高翔，董統(tǒng)永，韓冰，張?chǎng)?/p>

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，北京 102206)

在全球能源日趨緊張的形勢(shì)下，隨著優(yōu)質(zhì)煤炭資源的不斷消耗，劣質(zhì)低階煤的利用技術(shù)成為能源和化工領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。由于儲(chǔ)量巨大、便于開發(fā)以及價(jià)格低廉，褐煤已成為電煤供應(yīng)鏈的重要組成部分[1-2]，越來越多電廠開始燃用褐煤[3]。但高水分的褐煤直接送入鍋爐燃燒，會(huì)惡化爐膛溫度條件，降低燃燒效率，增加排煙熱損失，導(dǎo)致電廠凈效率降低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差，煙氣排放量增加[1]。將褐煤提質(zhì)干燥技術(shù)與火電機(jī)組進(jìn)行集成耦合，可有效提高燃料能量密度，提高褐煤發(fā)電機(jī)組效率，降低煤耗，是高效利用褐煤、節(jié)能減排降碳的有效手段之一。同時(shí)，火力發(fā)電廠是耗水大戶，在我國(guó)華北、西北褐煤資源豐富的地區(qū)水資源相對(duì)匱乏，生態(tài)環(huán)境也比較脆弱，將褐煤中的水分提取后回收利用，可以顯著緩解干旱地區(qū)現(xiàn)代能源工業(yè)發(fā)展與水資源缺乏的矛盾，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，這也符合我國(guó)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。國(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)大型煤電基地建設(shè)的指導(dǎo)意見》提出鼓勵(lì)燃用褐煤電廠采用褐煤提水技術(shù)[4]。近年來，我國(guó)對(duì)褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了較多研究，從全球相關(guān)專利申請(qǐng)中可以清晰看到國(guó)內(nèi)外褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的進(jìn)展。

1 全球?qū)＠治?/h2>

為了了解褐煤干燥及褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的專利情況，選取DWPI、SIPOABS和CNABS數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，針對(duì)褐煤干燥技術(shù)領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行篩選，經(jīng)去重、合并同族后共獲得專利申請(qǐng)1 393項(xiàng)；針對(duì)褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行篩選，經(jīng)去重、合并同族后共獲得專利申請(qǐng)228項(xiàng)。

1.1 專利申請(qǐng)量變化趨勢(shì)

圖1所示為國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量變化趨勢(shì)。

圖1 國(guó)外及中國(guó)專利申請(qǐng)量變化趨勢(shì)

由圖1可以看出：國(guó)內(nèi)褐煤干燥技術(shù)發(fā)展滯后于國(guó)外，起步較晚，主要在2006年以后專利申請(qǐng)量出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)趨勢(shì)；國(guó)內(nèi)褐煤干燥技術(shù)和褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的專利申請(qǐng)量變化趨勢(shì)比較一致，褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)專利申請(qǐng)量趨勢(shì)線略滯后于褐煤干燥技術(shù)。結(jié)合總體技術(shù)的演進(jìn)路線，我國(guó)褐煤干燥及集成發(fā)電技術(shù)的發(fā)展按照時(shí)間順序分為以下3個(gè)階段。

a)技術(shù)萌芽期(2006年之前)。2006年以前，國(guó)內(nèi)幾乎沒有關(guān)于褐煤干燥技術(shù)的專利申請(qǐng)，而針對(duì)褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的研究更少，更沒有相關(guān)專利申請(qǐng)。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)80年代之前已經(jīng)對(duì)褐煤干燥技術(shù)進(jìn)行了大量研究：德國(guó)在20世紀(jì)40年代開始研究褐煤加工技術(shù)，美國(guó)、澳大利亞、日本等國(guó)家在20世紀(jì)70年代初開始研發(fā)褐煤提質(zhì)技術(shù)[5-7]。1986之后進(jìn)入專利申請(qǐng)量的緩慢下降階段，例如德國(guó)自1990年以來，煤炭資源和型煤使用逐漸萎縮，技術(shù)研發(fā)趨于停滯，后續(xù)褐煤技術(shù)的研發(fā)主要集中在電廠備煤脫水方面[7]。這個(gè)時(shí)期對(duì)于褐煤干燥技術(shù)的研究主要集中在設(shè)備和干燥方法本身以及褐煤干燥后特性，對(duì)于與電力系統(tǒng)的集成耦合以提高系統(tǒng)熱效率方面的研究相對(duì)較少。

b)急劇增長(zhǎng)期(2008—2014年)。這個(gè)時(shí)期，中國(guó)專利申請(qǐng)量進(jìn)入急劇增長(zhǎng)時(shí)期。隨著國(guó)內(nèi)一次能源消耗和煤炭?jī)r(jià)格的提高，以及在國(guó)內(nèi)追求節(jié)能減排的大環(huán)境下，褐煤的價(jià)值得以凸顯，褐煤提質(zhì)利用技術(shù)受到空前重視，這得益于我國(guó)煤炭清潔化利用、節(jié)能減排等相關(guān)政策的影響。我國(guó)褐煤干燥技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)量在這一時(shí)期迅速增長(zhǎng)，超過國(guó)外，成為褐煤干燥技術(shù)專利申請(qǐng)量全球最大的國(guó)家。這個(gè)階段我國(guó)褐煤干燥技術(shù)研究及相關(guān)專利主要集中在褐煤的直接或間接加熱蒸發(fā)干燥，包括蒸汽、煙氣或微波加熱干燥脫水[8]。同時(shí)，褐煤干燥技術(shù)也向其他領(lǐng)域和行業(yè)延伸，褐煤干燥在發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用和集成逐漸開始發(fā)展。

c)緩慢下降期(2014—2020年)。2014年以后，國(guó)內(nèi)褐煤干燥相關(guān)專利申請(qǐng)量緩慢下降，褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的專利申請(qǐng)量趨勢(shì)與褐煤干燥技術(shù)基本一致。在這個(gè)階段，我國(guó)褐煤干燥技術(shù)的相關(guān)專利主要集中在對(duì)已有技術(shù)的改進(jìn)上。國(guó)內(nèi)褐煤干燥技術(shù)在經(jīng)過了之前的政策性爆發(fā)式發(fā)展后遇到了一定的問題，整體突破較少，無(wú)論在技術(shù)上還是管理上均不夠成熟，對(duì)褐煤干燥基礎(chǔ)理論的研究、防止干燥后產(chǎn)品復(fù)吸的技術(shù)研究、新型干燥工藝及干燥設(shè)備的研發(fā)均有待進(jìn)一步加強(qiáng)[1,9]。另外，煤炭行情和政策對(duì)褐煤干燥技術(shù)的研發(fā)也有一定影響，下游能源需求增速放緩和上游煤炭產(chǎn)能的膨脹，導(dǎo)致煤炭行情低迷，隨著2012年煤炭寒冬的到來，對(duì)褐煤的開發(fā)和投資有所下降。并且由于專利有一定時(shí)間的審查過程，發(fā)明專利還有18個(gè)月的公開期限，這些反映在專利申請(qǐng)量上也會(huì)有一定的時(shí)間延遲。

2014年以后，隨著對(duì)電廠節(jié)能減排的要求越來越高，褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)在這一階段更加關(guān)注系統(tǒng)效率、安全性穩(wěn)定性以及環(huán)保排放指標(biāo)的提升，研究人員對(duì)不同的耦合方式、干燥形式以及與整個(gè)電廠熱力系統(tǒng)的匹配進(jìn)行了進(jìn)一步的挖掘和研究。

1.2 專利申請(qǐng)量分布

為了了解褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的申請(qǐng)人國(guó)家分布情況以及在全球的專利布局情況，對(duì)檢索獲得的文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2和圖3所示。

由圖2可以看出，中國(guó)申請(qǐng)人在全球?qū)＠暾?qǐng)量上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，這體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)對(duì)褐煤干燥及褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)研發(fā)、專利保護(hù)的重視，也表明中國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)逐漸趕上歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。其次具有優(yōu)勢(shì)的是德國(guó)、美國(guó)、日本和澳大利亞(主要是德國(guó))，這些國(guó)家均為傳統(tǒng)能源科技工業(yè)大國(guó)。

圖2 褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)專利申請(qǐng)人國(guó)家分布

由圖3可以看出，主要的專利布局國(guó)家分布與申請(qǐng)人國(guó)別分布基本一致，中國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、日本是主要的申請(qǐng)人所在國(guó)，也是主要的專利布局國(guó)家。不同的地方在于：在褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的主要布局國(guó)家中，印度和印度尼西亞的專利申請(qǐng)量近年來不斷上升，占據(jù)了明顯比重，成為褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)專利布局的重要國(guó)家，但印度和印度尼西亞的褐煤預(yù)干燥發(fā)電專利申請(qǐng)人多為德國(guó)、美國(guó)、日本、中國(guó)的專利申請(qǐng)人(主要是德國(guó))，這與印度和印度尼西亞的電力市場(chǎng)格局及一次能源結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。印度和印度尼西亞的煤炭資源大部分為低階煤種，褐煤占了很大比重，也是當(dāng)?shù)厝济弘姀S的主要燃料來源，更加安全高效環(huán)保地利用褐煤資源成為當(dāng)?shù)氐闹匾枨?。另外，印度和印度尼西亞電力市?chǎng)的國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，跨國(guó)能源企業(yè)不斷在兩國(guó)進(jìn)行褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的專利布局，以增強(qiáng)其在兩國(guó)電力市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。印度和印度尼西亞均為我國(guó)“一帶一路”“走出去”戰(zhàn)略的重要國(guó)家，也是我國(guó)電力能源企業(yè)的重要國(guó)際市場(chǎng)，而我國(guó)申請(qǐng)人的褐煤耦合發(fā)電技術(shù)專利主要布局在中國(guó)國(guó)內(nèi)，海外布局意識(shí)欠缺。在共建“一帶一路”擴(kuò)大開放和中國(guó)企業(yè)“走出去”戰(zhàn)略的大背景下，我國(guó)能源企業(yè)紛紛進(jìn)軍海外市場(chǎng)，帶來新的機(jī)遇的同時(shí)，也面臨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)。合理地在如印度、印度尼西亞等電力市場(chǎng)快速發(fā)展的國(guó)家進(jìn)行專利布局，積極建立并形成技術(shù)壁壘和保護(hù)范圍，了解競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的技術(shù)特點(diǎn)和專利保護(hù)策略，做好風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和防范工作，對(duì)我國(guó)能源企業(yè)開拓占領(lǐng)當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)，在與美、日、德等電力巨頭的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中提高自身競(jìng)爭(zhēng)力具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

圖3 褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)專利布局國(guó)家分布

1.3 主要申請(qǐng)人分布

褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)全球前十大申請(qǐng)人(按照申請(qǐng)量由多到少的順序排名)分別為：西安交通大學(xué)、上海機(jī)易電站設(shè)備有限公司、德國(guó)RWE動(dòng)力股份公司、華北電力大學(xué)、通用電氣技術(shù)有限公司、華能西安熱工研究院有限公司、山東天力公司、中國(guó)神華集團(tuán)有限責(zé)任公司、德國(guó)萊茵褐煤制品公司RHEINBRAUN AG。中國(guó)的專利申請(qǐng)人共有6家，在褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新主體中占有重要位置。在中國(guó)的申請(qǐng)人中，有一半是高校或研究所，其中，西安交通大學(xué)是褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)專利申請(qǐng)量最多的申請(qǐng)人。德國(guó)的專利申請(qǐng)人有2家，均為老牌國(guó)際能源企業(yè)，其中RWE動(dòng)力股份公司在20世紀(jì)90年代就開始申請(qǐng)褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的專利，并逐漸在全球范圍內(nèi)布局。褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)專利布局的國(guó)家既包括老牌工業(yè)化強(qiáng)國(guó)，也包括新興電力市場(chǎng)快速發(fā)展的第三世界國(guó)家。另外，美國(guó)通用電氣、日本三菱等老牌國(guó)際能源企業(yè)也對(duì)褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)開展了大量研究，并申請(qǐng)了專利。

2 關(guān)鍵技術(shù)及耦合方式分布

根據(jù)褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的工藝特點(diǎn)，確定6個(gè)技術(shù)分支分別為：流化床干燥、回轉(zhuǎn)管式干燥、混合式滾筒干燥、下行干燥管、風(fēng)扇磨以及帶式干燥。根據(jù)褐煤干燥系統(tǒng)從發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)中提取熱量的位置不同，確定12種耦合取熱方式的干燥熱源分別為：煙氣、汽輪機(jī)抽汽、鍋爐給水、汽輪機(jī)排汽、凝結(jié)水、燃?xì)廨啓C(jī)排氣和焦化廠排氣、電廠循環(huán)水和太陽(yáng)能、汽輪機(jī)抽汽和煙氣、給水泵驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)排汽、汽輪機(jī)排汽和空冷島熱空氣、電廠循環(huán)水再熱蒸汽和汽輪機(jī)抽汽。

在褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)中，褐煤干燥系統(tǒng)通過提取發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)中的低品位熱源或廢熱的熱量作為褐煤干燥系統(tǒng)的輸入熱源，干燥提質(zhì)后的褐煤輸送至發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)中作為鍋爐燃料，燃燒產(chǎn)生熱量。干燥系統(tǒng)與發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)耦合方式的選取與干燥機(jī)型式密切相關(guān)，而耦合方式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的熱效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性、干燥出力等影響較大。圖4所示為不同干燥耦合方式，圖中：橫坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)干燥機(jī)型式，縱坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)熱源(括號(hào)內(nèi)數(shù)字為相應(yīng)占比)；圓圈大小代表所采用干燥機(jī)型式和熱源的專利比例大小。

由圖4可以看出：流化床干燥機(jī)可以采用多種低品位熱源，采用流化床干燥機(jī)的褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)專利占申請(qǐng)量的44%，具有明顯優(yōu)勢(shì)。這主要是因?yàn)榱骰哺稍餀C(jī)耦合方式靈活，能效高，水分可以循環(huán)利用，適用于大型化工業(yè)生產(chǎn)。除了流化床干燥機(jī)之外，回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)可以采用的熱源范圍也較多，耦合方式較為靈活，可以從汽輪機(jī)排汽、鍋爐給水、給水泵驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)排汽等提取熱量。其余干燥機(jī)包括混合式滾筒干燥機(jī)、帶式干燥機(jī)、下行干燥管、風(fēng)扇磨，均主要抽取鍋爐煙氣進(jìn)入干燥機(jī)，提取煙氣中的熱量進(jìn)行干燥，取熱位置相對(duì)單一，并且這幾種干燥機(jī)均為直接接觸式蒸發(fā)換熱的方式，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖4 不同干燥技術(shù)熱源分布

從干燥熱源取熱方式來看，通過抽取發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)中的鍋爐煙氣為褐煤干燥系統(tǒng)提供熱量，是應(yīng)用最廣泛的取熱方式。鍋爐煙氣是系統(tǒng)中最常用的低品位干燥熱源，褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)專利中統(tǒng)計(jì)的6種類型干燥機(jī)均有采用煙氣作為干燥熱源的。在熱力循環(huán)系統(tǒng)中，排煙熱損失是影響系統(tǒng)效率的重要因素，鍋爐煙氣含有一定熱量，通過抽取煙氣為褐煤干燥系統(tǒng)加熱，能夠有效回收煙氣中的余熱，并且煙氣含氧量低，不容易引起干燥后褐煤的自燃或爆炸，具有一定的安全性。汽輪機(jī)抽汽也是較為常用的褐煤干燥熱源，是回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)和流化床干燥機(jī)的主要干燥熱源。在電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)中，排汽冷凝熱損失是主要的不可逆熱損失之一，通過抽取汽輪機(jī)低壓抽汽回收其中的熱量，可有效減少汽輪機(jī)排汽量，提高系統(tǒng)熱效率，并且汽輪機(jī)低壓抽汽的能量與褐煤干燥系統(tǒng)用能對(duì)口，系統(tǒng)設(shè)置較為靈活，可以做到梯級(jí)利用。另外，汽輪機(jī)低壓抽汽是過熱蒸汽，作為褐煤干燥熱源不容易發(fā)生自燃、爆炸，安全性較好。隨著技術(shù)發(fā)展，不斷開發(fā)出新的耦合取熱方式或不同的取熱方式組合，如從鍋爐給水取熱、從凝結(jié)水取熱、從電廠循環(huán)水取熱、從空冷島熱空氣和汽輪機(jī)排汽聯(lián)合取熱等，但相關(guān)專利數(shù)量都較少，對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響與從煙氣、汽輪機(jī)抽汽相比，均有一定差異。

根據(jù)采用的干燥機(jī)型式不同，下文具體分析每種褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的發(fā)展路線，由于采用帶式干燥機(jī)的褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)專利極少，也不是該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，不對(duì)其展開分析。

2.1 流化床干燥機(jī)

流化床干燥機(jī)包括內(nèi)置加熱式蒸汽流化床干燥機(jī)、煙氣流化床干燥機(jī)、空氣流化床干燥機(jī)，目前應(yīng)用最多的是內(nèi)置加熱蒸汽流化床干燥機(jī)，在采用流化床干燥機(jī)的褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)中，其專利文獻(xiàn)占比73%。這主要是由于內(nèi)置加熱式流化床干燥機(jī)具有熱效率高，與發(fā)電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)能較好地耦合匹配，水分可以循環(huán)利用，不容易爆炸、自燃，安全性好等特點(diǎn)。但內(nèi)置加熱式蒸汽流化床干燥機(jī)要求進(jìn)入干燥機(jī)的煤破碎到較小粒度，對(duì)破碎機(jī)的要求較高。煙氣和空氣流化床干燥機(jī)分別采用鍋爐熱煙氣和熱空氣作為流化介質(zhì)，在褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)有專利也有使用，但數(shù)量相對(duì)較少。

將流化床干燥系統(tǒng)引入燃煤電站與電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)集成耦合發(fā)電的方式，早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)出現(xiàn)在國(guó)外專利中：例如德國(guó)1992年的專利申請(qǐng)DE4020994A[10]提出采用內(nèi)置加熱式蒸汽流化床干燥機(jī)，從汽輪機(jī)低壓蒸汽取汽，一部分作為流化床內(nèi)置熱源，另一部分與干燥乏汽的混合氣作為流化介質(zhì)；美國(guó)1992年的專利申請(qǐng)US5137539A[11]提出采用煙氣流化床干燥機(jī)，抽取鍋爐煙氣與干燥乏汽混合作為流化介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了褐煤干燥系統(tǒng)與發(fā)電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)的集成耦合。我國(guó)在這方面最早的專利申請(qǐng)出現(xiàn)在2010年，例如專利申請(qǐng)CN201697441U[12]提出采用內(nèi)置加熱式過熱蒸汽流化床干燥機(jī)，熱源取自汽輪機(jī)抽汽或排汽，干燥乏汽一部分經(jīng)過壓縮后送回干燥機(jī)做流化風(fēng)，一部分回收再利用。通過對(duì)主要申請(qǐng)人專利文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，采用流化床干燥機(jī)的褐煤預(yù)干燥集成發(fā)電技術(shù)專利共有42件，這些專利主要涵蓋3個(gè)方面的改進(jìn)和研究：耦合取熱方式以及與整個(gè)電廠熱力系統(tǒng)匹配的改進(jìn)和研究、與其他技術(shù)相結(jié)合的綜合利用改進(jìn)和研究、針對(duì)熱效率潛力的挖掘和改進(jìn)研究。對(duì)這些專利涉及的改進(jìn)類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，采用流化床干燥機(jī)的褐煤預(yù)干燥發(fā)電系統(tǒng)改進(jìn)中，涉及耦合取熱方式改進(jìn)的專利最多，占52%；其次是與其他技術(shù)相結(jié)合的綜合利用研究和改進(jìn)，占31%；熱效率潛力挖掘改進(jìn)的專利相對(duì)較少，占17%。在這些專利中，涉及耦合取熱方式改進(jìn)的專利主要是2010年以后中國(guó)申請(qǐng)人申請(qǐng)的專利，例如中國(guó)專利申請(qǐng)CN103807868A[13]提出采用內(nèi)置加熱式空氣流化床干燥機(jī)，抽取汽輪機(jī)排汽作為內(nèi)置干燥熱源，抽取空冷島出口熱空氣作為流化介質(zhì)，充分回收利用汽輪機(jī)排汽和空冷島出口熱空氣的廢熱；CN203203362U[14]提出采用空氣流化床干燥并設(shè)置褐煤預(yù)熱器，抽取一部分電廠循環(huán)水為褐煤預(yù)熱，抽取一部分電廠循環(huán)水為空氣加熱，被加熱后的空氣再通過太陽(yáng)能集熱器進(jìn)一步加熱提升溫度后，進(jìn)入空氣流化床干燥器干燥預(yù)熱后的褐煤。與其他技術(shù)相結(jié)合的綜合利用改進(jìn)和研究主要出現(xiàn)在德國(guó)申請(qǐng)人申請(qǐng)的專利中，例如德國(guó)RWE的專利DE102010010540A[15]引入碳捕捉系統(tǒng)，蒸汽流化床褐煤干燥系統(tǒng)與碳捕捉系統(tǒng)以及燃煤電廠熱力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)集成耦合發(fā)電，通過干燥乏汽為碳捕捉系統(tǒng)提供再生解吸熱量，氣體洗滌器的廢熱部分用于預(yù)熱給水；DE102011009903A1[16]提出將燃?xì)廨啓C(jī)電廠與褐煤干燥和焦化系統(tǒng)相結(jié)合，褐煤在干燥機(jī)中進(jìn)行干燥后進(jìn)入碳化設(shè)備，產(chǎn)生的氣體用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)排氣熱量、焦化熱量、干熄焦熱量回收用于干燥褐煤，實(shí)現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)綜合利用。針對(duì)熱效率潛力挖掘和改進(jìn)的相關(guān)專利，國(guó)內(nèi)和國(guó)外均有出現(xiàn)，隨著對(duì)電廠節(jié)能減排的要求越來越高，流化床褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)更加關(guān)注能量利用的品質(zhì)和效率以及系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。例如專利申請(qǐng)EP3106750A1[17]提出采用流化床褐煤預(yù)干燥發(fā)電系統(tǒng)與壓縮式熱泵技術(shù)相結(jié)合，利用熱泵對(duì)發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)中的低品位熱源進(jìn)行提質(zhì)后，進(jìn)入流化床干燥機(jī)作為內(nèi)置熱源，進(jìn)一步提高能量利用效率；CN106288496A[18]提出采用內(nèi)置加熱式空氣流化床干燥機(jī)，通過太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)為吸收式熱泵提供驅(qū)動(dòng)能量，通過吸收式熱泵提取電廠循環(huán)水熱量加熱空氣和換熱介質(zhì)，再通過空氣和換熱介質(zhì)進(jìn)入流化床干燥機(jī)干燥褐煤，充分回收利用低品位廢熱，進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率；CN105179031A[19]提出采用兩級(jí)內(nèi)置加熱式蒸汽流化床干燥機(jī)，兩級(jí)干燥分別取自不同熱源，充分考慮褐煤內(nèi)、外在水分脫除難度的不同，進(jìn)行不同條件下的干燥，實(shí)現(xiàn)能量對(duì)口和梯級(jí)利用，進(jìn)一步提高能量利用效率。以上僅對(duì)主要申請(qǐng)人專利文獻(xiàn)中出現(xiàn)的改進(jìn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，未涵蓋所有改進(jìn)發(fā)明，但也從側(cè)面反映出采用流化床干燥機(jī)的褐煤預(yù)干燥發(fā)電系統(tǒng)改進(jìn)的一些趨勢(shì)。

圖5 流化床褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)改進(jìn)類型

2.2 回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)

在20世紀(jì)90年代，德國(guó)已經(jīng)開始將回轉(zhuǎn)管式干燥系統(tǒng)引入燃煤電站與電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)集成耦合發(fā)電，在專利申請(qǐng)DE4314010A1[20]中，提出采用間壁換熱管式干燥機(jī)，抽取燃煤電站的鍋爐排煙對(duì)褐煤進(jìn)行干燥，系統(tǒng)采用較為簡(jiǎn)單的連接方式。在這個(gè)時(shí)期，蒸汽回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)本身已是相對(duì)比較成熟的技術(shù)，在煤化工、冶金等行業(yè)有較多應(yīng)用，但在褐煤耦合發(fā)電中應(yīng)用的專利申請(qǐng)量卻相對(duì)較少。中國(guó)在2010年左右才開始出現(xiàn)將回轉(zhuǎn)管式干燥系統(tǒng)引入燃煤電站與電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)集成耦合發(fā)電的專利申請(qǐng)，例如最早在專利申請(qǐng)CN101881191A[21]中提出可采用回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)，汽輪機(jī)低壓抽汽作為干燥熱源，在干燥裝置中釋放熱量凝結(jié)成的飽和水通過疏水泵送至除氧器，進(jìn)入汽輪機(jī)給水系統(tǒng)，完成抽汽循環(huán)，褐煤在干燥機(jī)中干燥蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸汽經(jīng)過除塵器凈化后進(jìn)入熱能和廢水回收裝置回收，在提高系統(tǒng)效率的同時(shí)，能夠回收大量水分。通過對(duì)主要申請(qǐng)人專利文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，采用回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)的褐煤預(yù)干燥集成發(fā)電技術(shù)專利主要集中在對(duì)熱效率潛力的挖掘和改進(jìn)研究上，例如專利CN102759265A[22]提出在采用回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)的褐煤預(yù)干燥耦合發(fā)電系統(tǒng)中集成吸收式熱泵，利用汽輪機(jī)抽汽作為吸收式熱泵驅(qū)動(dòng)熱源，利用蒸發(fā)器回收干燥尾氣的熱量，利用熱泵吸收器、冷凝器釋放的熱量作為褐煤干燥的熱源，從而有效降低褐煤干燥過程中的能耗，提高褐煤預(yù)干燥發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率。CN102759259 A[23]提出褐煤預(yù)干燥發(fā)電系統(tǒng)采用回轉(zhuǎn)管式干燥和混合式滾筒干燥機(jī)兩級(jí)干燥的方式，首先利用鍋爐排煙在混合式滾筒干燥機(jī)中對(duì)褐煤進(jìn)行第一級(jí)干燥，然后在回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)中利用汽輪機(jī)抽汽對(duì)褐煤進(jìn)行第二級(jí)干燥，干燥尾氣用于對(duì)冷空氣的預(yù)熱，進(jìn)一步回收能量，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，從而提高褐煤利用效率。CN102758657A[24]提出采用回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)，將噴射器用于褐煤預(yù)干燥發(fā)電系統(tǒng)，利用較高壓力的汽輪機(jī)抽汽引射較低壓力的汽輪機(jī)抽汽或者汽輪機(jī)排汽，產(chǎn)生與褐煤干燥機(jī)相匹配的熱源，從而降低不可逆損失，提高系統(tǒng)發(fā)電效率。也有涉及耦合取熱方式改進(jìn)的專利，但相對(duì)較少，如CN103343954A[25]提出采用回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)，抽取省煤器出口給水作為干燥熱源，將換熱后的熱水與來自高加的給水混合后送入省煤器入口，在干燥褐煤的同時(shí)回收褐煤中的水分。對(duì)采用回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)發(fā)電的專利進(jìn)行申請(qǐng)時(shí)間和主題的分析發(fā)現(xiàn)，從時(shí)間分布來看，系統(tǒng)逐漸從簡(jiǎn)單化向復(fù)雜化發(fā)展，由簡(jiǎn)單混合集成向能量梯級(jí)利用發(fā)展，不同系統(tǒng)之間的耦合匹配和深度融合旨在最大限度地提高能量利用效率，這仍是未來一段時(shí)間內(nèi)研究的重點(diǎn)。

2.3 下行干燥管和風(fēng)扇磨

風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)是應(yīng)用在發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)中最傳統(tǒng)的褐煤干燥設(shè)備，但由于其存在磨損大、能耗高、布置困難、褐煤水分無(wú)法回收等缺點(diǎn)，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用非常少，采用風(fēng)扇磨干燥也不是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。近年來的專利申請(qǐng)中仍然采用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)干燥褐煤集成發(fā)電的專利主要是通過風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)與其他干燥技術(shù)相結(jié)合，例如下行干燥管。上海機(jī)易電站設(shè)備有限公司主要采用下行干燥管技術(shù)，是采用下行干燥管的褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)專利主要申請(qǐng)人，2011年申請(qǐng)了下行干燥管與不同制粉系統(tǒng)相結(jié)合的多個(gè)干燥耦合發(fā)電專利申請(qǐng)。與流化床、回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)不同的是，下行干燥管的干燥熱源較為單一，一般采用鍋爐煙氣作為干燥熱源，能與風(fēng)扇磨較好地配合。例如CN202132966U[26]提出褐煤預(yù)干燥發(fā)電系統(tǒng)采用下行干燥管進(jìn)行預(yù)干燥，結(jié)合風(fēng)扇磨直吹制粉系統(tǒng)，下行干燥管的熱源來自于鍋爐高溫?zé)煔馀c干燥乏汽的混合氣體。經(jīng)過安全高效的原煤預(yù)干燥，風(fēng)扇磨煤機(jī)入口所需的干燥劑初溫明顯降低，采用熱風(fēng)與冷煙混合物作為進(jìn)入風(fēng)扇磨煤機(jī)的通風(fēng)與干燥介質(zhì)，該系統(tǒng)還可以利用冷乏汽來調(diào)節(jié)高溫爐煙干燥劑的初溫，不僅避免了乏汽排空污染環(huán)境，還進(jìn)一步發(fā)揮了冷乏汽的用途。CN202132968U[27]提出褐煤預(yù)干燥發(fā)電系統(tǒng)采用下行干燥管進(jìn)行預(yù)干燥，結(jié)合鋼球磨中間倉(cāng)儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)，下行干燥管的熱源來自于鍋爐高溫?zé)煔馀c干燥乏汽的混合氣體。

2.4 混合式滾筒干燥機(jī)

混合式滾筒干燥是傳統(tǒng)的煤干燥技術(shù)，干燥介質(zhì)一般為煙氣，廣泛用于煤泥的直接干燥。在采用混合式滾筒干燥機(jī)通過熱煙氣對(duì)高揮發(fā)份、高水分、低燃點(diǎn)的褐煤進(jìn)行直接接觸干燥后，蒸發(fā)的水分中含有空氣，水分潛熱不容易得到充分利用，并且直接干燥技術(shù)采用的煙氣通常在400～600 ℃，相對(duì)于過熱蒸汽的間接干燥技術(shù)，易導(dǎo)致干燥機(jī)內(nèi)局部溫度過高，引發(fā)褐煤著火燃燒或爆炸事故，系統(tǒng)安全性較差；如改用低溫?zé)煔?，干燥?qiáng)度低，不容易滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。因此，混合式滾筒干燥機(jī)在褐煤預(yù)干燥發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用較少。2012年，西安交通大學(xué)的專利申請(qǐng)CN102759259A[23]中開始將混合式滾筒干燥機(jī)作為褐煤預(yù)干燥發(fā)電系統(tǒng)中兩級(jí)干燥單元中的一級(jí)干燥單元，與采用抽汽干燥的回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)配合使用，利用鍋爐排煙在煙氣干燥機(jī)中對(duì)褐煤進(jìn)行第一級(jí)干燥，然后利用汽輪機(jī)抽汽對(duì)褐煤進(jìn)行第二級(jí)干燥，從而使褐煤達(dá)到較高的干燥程度。2014年的CN104676971A[28]提出采用混合式滾筒干燥機(jī)，采用鍋爐煙氣作為干燥熱源，結(jié)合吸收式熱泵分步梯級(jí)回收干燥尾氣中的熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)外供熱的同時(shí)回收水分，形成熱電水多聯(lián)產(chǎn)，提高了回收水率及回收水的品質(zhì)。

3 總結(jié)和展望

從褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程來看，近10年是中國(guó)褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期，大量專利申請(qǐng)涌現(xiàn)，截至2020年底，中國(guó)的專利申請(qǐng)量占全球?qū)＠暾?qǐng)總量的比例已高達(dá)65.8%，領(lǐng)漲全球；盡管中國(guó)在知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局上的起步晚于美國(guó)、日本等國(guó)家，但成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)良好，技術(shù)研發(fā)活躍。從褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新主體來看，德國(guó)、日本、美國(guó)的研發(fā)的主體大多數(shù)是企業(yè)，而中國(guó)研發(fā)的主體中高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)占據(jù)了最重要的位置，中國(guó)能源企業(yè)的專利開發(fā)保護(hù)和海外專利布局意識(shí)有待進(jìn)一步提高。

近幾年來，煤炭行業(yè)的供給側(cè)改革緩解了煤炭供給供大于求的局面，煤炭?jī)r(jià)格持續(xù)高位運(yùn)行，褐煤產(chǎn)業(yè)開始復(fù)蘇，坑口電廠是最適合褐煤干燥的轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，配套特高壓工程的電源點(diǎn)也帶來了新的燃煤需求。褐煤預(yù)干燥集成發(fā)電可有效提高鍋爐效率，節(jié)約水資源，節(jié)能減排，將干燥后的褐煤直接送入爐膛燃燒還能夠有效避免干燥后的褐煤在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程中的復(fù)吸問題。但褐煤預(yù)干燥發(fā)電的投資成本較高，受煤炭市場(chǎng)和政策的影響較大，如何降低褐煤預(yù)干燥發(fā)電的成本，進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)化效率仍然是褐煤預(yù)干燥發(fā)電需要解決的問題。從專利數(shù)據(jù)分析可以看出：在褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)相關(guān)專利中，采用流化床干燥機(jī)和回轉(zhuǎn)管式干燥機(jī)，從鍋爐煙氣或汽輪機(jī)抽汽取熱作為干燥熱源的專利占有最大的比重；無(wú)論采用哪種干燥機(jī)，其系統(tǒng)都在由簡(jiǎn)單化向復(fù)雜化發(fā)展，由簡(jiǎn)單混合集成向能量梯級(jí)利用發(fā)展，不同系統(tǒng)之間的耦合匹配和深度融合以及對(duì)熱效率潛力的挖掘研究仍是未來研究的重點(diǎn)。另外，在褐煤預(yù)干燥發(fā)電的過程中，能夠通過冷凝式換熱器回收乏汽中所含大量蒸汽潛熱及水分，進(jìn)一步提高電廠效益，但這個(gè)過程中冷凝式換熱器工作在酸露點(diǎn)溫度以下，冷媒需求量巨大，存在腐蝕和設(shè)備大型化的問題，對(duì)干燥乏汽中水和酸冷凝規(guī)律研究、對(duì)冷凝換熱器的材料和防腐設(shè)計(jì)、開發(fā)全尺寸大型冷凝換熱器等都是亟待研究的重點(diǎn)。隨著對(duì)節(jié)能減排的要求越來越高，褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)更加關(guān)注能量利用的品質(zhì)和效率以及系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，并向環(huán)保降碳、新能源技術(shù)領(lǐng)域延伸與融合，進(jìn)行耦合發(fā)電綜合利用研究。褐煤還可以用于生產(chǎn)多種煤化工副產(chǎn)品，同時(shí)成為其他技術(shù)和工藝的原材料，將褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)與其他工藝、產(chǎn)品形成多聯(lián)產(chǎn)梯級(jí)利用，可提高褐煤的利用價(jià)值和綜合效益，這也會(huì)成為一段時(shí)間內(nèi)我國(guó)褐煤預(yù)干燥發(fā)電技術(shù)的重要研究方向之一。