，系统能耗较高，设备腐蚀较严重［28］。

中国矿业大学、国家煤矿安监总局等开展了褐煤地下气化的研究，分别以富氧和富氧-水蒸气为气化介质，进行了褐煤的地下气化模型实验，证明褐煤地下气化可稳定生产富H2煤气，产出气体的热值为9～14 MJ/m3［29］。波兰中央矿业研究所开展了以制氢为目的的褐煤地下气化研究，采用的褐煤含水率为46.5%（w），发现高湿褐煤的地下气化可获得富H2燃料气，气体热值为7.2 MJ/m3，气化效率可达59%，但不同参数对气化过程的影响尚不明确［30］。俄罗斯远东联邦大学进行了大量的褐煤地下气化实验研究，发现气化过程很难控制，产生的气体容易向地面泄漏［31］。

邰学林［32］使用具有自主知识产权的“邰氏粉煤气化炉”开展了褐煤的气化实验，采用流化床粉煤气化技术集成自热式煤气煤粉逆流熔渣气流床气化技术，发现含水率小于35%（w）的褐煤无需干燥系统和磨煤系统，碳转化率可达到99%，冷煤气效率可达74%，飞灰中几乎无残炭。该技术目前正处于工程实践阶段，放大效果尚有待实践检验，该技术若成功应用，可能会取代传统的褐煤气化技术。

由于褐煤水分含量高，传统工艺的气化反应单元和干燥单元是独立且分离的，褐煤经过多次重复受热，干燥蒸发出的低压水蒸气未被利用，使得热效率较低。而高湿褐煤直接地下气化的利用方式还处于实验阶段，反应过程较难控制，存在泄漏问题，反应区域温度梯度大，转化率和热效率偏低。传统的气化体系很难实现高湿褐煤的高效气化过程，而采用外热式气化炉可提高气化过程的可控性，水分蒸发产生的水蒸气不会被加热介质稀释，可直接作为气化剂。在此背景下，开展高湿褐煤的原位清洁转化技术的理论研究，可丰富它的转化利用方式、提高利用效率、降低利用过程产生的污染。邰学林的两段式自热式煤气煤粉逆流熔渣气流床气化技术是高湿褐煤气化领域的一个亮点技术［33］。

3.2 反应气氛

反应气氛是影响气化过程以及产物产率的重要因素。选择的气氛应使反应具有较低的转化温度、较高的一次转化效率和热效率，能高效、稳定地实现气化过程。此外，高湿原料自身水分蒸发产生的水蒸气气氛对整个气化过程也会产生较大的影响。

Xiao等［10］采用镍和橄榄石的混合物作为原料的加热载体和焦油裂解的催化剂，开展了褐煤的水蒸气气化实验，发现水蒸气的存在促进了焦油的裂解，制取的燃气中H2最高可达52%（φ），以干燥无灰基计算出的气体产率达0.47 m3/kg。Takarada等［34］利用加压流化床反应器研究了气氛（如水蒸气、氮气）对Yallourn褐煤热解特性、产气率及产品气体组成的影响，结果表明，当用水蒸气作为反应气氛，温度为597～707 ℃时，褐煤的质量损失没有太大变化，但是水蒸气气氛下，H2，CO，CO2的产率比在氮气气氛下高很多；当温度高于707 ℃时，随着热解温度的升高，H2，CO的产率显著增加，转化率逐渐提高，验证了水蒸气对褐煤气化反应的促进作用。王毅［8］研究发现，褐煤的高温水蒸气热解与常规热解产气的性质明显不同，褐煤在以高温水蒸气为介质的条件下，可获得富H2燃气，且气体中H2含量远大于常规热解气体中H2含量。王鹏等［35］分别采用大雁、协庄和昔阳的煤在氮气、CO2及水蒸气热解气氛下进行了热解实验，结果表明，温度高于600 ℃后，水蒸气和CO2气氛下碳转化率远大于氮气气氛下的碳转化率，水蒸气气氛下的碳转化率和富H2燃气的产率最大。Hayashi等［36］研究表明，煤热解过程中形成的水蒸气也能与挥发分发生重整反应生成H2，CO，CO2，提高反应过程转化率。Gao等［37］在外热式移动床气化炉内开展了高水分褐煤直接气化以及与生物质共气化的研究，将褐煤中蒸发出的水分直接作为气化剂，发现褐煤含水率越高，总的气化转化率也越高，但水分与褐煤的协同反应机理尚待研究。

总的来说，高湿褐煤干燥过程中产生的低压水蒸气可以直接作为气化剂，提高褐煤的转化效率。褐煤自身水分的迁移及协同反应机制，以及如何提高水蒸气的利用效率等，尚待进一步研究。

3.3 粒径的影响

Patel等［38］在下吸式固定床气化炉中进行了褐煤气化实验研究，认为对于黏结性煤种，粒径对焦油的产率有较大影响。相同温度条件下，粒径增大后，会延长挥发分在颗粒内的停留时间，促进大分子焦油的二次裂解，产气率随着粒径的增加而增大，最佳颗粒直径为22～25 mm。Versan等［39］通过热重分析仪研究了粒径对煤热解特性的影响，发现随着粒径的减小，挥发分的析出速率加快，总的热解质量损失逐渐增大。张翠珍等［40］研究了颗粒粒径对滕州烟煤、黑龙江大头煤热解特性的影响，实验结果表明，热解质量损失和质量损失速率均随着粒径的增大而减小，这是由于大颗粒煤炭的传热传质滞后作用造成的；大粒径煤的挥发分析出阻力较大，挥发分的二次裂解更充分；当煤的粒径小于0.25 mm时，热解质量损失随着粒径的减小而减小。

从以上的研究可知，热解过程中褐煤颗粒粒径对传热传质过程有较大影响，应选择合理的颗粒粒径，既要获得良好的加热速率，又要保证挥发分的停留时间，使热解过程更加高效。

3.4 与木屑掺混调配

与高含水率褐煤相比，木屑的显著特点是含水量低，氢含量高，固定碳含量低，挥发分含量高。褐煤中的氢含量相对较少，两者共同热解可以平衡混合原料的总含水率，为褐煤补充廉价氢源，提高气体产率。将高湿碳基原料自身蒸发出来的水蒸气作为共热解的气化剂，同时将木屑中的氢和大量挥发分有效地转化为燃料气体，可改善产物品质，提高原料的转化率［41］。目前，褐煤与各类生物质共气化的相关研究较多，且都验证了褐煤与生物质的协同作用，但是由于生物质原料、成本以及燃气净化方面尚存在一些困难，目前尚未见有大规模示范装置。

4 结语

褐煤气化可获得高热值煤气、高附加值焦油以及洁净的半焦，是清洁利用褐煤的重要途径。高水分褐煤不经预干燥直接气化是一个比较新的领域，需要开发能够实现褐煤干燥与原位气化一体化工艺，将褐煤干燥产生的水蒸气作为气化剂有效利用起来，使它成为褐煤气化过程中的氢源，同时提高气化过程的热效率，节约干燥设备的投资。目前的高水分褐煤气化技术存在工艺流程复杂、热效率低和技术不成熟等问题。同时，以褐煤地下气化技术为代表的高水分褐煤直接利用方式还处于实验阶段，需要探索反应过程机理，寻找提高燃气品质、气化效率和热效率的方法。在热解反应过程和热解反应体系，以及供热方式，机理，传热、传质过程优化，反应性能强化，以及一体化成套装备方面，尚有很多科学和技术问题待解决。流化床粉煤气化集成自热式煤气煤粉逆流熔渣气流床气化技术，具有较高的热效率和碳转化率，是一项很有前景的褐煤气化技术，后续可以该技术为基础尝试采用高水分褐煤或者木屑与褐煤的掺混物做为气化原料，开展实验研究，以取得得较好的示范应用。