褐煤干燥提質技術淺談

曾在春中國五環工程有限公司 武漢 430223

褐煤干燥提質技術淺談

曾在春＊中國五環工程有限公司 武漢 430223

介紹褐煤的基本性質和幾種褐煤的干燥提質技術,如管式干燥技術、蒸汽流化床干燥技術 (DWT法)、熱脫水工藝和LFC褐煤干燥等,簡單分析各工藝,展望褐煤干燥提質的前景。

褐煤干燥 提質技術 煤化工

據預測,全世界硬煤 (包括煙煤和無煙煤)地質儲量約為 6×1012t(6萬億噸),占煤炭總儲量的 60%以上;褐煤地質儲量約有 4×1012t(4萬億噸),約占煤炭儲量 40%[1]。中國是煤炭主導性化石能源資源相對豐富的國家,2006年煤炭資源保有量 1.03×1012t(10345億噸)。中國褐煤資源豐富,己探明的保有儲量達 1.3×1011t(1303億噸),占全國煤炭儲量的 13%,其中內蒙古的褐煤儲量最大,占全國褐煤儲量的 77%[2]。目前褐煤主要用于直接燃燒發電。富含水褐煤的干燥提質是在一定溫度下經脫水后轉化成具有類似煙煤性質的提質煤。提質后的褐煤將更有利于綜合利用、運輸和貯存。通過干燥處理降低煤的水分,一方面可以提高熱值和能量密度,降低運輸成本,另一方面還可以提高下游裝置的利用效率,降低設備規模[3]。因此,近年來褐煤的有效綜合利用成為一個熱門研究和極具開發前景的領域。

1 褐煤的基本性質

褐煤是煤化程度最低的煤種,其特點是高揮發份含量約 50%、水含量高達 30%以上、熱值低約為 14MJ/kg、低灰熔點、孔隙度大、揮發份高、含有不同數量的腐植酸[4]。氧含量高達 15%～30%,化學反應性強,熱穩定性差,塊煤加熱時破碎嚴重,存放在空氣中很容易風化變質,碎裂成小塊甚至粉末狀,使熱值進一步降低,煤灰中常含有較多的鈣鹽,主要來自腐植酸鈣、碳酸鈣和硅酸鈣[5]。

因其熱值低、易自燃、不宜長途運輸,長期被視作一種劣質煤,其開發利用程度不高,目前僅用作坑口電廠燃燒和坑口氣化原料。水份是褐煤的顯著特征之一,也是影響其使用的重要參數之一。在各類煤中褐煤的水份是最高的,全水份Mt一般可達 10%～40%,其中第三紀年輕褐煤可達 30%～40%,侏羅紀褐煤的 Mt一般不超過30%。

研究表明有 3種形式的水份以特定的狀態同煤相結合[6]:①在較大的毛細管中有游離水或微弱結合的水,經過等溫抽氣即可除去;②在微孔中有緊緊吸住的水,它在適度增高的壓力和溫度下可以除去;③水還能化學吸附在煤上,這種水只有在較高的蒸汽壓力下才能脫出。

根據水份的結合狀態可分為游離水和結晶水兩大類,前者又可分為外在和內在水份兩種。

2 褐煤干燥提質技術

2.1 管式干燥技術

德國和俄羅斯干燥低變質程度年青煙煤普遍采用以低壓飽和蒸汽為干燥介質的管式干燥機技術。這種干燥機外觀與滾筒干燥機相似,其內部設置了大量干燥管,故稱之為管式干燥機[7]。這種干燥機采用間接干燥原理,煤在管內流動,蒸汽通過管壁傳熱,具有安全可靠、結構合理、傳熱效率高、干燥效果較好等特點,特別適用于燃點低的易燃易爆的年青煤種。

褐煤的蒸汽管式干燥機技術有兩種:一種是管內通蒸汽加熱,殼內走煤的管式干燥機;另一種是管內走煤,殼體通蒸汽加熱的管式干燥機。管式干燥是一種以壓力為 0.15～0.55MPa的飽和蒸汽為加熱介質的間接加熱干燥技術,管式干燥機示意見圖 1。

圖1 管式干燥機示意圖

常壓下用低壓蒸汽通過管式干燥器將煤加熱到約 100℃,使水份蒸發,并利用和煤一起進入干燥器的空氣作為脫水介質,通過除塵器將煤粉分離,部分空氣經壓縮進入干燥器循環,部分排大氣。該技術由于通過加熱蒸發褐煤中的水份,因此,能耗較高,尾氣排放量較大。此法為目前工業應用最為成熟的褐煤干燥方法之一[8]。

管式干燥機由包括殼體、蒸汽管、蒸汽分配器及錘擊器的筒體、可根據物料特點選擇進出料螺旋或溜槽式進料、進出料端密封、蒸汽分配系統、包括電機、減速機、齒輪、托輪及滾圈的傳動系統、控制裝置及潤滑系統組成。管式干燥技術在 20世紀 70～80年代被東德用于褐煤干燥,干燥后的褐煤用于生產型煤。著名的蒸汽管干燥機制造商—日本 TSK為澳大利亞和印度尼西亞的褐煤干燥提供的干燥機就是蒸汽走管內的蒸汽管回轉干燥機,以蒸汽管回轉干燥機為核心的煤調濕技術是當前鋼鐵焦化行業普遍采用的節能降耗技術。蒸汽管回轉干燥機的普及和發展證明了其優越性,下面比較兩者的特點。

(1)煤的燃點為 185℃,干燥過程中空氣與褐煤接觸很容易引起燃燒爆炸,在干燥機不隔絕空氣的條件下,不能杜絕褐煤的燃燒爆炸。解決褐煤燃燒爆炸的最好辦法是將褐煤與空氣隔離,傳統的管式干燥機由于自身結構的特點,無法實現密閉無氧操作。蒸汽管回轉干燥機組采用軸承定位的密封技術,可實現無氧運行。目前國內第一套HDPE蒸汽管回轉干燥機組干燥的揮發份為溶劑級汽油的己烷,其危險性大于褐煤,實際運行證明密閉型蒸汽管回轉干燥機組是安全可靠的。

(2)褐煤如在換熱管上粘結,將影響換熱和干燥效果,蒸汽管回轉干燥機組可通過“錘擊防粘結”技術和 “熱處理”技術等方法來處理;管式干燥機無法采用 “錘擊防粘結”和 “熱處理”技術。

(3)蒸汽管回轉干燥機可以干燥的最大顆?？蛇_ 30mm;管式干燥機干燥的最大顆粒不能大于8mm,管式干燥機對破碎機的要求較高。

(4)密閉型蒸汽管回轉干燥工藝是在褐煤干燥方面的集成創新,符合當前國家科技創新的發展方向。

2.2 蒸汽流化床干燥技術 (DW T法)

蒸汽流化床干燥器示意見圖 2。

圖2 蒸汽流化床干燥器示意圖

在流化床干燥器內,蒸汽不僅是干燥介質,而且還是流化介質。因此,干燥蒸發的蒸汽不含空氣和其他雜物,可通過多種方法進一步利用。例如,蒸發的水份經過再循環作為流化介質進入流化床,利用凝結時所放出的汽化潛熱,將其壓縮成為過熱蒸汽。過熱蒸汽將高水份褐煤流從干燥機的底部吹向沸騰床上部,產生流化現象。流化床的蒸汽吸收褐煤中蒸發出的水份,原煤從干燥機的上部輸入,經過旋流分離器,部分蒸汽再被導回干燥機。干燥機所需能量由蒸汽輪機提供。

2.3 熱脫水工藝

該工藝與前述方法不同之處在于水的移除狀態為熱法脫水過程。熱源為過熱蒸汽,工藝過程溫度約為 235℃,為維持水份不被汽化,系統壓力必須維持在同溫度下水的飽和蒸汽壓之上,一般約為 3MPa。該工藝過程將水在液態下移除,同時工藝過程廢熱蒸汽可分級使用,熱能能夠得到回收利用,能耗較低。另外,由于過程原料煤細粉較少,經脫除水份后的褐煤不易在空氣中自燃,因此,可利用空氣進一步自然干燥。此法的缺點為水份不能得到最大限度的脫除,系統干煤含水量約為 23%[10]。

2.4 LFC褐煤干燥提質技術

LFC是一種煤炭輕度熱解工藝技術。20世紀80年代初美國 SGI首先提出褐煤提質技術概念,1989年 12月美國能源部選擇該技術并資助成立ENCOAL公司。M.W.Kellogg公司作為 EPC承包商建設了該公司的 1000t/d的示范工程,1992年至1997年共運行了五年。在示范工廠運行五年的基礎之上,該工藝被修改完善,日本三菱重工(MH I)完成了工藝裝置單系列 5000t/d規模的基礎設計,準備商業推廣。

LFC褐煤干燥提質工藝流程見圖 3。

圖3 LFC工藝流程框圖

褐煤經破碎和篩分后送入干燥爐,被來自干燥燃燒爐的熱氣流加熱脫除水份。必須嚴格控制熱氣體在干燥爐內的停留時間和溫度,以滿足能夠脫除煤炭中水份且不會發生熱解反應,還需嚴格控制原煤溫度,確保不會釋放大量的甲烷、一氧化碳和二氧化碳。離開干燥爐的氣體經旋風除塵后分為兩部分,一部分與干燥燃燒爐進口氣體混合作為補充燃料,另外一部分送煙氣脫硫裝置,經脫硫后排大氣。

離開干燥爐的固體送熱解爐,用來自熱解燃燒爐的熱循環氣流加熱熱解。在熱解過程中,幾乎所有剩余的水份均被脫除,并發生了輕度氣化反應,煤中揮發性氣體被釋放出來。在離開熱解爐后,固體在激冷盤中被工藝水迅速冷卻以終止氣化反應,在激冷過程中會產生水煤氣,經水洗冷卻至一定溫度后與一次燃料氣混合,作為干燥燃燒爐和熱解燃燒爐的燃料。

激冷盤中的固體送 PDF(穩定的低硫高熱值燃料,其特性與煙煤類似)精制單元,該單元包括預冷及加濕反應器、PDF精制反應器和最終冷卻器。在預冷卻及加濕反應器中,PDF被冷卻至環境溫度,并加入一定量工藝水以使 PDF發生再水合反應,再水合后的 PDF中的水份含量與大氣中的水份含量相平衡。然后送 PDF精制反應器與與空氣充分接觸,氧化、冷卻到常溫最后送貯倉。

從熱解爐出來的熱氣體經旋風除塵后進入激冷塔冷卻,激冷塔的溫度控制在使 CDL(類似于柴油的煤衍生液體)冷凝下來,并保證水不被冷凝。激冷塔頂出來的氣體進電除塵器,氣體中未冷凝的 CDL被捕集下來,并回流至激冷塔,而從電除塵器出來的氣體作為一次燃料氣送干燥燃燒爐和熱解燃燒爐,補充系統所需的熱量。冷凝下來的 CDL被乙二醇換熱器冷卻到 71℃,約 99%(wt)CDL回流至激冷塔,其余約 1%的 CDL送離心分離機分離后得到 CDL產品。

3 褐煤干燥的意義

我國貧油、少氣、煤炭資源豐富。從目前來看,我們能源消費總量已經位居世界第二,約占世界能源消費總量的 11%。與此同時,我國每噸標準煤的產出效率僅相當于日本的 10.3%、歐盟的 16.8%。而由于褐煤是一種高揮發份含量、高水份、低熱值、低灰熔點、容易自燃的煤種,長期被視為一種劣質煤資源。目前僅用作坑口電廠燃料和坑口氣化原料,限制了褐煤資源的合理利用和開發。隨著經濟建設的快速發展,國內煤炭資源已出現緊張,煤炭、電力、冶金、化工等許多行業都考慮選擇褐煤作為原料。

國家已確立了“以煤為主”的能源發展戰略,發展褐煤的干燥提質加工的綜合利用產業,可以有效緩解優質動力煤的供應緊張局面,用低品位煤炭替代優質動力煤的資源渠道,延伸了褐煤工業的產業鏈,提高褐煤資源的綜合利用效率和環境效益,更好地滿足國內的能源需求,為國民經濟發展提供有力的安全保障。

4 前景與展望

由于前些年國內對傳統煤化工的盲目發展,使產能過剩,導致煤炭資源的嚴重浪費,近幾年國家停止審批新建或單純擴大產能的焦炭、電石、甲醇等傳統煤化工項目。褐煤干燥是一種對褐煤的潔凈利用的產業,能大幅度減少了褐煤直接燃燒對環境的污染,與此同時,提高了褐煤的綜合利用效率,是一種低碳的環境友好型產業。因此,未來褐煤產業必將得到空前的研究與發展。

1 萬永周等.褐煤脫水預干燥技術進展 [J].煤炭工程,2008 (8).

2 趙永飛等.中國褐煤加工利用淺談 [J].潔凈煤技術,2009(6).

3 尹立群.我國褐煤資源利用及其利用前景 [J].煤炭科學技術,2004(8).

4 王天威.褐煤改質的基礎研究 [J].應用能源技術,2007(9).

5 田忠坤等.一休化加速旋風提質干燥設備在褐煤電廠中應用的研究 [J].潔凈煤技術,2007(5).

6 Tibor G.Rozgonyi,趙振本.用飽和蒸汽加工提質高水分褐煤 [J].煤炭轉化,1987(2).

7 汪壽建.褐煤干燥成型工藝技術綜述 [J].化肥設計,2009(5).

8 云增杰.高水分燃料褐煤脫水技術 [J].露天采礦技術,2008(4).

9 熊友輝.高水分褐煤燃燒發電的集成干燥技術 [J].鍋爐技術,2006,37(增刊).

10 高俊榮等.褐煤干燥脫水技術研究進展 [J].潔凈煤技術,2008(6).

2010-08-10)

＊曾在春:助理工程師。2009年畢業于廣西大學化工過程機械專業獲碩士學位。主要從事管道布置工作。聯系電話: (027)81926301,13429882495,E-mail:zengzaichun@cwcec.com。