中國褐煤資源清潔高效利用現(xiàn)狀

趙 奇

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司煤化工分院,北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室,北京 100013)

0 引 言

我國煤炭資源儲量豐富且品種齊全,其中,褐煤保有儲量約1 300億t,占我國煤炭儲量的13%,廣泛分布在內(nèi)蒙古、云南等地[1]。褐煤多呈褐色或褐黑色,光澤暗淡或呈瀝青光澤,燃燒時冒白煙,剖面有明顯的木質(zhì)痕跡,易風化和自燃。近年來,煤炭市場需求減弱,我國煤炭產(chǎn)能嚴重過剩,在國家加速推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的大環(huán)境下,如何實現(xiàn)煤炭經(jīng)濟由傳統(tǒng)粗放型向高效集約型轉(zhuǎn)變,同時提高煤炭經(jīng)濟效益,成為煤炭行業(yè)當前面臨的主要問題。褐煤資源利用方面,燃燒發(fā)電仍是當前主要利用方式,同時全國部分褐煤大省積極開拓褐煤化工產(chǎn)業(yè),一大批褐煤制油、褐煤制天然氣、褐煤制化工產(chǎn)品等項目紛紛投產(chǎn),如神華煤制油項目等。另外,褐煤提質(zhì)、褐煤提取褐煤蠟、腐植酸等技術(shù)也被廣泛研究。

面對諸多褐煤化工利用項目的投產(chǎn)和褐煤傳統(tǒng)市場的衰退,一些爭議性問題逐漸涌現(xiàn),如褐煤化工產(chǎn)業(yè)是否可真正實現(xiàn)褐煤資源的高值高效化利用,利用過程中產(chǎn)生的環(huán)境問題是否已具備相應的解決措施,傳統(tǒng)的褐煤利用方式是否應當逐漸退出市場等。鑒于此,筆者統(tǒng)計分析了我國褐煤資源的地域分布特征,研究了我國不同成煤時代的典型褐煤基本性質(zhì),通過論述褐煤燃燒、褐煤提質(zhì)、褐煤液化等利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,探索適合我國當前發(fā)展需求的褐煤有效利用方式。

1 中國褐煤資源分布

1.1 中國褐煤資源地理分布

我國褐煤資源地域分布較集中,華北和西南儲量最大。內(nèi)蒙古自治區(qū)褐煤儲量最多,占全國褐煤資源量的77%,云南省次之,其褐煤資源量約占全國褐煤資源總量的12.6%。黑龍江、遼寧、山東、吉林、廣西等省(自治區(qū))的褐煤儲量也相對較多,分別占全國褐煤資源總量的 2.7%、1.5%、1.3%、0.8%和0.9%。 此外,四川、貴州、新疆、甘肅、河北、河南、福建、廣東、山西、安徽、浙江、青海等省也均有發(fā)現(xiàn),其總量約占全國褐煤資源總量的2.7%。全國典型省(區(qū))褐煤資源分布情況見表1。

表1 全國典型省(區(qū))褐煤資源分布Table 1 Distribution of lignite resources in typical provinces(regions)of China

1.2 主要含煤省份的褐煤資源分布

1)內(nèi)蒙古自治區(qū)褐煤資源

內(nèi)蒙古自治區(qū)褐煤資源儲量居全國首位,其褐煤資源主要集中在區(qū)東北部,主要成煤時代為晚侏羅紀,屬年老褐煤。區(qū)內(nèi)大型褐煤田眾多,勝利煤田、扎賚諾爾煤田、伊敏河煤田等都是我國重要的褐煤煤田。區(qū)內(nèi)典型褐煤田具體情況見表2。

表2 內(nèi)蒙古自治區(qū)典型褐煤田具體情況Table 2 Information of typical brown coal fields in Inner Mongolia

2)云南省褐煤資源

云南省為我國西南地區(qū)褐煤儲量最多的省份,省內(nèi)約83個縣、104個山間盆地蘊藏有褐煤,其中儲量億噸以上的褐煤田有12個,主要成煤年代為第三紀。云南省典型褐煤田情況見表3。

3)其他地區(qū)褐煤資源

除內(nèi)蒙古和云南外,東北三省也是褐煤資源較集中的地區(qū),區(qū)內(nèi)較典型的褐煤田有沈北煤田、琿春煤田等。山東、廣西、山西、河北等省也有褐煤分布。山東龍口煤田、廣西百色煤田、南寧煤田等是我國知名褐煤田。山西褐煤多集中在臨汾地區(qū),河北省褐煤則主要分布在萬全、沽縣、豐寧縣青石砬、曲陽縣靈山、淶源縣斗軍灣、張北縣城關(guān)、薊縣邦等地。部分典型褐煤田情況見表4。

表3 云南省典型褐煤田具體情況Table 3 Information of typical brown coal fields in Yunnan province

表4 其他省份典型褐煤田情況Table 4 Information of typical brown coal fields in other provinces

2 中國褐煤性質(zhì)

褐煤變質(zhì)程度介于泥炭與長焰煤之間,我國煤炭分類標準中,將褐煤分為褐煤1號(透光率PM≤30%)和褐煤2號(透光率PM＞30% ～50%)。

為了解我國褐煤基本特性和合適的利用途徑,筆者分別選取來自內(nèi)蒙古、云南、黑龍江、山東、新疆、貴州等地不同礦區(qū)和不同煤層的20余個代表性褐煤樣,對各煤樣的元素特性和工藝特性進行分析,結(jié)合相關(guān)文獻[7-8]的統(tǒng)計數(shù)據(jù),對分析結(jié)果進行了檢驗和校正。

2.1 元素分析

煤中主要元素包括碳、氫、氧、氮、硫等,C、H與煤炭變質(zhì)程度和發(fā)熱量等工藝性質(zhì)密切相關(guān);氧含量可反映煤炭氧化程度;N和S為有害元素,利用過程中易產(chǎn)生環(huán)境污染、毒害催化劑等,需要嚴格控制或脫除。我國不同成煤時代褐煤元素分析見表5。

表5 不同成煤時代褐煤元素分析Table 5 Proximate analysis of lignite with different age of coal formation %

褐煤碳含量為煤中最低,我國年輕褐煤碳含量通常為60% ～70%,年老褐煤碳含量通常為70.0% ～76.5%。煤中氫含量在低變質(zhì)程度階段變化不明顯。我國年輕褐煤氫含量多在5.0% ～6.5%,而年老褐煤氫含量在 4.5% ～5.5%。 我國褐煤氧含量在15%～30%。煤中氮含量通常較低,且與變質(zhì)程度無關(guān),我國褐煤氮含量為1% ～2%。煤中硫含量主要受成煤沉積環(huán)境影響,我國華北區(qū)和東北區(qū)褐煤田多為陸相沉積,褐煤硫含量較低,如內(nèi)蒙古霍林河、伊敏等地褐煤硫含量為0.2% ～0.7%;西南區(qū)褐煤田多為海陸交互相沉積,褐煤硫含量較高,如云南褐煤的硫分多在1% ～3%,甚至高達3%以上。

2.2 工藝特性

為分析褐煤利用途徑,進一步對各煤樣的工業(yè)分析、發(fā)熱量、焦油含量、褐煤蠟含量、灰成分及煤灰熔融性指標進行分析,不同成煤時代褐煤的工業(yè)分析及發(fā)熱量指標見表6。

表6 不同成煤時代褐煤工業(yè)分析及發(fā)熱量Table 6 Proximate analysis and calorific value of lignite with different age of coal formation

1)水分

我國褐煤水分很高,全水分通常為10% ～40%,而新近紀褐煤全水分最高可達30% ～40%,云南可寶新近紀褐煤全水分甚至高達46.6%。水分高不僅會降低褐煤熱值,增加運輸成本,還導致利用過程能耗增加,褐煤干燥技術(shù)應運而生。

2)灰分

我國褐煤灰分通常為20% ～30%,內(nèi)蒙古各礦區(qū)的褐煤普遍灰分較低,一般為10% ～20%,而云南、黑龍江部分礦區(qū)褐煤灰分最高可達到40% ～50%。

3)揮發(fā)分

我國侏羅紀褐煤揮發(fā)分相對較低,通常＜50%,最低為37%;新近紀褐煤揮發(fā)分多為50% ～60%;古近紀褐煤揮發(fā)分隨巖相組成不同而有較大差異。

4)發(fā)熱量

我國早、中侏羅紀褐煤的發(fā)熱量較高,Qgr,daf為29.54 MJ/kg,新近紀褐煤發(fā)熱量較低,Qgr,daf為27.24 MJ/kg。 我國褐煤平均發(fā)熱量Qgr,daf為28.71 MJ/kg。

5)灰成分及灰熔融性

煤炭灰成分及灰熔融性指標決定其在燃燒、氣化等利用過程中能否順利結(jié)渣和排渣,因此了解褐煤的灰成分及灰熔融性對判斷褐煤的適用途徑至關(guān)重要。我國不同成煤時代褐煤的灰成分見表7。

表7 不同成煤時代褐煤灰成分Table 7 Ash composition of lignite with different age of coal formation

由表7可知,不同成煤時代褐煤的灰成分不同,如古近紀褐煤灰成分中,Al2O3含量明顯偏高,而CaO含量較低;早中侏羅紀褐煤灰成分中,Al2O3含量偏低,而CaO含量較高。

有學者就我國不同地區(qū)的140多個褐煤灰熔融性進行分析,其結(jié)果與此次試驗數(shù)據(jù)綜合整理后結(jié)果見表8。可知,內(nèi)蒙古地區(qū)典型褐煤的煤灰軟化溫度(ST)＜1 250℃,變形溫度(FT)≤1 300℃;而云南地區(qū)典型褐煤,ST＞1 450℃,FT＞1 500℃。

表8 我國典型褐煤ST、FT溫度分布情況Table 8 Temperature distribution of ash fusibility of typical Chinese lignite

6)焦油

我國褐煤熱解焦油產(chǎn)率通常為6%～15%。褐煤熱解焦油產(chǎn)率通常作為評判其是否適合液化及熱解提油利用的主要依據(jù),同時為其他工藝應用提供指導。

7)褐煤蠟

褐煤蠟是由含蠟質(zhì)的煤經(jīng)溶劑萃取而得的礦物蠟,其廣泛應用于不同工業(yè)領(lǐng)域。褐煤中褐煤蠟含量與揮發(fā)分、氫含量呈正相關(guān)關(guān)系,也與煤巖顯微組分密切相關(guān)。我國褐煤蠟含量相對較低,侏羅紀褐煤可燃基蠟含量為0.2% ～1.0%,而新生代褐煤蠟含量最高可達8% ～9%,平均2.5% ～5.5%。

3 褐煤的利用

3.1 褐煤燃燒

燃燒是我國褐煤目前主要利用方式,我國褐煤約90%用于發(fā)電和工業(yè)鍋爐燃料。根據(jù)褐煤性質(zhì),我國電站鍋爐多采用煤粉鍋爐,少量采用旋風爐,流化床燃燒技術(shù)也正逐漸推廣。此外,褐煤富氧燃燒、褐煤水煤漿燃燒、褐煤與生物質(zhì)共燃燒等技術(shù)被廣泛研究[9-10],研究方向涉及燃燒化學反應特性、污染物排放、鍋爐熱效率等方面。也有學者對褐煤用于高爐噴吹的可行性進行研究,王海洋等[11]研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古某地褐煤用于高爐噴吹時添加比例可達40%。此外,有學者還研究了褐煤燃燒過程中砷、汞等有害元素的擴散規(guī)律[12]。

3.2 褐煤提質(zhì)

1)干燥脫水技術(shù)

褐煤干燥脫水技術(shù)分蒸發(fā)脫水和非蒸發(fā)脫水2類。蒸發(fā)脫水常用介質(zhì)有熱煙道氣、過熱蒸汽、熱油等,蒸汽管式干燥、滾筒干燥、蒸汽流化床干燥、床混式干燥、蒸汽空氣聯(lián)合干燥、振動混流干燥、熱油干燥等均為蒸發(fā)脫水技術(shù)。其中蒸汽管式干燥技術(shù)應用最廣,但過程能耗高,且易產(chǎn)生大量尾氣,其他蒸發(fā)干燥技術(shù)效果一般,適用性較低[13-14]。

非蒸發(fā)脫水通過改變褐煤結(jié)構(gòu)特性來脫除褐煤中氧及部分水,熱能脫水、機械熱擠壓脫水、溶劑萃取脫水是常見非蒸發(fā)脫水工藝。美國K-Fuel工藝是較典型的熱能脫水工藝,目前已進入工業(yè)應用階段,該技術(shù)能耗雖低,但脫水率也較低;德國熱壓脫水工藝(MTE)是典型機械熱擠壓脫水,該工藝融合了機械力與熱法脫水優(yōu)點,流程簡單,條件溫和,適合與電廠集成;日本學者先后利用四氫萘、二甲醚等溶劑進行脫水,該技術(shù)脫水效率較高,且能耗僅為傳統(tǒng)技術(shù)的1/2。

2)成型提質(zhì)技術(shù)

褐煤成型提質(zhì)技術(shù)分無黏結(jié)劑成型技術(shù)和有黏結(jié)劑成型技術(shù)[15]。無黏結(jié)劑成型方面,熱壓成型技術(shù)目前已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),典型的技術(shù)有德國無黏結(jié)劑沖壓成型技術(shù)、神華-中國礦業(yè)大學(北京)的褐煤熱壓提質(zhì)技術(shù)(HPU)、澳大利亞“冷干工藝”、無黏合劑煤塊制作技術(shù)(BCB)等;黏結(jié)劑成型方面,常用黏結(jié)劑有生物質(zhì)、油品、黏土等,該技術(shù)適用于變質(zhì)程度較高的褐煤。我國山東臨沂地區(qū)曾建設(shè)一型煤示范廠。

3)熱解提質(zhì)技術(shù)

德國Lurgi-squel-gas低溫熱解工藝(L-S)、美國低階煤提質(zhì)聯(lián)產(chǎn)油工藝(LFC)、澳大利亞流化床快速熱解工藝;國內(nèi)方面,大連理工大學固體熱載體法快速熱解工藝、中國科學院過程工程研究所“煤拔頭”工藝以及近年來煤炭科學技術(shù)研究院有限公司開發(fā)的小粒徑低階煤熱解工藝等都是典型的適用于低階煤的熱解工藝[16-17]。此外,有學者還利用太陽能進行煤炭熱解工藝。低階煤熱解工藝眾多,但大多數(shù)技術(shù)未解決熱解粉塵問題,目前尚無以褐煤為原料的熱解工業(yè)應用。

3.3 褐煤化工利用

褐煤氣化、褐煤液化、褐煤溶劑抽提、褐煤制吸附劑材料等是研究較多的褐煤化工利用技術(shù)[18]。

適于褐煤氣化的技術(shù)有殼牌氣化技術(shù)、航天爐氣化技術(shù)(HT-L)、加壓氣流床氣化技術(shù)(GSP)技術(shù)等,大唐多倫煤制烯烴項目、神華寧煤煤制甲醇項目均是以褐煤氣化為源頭的煤化工利用項目。褐煤液化分直接液化和間接液化2類,神華集團煤制油項目即為褐煤直接液化項目,煤炭科學技術(shù)研究院有限公司長期致力于煤直接液化技術(shù)研究,并為神華集團煤制油項目的順利打通提供了技術(shù)保障。中國科學院山西煤炭化學研究所以間接液化為主要研究方向,通過溶劑抽提,可獲得腐植酸、褐煤蠟以及無灰煤等產(chǎn)品。褐煤碳化吸附劑可應用于食品、醫(yī)藥、工業(yè)廢氣、廢水治理等方面,但受常規(guī)抽提溶劑毒性較大、操作復雜,吸附劑制備技術(shù)不成熟等因素影響,目前尚無大規(guī)模工業(yè)應用實例。

4 結(jié)論與展望

1)深化褐煤燃燒技術(shù)研究,積極推進褐煤燃燒清潔高效化發(fā)展。未來較長時間內(nèi),燃燒發(fā)電仍是我國褐煤主要利用途徑,因此,需積極研究褐煤清潔高效燃燒技術(shù),提高燃燒過程中煤炭利用效率,同時有效控制煤中有害元素、煙塵、VOCs等污染物的燃燒擴散和排放,實現(xiàn)褐煤燃燒利用途徑多樣化,燃燒過程清潔化和高效化。

2)科學規(guī)劃褐煤化工利用途徑,加速突破褐煤化工利用關(guān)鍵技術(shù)壁壘。工業(yè)成熟的褐煤化工利用技術(shù)屈指可數(shù),且相關(guān)化工產(chǎn)品市場需求不穩(wěn)定,利用過程損耗及污染物排放情況尚不清楚,因此,一方面應根據(jù)資源賦存特征及市場需求,科學規(guī)劃褐煤化工利用途徑,另一方面需加速突破技術(shù)壁壘,解決褐煤提質(zhì)利用過程中粉塵量大、油塵分離難,常規(guī)褐煤抽提溶劑毒性大、抽提操作流程復雜,化工轉(zhuǎn)化過程副產(chǎn)物再利用等技術(shù)難題,努力拓寬褐煤化工利用方向,擴大褐煤應用市場。

3)加速配套環(huán)保技術(shù)研究,探索適于褐煤利用過程的環(huán)保工藝路徑。環(huán)保要求日益趨嚴,傳統(tǒng)褐煤利用工藝很難達到相關(guān)排放指標。因此,需加強相關(guān)環(huán)保技術(shù)與設(shè)備的研發(fā)工作,積極探索褐煤選礦及其他褐煤利用前凈化技術(shù),推進褐煤利用過程中污染物釋放規(guī)律及相關(guān)控制技術(shù)研究工作,擴大煙塵治理、VOCs治理等技術(shù)在褐煤利用企業(yè)的應用范圍,努力建設(shè)環(huán)境友好型褐煤產(chǎn)業(yè)。

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