褐煤提質技術淺析

孫健秋，王為明，劉 悅

（ 吉林省電力勘測設計院，長春 130000）

目前，我國一次能源的供應仍將以煤為主，到2050年的長期能源戰略，應是發展以煤為主多元化的清潔能源體系。我國已經探明的煤炭儲量為724.116 Gt，其中褐煤約占總儲量的14%。褐煤是一種高揮發分、高水分、高灰分、低熱值、低灰熔點的煤炭資源，難以洗選和儲存，易自燃，單位能量的運輸成本較高，長距離輸送經濟性差，不適合長期儲存和遠距離運輸，使得褐煤的開采和利用受到很大限制，長期以來被視作劣質燃料。降低水分，提高能量密度，防止自燃是褐煤提質加工的關鍵性問題，開發褐煤提質技術是褐煤綜合利用的發展趨勢。

提質過程主要是褐煤的脫水過程，脫水過程除脫去部分水分外，也伴隨著一些煤的組成和結構的變化。提質后的產品具有以下優點:

(1)褐煤水分大量去除，空隙大量減少，機械強度明顯增加，便于遠距離運輸;

(2)提質后的褐煤不易風化，減少資源浪費，降低煤堆存自燃帶來的環境污染;

(3)提質煤單位質量的發熱量相對增加，其成分和性質趨近于煙煤，更加穩定。

發展褐煤提質產業，可以有效緩解優質動力煤的供應緊張局面，提高煤炭資源的綜合利用，更好地滿足國內能源需求，為國民經濟發展提供有力的安全保障。

1 褐煤提質技術

近年來，褐煤資源豐富的澳大利亞、美國、德國、印尼等國家開始重視褐煤的提質技術研究，部分提質技術的研究成果得到工程應用。我國褐煤提質技術產業化剛剛起步，褐煤提質大規模工業化生產裝置和示范項目正在研究與開發中。

褐煤提質技術流派比較多，總結起來可分為兩大類:干燥脫水技術和熱解技術，大部分技術處于試驗和研發階段。

1.1 干燥脫水技術

干燥脫水技術可分為直接換熱脫水和間接換熱脫水。直接換熱脫水往往遵循高溫瞬間干燥原則，短時間提供充足的干燥熱量，縮短干燥加熱時間，在褐煤揮發份達到其揮發溫度之前完成干燥脫水。高溫瞬間干燥方式因其供熱量大、干燥強度大等因素，單體項目生產規模可以提高，但是安全因素是工藝技術的關鍵。間接換熱脫水往往遵循低溫干燥原則，干燥溫度選擇在低于褐煤揮發份析出溫度，一般進行低溫長時間加熱干燥，受低溫供熱量有限等條件限制，間接換熱脫水技術的單機生產能力一般偏小。

具有代表性的干燥脫水技術:

(1)美國“K燃料工藝”;

(2)日本D－K非蒸發脫水工藝;(3)日本“UBC”技術;

(4)德國澤瑪克管式干燥技術;

(5)澳大利亞懷特能源的高溫煙氣氣流干燥(BCB)技術;

(6)中國神華高溫煙氣氣流干燥無粘結劑擠壓(HPU)技術。

1.2 熱解技術

熱解技術是指褐煤在加熱過程中發生一系列的物理和化學變化，使煤中水分蒸發，氧含量減少，熱值提高。在熱解提質過程中，同時獲得固體無煙燃料，液體焦油和煤氣。

具有代表性的熱解技術:

(1)德國Lurqi GmbH公司開發的 Lurgi－Spuelgas低溫熱解工藝;

(2)德國Lurqi GmbH公司和美國Ruhurgas AG公司聯合開發的固體熱載體低溫干餾工藝;

(3)美國瓷球熱載體低溫快速熱解技術;

(4)中國煤炭科學研究總院北京煤化工分院開發的多段回轉爐工藝;

(5)大連理工固體熱載體快速熱解技術。

除了上述褐煤提質技術，成型技術也可以在一定程度上起到提質的作用。提質后的型煤可以做為工業原料和燃料使用，具有足夠的機械強度、較高的跌落強度、足夠的熱穩定性、較強的耐潮、抗水性能。

2 典型工藝介紹

2.1 美國“K燃料工藝”

在上世紀80年代中期，美國長青能源公司開發了K燃料工藝(K－Fuel Process)技術，經過二十年的完善已進入工業應用階段。

K燃料工藝過程如下:煤經過粉碎之后，通過傳送裝置送入壓力和溫度分別維持在3.7 MPa和238℃的高壓釜后，煤塊發生破裂，將硫化物從煤中分離出來，煤中的水分也隨之蒸發掉。經過高溫高壓處理的煤粉和蒸發出來的水蒸汽可以直接送入鍋爐進行發電或供熱。

2.2 日本“UBC”技術

日本神戶制鋼所(Kobe Steel Group)于1993年開始研究UBC(Upgrading Brown Coal)褐煤提質技術，其特點是用輕油去除褐煤中的水分。

“UBC”技術工藝過程如下:將褐煤研磨成粉狀后，與再生油(通常是石油裂解產生的輕油)和重油混合，形成煤漿，然后在蒸發器中加熱煤漿，水分被蒸發，再用細頸盛水瓶從脫水的煤漿中回收油，得到提質粉煤，最后將提質的煤壓制成型。

2.3 澤瑪克管式干燥技術

澤瑪克管式干燥機技術屬于以蒸汽為熱源的間接換熱干燥技術，兩端帶空心軸的回轉窯體內有多根換熱管，窯體稍微傾斜，蒸汽沿窯體一端的空心軸進入窯體，并迅速向換熱管管外表面擴散。原煤連續不斷地從上方送入干燥機的換熱管內，由于窯體是傾斜的，當窯體旋轉時，煤連續地在換熱管內從進料端流到出料端。與煤一起進入機體內的空氣吸收了水分以后在除塵器內與干煤粉分離。一部分重新壓縮進入干燥機，另一部分排入大氣。

2.4 懷特能源公司BCB技術

BCB(無粘合劑煤塊制作)技術工藝過程如下:褐煤由粗破碎機和細破碎機兩級破碎至0 mm～3 mm，由帶式給料機及斗提機送入原煤倉。原煤倉內的煤由給煤機加入到干燥管中，在干燥管中，褐煤被煙氣爐產生的500℃ ～600℃熱煙氣干燥并提升，快速升溫至105℃ ～110℃的同時，煤中部分水分轉化為水蒸氣。然后不完全干燥的煤粉經過旋風分離器和除塵器分離，干燥后的大部分熱煙氣由風機加壓循環使用，小部分通過袋式過濾器過濾后排放至大氣。旋風分離器和袋式過濾器分離下來的干煤經過中間儲倉及輸送設備送至對輥擠壓成型，型煤經冷卻后由帶式輸送機送出。

該工藝技術為一種閃速循環干燥技術，結合干燥產品的物理及化學穩定性，對高水分煤進行提質。在該工藝中，干燥產品的過程無需粘結劑。褐煤經過該工藝，可提質脫去約75%的水分，發熱量可提高40%左右，該技術在印尼建有100×104t/a的工業化裝置。

2.5 中國神華HPU技術

中國神華100×104t/a褐煤提質項目是國內第一個真正的褐煤提質項目，其項目本身具有十分重要的參考借鑒意義，工程于2008年開工建設，現已建成調試。

HPU技術由神華國際貿易有限責任公司委托中國礦業大學(北京)開發的褐煤提質工藝即褐煤熱壓提質技術(HOT PRESS UPGRADING，簡稱HPU)。

神華HPU技術是在參考澳大利亞懷特能源BCB技術的基礎上，結合國內技術研究或設備制造等專業單位的相關技術，研究開發的一套新的褐煤提質技術。其工藝過程如下:原煤先經過一次粗破碎和篩分，篩下小于13 mm的煤送入爐前燃料倉，燃料煤從燃料倉經稱重式給煤機送入煙氣爐爐膛內進行流化燃燒產生高溫煙氣，熱煙氣進入氣流干燥器作為干燥介質。

篩上大于13 mm的原煤經二次細破碎到小于3 mm的粉煤再經皮帶送入原料倉，煤粉通過皮帶稱重計量后進入直管式氣流干燥器內。在氣流干燥器中，粉煤中的水分被高溫熱煙氣蒸發而帶走，氣流干燥器出口的干燥煤粉水分含量可降至≤8%，干燥后的煤粉隨煙氣依次進入摻混料倉、布袋除塵器，凈化后的尾氣通過引風機經煙囪排入大氣。收集下來的煤粉進入熱壓機高壓成型，成型后的型煤產品經冷卻網帶冷卻后由皮帶送至成品倉，未成型的煤粉經斗提機返回摻混料倉再去成型。

圖1為神華HPU技術工藝流程圖。

2.6 德國Lurqi GmbH公司與美國Ruhurgas AG公司聯合開發的固體熱載體低溫干餾工藝

初步預熱的小塊原料煤同來自分離器的熱半焦在干餾器內混合，發生熱分解反應。從干餾器出來的半焦進入提升管底部，由熱空氣提送，同時在提升管中燒除其中的殘碳，使溫度升高，然后進入分離器內進行氣固分離，半焦再返回干餾器，如此循環。從干餾器逸出的揮發物，經除塵、冷凝、回收焦油后，得到熱值較高的煤氣。

2.7 Toscoal煤低溫熱解技術

Toscoal煤低溫熱解技術是美國油頁巖公司和Rocky Flats研究中心基于油頁巖干餾工藝開發的，于1970年至1976年間在25 t/d的中試廠先后對次煙煤、粘結性煙煤進行了試驗。

粉碎干煤在提升管內用來自瓷球加熱器的熱煙道氣預熱，預熱煤在熱解轉爐中和熱瓷球接觸，受熱并發生分解。半焦在回轉篩中與瓷球分離，瓷球再進入提升管被提升、加熱循環使用。

2.8 大連理工大學固體熱載體干餾工藝

褐煤固體熱載體法快速熱解是一個以褐煤半焦作熱載體為基本特點的技術。核心部分是固體熱載體循環系統，其中包括:加熱氣流提升管(用于提升和再次燃燒加熱循環的顆粒固體熱載體)、熱載體貯槽(將熱的固體熱載體從燃燒煙氣中分離出來，并貯存待用)、混合器(將原料煤與熱載體迅速混合)和熱解反應器(為混合后物料提供充分停留時間，使熱解反應進行完全)。

原料褐煤由原煤貯槽經螺旋給料機送入干燥提升管的底部，用熱煙氣進行干燥提升。熱煙氣來自干餾系統的熱煙氣下降管。干燥提升管的下部設有沸騰段，較大的煤粒在此得到充分干燥。經過干燥，煤中的水分可由26%左右降低到5%以下，煤料溫度約120℃，由二級旋風分離器分離(其中第二級采用環流式旋風除塵器)收集，干煤入干煤貯槽。

3 褐煤提質產品市場分析

由于褐煤提質后，其單位質量的熱值有較大幅度提高，運輸成本較褐煤降低約30%，產品覆蓋地域更加廣闊。在我國褐煤資源豐富的地區，可以實現資源就地加工，對褐煤進行干燥提質，附加值大幅增加，提質褐煤的優勢得以體現。

以內蒙某褐煤提質項目為例，當地褐煤發熱量約為3600 kCal/kg，售價220元/噸，如加工成提質型煤，每噸原料煤可得提質煤約0.73 t，出廠成本約為280元，自國鐵站至秦皇島裝船完畢，總費用預計約70元，則1 t褐煤提質為0.73 t后運至秦皇島裝船完畢總成本約350元，型煤產品發熱量約為5000 kCal/kg，而目前相近品質的煙煤裝船價約在650元/噸，每噸原煤與提質后產品利潤相差650×0.73－350=124.5元。

隨著我國國民經濟的高速發展，煤炭需求量增長迅速，作為不可再生的一次能源，煤炭市場價格將會穩步上升，提質褐煤將有廣闊的市場需求。

4 結束語

世界優質煤炭資源越來越少，開采費用日益增加，從煤炭價格和國家能源安全角度出發，對價格相對低廉、儲量較為豐富的褐煤資源進行綜合利用，具有較高的經濟價值和社會價值。

褐煤加工利用在我國起步較晚，目前正處于試驗研究和工業化初始應用階段，根據現有情況分析，存在一定風險。從技術上來講，存在諸如安全、環保、節能、穩定、投資成本高、運行成本高等不同的問題，其技術的成熟性、工藝設備的穩定性、可靠性等多方面均具有不確定因素;從市場前景來講，提質煤經遠距離運輸后，與普通動力煤相比成本優勢并不非常明顯，且目前所建的褐煤提質項目尚沒有明確的目標市場，在產品品質上沒有能夠做到差異化來滿足市場的不同需求，產品市場接受程度有待檢驗;從國家政策上來講，鑒于褐煤提質項目處于試驗階段，國家并未對該類項目提出成熟的規范和指導性政策。隨著項目的發展，國家將會加強引導和約束，淘汰較差的工藝和項目，對較成熟的工藝提出必要的政策規定，如環境保護、資源利用等方面的標準。