褐煤的干燥技术要求

褐煤的干燥技术要求褐煤Lignite (coal) ； brown coal ； wood coal 褐煤，又名柴煤，是煤化程度 最低的矿产煤。一种介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色、无光泽的低级煤。化学反 应性强，在空气中容易风化，不易储存和远运。褐煤的用途主要包括气化、液化、炼焦、燃烧等，几乎所有褐煤作为原料的 煤炭加工都需要进行预先的煤炭干燥，针对褐煤的不同用途对褐煤干燥技术的要 求在此简练总结，为公司干燥技术的精品工程研发及系统化研发提供一定的技术 背景参考。不同用途的褐煤对干燥产品的多项要求都不相同，其中粒度和湿含量 是最基本的两项。粒度生产不同用途的褐煤型煤，对褐煤破碎粒度要求是不同的，见表1。对生产 高温炼焦和低温干馏用的型煤，褐煤破碎粒度分别要求小于1mm和小于3mm， 作动力用时则粒度可更粗些。表1生产不同用途的褐煤型煤对煤破碎粒度的要求(mm)型煤用途动力用低温干馏用高温炼焦用褐煤破碎粒度8 或631湿含量满足不同褐煤用途之工艺要求，压块、炼焦、制备煤气、液态燃料合成以及 现代蒸汽锅炉燃烧等用煤对湿含量都有严格的限制，褐煤水分究竟脱除多少合 适，需要综合考虑诸如原煤水分、价格、脱水特性和运输距离等因素。表2 列出 了若干用途之煤的允许湿含量范围。表2 不同用途之褐煤的湿含量范围褐煤用途压块制备煤气氢化粉煤炉燃烧湿含量范围/%81851501215实验室的研究认为，决定褐煤脱水率的因素主要是热源温度和压力。此外， 处理时间、原料煤粒度、配管方式、热源和物料向干燥器内的流入方式，脱水过 程中生成的分解气体与热水和褐煤的分离方法等均对脱水率有很大的影响。除粒度和湿含量外，针对不同的褐煤用途，抑或同种用途选择的工艺不同， 褐煤干燥工艺段的技术和产品要求各有不同。气化原理上讲，现有的固定床气化法、流化床气化法和气流床气化法都可用于褐 煤气化，气化方法选择时受到煤的性质、用途时等因素的制约。表 不同气化方法的比较气化方法适用煤种产气能力干燥要点方法固定床年老褐煤粒度均匀性好的块煤几千立方米/时提咼其热态抗压强度和热稳定性制备气化用褐煤型煤加压固定床几十万立方米/天流化床年轻褐煤09mm的细粒煤对煤的热稳定 性、粘结性均无 要求，可以空气 气化，生产安全 性比气流床气化 要好，灰熔聚成球排灰加压流化床对于易碎的褐煤 是最合适的；比 较合适于小规模IGCC电站气流床活性高的褐煤尤为合适，粒径小于 0.1mm产气能力最强； 当要求气化炉容 量很大时则可以 考虑用加压气流床气化。褐煤的灰分和水分太高，对气化过程不利先经预干燥处 理，然后再入炉 气化。综述，褐煤、长焰煤往往由于抗碎强度不高或成浆浓度较低，不适合在固定（移动）床气化炉或水煤浆气化炉中使用。因为料层的孔隙率很难保证，会产生 大量粉末堵塞块间的空隙或煤灰软化熔融粘连，使整个料层不透气，难以维持生 产。由于褐煤的灰分和水分太高，对气流床气化炉的气化过程不利，一般采用先 经预干燥处理，然后再入炉气化。其研发投入较高，产气能力最强，当要求气化 炉容量很大时则可以考虑用加压气流床气化。流化床气化炉对于易碎的褐煤是最 合适的，其产气能力适中，比较合适于小规模IGCC电站等相似级别的客户需求。 目前国内可选的流化床煤气化技术只有几家，而且技术不是很成熟，可靠 性不高。这种现状给后续的流化床煤气化技术开发留下了足够的空间。我 公司是以流化床技术起家，在流化床技术领域积累丰富的经验，在行业内 也有比较高的知名度。由我公司来开发流化床煤气化技术成功的几率比较 高，将来进行技术推广的难度也比较小。两种适合有劣质煤的气化技术：1、GSP干煤粉加压气化技术采用干煤粉进料、纯氧气流化床气化、液态排 渣、粗合成气激冷工艺流程，该流程包括备煤、气化、气体除尘冷却、黑水处理 等。该技术具有如下特点：原料适应性广，适合于各种灰分的多种物料，包括从 褐煤到无烟煤的各种变质程度的煤、城市污泥、工业废渣、石油焦及一些固体废 物的干馏产物等；碳转化率大于98% ，产品气体纯净，不含重烃，煤气中有效气 体（CO+H 2）达到90%以上；采用干法进料，耗氧低，空分装置规模较小，投资 较低；单炉生产能力大，日投煤量 20004000t。2、KBR 公司的 TRIG 煤气化技术是专门为处理低阶煤开发的，其核心技术 是 KBR 输运床气化技术（也成为 TRIGTM ），是一种先进的循环流化床气化技 术，没有内部或移动部件，设计在空气和氧气两种模式下都可工作。TRIG与其 他商业气化炉相比，具有多方面的特点：TRIG适用于多种煤，尤其适用于数量 巨大、价格低廉的低阶煤；气化炉的可靠性更高，在中温下操作，无内部或移动 部件，提高了气化炉的可靠性；降低投资费用：高度紧凑的设计和温和的操作条 件节省了设备空间，降低了投资费用；耗氧量低，降低了空分装置的负荷和费用； 无渣式气化器，无需额外的融渣处理和清除设备；TRIG的合成气不含任何油焦， 使得气体净化相对简单；该技术有废锅流程和激冷流程，其激冷流程主要由气化 和合成气洗涤组成。液化煤的液化分为直接液化和间接液化。直接液化是指水煤浆加氢液化制油，间 接液化是指先将煤气化制备合成气然后合成气液化制油，因此间接液化对原煤要 求主要取决于所采用的气化方式方法。本部分主要介绍直接液化对褐煤干燥工艺 的要求。褐煤尤其是年老褐煤比烟煤活性高，更为适合直接液化。由于褐煤中含水量 大，煤浆进入液化反应系统前必须脱水。俄罗斯直接加氢液化技术采用瞬间涡流 仓煤干燥技术，在煤干燥的同时可以增加原料煤的比表面积和孔容积，并可以减 少煤颗粒粒度，有利于煤加氢液化反应的强化。煤中水量一般干燥到 2%3%，粒 度范围为小于 1mm。煤制油等大型煤化工项目的第一步就是煤气化（F-T间接液化、直接液化的 制氢也是通过煤气化）。适合煤制油等大型煤化工项目的煤气化技术应该满足以 下几个条件：大型化、较高的煤种适应性及可靠的工艺设计、高效节能、环保与 减排、系统安全与服务保障、本地化和系统造价的优化。燃烧我国褐煤多属年老褐煤，成型性差，成型工艺和设备还存在一些问题，目前 尚不具备商业化生产燃烧用褐煤型煤的条件，但在一些生产年轻褐煤的地区已开 始探索生产褐煤型煤，以满足本地需要。炼焦为了保证生产焦炭的质量，炼焦煤必须具有一定的膨胀和收缩性能。有些煤 的炼焦膨胀压力很高，因此这类煤只能与较贫的添加物混合使用。因此，这种情 况的干燥装置需要搭配配煤机。炼焦有一个重要的参数是堆密度，为了生产具有均一机械性能的焦炭；均一 的堆密度是重要的前提。在炉顶装煤时，堆密度由煤料的重量、焦炉的大小和煤 料的高度来确定这个参数。煤的水分含量和粒度是影响堆密度的重要因素。煤的 堆密度在干煤时最大，根据粒度组成的不同水分在 610%时降至最小；粒度不 仅决定堆密度随水分含量变化曲线的最低位置，而且也决定其绝对值的大小。通 常，细磨煤的煤堆密度降低。相关干燥方法、干燥器及其辅助系统的特点和适用范围干燥方法从已应用于褐煤脱水技术和正在开发的褐煤脱水技术来看，以下几种脱水方 法和技术值得关注：直接干燥法，或称热气流干燥，加热气体与煤直接接触进行干燥。由于加热 气体与煤直接接触，操作不当易导致褐煤自燃，甚至爆炸等安全事故。另外，由 于蒸发的水分中含有大量的空气，会增加水分的潜热利用的难度，但通过一定的 研究和技术途径也不排除潜热利用的可能性。但直接干燥法具有工艺简单、操作 方便、处理量大、易于工业化等优点。间接脱水法，利用低压饱和蒸汽间接加热，安全性高，连续操作运行。此法 主要有筒式蒸汽干燥技术、流化床蒸汽干燥技术、空气 -蒸汽联合干燥技术等。 该法处理能力小、耗能及耗水量大，通常与热电厂热力循环集成，利用电厂蒸汽 轮机的抽汽进行干燥。非蒸发脱水法，以高温高压蒸汽干燥技术为代表。这种褐煤脱水技术是人为 地制造成煤地质条件，将若干万年的成煤过程缩短为几个小时，其本质是一个化 工反应。将褐煤与高温、高压蒸汽直接接触，使褐煤水分呈液态脱出，勿需蒸发 潜热，热效率高，在脱水过程中褐煤不会自燃，安全性高。在这个过程中，褐煤 会出现收缩，但是煤粒仍保持块状结构。除水机制是以物理形式通过加热使液态 水从气孔中蒸发，煤粒子在收缩的过程中的气孔收缩而排除水分，根据水和褐煤 受热膨胀度的差异把水分从气孔中排除。这一反应过程中，褐煤内外孔的表面的 一些亲水官能团发生分解，从而利用化学处理降低褐煤本身的吸水能力。通过加 热使的水的黏性减弱进而从气孔中排出，或者通过发散出来的二氧化碳将水排挤 出去。由于这一过程的本质是化学反应，表面官能团的破坏不可避免地产生一些 气体。这种方法目前处于研究阶段，尚未实现工业化大规模应用。目前国内外褐煤加工提质技术众多，我们选取几种代表性干燥方法详细介 绍：1、固体热载体干馏多联产（DG ）工艺以煤热解自产半焦作为热载体，用粉 煤为原料，原料利用率高理论上可达到100% ；可有效处理易热粉碎原料，对处 理易热粉化的褐煤尤其有利。独立系统,煤焦油产率高，达到铝甑含油率的75% - 90% ，且质量优良。煤气有效成分含量高，煤气热值高，易于合成化工产品，可 与多个过程实现多联产，可以与燃烧发电（即可采用循环流化床锅炉也可以用于 煤粉炉，半焦燃烧发电不受电网负荷变化影响，可实现整体多联产系统平稳运 行）、合成化工结合，也可以与煤焦油加氢等工艺结合优化构成多联产。生产装 置热效率较高，冷凝设备小，能耗较低，生产过程耗水量少，废水量少。2、多段回转炉工艺是煤炭科学研究总院北京煤化所开发的低变质煤热解工 艺，该工艺分类特征是低（中）温热解中速加热外热式隔绝空气常压。 多段回转炉工艺对原料煤的适应粒度要求是630mm。一般需对原料煤进行破碎 和筛分，并将制备好的每送进料仓。3、K-Fuel 技术：改变了低质煤的物理和化学结构，在干燥过程中能够大量 地除去汞等重金属以及硫和氮。主要控制煤块在高压釜中的停留时间，时间越长， 水分和杂质越少，热值越高。不过，水分过少会使煤块在高压釜中自燃，从而留 下灰烬。4、高温烟气褐煤干燥技术：避免了部分粉煤颗粒滞留及其过干燥；干燥产 品煤的出口温度较低，便于进一步冷却防止自燃；烟气再循环量小，易于控制烟 气中氧气含量；干燥烟气温度高，合理控制温度，在提高水分脱出率的前提下， 破坏颗粒表面亲水官能团，利于改善脱水后褐煤的水分复吸性能；为提高脱水率 提供条件；利于大型化，系统简单，运行灵活。5、科林蒸汽流化床煤干燥技术（DWT）的技术优势：（1）能源利用率高， 蒸汽消耗低。DWT干燥过程可以采用二次蒸汽再压缩的方法回收大部分的能量， 加热蒸汽以冷凝液形式回收，使得褐煤中的水分生成蒸汽的潜热得以利用，故与 传统干燥工艺相比具有更高的效率。（2）DWT采用框架式结构，具有设备紧凑， 占地面积小，在流化床内部，单位体积煤的表面积很大，传质和传热效率很高， 使干燥过程能够很快进行，因此单套设备生产能力大。（3）干燥机内气体和固体 颗粒成流化床，床层温度均一，不会出现局部过热现象。（4）干燥后物料的含水 量可以按照工艺生产要求进行调节，故可适用于不同含水量的进料，尤其在褐煤 水分波动较大的情况下也能适应。（5）安全性能好。干燥工程中采取微正压操作 模式，避免了空气等的进入。干燥过程采用蒸汽作为流化介质，褐煤在蒸汽这种 惰性气氛中进行干燥，从而消除了褐煤在干燥过程中起火爆炸的潜在危险。（6） 环保。干燥过程为一个闭路循环过程，整个过程无排放，干燥过程产生的煤粉均 在除尘工段回收利用，干燥过程的产生的水以清洁的冷凝形式回收利用。（7）整 个干燥过程的温度不高于151C，是一个纯物理过程，无挥发分和焦油的益出和 生成。设备绝大部分可以国产化。现在的气化技术基本均不含磨煤和煤干燥系统，针对这一空白，结合现有成 熟的气化技术研发相配套的磨煤和煤干燥系统也是干燥技术系统化研发的方向 之一。干燥器回转圆筒干燥器：主要用于干燥混合精煤、浮选精煤和浮选尾煤。根据煤炭 在干燥机长度方向不同部位的状态和要求，干燥机内的抄板和内部结构沿长度方 向可采用不同的形式。对于复合式传热回转圆筒干燥可采用套筒式。对浮选精煤， 干燥器出口处的气速不大于23m/s ；对浮选尾煤，为避免过量夹带，不超过 0.51m/s。流化床干燥器：适用于粒度在 30mm 以下，水分在 15%以下的松散物料干 燥。优点是：小时蒸发量大，单台处理量大；采用湿式集尘，对空气污染小；设 备布置紧凑，操作人员少，自动化程度高，运转安全。缺点：以精粉煤或油作燃 料；蒸发强度低；电耗大；不能单独干燥浮选精煤或煤泥；干燥系统设备复杂等。管式干燥机：一般适用于水分较低的松散物料干燥。干燥强度大，干燥时间 短（0.52s），热效率高，处理量大，设备结构简单，干燥炉使用的燃料为本身干 燥后的煤尘，减少了干燥后细颗粒粉煤在运输过程的飞扬和损失，燃料运输系统 简单化。但安全性差，产品回收和废气净化难度大，电耗高等。回转管式干燥器：广泛用于制块厂的褐煤干燥，也可用于硬煤干燥。以饱和 蒸汽（压力0.150.55MPa）为加热介质的间接加热干燥器。在褐煤压块厂或炼 钢厂等，可以用废气加热蒸汽，有利于热能的利用，但废气中的微油滴受热炭化 沉积在管壁上，要注意及时清洗。洒落式干燥机：占地小，热效率低，处理量小，单独干燥浮选精煤时产品水 分高。螺旋式干燥机：以传导方式给热进行间接加热，用于浮选粒度细、水分大、 粘度高的细粒级物料。过热蒸汽干燥：最大的优点是无着火或爆炸的危险；其次是采用高温的过热 蒸汽作干燥介质，使干燥速率提高，可减少设备尺寸和节省热量等。振动穿流床干燥器：热耗低，生产能力取决于床宽、煤层高度及输送速度。煤层高度一 般为：2030mm研磨煤粉；4060mm块煤。床长不超过10m，驱动装置安装在床中部的情况下，床长至30m。床过长会造成干燥介质沿床长均匀分布的困难。移动床干燥器：结构简单紧凑，容易实现全自动操作；能够通过选择气体流 速来尽量减少粉尘夹带，因而在很多场合这种干燥器都不装任何除尘装置，可利 用蒸汽锅炉的低温废气（150200C）作干燥介质，大大减少引燃的危险；此外， 单位体积的干燥速率远高于回转式干燥器和气流干燥器；煤床 移动速度低 （1mm/s）,大大减少器壁及物料（煤）的磨损。煤泥滤饼碎干机：煤泥滤饼定量破碎后，增加了干燥表面积，使干燥热介质 热交换充分。煤泥滤饼已达到机械脱水的极限，采用穿流干燥网带蒸发脱除剩余 水分，不破坏被干燥物料的自身粒度。干燥产品的水分可通过一系列干燥工艺参 数调整来控制，粒度由碎给机构沟槽辊沟截面的大小来决定，可使干后产品满足 一定的质量要求。研磨性干燥器：边干燥边破碎边研磨，产品为干煤粉。火力发电厂用这种干 燥器为其喷粉燃煤蒸汽锅炉制备优质干煤粉。干燥介质及其温度取决于煤的湿 度，磨煤机取决于煤的硬度。喷雾干燥器：产品快速绝干，增加产品的抗磨损性。主要用于催化剂一类金 属产品。滚筒干燥器：用于悬浮或膏状物料干燥。回转盘架式干燥器：用于需要和缓处理、干燥后会产生大量飞尘或干燥时要 回收溶剂的颗粒物料。总的发展趋势是各种不同干燥器取长补短，优势组合开发最优化、个性化的 干燥装置。为了配合干燥系统的运行，干燥系统还需要加料装置、排料装置、热 风炉、供热系统、通风、收尘系统、制粉系统和磨煤机及干燥系统的控制等辅助 系统，而且针对不同的加工工艺，对辅助系统的要求各不相同。结合整体工艺要 求，对辅助系统的综合开发也是干燥装置精品化开发的方向之一。国内干馏技术发展情况国内目前已经有多家褐煤干馏项目已经投运，现将国内干馏技术发展情况 （截至2012年底）统计如表8所示。表 8 国内干馏技术发展情况（截至 2012 年底）单位地点建设及投运时间工艺产量总投资产品定位优劣势目前进展情况神华海拉尔2009 年开工管式气流干燥成型100万吨/ 年，8台成型机用作电煤，通过锦州港船运到南方干燥工艺 中有粉尘 爆炸隐患；大型 成型机成 球率较低，容易 故障，成 品煤返湿试验阶段，目前由于干燥管轻微爆炸以及成型机 问题，已停 运检修大唐华银东乌旗额 吉淖尔镇 特根召井 田额吉煤 矿工业广 场东乌珠穆沁旗额吉淖尔镇大唐华银 东乌褐煤 干燥示范 装置项目+ 成型处理量30万吨/年3个多亿半焦和低温煤焦油一期日处理1000吨，二期 5000吨，总3套日投煤量5000 吨国电富通锡林浩特2009 年国富炉单台处理量50万吨/年半焦作电厂燃料，焦油深加工二期准备开始投建神木三江榆林2010三江炉单台处理量20万吨/年200 万/台半焦和低温煤焦油技术成 熟，大规 模投运， 煤气热值较低在陕西榆林地区大规模投运国电集团赤峰2010山东天力管式干馏100万吨/年总3.8亿低温焦 油、半焦和煤气技术新，设备材质设计阶段要求较咼华能集团伊敏2010神木富油神木2011西安三瑞三门峡2011北京碧瑞云南工投禄丰能源有限公司大连理工北京神雾国邦清能吉林楚雄2012201119942010西安热工研究院循环流化床大工法固体热载体低温干馏技术回转窑干馏技术立式炉干馏技术立式炉褐煤固体热载体干馏多联产(DG)工艺旋转床处理中低变质煤技术气提热载体内热式立式炉，类似国富炉和三江炉60万吨/0.5吨/时200万吨/75-100 万100万吨/3亿左3亿左4亿左就地使用低温焦油、半焦和煤气粉状褐煤干馏实验粉状油页岩干馏实低温焦油、半焦和煤气热解和下游煤化工联产低温焦油、半焦和煤气粉煤成型后使用焦油除尘问题较大褐煤成型率低，煤气热值低对热稳定性、热强度及煤的粒度要求较高中试阶段已运行但焦油含尘过大，目前技改阶段小试阶段中试阶段正在调试和技改阶已运行中试阶段正在投入运行