褐煤提質技術的現狀淺析

賈夢陽 JIA Meng-yang；邰世康 TAI Shi-kang

（中國礦業大學（北京），北京100083）

0 引言

中國富煤貧油少氣，是世界上少數以煤炭為主要能源的國家。煤炭產量從上世紀80年代超過10億噸后，一直穩居世界第一。

隨著我國經濟的日益發展以及對能源需求的不斷增長，國內優質煤的供應日漸緊張，發展褐煤提質的技術以及應用可以緩解我國緊張用煤需求。

1 褐煤的特點

褐煤是礦化程度最低的礦產煤，煤質特點是水分大、孔隙率達、揮發分高、不黏結、熱值低，含有不同數量的腐殖酸，含氧量在15%-30%左右，熱穩定性差，易風化不適合儲存以及長距離運輸，直接燃燒不僅熱值低，而且污染環境，浪費巨大。提質后的褐煤，相比提質前，水分可以下降70%左右，發熱量可提升6MJ/kg左右，表面性質也會發生一定的改變，不僅有利于貯存和運輸，而且有利于燃燒，發電，化工方面的使用，所以，提質成為了褐煤較為環保并高效的利用方式。

2 褐煤提質的技術現狀

褐煤提質指的是在一定的溫度壓力條件下，脫除褐煤的水分，含氧官能團以及多余的灰分，提高褐煤品質的過程。提質的方法主要有物理法和化學法，物理法的是將褐煤加熱或與高溫物質，如熱煙氣、過熱蒸汽等，進行換熱，脫除其中的水分和部分揮發分，提質過程中煤體不發生化學變化。化學法是在較高的溫度下，在隔絕空氣（或在非氧化氣氛）條件下，褐煤發生熱解反應，在脫除水分和大部分揮發分的同時，生成煤氣、焦油、粗苯和焦炭或半焦的過程。此過程中，褐煤煤體發生了焦化和熱分解等化學變化。

2.1 物理法

物理法指的是干燥脫水提質，干燥法又分為兩類：蒸發脫水提質，非蒸發脫水提質。

2.1.1 蒸發脫水提質

褐煤蒸發脫水技術是指在較低溫度下，通過使用過熱蒸汽、煙道氣或熱油為干燥介質進行脫水的一種褐煤脫水干燥方法，下面介紹幾種蒸發脫水提質的方法。

2.1.1.1 回轉管式干燥工藝

該工藝適用于褐煤的輕度干燥，在常壓下褐煤在管式干燥器內在低壓蒸汽的作用下被加熱到100℃左右，此時水分被蒸發出來，脫水后的空氣通過除塵器和煤粉分離開，一部分空氣進入回轉窯作為脫水介質繼續循環，剩余的排入大氣。

此方法用于褐煤的快速、輕度干燥，但是干燥后不易長期儲存、運輸，干燥后的褐煤復吸現象嚴重，另外此法尾氣排放量大，排空的粉塵較多，不環保且能耗大。

2.1.1.2 澤瑪克（ZEMAG）褐煤干燥成型提質技術

ZEMAG技術工藝流程分為預制、干燥、破碎和成型。褐煤經初步破碎處理后，進入管式干燥機，干燥后的褐煤經過進一步破碎以達到成型工藝要求的粒度，最后壓縮成型。

該工藝采用低壓飽和蒸汽作為干燥介質，運行成本低，三廢排放少，具有較為成熟的運行經驗。

2.1.1.3 褐煤脫水熱壓提質（HPU）

HPU技術是神華集團與中國礦業大學（北京）共同研究的課題，具體的工藝流程是：

褐煤經過備煤系統破碎之后在6.4MPa和150-350℃的循環流化床高溫煙氣爐中被加熱，通過粉煤直管式氣流干燥裝置，然后通過高壓對輥成型機擠壓成型。

此過程可脫去煤中80%左右的水分，同時發熱量可提高約20%，經過熱壓作用，煤顆粒的孔隙減少，比表面積降低，而且煤分子的側鏈含氧官能團如羧基，羥基，甲氧基等減少，一定程度上抑制了復吸作用。另外產出型煤的成型率較高，跌落試驗效果好，對其長距離運輸和電廠燃用有一定的意義。

2.1.1.4 UBC褐煤提質技術

UBC褐煤提質技術的脫水介質為再生油（通常是石油的輕油）和重油，脫水介質和經破碎處理過的褐煤混合成煤漿，然后再蒸發器中加熱，褐煤孔隙中的水分被蒸發，同時重油進入到褐煤的孔隙中，一定程度上阻止了褐煤的復吸現象并降低了自燃反應，在通過細頸盛水瓶回收煤漿中的油，之后用干燥機加熱脫除吸附在煤中的油，最后將提質后的煤品壓縮成型。

UBC提質技術應用在印尼的Satui礦，經過工業測試，體制后的褐煤發熱量可升高一倍以上，普遍提高到26.96MJ/kg以上，水分大幅減少，不過，提質同時會造成一定量的油品浪費。

2.1.1.5 BCB提質技術

BCB提質技術是由澳大利亞White能源公司研發的，具體的工藝流程為褐煤經過充分破碎后（小于3mm）在干燥筒倉中被300-400℃的煙氣快速升溫至105-110℃，通過“閃蒸式烘干”脫除煤中的水分，再經旋風分離器捕集后壓縮成型，由于型煤在生產過程中會升溫，為避免自燃現象，常通過噴水對型煤進行冷卻處理。

技術不改變煤的化學性質以及焦化特性，加工成本低，但是由于冷卻過程又進行噴水冷卻，所以脫水的效果不明顯。

2.1.1.6 Coldry“冷干”提質工藝

澳大利亞亞太煤鋼公司提出的冷干提質工藝，具體過程是：褐煤在設備中經“剪切”作用打破煤的碳結構，實現煤的脫水過程，因為整個分離過程在20℃-30℃下進行，所以稱為“冷干”。破碎之后的煤，經過成型作用，形成煤條，之后自然斷裂成為棒狀的型煤，經過傳輸過程的吹風冷卻，以及自然硬化作用之后，經過將近兩天的蒸汽干燥就可獲得最終的型煤產品。

此工藝提質之后可將含水量約60%的褐煤制成水分為8%～14%的型煤，其發熱量也能達到煙煤的水平，這種先通過機械排水，然后烘干，能耗較低，排水效較好。但是目前澳大利亞亞太煤鋼公司只有一條5t/h的試驗線，處理量過小，而且處理時間過長。

2.1.1.7 熱壓脫水工藝（MTE）

由德國多特蒙德大學研發的MTE熱壓脫水工藝與“冷干”工藝類似，不過該法綜合了熱脫水以及機械脫水的方法，在220℃的條件下進行機械脫水，壓縮成型后的型煤采用連續閃蒸的工藝，能夠較好地脫水。

2.1.2 非蒸發脫水提質

非蒸發脫水技術是近年來發展起來的新型褐煤干燥技術，該技術是在一定溫度和壓力，以及隔絕空氣的條件下，將褐煤與高溫高壓的水蒸氣和溶劑直接接觸，褐煤內的水分呈液態脫出，不需蒸發潛熱，熱效率高，同時減少了溫室氣體的排放。

2.1.2.1 K-Fuel提質技術

K-Fuel提質技術是由美國KFx公司在上世紀80年代開發的技術，具體的提質過程是：

褐煤經過破碎篩分至6-80mm后，進入間歇式壓力容器，在壓力和溫度分別為大約3.7MPa和238℃條件下反應一段時間，這段過程，褐煤的內水蒸發，一些含氧官能團被分解，煤粒的表面性質發生改變，親水性降低，復吸現象得到控制，排出的物料通過固液分離得到提質的褐煤。目前，K-Fuel提質技術已經工業應用。

該技術可將褐煤中的水分降低一半以上，熱值也有大幅提升，缺點是處理過程為間歇處理，處理量小，能耗相對較大，由于處理的煤的粒級為6-80mm，對細粒煤需要專門回收。

2.1.2.2 D-K脫水工藝

日本電源開發公司和川崎重工公司開發了D-K非蒸發脫水工藝，實現褐煤水分在非蒸發條件下加熱，使水分以液體狀態從褐煤中脫出，其煤質變化類似天然的煤化作用。整套裝置有4臺壓力釜，可實現半連續運轉，壓力釜之間排出的蒸汽和熱水可進行回收。

D-K脫水提質工藝過程類似于天然的煤化作用，褐煤經過破碎處理后在4臺壓力釜中實現半連續運轉。

2.2 化學法

2.2.1 褐煤熱解提質技術

熱解提質按照熱解溫度可分為低溫（500-600℃）熱解和中溫（600-800℃）熱解；根據供熱介質不同，熱解提質技術又可分為氣相熱載體熱解技術、固相熱載體熱解技術，以及其他特殊的熱解技術。

2.2.1.1 L-S低溫熱解法

德國Lurqi-GmbH公司開發的Lurgi-Spueigas（L-S）低溫熱解工藝法采用的是內熱式氣體載體工藝，具體的流程是：

褐煤經破碎到25-60mm之后，自上而下通入到熱解爐中，在爐中和燃燒氣逆流直接接觸受熱，此過程可脫去大部分的水，脫水之后，物料進入到熱解爐的干餾段發生熱解，物料被高溫熱氣加熱至500℃，生成的半焦經過冷卻后作為固體產物，干餾段的揮發物經冷凝冷卻之后得到焦油以及熱解水。

熱解法脫水效果好，生成焦油，半焦多種產品，利于煤炭的綜合利用，但是該方法采用氣相載體熱解技術，增加了冷卻系統的負荷，另外揮發物和熱解煙氣分離困難。

2.2.1.2 Toscoal低溫熱解工藝

Toscoal低溫熱解工藝是美國油頁巖公司和Rocky Flats基于油頁巖干流工藝改進的，具體流程是：

褐煤經過粉碎（小于12.7mm）后用瓷球加熱器的熱煙道氣加熱，之后進入熱解轉爐與熱瓷球碰撞接觸發生熱解，常用的干餾溫度為430-540℃，產生半焦和揮發物，半焦通過篩子與瓷球分離，揮發物分離凈化后部分作為燃料返回熱解爐。

該方法的干餾溫度以及產品分布較易控制，但是設備復雜，維修量大。

2.2.2 ENCOAL提質技術

美國褐煤提質技ENCOAL提質技術，具體的工藝流程是：

褐煤被破碎到3-50mm，然后送入旋轉爐干燥器在一定條件下（溫度和處理時間）進行干燥脫水，干燥之后進入回轉窯熱解器進行熱解，用熱循環器將窯內溫度升高到550℃左右，通過快速冷凝熱解，得到過程衍生產物半焦和焦油，熱解生成的氣體在燃燒室內燃燒，為熱解過程提供熱量。

該技術在1992年由美國殼牌采礦公司建廠并試運營成功，處理量可達1000t/d。工藝脫水體制效果好，處理量大，但是對于氣體產物不能進行很好的回收。

2.2.3 流化床快速熱解工藝

澳大利亞聯邦科學與工業研究院（CSIRO）研究開發了流化床快速熱解工藝，具體的工藝流程是：

褐煤經過破碎制粉后和無氧氣體（通常為氮氣）噴入流化床熱反應爐，與反應器底部進入的液化石油氣燃燒產生的煙氣接觸反應，煤粉在熱解爐中快速熱解（停留時間小于0.5s），離開反應器的氣體通過溫度約350℃的高效旋風分離器使大量半焦分離出來，氣體則經過冷卻器進入約80℃的電捕焦油器，產物經分離、冷卻后得到半焦、焦油、熱解氣等。

2.2.4 多段回轉爐（MRF）熱解工藝

中國研究煤炭熱解技術中，比較典型的技術有煤炭科學研究總院北京煤化工分院開發的多段回轉爐（MRF）熱解工藝，具體的工藝流程為：

將粒度為6-30mm的褐煤在回轉干燥器中干燥后進入外熱式回轉熱解爐中進行低溫熱解，所得產品在冷卻爐中用水冷卻熄焦后得到提質半焦產品，由熱解爐排出的熱解氣體經過冷卻分離回收進一步處理利用。

2.2.5 褐煤固體熱載體干餾多聯產（DG）工藝

大連理工大學開發的DG工藝是將褐煤通過與熱載體（通常為半焦）快速混合加熱使其熱解而得到輕質油品、煤氣和半焦的技術。

DG法主要優點是焦油產率高，干餾煤氣熱值高，生產不需純氧，產生的廢水量小。目前，建立年處理85萬t褐煤固體熱載體快速熱解技術工業化生產示范工程的技術條件已經成熟。

3 煤提質技術的展望

近些年，又出現了很多的新興提質技術，以褐煤的微波提質技術為例，微波脫提質技術的原理是微波的加熱具有選擇性，會優先被介電損耗系數高的物質吸收，而水的節點損耗系數相對高于其他物質，因此水分子對微波有較強的吸收作用，所以可以用微波深入穿透煤炭，利用微波的加熱作用進行脫水。

該方法可以減小煤顆粒的孔隙，微波處理后，親水官能團含量降低，可以一定程度上降低褐煤的復吸以及自燃現象，同時比干燥提質技術能耗低并且不消耗任何脫水介質。

另外，許多褐煤提質技術還處于實驗研究階段，不能夠工業化應用，工業生產不能有效地模擬實驗室環境導致達不到實驗室研究效果，提質過程無法進行細致的計算機模擬對比，這是制約褐煤提質技術應用的難題之一，隨著能源的戰略意義日益凸顯，褐煤提質的工業化應用將會是近幾年的發展方向。

4 總結

隨著優質煤種數量的減少，相對豐富的褐煤就越來越受到人們的重視，但是由于褐煤高水、高灰、低發熱量、易自燃等原因，使其不易直接洗選加工并長途運輸利用，所以褐煤提質技術就越來越重要，我國的褐煤提質技術取得了一定的成就，我們可以借鑒國外的先進提質技術，結合我國褐煤的具體性質，進行改進和創新，進而推進我國褐煤提質技術的發展，同時更加高效的利用褐煤資源，推進能源的高效利用。

[1]張雙全.煤化學[M].徐州:中國礦業大學出版社，2010：214-216.

[2]梁永煌，游偉，章衛星.關于我國褐煤提質技術的應用現狀及存在問題的解決方案[J].化肥設計，2012，50（6）:1-9.

[3]高志芳，朱書全，吳曉華.褐煤提質改性對水煤漿特性的影響[J].煤炭科學技術，2010，38（9）:112-116.

[4]邵俊杰.褐煤提質技術現狀及我國褐煤提質技術發展趨勢初探[J].神華科技，2009，7（1）:17-22.

[5]王彬.淺析褐煤提質技術現狀[J].煤質技術，2011（4）:9-13.

[6]屈進州，陶秀祥，劉金艷，等.褐煤提質技術研究進展[J].煤炭科學技術，2011，39（11）:121-125.

[7]徐曉光，趙毅.褐煤提質技術的應用現狀及前景[J].熱力發電，2012，41（5）:1-11.

[8]夏浩，劉全潤，馬名杰.褐煤提質技術現狀[J].煤質技術，2010，16（4）:56-58.

[9]孫健秋，王為明，劉悅.中國褐煤提質技術現狀及發展展望[J].山東煤炭科技，2012（1）:1-7.

[10]宋建東.淺析褐煤提質現狀[J].中國石油和化工標準與質量，2012（6）:32.

[11]蔣兆桂.褐煤提質技術研究進展與展望[J].煤炭加工與綜合利用，2012（6）:47-51.

[12]王紀華，馬艷梅，趙宏宇，等.寶日希勒褐煤的熱壓提質試驗研究[J].潔凈煤技術，2012，18（3）:33-36.