賈夢陽 JIA Meng-yang；邰世康 TAI Shi-kang

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083）

0 引言

中國富煤貧油少氣，是世界上少數(shù)以煤炭為主要能源的國家。煤炭產(chǎn)量從上世紀(jì)80年代超過10億噸后，一直穩(wěn)居世界第一。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展以及對能源需求的不斷增長，國內(nèi)優(yōu)質(zhì)煤的供應(yīng)日漸緊張，發(fā)展褐煤提質(zhì)的技術(shù)以及應(yīng)用可以緩解我國緊張用煤需求。

1 褐煤的特點

褐煤是礦化程度最低的礦產(chǎn)煤，煤質(zhì)特點是水分大、孔隙率達(dá)、揮發(fā)分高、不黏結(jié)、熱值低，含有不同數(shù)量的腐殖酸，含氧量在15%-30%左右，熱穩(wěn)定性差，易風(fēng)化不適合儲存以及長距離運(yùn)輸，直接燃燒不僅熱值低，而且污染環(huán)境，浪費(fèi)巨大。提質(zhì)后的褐煤，相比提質(zhì)前，水分可以下降70%左右，發(fā)熱量可提升6MJ/kg左右，表面性質(zhì)也會發(fā)生一定的改變，不僅有利于貯存和運(yùn)輸，而且有利于燃燒，發(fā)電，化工方面的使用，所以，提質(zhì)成為了褐煤較為環(huán)保并高效的利用方式。

2 褐煤提質(zhì)的技術(shù)現(xiàn)狀

褐煤提質(zhì)指的是在一定的溫度壓力條件下，脫除褐煤的水分，含氧官能團(tuán)以及多余的灰分，提高褐煤品質(zhì)的過程。提質(zhì)的方法主要有物理法和化學(xué)法，物理法的是將褐煤加熱或與高溫物質(zhì)，如熱煙氣、過熱蒸汽等，進(jìn)行換熱，脫除其中的水分和部分揮發(fā)分，提質(zhì)過程中煤體不發(fā)生化學(xué)變化。化學(xué)法是在較高的溫度下，在隔絕空氣（或在非氧化氣氛）條件下，褐煤發(fā)生熱解反應(yīng)，在脫除水分和大部分揮發(fā)分的同時，生成煤氣、焦油、粗苯和焦炭或半焦的過程。此過程中，褐煤煤體發(fā)生了焦化和熱分解等化學(xué)變化。

2.1 物理法

物理法指的是干燥脫水提質(zhì)，干燥法又分為兩類：蒸發(fā)脫水提質(zhì)，非蒸發(fā)脫水提質(zhì)。

2.1.1 蒸發(fā)脫水提質(zhì)

褐煤蒸發(fā)脫水技術(shù)是指在較低溫度下，通過使用過熱蒸汽、煙道氣或熱油為干燥介質(zhì)進(jìn)行脫水的一種褐煤脫水干燥方法，下面介紹幾種蒸發(fā)脫水提質(zhì)的方法。

2.1.1.1 回轉(zhuǎn)管式干燥工藝

該工藝適用于褐煤的輕度干燥，在常壓下褐煤在管式干燥器內(nèi)在低壓蒸汽的作用下被加熱到100℃左右，此時水分被蒸發(fā)出來，脫水后的空氣通過除塵器和煤粉分離開，一部分空氣進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯作為脫水介質(zhì)繼續(xù)循環(huán)，剩余的排入大氣。

此方法用于褐煤的快速、輕度干燥，但是干燥后不易長期儲存、運(yùn)輸，干燥后的褐煤復(fù)吸現(xiàn)象嚴(yán)重，另外此法尾氣排放量大，排空的粉塵較多，不環(huán)保且能耗大。

2.1.1.2 澤瑪克（ZEMAG）褐煤干燥成型提質(zhì)技術(shù)

ZEMAG技術(shù)工藝流程分為預(yù)制、干燥、破碎和成型。褐煤經(jīng)初步破碎處理后，進(jìn)入管式干燥機(jī)，干燥后的褐煤經(jīng)過進(jìn)一步破碎以達(dá)到成型工藝要求的粒度，最后壓縮成型。

該工藝采用低壓飽和蒸汽作為干燥介質(zhì)，運(yùn)行成本低，三廢排放少，具有較為成熟的運(yùn)行經(jīng)驗。

2.1.1.3 褐煤脫水熱壓提質(zhì)（HPU）

HPU技術(shù)是神華集團(tuán)與中國礦業(yè)大學(xué)（北京）共同研究的課題，具體的工藝流程是：

褐煤經(jīng)過備煤系統(tǒng)破碎之后在6.4MPa和150-350℃的循環(huán)流化床高溫?zé)煔鉅t中被加熱，通過粉煤直管式氣流干燥裝置，然后通過高壓對輥成型機(jī)擠壓成型。

此過程可脫去煤中80%左右的水分，同時發(fā)熱量可提高約20%，經(jīng)過熱壓作用，煤顆粒的孔隙減少，比表面積降低，而且煤分子的側(cè)鏈含氧官能團(tuán)如羧基，羥基，甲氧基等減少，一定程度上抑制了復(fù)吸作用。另外產(chǎn)出型煤的成型率較高，跌落試驗效果好，對其長距離運(yùn)輸和電廠燃用有一定的意義。

2.1.1.4 UBC褐煤提質(zhì)技術(shù)

UBC褐煤提質(zhì)技術(shù)的脫水介質(zhì)為再生油（通常是石油的輕油）和重油，脫水介質(zhì)和經(jīng)破碎處理過的褐煤混合成煤漿，然后再蒸發(fā)器中加熱，褐煤孔隙中的水分被蒸發(fā)，同時重油進(jìn)入到褐煤的孔隙中，一定程度上阻止了褐煤的復(fù)吸現(xiàn)象并降低了自燃反應(yīng)，在通過細(xì)頸盛水瓶回收煤漿中的油，之后用干燥機(jī)加熱脫除吸附在煤中的油，最后將提質(zhì)后的煤品壓縮成型。

UBC提質(zhì)技術(shù)應(yīng)用在印尼的Satui礦，經(jīng)過工業(yè)測試，體制后的褐煤發(fā)熱量可升高一倍以上，普遍提高到26.96MJ/kg以上，水分大幅減少，不過，提質(zhì)同時會造成一定量的油品浪費(fèi)。

2.1.1.5 BCB提質(zhì)技術(shù)

BCB提質(zhì)技術(shù)是由澳大利亞White能源公司研發(fā)的，具體的工藝流程為褐煤經(jīng)過充分破碎后（小于3mm）在干燥筒倉中被300-400℃的煙氣快速升溫至105-110℃，通過“閃蒸式烘干”脫除煤中的水分，再經(jīng)旋風(fēng)分離器捕集后壓縮成型，由于型煤在生產(chǎn)過程中會升溫，為避免自燃現(xiàn)象，常通過噴水對型煤進(jìn)行冷卻處理。

技術(shù)不改變煤的化學(xué)性質(zhì)以及焦化特性，加工成本低，但是由于冷卻過程又進(jìn)行噴水冷卻，所以脫水的效果不明顯。

2.1.1.6 Coldry“冷干”提質(zhì)工藝

澳大利亞亞太煤鋼公司提出的冷干提質(zhì)工藝，具體過程是：褐煤在設(shè)備中經(jīng)“剪切”作用打破煤的碳結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)煤的脫水過程，因為整個分離過程在20℃-30℃下進(jìn)行，所以稱為“冷干”。破碎之后的煤，經(jīng)過成型作用，形成煤條，之后自然斷裂成為棒狀的型煤，經(jīng)過傳輸過程的吹風(fēng)冷卻，以及自然硬化作用之后，經(jīng)過將近兩天的蒸汽干燥就可獲得最終的型煤產(chǎn)品。

此工藝提質(zhì)之后可將含水量約60%的褐煤制成水分為8%～14%的型煤，其發(fā)熱量也能達(dá)到煙煤的水平，這種先通過機(jī)械排水，然后烘干，能耗較低，排水效較好。但是目前澳大利亞亞太煤鋼公司只有一條5t/h的試驗線，處理量過小，而且處理時間過長。

2.1.1.7 熱壓脫水工藝（MTE）

由德國多特蒙德大學(xué)研發(fā)的MTE熱壓脫水工藝與“冷干”工藝類似，不過該法綜合了熱脫水以及機(jī)械脫水的方法，在220℃的條件下進(jìn)行機(jī)械脫水，壓縮成型后的型煤采用連續(xù)閃蒸的工藝，能夠較好地脫水。

2.1.2 非蒸發(fā)脫水提質(zhì)

非蒸發(fā)脫水技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型褐煤干燥技術(shù)，該技術(shù)是在一定溫度和壓力，以及隔絕空氣的條件下，將褐煤與高溫高壓的水蒸氣和溶劑直接接觸，褐煤內(nèi)的水分呈液態(tài)脫出，不需蒸發(fā)潛熱，熱效率高，同時減少了溫室氣體的排放。

2.1.2.1 K-Fuel提質(zhì)技術(shù)

K-Fuel提質(zhì)技術(shù)是由美國KFx公司在上世紀(jì)80年代開發(fā)的技術(shù)，具體的提質(zhì)過程是：

褐煤經(jīng)過破碎篩分至6-80mm后，進(jìn)入間歇式壓力容器，在壓力和溫度分別為大約3.7MPa和238℃條件下反應(yīng)一段時間，這段過程，褐煤的內(nèi)水蒸發(fā)，一些含氧官能團(tuán)被分解，煤粒的表面性質(zhì)發(fā)生改變，親水性降低，復(fù)吸現(xiàn)象得到控制，排出的物料通過固液分離得到提質(zhì)的褐煤。目前，K-Fuel提質(zhì)技術(shù)已經(jīng)工業(yè)應(yīng)用。

該技術(shù)可將褐煤中的水分降低一半以上，熱值也有大幅提升，缺點是處理過程為間歇處理，處理量小，能耗相對較大，由于處理的煤的粒級為6-80mm，對細(xì)粒煤需要專門回收。

2.1.2.2 D-K脫水工藝

日本電源開發(fā)公司和川崎重工公司開發(fā)了D-K非蒸發(fā)脫水工藝，實現(xiàn)褐煤水分在非蒸發(fā)條件下加熱，使水分以液體狀態(tài)從褐煤中脫出，其煤質(zhì)變化類似天然的煤化作用。整套裝置有4臺壓力釜，可實現(xiàn)半連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，壓力釜之間排出的蒸汽和熱水可進(jìn)行回收。

D-K脫水提質(zhì)工藝過程類似于天然的煤化作用，褐煤經(jīng)過破碎處理后在4臺壓力釜中實現(xiàn)半連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 化學(xué)法

2.2.1 褐煤熱解提質(zhì)技術(shù)

熱解提質(zhì)按照熱解溫度可分為低溫（500-600℃）熱解和中溫（600-800℃）熱解；根據(jù)供熱介質(zhì)不同，熱解提質(zhì)技術(shù)又可分為氣相熱載體熱解技術(shù)、固相熱載體熱解技術(shù)，以及其他特殊的熱解技術(shù)。

2.2.1.1 L-S低溫?zé)峤夥?/p>

德國Lurqi-GmbH公司開發(fā)的Lurgi-Spueigas（L-S）低溫?zé)峤夤に嚪ú捎玫氖莾?nèi)熱式氣體載體工藝，具體的流程是：

褐煤經(jīng)破碎到25-60mm之后，自上而下通入到熱解爐中，在爐中和燃燒氣逆流直接接觸受熱，此過程可脫去大部分的水，脫水之后，物料進(jìn)入到熱解爐的干餾段發(fā)生熱解，物料被高溫?zé)釟饧訜嶂?00℃，生成的半焦經(jīng)過冷卻后作為固體產(chǎn)物，干餾段的揮發(fā)物經(jīng)冷凝冷卻之后得到焦油以及熱解水。

熱解法脫水效果好，生成焦油，半焦多種產(chǎn)品，利于煤炭的綜合利用，但是該方法采用氣相載體熱解技術(shù)，增加了冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷，另外揮發(fā)物和熱解煙氣分離困難。

2.2.1.2 Toscoal低溫?zé)峤夤に?/p>

Toscoal低溫?zé)峤夤に囀敲绹晚搸r公司和Rocky Flats基于油頁巖干流工藝改進(jìn)的，具體流程是：

褐煤經(jīng)過粉碎（小于12.7mm）后用瓷球加熱器的熱煙道氣加熱，之后進(jìn)入熱解轉(zhuǎn)爐與熱瓷球碰撞接觸發(fā)生熱解，常用的干餾溫度為430-540℃，產(chǎn)生半焦和揮發(fā)物，半焦通過篩子與瓷球分離，揮發(fā)物分離凈化后部分作為燃料返回?zé)峤鉅t。

該方法的干餾溫度以及產(chǎn)品分布較易控制，但是設(shè)備復(fù)雜，維修量大。

2.2.2 ENCOAL提質(zhì)技術(shù)

美國褐煤提質(zhì)技ENCOAL提質(zhì)技術(shù)，具體的工藝流程是：

褐煤被破碎到3-50mm，然后送入旋轉(zhuǎn)爐干燥器在一定條件下（溫度和處理時間）進(jìn)行干燥脫水，干燥之后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯熱解器進(jìn)行熱解，用熱循環(huán)器將窯內(nèi)溫度升高到550℃左右，通過快速冷凝熱解，得到過程衍生產(chǎn)物半焦和焦油，熱解生成的氣體在燃燒室內(nèi)燃燒，為熱解過程提供熱量。

該技術(shù)在1992年由美國殼牌采礦公司建廠并試運(yùn)營成功，處理量可達(dá)1000t/d。工藝脫水體制效果好，處理量大，但是對于氣體產(chǎn)物不能進(jìn)行很好的回收。

2.2.3 流化床快速熱解工藝

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院（CSIRO）研究開發(fā)了流化床快速熱解工藝，具體的工藝流程是：

褐煤經(jīng)過破碎制粉后和無氧氣體（通常為氮?dú)猓﹪娙肓骰矡岱磻?yīng)爐，與反應(yīng)器底部進(jìn)入的液化石油氣燃燒產(chǎn)生的煙氣接觸反應(yīng)，煤粉在熱解爐中快速熱解（停留時間小于0.5s），離開反應(yīng)器的氣體通過溫度約350℃的高效旋風(fēng)分離器使大量半焦分離出來，氣體則經(jīng)過冷卻器進(jìn)入約80℃的電捕焦油器，產(chǎn)物經(jīng)分離、冷卻后得到半焦、焦油、熱解氣等。

2.2.4 多段回轉(zhuǎn)爐（MRF）熱解工藝

中國研究煤炭熱解技術(shù)中，比較典型的技術(shù)有煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工分院開發(fā)的多段回轉(zhuǎn)爐（MRF）熱解工藝，具體的工藝流程為：

將粒度為6-30mm的褐煤在回轉(zhuǎn)干燥器中干燥后進(jìn)入外熱式回轉(zhuǎn)熱解爐中進(jìn)行低溫?zé)峤?，所得產(chǎn)品在冷卻爐中用水冷卻熄焦后得到提質(zhì)半焦產(chǎn)品，由熱解爐排出的熱解氣體經(jīng)過冷卻分離回收進(jìn)一步處理利用。

2.2.5 褐煤固體熱載體干餾多聯(lián)產(chǎn)（DG）工藝

大連理工大學(xué)開發(fā)的DG工藝是將褐煤通過與熱載體（通常為半焦）快速混合加熱使其熱解而得到輕質(zhì)油品、煤氣和半焦的技術(shù)。

DG法主要優(yōu)點是焦油產(chǎn)率高，干餾煤氣熱值高，生產(chǎn)不需純氧，產(chǎn)生的廢水量小。目前，建立年處理85萬t褐煤固體熱載體快速熱解技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)示范工程的技術(shù)條件已經(jīng)成熟。

3 煤提質(zhì)技術(shù)的展望

近些年，又出現(xiàn)了很多的新興提質(zhì)技術(shù)，以褐煤的微波提質(zhì)技術(shù)為例，微波脫提質(zhì)技術(shù)的原理是微波的加熱具有選擇性，會優(yōu)先被介電損耗系數(shù)高的物質(zhì)吸收，而水的節(jié)點損耗系數(shù)相對高于其他物質(zhì)，因此水分子對微波有較強(qiáng)的吸收作用，所以可以用微波深入穿透煤炭，利用微波的加熱作用進(jìn)行脫水。

該方法可以減小煤顆粒的孔隙，微波處理后，親水官能團(tuán)含量降低，可以一定程度上降低褐煤的復(fù)吸以及自燃現(xiàn)象，同時比干燥提質(zhì)技術(shù)能耗低并且不消耗任何脫水介質(zhì)。

另外，許多褐煤提質(zhì)技術(shù)還處于實驗研究階段，不能夠工業(yè)化應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)不能有效地模擬實驗室環(huán)境導(dǎo)致達(dá)不到實驗室研究效果，提質(zhì)過程無法進(jìn)行細(xì)致的計算機(jī)模擬對比，這是制約褐煤提質(zhì)技術(shù)應(yīng)用的難題之一，隨著能源的戰(zhàn)略意義日益凸顯，褐煤提質(zhì)的工業(yè)化應(yīng)用將會是近幾年的發(fā)展方向。

4 總結(jié)

隨著優(yōu)質(zhì)煤種數(shù)量的減少，相對豐富的褐煤就越來越受到人們的重視，但是由于褐煤高水、高灰、低發(fā)熱量、易自燃等原因，使其不易直接洗選加工并長途運(yùn)輸利用，所以褐煤提質(zhì)技術(shù)就越來越重要，我國的褐煤提質(zhì)技術(shù)取得了一定的成就，我們可以借鑒國外的先進(jìn)提質(zhì)技術(shù)，結(jié)合我國褐煤的具體性質(zhì)，進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，進(jìn)而推進(jìn)我國褐煤提質(zhì)技術(shù)的發(fā)展，同時更加高效的利用褐煤資源，推進(jìn)能源的高效利用。

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