張大洲，盧文新，陳風(fēng)敬，夏吳，左靜，王志剛，商寬祥（中國五環(huán)工程有限公司國家能源低階煤綜合利用研發(fā)中心，湖北 武漢 430223）

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褐煤干燥水分回收利用及其研究進(jìn)展

張大洲，盧文新，陳風(fēng)敬，夏吳，左靜，王志剛，商寬祥
（中國五環(huán)工程有限公司國家能源低階煤綜合利用研發(fā)中心，湖北 武漢 430223）

摘要：褐煤干燥提質(zhì)過程中的水資源化回收利用工藝技術(shù)可以提高煤階并回收寶貴的水資源，降低干燥提質(zhì)單元能耗。本文從介紹褐煤中水的存在形態(tài)出發(fā)，圍繞煙氣直接干燥、蒸汽流化床干燥、微波干燥、機(jī)械熱壓脫水干燥等工藝綜述了近年來干燥水回收利用的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展，討論分析了褐煤干燥與水回收利用工藝的選擇原則。在回收褐煤中豐富的水資源時(shí)，除了單純考慮回收褐煤中的水資源，還應(yīng)權(quán)衡褐煤干燥工藝、干燥溫度和干燥介質(zhì)、干燥水蒸氣的余熱利用方式以及干燥工藝上下游間的銜接等因素?；谀壳昂置嘿Y源的主要用途，將干燥尾氣采用換熱技術(shù)回收低溫余熱和干燥冷凝水直接凈化處理后的二次回用技術(shù)將是以后的重要研究和應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：褐煤；干燥脫水；水回收；余熱回收；干燥工藝

第一作者及聯(lián)系人：張大洲（1987—），男，博士，工程師，目前從事低階煤干燥提質(zhì)及煤化工催化劑相關(guān)的技術(shù)開發(fā)工作。E-mail zhangdazhou@cwcec.com。

褐煤是一種高水分、低熱值且利用率相對較低的年輕煤質(zhì)。在我國已經(jīng)探明的煤炭儲量中褐煤占13%以上，達(dá)1300多億噸[1]。目前，煤炭依然是我國的主要能源，大約占一次能源消費(fèi)總量的70%，而且在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中仍將占主導(dǎo)地位。

隨著我國褐煤用量的增加以及節(jié)能環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，褐煤的高效、清潔利用顯得日益重要。由于褐煤煤化程度低，內(nèi)水豐富，全水分高達(dá)20%～50%[2]，因此若將褐煤直接燃燒會有大量熱量浪費(fèi)在水分蒸發(fā)上，導(dǎo)致燃燒效率較低，增加了鍋爐的能耗和使用成本；水分的存在還會影響煤的氣力輸送、氣化等使用過程，導(dǎo)致煤的轉(zhuǎn)化利用效率降低；從褐煤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上考慮，由于煤化程度較低，化學(xué)反應(yīng)活性高，易風(fēng)化、自燃，使其不能長期儲存或遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，降低了銷售半徑[3]。因此，為了提高褐煤的能量利用效率和水平，采用干燥脫水處理高含水褐煤成為國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點(diǎn)。

將褐煤干燥過程所產(chǎn)的水蒸氣有效地回收利用，可顯著緩解現(xiàn)代煤化工發(fā)展與水資源缺乏的矛盾，尤其是在干旱缺水的地區(qū)[4]，同時(shí)在環(huán)保方面也可以降低尾氣脫硫等單元的處理能力。在我國煤資源豐富的地區(qū)水資源相對匱乏，生態(tài)環(huán)境也比較脆弱，而干燥提質(zhì)后的含水蒸氣尾氣一般與空氣或廢氣混合后直接排入大氣，造成能量和水資源的浪費(fèi)。因此，積極開發(fā)褐煤干燥水回收利用的工藝系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義，這也符合我國的節(jié)能減排政策和當(dāng)前潔凈煤轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展方向。

1 褐煤中水的存在形態(tài)

根據(jù)褐煤中水的存在形態(tài)，可將褐煤中的水分可以分為兩類[5-7]：游離水（內(nèi)在水、外在水）和化合水（分解水、結(jié)晶水）。游離水是物理吸附在顆粒外表面或顆粒孔道內(nèi)表面上的游離態(tài)水。對于吸附在顆粒外表面的外在水，在煤的開采、儲存、運(yùn)輸過程中會向環(huán)境中蒸發(fā)釋放水蒸氣，直至顆粒表面的水汽分壓與環(huán)境濕度平衡；對于吸附在顆粒毛細(xì)孔中的內(nèi)在水，大都是植物經(jīng)過成煤過程后殘留在煤內(nèi)部孔隙中的水分，由于毛細(xì)微孔的作用，這部分水分通常在一定的處理溫度和壓力下并持續(xù)一段時(shí)間后才能蒸發(fā)除去。化合水又分為分解水和結(jié)晶水，分解水是通過煤炭高溫?zé)峤馓幚砩傻乃Y(jié)晶水是指以化合形式與煤中礦物質(zhì)相結(jié)合的水。

由于褐煤本身具有復(fù)雜的微孔介孔等孔隙結(jié)構(gòu)，這些孔具有較強(qiáng)的固水能力，使得水分子儲存在這些孔道中并形成具有不同尺寸的簇狀聚集體，而不同孔道尺寸內(nèi)水分子的脫除能力不同，基于此又可將褐煤中的水分為以下五類[5，8]：①褐煤顆粒的微孔和微孔孔道內(nèi)的孔內(nèi)吸附水（interior adsorption water）；②與褐煤顆粒相鄰但僅存在于顆粒表面的表面吸附水（surface adsorption water）；③位于褐煤毛細(xì)管內(nèi)的毛管水（capillary water）；④位于褐煤顆粒間小狹縫內(nèi)的顆粒間水（interparticle water）；⑤褐煤顆?；蝾w粒聚集體表面形成的黏結(jié)水（adhesion water），這種水在褐煤表面呈薄膜狀，具體分布如圖1所示。對于顆粒間水，采用傳統(tǒng)的機(jī)械脫水法即可脫除，脫除過程相對比較容易。但對于孔內(nèi)吸附水，尤其是褐煤毛細(xì)孔道結(jié)構(gòu)中的水分，由于微孔孔道對水分子間的束縛作用較強(qiáng)，靠簡單的機(jī)械分離無法分離，可以通過減少顆粒尺寸暴露其中的水分或通過提高處理溫度的方法脫除，此外，通過施加足夠的外加壓力也可以脫除微小毛細(xì)孔道中的水分。因此，褐煤中水的存在形態(tài)及分布會影響褐煤水分的脫除速率、干燥處理?xiàng)l件以及脫水能耗，進(jìn)而會間接影響干燥水的資源化回收利用工藝。

圖1 褐煤中水的分類示意圖

2 褐煤干燥水資源化回收利用工藝

目前，比較成熟的褐煤干燥脫水工藝主要包括以轉(zhuǎn)筒式干燥、管式干燥、振動混流干燥、流化床干燥、氣流床干燥等工藝為代表的蒸發(fā)干燥，以及以熱力脫水、機(jī)械熱壓脫水等為代表的非蒸發(fā)干燥工藝[1，8]。干燥脫水工藝不同，干燥后的尾氣雜質(zhì)含量、水含量等均有所不同，相應(yīng)的水回收利用方式也不同。蒸發(fā)干燥后尾氣溫度一般處于100℃以上，其中除了干燥水之外，還可能含有CO、CO2等不凝組分。通過將干燥尾氣溫度降低至尾氣水露點(diǎn)溫度以下，回收余熱及釋放出的過熱態(tài)水蒸氣中的潛熱，同時(shí)將凝結(jié)的回收水經(jīng)過處理后實(shí)現(xiàn)二次利用，將是節(jié)水降耗型褐煤提質(zhì)工程的發(fā)展方向。非蒸發(fā)干燥是將水分以液態(tài)形式從褐煤中脫出，節(jié)省了水的蒸發(fā)潛熱，但需要考慮后續(xù)水處理的投資和難易程度。在目前的公開報(bào)道中，研究干燥工藝對干燥產(chǎn)品性質(zhì)影響的文獻(xiàn)較多[9-10]，但分析干燥尾氣/干燥冷凝水，尤其是干燥尾氣/干燥冷凝水資源化回收利用的報(bào)道較少。

2.1 煙氣直接干燥水分的回收利用

根據(jù)煙氣干燥的原理和采用的設(shè)備，煙氣直接干燥又可分為磨煤機(jī)干燥、轉(zhuǎn)筒式干燥、振動混流床干燥、氣流床干燥等。為了降低傳統(tǒng)褐煤發(fā)電能耗，回收褐煤中水資源，東北電力設(shè)計(jì)院和上海機(jī)易電站設(shè)備有限公司的科研人員[11-13]提出了一種基于爐煙干燥及水回收的風(fēng)扇磨倉儲式制粉系統(tǒng)的褐煤取水高效發(fā)電技術(shù)，該技術(shù)的關(guān)鍵是煤粉和煙氣混合物在進(jìn)入鍋爐之前進(jìn)行氣固分離，分離后煤粉直接進(jìn)入鍋爐燃燒，而高濕度的乏汽則進(jìn)入乏汽余熱及水回收系統(tǒng)。此處，乏汽余熱及水回收系統(tǒng)包括乏汽暖風(fēng)機(jī)、乏汽加熱器、水深度回收裝置三部分，既能回收液態(tài)冷凝水，又能利用乏汽中的熱能，與同類機(jī)組相比可降低標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)電煤耗10g/(kW·h)左右，節(jié)能效果顯著。研究人員[14]對回收水水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，受干燥過程的影響，回收水呈偏酸性，懸浮固體含量也偏高，根據(jù)此干燥制粉系統(tǒng)所產(chǎn)的水質(zhì)分析結(jié)果，該作者指出經(jīng)過簡單的二次處理后，可直接作為電廠二次用循環(huán)冷卻水，若進(jìn)一步深化處理，還可以滿足鍋爐補(bǔ)給水的用水要求。2014年9月，在內(nèi)蒙古匯流河發(fā)電廠內(nèi)安裝了一套高約30m的褐煤取水高效發(fā)電試驗(yàn)裝置，效果良好。

吳乃新等[15]以含氧量較低的電廠尾部煙氣作干燥介質(zhì)為例，提出了一種水蒸氣潛熱利用以及干燥水回收的褐煤提質(zhì)方案，如圖2所示。與上述流程相似，在該流程中干燥尾氣依次經(jīng)過空氣換熱器、除塵器、翅片管換熱器后，尾氣中含有的水蒸氣在此處大量冷凝，隨后冷凝水進(jìn)入水處理系統(tǒng)處理后可作為循環(huán)水補(bǔ)給水，而被干燥尾氣加熱后的冷卻水用于汽輪機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)干燥尾氣的余熱利用。

圖2 褐煤干燥后煙氣處理工藝流程[15]

隨著冷凝式換熱技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外已有不少學(xué)者對鍋爐煙氣的冷凝換熱做了大量研究，并取得了一定的應(yīng)用研究成果[16-18]。這對上述褐煤干燥尾氣冷凝回收其中的水蒸氣潛熱具有一定的借鑒意義。圖3即為研究人員針對燃煤電站鍋爐提出的煙氣余熱與水聯(lián)合回收的示意圖[18]。鍋爐煙氣在進(jìn)入FGD單元之前依次經(jīng)過低溫省煤器、鍋爐暖風(fēng)器、第三級換熱器共三級換熱系統(tǒng)，體現(xiàn)能量梯級利用，充分利用煙氣中的余熱，最大限度回收煙氣中的水分。對于冷凝式換熱器，王恩祿等[17]研究發(fā)現(xiàn)，煙氣流速、水蒸氣容積份額、冷卻水介質(zhì)是影響冷凝水捕集率的重要因素。在實(shí)驗(yàn)煙氣風(fēng)速3.84m/s、水蒸氣14.39%、冷卻水2700kg/h時(shí)下，冷凝水的最大捕集率可達(dá)到51.57%，收集的液態(tài)水呈酸性，該作者建議采用吸附法，如采用活性炭等多孔吸附劑，除去凝結(jié)水中的金屬離子，通過在凝結(jié)水箱上加裝取樣管和加藥裝置調(diào)節(jié)冷凝水至符合要求。

圖3 煙氣余熱與煙氣中水分聯(lián)合回收系統(tǒng)示意圖[18]

為了提高換熱效率，也有專利報(bào)道，采用工藝水與含水蒸氣的高溫?zé)煔庵苯咏佑|換熱的方式，使煙氣中的大部分水蒸氣冷凝后進(jìn)入工藝水，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對煙氣的洗滌除灰[19]。該作者在洗滌煙氣的后面還設(shè)置了蒸發(fā)器組以盡可能的回收煙氣中熱量和水分。

在干燥冷凝水進(jìn)一步回收利用或排放之前，需要根據(jù)水質(zhì)選擇合適的凈化工藝。為了達(dá)到電廠循環(huán)冷卻水使用要求，張春暉等[20]采用厭氧-缺氧-好氧生物法（A2/O）和升流式曝氣生物濾池（UBAF）組合工藝凈化處理煙氣直接干燥褐煤所得冷凝水。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過組合工藝處理后冷凝水的濁度、COD、Mn、NH3-N等水質(zhì)指標(biāo)均已達(dá)到電廠中再生水作循環(huán)冷卻水的水質(zhì)控制指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用。

2.2 流化床干燥水分的回收利用

蒸汽流化床干燥工藝采用過熱蒸汽作熱量源，過熱蒸汽一方面吹動并加熱流化床內(nèi)的褐煤，蒸發(fā)出褐煤中的水分，另一方面作為干燥介質(zhì)通過內(nèi)置式蒸汽換熱器間接加熱干燥器中褐煤床層。德國RWE Power公司提出了兩種蒸汽流化床干燥工藝（WTA）[21]：在一種工藝方案中[圖4(a)]，干燥褐煤產(chǎn)生的水蒸氣，一部分經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后返回流化床干燥器作為干燥熱源，排出的冷凝水可預(yù)熱未干燥的褐煤；另一部分潔凈蒸汽可作為流化介質(zhì)，該工藝系統(tǒng)中需要額外的空氣壓縮過程，這意味著需要消耗高品位的機(jī)械功，降低了能量的綜合利用效率，但蒸汽中的潛熱在工藝過程中得到了有效利用。另一種工藝方案中[圖4(b)]，蒸汽全凝用于預(yù)熱鍋爐給水，同樣使其蒸汽潛熱得以回收利用。對于上述兩種工藝，當(dāng)褐煤中水分含量較高時(shí)，均可以通過壓縮或冷凝的方式充分回收利用干燥水蒸氣中的熱量。目前，RWE公司建成的單套最大WTA褐煤干燥裝置處理能力為210t/h，蒸發(fā)水分約100t/h。

圍繞該技術(shù)中過熱蒸汽既可作加熱介質(zhì)又可作為流化介質(zhì)的特點(diǎn)，國內(nèi)公開、授權(quán)了若干項(xiàng)與此技術(shù)類似的專利[22-23]，其主要區(qū)別在于加熱蒸汽的來源、二次蒸汽再次進(jìn)入流化床之前的處理工藝以及進(jìn)行水分回收時(shí)采取的方法等。

圖4 兩種帶有內(nèi)部廢熱利用的蒸汽流化床干燥工藝

為了充分回收干燥介質(zhì)、干燥蒸發(fā)水和干燥產(chǎn)物的熱量（包括潛熱和顯熱），TSUTSUMI等[24-25]提出了一種熱量循環(huán)利用的流化床干燥工藝（SHRFBD，a self-heat recuperation based continuous fluidized bed dryer），如圖5所示。干燥系統(tǒng)可分為3個連續(xù)單元：原煤首先在預(yù)熱器中加熱至一定溫度（Dry 1a）；隨后褐煤在FBD干燥器中干燥脫水（Dry 2）；最后干燥尾氣換熱（Dry 3）后進(jìn)入壓縮機(jī)加壓，并再次作為Dry 2單元和Dry 1a單元的加熱源；此外，干燥提質(zhì)煤通過Dry 1b加熱流化介質(zhì)以回收干燥煤中的潛熱。該作者理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)熱空氣干燥工藝相比SHR-FBD工藝能耗可降低15%左右[25]。

圖5 基于循環(huán)流化床的SHR-FBD熱量再利用干燥系統(tǒng)

除了上述通過熱交換技術(shù)回收干燥尾氣低溫余熱外，借助有機(jī)郎肯循環(huán)發(fā)電也可以實(shí)現(xiàn)低溫余熱的升級利用，這需要根據(jù)干燥尾氣的溫度品質(zhì)選擇合適的有機(jī)工質(zhì)[26-27]。由于褐煤存在揮發(fā)分含量高、易燃等特點(diǎn)，采用蒸汽干燥可以很好地避免煙氣干燥過程中易燃、爆炸等缺陷，因此研究開發(fā)針對褐煤蒸汽流化床干燥的工藝和設(shè)備是目前國內(nèi)外的一個研究熱點(diǎn)。

2.3 微波干燥水分的回收利用

由于微波對極性的水分子具有較強(qiáng)的選擇性，可以同時(shí)作用于褐煤孔道內(nèi)外的水分子，因此微波加熱脫水具有速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)。但目前研究主要集中微波加熱干燥對干燥煤結(jié)構(gòu)及成漿性等固體性質(zhì)的影響[28]。黃大軍等[4，29]基于浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，探討了一種微波干燥水的回收利用工藝。整個工藝由微波加熱脫水和冷凝回收利用兩部分組成。該工藝的特點(diǎn)是利用了微波輻射加熱煤溫度均勻可控的優(yōu)點(diǎn)，處理溫度控制在110℃即可脫除褐煤的外在水和毛細(xì)管內(nèi)在水，降低了水處理過程能耗。對于冷凝回收利用部分，作者僅指出脫除的水分經(jīng)過冷凝冷卻單元進(jìn)入礦區(qū)或?qū)?yīng)的水處理單元，根據(jù)生產(chǎn)用水或生活用水需要凈化冷凝水，并未對整個流程做進(jìn)一步可行性分析。唐慧儒[30]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微波干燥冷凝水水質(zhì)澄清透明，無懸浮物雜質(zhì)，但COD、NH3-N、TP等超標(biāo)嚴(yán)重，而且含有較多的無機(jī)陽離子，基于此該作者設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將干燥冷凝水經(jīng)過活性炭吸附-膜過濾凈化操作后即可達(dá)到工業(yè)再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 非蒸發(fā)干燥水的回收利用

非蒸發(fā)干燥主要包括機(jī)械熱壓脫水、熱能脫水、有機(jī)溶劑萃取等工藝，目前該工藝在澳大利亞、日本、美國等國家研究較多。機(jī)械熱壓脫水（MTE）是一種研究較多的非蒸發(fā)干燥脫水工藝。該工藝的特點(diǎn)是加熱干燥溫度不超過220℃，通過機(jī)械擠壓將褐煤中水分也液態(tài)形式脫出。該工藝的特點(diǎn)是節(jié)省了水的蒸發(fā)潛熱，具有低能耗的優(yōu)點(diǎn)[31]；同時(shí)，在煤中的部分無機(jī)鹽（如鈉鹽、鉀鹽、硫化物等）會隨液態(tài)水排除，雖然會降低后續(xù)干煤利用過程中的積灰、結(jié)渣，但會加大干燥水的處理難度；褐煤中無機(jī)鹽組分并非脫除越多越好，比如褐煤中含有的部分堿金屬、過渡金屬等會對煤氣化、氮硫元素的轉(zhuǎn)化起到一定的催化作用[32]。

研究表明，MTE工藝產(chǎn)生的干燥水顯酸性，而且含有較多的有機(jī)物和無機(jī)鹽離子，受煤種和工藝條件的影響水質(zhì)情況區(qū)別較大[33-34]。Latrobe Valley 的3種煤樣經(jīng)MTE干燥工藝處理后水中無機(jī)鹽分析結(jié)果如表1所示[33]。由表1可以看出，實(shí)驗(yàn)得到的干燥水中無機(jī)鹽含量遠(yuǎn)高于工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[35]。由于干燥水中的有機(jī)組分和無機(jī)鹽濃度超過了規(guī)定限度，必須采用相應(yīng)的凈化處理手段。雖然該方法能獲得較高的褐煤脫水率和煤質(zhì)改性程度，但加大了液態(tài)水的污染程度以及水質(zhì)凈化回收成本，而且隨著干燥程度的提高，無機(jī)組分含量會進(jìn)一步增加。為了脫除MTE干燥水中大量的無機(jī)鹽離子，CHAFFEE等[36-37]選擇低灰的Loy Yang褐煤作固定床的吸附劑，在水/煤體積比為2時(shí)可以移除70%的無機(jī)鹽離子，但該工藝受原料煤質(zhì)影響非常大，工藝操作上具有不穩(wěn)定性，而且由于原煤僅對某些離子的選擇性吸附，依然需要其他輔助手段脫除特定離子以達(dá)到二次利用或直接排放的要求。例如，為了充分脫除MTE冷凝水中的有機(jī)碳，ARTANTO等[38]采用厭氧和臭氧氧化組合的方法處理冷凝水，在優(yōu)化的條件下可以移除95%以上的有機(jī)物。

對比非蒸發(fā)干燥和蒸發(fā)干燥所產(chǎn)的干燥水發(fā)現(xiàn)，非蒸發(fā)干燥過程會破壞煤樣的表面官能團(tuán)和體相結(jié)構(gòu)，脫出的液態(tài)水會溶解Na+、Mg2+、Cl?、SO42?等無機(jī)離子，使得干燥水中無機(jī)鹽含量較高。因此與蒸發(fā)干燥過程相比，要達(dá)到工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)，非蒸發(fā)干燥所產(chǎn)液態(tài)水需要的二次處理流程長（比如選擇吸附、超濾等步驟）[30]，凈化過程投資較大。

有機(jī)溶劑萃取脫水同樣屬于非蒸發(fā)干燥脫水，但與機(jī)械熱擠壓干燥脫水相比采用的溫度較溫和，比如，以DME作溶劑時(shí)操作溫度僅為30℃[39]，這使得干燥所得水中有機(jī)污染物較少，對應(yīng)水凈化處理的費(fèi)用相對較低。

表1 機(jī)械熱壓法擠出水中無機(jī)鹽含量和TOC分析結(jié)果（150℃，6 MPa，mg/L）[33]

3 褐煤干燥與水分回收利用工藝的選擇原則

綜合選擇干燥脫水與水回收工藝時(shí)，除了考慮干燥工藝要求的干燥煤產(chǎn)品質(zhì)量、干燥煤水含量、安全性、成本等因素外，還需統(tǒng)籌分析以下因素。

3.1 適宜的脫水溫度

對于多數(shù)褐煤煤種，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)處理溫度高于200℃時(shí)褐煤表面會伴隨發(fā)生化學(xué)變化，當(dāng)溫度達(dá)到300℃以上時(shí)雖然會加快煤的干燥脫水速度，但褐煤開始發(fā)生熱解[40]，生產(chǎn)較多的熱解氣和液態(tài)焦油，甚至?xí)腥苡谒姆宇愇镔|(zhì)生成。因此，在進(jìn)行褐煤干燥操作時(shí)，既要保證褐煤干燥提質(zhì)程度，也要控制處理溫度不宜過高，以減少對干燥脫出水的污染，降低水回收處理利用的成本。

3.2 可靠的干燥介質(zhì)

為了提高褐煤干燥過程的能量利用效率，降低能耗，需要充分利用干燥尾氣中的能量。干燥介質(zhì)的選擇（比如熱空氣、煙氣、水蒸氣等）直接決定后續(xù)尾氣余熱的利用方式，而且干燥介質(zhì)的選擇又與褐煤品質(zhì)、干燥溫度、干燥煤用途等條件相關(guān)。合適、可靠的干燥介質(zhì)即能有效脫除褐煤中的水分，又能降低干燥尾氣回收利用的成本，降低凈化脫硫等復(fù)雜工藝的投入。

3.3 上下游工藝間的銜接

經(jīng)過干燥脫出并收集到的回收水，基于水質(zhì)分析情況（比如pH值、COD、NH3-N、TP、陰離子、陽離子等），要有合適的凈化處理方式和回收應(yīng)用渠道，縮短上下游利用間的空間距離，以降低褐煤干燥水回收利用的成本，提高生產(chǎn)競爭力。此外，干燥尾氣除了含有水蒸氣和不凝氣組分外，還可能含有粉塵、腐蝕性物質(zhì)，因此在考慮干燥尾氣回收利用時(shí)需要對應(yīng)的凈化工藝，包括除塵、脫鹽、脫硫脫硝、不凝氣分離、調(diào)節(jié)pH值等，冷凝后的干燥水可以用于循環(huán)冷卻水補(bǔ)水、消防水、工藝水補(bǔ)水等[34]，根據(jù)不同用途對應(yīng)了不同的水質(zhì)凈化處理指標(biāo)及處理工藝。

3.4 適用的余熱利用方式

褐煤的蒸發(fā)干燥尾氣是高濕度的含水乏汽，水蒸氣冷凝過程中會釋放氣化潛熱，充分利用這部分能量有利于提高整個褐煤提質(zhì)工藝的能量利用效率。根據(jù)含水乏汽在利用過程中熱量的轉(zhuǎn)換或傳遞特點(diǎn)，可將余熱利用技術(shù)分為熱交換技術(shù)、熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)、余熱制冷制熱技術(shù)三類[41]?；厥绽玫挠酂釕?yīng)先供應(yīng)本工藝系統(tǒng)，而且盡量減少能量轉(zhuǎn)換次數(shù)。目前在褐煤干燥領(lǐng)域，直接換熱技術(shù)的研究和應(yīng)用較為廣泛，比如干燥尾氣可用來預(yù)熱原煤、加熱助燃空氣等，這均可以借助特定結(jié)構(gòu)形式的換熱器來實(shí)現(xiàn)。在選擇余熱利用方式時(shí)，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)和安全性出發(fā)，綜合工藝流程、內(nèi)外能量需求、干燥提質(zhì)條件等，選擇合適的余熱利用方式，降低褐煤提質(zhì)單元的能耗。

4 結(jié) 語

相對于我國而言，自主研發(fā)褐煤干燥提質(zhì)及水分資源化利用技術(shù)起步較晚，對應(yīng)的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)也需要進(jìn)一步的完善和發(fā)展。目前，工業(yè)上干燥產(chǎn)生的高濕度尾氣大多作為廢物直接排放，未能有效回收利用。一方面是由于含水尾氣成分復(fù)雜，回收工藝繁瑣，導(dǎo)致回收利用水的成本較高，另一方面是由于脫水工藝本身的限制，不易確定匹配的水回收利用方法。現(xiàn)階段國內(nèi)針對褐煤干燥及水回收一體化工藝的開發(fā)大多處于試驗(yàn)研究和中試階段。

基于褐煤提質(zhì)程度、干燥水水質(zhì)、水質(zhì)凈化處理技術(shù)及成本、余熱利用經(jīng)濟(jì)性等若干因素件的復(fù)雜關(guān)聯(lián)，選擇干燥水（蒸汽）余熱利用和水分回收工藝的關(guān)鍵是，針對特定的煤種和目標(biāo)產(chǎn)品選擇合適的干燥工藝，明確干燥尾氣中不凝氣組分以及水分、酸性組分等物質(zhì)的凝結(jié)特性，比如高溫燃煤煙氣直接干燥時(shí)含硫組分在凝結(jié)水中的吸收反應(yīng)特性，這其中還應(yīng)考慮設(shè)備的抗腐蝕性能，隨后根據(jù)水分再利用的水質(zhì)要求，確定匹配的水質(zhì)凈化處理技術(shù)和水分資源化回收利用工藝。

基于換熱技術(shù)的干燥尾氣余熱利用（比如預(yù)熱空氣等）和冷凝水直接凈化處理后的二次回用技術(shù)研究前景較好，這在電廠鍋爐燃燒煙氣水回收中尤為突出，其中高效冷凝式換熱器的開發(fā)是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 朱川，楊曉毓，邵徇. 低階煤干燥脫水技術(shù)的研究[J]. 潔凈煤技術(shù)，2013（1）：42-47.

[2] 石文秀，張玉財(cái)，金管會. 淺談褐煤研究的必要性及褐煤的性質(zhì)[J]. 化工進(jìn)展，2012，31（s1）：203-207.

[3] 梁永煌，游偉，章衛(wèi)星. 關(guān)于我國褐煤提質(zhì)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題的解決方案[J]. 化肥設(shè)計(jì)，2013，50（6）：1-9.

[4] 唐慧儒，黃鎮(zhèn)宇，沈銘科，等. 褐煤脫水及水質(zhì)凈化研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2015（3）：735-741.

[5] YU J，TAHMASEBI A，HAN Y，et al. A review on water in low rank coals：The existence，interaction with coal structure and effects on coal utilization[J]. Fuel Processing Technology，2013，106：9-20.

[6] NORINAGA K，KUMAGAI H，HAYASHI J I，et al. Classification of water sorbed in coal on the basis of congelation characteristics[J]. Energy & Fuels，1998，12（3）：574-579.

[7] 王秀軍，彭定茂，黃鳳豹，等. 褐煤脫水改質(zhì)技術(shù)[J]. 潔凈煤技術(shù)，2010（3）：83-86.

[8] RAO Z，ZHAO Y，HUANG C，et al. Recent developments in drying and dewatering for low rank coals[J]. Progress in Energy and Combustion Science，2015，46：1-11.

[9] 熊程程，向飛，呂清剛. 溫度和相對濕度對褐煤干燥動力學(xué)特性的影響[J]. 化工學(xué)報(bào)，2011，62（10）：2898-2904.

[10] 孫曉林，郭曉鐳，陸海峰，等. 呼倫貝爾褐煤等溫干燥過程實(shí)驗(yàn)研究[J]. 化工學(xué)報(bào)，2015，66（7）：2628-2635.

[11] 馬有福，郭曉克，肖峰，等. 基于爐煙干燥及水回收風(fēng)扇磨倉儲式制粉系統(tǒng)的高效褐煤發(fā)電技術(shù)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（5）：13-20.

[12] 東北電力設(shè)計(jì)院高效褐煤發(fā)電技術(shù)研究取得重大突破[EB/OL]. [2014-12-12] http：//www.nepdi.net/website/Enterprise NewsDetail. aspx?ID=653.

[13] 郭曉克，肖峰，施大鐘，等. 一種爐煙干燥及水回收儲倉式風(fēng)扇磨熱風(fēng)送粉制粉系統(tǒng)：202229208[P]. 2012-05-23.

[14] 呂太，張志遠(yuǎn). 爐煙干燥褐煤過程中蒸發(fā)水的回收試驗(yàn)研究[J]. 熱力發(fā)電，2014（10）：66-69.

[15] 吳乃新，宋治璐，王恩祿，等. 褐煤干燥提質(zhì)技術(shù)比較與水分回收及余熱利用方案[J]. 鍋爐技術(shù)，2012，43（4）：45-48.

[16] KUHN S，SCHROCK V，PETERSON P. An investigation of condensation from steam–gas mixtures flowing downward inside a vertical tube[J]. Nuclear Engineering and Design，1997，177（1）：53-69.

[17] 雷承勇，王恩祿，黃曉宇，等. 燃煤電站煙氣水分回收技術(shù)試驗(yàn)研究[J]. 鍋爐技術(shù)，2011，42（1）：5-8.

[18] 叢曉蓉，汪洋. 燃煤電站鍋爐煙氣余熱與水分聯(lián)合回收技術(shù)展望與分析[J]. 發(fā)電與空調(diào)，2012，33（2）：26-28.

[19] 張宗飛，唐鳳金，徐建民，等. 從褐煤干燥煙氣中回收水的工藝方法及系統(tǒng)：102936063[P]. 2014-10-29.

[20] 張春暉，何緒文，朱書全，等. 褐煤提質(zhì)冷凝水的回用處理工藝研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39（6）：911-917.

[21] Fluidized-bed drying with internal waste heat utilization（WTA）[EB/OL].[2015-01-08] http：//www.rwe.com/web/cms/en/213182/ rwe-power-ag/innovations/coal-innovation-centre/fluidized-bed-dryin g-with-internal-waste-heat-utilization-wta/.

[22] 王存文，皮金林，汪壽建. 一種回收利用褐煤水分的低能耗褐煤干燥系統(tǒng)和干燥工藝：103423988[P]. 2013-12-04.

[23] 孟輝，李勝，蔣斌，等. 廢熱蒸汽熱量可回收利用的過熱蒸汽褐煤干燥系統(tǒng)及工藝：102967121[P]. 2014-12-10.

[24] AZIZ M，KANSHA Y，KISHIMOTO A，et al. Advanced energy saving in low rank coal drying based on self-heat recuperation technology[J]. Fuel Processing Technology，2012，104：16-22.

[25] AZIZ M，KANSHA Y，TSUTSUMI A. Self-heat recuperative fluidized bed drying of brown coal[J]. Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2011，50（9）：944-951.

[26] ?UKOWICZ H，KOCHANIEWICZ A. Analysis of the use of waste heat obtained from coal-fired units in organic rankine cycles and for brown coal drying[J]. Energy，2012，45（1）：203-212.

[27] 陳風(fēng)敬，盧文新，夏吳，等. 低階煤水分資源化利用系統(tǒng)：204085143[P]. 2015-01-07.

[28] 王衛(wèi)東，楊虓，孫遠(yuǎn)，等. 微波場中褐煤水分脫除規(guī)律及影響因素分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（6）：1159-1163.

[29] 黃大軍. 褐煤微波脫水回收利用初探[J]. 煤炭工程，2012（s2）：123-124.

[30] 唐慧儒. 典型褐煤脫水提質(zhì)及所脫水分的凈化回收研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2015.

[31] BERGINS C，HULSTON J，STRAUSS K，et al. Mechanical/thermal dewatering of lignite. Part 3：physical properties and pore structure of MTE product coals[J]. Fuel，2007，86（1）：3-16.

[32] MURSITO A T，HIRAJIMA T，SASAKI K. Upgrading and dewatering of raw tropical peat by hydrothermal treatment[J]. Fuel，2010，89（3）：635-641.

[33] QI Y. Characterisation of organic and inorganic components in process water from a novel lignite dewatering process[D]. Melbourne：Monash University，2004.

[34] BUTLER C J，GREEN A M，CHAFFEE A L. The influence of water quality on the reuse of lignite-derived waters in the Latrobe Valley，Australia[J]. Coal Preparation，2005，25（1）：47-66.

[35] 中華人民共和國建設(shè)部. 城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)：GB/T19923—2005[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[36] BUTLER C J，GREEN A M，CHAFFEE A L. MTE water remediation using Loy Yang brown coal as a filter bed adsorbent[J]. Fuel，2008，87（6）：894-904.

[37] BUTLER C J，GREEN A M，CHAFFEE A L. Remediation of mechanical thermal expression product waters using raw Latrobe Valley brown coals as adsorbents[J]. Fuel，2007，86（7）：1130-1138.

[38] ARTANTO Y，MCDONNELL E，VERHEYEN T V，et al. The remediation of MTE water by combined anaerobic digestion and chemical treatment[J]. Fuel，2009，88（9）：1786-1792.

[39] KANDA H，LI P，GOTO M，et al. Energy-saving lipid extraction from wet euglena gracilis by the low-boiling-point solvent dimethyl ether[J]. Energies，2015，8（1）：610-620.

[40] 韓峰，張衍國，蒙愛紅，等. 水城褐煤熱解的氣體產(chǎn)物析出特征及甲烷的生成反應(yīng)類型研究[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2014，42（1）：7-12.

[41] 連紅奎，李艷，顧春偉. 我國工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述[J]. 節(jié)能技術(shù)，2011，29（2）：123-128.

研究開發(fā)

Recent developments in recovery and utilization of water and heat from lignite dewatering

ZHANG Dazhou，LU Wenxin，CHEN Fengjing，XIA Wu，ZUO Jing，WANG Zhigang，SHANG Kuanxiang
（Research and Development Center for Utilization of Low Rank Coal，Wuhuan Engineering Co.，Ltd.， Wuhan 430223，Hubei，China）

Abstract：Lignite dewatering based on recovery of water and heat can significantly reduce water and energy consumption in the drying unit. The existence states of water in lignite are introduced，and the advances in recovery and utilization of water and heat from lignite dewatering are reviewed. Specially，drying technologies in the light of drying with flue gas，drying in fluidized bed with steam，microwave drying and mechanical/thermal pressurizing are presented. The principle for selection of lignite dewatering process and water recovery system is discussed. During recovery of water resource，considerations of lignite dewatering process，drying temperature，drying medium，heat recovery technology，and linkages of various processes should also be included. The process，which integrates heat exchangeand water purification into lignite dewatering would be a promising research and application topic in the future.

Key words：lignite; dewatering; water recovery; heat recovery; dry technology

收稿日期：2015-06-30；修改稿日期：2015-10-09。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.019

中圖分類號：TQ 536.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）02–0472–07