煤炭分級調濕技術研究探析

劉周恩，崔艷紅

（1.北京神霧環境能源科技集團股份有限公司節能與低碳技術研究院，北京102200； 2. 北京銳光儀器技術有限公司，北京100015）

煤炭分級調濕技術研究探析

劉周恩1，崔艷紅2

（1.北京神霧環境能源科技集團股份有限公司節能與低碳技術研究院，北京102200； 2. 北京銳光儀器技術有限公司，北京100015）

在煤炭焦化、熱解和氣化等高值化利用過程中，需對原料煤進行分級破碎調濕等預處理以達到使用要求。因此，對煤炭分級破濕處理技術進行了研究探析，分析了這些技術的特點和發展趨勢。研究表明，煤炭分級調濕一體化類技術是煤炭分級調濕預處理技術未來的發展趨勢，尤其是流化-氣流復合床一體化技術，應著重研發這類技術，為滿足煤炭高值化利用提供滿足要求的原料。

煤預處理技術；分級；調濕; 研發進展與趨勢；一體化

1 引 言

在煤炭焦化、熱解和氣化等高值化利用過程中，對原料煤粒徑和濕度均有一定要求。比如，煉焦裝爐原料煤的粒徑和濕度分別為＜3 mm和6%～9%(wt)[1]；又比如，循環流化床粉煤氣化裝爐原料煤的粒徑和濕度分別為＜8 mm和＜9%[2]。 但原料煤粒徑分布較寬，一般在0～20 mm，最大可達50 mm；濕度也較高，一般在12%)左右或更高。因此，在裝爐前必須對原料煤進行破碎和調濕等預處理。

在原料煤破碎調濕過程中，原料煤的粒徑分布非常廣，相當一部分粒徑較小的細煤組分不需破碎就滿足生產要求，若全部組分一起破碎，不僅增大破碎量及其消耗的機械能，且會將不需破碎的細煤組分再次破碎而生成大量粒徑過細的煤灰，在破碎及后續生產過程中產生“飛灰”現象，不僅惡化操作環境，且影響煤炭高值化產品的品質[3]。由此可見，破碎應集中于粗原料煤組分上。

同時，研究表明，煤炭的濕度一般隨其粒徑增大而變小，即粒徑越大濕度越小[4]，相當部分粒徑較大的粗煤組分不用調濕即能滿足生產要求，若將這部分粗煤與其他組分一起調濕，將會使其調濕過度，也會造成“飛灰”等現象，影響操作和使用效果。由此可見，調濕應集中于細煤組分上。

綜上，在煤炭破碎調濕之前，應將原料煤分級成不同組分，根據組分的粒徑和濕度的不同分別破碎和調濕，這將改善煤炭處理效果，提高處產品煤的品質，對煤炭高值化利用具有非常重要的意義。因此，本文著重研究了煤炭分級破碎調濕技術。其中，破碎一般作為獨立單元單獨進行，與分級和調濕過程關聯不大，且破碎技術簡單。基于此，本文只講述煤的分級調濕技術。

2 煤炭分級調濕技術

煤炭的分級調濕技術按實現方式可分為三類：煤炭分級類技術、煤炭調濕類技術和煤炭分級調濕一體化類技術。

2.1 煤炭分級類技術

這類技術可分為煤炭篩分分級技術和煤炭氣力分級(又稱風選)技術。

2.1.1 煤炭篩分技術

煤炭篩分分級技術主要用篩分機通過機械振動方式將原料分級，其所用設備主要有固定篩、滾軸篩、滾筒篩、搖動篩、共振篩、概率篩、等厚篩和振動篩等，其中振動篩設備相對于其它設備而言效果最好，是目前應用最廣泛的篩分設備[5,6]。該類技術工藝簡單，所需設備少且簡單，占地面積少，投資成本低，生產效率較高，單臺設備產能大。但分級不徹底，粗煤組分中夾雜大量細煤顆粒，尤其是原料煤濕度較大時，效果更差。該技術一般適用分級6 mm以上物料， 很難分級6 mm以下煤炭[7]。

2.1.2 煤炭氣力分級技術

煤炭氣力分級技術主要通過氣力夾帶對原料煤風選分級，如哈爾濱煤炭工業公司用FX12型振動流化床風選機對原料煤分級，如圖1所示[8]。

圖1 FX12型風選機工作原理示意圖Fig.1 Operational principle of FX12 winnowing separator

該設備最大可將15 mm以下組分分離出去。相對篩分分級技術而言，該技術工藝較復雜，所需設備較多，占地面積大，投資也較大。但該技術的分級效果很好，分級較徹底，細煤和粗煤組分之間摻雜現象較小；分級可調節性較強，分級切割粒徑可達0.12 mm，比較適合粒徑較小的煤炭分級；在分級時煤顆粒處在成流化態，粒徑不一的各組分分布較均勻，改善了原料煤品質[9]；且在分級時若用熱風介質或專門加熱的話，可同時實現煤調濕。

這兩種分級技術在工業中均廣泛應用，只是則重點不同。相對而言，篩分分級主要用于分級要求不高的場合，尤其是分級粒徑較大的煤炭，其技術和經濟優勢比較明顯；而氣力分級主要用于分級要求較高的場合，尤其是小粒徑煤的分級。

分級后再破碎粒徑大于要求的粗煤組分，大幅提高了煤炭破碎效果，降低能耗和飛灰量。但分級時難以同時調濕，分級后還需用專門設備對煤調濕以達到濕度要求。

2.2 煤調濕技術

煤調濕技術首先由日本于20世紀80年代開發利用，于20世紀90年代傳入中國并得到廣泛的應用和發展。這類技術根據其發展歷程可以分為三代[10]：熱介質油回轉爐煤調濕技術（第一代）、蒸汽回轉爐煤調濕技術（第二代）和流化床煤調濕技術（第三代）。

2.2.1 熱介質油回轉爐煤調濕技術（第一代）[11,12]熱介質油回轉爐煤調濕技術的工藝流程如圖2所示，熱介質油先由熱蒸汽等熱源加熱升溫，再通入回轉爐內與煤換熱并對其調濕而達到濕度要求，換熱后熱介質油從回轉爐內排出后再次被熱源加熱而循環利用。

圖2 蒸汽介質油回轉爐煤調濕技術工藝流程圖Fig.2 Schematic of coal moisture control technology withheat-transfer oil in rotary oven

該技術處理量大，調濕效果較好，但由于采用間接換熱，傳熱效率較低，流程復雜，裝置龐大，操作環節多，投資高，且所有原煤組分一起調濕，易使低濕度組分調濕過度，而高濕度組分調濕不足。

2.2.2 蒸汽回轉爐煤調濕技術（第二代）[12,13]

該技術由第一代煤調濕技術改進而來，可直接以蒸汽為熱源對煤調濕，其工藝流程如圖3所示。該技術與第一代相似，不同之處在與蒸汽熱源不是先與熱介質油換熱，再通過熱介質油對原料煤加熱調濕的，而是蒸汽直接通入回轉爐內加熱原料煤進行調濕，調濕效果更好，產能大幅提高，是現在利用最為廣泛的煤調濕技術。但其與第一代技術相似，裝置龐大，投資高，占地多且技術操作復雜，且無法直接利用荒煤氣、熱煙氣等氣體顯熱。

圖3 蒸汽回轉爐煤調濕技術工藝流程圖Fig.3 Schematic of coal moisture control technology with steam in rotary oven

2.2.3 流化床煤調濕技術（第三代）[10,15]

本技術是日本石蘭焦化室開發的，采用流化床調濕裝置，利用熱煙氣做流化介質與物料煤直接接觸換熱調濕，其工藝流程如圖4所示。

圖4 流化床煤調濕技術工藝流程圖Fig.4 Schematic of coal moisture control technology with flue gas in fluidized bed

燃燒生成的250～300 ℃熱煙氣鼓入調濕裝置，在布氣板作用下，在調濕裝置內均勻分布；同時用加料器將原料煤加入調濕裝置內并與熱煙氣混合接觸進行熱調濕。調濕后粗煤組分經卸料口排出，細煤組分隨氣流經流化床上部排出，用除塵器捕集后回收。調濕后煤濕度可由10%(wt)調整到5%左右，粗煤分率從40%～50%提高到70%～80%。用該技術煤調濕時，煤與熱煙氣直接接觸，熱效率高，反應時間短，生產效率高，工藝流程短，操作簡單，投資少，并可簡單分級。尤其值得一提的是，該技術以熱氣體為介質，可直接利用焦爐荒煤氣、焦爐煙氣、或電廠內低壓過熱蒸汽來對煤調濕。不過，在調濕過程中物料直接接觸，干燥迅速，所有組分一起調濕，極易造成局部調濕過度，物料以流態化態存在，尾氣內灰分含量較大，易污染環境。

整體而言，以上三代技術均能有效對煤調濕，然而均是全部物料一起加入裝置而不能分級調濕，很難避免調濕不均。不過，從這類技術發展趨勢來看，流化床煤調濕技術是未來發展的熱點。

2.3 煤炭分級調濕一體化技術

基于以上煤分級和調濕技術的特點，尤其是結合氣力分級和流化床調濕技術的特點和共性，人們開發出煤分級與調濕一體化技術。利用這類技術，煤分級和調濕可在同一個設備內耦合進行，即在氣力作用下，原煤被分級成不同組分；同時，在氣流熱作用下，不同煤組分根據組分粒徑和濕度的不同在設備內不同位置調濕，實現了在同一設備內分級和調濕一體化，這大幅提高了生產效率，降低了設備投資和生產成本，尤其是可根據粒徑不同進行分級和調濕，分級調濕后各組分再根據粒徑不同分別破碎，實現了分級調濕破碎，提高了調濕和破碎的效果。這類技術主要有振動流化床分級調濕一體化技術、移動-流化復合床分級調濕一體化技術、內熱復合流化床分級調濕一體化技術和流化-氣流復合床分級調濕一體化技術等。

2.3.1 移動-流化復合床分級調濕一體化技術[16,17]該技術的工藝流程如圖5所示。熱煙氣 (230℃)從底部進入分級調濕室內，原料煤通過頂部加入。原料煤與熱煙氣在篩板上充分接觸換熱進行調濕；同時調節溢流堰高度，使比重和粒徑不同的煤顆粒經不同下料口排出而實現分級。排出的廢氣由布袋除塵器將細粉分離后排空。煤濕度在30 s 左右可由10%降到5%左右，分級后得到粗煤和細煤樣中大粒徑粗煤分率均為40%，使粉碎量減少了一半，降低了粉碎能耗。通過該技術，可有效地直接利用熱煙氣同時對煤炭分級與調濕，熱效率高，調濕效果較好，生產能力大。但是，該裝置移動床流程過長，反應時間長，容易調濕過度，設備結構復雜，操作繁瑣，占地面積大，投資大，粗煤組分和細煤組分還存在相互摻雜現象，分級不徹底，這也體現了流化床分級不夠精確和徹底的缺點。

圖5 氣固流化床-移動床分級調濕耦合技術工藝流程圖Fig.5 Schematic of coal moisture control integrated with classification in fluidized-moving bed

2.3.2 振動-流化復合床分級調濕一體化技術

該技術由中冶焦耐集團開發，利用熱煙氣在輸送床和振動流化床集成的反應器內對焦煤分級調濕，工藝流程如圖6所示[18]。

圖6 振動流化床煤分級調濕技術工藝流程圖Fig.6 Schematic of coal moisture control integrated with classification in vibrating fluidized bed

煤炭經播灑裝置連續地拋灑到分級調濕裝置床面上，在振動力和高速氣流作用下，所有煤料都處于劇烈運動中，大粒徑煤料 (如＞3 mm)在振動布風板上跳動，快速移向出料口排出；中粒徑煤料 (如接近3 mm)從布風板中心區隨氣流快速上升，沿兩側壁下滑回落或從低速處回落，如此循環數次，即可到達出料端，從由一組傾斜隔板隔出的不同高度的出料口溢出；小粒徑煤料 (如≤3 mm)被夾帶出，由細粒分離器、旋風除塵器和布袋除塵器收集。在分級時，在熱氣流作用下，大顆粒在布風板上運動時被調濕，中粒徑煤在振動流化床內劇烈流化狀態下被調濕，小粒徑煤在被氣流夾帶走時被調濕，從而實現了分級調濕一體化。該技術分級效率高，物料與加熱介質直接接觸，熱效率高；同時，物料處在高速氣流或者振動狀態，無堆積或者氣流短路現象，調濕快，只需幾秒鐘，不同組分處在不同狀態，可根據粒徑和濕度的不同進行調濕，調濕效果好。對于處于相同狀態的物料而言，在高速氣流夾帶或振動狀態下而混合均勻，調濕效果均勻，且工藝較簡單，操作簡便。但是，該裝置界面大，占地面積大，振動流化床內氣速較高，振動和氣流輸送耗能高，振動流化床內構件結構復雜，制造成本高。

2.3.3 內熱復合流化床分級調濕一體化技術[19,20]

該技術由中國科學院工程熱物理研究所開發，其工藝流程如圖7所示[19]。

圖7 內熱復合流化床煤分級調濕技術工藝流程圖Fig.7 Schematic of coal moisture control integrated with classification in internal-heated fluidized bed

將170 ℃過熱蒸汽作為加熱介質蒸汽通如內置換熱器內[20]，并通過布風管向流化床內均勻地鼓入空氣作為流化介質，通過間接換熱，空氣被加熱成熱流化風；同時從頂部向分級調濕裝置內加入原料煤，其中粒徑較小的組分在風力作用下沒有進入截面較小的下段時就夾帶走，這一段基本為氣力夾帶段，剩余組分進截面較小的下段后在風力作用下以流化狀態存在，在裝置內形成流化段，其中一些粒徑過大的組分由于難以流化而沉入底部，隨著物料排出而逐步下移，形成移動段，物料實現了分級，在分級時，在內置加熱器和熱氣流作用下，物料分別在氣力夾帶段、流花段和移動段脫水調濕，從而實現分級與調濕一體化。

通過本技術的處理，物料濕度可從10%～12 %(wt)左右降到5%～6%，濕度約可降低5個百分點，基本可達到調濕目的，且該技術工藝較為簡單，所需設備較少，投資較少，操作簡便，操作成本較低。但是，由于氣力夾帶段截面積比流化段大，而為了保證物料能在流花段內流化和過大煤顆粒不流化，同時也為了防止內置換熱器風力磨蝕，裝置內風速不能過高，這使氣力夾帶段風速更低，在低風速下，夾帶出的組分粒徑一般很小，一般在0.2 mm以下，基本起到除灰的作用，很難得到可用的小粒徑組分煤；由于流化分級特性，在流化段只能對物料粗分，且分級不徹底，因此整個分級效果較差。由于裝置內風速較小，風速調節范圍不大，分級可調節性較小。物料從裝置上部加入，當裝置截面較大時，很物料易分布不均，尤其是物料濕度較大時，更易團塊，加料難度較大，且團塊內小粒徑組分很難在氣力夾帶段被分離出而直接隨團塊進入到流花段，這也惡化了分級效果。另外，由于是間接換熱，熱效率和利用率均偏低，加之內置構件改變了物料流動狀態，流化效果較差，易局部積料和熱量分布不均勻，這會使局部溫度過高，甚至會飛升，極易造成物料中細煤組分自燃，嚴重時會造成失火事故。經多年開發，該技術已實現了500 kg/h工業中試，但由于自身局限，該技術距開發成型并實現工業化應用還需一定時日。

2.3.4 流化-氣流復合床分級調濕一體化技術

本技術是由中國科學院過程工程研究所開發，其工藝流程如圖8所示。

熱煙氣從進氣口進入到裝置內，在布風管作用下，均勻地依次進入流化床和氣流床內，最后從頂部排出；同時向裝置內加入原料煤，原料煤在氣力作用下被進入氣流床內，然后隨熱煙氣排出，經分離器分離后獲得細煤組分；沒有被夾帶的組分落入流化床內不斷流化，然后溢流口排出，而過大的顆粒組分不能被流化而落入流化床底部（布風管下面）并從底部下料管排出，煤被分級成不同組分；在分級時，不同組分分別在裝置內與熱氣流換熱調濕，從而實現分級調濕一體化。

圖8 流化-氣流床煤分級調濕技術工藝流程圖Fig.8 Schematic of coal moisture control integrated withclassification in fluidized-pneumatic bed

經該技術處理，煤濕度可從10%～12%(wt)調整到5%～6%甚至更低，達到了調濕要求[22]。同時，由于加料口位于氣流床底部，氣速對進料影響不大，內構件較少，不用考慮其風蝕，因此氣流床氣速可根據分級需要而調整，分級調節性非常強。由于氣流床內氣速可調性很強，在滿足流化床內氣速的同時，可以在氣流床底部安裝二級進氣口，從而根據分級和調濕的綜合效果，調整氣流床和流化床內氣量配比，使分級效果和調濕效果達到最優化，裝置和工藝操作的調節性很強。由于裝置內的氣量可以根據需要隨意調節，在相同煤和氣體配比的情況下，可大幅增加原料煤處理量，通過開發本技術進行的2 t/h的中試試驗效果來看，根據氣流床截面積來算，其單位面積的正常處理量為7.2 t/(m2·h)，最高可達15 t/(m2·h)左右，是其它技術裝置處理量的2～3倍[22]，在相同處理量的情況下，大幅減少了裝置的占地面積，降低了投資成本。不過該技術與其它采用氣力分級調濕的技術一樣，其加料要求較高，尤其是原料濕度不能太高，否則容易團塊，不利于進料和分級，可能會造成“瀉料”現象，嚴重時會出現堵料塞現象。

相對于其它煤分級調濕一體化技術，本技術基于較強大的分級調濕調節性和單設備大產能等特點，其優勢比較明顯，是未來具有良好發展前景的煤分級調濕一體化技術。

整體而言，煤分級調濕一體化技術是結合煤分級技術和煤調濕技術的特點和共性近年來才開發出來，雖然技術還不太成熟。但是這類技術相對于單獨的煤分級技術和煤調濕技術，已展現出強大的技術和經濟優勢，是未來煤預處理技術發展的趨勢和熱點，尤其是流化-氣流復合床煤調濕一體化技術。

3 結 語

本文著重地分析研究了高值化用煤的分級和調濕預處理技術，隨著煤炭高值化利用對煤質的要求越來越高，煤炭分級和調濕預處理技術迅速發展，開發出許多相關技術，且經多年研發，這兩類技術逐步向一體化方向發展，這是煤炭分級和調濕預處理技術發展的趨勢和方向，雖然這些技術都還不太成熟，但其技術和經濟優勢逐步顯現出來。因此，建議研發這類技術，尤其是流化-氣流復合床分級調濕一體化技術，以滿足未來煤高值化利用的需求。

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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）

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.

Coal pretreatment technologies; Classification; Moisture control; Development trend; integration

TQ 530

： A

： 1671-0460（2015）10-2413-05

2015-04-23

劉周恩（1979-），男，河南鶴壁人，中級職稱，博士學位，2011年畢業中國科學院，研究方向：從事能源化工技術研發工作。E-mail：lzetf2014@163.com。