高水分燃料褐煤脱水技术

露天采矿技术 2008年第4期 1 引 言 褐煤是煤化程度最低的煤种,是泥炭沉积后经 脱水、压实转变为有机生物岩的初期产物,因外 呈褐色或暗褐色而得名。我国的褐煤平均灰分为 21.90%,挥发分为 45.21%,水分在 30%左右,发热量 为 28.71MJ/Kg[1],可见褐煤是一种劣质燃料。 我国褐煤资源大部分是作为电煤来使用,但由 于褐煤本身含水量很高,发电厂在用褐煤发电前要 进行脱水,增加了发电的成本;同时褐煤的高水分含 量也使得其不适于远距离运输,这也是长期制约褐 煤资源利用的瓶颈之一。而通过干燥处理降低煤的 水分,一方面可以提高热值和能量密度,降低运输成 本,另一方面还可以提高下游装置的利用效率,降低 设备规模。因此煤炭干燥脱水技术的开发有利于扩 大年轻煤种的综合利用途径,在很大程度上提高年 轻煤种的市场竞争力。 目前我国对于褐煤脱水技术研究的比较少,而 国外对此研究已有百年的历史,已经形成了多套成 熟的干燥脱水技术。国内外主要的褐煤脱水技术有: 热脱水技术,机械脱水技术,机械/热脱水技术以及 热干燥技术。 2 褐煤的热干燥技术 热干燥技术是指在加热干燥器中对煤进行加 热,直到煤的周围环境温度高于 100°C,使大多数的 水分通过蒸发被去掉的过程。热干燥技术主要包括 旋转管式干燥技术、蒸汽空气联合干燥技术、蒸汽流 化床干燥技术(WTA)和床混式干燥技术(BMD)。 2.1 旋转管式干燥技术 旋转管式干燥机为一回转窑系统,如图 1所示, 其干燥是在常压下,用低压蒸气通过管式干燥 机将煤加热到大约 100℃,使水分蒸发,并利用和煤 一起进入干燥机的空气作为脱水介质,通过除尘器 将煤粉分离,部分空气经压缩进入干燥机循环,部分 排入大气。德国拥有该干燥技术。该技术方法由于通 过蒸发褐煤中的水分而将水脱除,因此,能耗较高, 尾气排放量较大。此法为目前工业应用最为成熟的 褐煤干燥方法。 图 1 蒸气旋转管式干燥机 2.2 蒸汽流化床干燥技术(DWT) 在流化床干燥器内,过热蒸汽将高水分褐煤流 从干燥机的底部吹向沸腾床上部产生流化状态,从 而对褐煤进行干燥。在流化床的蒸气吸收褐煤原煤 中蒸发出的水分 ,原煤从干燥机的上部输入进去经 过旋风分离器 ,蒸汽再被部分导回干燥机。干燥机 所需能量是由从汽轮机出来的蒸汽提供。该工艺过 程的特点是蒸汽不仅作为干燥介质而且还作为流化 介质,干燥蒸发的蒸汽是不含空气和其他杂物的。并 且,国外的一些科学家在此基础上发展了带内部热 高水分燃料褐煤脱水技术 云增杰,董洪峰,曹勇飞 (中国矿业大学化工学院,江苏 徐州 221116) 摘 要:高水分燃料褐煤在我国传统的燃烧发电过程中,消耗大量能量用于蒸发水分。而我国现有的褐 煤脱水技术中脱水效率低下,能耗较高。通过介绍国内外褐煤干燥脱水技术,希望能够为更有效的利用燃料 褐煤提供发展思路。 关键词:褐煤;脱水;干燥 中图分类号:TD926.2 文献标识码:B 文章编号:1671-9816(2008)04-0069-03 收稿日期:2008-06-23 作者简介:云增杰(1985-),男,山东潍坊人,江苏徐州 中国矿业大学化工学院化学与工艺专业 2005级 3班 学生。 综合利用 69· · 露天采矿技术 2008年第4期 循环的流化床蒸汽干燥工艺技术(WTA)。在此工艺 中,过热蒸汽经过流化床后,经过疏水阀,冷凝的水 用于湿煤的预热,而蒸汽部分则通过蒸汽压缩机,以 消耗部分电能后转化为过热蒸汽重新循环使用。由 此蒸汽潜热则完全在工艺过程中循环使用,因此热 能利用率明显得到提高。 2.3 蒸汽空气联合干燥技术 该工艺利用从冷凝器出来的热水作干燥介质。 虽然热水干燥比过热蒸汽干燥在干燥速度和程度上 要差,但热水对于电厂来说是一种“废热”,还需要采 用冷却塔冷却。如图 2所示,空气被热循环水加热到 43°C后作为流化床干燥器的流化介质,同时 49°C的 热水作为流化床的干燥热源介质。试验结果表明,采 用此法将入炉煤水分降低后,效率大大提高,CO2、SO2 的排放明显下降。根据实验电厂数据[2],水分从37.5% 降为 31.4%;锅炉净效率提高了 2.6%;燃料减少 10.8%;烟气量降低 4%,由于煤流量减少和可磨性 提高,磨煤机功耗降低 17%;风机功耗降低3.8%。总 体统计,厂用电率降低了 3.8%,可见效果十分显著。 图 2 蒸汽空气联合干燥技术工艺流程图 2.4 床混式干燥技术(BMD) 这种技术最初是利用流化床热床料的热量,流 化床是作为一个热源,用它来干燥高水分的燃料如 褐煤、泥炭、生物质等。干燥机是在蒸汽环境下工作, 这就有可能回收蒸汽的潜热,将之送回干燥工序中 使用。床混式干燥机BMD的示意图如图 3所示。过 热蒸汽高速进入干燥管底部从流化床分出的热床料 流在干燥器燃料入口前立即通过热蒸汽混合。蒸汽 携带着燃料同床料一起经过干燥器后进入旋风分离 器,在那里,干燥燃料和床料从蒸汽流中分离后直接 送往流化床锅炉燃烧。一部分蒸汽从旋风分离器回 收后被返回到干燥机的底部重新与新的床料混合。 从燃料中蒸发的其他蒸汽从蒸汽循环管路中分离后 被引到热交换器,在那里能被冷凝,或者作为给水加 热器或空气预热器。此种干燥机建造起来比较简单 ,因为没有运动部分也没有热交换器。由于燃料中的 水分不进入锅炉,所以排烟热损失减少,烟道减小。 这就降低了锅炉的投资和规模。一个更重要优势是 有比较高的电厂热效率。 图3 床混式干燥器工艺流程 BMD 3 褐煤的热水干燥技术 褐煤的热水干燥技术与前面所说的热干燥技术 有较大的区别。热水干燥的机理是:将煤水混合物装 入高压容器内,密闭抽真空后加热该高压容器,该反 应过程是模拟褐煤在自然界中高温高压的变质过 程,目的是使褐煤改质。处于高温高压热水中的褐煤 的水分将会以液态形式排出。褐煤具有较长的碳氢 侧链和大量的羧基(-COOH)、甲氧基(-OCH3)及羟 基(-OH)等亲水性官能团,这些官能团都是以较弱 的桥键结合的。热解脱掉褐煤分子结构上的侧链,减 少了褐煤内在水分的重新吸附机会,同时褐煤在热 解过程中产生的 CO2、SO2等小分子气体将水分从毛 细孔中排出;生成的煤焦油由于在较高的温度和压 力下,不易从褐煤的缝隙和毛细孔中逸出,冷却后就 会凝固在缝隙和毛细孔中,把褐煤的缝隙和毛细管 封闭,减少了煤的表面积,使煤的内在水分被永久的 脱除。此种方法可以使褐煤水分降至 11%以下,并 可以保证以后的运、贮环节不再吸收空气中的水分。 由于在干燥过程中,去掉了煤分子中的含氧侧链,相 对的提高了煤中碳的含量,发热量也有较多的提高 (一般可提高 20%～30%)。干燥后的褐煤不再吸收 水分,从而很少氧化,便于贮存、运输和加工[3]。 4 褐煤的热脱水技术 该工艺过程与前述热干燥技术不同之处在于其 水的移除状态不同,为热法脱水过程。热源为过热蒸 气,工艺过程温度大约为235°C。因此为维持水分不 被汽化,系统压力必须维持在同温度下水的饱和蒸 蒸汽 蒸 汽 不可压缩气体 热床料 流化床锅炉 干燥器 干燥床料鼓风机 冷凝器 湿煤罐 综合利用70· · 露天采矿技术 2008年第4期 汽压之上,一般在3MPa左右。该工艺过程将水在液 态下移除,同时工艺过程废热蒸气可分级使用,热能 能够得到了回收利用,因此能耗较低。另外,由于过 程原料煤细粉较少,经脱除水分后的褐煤不易在空 气中自燃,因此,可利用空气进一步自然干燥。此法 的缺点为水分不能得到最大限度的脱除,系统干煤 含水量大约在 23%左右。 5 褐煤的机械 \热脱水技术 机械 \热脱水技术综合了热法脱水和机械力脱 水的优点,将褐煤加热到 220°C的条件下,通过机械 挤压将水挤出。如图 4所示,该工艺过程分为 4个阶 段:①用工艺热水预热;②过热蒸气加热;③加压脱 水;④闪蒸进一步脱水。为了使干燥介质均匀分布在 煤层中,原煤必须用压盘稍微预压一下。预压时,热 水从压盘里的喷洒系统均匀地分布在煤层表面。在 饱和蒸汽压力下,水进入压力室,热水经过煤层并且 向煤施放所有的热量,然后用蒸汽加热并使煤中的 水分部分从煤层中脱离出来。最后再经机械压力和 进一步闪蒸过程,脱除大部分水分。目前这种装置已 在澳大利亚一电厂建一套 25t/h的中试装置,装置 运行状况良好,技术基本成熟。相对其它热或机械脱 水法,机械/热脱水工艺操作条件较为温和,工艺过 程较为简单,利于工艺过程的工业实现;水以液态脱 除,能耗较低;工艺过程蒸汽以及过程热水能够得到 充分再循环利用,热效率较高;同时,工艺温度相对 热脱水工艺低,由此对工艺废水处理相对容易些。 Strauss等在系统脱水的同时发现,一些可溶性金属 离子如 Na、Ca、Fe、S等可同时得到脱除。由于从煤 中通过热压力使矿物质同时析出,特别是碱金属,因 此可以减少积灰、结渣。电厂具有丰富的蒸汽资源, 因此十分适合与电厂的集成[4]。 6 结 语 在我国,对煤炭干燥主要针对选煤厂的烟煤和 无烟煤,大都采用烟气干燥。而对于褐煤,由于挥发 分高,易着火发生爆炸,此外,由于水分高,传统热风 干燥损失大,干燥效率低,产品水分也不稳定,在我 国大力提倡节能减排的社会形势下,需要高效、低能 耗的褐煤脱水技术来改变我国传统直接燃烧方法效 率低下、设备利用率差的现状。希望通过以上对国内 外主要褐煤干燥脱水技术的介绍,为我国高效节约 利用燃料褐煤提供借鉴。 参考文献: [1]尹立群.我国褐煤资源及其利用前景[J].煤炭科学技术, 2004,32(8):12-14. [2]常春祥,熊友辉,蒋泰毅.高水分褐煤燃烧发电的集成干 燥技术[J].选煤技术,2006,(2):19-21. [3]王天威.褐煤改质的基础研究[J].应用能源技术,2007, (9):19-20. [4]BERGINSC.Kineticsandmechanismduringmechanical/ther- maldewateringoflignite[J].Fuel,2002,82(2003):355-364. 图 4 机械/热脱水工艺流程图 蒸汽发生器 09 10 08 01 湿煤 储罐 16 15 工业水 废水处理 14 13 水罐 13 热压机 02 03 04 13 11 12 18 20 05 07 空气预热器 06 07 水罐冷凝器 碾磨机 干煤 碾碎机 19 冷空气 (Ⅰ) (Ⅱ) (Ⅲ) (Ⅳ) (Ⅰ)热水预热 (Ⅱ)蒸汽加热 (Ⅲ)压缩阶段 (Ⅳ)闪蒸阶段 综合利用 71· ·