褐煤脫水改質(zhì)技術(shù)

褐煤脫水改質(zhì)技術(shù)中國(guó)褐煤資源十分豐富，主要分布在東北、內(nèi)蒙和西南地區(qū)，多屬老年褐煤，占全國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的13%左右。在中國(guó)目前已探明的褐煤保有儲(chǔ)量中，以?xún)?nèi)蒙古東北地區(qū)最多，約占全國(guó)褐煤保有儲(chǔ)量的3/4；以云南省為主的西南地區(qū)的褐煤儲(chǔ)量約占全國(guó)的1/5。中國(guó)褐煤資源的特點(diǎn)是：埋藏淺、煤層厚、儲(chǔ)量大，多適合于露天開(kāi)采。21306年全國(guó)生產(chǎn)褐煤10511多萬(wàn)t,占全國(guó)原煤產(chǎn)量4.51%。褐煤是泥炭沉積后經(jīng)脫水、壓實(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)生物巖的初期產(chǎn)物，外表呈褐色或暗褐色，真密度在1.10?1.40g/era。之間。如圖1所示，褐煤是由芳環(huán)組成并由鹽橋、脂肪鏈等連接起來(lái)的大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)化合物。褐煤煤化程度淺，孔隙多，灰分高，機(jī)械強(qiáng)度低，熱穩(wěn)定性差，熱值低；含氧量較高，一般為15%?30%；水分含量高，全水分一般可達(dá)20%?50%。褐煤中的水分按存在形式可分為結(jié)合水（包括結(jié)晶水和吸附水）、毛細(xì)水（內(nèi)在水分）和外表水（外在水分）3類(lèi)。其中內(nèi)在水分吸附在褐煤內(nèi)部的毛細(xì)孔隙內(nèi)，在常溫下不易脫除，只有加熱到一定溫度時(shí)才能逸出，因此，褐煤的空干基水分可達(dá)10%?20%。褐煤化學(xué)反應(yīng)性好，易氧化，易自燃，易風(fēng)化粉碎，難以洗選與儲(chǔ)存，不宜遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。以上這些缺陷導(dǎo)致褐煤資源的利用受到限制由于中國(guó)褐煤大多高灰、高水分，不利于長(zhǎng)途運(yùn)輸與長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，因此，中國(guó)的褐煤資源主要用于坑171發(fā)電_1］。由于褐煤水分高，直接燃燒發(fā)電，火焰溫度低，燃盡困難，熱效率低。澳大利亞、美國(guó)、德國(guó)、波蘭等國(guó)家為了提高電廠(chǎng)效率，均進(jìn)行了褐煤干燥的研究_、褐煤干燥過(guò)程分析褐煤成煤時(shí)期短，孔隙極為發(fā)達(dá)，這些孔隙多為一端封閉、一端開(kāi)放的狹長(zhǎng)裂口型，表面和內(nèi)部遍布著有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)，具有很強(qiáng)的吸附水分能力J。因此，褐煤是具有不同孔徑分布的多孑L固態(tài)物質(zhì)。另一方面，褐煤孔隙表面含有豐富的強(qiáng)親水含氧官能團(tuán)，從而使褐煤的含水量高于煙煤和無(wú)煙煤。褐煤中大量的含氧官能團(tuán)使褐煤具有膠質(zhì)體特征，表現(xiàn)為褐煤失去水分時(shí)，孔隙尺寸減小、數(shù)目減少引起體積發(fā)生收縮；吸收水分時(shí)，體積重新發(fā)生膨脹。在干燥過(guò)程中，褐煤含有的自由水首先蒸發(fā)，褐煤體積收縮，孔隙尺寸減小，毛細(xì)管作用增強(qiáng)，水的蒸發(fā)速率受毛細(xì)管孔張力的影響逐漸減小。脫水過(guò)程在更微小的孔隙結(jié)構(gòu)中進(jìn)行。水通過(guò)氫鍵在孔表面與含氧官能團(tuán)形成水分子簇狀結(jié)構(gòu)，隨后這些簇狀結(jié)構(gòu)相連接形成單層或多層水分子膜。由于存在氫鍵作用，這部分水比毛細(xì)管孔中的水更難蒸發(fā)脫除，其蒸發(fā)過(guò)程受脫附/吸附作用控制，干燥速率繼續(xù)減小，直到為零，達(dá)到此溫度對(duì)應(yīng)的“干燥狀態(tài)”，這一階段脫除的是物理吸附和化學(xué)吸附的水分。李東濤等發(fā)現(xiàn)，在溫度低于80°C時(shí)，主要脫除的是煤中的自由水和與煤形成弱氫鍵的水，而高于80C后則主要脫除的是與煤表面形成強(qiáng)氫鍵的水。Miura等認(rèn)為，煤中的水分在140C時(shí)已經(jīng)完全脫除，超過(guò)該溫度的產(chǎn)物水應(yīng)當(dāng)歸為熱解產(chǎn)生的水分，即140C時(shí)的煤可以定義為干煤狀態(tài)，此時(shí)煤中仍存在的水分已成為煤大分子結(jié)構(gòu)的一部分。二、干燥技術(shù)（1）、非蒸發(fā)脫水提質(zhì)技術(shù)褐煤的提質(zhì)是指褐煤在高溫下經(jīng)脫水和熱分解作用后轉(zhuǎn)化成具有煙煤性質(zhì)的提質(zhì)煤。褐煤脫水過(guò)程除脫去部分水分外，也伴隨著褐煤的內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)的變化。提質(zhì)后的褐煤將更有利于利用、運(yùn)輸和貯存。大量毛細(xì)水的存在是褐煤區(qū)別于煙煤的特征之一，也是褐煤難以脫水的主要原因，其脫除難易取決于孔結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度和狀態(tài)。非蒸發(fā)脫水法借鑒煤炭在自然界的高溫高壓炭化變質(zhì)過(guò)程，僅用數(shù)分鐘的時(shí)間而不是數(shù)萬(wàn)年的地質(zhì)年代將褐煤轉(zhuǎn)化成高階煤。該過(guò)程是在一定溫度和壓力隔絕空氣的條件下，改變褐煤的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)，脫除部分含氧官能團(tuán)，并使褐煤含水量下降，褐煤本身親水性下降，疏水性增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)處理，使得褐煤收縮變得更加致密。脫水過(guò)程中不需水的蒸發(fā)潛熱，褐煤不會(huì)自燃。利用該原理進(jìn)行褐煤改質(zhì)的代表工藝包括熱水干燥、高溫高壓蒸汽干燥和熱油干燥L(fēng)8-9J。熱水干燥技術(shù)和高溫高壓蒸汽干燥系統(tǒng)系統(tǒng)復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)性不佳，耗水量大，水回收投資大。、機(jī)械熱壓成型提質(zhì)技術(shù)褐煤在一定的壓力(13?25MPa)和一定溫度(150?200oC)下的機(jī)械熱壓成型過(guò)程中，經(jīng)過(guò)高壓或剪切等物理作用，使其凝膠結(jié)構(gòu)及孔隙系統(tǒng)受到不可逆的破壞，并使水分在不蒸發(fā)的情況下得以從褐煤中去除，因而從本質(zhì)上改變了煤樣的煤階，煤化度也隨之提高J。這種方法的最大特點(diǎn)是避免了蒸發(fā)干燥法中褐煤與水或氧氣的反應(yīng)，對(duì)一些水分較高的褐煤較為經(jīng)濟(jì)。但是系統(tǒng)復(fù)雜，擠壓過(guò)程能耗較高；擠壓出來(lái)的水需要特殊處理。。。熱解提質(zhì)技術(shù)熱值13.39?16.74MJ/kg的褐煤熱解改質(zhì)后可得到熱值在24.28MJ/kg以上半焦，可用作電廠(chǎng)燃料。國(guó)內(nèi)外典型的褐煤熱解工藝包括德國(guó)的L—R工藝、澳大利亞的流化床快速熱解工藝、中國(guó)的多段回轉(zhuǎn)爐工藝和固體熱載體新法干餾工藝等。除了以上的熱解提質(zhì)工藝外，尚有美國(guó)FMC公司開(kāi)發(fā)的串聯(lián)(4個(gè))流化床氣一固熱載體低溫快速熱解工藝和前蘇聯(lián)開(kāi)發(fā)的半焦固體熱載體褐煤提質(zhì)工藝等。熱解提質(zhì)從根本上降低了水分含量，目的是為了得到煤氣及油類(lèi)產(chǎn)物，后續(xù)的氣體產(chǎn)物以及焦油處理是關(guān)鍵。同時(shí)形成的半焦由于揮發(fā)分析出殆盡，其著火性能受到影響，燃燒利用存在一定的問(wèn)題。尤其是高灰分年老褐煤，半焦的熱值并不高。、物理蒸發(fā)干燥方式按照干燥介質(zhì)種類(lèi)不同可分為熱蒸汽干燥法和熱空氣/煙氣干燥法'J，主要代表技術(shù)有滾筒式干燥技術(shù)、蒸汽空氣聯(lián)合干燥技術(shù)、蒸汽流化床干燥技術(shù)(WTA)、床混式干燥技術(shù)(BMD)及振動(dòng)床干燥技術(shù)…。干燥的熱量來(lái)源于鍋爐的飽和蒸汽、熱風(fēng)或者熱煙氣。干燥器可以是移動(dòng)床、振動(dòng)床、流化床或者循環(huán)流化床。褐煤在流化床和循環(huán)流化床干燥器內(nèi)可以停留較長(zhǎng)時(shí)間。但是，干燥后褐煤與熱工質(zhì)中的氧氣接觸，可能自燃或爆炸，工作溫度較低，使用的工質(zhì)量大，降水率有限。移動(dòng)床和振動(dòng)床等工藝操作運(yùn)行簡(jiǎn)單，自燃和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)較低，但需要嚴(yán)格地控制停留時(shí)間。蒸汽干燥的優(yōu)點(diǎn)是干燥工質(zhì)中含氧較少，適用的燃料較廣，但費(fèi)用較高，另外，褐煤中的一些有機(jī)成分可與高溫蒸汽發(fā)生反應(yīng)。使用空氣作為干燥工質(zhì)，比較方便，但需要很好地控制溫度和空氣量，避免干燥后易燃的褐煤與空氣發(fā)生燃燒爆炸，因此干燥溫度不能太高，而較低的干燥溫度使干燥降水率不足。使用高溫爐煙使得燃燒爆炸的風(fēng)險(xiǎn)降低，干燥降水率也可以保證，但費(fèi)用相對(duì)增高。、滾筒式干燥技術(shù)熱煙氣干燥滾筒式工藝流程如圖2所示。煤進(jìn)入滾筒干燥機(jī)后，與熱風(fēng)爐產(chǎn)生的650?700°C熱煙氣在干燥機(jī)內(nèi)完成質(zhì)熱交換，干燥后的產(chǎn)品經(jīng)圭寸閉式排料箱裝倉(cāng)外運(yùn)。不超過(guò)120°C的干燥乏氣經(jīng)旋風(fēng)除塵器、引風(fēng)機(jī)、濕式除塵器、煙囪排人大氣。滾筒干燥技術(shù)主要缺點(diǎn)是人料口處易發(fā)生著火現(xiàn)象。通過(guò)改造，目前已經(jīng)基本解決。滾筒式干燥技術(shù)的最大缺點(diǎn)是單機(jī)容量比較小，不能用于大規(guī)模褐煤干燥。、流化床干燥技術(shù)流化床干燥器是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的。在干燥過(guò)程中，流化床內(nèi)固體顆粒懸浮于干燥介質(zhì)中，流體與固體接觸面較大，傳熱性能好，熱效率高。典型的流化床干燥技術(shù)采用蒸汽干燥，如圖3所示，蒸汽既是干燥介質(zhì)也是流化介質(zhì)。過(guò)熱蒸汽作為流化介質(zhì)使高水分褐煤在干燥機(jī)內(nèi)處于流化狀態(tài)，蒸氣吸收褐煤中蒸發(fā)出的水分，經(jīng)旋風(fēng)分離器分離出煤粉，部分蒸汽再被導(dǎo)回干燥機(jī)。干燥機(jī)所需能量由汽輪機(jī)出來(lái)的蒸汽提供。其缺點(diǎn)是用于褐煤干燥耗水量較大。另外，在有的工藝中，采用熱煙氣作為流化介質(zhì)，也取得不錯(cuò)的效果。由于褐煤易自燃，所以，在使用流化床工藝進(jìn)行褐煤干燥時(shí)，必須嚴(yán)格限制熱煙氣中氧氣含量及干燥介質(zhì)流速。同時(shí)，采用流化床干燥，高溫?zé)煔獾碾姾妮^高，影響了整體經(jīng)濟(jì)性。圖3流化床蒸汽干燥工藝、氣流床干燥技術(shù)近年來(lái)，澳大利亞懷特公司開(kāi)發(fā)了氣流床干燥工藝。其BCB工藝流程如圖4所示,將高水分煤破碎到一定粒度，利用燃?xì)猱a(chǎn)生的高溫?zé)煔馐蛊湓谳斔痛仓懈稍?，干燥后的低水分煤采用無(wú)粘結(jié)劑成型BCB技術(shù)擠壓成型，以便運(yùn)輸。氣汽床干燥技術(shù)改善了流化床蒸氣干燥工藝的水耗問(wèn)題，但電耗較高的問(wèn)題仍然存在。干燥后的低水分煤粒度較小，必須加工成型后才能遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。2.4.4振動(dòng)床干燥器唐山神州機(jī)械廠(chǎng)開(kāi)發(fā)的振動(dòng)混流干燥系統(tǒng)如圖5所示，其工藝流程為：高水分物料從頂部進(jìn)入干燥器后在多層干燥床作用下分散形成物料長(zhǎng)龍，一部分粒度小于床孔的細(xì)物料穿過(guò)床孔垂直下落，大部分粗粒物料在振動(dòng)狀態(tài)下形成振動(dòng)疏松料層沿床面水平移動(dòng)，移至端部灑落到下一層干燥床上。低溫大流量熱風(fēng)分為垂直氣流和水平氣流，垂直氣流借鑒流化床干燥原理，在穿越物料的過(guò)程中與物料充分地、高強(qiáng)度地接觸，將物料干燥。氣流在水平方向之問(wèn)變速流動(dòng)并與灑落物料接觸將物料干燥。在干燥器內(nèi)既有物料的垂直流動(dòng)，又有物料的水平流動(dòng)；熱風(fēng)與物料之間既有垂直方向的逆流，又有水平方向的逆流，形成特有的混流干燥作用。粗細(xì)物料與熱風(fēng)在混流過(guò)程中經(jīng)多次混合一分離一再混合一再分離的過(guò)程被均勻干燥，大部分物料從干燥器的底部輸出，極小部分細(xì)物料隨氣流進(jìn)人除塵器，除塵器分離出的物料作為產(chǎn)品回收。設(shè)備干燥面積和時(shí)間可以根據(jù)去水率調(diào)整，低溫干燥后煤炭不產(chǎn)生化學(xué)變化，保持了褐煤的燃燒優(yōu)勢(shì)。干燥器立式結(jié)構(gòu),占地面積小。采用特種防護(hù)措施，具有良好的防腐、防火、防爆性能。工藝簡(jiǎn)單、操作方便、處理量大(單套設(shè)備最大處理能力可達(dá)200-400t/h)、易于工業(yè)化和大型化。其主要缺陷在于脫水率不高。在此基礎(chǔ)上，最近出現(xiàn)了順流振動(dòng)床干燥工藝，進(jìn)一步提高了唐山神州機(jī)械廠(chǎng)的振動(dòng)混流干燥的干燥效果。三、結(jié)論由于褐煤灰分、水分、氧含量高，熱值較低，同時(shí)由于其揮發(fā)分含量高，反應(yīng)活性好，導(dǎo)致其易氧化、易自燃著火甚至發(fā)生爆炸，不適宜長(zhǎng)距離運(yùn)輸。由此，中國(guó)褐煤多用于坑口電廠(chǎng)發(fā)電。由于褐煤含水量高，如果直接燃燒，必將導(dǎo)致燃盡困難，熱效率低。為了改善燃燒效果，需對(duì)褐煤進(jìn)行脫水提質(zhì)處理，以提高其熱值。因此，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的褐煤干燥技術(shù)和設(shè)備，對(duì)于提高褐煤市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，降低發(fā)電成本具有重要意義。在所有的褐煤干燥提質(zhì)技術(shù)中，振動(dòng)床干燥技術(shù)處理量大，操作簡(jiǎn)單，過(guò)程可控，非常適合中國(guó)褐煤的干燥利用。因此，有必要深入研究中國(guó)褐煤的脫水機(jī)理，完善其干燥過(guò)程的理論計(jì)算與模擬，并以振動(dòng)床干燥系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其工藝過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與理論計(jì)算，為振動(dòng)床干燥系統(tǒng)在褐煤干燥提質(zhì)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用及工藝設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：尹立群.我國(guó)褐煤資源及其利用前景J]煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，32(8)：12—14.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局調(diào)度統(tǒng)計(jì)司.煤炭工業(yè)統(tǒng)計(jì)提要(1949-~006)