褐煤提质技术开发现状及分析.pdf

r 一 一 I 中国科技核心 期刊全国中文核心期刊矿业类核心期刊J 褐煤提质技木开发现状及分新 朱 书全 中国矿业大学 北京化学与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 分析褐煤储量和褐煤性质的基础上 ， 提 出了褐煤提质的必要性。介 绍 了国 内外褐 煤主要提质技术， 分析了这些技 术的利 用状况及优缺点 ， 重点介绍 了国内褐煤提 质的主要示 范项 目， 并对褐煤利用方向提 出了一些建议 。 关键词 褐煤； 提质技术； 工业化 ； 节能； 可持续发展 中图分 类号 T D 8 4 9 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 6 7 7 2 2 0 1 1 0 l 一 0 0 0 1 0 4 褐煤根据变质程度不同， 分为硬褐煤和软褐煤 两大类。硬褐煤主要分 布在美 国、 俄罗斯 和 中国， 总量达到 2 0 0 0多亿 t 。软褐煤 主要分布在俄罗斯 、 德 国、 澳大利亚和美 国。中国的软褐煤主要赋存在 云南昭通煤田， 储量超过 8 0亿 t - 2 ] 。 1 褐煤提质 必要性 褐煤煤化程度低 ， 易风化 、 自燃 ， 储 存 困难 ， 长 途运输成本高， 难 以满足普通用 户的质量要求 ， 严 重影响褐煤资源 的直接 利用。因此对褐煤进行 提 质 ， 降低水分 ， 提 高发 热量 ， 提 高能量密度 ， 防止 自 燃便成为褐煤加工利用的关键技术 。 褐煤提质包括干燥提质 脱水 和洗选提质 脱 灰 。褐煤含有大量的水分 ， 软褐煤含水量甚 至高 达 6 0 ％以上 。褐煤提质的关键是除去其 中的水分 ， 方法大致可分为 ① 直接或 间接加热 干燥 ， 如 回转 管式干燥工艺 ； ②机 械力和热力联合 提质， 如澳大 利亚的“ 冷干工艺 ” 。德 国从 2 0世 纪 4 0年代开始 研究褐煤加工技术 ， 到 2 O世纪 6 O年代率先实现 了 软褐煤的冲压成 型工业化 应用。2 0世 纪 7 0年代 初 ， 澳大利亚 、 美 国等 开始研发褐煤提质技 术。此 后 ， 日本作为能源缺乏的国家对廉价褐煤的利用也 非常重视。 近年来 ， 随着中国煤炭 资源 的不断减少和烟煤 价格大幅上涨 ， 各大矿业集 团对开采利用边远地区 褐煤资源的愿望越来越强烈 。同时， 一批新建煤化 工项 目也因褐煤价格相对低廉而纷纷改用褐煤作 为原料 ， 参与褐煤提质加工技术 的开发 ， 形成 了国 内研发褐煤提质技术 的热潮 。中国拥有丰 富的褐 煤资源 ， 开发高效褐煤提质技术并进行相关基础理 论研究具有重要的战略意义。 2 国外褐煤干燥提质技术 近年来 ， 澳 大利亚 、 美 国、 德 国 、 日本 等 国家都 在研究开发褐煤的干燥工艺和设备 。 1 回转管式干燥工艺 该技术是成熟的褐煤轻度干燥工艺， 德国拥有 该专利技术 ， 主体设备 为回转 窑。常压下 ， 低压蒸 汽通过管式干燥器将煤加热至约 1 0 0 o C， 使水分蒸 发， 并利用和煤一起进入回转窑 的空气作 为脱水介 质 ， 脱水后的空气通过除尘器 与煤粉分离 ， 部分 空 气经压缩进入 回转窑循环 ， 剩余排人大气。该技 术 能耗较高， 尾气排放量较大。 2 高温高压法 压力容器法 美国 K F x 公司在 2 0世纪 8 0年代中期开发 了 K 燃料工艺 KF u e l P r o c e s s ， 经过 2 0 a的完善已进入 收稿 日期 2 0 1 01 21 8 作者简介 朱书全 1 9 5 9 一 ， 男 ， 安徽寿县人 ， 中国矿业大学 北京 教授， 博士生导师 ， 曾在澳大利亚联邦科学院 C S I R O 进修 ， 从事水 煤浆 和褐煤提质等相 关领域研究工作。 朱书全 褐煤提质技术开发现状及分析 2 工业应用 阶段。其提质过程为 原煤经过粉碎筛分 后， 将 6～ 8 O IT U R 粒级的褐煤通过带式输送机输送至 煤斗， 间歇式送入压力容器 ， 在压力约 3 ． 7 MP a和温 度 2 3 8℃下维持一定时间， 促使 内水蒸发 ， 形成饱和 氛围， 并伴随着含氧官能团的分解发生表面改性， 实 现褐煤提质。压力容器内的物料在降温后排出， 经固 液分离后， 回收部分水 的余热， 工艺水可循环使用。 近年来 ， 该工艺已从煤水共热改进成问接加热 ， 已在 美国 F o r t U n i o n 建厂试生产。 该工艺的优 点是相对安全 ， 能实 现有 效提质 ， 褐煤水分去除率可达 5 0 ％ ～8 0 ％ ， 褐煤表面亲水性 降低 ， 水分复吸率下 降； 缺点是不能处理细粒物料 ， 装置为间歇式 ， 处理能力低 ， 能耗相对较大， 必须配 备细粒煤废水处理系统。 类似的技术还有乌克兰的热压处理工艺 1 3 1 0 0 m m 的褐煤在 2 M P a压力的饱和蒸汽下处理 2 ～ 3 h ， 将褐煤的水分 由 3 3 ％减少到 1 5 ％ ～1 8 ％ ， 热 值由 1 5 ． 7 k J ／ g提高到 2 0 ． 7 k J ／ g 。 日本电源开发公 司和川崎重工公 司开发了 DK非蒸发脱水工艺 ， 实现褐煤水分在非蒸发条件下加热 ， 使水分以液体 状态从褐煤中脱出， 其煤质变化类似天然的煤化作 用 。整套装置有 4台压力釜， 可实现半连续运转 ， 压 力釜之间排出的蒸汽和热水可进行回收。 3 U B C热油工艺 日本神户制钢所 K o b e S t e e l G r o u p 于 1 9 9 3年 开始研究褐煤提质技术。具体过程为 将褐煤磨成 粉状后 ， 与再 生油 通常是石油 的轻油 和重油混 合， 形成煤浆 ， 然后在一个蒸发器中加热煤浆 ， 水分 被蒸发 ， 再用细颈盛水瓶从脱水的煤浆 中回收油 ， 得到提质粉煤后压制成型以便于运输。此工艺和 K F u e l 不同的是以油为加热介质 ， 产品是型煤 。 4 怀特能源公司的 B C B技术 怀特公司采用低温辊 压成型技术 ， 不改变煤的 化学性质 ， 不涉及煤炭焦化特性 ， 加工成本低 ， 产品 质量较好。具体工艺过程为 小于 3 mm的煤 粉在 管式干燥器 中被 3 0 0～4 0 0℃ 的烟气快速 升温 至 1 0 5～1 1 0℃ ， 不完全干燥的煤粉通过旋风分离器捕 集后 ， 进入对辊式成型机。由于型煤在生产过程中 会升温， 为防止 自燃 ， 有必要对型煤适量喷水冷却。 5 亚太煤钢公 司的“ 冷干” 工艺 澳大利亚亚太煤钢公司的“ 冷干 C o l d r y ” 工艺 可将含水量为 6 0 ％的褐煤制成含水量为 8 ％ ～1 4 ％ 的棒状型煤 ， 目前拥有 1 条 5 t ／ h的试验线。在专用 设备中用“ 剪切” 原理打破褐煤的碳结构 ， 使煤发生 变化 ， 在 2 0～ 3 0 c C实现煤水分离 ， 然后施加压力 ， 挤 出蠕状煤条 ， 硬化后 ， 再送入大型漏斗状干燥器 ， 经 蒸气干燥 4 8 h后连续排出 ， 制成型煤产 品。该工艺 的特点是先机械排水 ， 然后烘干 ， 能耗相对较低 ， 但 专用设备的大型化还有待解决。 6 热压脱水工艺 M T E MT E和“ 冷干” 工艺类似 ， 不同的是在 2 2 0℃下 机械力除水 ， 后续为闪蒸干燥。该工艺 由德 国多特 蒙德大学 S t r a u s s 等研究开发 ， 综合了热脱水和机械 脱水的优点。工艺过程分为 4个 阶段 ①工艺热水 预热 ； ②过热蒸汽加热 ； ③加压脱水 ； ④ 闪蒸进一步 脱水 。 7 德 国科林 D WT技术 D WT技术对进入过热蒸汽流化床 干燥器 的褐 煤粒度有要求 ， 粒度小于 4 m m 占9 6 ％ 以上 ， 小于 1 m m 占5 7 ％以上。干燥褐煤所需的热量 由位于流化 层内的蒸汽盘管提供。干燥 的褐煤通过旋转 阀从 干燥器导出， 在干燥过程生成的二次蒸汽 流化蒸 汽和从褐煤 中蒸发 的水分 经过 电除尘器 ， 一部分 经过循环风机作为流化蒸汽循环使用 ， 剩余部分可 全部经过蒸汽再压缩热泵 蒸汽压缩机 提高其温 度和压力后进人干燥器内的换热盘管 回收热量 ， 换 热后作为清洁的冷凝水回收。 3 典型的国 内褐煤干燥提质技术 目前 ， 国内许多高校 、 科研 机构和相关 的发 电 企业都在积极开展褐煤提质技术的相关研究 ， 代表 性 的工业 示 范项 目为 1 神华宝 日希勒褐煤提质工业示范项 目 神华宝 日希勒 20 ． 5 M t ／ a 褐煤提质工业试验 项 目采用神华集 团委托中国矿业大学 北京 开发 的褐煤脱水热压提质 H P U 技术。项 目采用 6种 内蒙褐煤作 为试验样 品， 研究 了不 同干燥 方式 、 干 燥强度与提质煤表面性质的关 系， 确定 了机械成型 提质的相关参数 ， 实现 了褐煤 的无粘结剂成型。工 艺试验项 目2 0 0 8年开工 ， 2 0 0 9年 1 0月一次性带负 荷试车成功 ， 产 出型煤 的成球率较高 ， 水分 由 3 3 ％ 降到 8 ％ 以下 ， 煤质发热量 由原来 1 5 ． 9 k J ／ g提高到 2 2 ． 2 k J ／ g以上。H P U技术主要是将含水量大的原 煤经过快速加热脱 水、 干燥 、 在无粘结剂条件下迅 速压制成 型。工 艺系统包 括备煤 系统 、 热烟 气系 统、 干燥系统、 成型系统 、 冷却系统 、 成品输送储存 6 洁净煤技术 2 0 1 1年第 l 7卷第 1 期 大系统和循环流化床高温烟气炉 、 粉煤直管式气流 干燥装置和无粘结剂高压对辊成型机等关键设备。 目前该示范项 目已移交神华煤制油公 司， 进 入消缺 整改阶段。 2 白音华煤 电公司煤提质干燥项 目 白音华煤 电公 司煤提质分公 司重点 发展 白音 华地区褐煤提质工程项 目， 规划规模 1 5 0 0万 t ／ a ， 一 期规划规模 3 0 0万 t ／ a ， 建设 2条 1 5 0万 t ／ a生产线 ， 是 目前世界上最大 的单 条煤 提质生产线 。项 目采 用先 干燥去水再 干选 排矸 、 降温的生产工艺 ， 目的 是将发热量为 1 4 ． 7 k J ／ g左右的高水分褐煤提质加 工到发热 量为 l 8 ． 8 k J ／ g以上 ， 核心设 备主要 为振 动混流干燥器和复合式干选机 ， 目前一期第一条生 产线安装完毕 ， 整个生产系统进入调试阶段。 3 中国大唐华银电力股份有限公司提质技术 大唐集 团华银 电力股份有限公 司在美 国 E N C O A L公司开发的 L F C技 术基础上 ， 结合 中国褐煤 特性 ， 自主研发出低阶煤转化提质技术 L C C ， 并在 内蒙古锡林郭勒市建设处理能力 1 0 0 0 t ／ d的褐煤 干燥示范装置生产线。1 9 9 2年第一座示范厂 E N C O A L 在科罗拉多州 的吉勒特市 附近建设 完成并 投产运行。L F C提质技术 由美 国 S G I 公 司 1 9 8 7年 研发 随后壳牌矿业公 司 S MC 加人共 同研发 ， 现 为 MR E公司拥有。L F C热解提质工艺是 以低 阶 煤提质为 目的 ， 生产 固体燃料和液体燃料。原工艺 将 3～5 0 I n l l l 粒级煤通过 给煤机给入干燥 炉， 通过 调节炉 内温度和停 留时间脱 出原煤水分。在 干燥 炉和热解炉中问 ， 有 1个细格子的转鼓 ， 将上部落下 来 的煤与下部 吹上来 的循 环加 热气体形成对流进 行混合 ， 控制进入热解炉的流量。干燥后 的煤进入 约 5 4 0 c IC的热解炉热解。产品半焦发热量 比原煤提 高 5 0 ％以上。为 J ， 控制半焦产生的粉尘 ， S MC公 司 开发了 MK防尘和表面改性 添加剂 。采用 L C C技 术对褐煤进行加工提质后 ， 可生产 出高稳定性 、 低 硫量 、 高热 值 的低 温 半 焦 P MC 和 低 温 煤 焦 油 P C T 。 4 大唐斟际锡林浩特褐煤滚筒干燥技术 大唐锡盟煤干燥项 目是 大唐 国际发 电股份 有 限公司煤化工项 同之一 ， 旨在利用大唐 自有 的内蒙 古东胜利二号露天煤矿 的褐煤为原料 ， 通过干燥 提 质 ， 增加煤炭的附加值 ， 为大唐系统 内火 电厂、 煤 化 工项 目提供优质褐煤。该工艺将小于 3 0 m r n的褐 煤输入带有扬料装置的滚筒 干燥机 ， 通入热烟气直 朱 朽伞 褐煤提质技术 开发现状 及分析 r I 中国 科技 核心期刊 全国中 文核心期刊 矿业类核心期刊J 接接触 换 热 ， 实现 高 水分 褐 煤不 同程度 的干燥。 2 0 0 8年 6月进行了规模 2 0 t ／ h中试 ， 结果表明在最 优工艺 参数 下可将 褐 煤全 水分 由原来 的 3 5 ％ ～ 4 0 ％干燥到 1 5 ％以下 ， 褐煤热值 由 1 2 ． 5 6 0～1 3 ． 8 1 6 k J ／ g 提升至 1 8 ． 8 4 0 k J ／ g 。该项 目证实 了滚筒干燥 技术可用于高水分褐煤 的干燥 ， 掌握 了褐煤滚筒干 燥过程 中的关键技术 ， 并计划采用部分成型工艺路 线将粒径小于 1 tu r n的褐煤分离出来进行无粘结剂 高压成型， 解 决干燥后褐煤 易扬尘 、 回水 、 自燃 、 亏 吨等问题 。2 0 0 9年 1 0月 ， 大唐 国际批复工程转入 大中型基建 ， 目前正在进行一期规模 61 0 0 t ／ h褐 煤干燥工程建设 ， 项 目总体规划年处理量 2 0 0 0万 t 。 滚筒干燥虽能 有效 降低 褐煤 水分 ， 但不 能有效 提 质 ， 水分复吸严重 ， 且存在严重的系统安全问题。 5 呼伦贝尔金新化工型煤工艺 金新化工有限公司褐煤提质是为年产 5 0万 t 合 成氨和 8 0万 t 尿素的气化项 目提供原料煤。金新化 工型煤工艺采用德 国 Z e m a g 机械制造有限公司的蒸 汽管式干燥技术 ， 工艺包设计采用中国化学工程股份 有限公司和德国 Z e m a g机械制造有限公司共 同开发 的工艺技术。褐煤干燥成型系统包括原料褐煤 的破 碎筛分 、 褐煤干燥、 干煤细碎及成型。计划型煤生产 能力 1 0 0万 t ／ a ， 原煤消耗量1 2 5万 t ／ a 。计划于 2 0 1 1 年 7月投料试车 ， 产出型煤产品。 此外 ， 清华大学 、 浙江大学和煤炭科 学研究 总 院唐 山研究 院等 高校 和科研设计 单位也在开发褐 煤提质的相关技术 ， 如微波提质研究等。 中国的褐 煤提质技术处 于试验研 究和工业化 应用初始阶段 ， 各种不 同的褐煤提质技术在具有 自 身优势的同时 ， 也存在一些不足。加强褐煤提质技 术基础理论和关键设备 的研究对 于提 高褐煤 利用 率 ， 建设资源节约型社会 ， 保证 国民经济 可持 续发 展 具有 重要 意义 。 4 结 语 褐煤提质具有节能 -描r lg , 效的作用 ， 要加强褐煤提质 工艺与电厂建设的结合 ， 有效利用电厂余热解决粉煤 的出路问题。同时由于褐煤氢含量 比烟煤高， 使用褐 煤对建设燃煤产生的二氧化碳减排有积极意义。 虽然褐煤的利用还存在诸多问题， 但有国家政策 的支持 ， 煤炭企业应抓住发展机遇 ， 规划调整发展战 略， 在引进国外先进技术的同时， 加强 国内技术的 自 主开发， 提高褐煤提质技术， 同时还要加强建设复合 3 4 式煤炭循环经济清洁生产产业链 ， 以褐煤为原料制备 清洁能源， 如煤气、 煤焦吸附剂等延伸产业链 ， 实现褐 煤煤业的可持续发展， 对于中国国民经济的可持续发 展 ， 保证国家能源安全具有重大意义。 参考文献 [ 1 ]陈清如， 刘炯天． 中国洁净煤[ M] ． 徐州 中国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ]戴和武 ， 谢可玉． 褐煤利用技术 [ M] ． 北京 煤炭工业出 版社 ， 1 9 9 9 ． [ 3 ]邵俊杰． 褐煤提质技术现状及我国褐煤提质技术发展 趋势初探[ J ] ． 神华科技， 2 0 0 9 ， 7 2 1 7 2 2 ． [ 4 ]H a s s a n K， R e n d e r G ． ．L o w G r a d e C o a l s A R e v i e w o f S o m e P r o s p e c t i v e U p g r a d i n g T e c h n o l o g i e s[ J ] ． E n e r g y F u e l s ， 2 0 0 9 ， 2 3 7 3 3 9 2 3 4 0 5 ． [ 5 ]T o m S u g i t a ．U B C U p g r a d e d B r o w n C o a 1 p r o c e s s d e v 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t r a t i o n p r o j e c t o f l i g n i t e q u a l i t y i m p r o v e m e n t i n C h i n a ，a n d p u t f o r w a r d s o m e s u g g e s t i o n o n u t i l i z a t i o n o f l i g n i t e ． Ke y wo r d s l i gn i t e；q u ali t y i mp r o v e me n t t e c h n o l o gy ；i nd u s t r i a l i z a t i o n；e n e r gy s a v i n g； s u s t a i na b l e d e v e l o p me n t _{ ． } } ． } ． } ． } ． } _ 圭 ． } _ { ．} ． } _ { ． } ． } ． } _ { ． } ． } } {． } { ． } ． } } } ． } } ． } ． } ． } } { } 一 { } { } u { } _ { } _ { } } }{ ． } _ { } _ { } } _ { } _ { } _ { } _ { } _ { } _ { } { ．} } 欢迎订 阅 2 0 1 1年 洁净煤技术 杂志 洁净煤技术 杂志是 由煤炭科学研究总院与煤炭工业洁净煤工程技术中心联合主办， 经 国家科委与新 闻出版署正式批准 ， 向国内外公开发行的国家级专业科技刊物 ， 中国科技核心期刊。 洁净煤技术 杂志统一刊号 C N 1 1 3 6 7 6 ／ T D， I S S N 1 0 0 6 6 7 7 2 ， 双月刊，大 1 6 K， 每期定价 2 0元， 全 年 1 2 0元。本刊 自办发行 ， 请您直接与本刊编辑部办理订阅手续 。订阅方法 邮局汇款 北京和平里煤炭科学研究总院， 收款人 洁净煤技术 编辑部 ， 邮编 1 0 0 0 1 3 ； 银行汇款 工商行和平里支行营业室 ， 户名 煤炭科学研究总院； 银行帐号 0 2 0 0 0 0 4 2 0 9 0 8 9 1 1 5 9 1 0 ； 开户地 北京市朝阳区； 联系电话 0 1 0 8 4 2 6 2 9 2 7 ， 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