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氣流床氣化低階煤的脫水提質(zhì)預(yù)處理

文檔作者：張鴻林文檔來源：水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年08月28日
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第6期(總第157期)
2011年l2月
煤化工
Coa1 Chemical Industry
No．6(Total No．157)
Dec．2011
氣流床氣化低階煤的脫水提質(zhì)預(yù)處理
張鴻林
(水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心，山東滕州277527)
摘要褐煤、長焰煤等高含水低階煤，無法直接用于水煤漿和粉煤氣流床氣化。概述了目前國內(nèi)外開發(fā)的
低階煤低溫蒸發(fā)脫水和干燥提質(zhì)，低階煤液態(tài)脫水提質(zhì)，轉(zhuǎn)化提質(zhì)等方法。適用于粉煤氣化的預(yù)處理關(guān)鍵是脫
水；適用于水煤漿氣化的預(yù)處理關(guān)鍵是提質(zhì)，以提高煤表面結(jié)構(gòu)的疏水性，降低干燥后煤的水分回吸平衡，制備
高濃度煤漿。
關(guān)鍵詞低階煤氣流床氣化脫水提質(zhì)
文章編號：1005—9598(2011)一06—0010—03 中圖分類號：T054 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
我國內(nèi)蒙古、新疆的褐煤和長焰煤儲量極為豐
富，但由于成煤相對年輕，煤質(zhì)化程度淺，煤分子基本
結(jié)構(gòu)單元的核周圍存在著一定數(shù)量的羧基、酚羥基等
親水含氧官能團(tuán)，煤的表面10-scm以下的毛細(xì)孔發(fā)
達(dá)，孔容和比表面積較大，使得這些低階煤具有氧含
量高和水含量高的特點(diǎn)，導(dǎo)致其熱值低、易自燃、難貯
運(yùn)、燃燒氣化效率低、成本高等。氣流床氣化的用煤，
由于水煤漿氣化經(jīng)濟(jì)性對煤漿濃度的要求以及粉煤
氣化煤粉密相輸送對水含量的要求，使得高含水量的
褐煤、長焰煤等低階煤的脫水干燥、脫水提質(zhì)成為高
效利用的關(guān)鍵。
1 低階煤低溫蒸發(fā)脫水及干燥提質(zhì)
蒸發(fā)脫水干燥，即通過加熱方法使褐煤、長焰煤
所含的大部分水被蒸發(fā)脫出，降低其水含量。加熱介
質(zhì)通常是蒸汽、煙氣等惰性熱風(fēng)，加熱方式可以直接
或間接加熱，加熱工藝有帶式、旋轉(zhuǎn)盤式、移動床干
燥、回轉(zhuǎn)滾筒干燥、流化床干燥等。
1．1 低溫淺度蒸發(fā)脫水
目前，對于現(xiàn)代大型煤化工項(xiàng)目，設(shè)計的淺度蒸
發(fā)脫水裝置中，大多選擇德國ZEMAG蒸汽回轉(zhuǎn)滾筒干
燥技術(shù)。原煤被破碎至小于6mm，均勻分布到滾筒內(nèi)
眾多干燥管內(nèi)，煤在管內(nèi)設(shè)置的螺旋葉片導(dǎo)流下，向
收稿日期：201卜08—1l
作者簡介：張鴻林(194l一)，男，1966年畢業(yè)于天津大學(xué)
化工系，高級工程師，總工程師，長期從事煤化工技術(shù)工作。
前推進(jìn)，被管外低壓蒸汽間接加熱。蒸發(fā)脫水后，煤中
水分可由40％左右降至10％～15％。干燥系統(tǒng)按防爆設(shè)
計，單臺加工量可達(dá)50t／h，技術(shù)成熟，安全可靠。對
新疆的褐煤、長焰煤采用Shel1、GSP、東方爐等氣化
技術(shù)，用于粉煤氣化制天然氣項(xiàng)目，設(shè)計院均推薦
ZEMAG干燥技術(shù)，先對原煤預(yù)干燥至含水<12％，再送
至中速磨機(jī)，制備可密相輸送的煤粉，送氣化爐氣化。
粉煤氣化對高含水的褐煤、長焰煤預(yù)干燥，只需
淺度蒸發(fā)脫水。因此ZEMAG干燥系統(tǒng)的加熱蒸汽溫度
不高于170 oC，干燥煤的溫度100℃左右，干燥過程中
煤粒溫度達(dá)不到煤的熱解溫度。經(jīng)預(yù)干燥含水12％的
煤進(jìn)入輥盤式中速磨機(jī)，進(jìn)一步磨制成含水<2％、
70p~m左右煤粉時，加熱介質(zhì)惰性煙氣的溫度為
230℃ ，煤粉出磨機(jī)的溫度為95℃～105℃ ，煤粉也不
會發(fā)生熱解。
高含水的褐煤、長焰煤通過低溫淺度蒸發(fā)脫水，
可滿足粉煤氣化制備煤粉的要求，而且在煤的干燥過
程中不發(fā)生煤熱解和揮發(fā)分的釋出，無需考慮揮發(fā)分
損失或回收問題。
低溫淺度蒸發(fā)脫水，即使可以把高含水的褐煤、
長焰煤脫至含水2％～10％，包括了部分內(nèi)在水分的脫
除，但在制作水煤漿時，仍會發(fā)生水分的復(fù)吸，導(dǎo)致無
法制成高濃度的水煤漿。這是因?yàn)楹置?、長焰煤在低
溫淺度蒸發(fā)脫水干燥過程中，煤的親水性表面結(jié)構(gòu)沒
有發(fā)生質(zhì)的改變。
1．2 低溫干燥提質(zhì)
如果在褐煤、長焰煤干燥的過程中，不只是脫除
了大部分吸附水分，而且在一定的溫度范圍內(nèi)，對煤
2011年l2月 張鴻林：氣流床氣化低階煤的脫水提質(zhì)預(yù)處理
的親水表面結(jié)構(gòu)還有一定程度的破壞，造成煤顆粒的
含氧官能團(tuán)、羧基和酚羥基含量降低及煤的孔容和比
表面積減少，會達(dá)到低階煤干燥提質(zhì)的目的，這種提
質(zhì)會對處理后煤的水分回吸有所影響。
中國礦業(yè)大學(xué)初茉等?以內(nèi)蒙古寶日希勒礦區(qū)
褐煤為煤樣，研究分析了干燥溫度對煤樣表面含氧官
能團(tuán)含量及孔結(jié)構(gòu)的影響；并通過干燥煤樣回吸水實(shí)
驗(yàn)，研究了含氧官能團(tuán)和孔結(jié)構(gòu)的變化對干燥煤樣回
吸水特性的影響。實(shí)驗(yàn)表明，煤樣中含氧官能團(tuán)含量
隨干燥溫度升高而降低，在280℃前主要脫除羧基，
280℃之后主要脫除酚羥基；干燥使煤樣孔隙結(jié)構(gòu)變
化，330℃前孔容積與比表面積隨干燥溫度升高而減
小，380℃煤表面發(fā)生熱解，揮發(fā)分析出，形成表面新
的孔隙，孔容與比表面積顯著增大；煤表面含氧官能
團(tuán)的含量越低，孔容與比表面越小，煤的吸水能力越
弱，反之越強(qiáng)。130℃～380℃干燥煤樣吸水平衡時，全
水分為12．75％～8．31％；對干燥條件全面優(yōu)化，干燥溫
度≥230℃時，干燥后褐煤回吸平衡水分基本上可以
穩(wěn)定在≤10％，實(shí)現(xiàn)褐煤的有效脫水提質(zhì)。
褐煤、長焰煤的干燥提質(zhì)，對煤的親水表面結(jié)構(gòu)
造成一定程度的破壞。含氧官能團(tuán)的脫落和分解以及
煤表面孑L隙的孔容與比表面減小，有效地降低了煤的
吸水能力，形成部分c0 和H20的釋出，沒有構(gòu)成煤的
有效成分損失。提質(zhì)后的煤，降低了含水，提高了熱
值，降低了運(yùn)輸成本，提高了燃燒氣化效率，可以作粉
煤氣化和動力用煤。能否用于水煤漿氣化，要看回吸
水平衡含水10％左右的煤粉，制備水煤漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
能否接近或達(dá)到60％。而干燥提質(zhì)的低階煤應(yīng)用于氣
流床氣化的前提是，干燥溫度≥230℃煤的顯熱如何
科學(xué)合理地得到回收與利用，在與后工序銜接時，減
少熱能的損失。
2 低階煤液態(tài)脫水提質(zhì)
低階煤液態(tài)脫水提質(zhì)是一種非蒸發(fā)水熱解技術(shù)，
可應(yīng)用于高于150℃的高壓水解過程，使低階煤中親
水的含氧官能團(tuán)發(fā)生分解，總酸值下降，羧基、酚羥基
含量明顯下降，并隨水熱解反應(yīng)終溫的升高，下降幅
度提高。親水含氧官能團(tuán)數(shù)量的減少，使低階煤水體
系釋放更多的束縛水成為自由水，煤表面性質(zhì)由親水
改為疏水。煤的內(nèi)水不需蒸發(fā)，而是以液態(tài)形式不可
逆地被脫除。在水熱解過程中，生成的煤焦油凝結(jié)在
煤表面縫隙和毛細(xì)孔中，封閉破壞了煤表面微孔結(jié)
構(gòu)，有效地防止水分的回吸。用提質(zhì)后的煤制作水煤
漿，其濃度可有明顯提升。
清華大學(xué)曾維薇等f2 將內(nèi)蒙白音華、霍林河的褐
煤和新疆哈密次煙煤，在高壓釜中進(jìn)行高壓水熱解實(shí)
驗(yàn)。煤樣在高壓釜中加熱至320℃ ，保溫保壓30min，
水熱解處理后，煤明顯變化的指標(biāo)為：(1)兩褐煤揮發(fā)
分下降5％左右，哈密次煙煤揮發(fā)分下降1．5％；(2)白
音華褐煤氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低7％左右，霍林河褐煤、哈密
次煙煤氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低4％左右；(3)兩褐煤o／c原子
比下降較大；(4)白音華褐煤表面含氧官能團(tuán)降低約
0．50mmol／g，霍林河褐煤表面含氧官能團(tuán)降低約
0．75mmol／g，而哈密次煙煤表面含氧官能團(tuán)降低僅
0．06mmol／g；(5)最大成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)：白音華褐煤由
54．7％提至65．7％，霍林河褐煤由50．8％提至61．9％，
哈密次煙煤則由55．4％變?yōu)?4．6％。
浙江大學(xué)的研究_3 也表明，褐煤在高壓水熱解處
理實(shí)驗(yàn)中，可以提高褐煤的煤階和熱值，表現(xiàn)為內(nèi)水
含量降低，氧含量減少，進(jìn)而提高褐煤的成漿條件。
目前，液態(tài)脫水使低階煤提質(zhì)的技術(shù)在國內(nèi)外仍
處于試驗(yàn)開發(fā)階段，反應(yīng)時高溫、高壓，時間長，工業(yè)
化成本比較高。同時也存在著高溫煤漿余熱回收和與
后工序銜接的問題。
3 低階煤的轉(zhuǎn)化提質(zhì)
褐煤、長焰煤的轉(zhuǎn)化提質(zhì)技術(shù)，即煤在450℃～
650℃輕度熱解干餾工藝技術(shù)。該過程首先是干燥除
去煤中大部分水分，接著是煤的輕度熱解，除去剩余
水分和部分揮發(fā)分。熱解后的低階煤經(jīng)激冷鈍化，成
為性質(zhì)穩(wěn)定的固體燃料半焦。副產(chǎn)回收低溫干餾氣相
冷凝物煤焦油，不凝氣含有部分可燃物。
經(jīng)轉(zhuǎn)化提質(zhì)得到的半焦的水分大為降低，固定碳
和熱值大幅提高，不易自燃，可長途運(yùn)輸，也可作為電
站鍋爐優(yōu)質(zhì)燃料、各種氣化原料。灰分、硫分低的半焦
還可用于高爐噴吹、鐵合金、電石等行業(yè)。內(nèi)蒙某礦褐
煤轉(zhuǎn)化提質(zhì)后，半焦含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)由原煤的39．00％
降至5．36％，固定碳由44．56％升至67．90％，收到基低
位熱由15．OSMJ／kg提至26．22MJ／kg，制備水煤漿質(zhì)
量分?jǐn)?shù)由50％升至60％。
副產(chǎn)煤焦油性狀與重油性狀相似，加工可得酚、
石腦油、柴油等油品，可燃?xì)饪勺魅剂匣蚧ぴ稀?
國內(nèi)外均開展了輕度熱解轉(zhuǎn)化提質(zhì)低階煤技術(shù)
的研發(fā)。美國LFC技術(shù)研發(fā)較早，并于1992年一l997
年在俄懷明州建成并運(yùn)行1 O00t／d褐煤的示范項(xiàng)
目。國內(nèi)浙江大學(xué)也較早開發(fā)了以煤輕度熱解為核心
一12 煤化工 2011年第6期
的熱、電、氣多聯(lián)產(chǎn)工藝；中科院郭慕孫院士提出了煤
拔頭技術(shù)，即油、煤氣、熱、電四聯(lián)產(chǎn)技術(shù)；大連理工大
學(xué)開發(fā)了DG熱解煤一半焦一燃料油多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)等。
還有五環(huán)工程有限公司與大唐華銀電力聯(lián)合在美國
ENCOAL的LFC技術(shù)基礎(chǔ)上，二次開發(fā)的LCC技術(shù)。
低階煤輕度熱解技術(shù)是成熟的，關(guān)鍵在于將生產(chǎn)
半焦、焦油、可燃?xì)飧鞣窒到y(tǒng)深加工產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)
進(jìn)行耦合，使大規(guī)模多聯(lián)產(chǎn)體現(xiàn)出節(jié)能、減排和高效的
優(yōu)勢。
4 結(jié) 語
4．1 對褐煤、長焰煤等含水較高的低階煤，只要把其
水分降至約10％，送入中速磨機(jī)繼續(xù)磨制，達(dá)到水質(zhì)
量分?jǐn)?shù)<2％、粒度約70pLm的需求，并便于密相輸送，
就可以被用于粉煤氣化。
4．2 對褐煤、長焰煤等含水較高的低階煤，需要在一
定程度上破壞煤表面親水結(jié)構(gòu)，降低含氧官能團(tuán)、孔
隙的孔容和比表面，把煤表面結(jié)構(gòu)提質(zhì)為疏水結(jié)構(gòu)，
就能不可逆地降低低階煤的含水。提質(zhì)后的低階煤就
可以用于磨制質(zhì)量分?jǐn)?shù)約60％的煤漿，用于水煤漿氣
化。輕度熱解得到的半焦也是水煤漿的較好原料。
參考文獻(xiàn)：
[1]初茉，吳弋峰．干燥提質(zhì)對褐煤表面結(jié)構(gòu)及水分回
吸特性的影響[G]／／全國低階煤加工利用技術(shù)及產(chǎn)業(yè)
化發(fā)展論壇文集．海拉爾：中國煤炭加工利用協(xié)會，
2O11：45—5O．
[2]曾維薇，謝蕊，張建勝，等．高壓水熱解處理對低階
煤含氧官能團(tuán)和成漿性影響的實(shí)驗(yàn)研究[G]／／全國
低階煤加工利用技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展論壇文集． 海拉
爾：中國煤炭加工利用協(xié)會，201 1：127—133．
[3]劉建忠，程軍，周俊虎，等．褐煤脫水提質(zhì)新技術(shù)研
究[G]／／全國低階煤加工利用技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展論
壇文集． 海拉爾：中國煤炭加工利用協(xié)會，2011：
2】一27．
Upgrade the Low Rank Coal with Dehydration Pretreatment
for Entrained Flow Gasification
Zhang Honglin
(National Engineering Research Center of Coal Water Slurry Gasification and
Coal Chemical Indust~，Tengzhou Shandong 277527，China)
Abstract The low rank coal like lignite and long flame coal，etc．has high water content and cannot be used in coal
water slurry or pulverized coal entrained flow gasification directly．The present methods that have been developed home
and abroad for updating the low rank coal，namely the evaporation dehydration method，the liquid state dehydration
method and the conversion method have been summed up．The key pretreatment for pulverized coal gasification lies in dehydration
while the key key pretreatment for the water slurry gasification lies in the upgrading of the coal quality，SO as to
improve the hydrophobicity of the coal surface structure and decrease the water absorption equilibrium of the dehydrated
coa1．Thus，the coal water slurry with high concentration is prepared．
Key words low rank coal，entrained flow gasification，dehydration，upgrading
啟 事
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