李瑤，徐婕，王奕晨，陳剛，楊小彥，衛(wèi)鵬程，李恒，王瑩燕

（1.深圳陜煤高新技術(shù)研究院有限公司，廣東深圳518107；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，西安710070；3.國(guó)家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710065；4.陜西長(zhǎng)安電力有限公司，西安710065）

0 引言

半焦又稱(chēng)蘭炭，是以褐煤、長(zhǎng)焰煤等低階煤為原料，通過(guò)中低溫?zé)峤夤に嚠a(chǎn)生的固體物質(zhì)，與原煤相比具有低灰、低硫、低磷、高熱值的優(yōu)點(diǎn)。目前全國(guó)蘭炭產(chǎn)能8 000多萬(wàn)t，但年產(chǎn)量?jī)H3 000多萬(wàn)t，其中絕大多數(shù)消耗于鐵合金和電石等傳統(tǒng)行業(yè)。因鐵合金和電石行業(yè)采用固定床生產(chǎn)工藝，所以只能使用半焦塊作為原料，而原煤的機(jī)械開(kāi)采和半焦的生產(chǎn)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)法用于后續(xù)生產(chǎn)的粉末，造成了資源的極大浪費(fèi)。以粒度＜6 mm 的半焦面為原料制備民用潔凈燃料，是利用半焦粉末的重要途徑之一。同時(shí)，以半焦作為民用燃料也對(duì)我國(guó)大氣污染防治具有重要意義。2016年10月，國(guó)家環(huán)保部在《民用煤燃燒污染綜合治理技術(shù)指南》中要求，“煤炭資源豐富、經(jīng)濟(jì)條件較好且污染嚴(yán)重的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先選用低硫、低揮發(fā)分的優(yōu)質(zhì)半焦等”。然而，國(guó)內(nèi)外針對(duì)半焦成型的研究集中在其作為冶金焦或制備活性焦方面，用于民用燃料方面的研究較少。市售民用型煤產(chǎn)品普遍存在產(chǎn)品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、檢測(cè)指標(biāo)不完善、產(chǎn)品市場(chǎng)接受度不高、企業(yè)生產(chǎn)動(dòng)力不足的問(wèn)題，因此，本文從原料成分、成型技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性等3 方面對(duì)其進(jìn)行介紹、分析，以期調(diào)動(dòng)各方積極性，促進(jìn)半焦質(zhì)民用型煤的生產(chǎn)及應(yīng)用。

1 原料成分可行性

2017 年發(fā)布的GB 34170—2017《商品煤質(zhì)量民用型煤》［1］對(duì)于規(guī)范民用型煤的生產(chǎn)起著重要作用。該標(biāo)準(zhǔn)明確指出，民用型煤的原料為無(wú)煙煤、煙煤和其他煤制品，如蘭炭（半焦）等。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，半焦質(zhì)民用型煤的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)中型煤1號(hào)或型煤2號(hào)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)部分市售半焦產(chǎn)品指標(biāo)［2-3］與標(biāo)準(zhǔn)型煤指標(biāo)的對(duì)比（見(jiàn)表1）發(fā)現(xiàn)，盡管半焦品質(zhì)會(huì)受到熱解工藝、煤質(zhì)、粒徑等多方面因素的影響，但半焦型煤產(chǎn)品在發(fā)熱量（Q）、全硫、揮發(fā)分等指標(biāo)上均能滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)民用型煤的要求。

表1 民用型煤與半焦產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of product index between civil briquette and semi-coke

標(biāo)準(zhǔn)中還對(duì)民用型煤產(chǎn)品中磷、氯、砷、汞、氟的含量做出了限定，但目前半焦型煤產(chǎn)品大多缺少相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，需進(jìn)一步統(tǒng)一檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，完善檢測(cè)數(shù)據(jù)，規(guī)范產(chǎn)品品質(zhì)。

2 成型技術(shù)可行性

半焦型焦的生產(chǎn)工藝一般包括2 類(lèi)（如圖1 所示）：一類(lèi)是先成型后熱解，即先將原煤用合適的成型工藝和設(shè)備壓制成型煤，再將型煤干燥、干餾后得到半焦型煤產(chǎn)品；另一類(lèi)是先熱解后成型，即將干餾得到的一定粒度組成的半焦粉和黏結(jié)劑、水按一定比例混合，再利用合適的成型工藝和設(shè)備壓制出具有一定形狀、尺寸、強(qiáng)度和理化特性的人工“塊煤”，烘干后即可得到半焦型煤產(chǎn)品［4］。

圖1 半焦型焦生產(chǎn)工藝Fig.1 Molded semi-coke production process

第1 種工藝的主要目的在于提高粉煤利用率、節(jié)約煉焦用煤，不黏/弱黏結(jié)性煤采用先成型后熱解的壓制成型工藝，經(jīng)高溫炭化制備后可作為冶金、氣化用焦。國(guó)外典型的冷壓型焦工藝有DKS 工藝、HBNPC 工藝，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)化典型有晉城煤業(yè)集團(tuán)半焦型煤廠［5-7］。

DKS 工藝將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%～90%的不黏結(jié)性煤和10%～20%的黏結(jié)性煙煤混合，粉碎到粒度＜3 mm 后，加入約10%的黏結(jié)劑（煤焦油和瀝青等），經(jīng)多段串聯(lián)的雙軸混料機(jī)攪拌均勻，進(jìn)入混捏機(jī)用蒸汽加熱混捏，然后混合料由底部螺旋抽出機(jī)送往對(duì)輥成型機(jī)壓制成型煤，冷卻后分批裝入焦?fàn)t內(nèi)炭化（10 h）成為型焦。型焦由炭化室側(cè)面（或底部）靠自重排出，經(jīng)熄焦篩分后使用［7］。

晉城煤業(yè)集團(tuán)半焦型煤廠將晉城無(wú)煙煤與煙煤配煤成型后經(jīng)中低溫炭化得到半焦型煤，以作為氣化用煤。該型煤產(chǎn)品冷壓強(qiáng)度＞1 000 N/個(gè)；熱強(qiáng)度＞900 N/個(gè)；熱穩(wěn)定性＞80%；浸水抗壓強(qiáng)度＞800 N/個(gè)；固定碳（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）＞78%。產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了型煤質(zhì)量要求，并接近或達(dá)到了晉城煤業(yè)集團(tuán)塊煤的指標(biāo)。

使用第1種工藝的煤在成型后的炭化過(guò)程中與黏結(jié)劑作用機(jī)制復(fù)雜，產(chǎn)品品質(zhì)直接受炭化溫度、加熱速率等多方面因素影響，炭化過(guò)程中的應(yīng)力差異容易導(dǎo)致型煤開(kāi)裂和弱化［8］。而與工業(yè)型煤相比，民用型煤要求更低，只需要成型產(chǎn)品有一定的強(qiáng)度，能保證長(zhǎng)距離的周轉(zhuǎn)和倉(cāng)儲(chǔ)；同時(shí)要求產(chǎn)品具有一定的熱強(qiáng)度，對(duì)發(fā)熱量要求也較低。因此第2 種工藝更適合用于半焦質(zhì)民用型煤的生產(chǎn)，該工藝成型時(shí)無(wú)需配煤、工藝流程簡(jiǎn)單、對(duì)黏結(jié)劑的要求也更低。下面主要對(duì)半焦末成型制民用燃料的研究情況進(jìn)行介紹。

通常認(rèn)為，壓制型煤所用的半焦粉粒度在3 mm以下且小于1 mm 的部分占70%～90%是比較適宜的［4］。半焦成型的關(guān)鍵影響因素為黏結(jié)劑和成型設(shè)備。傳統(tǒng)半焦成型設(shè)備為打孔沖壓機(jī)，該工藝制備出的型煤灰分較高、熱值較低。現(xiàn)在常用的成型設(shè)備一般采用產(chǎn)量大、成型效果好的對(duì)輥成型機(jī)。根據(jù)黏結(jié)劑的化學(xué)性質(zhì)，可分為無(wú)機(jī)類(lèi)、有機(jī)類(lèi)以及復(fù)合黏結(jié)劑。

（1）無(wú)機(jī)類(lèi)黏結(jié)劑包括水玻璃、黏土、石灰、高嶺土、膨潤(rùn)土等。這類(lèi)黏結(jié)劑價(jià)格低廉，具有一定黏結(jié)強(qiáng)度，并且一些成分還能和煤中硫起反應(yīng)，起到固硫作用，在復(fù)合黏結(jié)劑中通常是不可缺少的組成部分。但是它會(huì)使型煤的發(fā)熱量降低、防潮、防水性能變差，并且會(huì)增加灰分。

（2）有機(jī)類(lèi)黏結(jié)劑包括焦油瀝青、聚乙烯醇、酚醛樹(shù)脂、玉米淀粉、腐殖酸等。這類(lèi)黏結(jié)劑一般黏結(jié)性能較好、燃燒后殘余灰分少、本身能部分或全部燃燒、有一定的發(fā)熱量，但多數(shù)有機(jī)黏結(jié)劑的熱性能較差。

（3）實(shí)際應(yīng)用中多采用復(fù)合型黏結(jié)劑。

專(zhuān)利CN 109666523A中公開(kāi)了一種基于神府半焦制型煤用黏結(jié)劑及型煤制備方法［9］，該黏結(jié)劑主要是由預(yù)糊化淀粉、改性纖維素和鈉基膨潤(rùn)土組成。該黏結(jié)劑按一定質(zhì)量比與半焦沫混合攪拌均勻，加水至半焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～22%，經(jīng)成型機(jī)在25～30 MPa 的壓力下壓制成型，烘干后得到水平冷壓強(qiáng)度＞1 000 N/個(gè)、垂直冷壓強(qiáng)度＞600 N/個(gè)的型煤產(chǎn)品。

專(zhuān)利CN 110003967A中公開(kāi)了一種低燃點(diǎn)耐燒半焦型煤的黏合劑制備方法［10］，在半焦型煤黏合劑制備過(guò)程中引入磷系化合物和易降解的高分子碳基混合物。在半焦型煤初始燃燒階段，磷系化合物促進(jìn)碳基材料炭化，殘?zhí)刻畛洳糠挚紫锻瑫r(shí)揮發(fā)出低分子物質(zhì)、降低著火點(diǎn)，從本質(zhì)上解決了半焦型煤點(diǎn)火不易燃及燃燒速率快的問(wèn)題。

鄧佳佳等［11］以生物質(zhì)作為黏結(jié)劑得到半焦質(zhì)民用型煤，并對(duì)該產(chǎn)品的性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示，型煤冷壓強(qiáng)度高達(dá)800 N/個(gè)，落下強(qiáng)度高達(dá)93%，均領(lǐng)先國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)品在灰分、硫含量、落下強(qiáng)度等指標(biāo)上也滿足型煤標(biāo)準(zhǔn)［1］；由于加入的生物質(zhì)黏結(jié)劑在高溫下會(huì)熱解揮發(fā)，產(chǎn)品的揮發(fā)分略微超標(biāo)，后續(xù)可通過(guò)改良黏結(jié)劑配方、調(diào)整用量等方式進(jìn)行優(yōu)化。試燒結(jié)果顯示，無(wú)論采用節(jié)能爐具還是普通爐具，產(chǎn)品半焦質(zhì)型煤煙氣在SO2，NOx指標(biāo)上均低于GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中新建燃煤鍋爐、新建燃?xì)忮仩t排放標(biāo)準(zhǔn)，煙塵質(zhì)量濃度滿足新建燃煤鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)，接近新建燃?xì)忮仩t排放標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2）。

表2 半焦質(zhì)民用潔凈型煤污染物質(zhì)量濃度與燃煤、天然氣排放標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比Tab.2 Comparison of pollutants mass concentration of semi-coke clean coal for civil usage with standards for that of coal and natural gas mg/m3

曲陽(yáng)［12］以腐殖酸鈉和膨潤(rùn)土為黏結(jié)劑，研究了長(zhǎng)焰煤熱碎半焦的成型-干燥特性，并采用最佳的成型和干燥條件進(jìn)行50 kg成型中試試驗(yàn)，獲得的熱碎半焦型煤揮發(fā)分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為10.55%，發(fā)熱量為28.97 MJ/kg，硫分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.33%，冷壓強(qiáng)度為459 N/個(gè)，灰分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為11.69%。以上各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于GB 34170—2017《商品煤質(zhì)量民用型煤》和DB 11/097—2014《低硫煤及制品》，論證了該工藝方法的可行性。

劉宇［13］以腐殖酸鈉和膨潤(rùn)土為黏結(jié)劑，分別研究了半焦單獨(dú)成型和半焦與不黏煤混配成型的產(chǎn)品性質(zhì)。結(jié)果表明，添加8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）黏結(jié)劑、成型壓力為20 MPa時(shí)，半焦型煤冷壓強(qiáng)度為494 N/個(gè)、落下強(qiáng)度為87%，質(zhì)量指標(biāo)滿足DB 11/097—2014《低硫煤及制品》對(duì)民用型煤的地方標(biāo)準(zhǔn)，燃燒性能滿足GB/T 6412—2009《家庭用煤及爐具試驗(yàn)方法》對(duì)家庭用煤的要求。將不黏煤與半焦混配可提高型煤的燃燒速度、改善型煤的燃燒性能。當(dāng)試驗(yàn)中添加不黏煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤4.7%時(shí)，制備的混配型煤符合民用型煤和家庭用煤的要求。從燃燒性能和煙塵排放量考慮，半焦型煤和混配型煤的質(zhì)量接近甚至優(yōu)于市售的無(wú)煙煤型，建議進(jìn)行積極推廣。

苗文華等［4］對(duì)成型半焦與半焦、煙煤、無(wú)煙煤用于民用燃料方面進(jìn)行了研究，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 半焦型焦與樣品煤種的工業(yè)分析及元素分析Tab.3 Industrial analysis and elemental analysis of semi-coke type coke and sample coal

由表3 可以看出，蘭炭型焦具有揮發(fā)分低（約8.00%）、灰分低（小于15.00%）、硫含量低（小于0.30%）、固定碳高（大于75.00%）、發(fā)熱量高（大于25.10 MJ/kg）、化學(xué)活性高等特點(diǎn)（即三高三低）。

通過(guò)蘭炭型焦民用燃煤爐試燒，發(fā)現(xiàn)蘭炭型焦燃燒排放的顆粒污染物PM2.5和總顆粒物質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于榆林煙煤，略低于寧夏無(wú)煙煤和晉城無(wú)煙煤；其點(diǎn)火時(shí)間比無(wú)煙煤短，具有易燃優(yōu)勢(shì)；平均燃燒時(shí)長(zhǎng)超過(guò)無(wú)煙煤40%，殘?zhí)柯什蛔銦o(wú)煙煤的1/30，有效利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無(wú)煙煤。

隨著黏結(jié)劑及成型工藝的不斷發(fā)展，半焦成型產(chǎn)品品質(zhì)得到不斷優(yōu)化，通過(guò)試燒試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，半焦型煤產(chǎn)品在燃燒性能、污染物排放等方面均有良好表現(xiàn)，具備替代散煤、無(wú)煙煤成為民用燃料的可行性。

3 產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)可行性

3.1 實(shí)例分析

3.1.1 外購(gòu)半焦末生產(chǎn)半焦質(zhì)民用型煤

假設(shè)在陜北神木地區(qū)建立年產(chǎn)10萬(wàn)t的民用型煤廠（外購(gòu)半焦末）：原料半焦末成本為500 元/t；加工成本＜244 元/t，包括黏結(jié)劑成本＜70 元/t、水電氣成本＜50 元/t、人員工資為74 元/t（定員90 人，人均工資按照西部地區(qū)2019 年年平均工資計(jì)算）、制造費(fèi)用（折舊、維修及其他）＜50 元/t。噸產(chǎn)品總成本=原料成本+加工成本=500+244 ＝744（元）［14］。

將產(chǎn)品從神木運(yùn)至京津冀地區(qū)（消費(fèi)地）按照1 000 km 鐵路里程計(jì)算，運(yùn)輸成本為147 元/t。產(chǎn)品在消費(fèi)地總成本為891 元/t。

3.1.2 建立以半焦質(zhì)民用型煤為主要產(chǎn)品的煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化項(xiàng)目

假設(shè)在陜北神木地區(qū)建立60 萬(wàn)t/a 的煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化項(xiàng)目。該項(xiàng)目年消耗粉煤66 萬(wàn)t（含動(dòng)力用煤），可生產(chǎn)40 萬(wàn)t 半焦質(zhì)型煤、7.2 萬(wàn)t 煤焦油、180 t 粗酚。若該項(xiàng)目建設(shè)期2 年，運(yùn)行期15 年，項(xiàng)目定員150 人，當(dāng)原料煤價(jià)為450 元/t，型煤售價(jià)為900 元/t，煤焦油售價(jià)為3 500 元/t，粗酚售價(jià)1 000元/t 時(shí)，通過(guò)石化行業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)軟件對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析（見(jiàn)表4），項(xiàng)目總投資5.56億元，生產(chǎn)期內(nèi)年均銷(xiāo)售收入5.96 億元，年均總成本4.58 億元，凈利潤(rùn)7 834 萬(wàn)元/年，稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率19.51%，投資回收期6.63年，項(xiàng)目盈利能力良好。

表4 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Tab.4 The main technical and economic indicators

對(duì)焦油、半焦和粉煤價(jià)格進(jìn)行敏感性分析（如圖2 所示），可以看出，價(jià)格變動(dòng)對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性影響程度為半焦＞煤粉＞焦油。當(dāng)半焦價(jià)格下降20%時(shí)，內(nèi)部收益率（Financial Internal Rate of Return，F(xiàn)IRR）接近基準(zhǔn)收益率（12%）。說(shuō)明該項(xiàng)目對(duì)主要原料及產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)具有較強(qiáng)的抵御能力。

圖2 原料及主產(chǎn)品價(jià)格敏感性分析Fig.2 Price sensitivity analysis of raw materials and main products

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

為有效控制民用散燒造成的污染，我國(guó)各地政府多采用財(cái)政補(bǔ)貼的方式，推進(jìn)潔凈型煤替代工作。2019 年保定市清苑區(qū)采暖季潔凈型煤的銷(xiāo)售價(jià)格為1 250 元/t，其中財(cái)政補(bǔ)貼500 元/t，補(bǔ)貼后的售價(jià)為750 元/t。2018 年蘭州市采暖季潔凈型煤售價(jià)1 280 元/t，政府補(bǔ)貼450 元/t，補(bǔ)貼后零售價(jià)不超過(guò)830 元/t。

可見(jiàn)在當(dāng)前潔凈型煤價(jià)格體系下，無(wú)論是外購(gòu)半焦末還是建立以半焦質(zhì)民用型煤為主要產(chǎn)品的煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化項(xiàng)目都具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。從財(cái)政補(bǔ)貼的角度分析，按照蘭炭焦面與動(dòng)力煤售價(jià)差80 元/t、成型成本244 元/t 計(jì)算，蘭炭型焦與動(dòng)力煤出廠價(jià)格差為324 元/t，也就是說(shuō)當(dāng)消費(fèi)地財(cái)政補(bǔ)貼大于324 元/t 時(shí)，用戶就會(huì)傾向于使用蘭炭型焦類(lèi)清潔燃料替代散燒煤，因此推動(dòng)半焦成型技術(shù)用于民用燃料的制備也可大大減少政府財(cái)政負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)論

（1）半焦作為低階煤中低溫?zé)峤猱a(chǎn)物，具有高熱值、低污染的燃燒特性。半焦質(zhì)型煤產(chǎn)品的推廣既可以有效降低民用散燒煤直接燃燒對(duì)大氣造成的污染，又可以實(shí)現(xiàn)我國(guó)儲(chǔ)量豐富的低階煤的高附加值利用，值得大力推廣。

（2）隨著成型技術(shù)的發(fā)展，半焦粉成型產(chǎn)品在發(fā)熱量、全硫、揮發(fā)分、強(qiáng)度、燃燒性能、污染物排放等指標(biāo)上均能滿足國(guó)家對(duì)民用型煤的標(biāo)準(zhǔn)要求。建議生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)一步加強(qiáng)半焦質(zhì)民用型煤檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性和規(guī)范性，完善產(chǎn)品中磷、氯、砷、汞、氟的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

（3）相較于半焦塊料，半焦末廉價(jià)易得，在當(dāng)前財(cái)政補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)下，無(wú)論是外購(gòu)半焦粉加工成型還是自建煤炭分質(zhì)轉(zhuǎn)化項(xiàng)目生產(chǎn)半焦質(zhì)民用型煤，均能夠獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。