褐煤提質(zhì)工業(yè)性試驗項目的總結(jié)和思考

邵俊杰 何立新

（1.中國神華海外開發(fā)投資有限公司，北京市東城區(qū)，100009；2.北京低碳清潔能源研究所，北京市昌平區(qū)，102209）

褐煤提質(zhì)工業(yè)性試驗項目的總結(jié)和思考

邵俊杰1何立新2

（1.中國神華海外開發(fā)投資有限公司，北京市東城區(qū)，100009；2.北京低碳清潔能源研究所，北京市昌平區(qū)，102209）

介紹了神華集團公司50萬t／a褐煤提質(zhì)工業(yè)性試驗項目，討論了褐煤提質(zhì)工藝系統(tǒng)和設(shè)備的優(yōu)點和不足，分析了褐煤型煤制備水煤漿和氣流干燥技術(shù)的應(yīng)用前景。

褐煤提質(zhì) 工業(yè)性試驗項目 輥壓成型 氣流干燥 水煤漿

1 項目背景介紹

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和對能源需求的與日俱增，國內(nèi)優(yōu)質(zhì)煤炭資源供應(yīng)已日趨緊張，開發(fā)褐煤提質(zhì)技術(shù)對于充分利用我國的褐煤資源、提高褐煤利用價值和緩解優(yōu)質(zhì)動力煤供應(yīng)緊張的局面具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，我國褐煤等劣質(zhì)煤與優(yōu)質(zhì)煤的價差不斷拉大，為神華集團蒙東地區(qū)褐煤資源的開發(fā)利用提供了契機。從2005年12月開始，神華集團立項開展褐煤熱壓提質(zhì)工藝的技術(shù)研究，2006年8月在中國礦業(yè)大學 （北京）建成了一條200 kg／h的褐煤熱壓提質(zhì)試驗線，并完成了對通遼、勝利和寶日希勒3種褐煤的提質(zhì)中試試驗，取得了良好的效果。為了推進褐煤熱壓提質(zhì)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，2007年3月神華集團聯(lián)合中國礦業(yè)大學 （北京）等科研單位和設(shè)備廠商，啟動了50萬t／a褐煤熱壓提質(zhì)項目配套的三大工業(yè)化關(guān)鍵設(shè)備——循環(huán)流化床高溫煙氣爐、直管式氣流干燥器和高壓對輥成型機的自主開發(fā)，為褐煤提質(zhì)工業(yè)性試驗項目準備了技術(shù)條件。

2 裝置基本概況

神華寶日希勒褐煤提質(zhì)工業(yè)性試驗項目采用了神華集團與中國礦業(yè)大學 （北京）聯(lián)合開發(fā)的褐煤熱壓提質(zhì)技術(shù)，項目建設(shè)總規(guī)模為2×50萬t／a，首期建設(shè)了一套50萬t／a規(guī)模的褐煤提質(zhì)型煤生產(chǎn)裝置。項目于2008年5月開工建設(shè)，2009年9月基本建成后進入試車階段。褐煤提質(zhì)工業(yè)性試驗裝置由備煤系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、熱煙氣系統(tǒng)、成型系統(tǒng)、成品冷卻系統(tǒng)、制氮系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等組成，其主體工藝流程如圖1所示。

圖1 褐煤提質(zhì)工業(yè)性試驗裝置工藝流程

3 裝置的運行情況

裝置自2009年9月開始投入試車，由于褐煤熱壓成型提質(zhì)工藝的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首次，三大工業(yè)關(guān)鍵設(shè)備完全是自主開發(fā)，裝置的設(shè)計和運行難免會遇到一些問題。經(jīng)過2011年和2012年的兩次消缺改造，相繼解決了輸送成品中的輸送系統(tǒng)煤塵大、系統(tǒng)啟停機存在安全隱患以及伴熱系統(tǒng)凍凝等問題，裝置性能得到了有效改善，裝置運行逐漸趨于平穩(wěn)。

2012年的7-8月，裝置連續(xù)穩(wěn)定運行首次突破168 h，并完成持續(xù)穩(wěn)定運行720 h。目前裝置已進入試生產(chǎn)階段，但由于成型機設(shè)計的調(diào)整，單臺機的產(chǎn)量從25 t／h下降到15 t／h，裝置目前維持在50%～60%負荷的運行狀態(tài)。通過下一步增加成型系統(tǒng)的處理能力，將實現(xiàn)裝置的滿負荷運行。

3.1 熱煙氣系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)

熱煙氣系統(tǒng)的功能是為干燥系統(tǒng)提供干燥介質(zhì)——高溫煙氣，本項目開發(fā)的循環(huán)流化床高溫煙氣爐為國內(nèi)外首創(chuàng)，具有燃料適應(yīng)性廣 （可燃用劣質(zhì)煤）、對備煤系統(tǒng)要求低 （無需煤的制粉干燥）、安全性高 （無制粉系統(tǒng)的煤粉爆炸風險）及煙氣氧含量可控等優(yōu)點。

本項目的干燥系統(tǒng)開發(fā)了目前國內(nèi)最大的用于褐煤干燥的直管式氣流干燥裝置。氣流干燥器具有加熱效率高、設(shè)備簡單、操作控制方便、占地小和投資少等特點。與回轉(zhuǎn)干燥器相比，占地面積減小約60%，投資可減少70%～80%。裝置的氣流干燥器由于氣流速度高，煤粉在氣相中分散良好，粒子全部表面積作為干燥的有效面積，干燥的傳熱和傳質(zhì)過程強度大，氣固兩相的接觸時間極短，在3～5 s內(nèi)可同時除去褐煤的外水和部分內(nèi)水，將褐煤的水分從33%左右降低到7%～10%。同時由于氣流干燥器采用氣固兩相并流操作，在表面氣化階段，煤粉始終處于與其接觸氣體的濕球溫度，一般不超過60℃～65℃。在干燥末期煤粉溫度的上升階段，氣體溫度已大大降低，實測煤粉溫度不超過120℃。由于物料的熱變性一般是溫度和時間的函數(shù)，因此不會造成煤的過熱或分解。

運行結(jié)果表明，煙氣爐供熱能力達到了設(shè)計要求，幾乎所有的性能參數(shù)都達到或基本達到設(shè)計指標，爐膛溫度、出口煙氣氧含量和出口煙氣溫度等關(guān)鍵參數(shù)完全實現(xiàn)了自動控制且控制平穩(wěn)。特別是系統(tǒng)煙氣氧含量可穩(wěn)定控制在3%～6%范圍內(nèi)，為干燥系統(tǒng)乃至整套裝置的安全運行創(chuàng)造了條件。從實際運行看，系統(tǒng)還具有較大的超負荷運行潛力，熱煙氣系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)運行參數(shù)見表1。

表1 熱煙氣系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)運行參數(shù)

3.2 成型系統(tǒng)

目前本裝置的成型系統(tǒng)仍存在一些問題，成型機實際運行的成型率在40%～60%左右，遠低于實驗室80%以上的成型率，成型機單臺生產(chǎn)能力由于在建設(shè)過程中改變過設(shè)計參數(shù)，使得設(shè)計能力由25 t／h下調(diào)到了15 t／h，致使裝置整體運行負荷只能達到原設(shè)計負荷50%～60%。型煤質(zhì)量還不夠穩(wěn)定，但全水分含量、熱值及抗壓強度等指標已基本達到設(shè)計要求，而型煤落下強度在50%～70%之間 （熱態(tài)），低于設(shè)計要求的80%。成型系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 成型系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

3.2.1 成型機產(chǎn)量低于預(yù)期的原因分析

由于工業(yè)大型成型機的樣機進行褐煤成型試驗時發(fā)現(xiàn)型煤產(chǎn)品的強度不夠，所以對大型成型機從提高壓輥線壓力 （單位長度輥寬所承受的壓力）和轉(zhuǎn)速兩方面做了改進。一方面將大型成型機的輥面工作寬度減少至原來的3／4，壓輥線壓力提高到原來的1.3倍；另一方面將大型成型機的驅(qū)動電機由原設(shè)計的4級電機改為6級電機，電機轉(zhuǎn)速由1450 r／min下降至998 r／min，使輥面線速度下降為原來的70%，對煤粉的壓縮時間相應(yīng)增加到原來的1.4倍。所以，由于輥寬減小導(dǎo)致輥面球窩數(shù)量的減少和輥面線速度降低兩方面原因，導(dǎo)致工業(yè)大型成型機的理論生產(chǎn)能力已由原設(shè)計的25 t／h降低為15 t／h。

另外，我國蒙東地區(qū)褐煤大多為中老年褐煤，與德國和澳大利亞等國的年輕褐煤相比可成型性要差許多，中老年褐煤需要更大的壓力和壓縮時間才能達到年輕褐煤的成型效果，所以單臺成型機的產(chǎn)量過高難以保證較高的成型壓力和較長的壓縮時間來提高型煤質(zhì)量，現(xiàn)有裝置如要實現(xiàn)滿負荷運行，需要增加裝置配備的成型機臺數(shù)。

3.2.2 型煤落下強度和浸水強度降低的原因分析

實驗室中試生產(chǎn)線小型成型機設(shè)計生產(chǎn)能力為200 kg／h，生產(chǎn)的型煤落下強度大于80%，浸水強度 （防水性指標）達到200 N／個，高于大型成型機生產(chǎn)型煤的強度 （其落下強度為50%～70%，浸水強度接近于0）。

初步分析認為，大型成型機輥間煤粉受到的壓縮沖量 （壓力與時間的乘積）與小型成型機相比差別較大是其主要原因之一。

首先由于工業(yè)大型成型機的輥徑為小型成型機的4倍左右，雖然大型成型機壓輥線壓力為小型成型機的2倍左右，但由于輥面煤粉咬入?yún)^(qū)面積與輥徑成正比 （通常假設(shè)不同輥徑壓輥對煤的咬入角相同），所以大型成型機的輥間煤粉所受壓強只有小型成型機的1／2。大型成型機的輥面線速度是小型成型機2倍以上，所以輥間煤粉壓縮的時間只有小型成型機的1／2，因而在大型成型機上單位質(zhì)量的煤被壓縮時所受到的沖量不到小型成型機的1／4。從而導(dǎo)致大型成型機的型煤產(chǎn)品的落下強度和浸水強度達不到實驗室小型成型機的型煤產(chǎn)品的水平。

另外，實驗室裝置采用柴油做煙氣熱源，工業(yè)裝置采用煤作為煙氣熱源，燃煤帶入煙氣的飛灰使得型煤增加約1%以上的灰分。實驗室型煤灰分為9.34%，工業(yè)生產(chǎn)型煤灰分普遍在12%～16%之間。燃煤飛灰和原煤煤質(zhì)的波動都可能是型煤落下強度和防水性變差的原因之一。

如要縮小其中的差距，需要提高大型成型機的壓輥線壓力、減小其輥徑和降低輥面線速度，但壓輥線壓力的提高、輥徑的減小和輥面線速度的降低受到成型機產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、輥套壽命、給料裝置性能和煤的成型特性等諸多因素的影響。例如，工業(yè)大型成型機的單臺產(chǎn)量是小型成型機的75倍（按現(xiàn)有大型成型機單臺產(chǎn)量15 t／h計算），客觀上導(dǎo)致大型成型機的輥面線速度必然要遠遠高于小型成型機，無法達到小型成型機的輥面線速度水平。

由于用于中老年褐煤無粘結(jié)劑成型的大型成型機設(shè)計在國內(nèi)外尚屬首次，不能完全照搬國外用于年輕褐煤成型的大型成型機的設(shè)計參數(shù)。又由于目前對中老年褐煤的成型特性和成型機設(shè)計參數(shù)還認識不足，大型成型機的設(shè)計中難免出現(xiàn)了一些問題。大型成型機設(shè)計多大的輥面線壓力、多大輥徑和多高的線速度合適還需要從多方面進行深入研究。

4 產(chǎn)品和工藝應(yīng)用前景分析

目前生產(chǎn)出的型煤產(chǎn)品質(zhì)量指標穩(wěn)定，發(fā)熱量和水分等指標已達到或接近設(shè)計要求，型煤彈筒的發(fā)熱量主要分布在20.92～22.60 MJ／kg，灰分主要分布在10%～16%，水分主要分布在6%～11%，落下強度主要分布在50%～70%，其性能接近于煙煤。圖2為2012年12月份至2013年5月份型煤全水分和發(fā)熱量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖，圖3為2012年8月份至2013年2月份型煤落下強度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖。

4.1 作為氣化水煤漿原料

本裝置的熱壓提質(zhì)工藝使褐煤煤質(zhì)特性發(fā)生明顯改變。與褐煤原煤相比，提質(zhì)型煤的親水性官能團含量降低、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化、孔隙率降低60%以上、最高內(nèi)水降低20%以及可磨性指數(shù)HGI提高對提高褐煤成漿性的作用顯著。當添加劑用量為1.0%時，提質(zhì)型煤制取水煤漿的最大成漿濃度可達到60.2%，比褐煤原煤的49%的最大成漿濃度提高了11.2%。

目前提質(zhì)型煤產(chǎn)品已銷售給大唐呼倫貝爾化肥公司約6萬t，為了降低成本，該公司將提質(zhì)型煤與褐煤原煤按1∶1比例進行配煤，可制備成濃度約為55%的水煤漿用于氣化。褐煤熱壓成型提質(zhì)制取氣化水煤漿的新方法將開辟褐煤高效利用的嶄新途徑，與傳統(tǒng)的褐煤熱解和水熱處理制漿方法相比有一定的成本優(yōu)勢，因此具有較好的應(yīng)用前景。

4.2 作為燃料

目前褐煤提質(zhì)工業(yè)性試驗項目型煤產(chǎn)品的抗壓強度、含水量和熱值等性能參數(shù)基本達到了設(shè)計要求，提質(zhì)后的型煤熱值提高至20.92 MJ／kg左右。目前提質(zhì)型煤在呼倫貝爾區(qū)域主要銷售用戶為水泥、發(fā)電和糧食干燥等企業(yè)。由于具有型煤易自燃、型煤落下強度低于設(shè)計值、倒運過程產(chǎn)生的碎煤比重小、極易揚塵以及裝卸過程環(huán)境惡劣等一系列問題，導(dǎo)致外地用戶有些抵觸，加上近年來煤炭供大于求，煤價持續(xù)降低，因此產(chǎn)品銷售面臨了一些困難。

圖2 2012年12月份至2013年5月份型煤全水份和發(fā)熱量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 2012年8月份至2013年2月份型煤落下強度數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4.3 工藝應(yīng)用

從目前情況分析，本項目開發(fā)的褐煤型煤制漿技術(shù)可應(yīng)用于煤化工水煤漿氣化，褐煤直管式氣流干燥技術(shù) （褐煤原煤干燥能力單套80萬t／a，按利用小時7200 h／a計）可應(yīng)用于煤化工煤粉氣化和電廠的備煤，如此可以減少褐煤運輸距離過長且同時避免裝卸過程中產(chǎn)生的污染等問題，使得本項目開發(fā)的相關(guān)技術(shù)更有應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

神華褐煤提質(zhì)工業(yè)性試驗項目的實踐為褐煤成型提質(zhì)技術(shù)的進一步開發(fā)和完善打下了良好的基礎(chǔ)，開發(fā)的褐煤型煤制備氣化水煤漿技術(shù)和褐煤氣流干燥技術(shù)顯示了良好的市場應(yīng)用前景。

［1］王子兵，康占肖，楊建山 .褐煤干餾半焦揮發(fā)分殘留率的研究 ［J］.中國煤炭，2010（9）

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［4］王素玲，崔郎郎 .對輥成型機計算說明書 ［R］.洛陽：洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院，2009

［5］初茉，褚良 .神華寶日希勒褐煤提質(zhì)工業(yè)性試驗產(chǎn)物特性及水煤漿制備研究報告 ［R］.北京：中國礦業(yè)大學 （北京），呼倫貝爾神華潔凈煤有限公司，2013

Summary and reflection on industrial pilot project of lignite upgrading

Shao Junjie1，He Lixin2
（1.China Shenhua Overseas Development Investment Co.Ltd.，Dongcheng，Beijing 100009，China；2.National Institute of Clean and Low Carbon Energy，Changping，Beijing 102209，China）

The 0.5 Mt／a industrial pilot project of lignite upgrading in Shenhua Group Co.Ltd.，was introduced，the advantages and disadvantages of the lignite upgrading process and equipment were discussed，and the prospects about the technology of CWS preparation with lignite briquette and flash drying process were analyzed.

lignite upgrading，industrial pilot project，roller briquetting，flash drying，CWS

TQ531

A

邵俊杰 （1963-），男，江蘇張家港人，教授級高級工程師，現(xiàn)任中國神華海外開發(fā)投資有限公司董事長。

（責任編輯 王雅琴）