12 褐煤干燥技术发展及其应用现状.doc

第二届全国褐煤干燥、提质技术与产业发展论坛文集褐煤干燥技术发展及其应用现状李胜1李胜（1971-），男，山东济南人，毕业于山东大学，归国博士，应用研究员，主要从事洁净煤技术的研究。，蒋斌1，史勇春1，董文学2，徐坚2，张弘2，杨军3，陈福祥3 1、山东天力干燥设备股份有限公司、山东省科学院工业节能中心，山东济南 250103;2、中电投上海电力股份有限公司，上海 200010；3、华能九台电厂，吉林长春 130501摘要：本文总结了国内外褐煤预干燥技术的发展现状，针对传统热力干燥在褐煤电厂应用中存在的高能耗、高投资和低安全性的实际问题,开展了褐煤过热蒸汽干燥的机理实验研究和中试试验研究，结果表明：过热蒸汽的干燥效果优于常规热空气的干燥效果；中试试验系统能稳定、连续地对褐煤进行干燥，且干燥产品符合褐煤干燥实际工业应用的要求。提出了一种由山东省科学院开发的过热蒸汽预干燥低质煤提质（SCU）洁净煤技术，对其在节能、安全等方面的技术先进性作了具体的对比分析，结果表明该技术能耗低、安全且节能效果好。开发褐煤过热蒸汽干燥成套工艺，能促进能源和电力行业的发展，具有广阔的应用前景。关键词：褐煤；过热蒸汽干燥；洁净煤技术；安全；节能1、中国的褐煤应用及干燥提质技术现状褐煤是一种高挥发分、高水分、高灰分、低热值（14MJ/kg左右）、低灰熔点、污染重且利用率相对较低的资源。目前，我国烟煤、无烟煤等优质煤资源已被充分利用，拓展空间有限，而对褐煤的大规模开发利用刚刚开始。我国褐煤资源相对比较丰富，己探明的储量达1303亿吨，占全国煤炭储量的13%，开采成本低，其中内蒙古占全国褐煤总储量的77%。我国的褐煤普遍存在湿度大（30%50%）而导致的燃点低和二氧化碳排放量大的缺点，直接燃烧未提质的褐煤原煤，会产生严重的环境污染问题（二氧化碳排放量比普通烟煤高15%左右），增加电厂和煤化工项目的建设和运行的成本；同时，较高的含水量导致褐煤运输费用增加，限制了内蒙地区丰富的褐煤资源外运至南方沿海城市利用的空间。 提质工艺是指通过合理的干燥过程，降低褐煤的含水量，提高褐煤能量密度的技术。目前，国内褐煤干燥的工业应用还没有大规模展开。国内准工业规模褐煤预脱水装置分为：燃煤烟气直接接触：链板式，移动床式，转筒干燥和蒸汽间接干燥：过热蒸汽内加热流化床, (过热)蒸汽回转圆筒两种。国内褐煤电厂多采用高温烟气通过磨煤机达到干燥煤粉的目的。但高温烟气与煤粉直接接触存在安全隐患、造成炉膛温度和锅炉效率降低，而且褐煤水分过高导致调节复杂，动力消耗和维护费用高。 国内褐煤煤矿企业进行预干燥的提质工艺大都采用燃煤烟气直接接触的转筒式干燥气流干燥机和链板式干燥机等，单机处理量小、占地面积大、投资高，污染大，不符合我国节能减排的要求。 国外在褐煤预干燥领域，最成熟、先进的提质工艺是过热蒸汽流化床技术，德国RWE公司采用先进的过热蒸汽工艺，已经在德国建成3套装置，最大脱水能力达到110T/h。德国ZEMAG公司的间接接触回转干燥机也有较多应用实例，但是相比RWE技术，存在单机生产能力小，尾气排放量大，余热无法回收，占地面积大等缺点。 国外在褐煤提质领域还有部分待开发技术：美国Encoal, Coaltek, K-fuel，澳大利亚Coldry，神户钢铁，分别利用电厂冷凝水余热、微波、高压蒸汽蒸煮、溶剂油萃取等方式进行提质，但是由于装置投资巨大、运行费用高等缺点，不能完全适应中国国情。由山东省科学院工业节能中心和山东天力干燥设备有限公司首创，具有自主知识产权的高床层内加热流化床过热蒸汽褐煤预干燥洁净煤成套工艺技术和装置，是我国洁净煤技术的新突破，通过利用过热水蒸气作为干燥介质的工艺创新，结合尾气余热回收技术，相比其他提质工艺，具有环保、安全、节能80%以上、节水的突出优点，干燥强度高于目前国际最先进的德国RWE公司技术。将这一环境友好、资源节约型清洁煤技术项目应用于国内褐煤电厂、煤矿和煤化工项目，通过通过对褐煤预处理工艺进行技术改造升级，可明显减少5%左右的燃料消耗和15%左右的CO2排放，降低配套系统的损耗，提高电厂、煤化工系统的总体效率，而且可以获得CDM资金支持。以占褐煤产量约90%的动力煤做测算，通过燃烧前脱水提质，每年可以减少CO2排放约1500万吨，争取CDM支持近80000 万元，节约标煤4000万吨，将产生巨大的社会经济效益。二、褐煤过热蒸汽干燥技术研究对于褐煤利用的洁净煤技术开发始于1999年，经过理论分析、小试和中试研究，2004年山东省科学院下属技术研发单位开发出过热蒸汽流化床干燥工艺，并成功应用于纯碱行业，目前有四套工业示范装置；同年为河南某电厂成功提供高挥发份煤粉干燥系统，采用氮气闭路保护蒸汽回转干燥工艺，该工艺为国内首创，一直稳定运行至今；2006年为中国矿业大学提供气流加内加热流化床干燥系统，用于褐煤干燥，该工艺被国内某集团借鉴参考并进行开发应用。经过近10年不断地研究开发，2008年公司成功推出过热蒸汽洁净煤技术，并于2009年完成工业验证实验。按照我国以煤炭为主要能源的战略方针，结合国内大型电厂和煤化工项目对大规模褐煤提质工艺的要求，山东省科学院下属研发单位技术在褐煤干燥提质处理工艺上推出了以过热蒸汽内加热流化床干燥（Super-heated steam Fluid bed low-rank Coal Upgrading简称“SFCU”）为主的洁净煤新技术。过热蒸汽干燥技术简介：如流程图所示，过热蒸汽干燥技术是利用褐煤内水分蒸发所形成的过热蒸汽为与褐煤接触的流化工质，通过再热器或流化床内置换热器间接提供干燥所需要的能量。系统闭路循环，全部为惰性无氧气氛。干燥所产生的褐煤内水分蒸发所形成的过热蒸汽被排出系统后，可以回收全部干燥所共给的热量，蒸汽消耗只有常规间接蒸汽回转干燥机的20%, 热效率大大提高。过热蒸汽内加热流化床干燥技术作为目前的成熟技术，处理量大、生产工艺成熟、操作安全、稳定可靠、工艺简单、生产所带来“三废”污染少。完全满足单台年产300万吨提质型煤、670MW发电机组、年处理量600万吨的60万吨甲醇以及300MW IGCC项目褐煤干燥处理的大规模工业化生产要求。 以目前消耗量占褐煤开采量约50%的褐煤电厂为例： 目前我国褐煤发电总装机量为l3GW(仅统计200MW以上机组)，2010年将扩容l5GW，达到28GW，褐煤发电装机量迅猛发展。以28GW的装机量计，应用山东科学院的褐煤预干燥洁净煤工艺后，发电煤耗降低10-l2g/KW.h，上网电价降低815元/Mw.h. 新建褐煤电厂设计规范将会被彻底颠覆，平均每台新建670MW的发电机组的投资降低6亿元，而且将实现CO2减排近600万吨/年. 争取CDM支持近37000 万元/ 年。节煤1848万吨，节约静态电厂建设投资134.3亿元。针对中小规模的煤炭企业和以褐煤为原料的煤化工行业推出了以过热蒸汽为核心工艺的过热蒸汽强化循环分级粉碎提质技术（Super-heated steam Pneumatic low-rank Coal Upgrading简称“SPCU”）和过热蒸汽回转圆筒提质技术（Super-heated steam Drum low-rank Coal Upgrading简称“SDCU”）。 过热蒸汽强化循环分级粉碎提质技术为高温快速干燥的脉冲气流干燥方式，可实现褐煤的快速脱水、粉化，干燥效率高，可抑制褐煤低温热解。适用于年产100万吨的型煤项目。过热蒸汽回转圆筒提质技术为低温蒸汽回转干燥方式，对原料的含水量（35-50%）和粒度（0.5-35mm) 适应性广，通过采用氮气保护工艺，可实现安全的深度脱水（成品褐煤含水量低于2%），适用于年处理量50万吨的煤化工项目和150MW的发电机组褐煤预干燥工程。三、先进的过热蒸汽内加热流化床褐煤干燥技术1、系统概况褐煤过热蒸汽高床层内加热流化床干煤系统以饱和蒸汽作为热源，用来干燥平均粒径小于3mm的褐煤. 针对用户为燃烧褐煤的电厂和具有蒸汽热源条件的煤矿。热源饱和蒸汽由电厂汽轮机的抽气系统得到。饱和蒸汽送入干燥床中特殊设计的内加热管，实现与高水分褐煤的热交换后，形成冷凝水，由疏水阀排出干燥系统，引回锅炉系统。高水分褐煤经过进料阀及褐煤进料机送入干燥床. 在过热蒸汽环境下，在流态化状态与内置的多层换热管实现与管内饱和蒸汽的传热过程. 达到脱除水分的目的后，由干燥床下部排料阀排出干燥系统，进入电厂磨煤系统，也可以接挤压成型工艺，加工型煤外运。由褐煤中脱出的水分形成过热蒸汽，排出干燥机后，进入二级除尘系统除尘合格后，通过循环风机将一部分过热蒸汽送回干燥床参与干燥循环，其余过热蒸汽引出干燥系统，进入电厂余热回收系统再利用。2、工艺流程3、技术特点1、安全：过热蒸汽系统内部为无氧环境，而且属于低温干燥，无热解过程，干燥过程安全可靠。无着火和爆炸危险，特别对于易燃易爆物料，优势明显。2、节能：系统能耗明显降低，和其它干燥技术相比，可通过回收循环系统中抽出的蒸汽热量，节能50-70%。通过蒸汽余热全部重新利用，综合耗能仅为1t水/0.3t蒸汽。3、环保：和热风干燥相比，干燥过程中不产生的有害易燃气体，灰尘通过回收冷凝的方式去除，无污染尾气排放。 4、干燥速度高：相比自然空气，具有较高的比热容，随着温度的升高，干燥速率优势明显。 5、节水：蒸发出的水分全部回收利用，大大节约水资源。 6、减排：单位褐煤的发热量增加到原煤的1.4倍，燃料消耗减少3-5%. 燃烧效率提高1.2-2%，发电效率提高1.2%，二氧化碳减少0.03-0.08吨/Mw.h，即减少5-15%，可获得CDM支持。7、 经济：过热蒸汽内加热流化床干燥高床层内加热流化床干燥洁净煤技术已获专利授权，此工艺产能比RWE技术高2-3倍，投资节省60%。而且，可以降低磨煤系统的消耗和磨损，能极好得实现与现有电厂锅炉系统的无缝连接。8、 过热蒸汽干燥出来的褐煤有利于后期的挤压成型：系统干燥之后的褐煤温度高于100、粒度小、煤粉在加入对辊挤压的过程中继续释放水蒸汽，使得煤粉进入挤压机时，被90-100%的水蒸汽包围。水蒸汽阻止了周围空气对煤的氧化。挤压时，煤中水蒸汽在高压下冷凝液化，使气压减小，减少了型煤中气孔的形成，也防止了煤粉挤压时发生的爆炸，型煤产品强度高。4、过热蒸汽内加热流化床干燥关键设备介绍：内加热流化床干燥装置：内加热流化床干燥机是在常规流化床干燥机和间接加热式干燥基础上发展起来的一种新型干燥技术，它将管式或板式换热器沉浸在流态化干燥物料中，内置换热器中通有热 (冷 ）介质，物料脱水（冷却），需要的热量主要由内置换热器提供，从而以较小的风量满足物料流化的要求。流化介质主要携带水分、维持床层颗粒正常流态化的作用。其干燥（冷却 )过程主要是内置换热器与两相流的传热及两相流之间的传热和传质过程。内加热流化床技术是天力公司拳头产品. 在这方面获专利22项，完成科研课题9项，完成工程业绩近百套，在国际上首次运用场协同理论开发出干燥理论模型并进行工业化验证和工程校对。内加热流化床技术获山东省科技进步一等奖和中国石油和化学工业协会科技进步一等奖。天力公司已经完全掌握了内加热流化床的设计和放大规律，是中国内加热流化床干燥设备标准的制定单位。5、相关专利过热蒸汽褐煤预干燥装置， 专利号：ZL200920026493.0 / ZL200910015753.9 多效过热蒸汽褐煤预干燥系统， 专利号：ZL200920026492.6 / ZL200910015752.4 6、典型工程2004年技术研发单位已经在山东海化20万吨/年碳酸氢钠煅烧项目上成功应用了过热蒸汽内加热流化床干燥技术，目前已推广4套，所有关键设备型号尺寸和工艺同年产100万吨提质褐煤工艺完全相同，经过5年的运行考核，关键设备和工艺成熟、可靠。2009年，技术研发单位完成工业规模褐煤过热蒸汽内加热流化床干燥的验证试验，通过对内加热流化床在纯碱、碳酸氢钠、精制盐、PVC和褐煤干燥应用的对比分析，优化确定了褐煤工艺和设备参数。目前天力公司已经生产两台国内外单体最大的内加热流化床：流化面积67m2 ，换热面积2500m2，单体重200吨，换热器可设置多达3层，设备整体高度20米以上，换热器使用温度300度以上，可以满足单台年产300万吨提质褐煤的要求。2009年开始同上海电力和华能九台电厂合作启动褐煤年产100万吨型煤项目以及670MW电厂机组褐煤预干燥技术改造项目。11四、过热蒸汽内加热流化床褐煤干燥技术同其他干燥技术的技术经济对比对比表如下：干燥工艺干燥热源能耗/吨产品运行成本/吨产品数量投资万元安全性环保节能备注SFCU过热蒸汽流化床（天力）饱和蒸汽0.2t蒸汽；5.1kw.h9.06元1台3480褐煤接触环境为过热蒸汽，安全过热蒸汽可以完全回收利用，节能节水无尾气排放、占地面积小SFCU过热蒸汽流化床（RWE）饱和蒸汽0.2t蒸汽；9.2kw.h11.52元1台9000褐煤接触环境为过热蒸汽，安全过热蒸汽可以完全回收利用，节能节水无尾气排放、占地面积小SDCU过热蒸汽回转干燥饱和蒸汽0.2t蒸汽；6.4kw.h9.84元2台4800褐煤接触环境为过热蒸汽，安全过热蒸汽可以完全回收利用，节能节水无尾气排放、占地面积大管式干燥机ZEMAG饱和蒸汽0.55蒸汽；1.82kw.h17.6元4台3500褐煤接触环境为少量热空气，较安全尾气直接排放，不节能占地面积大烟气转筒干燥机热烟气（350）139kg煤；34kw.h37.08元2台5000褐煤接触环境为热烟气，不安全尾气直接排放，不节能占地面积大注： 上述均以100万吨提质褐煤项目为例 蒸汽按30元/吨计，电按0.6元/度计，褐煤原煤按120元/吨计通过上述对比分析可以发现： 相对于以热烟气为干燥热源的烟气转筒干燥工艺，以饱和蒸汽为热源的新型干燥方式具有明显的经济和技术优势； 管式干燥机投资相对最低，但具有能耗高，运行成本高，所需设备数量多，占地面积大，且环保节能性差等劣势； 天力公司推出的过热蒸汽内加热流化床干燥工艺SFCU，运行成本最低，投资最少，安全和环保性能最佳。五、技术开发单位提供的成套工程和技术服务1、过热蒸汽内加热流化床干燥成套工程：年产100-300万吨提质褐煤过热蒸汽内加热流化床干燥成套工程。2、技术服务可以提供从项目可研、小试、实验室分析、中试等项目前期到工艺包和专利技术提供、基础和施工设计、干燥、挤压型煤成套工程总承包等相关服务。六、项目承担单位简介山东天力干燥设备股份有限公司是山东科学院控股的拟上市公司，其前身是山东省科学院能源所热能室，从上世纪80年代中期开始从事节能干燥技术研究工作，是专业从事干燥及相关技术研究开发、成套装备设计制造和技术咨询服务的高新技术企业，设有山东省泰山学者岗位“大型节能干燥技术与装备”。公司以技术创新为驱动力，以节能干燥工程技术解决方案为核心，以节能环保为产业方向，以创新为动力，建有国内最大的干燥工程实验室、国内最大的干燥工程技术研究中心、国内最大干燥装备产业园、国内最大干燥工程设计院，以干燥为主业，向相关多元化发展，不断做大做强。天力是中国化工学会化学工程专业委员会干燥专家组组长单位、中国通用机械行业协会干燥分会理事长单位。山东省科学院工业节能研究中心是天力公司的研发平台，按照 “自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来”的科技发展方针，坚持以科研为中心，以服务山东经济和社会发展为宗旨，围绕国家、省中长期科技发展规划纲要，开展应用基础研究，突出重大科技攻关，大力强化推广服务和高新技术成果转化，在重大关键技术及共性技术、社会发展公益性技术和前沿高技术三个方面，加大科技创新力度，为全省经济社会和高新技术产业发展提供技术支撑和开放式研发平台。七、结论大力发展和推广SCU节能褐煤预干燥和挤压成型新工艺是煤炭、电力行业节能减排工艺革新重要而现实的途径。过热蒸汽煤过热蒸汽预干燥洁净煤新技术在安全生产、节能降耗和节约水资源方面具有巨大优势。对我国褐煤干燥提质工业化进程的发展、褐煤资源清洁高效利用领域的开拓具有重要的意义。符合我国可持续发展战略和节能减排的要求，将对我国煤炭、电力行业的技术的升级革新起到重大推动作用。科院天力SCU洁净煤新技术成熟可靠、工业应用前景广阔，SFCU技术已成功应用4套，相关工业示范工程和工业生产验证试验已圆满完成。同类装备的单机生产能力能满足年产500万吨提质褐煤要求。主要推广目标为国内年产60万吨以上提质成型褐煤项目，125MW以上燃烧褐煤的发电机组的技改项目。在我国以煤炭为主要能源的战略背景下，中国政府承诺2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40-45%，针对我国褐煤发电比例的快速增长、西电东送和高效环保机组投入加大的发展趋势，推广山东科学院褐煤过热蒸汽预干燥这一洁净新技术，符合我国可持续发展战略和节能减排的要求。对我国褐煤干燥提质工业化进程的发展、褐煤资源清洁高效利用领域的开拓具有重要的意义。不但对我国煤炭、电力行业的节能减排起到巨大的带动效应，而且对我国煤炭、电力能源基础行业的绿色技术升级革新起到重要地推动作用，可使我国在该领域迅速达到国际先进乃至国际领先水平，实现跨越式发展。参考文献 1 虞继舜. 煤化学. 北京: 冶金工业出版社, 2000.2 陶著. 煤化学. 北京: 冶金工业出版社, 1983.3 戴和武, 谢可玉. 褐煤利用技术. 北京: 煤炭工业出版社, 1999.4 王海锋, 朱书全, 任红星, 王娜, 朱海博. 通辽褐煤在流化床干燥器中的干燥特性研究. 选煤技术, 2007, (4): 4347.5 林美强. 印尼褐煤的不同干燥方法的技术经济性及工艺分析选择. 环境科学, 2010, (2): 130, 132.6 迟艳红. 利用褐煤低温干燥技术干燥老公营子矿末煤. 煤质技术, 2009, 增刊: 1213.7 M. T. Ho, G. W. Allinson, D. E. Wiley. Factors affecting the cost of capture for Australian lignite coal fired power plants. Energy Procedia, 2009, 1: 763770.8 Y. Iwaia, Y. Koujina, Y. Arai, I. Wat