竇 巖 孫中心 趙 旭 劉 浩

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

煤干燥技術的現(xiàn)狀及展望

竇 巖 孫中心 趙 旭 劉 浩

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

介紹了不同的干燥方式在煤干燥行業(yè)的應用，詳細闡述了煤干燥技術在電廠、冶金、煤化工行業(yè)中的作用。提出了煤干燥技術的發(fā)展方向和有待解決的問題，旨在推動煤炭的高效利用。

煤干燥技術 煤調濕 褐煤干燥 粉煤氣化 褐煤熱解提質

煤干燥是通過熱物理(利用濕分在加熱或降溫過程中產(chǎn)生相變的物理原理除去水分[1])方法除去煤中水分的單元操作，采用煤干燥技術可顯著提高工業(yè)煤的利用效率和價值。我國作為煤炭儲量大國，隨著近年來煤炭價格的上漲以及節(jié)能環(huán)保的趨勢，帶動了煤干燥技術的發(fā)展。天華院以蒸汽管回轉干燥技術為依托，研發(fā)了一系列的煤干燥系統(tǒng)工藝，并在焦化廠煤調濕、電廠褐煤干燥、粉煤氣化及褐煤熱解提質等領域得到了廣泛的應用。

筆者通過介紹不同的干燥技術，比較其優(yōu)缺點，闡述在電廠、冶金及煤化工等行業(yè)實際應用中選擇蒸汽管回轉干燥技術的必然性；并對煤干燥發(fā)展的趨勢提出了建議：利用低品位蒸汽，提高煤炭品質。

1 煤干燥技術

目前國內外干燥技術主要包括蒸汽管回轉干燥、滾筒式干燥、管式干燥、氣流干燥、振動混流干燥、過熱蒸汽內加熱流化床干燥及微波干燥技術[1]等。

1.1 蒸汽管回轉干燥技術(STD)

蒸汽管回轉干燥機是一種間接加熱的蒸汽管型干燥機[2]，干燥機筒體內設有多根加熱管，安裝時有一定的角度。煤走殼程，蒸汽走管程，當粒徑不大于30mm的濕煤在筒體內部流過時，被換熱管內的蒸汽間接加熱干燥后從干燥機尾端排出，熱源為低品位的蒸汽，壓力0.4～1.6MPa的過熱或飽和蒸汽。干燥機尾部設有旋轉接頭，蒸汽通過旋轉接頭進入干燥機，換熱后產(chǎn)生的蒸汽凝液通過旋轉接頭排出，經(jīng)閃蒸降溫后送入管網(wǎng)。干燥過程中由原煤蒸發(fā)的水分與載氣一起進入水回收裝置單元，將煤中蒸發(fā)的水分進行回收利用，工藝流程如圖1所示。

該技術單臺干燥機處理量可達450t/h，蒸發(fā)水量28t/h。整套干燥系統(tǒng)采用密閉惰性氮氣循環(huán)系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的安全性，能夠保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行，而且具有干燥機轉速低、換熱管磨損小、密閉性能好、除塵簡單、熱效率高、干燥后煤溫不大于80℃、粉化率低及無揮發(fā)分析出等特點，是目前最為成熟、應用最多的煤干燥方法。

1.2 滾筒式干燥技術

熱介質為煙氣的滾筒干燥[2]是常規(guī)的煤干燥技術，廣泛用于煤泥的干燥，工藝流程如圖2所示。濕煤進入滾筒干燥機后，與熱風爐產(chǎn)生的650～700℃熱煙氣完成并流換熱，干燥后的產(chǎn)品經(jīng)封閉式排料箱裝倉外運，干燥所用的熱煙氣由鼓風機送入的空氣和煤氣經(jīng)燃燒器混合后燃燒產(chǎn)生，然后送入滾筒干燥機內加熱濕煤并蒸發(fā)水分，廢氣進入旋風除塵器進行煤粉回收，初步凈化的氣體由引風機送至濕式除塵器進一步凈化后排入大氣。旋風除塵器收集下來的細煤粉經(jīng)螺旋輸送機和旋轉閥送到刮板輸送機摻入干后產(chǎn)品，濕式除塵器所排煤水入原有地溝回選煤廠集中處理。滾筒干燥技術的主要缺點是入料口處易發(fā)生著火現(xiàn)象、密封效果差、單臺處理能力小及煤中蒸發(fā)的水無法回收利用等[2]。

圖1 蒸汽管回轉干燥工藝流程

圖2 滾筒干燥工藝流程

1.3 管式干燥技術

低壓蒸汽管式干燥機(圖3)內部設有若干根管束，兩端與管板焊接，每根管內設有螺帶，外形類似球磨機，煤走管程，蒸汽走殼程，粒度不大于6.3mm的碎煤在干燥管內由螺旋葉片推動向前運動，0.5Pa、165℃的過熱蒸汽通過管壁傳熱，褐煤吸熱達到干燥的目的，尾氣經(jīng)除塵器凈化后排入大氣。該機組與蒸汽管回轉干燥技術的不同之處主要是煤走管程，蒸汽走殼程，入煤粒徑小。其缺點有：單臺設備干燥能力較小，需要多臺干燥機并列設置才能滿足系統(tǒng)出力；入口煤粒度要求較高(不大于6.3mm)，對含水高的褐煤破碎存在一定難度；干燥管的管徑較小(φ108mm)，易發(fā)生堵煤且清理困難；干燥管數(shù)量多(約1 500根/臺)，管板處易開裂泄漏；入料為敞口結構，泄漏嚴重，現(xiàn)場環(huán)境差；煤中水回收率低，僅65%左右[3]。

圖3 低壓蒸汽管式干燥機干燥工藝簡圖

1.4 HPU氣流干燥提質技術

HPV干燥是將高水分煤破碎到一定粒度，利用熱風爐燃氣產(chǎn)生的高溫煙氣使煤在氣流干燥管中閃蒸干燥，并使煤粒處于懸浮狀態(tài)，懸浮在熱煙氣中的煤粉隨煙氣進入旋風分離器，在離心力的作用下沉降下來，進入無粘結劑高壓雙輥成形機擠壓造粒，便于運輸，少量未沉降下來的細煤粉用濕式除塵器洗滌，洗滌后產(chǎn)生的煤水統(tǒng)一處理。該技術的特點是干燥時間短(一般在0.5～2.0s，最長為5.0s)、熱效率高、處理量大、設備結構簡單、占地小、投資省、操作易于自動控制，但能耗大，無法實現(xiàn)煤中水回收，無粘結劑成形技術尚不成熟[4]。HPU干燥工藝流程如圖4所示。

圖4 HPU干燥工藝流程

1.5 振動混流床干燥技術

振動混流干燥工藝流程[1](圖5)具體為：濕煤經(jīng)破碎成粒徑不大于10mm的煤粒從頂部進入干燥器，在多層干燥床作用下分散形成物料長龍，煤粒在振動狀態(tài)下形成振動疏松料層沿床面水平移動，移至端部灑落到下一層干燥床上，低溫熱風分為垂直方向氣流和水平方向氣流。垂直方向氣流在穿越物料的過程中與煤粒充分、高強度地接觸，將煤粒干燥；水平方向氣流變速流動并與灑落的煤粒充分接觸將煤粒干燥。該技術屬于低溫干燥，煤炭不產(chǎn)生化學變化，優(yōu)點是：工藝簡單、操作方便、處理量大、易于工業(yè)化和大型化。缺點是：熱源為干燥后煤燃燒產(chǎn)生的熱煙氣，與蒸汽干燥相比，增加了碳排放；干燥設備龐大，占地面積大；工藝流程比較復雜，投資較高。

圖5 振動混流干燥工藝流程

1.6 過熱蒸汽內加熱流化床干燥技術

過熱蒸汽內加熱流化床干燥技術[1]的熱介質為過熱蒸汽，并在流化床內部設置了換熱管，直接換熱和間接換熱相結合，干燥煤的同時回收煤中水，工藝流程如圖6所示。經(jīng)破碎后的粒徑不大于4.0mm的煤粒經(jīng)過煤倉進入流化床內，底部通入過熱蒸汽作為流化氣，干燥煤粒所需的熱量由位于流化床內的蒸汽盤管提供，飽和蒸汽經(jīng)過盤管與煤粒間接換熱。干燥后煤粒從流化床底部經(jīng)由旋轉閥導出，干燥過程生成的二次蒸汽(流化蒸汽和從煤中蒸發(fā)的水分)經(jīng)過電除塵器除塵后，一部分經(jīng)過循環(huán)風機作為流化蒸汽循環(huán)使用，剩余部分可全部經(jīng)過蒸汽再壓縮熱泵(蒸汽壓縮機)提高其溫度和壓力后進入干燥機內的換熱盤管作為熱源使用，換熱后作為冷凝水回收，從而充分利用了二次蒸汽的潛熱，與傳統(tǒng)的干燥工藝相比有更高的效率，系統(tǒng)內部為無氧環(huán)境，安全性高，干燥速度快，可回收大部分煤中水。

該技術存在的問題有：流化床內煤粉流速高，內置的加熱管磨損嚴重；內置換熱管多，易堵塞，換熱管泄漏后，難以修復；煤粒度要求嚴格(一般為1～3mm)，使得破碎難度增大，能耗增加；流化床尾氣經(jīng)電除塵后，仍有少量煤粉滯留在換熱管內，存在堵塞和腐蝕的風險；干燥后的煤粒徑小，煤溫大于110℃，揮發(fā)分易析出，輸送粉塵散逸，存在自燃著火的安全隱患；由于尾氣含有少量煤粉，蒸汽壓縮機存在磨損和堵塞風險，同時將電能轉化成蒸汽，能耗增加。

圖6 過熱蒸汽內加熱流化床干燥工藝流程

1.7 微波干燥技術

褐煤微波干燥是使用微波能量對煤進行干燥的方法(圖7)，該工藝將微波輻射器安裝在帶式輸送機上方，對流過的煤粒進行持續(xù)干燥，微波的應用頻率一般為915MHz。濕煤被裝到皮帶機上形成一定厚度的煤層，濕度可用一個傳統(tǒng)的濕度計在線測量，之后被連續(xù)輸送通過微波干燥室，去除水分，干燥過程中煤的溫度保持在90℃以下。該技術主要適用于塊煤干燥，且煤炭內不允許存在金屬異物，國內僅一家企業(yè)建設了塊煤微波工業(yè)化實驗裝置，美國COAL TAK公司一直在研發(fā)微波煤干燥技術，但未推向工業(yè)化應用[1]。

圖7 Drycoal工藝示意簡圖

2 煤干燥現(xiàn)狀

2002～2012年是我國煤炭工業(yè)發(fā)展的黃金十年，煤炭價格的飛速上漲帶動了煤干燥技術的發(fā)展，我國成為煤干燥技術開發(fā)和應用的主力軍。

2.1 以節(jié)能減排為目的的預干燥技術開發(fā)

2.1.1 煤調濕技術

焦化行業(yè)的煤調濕技術，通過降低并穩(wěn)定焦爐入爐煤中的水分，達到降低煤氣消耗、減少酚氰污水外排、減少蒸氨蒸汽消耗和CO2排放量、提高產(chǎn)能、改善焦炭質量、增加弱粘結性煤使用量、節(jié)省主煉焦煤資源及延長焦爐壽命等效果。

目前主流技術主要有兩類，第1類是將焦化廠干熄焦發(fā)電后的汽輪機背壓蒸汽作為干燥熱源的蒸汽管回轉干燥法煤調濕技術，第2類是將焦爐尾氣作為熱源的流化床煤調濕技術，兩類技術路線完全不同，但干燥后的煤均直接供焦爐煉焦使用。第1類技術在日本、韓國應用廣泛，國內于2006年以后，寶鋼、太鋼、攀鋼相繼采用了以天華院主導的第1類煤調濕技術，太鋼、寶鋼二期仍采用該技術，實踐證明，運行效果良好，取得了良好的效益；天華院主導煤干燥技術已獲得授權發(fā)明專利10項，授權實用新型專利20項，受理發(fā)明專利15項，實用新型專利1項，申報日本專利1項，美國專利4項。第2類技術由新日鐵開發(fā)，2009年馬鋼引進該技術，干燥能力能夠達到設計要求，但由于干燥后細煤量增加，導致上升管堵塞、石墨化加重，使煤氣凈化系統(tǒng)無法適應，初冷器洗萘管和焦油油水分離器堵塞，而且電耗和氮氣耗量大，由于細煤粉量嚴重超標，導致輔助化工產(chǎn)品生產(chǎn)裝置堵塞嚴重無法連續(xù)運行，繼而停產(chǎn)改造。濟鋼2007年自主開發(fā)的移動熱風分布板式流化床也由于各種原因無法連續(xù)運行而停用。2010年昆鋼5.5m搗鼓焦爐建設了采用濟鋼改進后具有分選功能的流化床技術，處理量約185t/h；2012年，柳鋼建設了梯級篩分內置熱流化床技術，熱源采用煙道廢氣，處理量約400t/h；唐鋼建設了分選功能的流化床技術，熱源采用煙道廢氣，處理量約330t/h；鞍鋼鲅魚圈焦化廠和邯鋼也建設了煙道廢氣的流化床技術，但都未能長期連續(xù)穩(wěn)定運行，運行效果、能耗和收益有待進一步驗證。

2.1.2 煤氣化預干燥技術

利用低品位蒸汽對含水率大于20%以上的原料煤進行預干燥脫水并回收煤中水分，可顯著降低粉煤氣化制粉單元燃氣消耗，回收水資源，得到煤化工界的認可。云南文山鋁業(yè)采用天華院的蒸汽回轉干燥技術，單臺最大處理量100t/h，水分從35%降至12%，2012年初投產(chǎn)后，一直連續(xù)穩(wěn)定運行。內蒙古多倫煤化工采用管式干燥機，單臺處理量60t/h，水分從36%降至13%，經(jīng)過多次改造后于2011年底實現(xiàn)連續(xù)運行，但由于其他裝置排放不達標等原因導致半停產(chǎn)狀態(tài)。呼倫貝爾金新化工采用管式干燥機，由于成形、除塵等問題，導致裝置長時間停產(chǎn)改造。

2.1.3 電廠褐煤干燥技術

煤炭資源的日益減少、節(jié)能減排任務日趨嚴重，使得火力發(fā)電面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。為降低煤耗、節(jié)約水資源、提高企業(yè)的競爭優(yōu)勢開發(fā)出的高水分褐煤干燥技術，提高了發(fā)熱量，實現(xiàn)高水分褐煤用于發(fā)電的可能性，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。該技術在神華集團涉外印尼穆印電廠2×135MW機組上使用，采用天華院的蒸汽管回轉干燥技術，并得到成功應用，創(chuàng)造了61.3%高水分褐煤的首次利用史。以獨立干燥島模式與電廠配套，干燥后的煤直接送往電廠使用，熱源采用發(fā)電后汽輪機四段抽汽，2011年投產(chǎn)后經(jīng)過對輔助輸煤系統(tǒng)的改造，運行平穩(wěn)，效益顯著，截止目前干燥機本體無檢修記錄。

2.2 以提高煤質將干燥煤作為產(chǎn)品的各種提質技術開發(fā)

近年來，由于優(yōu)質煤炭資源短缺，相繼開發(fā)了各種技術用于劣質煤炭的干燥提質，提高熱值后銷售，獲得利潤，但由于提質后煤炭的粉塵問題和無粘結劑成形技術不成熟，導致相繼受挫，無法取得預想的效果。具有代表性的提質項目有：

a. 內蒙古錫林浩特褐煤提質項目，采用煤粉爐燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣對褐煤進行提質，進入無粘結劑成形機將煤粉擠壓造粒，然后銷售，但由于提質后煤粉輸送粉塵散逸，自燃著火，環(huán)境惡劣，加之成形率低等原因，被迫停運。

b. 內蒙古錫林郭勒白音華和內蒙古準東煤炭的褐煤提質項目，采用振動混流床干燥裝置，熱源是煤粉爐燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣，未配套成形設備，由于干燥后輸送粉塵問題無法連續(xù)生產(chǎn)。

c. 內蒙古呼倫貝爾潔凈煤采用HPU氣流干燥無粘結劑成形技術，干燥能力已滿足設計要求，干燥提質后的煤熱值顯著提高，但成形后的塊煤仍容易破裂、易風化，存在自燃和粉塵的問題，目前煤價下跌、市場不景氣等原因導致裝置處于半停產(chǎn)狀態(tài)。

d. 內蒙古寶日希勒微波干燥褐煤技術，于2013年底試生產(chǎn)，運行后發(fā)現(xiàn)電耗很大，高能耗提質后褐煤的自燃和風化開裂問題并沒有得到改善，因此，未得到大規(guī)模推廣。

以上技術在我國均有工業(yè)試驗裝置或中試裝置，但均無法進入商業(yè)運行，其原因并不是干燥本身的問題，而是干燥后煤的粉塵問題。

對比分析各種煤干燥技術，各有利弊。而利用電廠汽輪機抽汽對高水分燃煤進行預干燥技術是天華院原創(chuàng)性提出的降低煤耗新技術，能使劣質煤供電煤耗降低5～15g/kWh，減少電廠對優(yōu)質煤種的依賴，降低生產(chǎn)成本，同時將煤中干燥出的水分進行潔凈回收，用于補充電廠用水，對缺水地區(qū)建設電廠有著重要的意義。該技術采用氮氣循環(huán)的蒸汽管回轉干燥系統(tǒng)和尾氣洗滌閃蒸冷卻+直接空冷的水回收技術，氮氣循環(huán)使用，起到安全保護和攜帶氣的作用，同時干燥機與電廠磨煤機一對一配置，干煤直接進入磨煤機使用，縮短輸送環(huán)節(jié)，杜絕了粉塵和自燃問題，運行安全、可靠、成本低，水回收率可達到95%以上，用于電廠補水，完全符合國家的產(chǎn)業(yè)政策。

3 煤干燥技術發(fā)展展望

通過理論分析，利用汽輪機抽汽為熱源的煤干燥技術能顯著降低電廠煤耗、提高鍋爐效率，等同于“熱電聯(lián)產(chǎn)”，相當于入爐煤中水分預干燥需要熱量的70%由冷源提供，30%由有效高位能熱量提供，爐外抽汽預干燥使得磨煤和鍋爐系統(tǒng)干燥蒸發(fā)煤中水分的負荷減少，節(jié)約蒸發(fā)煤中攜帶水分的耗煤量，實現(xiàn)了抽汽干燥節(jié)能過程。該技術采用已經(jīng)發(fā)電的汽輪機抽汽作為煤干燥的熱源，利用了蒸汽的潛熱，相當于將低品位的熱源轉化為煤熱值的提高，使無法利用的冷源損失得以有效利用，理論證明：“采用凝汽干燥熱量=相同蒸汽量冷源損失”，即抽汽干燥消耗多少能源，將減少等量的冷源損失，該理論已經(jīng)得到國家電力規(guī)劃院和多家電力設計院的認可，并在華潤電力實現(xiàn)工業(yè)化應用。

該技術的主要優(yōu)點有：提高鍋爐效率，顯著降低煤耗；廠用電率可降低0.3%～1.5%；SO2排放減少2% ；NOx排放減少8.5%；CO2排放也相應減少。

該技術采用洗滌閃蒸的辦法，將煤中蒸發(fā)水潔凈回收，回收率可達95%以上，而且水質為閃蒸蒸餾水，主要原理是利用干燥尾氣自身的熱量實現(xiàn)洗滌閃蒸的循環(huán)過程，在洗滌閃蒸塔內部將干燥尾氣中的水蒸氣吸收變?yōu)楦邷啬Y水，然后送往塔頂進行真空閃蒸，閃蒸后的蒸汽通過冷凝后變?yōu)榛厥账?，未閃蒸的水降溫后送回塔內部與干燥尾氣再次逆向接觸換熱吸收，形成循環(huán)過程，同時將尾氣中的氮氣分離后回送干燥系統(tǒng)循環(huán)使用，系統(tǒng)的氧含量完全可控，不再向大氣排放尾氣。該技術巧妙的利用尾氣自身的熱量實現(xiàn)閃蒸回收潔凈水的功能，同時具有除塵泄漏后的防堵功能，系統(tǒng)更加安全、可靠。

煤在干燥過程中存在自燃著火的現(xiàn)象，而且除塵、輸送過程中均存在粉塵積聚閃爆的可能性，因此，不管采用哪種干燥技術，安全防護是首要考慮的因素，安全因素考慮不周全，再好的技術也無法使用，必須考慮干燥過程中的氧含量、煤粉溫度、煤粉積聚自燃及煤粉散逸等因素，采取有效的防護措施，保證系統(tǒng)安全、可靠、環(huán)保、經(jīng)濟。

[1] 潘永康，王喜忠，劉相東.現(xiàn)代干燥技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007：115～605.

[2] 于才淵，王寶和，王喜忠.干燥裝置設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005：36～328.

[3] 周立榮，錢國俊.蒸汽管回轉干燥機在燃褐煤電廠中的應用探討[J].電力建設，2011，(5)：94～99.

[4] 賀永德.現(xiàn)代煤化工技術手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2003：5～22.

ActualityandProspectofCoal-dryingTechnologies

DOU Yan, SUN Zhong-xin, ZHAO Xu, LIU Hao

竇巖(1979-)，高級工程師，從事化工行業(yè)、煤化工行業(yè)及電力行業(yè)等相關領域干燥技術的開發(fā)與研究，dou_yan@163.com。

TQ028.6+7

A

0254-6094(2017)03-0239-07

2016-09-28，

2016-12-08)

(Continued on Page 266)