劣质煤利用技术

候变暖等重大问题上都具有实际意义, 将是本世纪 能源与环境技术的重要发展方向之一。
参考文献:
[ 1 ] 重久卓夫. 石炭の改质技术[J ]. 日本 2001, 80 (4) : 207～ 214.
按上述利用目的的差异, 劣质煤利用技术主要 有三大类。
收稿日期: 2002205225 作者简介: 张永贵, 男, 副教授, 1965 年出生, 1990 年获工学 硕士学位, 现为燕山大学建筑工程与力学学院建筑环境与设 备工程专业教师。
1. 1 配煤技术 配煤技术也称混合法, 就是将同种杂质含量相
2002 年 10 月 张永贵: 劣质煤利用技术 · 2 5·
原理如表 1 所示。
表 1 劣质煤混合利用原理
杂质
水分 灰分 硫分
劣质煤 1 高 低 低
劣质煤 2 低 高 高
混合煤
许用范围 许用范围 许用范围
显然, 配煤技术解决的只是燃烧问题, 在环保方 面不起作用。 由于不包括化学工艺, 具有工艺简单、 低成本的优点, 所以对劣质煤利用的初级阶段, 可以 认为是最有效的手段。 1. 2 净化分离法
图 1 热水处理法脱水工艺流程示意图
低温热分解法是通过加热使煤中的水分和挥发 匀的煤种分离效果更差。
分同时释放, 提高煤的炭化度, 从而提高热值。 但由
于处理过程中效率低, 能耗很高, 现实中应用不多。
1. 2. 2 洗选加工 洗选加工是煤炭除灰的主要方
法, 它利用煤与灰分的物性差异使二者分离, 如常用
境、能源四个方面, 而煤炭的利用直接关系到其中两 大方面—— 能源与环境, 可见煤炭利用技术的重要
1 劣质煤利用技术现状
性。
煤炭有优质与劣质之分, 但区分优劣的条件是 多重的。 从煤炭的能源属性看, 显然是热值越大越 好。但发热值不能作为煤质优劣的唯一判别标准, 煤 中所含的杂质 (灰分、水分) 除了降低煤的发热值外, 还增大了燃烧难度以及煤、灰的运输成本; 此外, 从 环保角度考虑, 硫分的危害远远大于灰分和水分。显 然, 作为衡量煤质优劣的因素是多重的, 而且是变化 的。但热值低, 灰分、水分以及硫含量高, 挥发分易析 出, 容易自燃, 难于贮存, 不宜运输等则是劣质煤的 基本特性。 我国吉林舒兰、黑龙江扎赉诺尔的褐煤、 吉林通化的烟煤以及产于各地的石煤、煤矸石等都 是典型的劣质煤种。
图 1 中, 含水 62 % 的原煤经粉碎后与水混合成 含水 75 % 的煤浆, 高压泵将煤浆送入加热器加热到 300℃, 进入反应器, 在该温度下, 煤分子结构中的含 氧原子团 (- COO H、- O H ) 被脱除, 煤由亲水性变 成憎水性, 然后经过冷却器冷却并在分离器内分离 出不凝气体后, 送入旋流分离器脱水, 最后得到含水 50 % 的水煤浆。 这种工艺不存在水的相变问题, 同 时可以将反应器的热量用于工艺过程的预热, 所以 能耗较低, 但由于使用的是劣质煤, 存在水煤浆燃烧 困难的问题。
建成了处理量达 6 000 t d (折合成无水无灰状态) 褐煤的直接液化系统, 并进行了详细的经济效益分
2CO + 4H 2= 2CH 3O H …………………… (2)
析, 系统概况见表 2[4 ]。
表 2 褐煤液化系统设计条件
项目 设备能力
产品
原煤成分 % 工业分析 元素分析
系统
设备操作条件 温度 ℃ 压力 M Pa 催化剂
条件
6 000 t
Leabharlann Baidu
d
液化粗油 21 000 bb1 d 轻质油 1 140 t d 中质油 1 926 t d 硫磺 120 t d 苯酚 22 t d
水分 62. 9 灰分 2. 4 挥发分 50. 9 固定碳 46. 7
碳 67. 9 水 4. 8 氮 0. 5 硫 0. 4 氧 26. 4
一次加氢系统 除灰系统
的筛选法和液体旋流器分离法就是利用了煤与灰在
比重及亲水性方面的差异, 把劣质煤分离成精煤和
废渣。目前, 除灰技术的研究大都限于在原有分离技
术基础上提高分离效率和扩大成型技术的适用范
围, 静电分离技术是除灰法的一个新进展, 它利用煤
和灰的不同带电性, 使煤和灰分离, 其原理如图 2 所
图 2 静电分离除灰原理示意图
2 结束语
能源与环境是本世纪人类面临的两个重大问
题, 在能源问题上, 储量最大也是消耗量最大的煤炭 仍将处于主导地位, 但煤炭尤其是劣质煤燃烧造成 的环境污染, 正是导致环境问题的决定性因素, 因 此, 煤炭利用技术对合理解决用能与环境的关系问 题是极端重要的。 本文针对占煤炭储量一半以上的 劣质煤的利用技术问题, 进行了系统的论述, 主要观 点及结论如下。 2. 1 配煤技术是劣质煤利用初期最有效、最经济的 手段, 但必须配套解决环境污染问题。 2. 2 净化分离技术是劣质煤利用技术的主要发展 方向, 本世纪内将在劣质煤利用领域发挥重要作用。 2. 3 煤炭液化不仅使劣质煤能得到有效利用, 而且 可降低燃烧过程 CO 2 排放量, 在缓解酸雨、全球气
最初劣质煤利用技术解决的主要是可利用问 题, 随着环保问题的突出, 解决利用过程中的环境污 染问题逐渐上升为主要矛盾; 最初以解决高含硫煤 燃烧的 SO 2 排放问题为主, 近年来发现全球环境变 暖与大气的 CO 2 浓度关系很大, 于是以减少 CO 2 排 放量为目标的煤炭转化技术引起了更大的关注。 目 前煤炭液化研究工作已经很深入, 而且许多国家都 在该方面投入了巨大的人力、财力进行研究开发。这 是更高层次的劣质煤利用技术, 预计本世纪将得到 较大的发展和应用[2 ]。
第 5 期 (总第 102 期) 2002 年 10 月
煤 化 工 Coa l Chem ica l Indu st ry
N o. 5 (To ta l N o. 102) O ct. 2002
劣质煤利用技术①
张永贵
(燕山大学 秦皇岛 066004)
摘 要 劣质煤的利用方法主要有配煤、净化分离、液化等, 其中净化分离是目前及今后一段时期内的主要方 法, 液化技术则是具有远大发展前景的技术。 对上述各种方法的原理、特点及解决能源2环境问题的效果做了综合 论述。
图 3 中, 由软磁材料制成的圆盘形壳体低速旋 以太阳能为能源, 则转化前后相比燃料总热值增大,
转, 煤斗中落下的煤在下落进入壳体的过程中 FeS2 被强磁场吸附在壳体上带走, 煤因不被磁化而直接
产生一定量热能的 CO 2 排放量下降, 具有节能、环 保双重效果。 而且, 由于燃料形态由原来的气态 (天
二次加氢系统
450 270 380
15
黄铁矿
3. 5
15 NBCL 2M
工厂设 计地点
澳大利亚 维多利亚州
由表 2 可见, 与间接液化相比, 直接液化技术在 产品及系统原理上都有本质区别, 属于更深层次的 深加工技术。据资料介绍, 上述液化系统的产品—— 液化油与原油的价格基本相当, 说明该项技术在成 本上具有商业开发前景。 实际上劣质煤液化的主要 意义在于解决劣质煤的利用技术问题, 使得储量丰 富的劣质煤在满足环境要求的条件下得以有效开发 利用, 具有扩大人类可利用能源储量的意义。即使成 本偏高, 仍有它不可替代的应用价值。
关键词 劣质煤 净化 液化
文章编号: 100529598 (2002) 0520024204 中图分类号: TQ 52 文献标识码: A
问题, 如何使原本难于利用的劣质煤得到有效利用
引 言
并使利用过程造成的环境污染达到允许指标, 是关
系到能源与环境两大问题的重要课题。本文从能源、
当今世界面临的重大问题包括人口、粮食、环 环境、经济、技术等多角度探讨劣质煤利用问题。
化学方法脱出。
洗选加工技术虽然能耗较低, 但除灰率和回收
比较新型的脱硫技术是磁分离技术, 如图 3 所
率不能兼顾, 而且, 要提高除灰率就必须以增大煤的 破碎程度为代价, 尤其是对灰分在煤中分布比较均
示, 它专门用于分离煤中以 FeS2 形式存在的硫, 这 种硫化物虽然属于无机硫, 但它不溶于水, 用常规的
所谓分离就是分离出劣质煤中杂质的过程, 主 要有脱水法、洗选加工和脱硫法。 1. 2. 1 脱水法 脱水法包括蒸发法、非蒸发法和低 温热分解法三种。 蒸发法是利用煤中游离水在加热
时发生相变的原理分离水, 由于能耗很高, 实际中难 于应用。
非蒸发法的典型代表是水煤浆制造工艺, 也称 热水处理脱水法, 其原理如图 1 所示[2]。
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· 2 6· 煤 化 工 2002 年第 5 期
差比较悬殊的两种煤按一定比例混合, 得到各种杂 质含量都能满足燃烧和环保要求的混合煤, 然后用
注: ①黑龙江省自然科学基金资助项目。
于直接燃烧, 属纯物理过程, 不含任何化工工艺, 其
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方法无法脱出[2 ]。
2CO + 4H 2= (CH 3) 2O + H 2O
(3)
如上, 反应 (1) 得到的 CO 和 H 2 在进行燃料合
成时 H 2 的数量不足, 为此需要用甲烷的转化反应
作补充, 得到适量的 CO 和 H 2, 即让甲烷进行如下
反应:
CH 4+ H 2O = CO + 3H 2
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落下, 壳体带走的 FeS2 在适当的位置用水冲洗出壳 然气) 和固态 (煤炭) 变成了液态, 也方便了储存和运
体。
输。 尤其是在利用劣质煤时, 通过反应 (1) 将煤中的
以上几种净化方法都有一定的针对性, 因此应 根据劣质煤的种类正确选择合适的方法。
有用成分转化为气态 CO , 而灰分、硫分等杂质则被 清除, 使得原本不能利用或环境污染十分严重的劣
煤炭作为储量和消耗量都最大的常规能源, 在 国民经济中发挥着巨大的作用, 据有关资料介绍, 全 世界的煤炭储量足够人类开发利用 200 年以上, 但 一半以上都是劣质煤[1], 预计今后 70 年人类对煤的 需求量将增大 7 倍。显然, 劣质煤利用是不可回避的
无论是从世界范围、还是单从我国看, 劣质煤储 量占煤炭总储量的比例都很高, 能源对社会发展的 极端重要性, 以及常规能源的不可再生性, 都决定了 人类必须解决劣质煤的利用问题。 许多能源相对短 缺国家已经注意到这一问题, 并进行了研究开发工 作, 取得了一定的进展[1 ]。
(4)
这样, 利用甲烷和碳各 1 m o l 最终可以得到 2
m o l 甲醇或 1 m o l 二甲醚。 反应 (1)、(4) 是吸热反
应, 反应热以化学能形态贮存于生成物中, 燃烧时作
为燃烧热释放出来。 相当于液化前单独的天然气和
图 3 电磁脱硫装置原理示意图
煤炭的燃烧热加上液化时的反应热。 如果转化反应
示。它是利用煤中的灰一般带正电的特性, 让煤经过 1. 2. 3 脱硫法 煤中的硫有两种存在形式, 即存在
静电场, 受带负电的高压电场吸引作用, 从煤中分离 于煤的分子结构中的有机硫和存在于灰分中的无机
出来, 从而使煤与灰经过图中的滚筒后落在不同的 硫。 无机硫可通过洗选加工脱出。 有机硫必须通过
位置, 达到分离的目的。
1. 3 煤炭液化
质煤转化成清洁能源甲醇或二甲醚, 达到充分利用
煤炭液化分间接液化和直接液化两种, 间接液 劣质煤而又满足环保要求的目的[3]。
化是利用煤的气化反应生成合成气, 最终生产出甲
劣质煤直接液化是当今比较前沿的技术, 日本
醇或二甲醚液态燃料, 反应过程如下: C + H 2O = CO + H 2 ……………………… (1)