中国褐煤的综合优化利用.pdf

28 赵振新 ，朱书全 ，马名杰 ，张 王路 宁 ，颜淑娟 ，杜 晓静 1 ． 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 ； 2 ． 平顶山工学院 化学化工系，河南 平顶山 6 7 0 0 0 ； 3 ． 河南理工大学 材料科学与工程学院， 河南 焦作 4 5 4 0 0 1 摘要 通过分析 中国褐煤的特征、 分布等 ， 提 出了在 当前煤炭综合加工利用中中国褐煤综 合优化利用的技术与方向， 以解决中国环境污染问题 ， 促进褐煤能源的合理利用。 关键词 褐煤；综合优化利用 中图分类号 T Q 5 3 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 - 6 7 7 2 2 0 0 8 0 1 - 0 0 2 8 0 4 能源与环境是国民经济和社会可持续发展的重 要保证。2 0 2 0年 ， 煤炭在 国家能源构成 中仍将 在 6 0 ％左右 。中国煤炭资源储量相对丰富 ， 2 0 0 6年 ， 中国煤炭产量已经达到 2 3 ． 3亿 t ， 已探 明的褐煤查 明资源储 量 达 1 3 0 0多亿 吨 ， 占全 国煤炭 储 量 的 1 3 ％ ， 但煤炭毕竟是不可再生的有限资源， 在强调绿 色安全开采的同时 ， 必须更加强调洁净加工 、 转化与 高效利用。对于褐煤加工企业来说 ， 及时调整和部 署 自己的发展战略 ， 积极应对市场变化 ， 通过开发应 用新的褐煤技改项 目， 设计开放式 的煤炭循环经济 模式 ， 建设复合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、 煤基液态燃料、 型煤 、 煤焦吸附剂等延伸产业链， 搞好褐煤的加工及 综合利用 ， 实现褐煤产业的可持续发展， 对中国国民 经济的可持续发展 ， 建设节约型社会 ， 落实科学发展 观 ， 保证 国家能源安全具有很大意义。 1 中国的褐煤资源 1 ． 1 中国褐煤资源的形成时代 从 中国褐煤的形成时代来看 ， 以中生界侏罗纪 褐煤储量的比例最多， 约 占全 国褐煤储量的 8 0 ％ ， 主要分布在内蒙古东部与东北三省紧密相连的东三 盟地区。新生代第三纪褐煤资源约 占全国褐煤储量 的2 0 ％左右， 主要赋存在云南省境 内。四J i I 、 广东、 广西、 海南等省 区 也有少量第三纪褐煤 ， 华东地 区的第三纪褐煤主要分布在山东省境 内， 东北三省 也有部分第三纪褐煤。在侏罗纪褐煤中极少有早中 侏罗世褐煤 ， 一般均属晚侏罗世纪褐煤 。 1 ． 2 中国各大区褐煤资源的分布概况 由煤 田地质勘探资料表明， 中国的褐煤资源主 要分布在华北地区， 约 占全国褐煤地质储量的 7 5 ％ 以上见表 1 ， 其 中又 以内蒙古东部地区赋存最多。 西南区是中国仅次于华北区的第二大褐煤基地 ， 其 储量约占全 国褐煤的 1 2 ． 5 ％ ， 其中大部分分布在云 南省境内。但西南区的褐煤几乎全部是第三纪较年 轻褐煤 ， 而华北区的褐煤则绝大多数为侏罗世的年 老褐煤。东北 、 中南 、 西北和华东四大区褐煤资源的 数 量均较 少 。 表 1 中国各大区褐煤储量分布 2中国褐煤的煤质分析 中国褐煤的煤质特征与其形成时代有着密切的 收稿 日期 2 0 0 71 1 1 4 作者简介 赵振新09 7 2一， 女 ， 河北唐山人 ， 中国矿业大学化学与环境工程学院博士研究生 ， 主要从事有机合成及煤化 工研究工作。 洁净煤技术 2 0 0 8年第 l 4卷第 1期 维普资讯 关系， 中国若干褐煤矿区商品煤的工业分析见表 2 。 表 2 中国若干褐煤矿 区原煤工业分析 煤的灰分是煤质评价最重要的指标 ， 它直接影 响煤的发热量， 降低煤的工业利用价值。中国褐煤 的灰分较高， 第三纪褐煤平均灰分 A 为 2 5 ． 1 8 ％ ， 属于中灰煤； 侏罗纪褐煤 1 1 ． 3 0 ％， 如内蒙的扎赉诺 尔、 云南的先锋和小龙潭露天褐煤矿区所产褐煤 自 然灰分均在 1 0 ％以下 ， 属于低灰煤 ， 但资源很有 限， 应当特别珍惜和保 护。印尼等 国家所产灰分低于 5 ％的特低灰褐煤在 中国还 尚未发现。 煤中硫分 S 是 评价煤 质 的另一项重 要指 标。袁三畏等统计结果表 明， 全国煤炭保有储量和 资源量 的硫分平 均值 为 1 ． 3 2 ％。以低硫煤 为主。 中国褐煤矿区硫分 以晚侏罗世的内蒙古褐煤较低 ， 除胜利矿区的较高以外 1 ． 0 2 ％ ， 其余矿 区褐煤硫 分均在 0 ． 5 0 ％以下 ， 而云南 的晚第三纪褐煤硫分则 相对较高， 多在 0 ． 5 5 ％～ 0 ． 9 9 ％。 由于褐煤煤化程度低 ， 其水分与成煤时代有密 切的关系， 一般全水分 M． 含量都很高 ， 在 2 5 ％～ 4 0 ％， 有些地区如晚第三纪昭通褐煤水分高达 5 0 ％ 以上 ， 而晚侏罗世 的褐煤水分则相对较低 ， 如内蒙古 的霍林河褐煤的全水 只有 3 2 ． 2 0 ％。 煤炭的发热量是评价煤炭质量 ， 尤其是评价动 力用煤质量的重要指标 ， 只有煤 的热值 高低才能准 确的体现出煤炭作为动力燃料的使用价值。根据统 计结果表明， 低热值 的煤很少 ， 主要是分布在云南和 内蒙古东部 的褐煤 ， Q 平均 为 2 8 ． 7 1 M J ／ k g ， 东北 区褐煤低位发热量平均值最低为 2 2 ． 8 5 M J ／ k g 。 褐煤的挥发分也与其煤化度相关 ， 以煤化度较 高的晚第三纪褐煤挥发分最高 ， 而侏罗纪褐煤的挥 发分普遍较低 ， 分别为 5 5 ． 9 2 ％和 3 8 ． 6 0 ％。云南 的 晚第三纪昭通褐煤挥 发分高达 5 5 ． 4 0 ％ ， 晚侏罗世 中国褐煤的综 合优化利用 全国中文 核心期刊 矿业类 核心期刊 C A J C D规范 执行优秀期刊． J 的内蒙古宝 日希勒褐煤挥发分 为 4 0 ． 1 2 ％。 中国褐煤腐植酸产率与其成煤时代密不可分， 以早中侏罗世褐煤最低 ， 仅为 5 ． 2 9 ％ ， 其次是早第 三纪褐煤为 1 2 ． 0 2 ％， 晚侏 罗世褐煤含有腐植酸达 1 5 ． 8 3 ％ ， 而 晚 第 三 纪 褐 煤 腐 植 酸 含量 最 高， 为 3 8 ． 6 7％ 3 中国褐煤的综合优化利用 3 ． 1褐煤的成型 将粉煤成型技术运用于褐煤 ， 通过物理、 化学过 程及技术制得 的褐煤型煤 ， 便于长途运输 ， 节约了动 力燃料 ， 大幅度减少了粉尘污染 ， 有明显的环境效益 和社会效益。褐煤成型主要分为无粘结剂成型和有 粘结剂成型两大类。褐煤无粘结剂成型工艺一般需 经过原煤的破碎和筛分、 干燥 、 压制成型等过程。笔 者利 用 内蒙 古 褐 煤 压 制 的 型煤 低 位 发 热 量 由 1 4 ． 3 9 k J ／ k g 升 高 到 2 5 ． 1 0 k J ／ k g ， 着火 点 由原 来 的 2 9 2 C上升到 3 0 2 c c， 抗碎强度高达 9 2 ％。褐煤有粘 结剂成型工艺主要是针对煤化度高的褐煤 ， 以粘土、 腐植酸 、 生物质、 淀粉 、 沥青等作为粘结剂。 3 ． 2 褐煤的气化 煤炭气化技术是洁净、 高效利用煤炭的重要技 术之一。它是煤炭化工合成 、 煤炭直手 妾 ／ 间接液化、 I G C C技术 、 燃料电池等高新洁净煤利用技术的先导 性技术和核心技术 。褐煤是化学 活性非 常好 的煤 种 ， 比较容易气化 。2 0 0 3年 2月宝 E t 希勒煤业公司 委托煤炭科学研究总院北京煤化工分院对宝 E t 希勒 褐煤进行固定床加压试验 ， 对其加压气化适应性和 气化指标特性进行较全面的试验研究 ， 煤种试验评 价现 已完成 。抚顺特殊钢股份有限公司动力厂在 目 前煤炭资源紧张的形式下 ， 拓宽原料的应用渠道， 对 工艺成熟的3 AⅡ凸 一1 3型煤气发生炉设备进行 了 适当工艺改造 ， 使用褐煤生产煤气 ， 并使生产工业 化 。 3 ． 3褐煤液化 褐煤含氧量较高， 一般为 1 5 ％～ 3 0 ％， 且大部分 以 一O H为主、 其次是 一C O O H和 C O， 一O C H 含 量较少 ， 具有较高 的液化活性。褐煤液化主要有直 接液化和间接液化 2种工艺技术。褐煤， 尤其是低 灰分褐煤所含无机杂质少 ， 煤 中的有机质可 以最大 限度的得到转化。由褐煤生产液体燃料是高效和洁 净利用褐煤资源 、 增加石油替代资源 、 发展煤化工、 解决煤炭污染的一条重要途径。北京大学曾凡刚总 结了广西 3种第三系褐煤的多环芳烃特征 ， 结果表 2 9 维普资讯 明这些褐煤属于良好 的烃源岩 ， 具有生成芳香基油 的潜力。云南先锋褐煤和沈阳褐煤都是比较理想的 直接液化原料煤， 此外 ， 内蒙东胜、 红旗褐煤 ， 山东龙 口梁家矿长焰煤， 以及扎赉诺尔低灰褐煤也是适合 直接液化的原料煤。北京煤化工分院采用德国 I G O R 工艺对云南先锋褐煤进行 3个月的连续液化试 验 ， 精炼油收率 高达 5 3 ． 0 ％ ， 只需将所得精炼 油简 单加工即可得到合格的汽油、 柴油 以及石油气 、 液 氨 、 苯等副产品。 3 ． 4褐煤热解 褐煤的高水分 、 低发热量限制了褐煤的使用 ， 但 其高挥发分、 活性好 、 H ／ C比高等独特性质 决定 了 它是极其适合 的热解原料。褐煤热解是指在隔绝空 气 或在惰性气体 、 或在氢气存在 的条件下将褐煤 加热 ， 最终可得到热解煤气、 焦油或酚类产品、 半焦 产品的加工方法。对于褐煤 ， 按加热 的温度主要可 分为低 温热解 4 0 0～7 0 0 ℃ 和 中温 热解 7 0 0～ 9 0 0 C 。褐煤热解产出的煤气产 品热值较高， 是优 质燃料 ， 可以作为燃料气和化工合成气 ；焦油或酚 类是多环芳烃的来源， 还可提炼液体燃料 ， 可作化工 原料 ； 褐煤半焦孔隙发达 ， 是用途较广的吸附材料 、 过滤材料 ， 还可作为冶金工业的炭质还原剂和无烟 燃料 。云南先锋褐煤半焦 比电阻对数值随热解温度 的提高不断下降 ， 用于电炉炼制铁合金等具有很好 的增产节电效果。褐煤热解技术将资源利用效率放 在首位 ， 对褐煤的提质和综合加工利用很有意义 ， 作 为洁净煤技术领域的专门技术受到人们的关注。 3 ． 5褐煤的非燃料利用 褐煤的结构和组成复杂 ， 有些褐煤含有较高的 活性基团、 腐植酸和蜡 ， 用不同溶剂萃取或化学处理 可以得到各种贵重的化工产品和原料， 改变褐煤的 性质 ， 直接或间接用于工农业生产。 3 ． 5 ． 1 褐煤 腐植酸制 品 褐煤化学活性好 ， 能与多种化学试剂反应， 从而 得到许多新的有机化合物 。煤化程度浅的土状 褐 煤 ， 腐植酸含量较高 ， 一般在 4 0 ％左右 ， 可以采用人 工氧化方法制成再生腐植酸。中国云南和内蒙古褐 煤中的棕腐酸含量在 1 6 ％以上 ， 其它褐煤都在 1 0 ％ 以下， 吉 林 褐 煤 中 黑 腐 酸 含 量 占 总 腐 植 酸 的 9 2 ． 6 9 ％ ， 棕腐酸 7 ． 3 1 ％。褐煤腐植酸还可 以生 产 钻井液添加剂 、 陶瓷用腐植酸钠 、 混凝土减水 剂 、 蓄 电池阴极膨胀剂、 锅炉防垢剂等。磺化褐煤是一种 廉价、 高效的钻井泥浆调整剂 ， 主要用于石油 、 地质 勘探钻井， 在钻井泥浆中具有明显 的降滤失和抑制 降粘作用。 腐植酸是构成土壤腐植质的主要成分 ， 它含有 多种官能团， 为生理活性物质 ， 对作物生长发育及其 体内生理代谢有刺激作用， 一般无机化肥不具备这 种特性。褐煤中腐植酸的芳化程度高于土壤腐植酸 的芳化程度， 经碱抽提后其结构更接近土壤腐植 酸 而易被植物吸收 ， 还吸收土壤中的有害盐类 ， 影响土 壤的氧化还原条件 ， 且其含量 、 阳离子代换量 、 各种 活性官能团都有所增加 ， 对作物生长及改 良土壤有 良好的作用。初茉等利用褐煤腐植酸与普通型保水 剂交联 ， 制成的腐植酸复合保水剂除具有普通型保 水剂在土壤中抗旱保水 、 固土保墒的作用外 ， 还具有 普通型保水剂不具备的对植物生长的促进作用。实 验结果表明， 腐植酸型复合保水剂可使植物 的生物 量提高 3 6 ％ ， 其单价 比普通型保水剂降低 1 0 ． 7 8 ％。 开发腐植酸类产品是适应当今世界生态化农业 可持续发展潮流的一项重大举措。国内外腐植酸盐 的生产和销售均呈旺盛态势 ， 中国粗制 品的出口量 急剧增长。国内应用煤炭腐植酸为原料生产的腐植 酸产品已近 7 0种， 其中实现工业化 的产品有 3 0余 种 。 3 ． 5 ． 2 褐 煤蜡 褐煤蜡具有很好的物理化学性能 ， 在世界范 围 内被广泛应用于电气 、 机械、 纺织 、 造纸 、 制革、 橡胶、 包装、 E l 用化妆品工业等近百种产品。用有机溶剂 萃取富含蜡的褐煤得到粗褐煤蜡。再经过化学改性 则得到一 系列浅色精制蜡制品， 其化学组成主要是 树脂和酯蜡等 ， 常用于制造对颜色要求不高的上光 蜡 、 鞋油 、 地板蜡等。中国的褐煤蜡生产起步较晚 ， 上个世纪 7 0年代初 ， 在煤炭科学 院煤化工分院的立 项研发下生产出的褐煤蜡 ， 从此摆脱 了褐煤蜡长期 需要进 口的局面。伴随着国内褐煤蜡工业在新产品 和新领域 的不断研 发应用 ， 不久 的将来 ， 在 电线 电 缆、 精密铸造、 城市建筑等方面将会得到越来越广泛 的应用 。 3 ． 5 ． 3吸 附交换 剂 褐煤组成上 的特点是各种官能团、 侧链、 桥键等 活性基团含量高 ， 在加热干馏时 ， 大量脱除挥发分， 形成具有发达孑 L 隙的松散结构， 成 为一种 良好 的离 子吸附剂， 具有优异的吸附、 络合及交换性能。褐煤 经加工可制得活性炭 、 分子筛等。煤基活性炭的制 取 ， 一般采 用低温炭化 6 0 0℃左 右 和高温 活化 9 0 0℃左右 的方法 ， 要求原煤灰分越低越好。用 灰分 3 ． 1 3 ％的东北依兰洗 精煤制得 的活性碳碘值 洁净煤技术 2 0 0 8年第 1 4卷第 1 期 维普资讯 最高可达 1 0 5 6 m g ／ g 。烟 台大学应用化学 系作过褐 煤对含酚废水处理的研究 ， 发现褐煤用稀酸处理后 吸附能力更强； 在室温下 ， 当 p H一5 ． 0时 ， 对废水 中 汞的吸附率可达 9 9 ． 0 ％以上， 且经该方法吸附后的 褐煤仍不失去燃料价值。利用大雁褐煤制得的炭分 子筛变压吸附分离空气 ， 可得到含 N 9 7 ． 7 ％的富氮 气体。 3 ． 5 ． 4 褐煤制水煤浆 目前 ， 作为商业化生产水煤浆 的原料主要是变 质程度较高的烟煤 ， 通过研磨获得最佳的粒度级配， 加入化学添加剂可 以制成浓度在 7 0 ％ 以上的水煤 浆。而低煤化程度的褐煤 由于所含水分绝大部分是 毛细管水分， 不能直接制水煤浆 ， 只能用加热蒸发的 方式进行脱水。传统的干燥方法是利用烟道气与褐 烟直接接触使之受热 ， 水分蒸发而干燥。但褐烟的 燃点较低 ， 干燥过程中常常因局部过热 ， 使煤质变 差 ， 控制不好 ， 还会引起爆炸 ， 而且经常规干燥后 的 褐煤放置时会很快吸收空气 中的水分 ， 平衡水会恢 复或接近到原来 的水平。黑龙江科技学院洁净煤技 术研究所开发 出的褐煤水煤浆技术 ， 褐煤经热水干 燥后脱水 ， 不经烘干直接制浆 ， 可以得到浓度 6 0 ％ 左右的褐煤水煤浆。笔者在利用内蒙古褐煤成型试 验中， 利用成型伴生的煤粉进行制浆实验 ， 可以制备 全国中 文核心期刊 矿业类核心期刊 C A J C D 规范 执 行优秀 期刊_ J r ] 出浓度为 6 4 ％的褐煤水煤浆 。 4 结语 尽管褐煤存在这样那样的不足 ， 但是有 国家能 源政策的支持 ， 褐煤企业积极应对市场变化 ， 抓住发 展机遇， 规划和调整发展战略 ， 通过开发应用新的褐 煤技改项 目， 综合优化利用褐煤资源 ， 实现褐煤煤业 的可持续发展， 乃至实现褐煤煤业的再次腾飞 ， 前景 非常乐观。 参考文献 [ 1 ] 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 ． [ 2 ] 袁三畏． 中国煤质沦评 [ M] ． 北京 煤炭工 出版社．1 9 9 9 ． [ 4 ] 李丽娟， 李彦旭， 韩锋． 改性半焦在废气治理中的应用 研究 [ J ] ．洁净煤技术， 2 0 0 7 2 2 4 2 7 ． [ 5 ] 尹立群． 霍林河矿区褐煤的特性及其利用 [ J ] ． 洁净煤 技术 ， 2 0 0 4 3 1 51 7 ． [ 6 ] 熊银伍， 朱书全， 杜铭华， 等． 煤基吸附剂脱除烟气中 气态汞的研究现状 [ J ] ． 洁净煤技术， 2 0 0 7 1 91 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p e r a n a l y z e d d i s t r i b u t i o n s． c o a l q ua l i t y a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f l i g n i t e i n Chi n a ． Th e t e c h n o l o g y a n d o rie n t a t i o n o f c o mpr e he n s i v e a n d o p t i ma l u t i l i z a t i o n o f l i g n i t e a r e p u t f o r wa r d i n t h i s p a p e r ． Ke y wor d s l i g n i t e；c o mp r e h e n s i v e a n d o p t i ma l u t i l i z a t i o n l 信息 检索 南阳煤业复采创效千万元 ＼ 、 、 、 写 ＼ i ＼ 湘煤集团南阳煤业分公司前进矿和淝江矿采用复采 、 探采等方式 ， 从老采区和薄煤区共探采煤炭近 5万 t ， 提高了资源回 收率， 延长了矿井服务年限。该公司前进矿和淝江矿年设计能力分别为 2 0万 t 和 1 5万 t 。近年来， 由于地质情况变化大， 2对 矿井煤层厚度大面积变薄， 直接造成生产接续紧张。为此 ， 该公司安全生产技术部的工作人员深入2对矿井， 带领驻矿工程技 术人员， 有针对性地布置钻孔和控巷， 先后在前进矿和淝江矿找到可采煤量 1 3万 t ， 现已开采 4 ． 9万 t 。2 0 0 7年， 该公司共组 织召开专题会议 1 5次， 绘制剖面分析图近百张， 储量计算图 1 2张， 钻探和巷探设计图3 0张， 采区资源回收率提高了约5 ％， 创 造价值近千万元 。 中国褐煤 的综合优化利用 31 维普资讯