美国低温流化床褐煤干燥技术工业应用考察

刘文欣

（滨海金地矿业工程技术（北京）有限公司，北京 100027）

在我国的部分矿区分布有大量高水分、低变质程度的不粘煤、长焰煤、褐煤等低阶煤炭资源，例如：内蒙古的万利矿区、上海庙矿区、锡林浩特矿区、海拉尔矿区、大雁矿区，河北省的蔚县矿区等。这些煤炭资源往往具有储量大、灰分低、硫分低等优点，但水分高、发热量低，在工业应用上受到很大限制。为了有效利用这些资源，不少企业曾尝试用风力分选、煤炭干燥、低阶煤提质等工艺来提高低阶煤的发热量，但是大部分都没有形成可复制的成功案例。因此，寻找一种安全性高、运行成本低的低阶煤干燥工艺技术非常有必要。

世界上很多国家也赋存有大量高水分的褐煤资源，主要是用来燃烧发电。例如美国、俄罗斯、德国、澳大利亚等。有的国家还对褐煤进行预先脱水和干燥处理，但大部分干燥工艺都需要设置单独的热源来降低煤炭中的水分，工艺往往过于复杂，干燥成本也很高。因此，这些技术难以大面积推广应用。

美国的煤溪发电站位于美国北达科他州的安德伍德，隶属于大河能源公司。发电站设计装机容量1200 MW，由位于附近的北美煤炭公司福尔柯克煤矿提供来自露天矿未经洗选的低变质褐煤作为燃料。发电站当初设计的原料煤热值是6800 Btu／lb（15.81 MJ／kg）， 但实际的燃料热值只有6100～6200 Btu／lb（14.18～14.41 MJ／kg）。煤溪发电站在实际生产中，由于褐煤水分本来就高，加之实际燃料煤质比设计煤质差、杂物含量多等，给发电站带来了很多不利影响。为了提高发电站的燃烧效率、降低污染物排放，大河能源公司在美国能源部的资助下，决定开发一种利用发电站余热进行褐煤预干燥的新技术，并联合里海大学、沃利帕森公司、巴尔公司、海＆帕公司等开发了低温流化床褐煤干燥技术，并且在煤溪电站建成了示范项目，作为褐煤发电站燃料煤燃烧前的预处理环节，用来降低褐煤水分、提高入炉前燃料的发热量。

项目投入实际生产运营后，在降低燃料消耗、减少污染物排放、提高生产效率方面取得了非常明显的效果，真正做到了节能减排。

1 低温流化床干燥系统工作原理和组成

低温流化床干燥机外形为长方形结构，干燥介质包括空气和热水。低温流化床干燥机工作时，通过机体下部鼓入的热空气把煤吹浮起来，使得入料湿煤在干燥机内形成 “流态化”床层，并实现部分热交换。干燥机内部还均匀分布着很多热水管，位置处于湿煤 “流态化”后的松散床层内，参与热交换过程。从机体结构和基本原理上看，低温流化床干燥机属于 “复合干燥”模式，热空气与湿煤直接接触，为 “直接干燥”；热水与湿煤间接接触，是 “间接干燥”。湿煤与干燥介质的热交换呈现 “双效”模式。正常工作状况下，湿煤流态化床层的下部是正压工作，上部是负压状态。低温流化床干燥机的工作温度范围90～150℃，大大低于褐煤的燃点，因此可称其为 “低温流化床干燥机”。由于低温流化床干燥机工作过程完全没有明火，使得干燥系统具有极高的安全性，完全不会发生粉尘爆炸事故。

干燥机还考虑有杂物排弃功能。由于煤溪电站的燃料褐煤没有经过洗选加工，煤中含有一定量的杂物，主要是高灰的矿物质和少量其他杂物。杂物排弃后再经过后续的风力分选机进行二次分选，分选出的煤返回系统，分选出的杂物最终排弃。

低温流化床干燥机由于工作温度低，湿煤干燥时几乎不会发生热解问题。因此，干燥机排出尾气成分中甲烷、一氧化碳、硫化物等可燃、有害挥发成分很少，大部分是水蒸气，工作环境十分安全。干燥机排出的高湿度尾气经过布袋除尘器进行深度净化收尘处理后排入空气中。低温流化床干燥机的基本结构和工作原理如图1所示。

图1 低温流化床干燥机基本结构与工作原理

煤溪电站低温流化床干燥机供货方给出的干燥机主要结构特征和工作参数是：干燥机宽度12 ft（约 3.65 m）， 长度 31.25 ft（约 9.50 m）， 还有1个长4 ft（约1.22 m）的冷却段。煤在流化床干燥机里的干燥时间约20 min，干燥机的工作温度90～150℃。单台干燥机处理能力112.5 t／h，入料湿煤的粒度不大于6.5 mm，入料湿煤水分38%，出料干煤水分29%，平均降低水分9%，单台干燥机蒸发水量 30000 lb／h（约 13.6 t／h）。

美国北达科他州煤溪电站的低温流化床干燥系统热源取自发电站生产过程中循环冷却水系统和锅炉尾烟气系统废弃的余热，自身不设置单独的燃料热源。干燥过程需要的热空气是通过冷空气与电站冷却循环水、锅炉尾烟气的余热交换获取的。干燥过程需要的热水本身就是发电站燃煤锅炉的冷却循环水，再经过与锅炉的高温尾烟气进行热交换增温。

笔者根据大河能源公司煤溪电站业主方介绍的干燥系统概况，整理出了低温流化床煤炭干燥系统利用的余热热源状况以及干燥系统的煤流、风流、水流的工艺流程如图2所示。

图2 低温流化床煤炭干燥系统工艺流程示意

2 低温流化床干燥系统设计参数和运行效果

美国煤溪燃煤电站装备有2台600 MW自然循环冷却发电机组，总装机容量1200 MW。原设计燃料煤系统为：燃料煤总给料量900 t／h、燃料煤设计发热量为 15.81 MJ／kg（6800 Btu／lb）。燃料煤的储存、破碎、运输按2个独立系统各自设置。发电站投入运行后，实际的燃料煤水分 38%、 发热量 14.41 MJ／kg（6200 Btu／lb），大大低于设计值。为此，增设了低温流化床褐煤预干燥系统。干燥系统设计的技术特征如下：

干燥机类型：低温流化床干燥机；

原料煤来源：电站的燃料褐煤；

原料煤粒度：不大于6.5 mm；

湿煤处理量： 900 t／h；

单机处理量： 112.5 t／h；

干燥机数量：双系统共8套，每个系统4套；

降低水分值：8%～10%；

干燥热介质：热空气、热水；

干燥机热源：发电站的锅炉循环冷却水、烟气余热；

热交换形式：直接干燥和间接干燥相结合；

安全性特点：整个系统没有明火，所以没有爆炸危险性。

笔者在大河能源煤溪电站的低温流化床干燥车间现场了解到，干燥机当时的工作参数是：干燥机进水温度247℉（119℃），出水温度224℉（107℃）。空气的进气温度270℉（132℃），排气温度126℉（52℃）。

大河能源公司方面介绍，煤溪电站低温流化床干燥系统对燃料褐煤的干燥效果是：水分从38%降低到 29%。燃料热值从 6100 Btu／lb（14.18 MJ／kg）提高到 6800 Btu／lb（15.81 MJ／kg），发热量增加1.63 MJ／kg，发热量提升幅度10.3%。

低温流化床煤炭干燥系统投产后，干燥系统的处理能力完全达到了设计值，电站燃料煤全部进行了预干燥，水分大幅度降低，发热量得到了提高。同时，由于硫化物、重金属汞等有害成分主要分布在矿物质之中，而矿物质在流化床干燥机内与煤实现了预先分离，更加提高了电站锅炉尾烟气除尘系统的收集效率，使得发电站在环保排放方面也取得了非常好的效果。燃料煤干燥前后的煤质指标以及燃烧后的烟气排放量的变化如下：

电站的硫化物SO2排放减少了54%，重金属Hg排放减少了40%，NOx排放减少了32%。由于燃料煤热值提高，减少了烟气的体积释放率，CO2排放减少了4%，电厂的整体工作效率也提高了4%。

本项目成功实现了大规模的工业化应用，煤溪燃煤电站从投产至今已经成功运行了8 a多，效果非常好，技术十分成熟。通过调节热力参数，还可以提高干燥机降水幅度。由于低温流化床干燥系统简单高效，不用单独设置干燥热源，所以运行成本远低于目前绝大多数的低阶煤干燥技术工艺。

低温流化床干燥机的热介质为热水和热空气，工作温度虽然很低，但热交换效率却非常高，形成 “低温高效”的特点，并且干燥系统完全没有明火，绝无爆炸的危险性。整个干燥过程几乎为纯粹的物理过程，煤在干燥过程中几乎不发生热解，不产生煤气和焦油，因此干燥系统尾气处理也十分简单，仅仅通过布袋除尘器处理就可达到美国当地的环保标准。

由此可以看出，低温流化床干燥工艺是一项非常有前途的煤炭干燥技术，是满足21世纪环保要求的技术。

3 讨 论

美国大河能源公司煤溪电站低温流化床褐煤预干燥项目（Dryfing）于2009年12月完成生产调试，2010年1—3月进行运行参数测试，随后进入长期稳定运行状态。工程由于采用了电站余热干燥技术，被 《能源工程》评选为2010年度最佳火电项目。

综合前述介绍可以得出以下几个观点：

（1）低温流化床干燥机的工作温度很低，温度范围90～150℃，而低阶煤的燃点最低也在270℃以上，因此干燥机的工作温度远低于低阶煤的燃点。低温流化床的干燥过程是空气直接干燥和热水间接干燥相结合的 “双效”模式。低温流化床的工作原理非常先进，它把 “双效”工作模式、湿煤颗粒的 “流态化”和较长的干燥时间等3种高效干燥技术巧妙地结合在一起，达到了“低温高效”的效果。虽然干燥过程的工作温度很低，但是干燥效率却非常高，热交换十分充分，降水幅度也比较大。一般状况下降水幅度可达8%～10%，最多可降水15%。

（2）作为干燥过程热介质的空气，通过与电厂冷却水、烟气间接换热来提高温度，完全没有明火，并且温度很低，而热水则间接参与干燥过程。因此，整个干燥过程十分安全，没有安全隐患，特别适合低变质程度、低燃点的低阶煤干燥。对于不接受以燃煤热烟气作为干燥热源的企业来说，低温流化床煤炭干燥技术是一项比较好的选择。

（3）低温流化床煤炭干燥工艺非常适合与燃煤电厂配套同步建设，或者通过技改补套作为火电厂燃料煤的预干燥系统，可大大降低火电厂燃料煤的消耗。尤其是我国新建的火力发电厂大多采用了风力冷却方式，冷却排风均带有一定温度，直接放空浪费了大量余热。另外，我国火电厂的高温尾烟气脱硫处理大多采用石灰石—石膏法、双碱法等湿法工艺，也白白浪费了高温尾烟气所含有的大量余热。如果发电厂能够将这两部分余热充分利用，并采用低温流化床煤炭干燥技术来降低电厂燃料煤的水分、提高燃料煤发热量，对目前煤价高企、电厂利润下滑的大量燃煤电厂来说，不失为是一种提质增效、增加经济效益的有效途径。

4 建 议

对于低温流化床干燥工艺未来可能的应用途径，笔者提出以下建议：

（1）低温流化床干燥工艺的低温、双效、流态化、干燥时间长等特点，使之非常适合工业废弃余热的利用。我国很多行业都应用了大量的工业锅炉、窑炉、高炉等，每年排放大量的烟气、蒸汽、热空气、热水等都带有大量的余热可以利用。对于需要降低水分、适合流态化干燥的工业原料来说，都可以考虑低温流化床干燥工艺。

（2）我国的煤炭主产区大部分在北方，这些地方的煤矿、选煤厂都配套有燃煤锅炉房，也有大量的余热可以利用。近些年来，北方地区的很多选煤厂为了解决煤泥的出路问题，建设了大量的煤泥干燥系统，这些煤泥干燥系统也要排放大量温度90～110℃的热烟气，同样有大量余热可以利用。如果利用这些余热对选煤厂的最终产品煤进行干燥，能够降低水分2%～4%，提高发热量0.42～0.84 MJ／kg，对于提高产品煤的市场竞争力也是非常有意义的。

（3）低温流化床干燥机（热空气＋热水）的“双效”模式也可以扩展为其他模式的搭配，既可以是 “热空气＋热水”的组合，也可以是 “热空气＋蒸汽”组合、“热空气＋热烟气”组合等多种模式。当然，在没有废弃余热可利用的状况下，如果干燥原料对干燥温度、干燥过程明火等安全因素非常敏感，也可以考虑单独设置热源，此时利用的则是低温流化床干燥机的安全、高效特点。

总之，美国低温流化床煤炭干燥技术对我国许多燃用褐煤、长焰煤、不粘煤等高水分、低发热量的火力发电厂在提质增效、节能减排、提高经济效益等方面有非常高的参考价值。给煤矿、选煤厂的余热开发利用提供了一种新的思路，对很多其他行业的废弃余热再利用也非常值得研究、借鉴和推广。