高温烟气褐煤干燥技术分析[1].pdf

2 0 10 中国新型煤化工发展及示范项目进展论坛文集高温烟气褐煤干燥技术分析郝正虎1，李向武2，董建勋2，吴玉新1，王秀军3，吕俊复1，张守玉2(1 清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京1 0 0 0 8 4：2 中电投蒙东能源集团公司：3 上海理工大学能源与动力工程学院，上海2 0 0 0 9 3)摘要：我国褐煤资源丰富和产地相对集中，但是水分含量高导致其利用率低。文章介绍了褐煤的性质和水分对煤的热值的影响，阐述了目前国内外褐煤干燥技术，在低温烟气逆流干燥技术上，形成了高温烟气干燥技术。并说明了高温烟气褐煤干燥技术的原理和它的技术路线。高温褐煤干燥示范工程的运行试验结果分析了它的可行性强、安全性好和目前存在的问题。关键词：褐煤；高温；烟气：干燥；顺流O 引言我国褐煤资源的特点是：埋藏浅、煤层厚、储量大，相对集中的褐煤产地，但是褐煤产量不高。2 0 0 6 年全国生产褐煤1 0 5 1 1 多万吨，只占全国原煤产量的4 5 1 E。在我国已发现的煤资源中，褐煤约占总量的1 2 6 8。主要分布在我国的东北和西南，其中内蒙古东部地区的褐煤占全国该煤类的7 7。5 5，占本区煤炭储量的4 5，多属于老年褐煤；云南的褐煤占全国该煤类的1 1 8 8，占本区煤炭储量的6 4，多为年轻褐煤；另外，在黑龙江东部、吉林、河北、山东、广东、海南和四川等地也有少量分布，其中海南全部为褐煤，黑龙江以及广西褐煤储量分别占本区储量的3 4 7 和3 5 4 t 2 1。褐煤煤化程度最低，其特点是孔隙度大、挥发分高、无黏结性【3 4】；氧含量可以达到1 5 -3 0；水分含量高，全水分一般可达2 0 5 0；褐煤在空气中极易风化，灰软化点低；灰分一般为2 0 3 0；褐煤属于低热值中低热值煤，干燥基低位发热量一般为1 6 7 3 一2 5 0 9 M J k g，收到基低位发热量一般为1 1 7 1 1 6 7 3 M J k g。+通过脱除燃料中的水分，可大大提高褐煤的燃烧效率。澳大利亚、美国、欧洲的德国、希腊、波兰等褐煤资源丰富的国家都进行了褐煤水分干燥技术研究。如澳大利亚曾专门成立了C R Co fC l e a nP o w e rf r o mL i g n i t e，C R CP o w e rG e n e r a t i o nf r o mL o wR a n kC o a l s 两个研究中心来研究褐煤的发电利用技术，其中褐煤的预干燥技术是这几年的一个重点。在欧洲，褐煤的干燥也是欧洲洁净煤技术项目中的一个重要组成部分【5 卅。1 水分含量对热值的影响褐煤的水分含量高，褐煤中水分的变化对褐煤热值的影响很大。若忽略水分子与煤颗粒表面的结合能，煤的水分变化对其收到基低位发热量的影响为：2 0 02 0 10 中国新型煤化工发展及示范项目进展论坛文集如一哪=(绋I 碱p+2 5 0 0 虬。)F 1-M 瓦“2 2 5 0 0 虬。(1)若已知收到基水分含量尥2 和低位发热量(k,n e t p，则脱水后的收到基热值Q 0 1，峨p 与其水分坞l 的关系为：Q&l,n c t,p 坠铲一哗斧虬。垒塑铲。水分变化率：兰：竺嚣为。3，蛾。脚=一丝华毗。(3 基水分含量和低位发热量纽 n e t p 分别为3 3 3、4 4 0、2 6 5 N1 3 9 5 4 61 0 k g、1 2 5 6 0 41 0 k g 一、1 5 0 7 2 5k J k g-1，其极限低位发热量分别为2 2 1 7 0 1 0 k g、2 4 3 9 4 1 0 k g、2 1 4 0 8k J k g 一，收到基水分含量每下降l 其收到基低位发热量分别增加2 4 6 7 k J k 一、2 6 8 9 1 0 k g、2 3 9 1 1 0 k g。2 褐煤干燥技术现状煤的干燥脱水技术很多，大致可分为机械脱水、蒸发脱水和非蒸发脱水三大类t T,S l，其中机械脱水技术在选煤厂已广泛应用，如浓缩机、振动滤网、圆盘过滤机等，但这类技术的处理能力和脱水效率尚难适应褐煤脱水的要求，目前较少使用。目前的褐煤脱水技术分类见表1。表1 褐煤干燥脱水技术分类从已应用于褐煤脱水技术和正在开发的褐煤脱水技术来看，以下几种脱水方法和技术值得关注【9】：直接干燥法，或称热气流干燥，加热气体与煤直接接触进行干燥。由于加热气体与煤直接接触，操作不当易导致褐煤自燃，甚至爆炸等安全事故。另外，由于蒸发的水分中含有大量的空气，会增加水分的潜热利用的难度，但通过一定的研究和技术途径也不排除潜热利用的可能性。但直接干燥法具有工艺简单、操作方便、处理量大、易于工业化等优点。它是褐煤脱水的重点技术之一。间接脱水法，利用低压饱和蒸汽间接加热，安全性高，连续操作运行。此法主2 0 10 中国新型煤化工发展及示范项目进展论坛文集要有筒式蒸汽干燥技术、流化床蒸汽干燥技术、空气蒸汽联合干燥技术等。该法处理能力小、耗能及耗水量大，通常与热电厂热力循环集成，利用电厂蒸汽轮机的抽汽进行干燥。非蒸发脱水法，以高温高压蒸汽干燥技术为代表。这种褐煤脱水技术是人为地制造成煤地质条件，见若干万年的成煤过程缩短为几个小时，其本质是一个化工反应。将褐煤与高温、高压蒸汽直接接触，使褐煤水分呈液态脱出，勿需蒸发潜热，热效率高，在脱水过程中褐煤不会自燃，安全性高。在这个过程中，褐煤会出现收缩，但是煤粒仍保持块状结构。除水机制是以物理形式通过加热使液态水从气孔中蒸发，煤粒子在收缩的过程中的气孔收缩而排除水分，根据水和褐煤受热膨胀度的差异把水分从气孔中排除。这一反应过程中，褐煤内外孔的表面的一些亲水官能团发生分解，从而利用化学处理降低褐煤本身的吸水能力。通过加热使得水的粘性减弱进而从气孔中排出，或者通过发散出来的二氧化碳将水排挤出去。由于这一过程的本质是化学反应，表面官能团的破坏不可避免地产生一些气体 i o,i 1 1。这种方法目前处于研究阶段，尚未实现工业化大规模应用。3高温烟气褐煤干燥技术3 1 高温烟气褐煤干燥技术的提出经过对各种褐煤干燥脱水技术的分析比较，目前比较成熟的是低温烟气干燥技术：干燥介质中，包括了低压蒸汽或者热风炉。采用低温烟气逆流干燥时，烟气流向与煤的流向相反，导致煤下落过程中细颗粒被向上的气流托住，出现了过干燥问题，出现了自燃或爆炸潜在可能性；煤离开干燥器之前与温度最高的烟气接触，导致出口的煤的温度偏高，对出口干燥煤的进一步冷却产生很大的压力，带来易于自燃的后果：低温烟气干燥的解热介质是低温烟气，单位质量气体在干燥器进口带入的热量较少，而出口的温度受到露点温度的限制而不能太低，因此需要较大的流量，若采用直接燃烧获得烟气，则需要相当大的过量空气系数，烟气氧含量偏高，出现自燃爆炸的隐患，即使采用烟气再循环，由于再循环量过大、电耗太高，经济性受到严重影响。另外，低温烟气干燥的脱水率一般不尽如人意。借鉴于低温烟气逆流干燥技术，干燥烟气可以选用高温烟气，烟气流向可以采用和煤一起进入同方向流动的顺流，从而得到高温烟气顺流褐煤干燥技术【12 1。高温烟气褐煤干燥技术相对其他的褐煤干燥上技术具有几个优势：(1)避免了部分粉煤颗粒滞留及其过干燥；(2)干燥产品煤的出口温度较低，便于进一步冷却防止自燃；(3)烟气再循环量小，易于控制烟气中氧气含量：(4)干燥烟气温度高，合理控制温度，在提高水分脱出率的前提下，破坏颗粒2 0 10 中国新型煤化工发展及示范项目进展论坛文集表面亲水官能团，利于改善脱水后褐煤的水分复吸性能；(5)为提高脱水率提供条件；(6)利于大型化，系统简单，运行灵活。下面介绍高温烟气褐煤干燥技术的原理、技术路线和效果等。3 1 高温烟气褐煤干燥技术原理高温烟气褐煤干燥技术流成为：煤仓中的常温褐煤通过输煤皮带，经过给料机从顶部进入干燥器中，见图2，而热烟气发生炉产生的高温低氧烟气(约5 0 0)从干燥器上部侧面进入，褐煤和烟气混合顺流向下流动。由于在干燥器上部的烟气高温段设置有布煤装置，保证了烟气和褐煤的充分接触，颗粒的表面水分迅速蒸发蒸发，同时烟气温度迅速下降，当颗粒被加热到挥发份析出温度以下时，烟气温度已经下降到挥发份析出温度以下【1 3】。而且高温段接触时间短可以避免褐煤中挥发份的析出，又能使褐煤中水分析出。在干燥器中，煤与烟气经过多折转筛板，图2高温烟气褐煤干燥技术示意图l 一给料器，2 一卸料器，3。高温烟气进口，4 一烟气出口，5 振动筛板在筛板末端下落过程中与烟气进一步充分混合，改善了褐煤颗粒与热烟气的接触加热，使的褐煤中的水分可以继续析出。干燥器入口和烟气在各个温度段的的停留时间必须严格控制，以能够脱除煤炭中水分且不会引起化学变化。干燥器中颗粒的停留时间与颗粒粒径有关，避免小颗粒的过干燥和大颗粒的干燥不足。逆流和顺流两种条件下颗粒的停留时间见图3，而与颗粒脱水需要的停留时间相比，逆流更具优势，见图4。2 0 01 6 0口号1 2 0i 璺=玺8 0龟4 0O11 01 0 01 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0 0颗粒粒径d，m m图3 逆流时不同颗粒在干燥器中的停留时间与脱水需要的停留时间模型预测结果2 52 0e-E1 5星差1 0滏50干燥器中颗粒流动的停留时可，一叶黼黜翩时t，Z，夕。1l O1 0 01 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0 0颗粒粒径d j r a m图4 逆流和顺流时不同颗粒在干燥器中的停留时间模型预测结果2 0 10 中国新型煤化工发展及示范项目进展论坛文集3 2 高温烟气褐煤干燥技术路线整个干燥系统主要装置：热烟气发生炉、干燥器、除尘器、鼓风机、再循环风机、烟囱等，工艺流程如图5 所示。图5 高温烟气顺流干燥技术路线热烟气发生装置产生的低氧含量的高温烟气(约8 5 0)，经除尘装置与再循环烟气混合成预定的温度，进入褐煤干燥装置。褐煤和烟气在褐煤干燥装置中均是由上向下流动，在流动过程中，褐煤颗粒受高温烟气加热而蒸发；与此同时，烟气温度降低，湿度增加。流经各层筛板到达出口，褐煤脱除了大量水分，而烟气温度和褐煤颗粒温度都降到了较低的水平，保证了设备平稳运行的安全性。被干燥的褐煤经过干式选矸并被冷却，进一步蒸发。干选出来的矸石作为燃料进入烟气发生器产生烟气，脱水脱矸后的褐煤则作为商品出产。干燥后的烟气经过布袋除尘器部分排入大气，部分通过再循环风机形成再循环烟气作为热烟气发生炉的流化燃烧和掺混介质。干燥介质热烟气温度为3 0 0 6 0 0，控制热烟气发生炉的出口烟气含氧量为3,-5，以控制自燃。干燥器出口的烟气温度约为1 0 8。干燥器进口褐煤的粒径为小于5 0 r a m。目前，已经在内蒙古东部白音华镇建立年处理原煤量为2 0 0 万吨的褐煤干燥示2 0 10 中国新型煤化工发展及示范项目进展论坛文集范工程，并进行了调试性试验。3 3 高温烟气褐煤干燥技术效果在褐煤干燥示范工程进行的褐煤干燥试验。试验干燥原煤为白音华褐煤，特性见表2。表2白音华褐煤原煤特性碳氢氧氮硫灰水收到基低位发热量鱼!丝望出Q 出堕坐垒趟垒丛丝丛Q 蝤t 型：堕14 0 2 53 2 89 0 40 7 10 4 31 5 9 93 0 31 4 2 3 0褐煤烟气在干燥器中的温度变化见图6。从图中可以看出，烟气温度的迅速下降主要在干燥器的上部4 0 0即高温段，中部以后烟气温度缓慢降23 0 0低，说明实际运行达到了设计意图凳2 0 0【1 3】o1 0 0通过运行调整、设备消缺，运行参数逐步接近设计工况。对干燥后的”煤2 m m 以上的颗粒进行分析化验，原煤的水分和干燥后的块煤的水分O61 21 82 43 0距离出口的高度h m图6 干燥器中烟气温度分布分别为：3 3 3 和1 2 5，脱除水分为2 1 7 5；原煤热值和干燥后的块煤热值为3 3 4 8k J k g。和4 6 0 4k J k g。(收到基地位发热量)，热值提升了1 2 5 6k J k g。2 m m 以下的粉煤的热值更高。因此初步所以褐煤干燥后水分脱除效果明显。说明高温烟气褐煤干燥技术是可行的，退税效果明显。对布袋除尘器之后的烟气成分包括C O、H 2、C I-1 4 进行了监测，排出的烟气中未见可燃气体。干燥器出口煤颗粒的温度测量为7 0。C，进一步说明褐煤挥发份没有析出。运行发现，褐煤的碎裂程度大于预期，形成的粉煤量较大，这些粉煤的利用和处理尚需进一步研究。4 结论(1)在国内褐煤干燥技术发展看，高温烟气褐煤干燥技术具有明显的技术优势和商业前景，通过运行试验结果可以得出干燥效果好，且这种技术的可行性强和安全性好。(2)运行中出现的问题说明高温烟气干燥技术没有现成的经验，所以是要确定工业装置的运行参数范围，并优化各操作参数，达到经济生产的目标；而且整个干燥装置还需要进一步的安装调试和解决设备出现的问题。2 0 52 0 10 中国新型煤化工发展及示范项目进展论坛文集参考文献l、国家安全生产监督管理总局调度统计司煤炭工业统计提要(1 9 4 9 2 0 0 6)北京：国家煤矿安全监察局，2 0 0 7 2、毛节华。许惠龙中国煤炭资源预测与评价北京：科学出版社，1 9 9 9 3、初茉，李华民褐煤的加工与利用技术煤炭工程，2 0 0 5(2)：4 7-4 9 4、戴和武，杜铭华，谢可玉，等我国低灰分褐煤资源及其优化利用中国煤炭，2 0 0 1，2 7(2)：1 4 1 8 5、S t r a u s s。K M e t h o da n dd e v i c ef o rr e d u c i n gt h ew a t e rc o n t e n to fw a t e rc o n t a i n i n gb r o w nc o a l P a t e n t sE P07 8 4 6 6 0 B IW 0 9 6 1 0 0 6 4，1 9 9 6 6、S t r a u s sK M e c h a n i c a lT h e r m a lD e w a t e r i n g(E n t w a s s e r u n g)a sp r e d r i e dm a t e r i a lf o rb r o w nc o a lf i r e dp o w e rs 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