褐煤提質分質分級利用技術及其產業化應用

王鵬云，王 燕，王蓮邦，尹招凱，彭文剛

(云南中翼鼎東能源科技開發有限公司，云南省曲靖市，655000)

我國是一個“富煤、貧油、少氣”的國家，能源資源稟賦的條件決定了在一定時期內煤炭仍是我國的主體能源，在煤炭資源探明儲量中，褐煤資源占13%，達到1303億t[1]。褐煤是泥炭沉積后經脫水、壓實轉變為有機巖的初期產物，因外表呈褐色或暗褐色而得名，主要分布于內蒙古、東北三省及云南等地區。褐煤具有揮發分高(Vdaf>37%)、水分高(全水分約為30%，外在水分大多超過 19%)、發熱量低(約12.56 MJ/kg)、易自燃等特點。

目前，大部分褐煤只能單一地作為燃料應用[2]，但褐煤成分復雜，富含腐植酸等可利用的富營養成分，因此在不破壞褐煤營養價值成分的前提下，把褐煤進行提質處理，使其由單一燃料化應用向原料化應用轉化，將成為未來的主流研究方向，因此褐煤的原料化開發應用具有重要意義。

1 褐煤提質分質分級利用技術

按照褐煤資源化利用的研究思路，結合褐煤的組分特點，云南中翼鼎東能源科技開發有限公司(以下簡稱“中翼鼎東”)提出了一種新的褐煤提質分質分級利用技術(Lignite upgrading classification and utilization，簡稱LUCU技術)。基本實現了褐煤提質、改性和分質分級利用，裝備安全可靠，具有工業化大規模生產的條件。

2 褐煤提質分質分級利用流程

LUCU技術利用了褐煤微觀結構、內水和外水不同的賦存狀態、變質程度、褐煤組成中各組分的質量比例不同等特點，將褐煤原料破碎到設定的粒度，再與設定的高溫(800～1300℃)煙氣同步進入旋流化解聚提質系統，在系統內被高速解聚分散并與熱煙氣直接接觸進行高效熱交換，快速提質后隨高溫煙氣一起排出系統，然后進入一級提質分級器、二級提質分級器和三級提質分級器進行氣固提質分級，一級提質分級后的產品再進行精細提質，從而實現分質資源化利用。褐煤提質分質分級工藝(LUCU)流程如圖1所示。

圖1 褐煤提質分質分級工藝(LUCU)流程

2.1 褐煤提質效果

2.1.1不同提質分級產品的煤質對比

采用云南國能煤電有限公司彌勒縣跨竹礦區的褐煤為原料，與通過提質工藝后的一級、二級和三級提質分級產品以及勝利典型褐煤在煤質指標方面進行了對比，提質分級產品煤質數據對比見表1。

表1 提質分級產品煤質數據對比

由表1可以看出，干燥提質分級后的褐煤全水分大幅降低，揮發分基本不變，同時，低位發熱量提高較大。平均降低1個百分點的水分，熱值就提高200.13 kJ，水分、灰分、熱值指標介于典型褐煤和煙煤之間，大幅度地提高了其使用范圍。

2.1.2各級提質分級產品粒徑分布

對提質后的褐煤進行一級、二級和三級提質分級后的產品進行篩分，各級提質分級產品粒徑分布和統計見表2和表3。

表2 各級提質分級產品粒徑分布表

表3 各級提質分級產品粒徑統計表

由表2和表3可以看出，分級后的褐煤二級產品90.65%集中在小于0.075 mm的范圍內，均勻性指數為0.37；三級產品99.55%集中在小于0.075 mm的范圍內，均勻性指數0.06。二級和三級產品的粒徑完全滿足電站鍋爐的燃料細度要求，可以不用二次制粉，直接進入煤粉燃煤鍋爐。

2.1.3產品熱重分析

為了考察各級產品的燃燒性能特點，對分級后的一級、二級和三級產品進行了熱重試驗分析。根據熱重分析判別指標，3種產品屬于極易著火、極易燃盡的煤種，二級與三級產品反應指數與燃盡指數基本一致。產品熱重分析結果見表4。

表4 產品熱重分析結果表

2.1.4產品著火性能

將分級后的一級產品、二級產品和三級產品按照1∶1∶1的比例進行混合，篩除1 mm粒度級后磨細再混合，在一維火焰爐和煤粉氣流著火爐試驗臺進行著火試驗[3]，測得著火溫度為520 ℃，屬于極易著火煤種。

2.1.5產品爆炸特性評價

將分級后的一級產品、二級產品和三級產品按照1∶1∶1的比例進行混合，在西安熱工院煤粉爆炸試驗臺開展煤粉爆炸特性試驗[4]，樣品溫度從60 ℃增加到80 ℃，儲氣罐壓力為180 kPa，煤粉質量從15 g增加到30 g，均未發生煤粉爆炸，可據此判斷混合產品屬于低爆炸或者中等爆炸傾向煤種。

綜合上述有關測試結果，可初步判斷出三級產品及其混合產品與原料褐煤相比，某些特性發生了較大變化，煤質指標介于褐煤與高揮發分煙煤之間，實現了褐煤的提質改性。

2.2 分級產品在農作物種植領域的應用

褐煤經過提質分級后，因一級產品含水量較高，腐殖酸、纖維素、半纖維素和木質素等富營養成分含量較高，再將其溶解精細提取后，可得到褐煤提取液和土壤調理劑。褐煤提取液pH值為3.5，主要成分是甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、羥基丙酮、愈創木酚、異喹啉、對甲酚和間甲酚等；土壤調理劑的主要成分如下，有機質(干)的質量分數為49%、腐植酸的質量分數為7.1%、中量元素(鈣+鎂+硫)的質量分數為5%、微量元素(銅+鐵+錳+鋅+硼+鉬)的質量分數為3%，有害元素小于土壤調理劑國家標準。

褐煤提取液經云南省疾控中心按照《肥料登記急性經口毒性試驗及評價要求》(NY1980-2010)，檢測屬“實際無毒”，經中科院昆明動物研究所藥物安全評價中心依據《食品安排國家標準28天經口毒性試驗》(GB15193.22-2014)檢測，未發現潛在毒性，砷、鉛、汞含量均小于1 μg/kg，遠低于農業投入品標準要求，結合其成分特點，具備了進一步應用于農業和醫療保健領域研究開發的基礎；土壤調理劑富含有機質和游離腐植酸，含中量元素(肥料中的鈣、鎂、硫)和微量元素，對化學農業給土壤造成的損害有一定的修復價值。

3 褐煤提質分質分級利用成果的應用

3.1 提質后二級和三級混合產品在燃煤電廠的應用

褐煤干燥提質后的二級和三級產品通過氣力輸送系統送至粉倉(粉倉裝設布袋除塵，沖氮防護)，再用氣力輸送或管鏈輸送系統輸送到燃煤電廠中的儲式制粉系統的粉倉中(減少了繼續制粉環節)[5]，實現了燃料不用制粉直接摻燒或替代，降低了燃煤電廠的電耗(制粉環節)和污染物排放，還可以提高鍋爐燃燒的穩定性。

3.2 提質后二級和三級混合產品在水泥行業的應用

褐煤干燥提質后的二級和三級產品通過氣力輸送系統送至粉倉(粉倉裝設布袋除塵，沖氮防護)，再用水泥罐車運輸到水泥廠，直接接通水泥廠制粉系統分解窯前端或后端粉倉，將混合料輸送到粉倉即可。水泥廠窯尾全部燃用混合產品和燃用煙煤的關鍵運行指標對比見表5。

表5 水泥廠窯尾全部燃用煙煤和燃用混合產品的關鍵運行指標對比

從替代水泥廠燃用煙煤的測試分析研究中可以看出，混合產品除了具備高揮發分、易燃盡、易著火、發熱量高的優異特性，并保持水泥分解窯工況穩定外，還具備制粉電耗、二氧化碳和氮氧化物排放均能大幅降低的優點。

3.3 褐煤提質分級后的提取液在農作物生長領域的應用

2020年5月云南省農業科學院在甘蔗種植中，開展了葉面噴施褐煤提取液的試驗示范，噴施褐煤提取液對甘蔗產量具有明顯促進作用，對甘蔗蔗汁糖度、甘蔗糖分、單莖重、出汁率都有積極的促進作用；2020年8月在草莓種植中葉面噴施褐煤提取液，噴施褐煤提取液能有效促進草莓植株生長，延緩葉片衰老，增加植株抗病能力，提高肥料利用率；2020年9月在魔芋種植中葉面噴施褐煤提取液，噴施褐煤提取液能夠增加魔芋株高、開展度、葉柄高度、葉柄周長,增加魔芋葉片的光合效率，增強魔芋植株的抗病性，提高魔芋的產量，高濃度施用能夠提高魔芋球莖葡甘露聚糖和可溶性總糖含量，其他水果、茶業等種植正在相繼開展試驗示范。

小麥是我國主要糧食作物之一，通常采用促芽技術以促進小麥快速萌芽，提高種子萌動、節省播種量，是晚播早出的好方法[6]。將褐煤提取液稀釋50倍浸種催芽，與清水浸種催芽進行對比試驗，小麥浸種催芽發芽率對比、催芽苗和根長對比、催芽苗干重和根干重對比如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可以看出，褐煤提取液組的小麥發芽率比清水對照組高6.59%，根長比清水對照組長22.8%，苗長比清水對照組長12.6%，根干重比清水對照組增重12.8%，苗干重比清水對照組增重37.1%，表明用褐煤提取液能夠起到對小麥浸種促芽的作用，并且能提高小麥苗的發芽率、減少播種量。

圖2 小麥浸種催芽發芽率對比

圖3 小麥浸種催芽苗和根長對比

圖4 小麥浸種催芽苗干重和根干重對比

意大利生菜富含維生素C和氨基酸，除作為常食蔬菜外，還有一定的保健功效。將褐煤提取液稀釋400倍，與清水、氨基酸水溶肥、腐植酸水溶肥進行生菜生長周期3次噴施對照大田試驗，生菜維生素C含量對比、粗纖維含量對比、氨基酸總含量如圖5～圖7所示。

圖5 生菜維生素C含量對比

圖6 生菜粗纖維含量對比

圖7 生菜氨基酸總含量

由圖5～圖7可以看出，褐煤提取液組的維生素C含量比清水對照組提高了12%，褐煤提取液組的粗纖維含量比清水對照組提高了43.9%，褐煤提取液組的氨基酸總含量比清水對照組提高了24.5%；同時組織土肥站專家測產，平均單株0.33 kg，比清水對照組增重22.8%；667 m2增產921.61 kg，增幅為22.13%。

經過褐煤提取液與腐植酸和氨基酸水溶肥對比后發現，褐煤提取液能夠提高肥料的利用率，可探索在肥料減量化中的深入研究。從試驗數據和結果分析，褐煤提取液具備在農業種植領域深入研究和開發的潛力。

4 結論

提質褐煤通過在云南能投曲靖發電有限公司、云南華新東俊水泥有限公司的應用，褐煤提取液經過云南省農業科學院在不同品種作物中的試驗示范，說明中翼鼎東的褐煤提質分質分級利用技術(LUCU)，既對褐煤的劣勢進行了改性，又保留了褐煤的天然物質成分，使之在火力發電、水泥生產應用中性能得到提高。同時，開展了系列農產品種植施用褐煤提取液的試驗示范，也取得較好應用效果。

研究結果表明，該技術對火電行業、水泥行業、冶金行業、煤化工等行業的節能減排將發揮重要作用，并且為褐煤在綠色農業的應用提供了一條新的路徑，對促進煤炭供給側改革、提高煤炭在綠色農業中的發展具有巨大推動作用。

將褐煤提質分質分級后，同步應用于工業燃料、農業等行業，對褐煤原料化開發利用，優化國家能源結構和農業綠色可持續發展有重要意義。