褐煤提质技术分析

1、褐煤提质技术分析1、褐煤提质的必要性近年来，世界优质煤炭资源越来越少，煤炭价格大幅上涨，价格相对低廉的褐煤开发利用被重视起来。拥有褐煤资源的国家现都积极研究褐煤作为燃料煤的使用方法和用量，其中德国、美国和俄罗斯作为储量大国，均将褐煤作为未来重要战略资源加以开发和利用。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，已探明的褐煤保有储量达到1300亿t，占到全国煤炭总储量的13%左右，迄今对褐煤尚未进行大规模的开发和利用。褐煤是煤化程度最低的煤种，煤化程度介于泥炭和烟煤之间，含水量高，在空气中易风化，含一定量的原生腐殖酸，碳含量低，氧含量高，氢含量变化大，挥发分一般在4555。褐煤与其他煤种相比，含氧量高、

2、灰分及灰熔点变化较大、密度小、易自燃，煤粉容易爆炸， 褐煤中较高的水分含量， 增加了褐煤的运输成本， 长距离运输还会带来自燃和爆炸的问题， 限制了褐煤向较远地区的运输。褐煤直接燃烧的热效率较低，且温室气体的排放量也很大，难以大规模开发利用。此外，褐煤作为原料转化利用也受到限制，褐煤液化、干馏和气化都需要把煤中水分降至10以下。褐煤若不经过提质加工将难以满足多种用户的质量要求。因此褐煤提质加工脱除褐煤中的水分，消除褐煤脱水后发生自燃、爆炸的潜在危险，从而提高褐煤品质，是扩大褐煤应用范围的关键。褐煤脱水提质加工后，水分显著降低，发热量大幅度提高，既可防止煤炭自燃、便于运输和贮存，又有利于发电、造气

3、、化工等使用。2、褐煤提质的意义长距离运输高水分、低热值的褐煤在经济上是不合算的。美国曾对褐煤脱水后减少运输量的效果做过评估，一种水分42.52%、发热量2847kcal/kg的褐煤，经2.02Mpa的蒸汽处理后，水分降至14.43%，发热量增加到4315kcal/kg，相当于提高了热值51.6%。发电厂240万千瓦机组一年大约要用褐煤1100万吨，如果能将褐煤水分由36%降至16%左右，则一年可减少220万吨煤炭运输，节省运费6600万元。另一方面从锅炉燃烧角度来说，燃烧高水分褐煤将导致火焰温度降低，热效率下降，当电厂使用脱水和提质后的褐煤，可以显著减少或避免电厂额定出力降低的现象。锡林郭勒

4、盟2009年褐煤产量达到7000万吨，除盟内加工消化2000万吨外，其余煤炭均需要外运。5000万吨褐煤如果进行脱水提质，至少可以减少1000万吨运输量，可节约铁路运费1520亿元（不包含海运费）。褐煤提质干燥前后的对比见表1。表1 褐煤提质干燥前后的性质对比原褐煤提质褐煤水分高低发热量低高氧化速率高低燃后温室气体的排放大小褐煤经提质后将具有以下优势：1）更高的热值与原料煤相比，热值增加率在30%到200%范围（与原煤的初始水分含量相关），提质后所得的半焦用来气化或者作为产品销售都将具有更高的热值，煤质得到进一步的提高，扩大了褐煤的利用范围。2） 可减少二氧化碳排放量与原料煤相比，提质后的煤产

5、品在燃烧过程中产生的二氧化碳及其它污染物的量较少。3） 可削减污染物排放提质煤可保持原料煤原有的优良特性（如低灰低硫等），制品性能可与同热值的高阶烟煤相媲美。4）可降低煤尘的产生量与原料煤相比，提质煤的粉尘产率明显降低，这可增加铁路运输的效益。5）可降低自燃风险：提质后的煤炭产品具有物理及化学稳定性，降低了煤自燃的可能性，可像高阶高热值烟煤那样采取同样的措施进行处理、贮存及运输。6）运输成本低廉：由于提质加工去除了原煤中的水分，可使得无效装运量下降约30%，运输成本也随之降低。7）可替代现用的烟煤产品：经提质后的褐煤可替代现用的高价烟煤，这使得该项工艺具备了显著的经济效益、也使得能源消费者有机

6、会获得相应的环保政策的奖励。3、褐煤提质技术简介褐煤提质是指通过物理的或化学的方法使褐煤的品质提高的过程。国内外褐煤提质加工技术归纳起来大体可分为非蒸发脱水提质技术、成型提质技术、热解提质技术三大类。1）非蒸发脱水提质技术美国KFx公司在上世纪80年代中期开发了K燃料工艺（K-Fuel Process）技术，经过20 年的完善已进入工业应用阶段。煤经过粉碎之后，通过传送装置送入高压釜。高压釜内压力和温度分别维持在3.7MPa和238。在高压釜中，煤块发生破裂， 将硫化物从煤中分离出来，煤中的水分也随之蒸发掉。经过高温高压处理的煤粉和蒸发出来的水蒸汽可以直接送入锅炉进行发电或供热。图1 美国K-

7、Fuel高压釜蒸汽干燥工艺日本电源开发公司（D）和川崎重工公司（K）从1976 年开始研究并成功开发出了D-K 非蒸发脱水工艺。DK 脱水工艺可实现褐煤水分在非蒸发条件下加热，使水分以液体状态从褐煤中脱出。装置内有4 台压力釜，可实现半连续运转，压力釜之间可实现排出蒸汽和热水的回收。图2 日本D-K非蒸发脱水工艺日本神户制钢所（Kobe Steel Group）于1993 年开始研究UBC（Upgrading Brown Coal）褐煤提质技术，其特点是用轻油去除褐煤中的水分。将褐煤研磨成粉状后，与再生油（通常是石油裂解产生的轻油）和重油混合，形成煤浆，然后在一个蒸发器中加热煤浆，水分被蒸发，

8、再用细颈盛水瓶从脱水的煤浆中回收油，得到提质粉煤，最后将提质的煤压制成型。图3 日本UBC轻油法脱水成型工艺2）成型提质技术 原煤在干燥器中干燥使其水分降至12%18%。再经冷却、分离，并破碎至06mm，再将其送入带式型煤机，在不添加粘结剂的情况下以5002000Bar的压力挤压，最终生产出不同形状的型煤。早在1858年，年轻褐煤无粘结剂冲压成型工艺就在德国西奥多矿井实现了工业化应用，到1988 年，德国莱茵地区共有4个型煤厂，年产型煤400万t，其中70%用于民用取暖。图4 德国年轻褐煤干燥冲压成型工艺德国泽玛格(ZEMAG)公司开发了采用蒸汽管式干燥机进行干燥再辊压成型工艺，用于低阶煤的无

9、粘结剂成型。其工艺是将褐煤在蒸汽管式干燥器中不完全干燥，然后将其输入一个辊压成型机压制成型煤。图5 德国ZEMAG蒸汽管式干燥辊压成型工艺澳大利亚怀特公司开发了用于低阶煤的无粘结剂成型BCB技术，其工艺是将次烟煤在气流干燥器中不完全干燥，然后将其输入一个辊压成型机压制成型煤。图6 澳大利亚BCB气流干燥辊压成型工艺3）热解提质技术德国Lurgi GmbH公司开发的Lurgi-Spuelgas低温热解工艺。其特点是：褐煤或型煤（约2560mm）由上至下移动，与燃烧气逆流直接接触受热干燥段，干燥后原料在干馏段被600700烟气加热至约500，发生热分解，生成的半焦进入冷却段被冷气体冷却，半焦排出后

10、再进一步用水和空气冷却，从干馏段逸出的挥发物经过冷凝、冷却等步骤，得到焦油和热解水。图7 德国Lurgi-Spuelgas低温干馏工艺德国Lurgi GmbH 公司和美国Ruhurgas AG 公司联合开发的固体热载体低温干馏工艺。初步预热的小块原料煤同来自分离器的热半焦在干馏器内混合，发生热分解反应。从干馏器出来的半焦进入提升管底部，由热空气提送，同时在提升管中烧除其中的残碳，使温度升高，然后进入分离器内进行气固分离，半焦再返回干馏器，如此循环。从干馏器逸出的挥发物，经除尘、冷凝、回收焦油后，得到热值较高的煤气。图8 德国和美国LurqiRuhurgas 固体热载体低温干馏工艺LFC热解提质

11、工艺由美国SGI公司1987年研发，随后壳牌矿业公司(SMC)加入，现为MR&E公司拥有。将煤筛分成3-50mm，在干燥炉和热解炉中，有一个细格子的转鼓，将上部落下来的煤与下部吹上来的循环加热气体形成对流并进行混合。干燥后的煤进入热解器里热解。1992年第一座1000t/d示范厂(ENCOAL工厂)在科罗拉多州建设完成并投产运行5年。图9 美国Encoal LFC温和气化干燥热解工艺Toscoal 煤低温热解技术是美国油页岩公司和Rocky Flats 研究中心基于油页岩干馏工艺开发的。于1970 年至1976 年间在25t/d 的中试厂先后对次烟煤、粘结性烟煤进行了试验。粉碎干煤在提

12、升管内用来自瓷球加热器的热烟道气预热，预热煤在热解转炉中和热瓷球接触，受热并发生分解。半焦在回转筛中与瓷球分离，瓷球再进入提升管被提升、加热循环使用。图10 美国Toscoal瓷球固体热载体热解工艺澳大利亚联邦科学与工业研究院(CSIRO)自上世纪70年代开始研究开发了流化床快速热解工艺。煤粉用氮气从加煤器通过管道喷入流化床热反应器，反应器床层由0.31mm大小的砂粒组成, 预热的氮气通过反应器底部的分布板进入流化床，煤粉在热解反应器中快速热解。图11 澳大利亚流化床快速热解工艺多段回转炉工艺是中国煤炭科学研究总院北京煤化工分院开发的低变质煤热解工艺。粒度为630mm 的褐煤在回转干燥器中干燥

13、后进入外热式回转热解炉中低温热解，所得半焦在冷却回转炉中用水冷却熄焦后得到提质半焦产品。图12 中国MRF多段回转低温热解工艺大连理工大学开发的褐煤固体热载体法干馏技术。将褐煤通过干燥提升管干燥后与半焦加热提升管加热的热半焦快速混合热解而得到焦油、煤气和半焦。此技术研究开始于1981 年并于1992 年在平庄建成了一套处理量150t/d 的褐煤固体热载体干馏工业性试验装。图13 平庄150t/d的褐煤固体热载体干馏工业性试验流程2006 年，神华集团与中国矿业大学（北京）联合开发了热压成型HPU（hot press upgrading）工艺。将褐煤破碎至03mm，再经过气流提升干燥，在热反应器

14、中经轻度热解后，再进入成型机中辊压成型。50万吨/年工业示范正在调试。图14 中国HPU热压成型工艺神华煤制油化工研究院正在开发的低阶煤热解工艺。将褐煤破碎至030mm，经过双套桶回转干燥器干燥后，与半焦加热窑来的高温半焦混合，在移动床热解器内热解。该工艺为固体热载体加热方式，宽粒度入料，热态除尘。目前正在进行6000吨/年中试研究。图15 中国神华模块化固体热载体热解工艺4、中信重工褐煤提质技术介绍1）高温烟气褐煤提质工艺介绍该工艺就是利用烟气加热和高压挤压成型技术，使发热量小于4000千卡/公斤的低阶褐煤和污染严重利用率低的粉煤发生变化，降低水分、提高能量密度，改变其内部结构和空隙，改质后

15、的褐煤能够达到烟煤水平，提高其燃烧热值20%50%达到近5500千卡/公斤，含水量降低到8%以下、挥发分减小到10%20%，可解决褐煤发热量少、容易自燃、二氧化碳排放量高、粉煤无法运输等缺点。提高煤炭行业煤炭利用率节约能源，扩大工业原料煤的用途。由于无任何粘结剂、型煤抗压强度高、落下强度大、转鼓系数高、杂质少、燃烧值高、防水性好、运输距离长等特点，可充分利用粉煤资源和减少环境污染。其工艺系统主要优点如下：褐煤干燥效率高，干燥时间短。含水35%左右的褐煤在干燥器中大约需要3s5s时间，就可将水分含量干燥至5%10%。干燥物料有要求。进干燥器物料颗粒为小于3mm的颗粒状和粉状物料，在高速高温烟气的

16、带动下，使煤粉快速全方位与高温热烟气接触干燥。系统采用的无粘结剂高压成型设备在国内处于首创。采用无粘结剂高压成型较之粘结剂成型成本低，且成型后煤粉的稳定性更好。系统除尘效果好，满足废弃物排放要求。出口烟气循环利用。目前50万吨/年褐煤提质项目正在进行试验中，期间暴露的问题也在不断整改和完善中，最终系统稳定运行参数、状况和投入产出比效益还有待验证。2）蒸汽褐煤提质工艺介绍该项目的干燥形式：饱和蒸汽通入内加热流化床干燥机的内置换热器，褐煤在流化床内和内置换热器内的蒸汽进行充分热交换得以干燥。由褐煤中脱出的水分形成过热蒸汽，进入高效粉尘除尘器进行除尘后一部分过热蒸汽通过循环蒸汽压缩机压缩后再次进入内

17、加热流化床干燥机作为流化介质进行循环利用，多余的过热蒸汽进入余热利用系统，进行回收利用，其特点是采用蒸汽干燥，安全性高、干燥后褐煤成型性能好，但效率相比烟气干燥较低。 该项目的成型系统采用高温高压无粘结剂成型及其配套输送、冷却工艺系统，成型后的型煤具有极高的跌落强度、抗压强度，且成型后型煤自燃性和返水性都得到了极大的提高。解决了褐煤的长距离运输和在电厂中多段皮带倒运过程中的扬灰问题。目前该项目的项目可行性研究报告已经基本完成，其它各项工作都在顺利进行。3）热解褐煤提质工艺介绍褐煤热解提质的主要工艺为：经过破碎和筛分后的原煤进入干燥炉中，用来自干燥燃烧炉的热气进行加热，将原煤中的水分脱除。离开干

18、燥炉的煤进入热解炉，在热解炉中，用来自热解燃烧炉的热循环气流作为加热介质。煤中的剩余水分被完全脱除，并在热解炉中发生了轻度的热解反应，煤中的挥发性气体物质被释放出来。从热解炉中出来的固体先在激冷盘中用工艺水快速冷却以终止热解反应，然后送往精致反应器重冷却、再水合，并在低温下被氧化稳定，增加产品的稳定性。从热解炉中出来的热解气首先在热解旋风除尘器中将夹带的煤粉分离出来，然后进入激冷塔和电除尘中回收煤焦油。除去煤焦油后的热解气经热解风机送至燃烧炉作燃料，燃料不足部分由补充燃料提供。优点：通过气载体分布以物理和化学的方法脱除次烟煤、褐煤等低阶煤中的水分和挥发分，处理后的煤性质更加稳定，不在吸水和自燃

19、；经过特殊的钝化精致处理，可获得稳定的、高热值半焦；通过冷凝工艺热解气回收焦油；通过将收尘器收集的煤粉进行高压成型，产生高品位的型煤；工艺流程简单，易于调节；处理煤种范围广，不仅可以处理褐煤、长焰煤等典型煤种，而且适合于处理高挥发份的次烟煤；可以根据市场需要调节固、液产品的品质和产率；生产过程中没有固体废弃物排放，废水循环利用。缺点：前期投入大；目前正处于设计阶段，最终系统稳定运行参数、状况和投入产出比效益还有待验证。5、褐煤提质多联产模式褐煤提质技术可以与煤制甲烷气、煤间接制油、褐煤制腐植酸、合成化工、洁净发电等分别优化组合成联合工艺，实现褐煤热解提质多联产，或者气体热载体法与固体热载体法褐

20、煤热解提质工艺结合，再实现多联产，最终实现经济社会环境综合效益。 图16 褐煤热解提质技术主要应用范围褐煤热解与气化技术结合制甲烷气联合工艺，可以将褐煤固体热载体热解与鲁奇气化技术相结合生产甲烷气（天然气）、柴油、石脑油、半焦和酚类产品等。鲁奇气化技术要求原煤粒度>5mm，而固体热载体热解技术需要原料煤粒度<6mm，将两者结合可以使原料煤得到充分的利用。固体热载体热解技术所得煤气富含甲烷（20%30%体积百分数），可通过变压吸附分离出H2用于煤焦油加氢，其余可以与鲁奇炉气化所得煤气一起用作甲烷化原料。鲁奇炉气化所得焦油可以与固体热载体热解所得焦油共同加氢制柴油（馏分）、燃料油等。图

21、17 褐煤热解与煤制甲烷气联合工艺褐煤热解与煤间接制油工艺组合成煤制油工艺。先将褐煤进行热解转化提油，用所得半焦作为气化原料进行气化制合成气。合成气与转化、变压吸附后的热解煤气混合作为合成油原料。热解所得焦油加氢后可与合成油进行油品调和，可优势互补。由褐煤热解与煤间接制油工艺组合成的煤制油工艺，整体热效率提高，在保证油品质量的前提下，降低单位油品成本。图18 褐煤热解与煤间接制油联合工艺褐煤热解与褐煤制腐殖酸工艺结合（见图8）可以利用褐煤氧化所产腐殖酸作为粉焦粘结剂制型焦并生产复合肥。煤焦油提酚后加氢生产油品；煤气转化、变压吸附提H2，用做油品加氢。图19 褐煤热解与褐煤制腐植酸联合工艺褐煤热

22、解与合成化工联合工艺特点是利用褐煤半焦作为气化原料生产合成气，再由合成气制甲醇、烯烃、二甲醚、乙二醇、合成氨、甲烷（天然气）等。图20 褐煤热解与合成化工联合工艺将褐煤首先干燥筛分，块状褐煤用气体热载体法热解提质工艺（例如直立炉热解工艺）加工，粉粒状褐煤用固体热载体法褐煤热解提质工艺加工，再优化组合成多联产，实现优势互补，也是一种可供选择的方案。6、褐煤提质项目面临的风险分析我国褐煤基本上分布在比较偏远的地域，远离经济发展中心地区。内蒙古地区露天开采的褐煤剥采比较小，开采成本一般在50元/t左右，用于坑口电站发电具有一定的成本优势。然而内蒙古及周边地区均为经济欠发达地区，煤、电需求量较小，大量

23、的褐煤需要调运到距离较远的经济发达地区。以秦皇岛为参照点，海拉尔地区的褐煤到港口的运输成本约为190 元/t。显然，没有经过提质的褐煤没有市场竞争力，然而目前的褐煤提质项目，面临着一系列的风险，主要体现在三个方面。1）技术和工艺方面的风险目前我国建设的褐煤提质项目均为试验性质，采用的技术都没达到可以实现大规模工业化生产的程度。褐煤提质采用的核心工艺设备为新型专用设备，需要专门设计和制造。技术的成熟性、工艺设备的稳定性、可靠性等多方面的不确定因素交织在一起，使得褐煤提质项目注定要走一段坎坷的道路。由于褐煤提质工艺尚不成熟，不排除替代工艺的出现，如超高压输电技术兴起，必然刺激坑口电站的发展，可大大

24、减少外来电煤的需求，对褐煤提质技术造成冲击。2）市场方面的风险露天开采的褐煤成本低，但发热量较低、售价低，可销售半径小。褐煤提质后发热量一般提高到1674423027.4kJ，与普通动力煤相当，但远距离运输后便不再具备成本优势。目前，褐煤提质项目均没有明确的目标市场，在品质上没有能够做到差异化来实现市场的细分，其市场接受度有待检验。采用细粒破碎热压成型工艺的项目，其产品难以适应长距离运输和反复装卸，可能造成产品损耗率的加大和成本增加。其他工艺的产品也有着各自的不足，也会因此失去用户。3）政策方面的风险目前，鉴于褐煤提质项目处于试验阶段，国家并未对该类项目提出成熟的规范和指导性政策。随着试验性项

25、目的发展，国家必然会加强产业上的引导和约束，淘汰效果较差的工艺和项目，对较成熟的工艺提出必要的规范和约束，比如污染物排放、资源利用率以及节能等方面的标准。另外，煤炭开采造成生态环境的破坏和一系列社会问题，在一些省份已经试点征收可持续发展基金、价格调整基金、环境恢复治理保证金、转产资金等，这些政策性的费用必然会加大原煤成本，挤压产品的利润空间。7、防范和降低风险的对策1） 在技术工艺方面，首先选择效果好、成本低，较为成熟的技术路线。此外，由于该类技术属于创新型技术，必须保证持续的研发资金的投入，否则会前功尽弃。2） 在市场方面，应当通过差异化和市场细分，确定明确的目标市场。不仅要研究褐煤提质技术，同时要研发出适用于提质褐煤的电厂锅炉、煤化工的气化、液化反应器等，主动开发客户，制造差异化和引领市场的细分。另外，也需要通过技术工艺水平的提高、管理的完善，降低生产成本，形成价格竞争优势。