低阶煤提质技术的发展现状及趋势

王慧，浑宝炬，夏新茹

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063000)



低阶煤提质技术的发展现状及趋势

王慧，浑宝炬，夏新茹

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063000)

低阶煤；干燥脱水；热解提质；成型压缩

针对低阶煤干燥脱水、热解提质、成型压缩3类技术，论述了低阶煤蒸发脱水和非蒸发脱水、气相热解法和固相热解法、有粘结剂成型法和无粘结剂成型法的工作原理及特点，并探讨了我国低阶煤提质技术今后的发展趋势。结果表明：我国低阶煤提质技术的发展方向为余热循环利用技术、电-气-热多联产技术、成型技术，有助于推动洁净煤技术的发展，降低耗能。

随着我国经济的快速发展和对洁净煤炭资源需求的日益剧增，国内优质煤炭的开采已远远不能满足市场需求，所以深入研究低阶煤干燥提质技术能有效缓解我国煤炭资源紧张的局面。低阶煤是低变质程度的煤，其特点为：灰分、含硫量低，密度小，粘结性差，挥发分、含水量、活性强度高，但热稳定性很差，发热量较低，容易风化，易发生自燃，不宜长期贮存和远距离运输，因此需要对低阶煤进行提质加工处理。

提质技术是对储量丰富的低阶煤采用一些加工处理方法来脱去其外在水分，降低灰分，致使其发热量增大，有的还可得到高利用价值的产物，能够使资源供给不足等情况得到缓解，同时能够保护环境、减少耗能[1-3]。

1 低阶煤提质技术的分类及原理

1.1 干燥脱水技术

1.1.1 蒸发干燥脱水技术

蒸发干燥脱水技术是利用直接或间接的方法加热低阶煤，使其外在水分以气体形态扩散出来。

(1)滚筒式干燥。该项技术是将经过给料器的低阶煤由大倾角导料板将其导入滚筒中，随着筒体旋转和自身的角度，低阶煤由筒底被扬料板提升到筒顶再落下，同时由燃烧炉进入干燥机中的热空气与其直接触碰进行传热，图1为滚筒式干燥的工艺流程图。该项技术具有投资较低、操作容易、产能大的优点，但易产生煤尘，且由于与热空气直接接触，存在燃烧、爆炸的危险[4]。

(2)蒸汽流化床干燥。该项技术由澳大利亚莫奈什大学研发，在流化床干燥器中，来自汽轮机的部分废热蒸气经压缩机输送到干燥器和原煤预热器中作为干燥介质，而另一部分则是通过循环泵实现循环使用，以减少耗能，图2为蒸汽流化床干燥流程图。该项技术使用的干燥介质中加入了惰性气体，这有利于避免爆燃的产生，但压降较高，易磨损[5]。

图1 滚筒干燥的工艺流程图

图2 蒸汽流化床干燥的流程图

1.1.2 非蒸发脱水提质技术

夏天木讷地点了点头，得到允许的叶晓晓立马行动起来，她迅速到厨房搜罗，找到了一个番茄，两只鸡蛋，她撕了两包方便面，将面在滚水中捞了捞，做了一道番茄鸡蛋炒面。

非蒸发脱水提质技术是将一定温度、压力下的蒸气直接或间接加热低阶煤，使其水分以液体形态去除，得到的产品除了低水煤还有水煤浆。在进行脱水时没有消耗蒸发热能，不易自燃。

(1)热力脱水技术。该项技术由澳大利亚的墨尔本大学研发，其工艺流程为：先将原煤通过磨粉机进行磨碎，再与水混合制成水煤浆后通过高压泵进入约300 ℃的反应器中进行加热；反应后的水煤浆经过冷却器、减压器、离心泵等设备来除去过多的水分，从而产出干基质量分数约为50%的水煤浆，产品热值很高，图3为热力脱水技术流程图。该项技术的缺点是：投资大；废水处理繁杂，若处理不当，会引起环境污染；通过该项技术得到的水煤浆浓度不高[6,7]。

图3 热力脱水技术的流程图

(2)UBC(Upgrading Brown Coal)低阶煤干燥。该项技术是由日本神户制钢所开发的，其工艺流程为：首先将低阶煤利用磨碎机研磨为粉末，与再生油结合制备油煤浆后送至蒸发器中蒸发，随后进入脱水装置中进行脱水处理，脱水后的煤浆送到固液分离器中回收轻油，得到低水分的低阶煤粉末，并将其挤压成型煤，图4为UBC干燥技术流程图。通过该技术得到的型煤具有燃烧性能高、价格低的优点。

图4 UBC干燥技术的流程图

1.2 热解提质技术

干燥后的低阶煤在隔绝空气且温度持续升高的环境中发生热解反应，在脱除大量水分的同时，还产出了半焦、焦油、焦炭、粗苯、煤气等成分，这个过程就是低阶煤热解提质技术。

1.2.1 气相热载体法

气相热载体法通常是将干燥介质(如引入惰性气体的高温热烟气)输送到热解反应室来对低阶原煤进行加热的。比较有代表性的低阶煤气相热载体热解法如下：

(1)LFC(Liquid From Coal)热解技术。该项技术是由美国SGI和SMC共同研发的，其工艺流程为：把经过破碎、筛分、干燥后的低阶煤运送到热解炉发生热解反应，同时去除了剩下的水分，其中干燥部分是利用CDL(Coal Derived Liquids，属于一种低硫工业燃料油)捕集器捕集到的热烟气来加热干燥煤；煤停止热解反应后进入精制反应器与O2发生钝化，可以避免煤的自燃，提高其热稳定性，图5为LFC热解技术的流程图。通过该技术得到的产品有固体燃料PDF(Process Derived Fuel)和CDL，但后续操作设备易发生堵塞[8]。

图5 LFC热解技术的流程图

(2)LCC(Low-rank Coal Conversion)热解提质技术。该项技术是由中国五环工程集团与大唐华银电力集团共同研发的，操作流程包括干燥、轻度热解、精制热解三部分。低阶煤首先进入干燥炉中被热烟气(由干燥热风炉产生)加热，以便除掉外在水分；随后干燥煤送到热解炉中被热气流(由热解热风炉产生)加热后发生轻微热解反应，产生气相产品；最后进入精制塔中发生水合反应与氧化反应，产生固相PMC(Process Middle Coke)产品，图6为LCC热解技术的流程图。该项技术的缺点是产品焦油、半焦的质量比较差，还需外在提供热量，因此成本太高[9]。

图6 LCC热解技术的流程图

1.2.2 固相热载体法

固相热载体法使用的加热介质是热解反应后得到的半焦和热灰。

(1)煤固相热载体快速热解技术。该项技术是由大连理工大学研发的，其操作过程为：将磨碎后的低阶煤用550 ℃左右的高温烟气对其预热干燥且将其输送到干燥槽中；干燥后的低阶煤进入混合器与800 ℃左右的粉焦混合，最后在反应器中进行热解反应，得到气相产品；剩下的煤气经过旋风除尘器、洗气管、气液分离器后得到焦油，再经过间冷器后得到轻汽油；把反应器中得到的一部分半焦冷却得到有用产品，另一部分则在提升管的底部与热烟气中的O2作用发生燃烧，使半焦受热并提至热焦粉槽中用于循环热载体，图7为煤固相热载体快速热解技术的流程图。该项技术的特点为装置多、投资很大，且温度容易影响混合时间[10]。

图7 煤固相热载体快速热解技术的流程图

(2)循环流化床多联产技术。该项技术是由淮矿企业和浙大联合研发的，其操作过程为：低阶煤在气化炉中和循环灰(旋风分离器分离出的)结合，且温度达到约600 ℃时开始热解，得到的焦油、灰渣和粗煤气经过旋风分离器、激冷塔、电捕焦油器后产生轻油和焦油，一部分煤气流回气化炉，剩余部分净化后再循环使用；循环灰与半焦被送至锅炉发生燃烧产生高温气体把物料输送到分离器中，分离出来的烟气通过过热器、空气预热器等设备得到的蒸汽能够用来发电，且提供热量，图8为循环流化床多联产技术流程图。该项技术很好地综合了热解炉与循环流化床，实现了电-气-热-焦油的多联生产[11]。

图8 循环流化床多联合生产的流程图

1.3 压缩成型技术

低阶煤压缩成型技术主要是通过剪切或高压将粉煤的孔隙构造破坏掉，再压缩成型，成型后的煤有多种形状与尺寸，防水性良好，该项技术可以很好地避免煤尘产量大、自燃等问题[12-14]。

1.3.1 有粘结剂成型法

有粘结剂成型法的对象主要是变质程度较高的低阶煤，粘结剂通常用腐植酸、黏土、沥青、淀粉等物质。

上述提到的UBC干燥技术使用的粘结剂是轻质油，可以很好地把提质后的煤压缩成型，该项研究利用生物质作为粘结剂把煤粉挤压成型，生物质的主要成分有甘蔗渣、玉米秸及锯末等，粘结剂用量占总量的11%～26%；国内李登新等人将工业废弃物作为粘结剂应用到低阶煤压缩成型技术中。

1.3.2 无粘结剂成型法

无粘结剂压缩成型法：把提质后的煤保持在指定温度下，经过一段时间后直接压缩成型。

由澳大利亚亚太煤钢集团研究的"冷干"技术是采用剪切作用破坏提质煤的孔隙构造，然后压缩成型，形状为棒状，其含水量由原来的59%降到9%～15%，发热量接近烟煤；中国矿业大学和神华集团共同研发的HPU(Hot Press Upgrading)干燥技术是把提质后的煤输送到成型机内压缩成型。

2 低阶煤提质技术的发展趋势

余热循环利用。完善工艺流程，确保干燥、热解时设备的热量稳定，循环利用余热资源，为有效加工低阶煤提供一个新途径。

电-气-热多联生产。我国需要多使用循环流化床多联产技术，不仅可以把低阶煤分级，还可以电-气-热多联生产。

压缩成型。提高干燥、热解煤的成型工艺，可以很好的避免煤尘产量大、自燃等问题，加强产品热稳定性。因此在引进国外成型工艺的同时，研究出适用于我国低阶煤的压缩成型工艺，找到高效节约的粘结剂。

3 结论

随着我国不断开采优质煤炭，其资源持续减少，从而使对储量丰富的低阶煤资源的利用问题凸显起来，并使低阶煤提质技术也得到了我国的高度重视。但我国低阶煤提质技术起步晚，在开展研究该项技术时需引进国外先进技术，并在此基础上，不断加强我国低阶煤提质技术的自主创新。逐步向余热循环利用技术、电-气-热多联产技术、成型技术方面发展，有助于我国洁净煤炭资源的利用，降低耗能，并为低阶煤提质技术开发奠定基础。

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Development Status and Trends of Upgrading Technology of Low-rank Coal

WANG Hui, YUN Bao-ju, XIA Xin-ru

(College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063000,China)

low-rank coal; dehydration; upgrading by pyrolysis; compression molding

Aiming at the three technologies such as dehydration, upgrading by pyrolysis and compression molding, the work principles and characteristics of low-rank coal evaporation dehydration and non-evaporating dehydration, gas phase pyrolysis and solid phase pyrolysis, adhesive molding and non-adhesive molding were summarized, and the development trends of upgrading technology of low-lank coal were discussed. Results show that: the development direction of China's upgrading technology of low-rank coal is waste-heat recycling technology, electricity-gas-heat polygeneration technology and molding technology, and conduce to promote the development of clean coal technology and reduce energy consumption.

2095-2716(2016)01-0082-06

2015-07-16

2015-11-25

河北省教育厅科学技术研究项目(ZD20131063)。

TQ536.9

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