褐煤干燥技术

褐煤干燥技术
0 引言
褐煤(Lignite，也译作Brown coal)一种介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色的低级煤。

褐煤是煤化程度最低的煤种，为泥炭在适度的压力下转变而成，煤化程度介于泥炭和烟煤之间，含水量高，在空气中易风化。

褐煤中含一定量的原生腐殖酸，碳含量低，氧含量高，氢含量变化大，其中的挥发分一般在45%-55%。

根据国际地质学家预测：全世界硬煤(包括烟煤和无烟煤)地质储量约为6万亿吨，占煤炭总储量的60%强；褐煤地质储量约为4万亿吨，占煤炭储量的40%弱。

褐煤资源又分为硬褐煤和软褐煤(俗称土状褐煤)两大类，其中硬褐煤主要分布在欧洲地区，其次为亚洲和北美洲。

按国家来说，美国、俄罗斯和中国三国的硬褐煤储量最多，分别为900多亿吨、800余亿吨和400亿吨以上。

我国已探明的褐煤保有储量达1303亿吨，约占全国煤炭储量的13%。

从我国褐煤的形成时代来看，以中生界侏罗纪褐煤储量的比例最多，约占全国褐煤储量的4/5，主要分布在内蒙古东部与东北三省紧密相连的东三盟地区。

新生代第三纪褐煤资源约占全国褐煤储量的1/5左右，主要赋存在云南省境内。

褐煤因其热值低、易风化、含水量高，易自燃，而给其储存、运输、燃烧等方面带来了许多困难。

褐煤自身的特点决定了其不宜作长期储存或长途运输；而当锅炉燃烧水分高的褐煤将导致火焰温度降低，热效率下降；当电厂使用水分高的褐煤，需要采用更大的更昂贵的锅炉才可以显著减少或避免电厂额定出力降低。

可见褐煤不经过提质加工既不利于运输和贮存，也难以满足多种用户对煤的质量要求，严重影响了褐煤资源的直接利用。

因此，对褐煤进行提质，降低水分，提高发热量，增强适用性，对建设资源节约型社会，保证国民经济的可持续发展，具有重要的理论和实际意义。

褐煤干燥后，其成分和性质趋近于烟煤，更有利于运输、贮存和利用。

1 现有的褐煤加工技术
1.1 国外褐煤加工技术
国外褐煤加工利用技术开发比较早，典型的国家有德国、俄罗斯、澳大利亚、日本和美国等国家，代表性的技术有：
(1)德国的管式干燥器褐煤型煤技术。

(2)俄罗斯开发的褐煤和重油渣加工为有机粘合材料的工艺以及褐煤加氢液化工艺。

(3)澳大利亚的褐煤干燥脱水提质技术，如：HRL和BCB技术等。

(4)日本的一种添加生物质粘结剂的粉煤成型工艺、D-K褐煤脱水工艺等等。

(5)美国的“K燃料工艺”(K–Fuel Process)。

1.2 国内褐煤加工技术
鉴于褐煤加工利用的广阔发展前景，国内很多高校、科研单位和企业也纷纷开发褐煤加工利用技术，比较代表性的技术有：
(1)褐煤固体热载体干馏多联产技术。

(2)褐煤多段回转炉热解技术。

(3)褐煤循环流化床热电多联产技术。

(4)黑龙江科技学院开发的褐煤热水干燥技术。

(5)神华集团与中国矿业大学(北京)联合开发的HPU技术。

目前,该技术已经在内蒙的宝日希勒建厂。

2 褐煤干燥工艺
煤的干燥脱水技术很多，大致可以分为机械脱水、蒸发脱水和非蒸发脱水3大类。

其中机械脱水技术在选煤厂已广泛应用，但其处理能力和脱水效率尚难适应褐煤脱水的要求。

蒸发脱水法可以降低褐煤的水分，提高褐煤的热值，但简单的蒸发脱水难以改变褐煤的物理化学结构，不能解决其易自燃和重新吸水等难题，可以作为炉前脱水技术使用。

非蒸发脱水提质技术是将褐煤与高温高压蒸汽直接接触，使水分呈液态脱出，不需要蒸发潜热，热效率高。

褐煤受高温高压作用的影响，其组成和性质会发生相应的变化，变化趋势类似于煤化程度的增强。

目前众多国家都在开发非蒸发脱水技术。

2.1 机械脱水工艺
机械脱水指筛分脱水、离心脱水、过滤(压滤)脱水等,借鉴了洗煤厂中精煤的脱水工艺和设备，如浓缩机、振动网筛、圆盘过滤机等。

由于褐煤内在水分高,其处理能力和脱水效率尚难适应褐煤脱水的要求,只能脱除外表水及很少的毛细水,机械脱水的效果较差,难以适应褐煤脱水的要求。

2.2 蒸发干燥技术
在蒸发干燥工艺过程中，水的脱除是通过直接或间接地把相当于水蒸发潜热的热量加到煤样上，使水以汽态的形式除去。

蒸发干燥的一个缺点是需要大量的能量来蒸发水分，在有些情况下，高达25%煤的能量用来蒸发水分，从而使得获得每一单位能量需要释放更多的CO2。

然而，在一些产生相对纯净废热蒸汽的干燥工艺中，蒸汽重新压缩和冷凝可以回收大部分的蒸发热。

干燥后的煤样通常需要在线使用，因为自燃和灰尘爆炸的安全问题给储存和使用干褐煤造成很大的困难。

如果确实需要大量储存或长距离运输，干燥后的煤样需要通过某种方式做成型煤，以便于安全运输、储存和使用。

蒸发干燥技术有许多种，主要包括热风转筒干燥、蒸汽流化床干燥、加压热气流干燥、热油干燥、微波干燥、太阳能干燥、管式干燥技术、蒸汽空气联合干燥技术等。

(1)热风转筒干燥-直接加热法
转筒干燥器的主体是略带倾斜并能回转的圆筒体。

湿煤样从一端上部加入，经过圆筒内部时，与通过筒内的热风或加热壁面进行有效的接触而被干燥，干燥后的产品从另一端下部收集。

在干燥过程中，物料借助圆筒的缓慢转动，在重力的作用下从较高的一端向较低一端移动。

筒体内壁装有顺向抄板，它不断地把物料抄起又洒下，使物料的热接触表面增大，以提高干燥速率并促使物料向前移动。

干燥过程中所用的热载体一般为热空气或热烟气，经过干燥器后，通常用旋风分离器将气体中携带的细粒物料捕集下来，废气则经过旋风分离器放空。

热风转筒干燥的优点是生产能力大，结构简单，操作方便。

最大的缺点是在启动和关闭时，当空气接触到热煤时，容易发生起火和爆炸。

澳大利亚电力委员会(SECV)第一个中试厂1925年在H.Herman博士指导下，在NewPort建立一个气流转筒干燥器，12个月后，这个项目最终由于干燥厂的起火和爆炸，以及在产品运输和储存过程中自燃等顾虑而关闭
图1热风转筒干燥工艺系统图2 流化床褐煤干燥工艺
(2)蒸汽流化床干燥技术(DWT)-物理蒸发干燥技术-直接加热法
在流化床干燥机内(见图2)，蒸汽不仅能作为干燥介质而且还作为流化介质。

因此，干燥蒸发的蒸汽是不含空气和其他杂物的，可通过以下方法进一步利用。

如：蒸发的水分经过再循环作为流化介质进入了流化床；利用它凝结时所放出的汽化潜热；将它压缩成为过热蒸汽。

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现象。

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。

(3)加压热气流干燥-物理蒸发干燥技术
这项技术源于整体干燥气化联合循环(IDGCC)项目，它将湿煤通过锁式料斗注入从气化炉出来的高压热气流中进行干燥。

这些技术提供了一种可以与其他高压过程，如褐煤的气化和高压流化床燃烧结合在一起的低费用预干燥技术。

与独立使用的干燥器相比，干燥工厂的简单使得费用大为降低。

这项干燥技术己被提出作为重新改造现有褐煤锅炉的一个选择。

(4)热油干燥-物理蒸发干燥技术-直接干燥法
热油干燥技术早在1926年，许多工艺开发者就选择热油作为干燥介质。

美国第四代洁净煤计划也选择了热油干燥用于碳化技术的工艺，并将在一座年产25万t的工厂进行验证。

在两个阶段的碳化工艺中，原煤首先在热油中进行干燥。

大部分油在第二阶段的烟气分离装置中回收再利用，小部分油被吸收用于增加产品的稳定性和热值。

日本神户制钢采用将印尼褐煤与煤焦油混合后，在回转圆筒中加热，使水分蒸发后降到10%左右，然后再将油提取出来。

部分煤焦油吸附到煤的表面，一方面可以防止煤的氧化和自燃，同时也增加了其热值，估计提质后其热值可以达到6500kcal/kg。

(5)微波干燥-物理蒸发干燥技术
微波加热的原理是：当有极分子电介质和无极分子电介质置于微波电磁场中时，介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列，并随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动，分子要随着不断变化的高频电场的方向重新排列，就必须克服分子原有的热运动和分子相互间作用的干扰和阻碍，产生类似于摩擦的作用，实现分子水平的“搅拌”，从而产生大量的热。

可见微波加热与常规加热是两种迥然不同的加热方法。

微波加热是一种“冷热源”，它在产生和接触到物体时，不是一股热气，而是电磁能。

它加热具有即时性、整体性、选择性和能量利用高效性。

而且相对于传统加热方式，微波加热还有安全、卫生、无污染的突出优点。

国外用微波干燥褐煤的尝试没有成功，尽管它可以用于快速干燥实验室的煤样。

毫无疑问微波可以提供能量来干燥煤，但在过度干燥的情况下有潜在的着火风险，这也导致了澳大
利亚新南威尔士洲南部一个商业微波泥煤干燥厂的关闭。

(6)太阳能干燥-物理蒸发干燥技术
当煤直接暴露于太阳光下和未饱和的空气中，煤可以一直干燥到与空气湿度保持平衡的水分含量。

太阳能干燥工艺需要将煤湿磨成一种可以泵送的煤浆，然后在一个裸露的池塘中干燥，以生产一种致密块煤产品阵。

该工艺需要的土地面积大，而且生产也与季节和气候条件密切相关。

由于该项技术适合劳动力比较便宜和干旱的褐煤矿区，因此很难推广。

(7)管式干燥技术-物理蒸发干燥技术-间接加热干燥工艺-低温干燥
图3为一回转窑系统，但在鼓形体里有一个多管系统，鼓体稍微倾斜。

原煤连续不断地从上方送入干燥机管里，当鼓体旋转时!煤不停地输送到出口。

水分干燥所需的热量由多管系统内的低压蒸汽提供，低压蒸汽沿着鼓体的轴向入内，并迅速向管外表面扩散。

和煤一起进入机体内的空气，吸收了水分以后，在除尘器里和干煤粉分离，一部分重新压缩进入干燥机，另一部分就被排入大气。

我国有单位曾经想从德国购买此类系统，用于寒冷地区煤炭的干燥。

图3 蒸汽管式干燥机图4 蒸汽空气联合干燥技术
(8)蒸汽空气联合干燥技术-物理蒸发干燥技术-直接干燥
此法为燃烧美国Power River Basin 的发电厂在近年开发的一种集成干燥技术。

它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4，空气被热循环水加热到,43℃后作为流化床干燥器的流化介质。

同时49℃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的排放下降明显,。

以实验电厂为例，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%。

总体来统计，厂用电率降低了3.8%，可见效果十分显著。

(9)气流床干燥技术(BCB)-物理蒸发干燥方式
近年来，澳大利亚怀特公司开发了气流床干燥工艺。

其BCB工艺流程如图5所示，将高水分煤破碎到一定粒度，利用燃气产生的高温烟气使其在输送床中干燥，干燥后的低水分煤采用无粘结剂成型BCB技术挤压成型，以便运输。

气汽床干燥技术改善了流化床蒸汽干燥工艺的水耗问题，但电耗较高的问题仍然存在。

干燥后的低水分煤粒度较小，必须加工成型后才能远距离运输。

图5 澳大利亚BCB工艺流程图6 振动混流工艺流程
(10)振动床干燥工艺-物理蒸发干燥方式
唐山神州机械厂开发的振动混流干燥系统如图6所示，其工艺流程为：高水分物料从顶部进入干燥器后在多层干燥床作用下分散形成物料长龙，一部分粒度小于床孔的细物料穿过床孔垂直下落，大部分粗粒物料在振动状态下形成振动疏松料层沿床面水平移动，移至端部洒落到下一层干燥床上。

低温大流量热风分为垂直气流和水平气流，垂直气流借鉴流化床干燥原理，在穿越物料的过程中与物料充分地、高强度地接触，将物料干燥。

气流在水平方向之间变速流动并与洒落物料接触将物料干燥。

在干燥器内既有物料的垂直流动，又有物料的水平流动；热风与物料之间既有垂直方向的逆流，又有水平方向的逆流，形成特有的混流干燥作用。

粗细物料与热风在混流过程中经多次混合-分离-再混合-再分离的过程被均匀干燥，大部分物料从干燥器的底部输出，极小部分细物料随气流进入除尘器，除尘器分离出的物料作为产品回收。

设备干燥面积和时间可以根据去水率调整，低温干燥后煤炭不产生化学变化，保持了褐煤的燃烧优势。

干燥器立式结构，占地面积小。

采用特种防护措施，具有良好的防腐、防火、防爆性能。

工艺简单、操作方便、处理量大(单套设备最大处理能力可达200～400t/h)、易于工业化和大型化。

其主要缺陷在于脱水率不高。

在此基础上，最近出现了顺流振动床干燥工艺，进一步提高了唐山神州机械厂的振动混流干燥的干燥效果。

(11)床混式干燥机BMD
这种技术最初的想法是想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7，过热蒸汽高速进入干燥管底部，从流化床分出的一股热床料流在干燥机燃料入口前就立即同过热蒸汽混合。

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7 床混式干燥机BMD 图8 过热蒸汽干燥技术流程图
(12)过热蒸汽干燥技术(SFCU)
工艺流程见图8所示，过热蒸汽干燥技术是利用褐煤内水分蒸发所形成的过热蒸汽为与褐煤接触的流化工质，通过再热器或流化床内置换热器间接提供干燥所需要的能量。

系统闭路循环，全部为惰性无氧气氛。

干燥所产生的褐煤内水分蒸发所形成的过热蒸汽被排出系统后，可以回收全部干燥所共给的热量，蒸汽消耗只有常规间接蒸汽回转干燥机的20%, 热效率大大提高。

2.3 非蒸发干燥技术
非蒸发脱水工艺是将水从煤中以液态形式脱除，其主要优点是节省了水的蒸发潜热，并减少了温室气体的排放;同时一部分可溶性无机欲(尤其是钠)随着液态水排出而脱除，因此降低了灰分在锅炉受热面上的沉积。

非蒸发脱水技术主要包括热水干燥和热机械脱水技术。

(1)热水干燥技术-非蒸发脱水提质技术-直接干燥法
热水干燥方式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，使处于高温高压热水中的褐煤的水分会以液态形式排出。

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。

由于生成的煤焦油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。

褐煤的热水干燥原理图见图9所示。

热水干燥褐煤技术具有如下特点:
a 褐煤水分降至11%以下，并可以保证以后的运输、贮存环节不再吸收空气中的水分。

b 干燥过程中，去掉煤分子中的含氧侧链，相对提高了煤中碳的含量，发热量也有较大的提高(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。

c 干燥后的褐煤不需要加添加剂，其稳定性和流变特性优于烟煤。

热水干燥后，褐煤仍保留其反应活性好、易燃且燃烧完全的特点。

图9 褐煤的热水干燥原理图图10 热机械脱水MTE
(2)热机械脱水MTE-非蒸发脱水提质技术-间接干燥法
根据煤中吸附水仅一小部分的原理，一种叫热机械脱水MTE的液固分离过程用于对高水分低阶煤的干燥中，MTE过程如图10所示。

该工艺过程由德国多特蒙德大学Strauss等研究开发，该过程综合了热法脱水和机械力脱水的优点，将褐煤加热到不大于220℃的条件下，通过机械挤压将水挤出。

该工艺过程分为四个阶段：①用工艺热水预热；②过热蒸汽加热；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释放所有的热量，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。

相对其它热法或机械脱水法，热压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；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。

同时，该过程对一些金属离子如Na、Ca、Fe、S等具有一定的脱除作用，实验结果表明，可溶离子大部分可同时得到脱除。

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。

(3)日本D-K非蒸发脱水工艺-非蒸发脱水提质技术
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(图11)。

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11 日本D-K非蒸发脱水工艺图12 日本UBC工艺流程
(4)日本UBC轻油法脱水成型工艺-非蒸发脱水提质技术
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，工艺流程见图12。

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，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。

(5)美国K-Fuel高压釜蒸汽干燥工艺-非蒸发脱水提质技术-高温高压-压力容器
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。

煤经粉碎后，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13 美国K-Fuel高压釜蒸汽干燥工艺
(6)液化二甲醚固体脱水法
该法为日本中央电力工业研究所正在开发的一种脱水技术，使用该技术干燥褐煤或煤泥时，所需能量是传统热脱水方法的50%。

该技术使用液化的二甲醚(DME)为脱水剂，利用了DME低沸点(-24.8℃)、易通过压缩液化、与水互溶、无毒、易渗透进入固体材料且对环境无害的优点。

而且，由于中国正在建设大规模的DME项目，预期将来DME的价格将比液化石油气低。

在该工艺中，固体原料与液化的DME在36℃、0.78MPa的条件下混合，水被快速地从固体中抽提出来形成饱和溶液，用过滤的方法将干燥的固体与液相分离；在25℃、0.53MPa的条件下闪蒸液相回收DME，水留在塔底，DME蒸汽被压缩到0.78MPa进行液化，再重新加热到36℃(用闪蒸出的DME蒸汽加热)并循环使用。

该技术已用1kg含水53%的褐煤进行验证，褐煤中水含量降低到了5%以下，DME的残留量约为1%。

该技术也可将下水道污泥中的水含量降低到30%左右。

规模瓶颈将是该方法工业化的最大障碍。

(7)亚太煤钢公司的“冷干”工艺
澳大利亚亚太煤钢公司的“冷干(Col dry)”工艺可将含水量为60%的褐煤制成含水为8%～14%的棒状型煤，目前拥有1条5t/h的试验线。

在专用设备中用“剪切”原理打破褐煤的碳结构，使煤发生变化，在20～30℃实现煤水分离，然后施加压力，挤出蠕状煤条，硬化后，再送入大型漏斗状干燥器，经蒸汽干燥48 h 后连续排出，制成型煤产品。

该工艺的特点是先机械排水，然后烘干，能耗相对较低，但专用设备的大型化还有待解决。

(8)热脱水工艺-直接加热法
热源为过热蒸汽，工艺过程温度约为235℃，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汽压之上，一般约为3MPa。

该工艺过程将水在液态下移除，同时工艺过程废热蒸汽可分级使用，热能能够得到回收利用，能耗较低。

另外，由于过程原料煤细。