褐煤干燥提質技術現狀及發展趨勢

邰世康，杜坤，王雅靜，程世升，陸文劼，鄧旭，陳夢圓

(1.中國神華國際工程有限公司，北京 10007；2.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083；3.中國神華國際工程公司，北京 100007；4.中化商務有限公司，北京 100045)

0 引言

褐煤干燥提質是在一定的壓力溫度條件下，去除褐煤的含氧官能團、水分和多余的灰分，增強褐煤品質的操作過程叫做褐煤提質。褐煤提質的方式主要有化學法和物理法，化學法是褐煤在隔絕空氣(或在非氧化氣氛)和較高的溫度下熱解，生成焦油、粗苯、煤氣和半焦或焦炭的過程，同時脫除大部分揮發分和水分[1]。此熱解反應中熱分解和焦化等化學變化發生在褐煤體內。物理法則是將褐煤與過熱蒸汽、熱煙氣等高溫物質混合，進行換熱處理，脫去少量揮發分和大部分水分，整個操作過程中褐煤不發生任何化學變化[2]。

煙氣干燥褐煤顆粒不僅提高了褐煤的熱值，同時降低了其中的水分，而且褐煤的性質及表面結構在一定程度上得到很大的改善。隨著溫度的升高，褐煤的水分進一步降低，達到所需要求后即可進行后續處理[3]。針對褐煤高揮發分、高水分的自身特點。褐煤干燥提質可以有效地利用褐煤資源，對其后續的轉化有重要作用，也是目前褐煤利用的主要途徑之一[4]。褐煤干燥的原理及特性研究對褐煤的加工提質技術具有重要的指導作用，不僅有助于增強對褐煤干燥提質技術的全面認識，也對開發褐煤提質轉化技術具有重大意義。

1 褐煤提質研究技術現狀

1.1 褐煤水分分類

按水的結合狀態來分，化合水和游離水兩大類組成了煤中的水分。以化合方式同煤中的礦物質結合的水分稱為化合水，而以附著、吸附等機械方式與煤結合的稱為游離水。通常煤的工業分析只測定游離水，而化合水不能準確測定，游離水在105 ℃下高溫加熱干燥才能脫除。內在水分、外在水分和礦物質結晶水分組成了煤中水分[5]。通常來講，褐煤的外在水分很容易脫除，而褐煤中礦物質結晶水分和內在水分脫除困難。褐煤孔結構的狀態和發育程度決定了內在水分脫除的難易[6]。褐煤可看作兩部分構成，微孔系統和凝固的膠體網狀組織，含水介質充滿其空間，可看作構成網狀組織的大孔中的游離水或微弱結合的水比較容易脫除，而脫除存在于微孔系統中被緊緊吸著的水需要恰當提升溫度和壓力。最后煤結構中含氧官能團呈化學吸附狀態的水分必須通過較高壓力和溫度才能脫除，煤中礦物質(如硫酸鈣等)的結晶水也必須通過高溫度條件下才會移除[7]。

1.2 褐煤干燥脫水技術

褐煤的干燥脫水技術工藝大致可分為兩類：蒸發脫水、非蒸發脫水，如圖1所示。

圖1 褐煤干燥技術分類

蒸發脫水技術是指在較低溫度下，通過使用過熱油、熱蒸汽或煙道氣為干燥介質將褐煤進行加熱去除水分的干燥方法，以下為幾種常見的蒸發脫水提質方法：(1)回轉管式干燥工藝；(2)澤瑪克(ZEMAG)褐煤干燥提質技術；(3)UBC褐煤提質技術；(4)BCB褐煤提質技術；(5)褐煤脫水熱壓提質(HPU)技術。

1.3 褐煤提質技術發展趨勢

當今合理利用煤炭資源研究的新方向之一就是褐煤的高效清潔利用[8]。褐煤干燥提質利用技術的多項優點一定能讓其在今后的能源領域大放異彩。但是我國目前缺少對褐煤干燥提質技術基礎理論研究的足夠重視，投入資金不足，還有不少技術難題需要盡快探索，例如：褐煤干燥技術的原理、干燥特性參數的規律變化、褐煤熱干燥自身動力學以及氣流干燥管的操作參數等，而這些則對高溫干燥褐煤之后產品質量有本質的影響[9]。因此，未來采用數值模擬的方法重點在褐煤干燥提質工藝中氣流干燥的過程做相關基礎研究，為工藝改進和中試試驗提供理論和技術支持。

2 褐煤脫水熱壓提質(HPU)工藝

2.1 HPU工藝介紹

HPU工藝工作流程如圖2所示，低品質煤經破碎，達到工況粒徑之后由螺旋給料機進入干燥管，然后由700 ℃高溫煙氣爐產生的高溫煙氣裹挾通過直管式氣流干燥管。這一過程中，完成高溫煙氣與褐煤顆粒間的傳熱作用，接著氣固兩相流通過旋風分離器，完成氣固分離。氣流和細小粉塵通過布袋除塵器，氣流由引風機排出，細小粉塵和褐煤顆粒可以通過成型機加工成型煤也可直接得到提質煤粉[10]。

圖2 HPU中試試驗線流程圖

2.2 HPU中試實試驗

由表1中試試驗數據可知，氣流干燥器運行系統中，不同階段顆粒與高溫煙氣傳熱量比例變化較大，各階段傳熱比例與模擬結果較為一致。氣流干燥管前25%距離的傳熱量約占總交換熱量的75%左右；剩余25%熱量交換完成在干燥管后75%距離。這種比例在各個型號氣流干燥管運行過程中變化不大。當顆粒進入干燥器時，物料顆粒與高速流動的高溫煙氣迅速混合，沿煙氣運動方向被加速，進行強烈的傳熱作用，整個階段持續時間很短，主要的傳熱作用都在該段完成。該段結束后，物料顆粒進入降速干燥階段，該階段物料顆粒的速度基本不變，顆粒與煙氣間的傳熱作用相對比較緩和。

表1 HPU褐煤氣流干燥中試實驗數據

3 結語

綜上所述，為更好地利用褐煤資源應該大力發展褐煤干燥技術，總結了褐煤回轉管式干燥工藝、澤瑪克(ZEMAG)褐煤干燥技術、UBC褐煤提質技術、BCB褐煤提質技術及褐煤脫水熱壓提質(HPU)技術等5種褐煤提質技術，得出未來應重視利用數值模擬的方法為褐煤提質技術基礎理論和技術改造升級提供理論支撐。最后，介紹了褐煤熱壓提質(HPU)工藝流程，結合中試驗研究和分析HPU褐煤氣流干燥中試成果，探究褐煤氣流干燥操作和使用特點，掌握顆粒與高溫煙氣的換熱規律。