褐煤干燥提質(zhì)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

邰世康，杜坤，王雅靜，程世升，陸文劼，鄧旭，陳夢圓

(1.中國神華國際工程有限公司，北京 10007；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；3.中國神華國際工程公司，北京 100007；4.中化商務(wù)有限公司，北京 100045)

0 引言

褐煤干燥提質(zhì)是在一定的壓力溫度條件下，去除褐煤的含氧官能團(tuán)、水分和多余的灰分，增強(qiáng)褐煤品質(zhì)的操作過程叫做褐煤提質(zhì)。褐煤提質(zhì)的方式主要有化學(xué)法和物理法，化學(xué)法是褐煤在隔絕空氣(或在非氧化氣氛)和較高的溫度下熱解，生成焦油、粗苯、煤氣和半焦或焦炭的過程，同時(shí)脫除大部分揮發(fā)分和水分[1]。此熱解反應(yīng)中熱分解和焦化等化學(xué)變化發(fā)生在褐煤體內(nèi)。物理法則是將褐煤與過熱蒸汽、熱煙氣等高溫物質(zhì)混合，進(jìn)行換熱處理，脫去少量揮發(fā)分和大部分水分，整個(gè)操作過程中褐煤不發(fā)生任何化學(xué)變化[2]。

煙氣干燥褐煤顆粒不僅提高了褐煤的熱值，同時(shí)降低了其中的水分，而且褐煤的性質(zhì)及表面結(jié)構(gòu)在一定程度上得到很大的改善。隨著溫度的升高，褐煤的水分進(jìn)一步降低，達(dá)到所需要求后即可進(jìn)行后續(xù)處理[3]。針對褐煤高揮發(fā)分、高水分的自身特點(diǎn)。褐煤干燥提質(zhì)可以有效地利用褐煤資源，對其后續(xù)的轉(zhuǎn)化有重要作用，也是目前褐煤利用的主要途徑之一[4]。褐煤干燥的原理及特性研究對褐煤的加工提質(zhì)技術(shù)具有重要的指導(dǎo)作用，不僅有助于增強(qiáng)對褐煤干燥提質(zhì)技術(shù)的全面認(rèn)識(shí)，也對開發(fā)褐煤提質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)具有重大意義。

1 褐煤提質(zhì)研究技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 褐煤水分分類

按水的結(jié)合狀態(tài)來分，化合水和游離水兩大類組成了煤中的水分。以化合方式同煤中的礦物質(zhì)結(jié)合的水分稱為化合水，而以附著、吸附等機(jī)械方式與煤結(jié)合的稱為游離水。通常煤的工業(yè)分析只測定游離水，而化合水不能準(zhǔn)確測定，游離水在105 ℃下高溫加熱干燥才能脫除。內(nèi)在水分、外在水分和礦物質(zhì)結(jié)晶水分組成了煤中水分[5]。通常來講，褐煤的外在水分很容易脫除，而褐煤中礦物質(zhì)結(jié)晶水分和內(nèi)在水分脫除困難。褐煤孔結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和發(fā)育程度決定了內(nèi)在水分脫除的難易[6]。褐煤可看作兩部分構(gòu)成，微孔系統(tǒng)和凝固的膠體網(wǎng)狀組織，含水介質(zhì)充滿其空間，可看作構(gòu)成網(wǎng)狀組織的大孔中的游離水或微弱結(jié)合的水比較容易脫除，而脫除存在于微孔系統(tǒng)中被緊緊吸著的水需要恰當(dāng)提升溫度和壓力。最后煤結(jié)構(gòu)中含氧官能團(tuán)呈化學(xué)吸附狀態(tài)的水分必須通過較高壓力和溫度才能脫除，煤中礦物質(zhì)(如硫酸鈣等)的結(jié)晶水也必須通過高溫度條件下才會(huì)移除[7]。

1.2 褐煤干燥脫水技術(shù)

褐煤的干燥脫水技術(shù)工藝大致可分為兩類：蒸發(fā)脫水、非蒸發(fā)脫水，如圖1所示。

圖1 褐煤干燥技術(shù)分類

蒸發(fā)脫水技術(shù)是指在較低溫度下，通過使用過熱油、熱蒸汽或煙道氣為干燥介質(zhì)將褐煤進(jìn)行加熱去除水分的干燥方法，以下為幾種常見的蒸發(fā)脫水提質(zhì)方法：(1)回轉(zhuǎn)管式干燥工藝；(2)澤瑪克(ZEMAG)褐煤干燥提質(zhì)技術(shù)；(3)UBC褐煤提質(zhì)技術(shù)；(4)BCB褐煤提質(zhì)技術(shù)；(5)褐煤脫水熱壓提質(zhì)(HPU)技術(shù)。

1.3 褐煤提質(zhì)技術(shù)發(fā)展趨勢

當(dāng)今合理利用煤炭資源研究的新方向之一就是褐煤的高效清潔利用[8]。褐煤干燥提質(zhì)利用技術(shù)的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)一定能讓其在今后的能源領(lǐng)域大放異彩。但是我國目前缺少對褐煤干燥提質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)理論研究的足夠重視，投入資金不足，還有不少技術(shù)難題需要盡快探索，例如：褐煤干燥技術(shù)的原理、干燥特性參數(shù)的規(guī)律變化、褐煤熱干燥自身動(dòng)力學(xué)以及氣流干燥管的操作參數(shù)等，而這些則對高溫干燥褐煤之后產(chǎn)品質(zhì)量有本質(zhì)的影響[9]。因此，未來采用數(shù)值模擬的方法重點(diǎn)在褐煤干燥提質(zhì)工藝中氣流干燥的過程做相關(guān)基礎(chǔ)研究，為工藝改進(jìn)和中試試驗(yàn)提供理論和技術(shù)支持。

2 褐煤脫水熱壓提質(zhì)(HPU)工藝

2.1 HPU工藝介紹

HPU工藝工作流程如圖2所示，低品質(zhì)煤經(jīng)破碎，達(dá)到工況粒徑之后由螺旋給料機(jī)進(jìn)入干燥管，然后由700 ℃高溫?zé)煔鉅t產(chǎn)生的高溫?zé)煔夤鼟锻ㄟ^直管式氣流干燥管。這一過程中，完成高溫?zé)煔馀c褐煤顆粒間的傳熱作用，接著氣固兩相流通過旋風(fēng)分離器，完成氣固分離。氣流和細(xì)小粉塵通過布袋除塵器，氣流由引風(fēng)機(jī)排出，細(xì)小粉塵和褐煤顆?？梢酝ㄟ^成型機(jī)加工成型煤也可直接得到提質(zhì)煤粉[10]。

圖2 HPU中試試驗(yàn)線流程圖

2.2 HPU中試實(shí)試驗(yàn)

由表1中試試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，氣流干燥器運(yùn)行系統(tǒng)中，不同階段顆粒與高溫?zé)煔鈧鳠崃勘壤兓^大，各階段傳熱比例與模擬結(jié)果較為一致。氣流干燥管前25%距離的傳熱量約占總交換熱量的75%左右；剩余25%熱量交換完成在干燥管后75%距離。這種比例在各個(gè)型號(hào)氣流干燥管運(yùn)行過程中變化不大。當(dāng)顆粒進(jìn)入干燥器時(shí)，物料顆粒與高速流動(dòng)的高溫?zé)煔庋杆倩旌?，沿?zé)煔膺\(yùn)動(dòng)方向被加速，進(jìn)行強(qiáng)烈的傳熱作用，整個(gè)階段持續(xù)時(shí)間很短，主要的傳熱作用都在該段完成。該段結(jié)束后，物料顆粒進(jìn)入降速干燥階段，該階段物料顆粒的速度基本不變，顆粒與煙氣間的傳熱作用相對比較緩和。

表1 HPU褐煤氣流干燥中試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

綜上所述，為更好地利用褐煤資源應(yīng)該大力發(fā)展褐煤干燥技術(shù)，總結(jié)了褐煤回轉(zhuǎn)管式干燥工藝、澤瑪克(ZEMAG)褐煤干燥技術(shù)、UBC褐煤提質(zhì)技術(shù)、BCB褐煤提質(zhì)技術(shù)及褐煤脫水熱壓提質(zhì)(HPU)技術(shù)等5種褐煤提質(zhì)技術(shù)，得出未來應(yīng)重視利用數(shù)值模擬的方法為褐煤提質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)理論和技術(shù)改造升級(jí)提供理論支撐。最后，介紹了褐煤熱壓提質(zhì)(HPU)工藝流程，結(jié)合中試驗(yàn)研究和分析HPU褐煤氣流干燥中試成果，探究褐煤氣流干燥操作和使用特點(diǎn)，掌握顆粒與高溫?zé)煔獾膿Q熱規(guī)律。