煤炭提质技术总结

煤炭提质一、煤的形成及其性质资源、环境和人口是当前困扰人类社会开展的三大问题，这三大问题与能源都有密切关系。迄今为止，我国能源一直是以煤为主的多元化结构。一次能源主要包括石油、天然气、煤、核电和水电，其中前三者又称化石燃料。我国那么以煤为主，煤占66.1％，石油24.6%，天然气2.5%，水电6.8%。所以中国形成了“富煤少油缺气〞的能源格局。1.1煤的形成煤是由一定地质年代生长的繁茂植物在适宜的地质环境下，经过岁月漫长的煤化作用而形成的可燃矿物。属于化石燃料，占我国一次能源消费的66.1%。根据成煤植物的不同，煤可分两大类，即腐植煤和腐泥煤。前者起源于高等植物，在自然界中储量大，分布广通常讲的煤都是腐植煤；后者起源于低等植物和浮游生物，储量很少。由于腐植煤在自然界中分布最广，储藏量最大，而且在煤炭利用和化学加工方面占有主要地位，炼焦用煤都是腐植煤。植物在整个成煤过程主要经过泥炭化作用和变质作用两个过程，不同的煤在不同的泥炭开展到不同变质阶段的产物。因此，煤的性质和煤的生产过程密切相关。根据变质程度的上下，腐植煤依次分为褐煤、烟煤和无烟煤。烟煤是炼焦生产的主要用煤，随着变质程度的加深，烟煤又分为长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤和贫煤等。总之，根据变质程度的不同，植物演变成煤大致经历植物、泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤五个阶段。新的分类指标是采用烟煤粘结指数为主，胶质层最大厚度或奥亚膨胀度为辅的分类指标，在半工业和实验室的根底上对无烟煤、烟煤和褐煤进行了全面分类，新增加了贫瘦煤、1/3焦煤、1/2中粘煤和气肥煤。1.3、单种煤的结焦特性我国新的煤分类方案中的14种煤，除了无烟煤、不粘煤、长焰煤和褐煤以外，其他10种煤均可配煤炼焦。一般都是以气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、1/3焦煤和气肥煤为主，其它几种煤只能少量配入。单种煤的结焦特性是配合煤结焦的根底，了解并掌握单种煤的结焦特性，是指导配煤比变化的主要依据。〔1〕褐煤褐煤是煤化程度最低的煤，变质程度只比泥炭高，在隔绝空气加热时不产生胶质体，也没有黏结性。在近代炼焦炉中，不能单独炼成焦炭，但在配煤中参加少量褐煤以增加配煤的挥发分，已取得一定的成果。如果采用特殊的工艺处理，褐煤也可以炼焦，在国外某些褐煤多而炼焦煤少的国家，有的就采用褐煤炼焦，但其工艺过程复杂。〔2〕长焰煤长焰煤是烟煤中煤化程度最低的煤，变质程度比褐煤高。其含氧量高，高沸点的液态产物少，胶质层厚度小于5mm，因此结焦性能很差，在现代焦炉中不能炼出合格的焦炭。假设采用压紧、薄装及快速加热等方法，可在土焦炉中炼制出细长条的焦炭。配煤中，参加少量长焰煤，可起瘦化作用。但长焰煤的配入量较高时，会使焦炭的耐磨强度降低，特别是配煤中肥煤不多，焦炭质量显著变坏，因此在配入长焰煤时要注意对焦炭质量的影响。长焰煤的脆性小，一般难以粉碎，假设配入长焰煤时，最好将其单独粉碎，以免影响焦炭质量的均匀性。〔3〕气煤气煤的煤化程度比长焰煤高，煤的分子结构中侧链多且长，含氧量高。在热解过程中，不仅侧链从缩合芳环上断裂，而且侧链本身又在氧键处断裂，所以生成了较多的胶质体，但黏度小，流动性大，其热稳定性差，容易分解。在生成半焦时，分解出大量的挥发性气体，能够固化的局部较少。当半焦转化成焦炭时，收缩性大，产生了很多裂纹，大局部为纵裂纹，所以焦炭细长易碎。在配煤中，气煤含量多，将使焦炭块度降低，但配以适当的气煤，可以增加焦炭的收缩性，便于推焦，又保护了炉体，同时可以得到较多的化学产品。由于我国气煤贮存量大，为了合理利用炼焦煤资源，在炼焦时应尽量多配气煤。〔4〕肥煤肥煤的煤化程度比气煤高，属于中等变质程度的煤。从分子结构看，肥煤所含的侧链较多，但含氧量少，隔绝空气加热时能产生大量的分子量较大的液态产物，因此，肥煤产生的胶质体数量最多，其最大胶质体厚度可达25mm以上，并具有良好的流动性能，且热稳定性能也好。肥煤胶质体生成温度为320℃，固化温度为460℃，处于胶质体状态的温度间隔为140℃。如果升温速度为3℃/min，胶质体的存在时间可达50min，由此决定了肥煤黏结性最强，是我国炼焦煤的根底煤种之一。由于其挥发分高，半焦的热分解和热缩聚都比较剧烈，最终收缩量很大，所以生成焦炭的裂纹较多，又深又宽，且多以横裂纹出现，故易碎成小块。肥煤单独炼焦时，由于胶质体数量多，又有一定的黏性，膨胀性较大，导致推焦困难。在配煤中，参加肥煤后，可起到提高黏结性的作用，所以肥煤是炼焦配煤中的重要组分，并为多配入黏结性差的煤创造了条件。〔5〕焦煤焦煤的变质程度比肥煤稍高，挥发分比肥煤低，分子结构中大分子侧链比肥煤少，含氧量较低。热分解时生成的液态产物比肥煤少，但热稳定性更高，胶质体数量多，黏性大，固化温度较高，半焦收缩量和收缩速度均较小，所以焦煤炼出的焦炭不仅耐磨强度高、焦块大、裂纹少，而且抗碎强度也好。就结焦性而言，焦煤是最好的能炼制出高质量焦炭的煤。配煤时，焦煤的配入量可在较宽范围内波动，且能获得强度较高的焦炭。所以配入焦煤的目的是增加焦炭的强度。由于我国焦煤贮量有限，在配煤时，应尽量减少焦煤的用量，以节约焦煤。〔6〕1/3焦煤是过渡性煤种，它是介于焦煤、肥煤、气煤之间的煤。单独也可以成焦，焦炭强度接近于肥煤，耐磨强度比肥煤低，比气肥煤、气煤要高。1/3焦煤由于有较高的粘结性，是配煤炼焦的骨架煤之一。〔7〕气肥煤是挥发份和粘结性都较高的较特殊的煤种。单独成焦时，焦炭强度低于肥煤，但又高于气煤，同时煤气发生量大，化学产品产率也高。在配煤中可以增加化学产品。〔8〕瘦煤瘦煤的煤化程度较高，是低挥发分的中等变质程度的黏结性煤，加热时生成的胶质体少，黏度大。单独炼焦时，能得到块度大、裂纹少、抗碎强度高的焦炭，但焦炭的熔融性很差，焦炭耐磨性能也差。在配煤时配入瘦煤可以提高焦炭的块度，作为炼焦配煤效果较好。〔9〕贫煤贫煤是煤化程度最高的烟煤，属于高变质程度的煤。贫煤没有黏结性，在炼焦炉中不结焦，故不能单独炼焦。在配煤中参加少量贫煤可起瘦化剂的作用。因其硬度大，配入贫煤时最好将其单独粉碎以增加焦块的均匀性。〔10〕无烟煤无烟煤是煤化程度最高的煤。挥发分低，固定碳含量高，密度大，燃烧时不冒烟，加热时不产生胶质体，没有黏结性和结焦性。在没有瘦煤的地区可配入无烟煤。二、煤炭提质2.1定义：煤炭提质是指通过物理或化学的方法脱除煤炭中的水分，并伴随着煤的组成和结构发生变化的过程。2.2为什么进行煤炭提质？褐煤是煤化程度最低的煤类，但也经历数千万年才能形成，是一种珍贵的不可再生的资源。褐煤特点是水分含量高，氧含量高，挥发分高，发热量低。根据国内176个井田或勘探区统计资料，褐煤全水分高达20-50%，灰分一般为20-30%，收到基低位发热量一般为11.71-16.73MJ/kg(2800-4000kcal/kg)。高水分和高灰分，再加上褐煤易风化和自燃的特性，不适合远距离输送，应用受到很大限制。直接燃烧或者气化效率低，经济效益较差；2.3煤炭提质的优点？热值提高、水份降低、硫含量降低、无烟、无异味，燃烧过程中污染物排放少，是优质动力燃料，可作为优质的民用燃料，实验证明，硫排放比原煤减少83.1%，汞减排70.4%，氯减排80.18%，显著提高了煤的洁净程度。稳定性高、成浆性能提高〔根据以往类工程类似煤种试验数据，兰炭成浆性与原料煤相比可提高5～10%〕，是优质的水煤浆原料；不易自燃，可长途运输，与运输同热量褐煤比较，可以节省运力25-30%以上。可回收高附加值的焦油产品，实现褐煤资源利用价值最大化。三、煤炭提质的分类及典型工艺K-Fuel是一种具有低水分、高发热量和低SOx、低NOx和汞排放特点的提质煤。K-Fuel工艺是对高水分煤施以热和压力〔脱水和温和干馏〕将低发热量煤中30%水分减小到8%至12%的K-Fuel产品。相应地热值提高30%至40%，从而可提高电厂利用效率。KFx在Wyoming’sPowderRiverBasin建有75万吨/年的K-Fuel厂。2005年12月首次运用，使低于8000Btu/lb〔4436kcal/kg〕的煤提质到11,000Btu/lb(6100kcal/kg)，水分满足8%至12%的K-Fuel产品要求，汞减少70%左右。含水36％褐煤〔1.57lb〕枯燥到5.5％水分〔1lb)，需800Btu的蒸汽；含水31％褐煤〔1.48lb)枯燥到5.0％水分〔1lb)，需760Btu的蒸汽。1Btu=0.252kcal德国冲压成型工艺原煤在枯燥器中枯燥使其水分降至12%～18%。再经冷却、别离，并破碎至0～6mm，再将其送入带式型煤机，在不添加粘结剂的情况下以500～2000Bar的压力挤压，最终生产出不同形状的型煤。澳大利亚辊压成型工艺将次烟煤在气流枯燥器中不完全枯燥，然后将其输入一个辊压成型机压制成型煤。∽按加热终温、加热速度、加热方式、热载体类型、气氛、压力等工艺条件分为不同类型。按加热终温可分为：低温干馏：500∽700℃、中温干馏：700∽900℃、高温干馏：900∽1100℃按加热速度可分为慢速〔3∽5℃/min〕、中速〔5∽100℃/min〕、快速〔500∽10000℃/min〕、闪裂解〔>10000℃/min〕煤热解工艺；按气氛可分为氢气、氮气、水蒸气、隔绝空气褐煤热解工艺；按压力可分为常压、加压褐煤热解工艺。按加热方式可分为外热式、内热式、内外并热式煤热解工艺；内热式是借助热载体把热量传给煤料，气体热载体直接进入干馏室，穿过块状干馏料层，把热量传给料层。气体热载体一般是燃料煤气燃烧的烟气。气体热载体内热式热解过程由于引入空气进行燃烧，因此热解所产生的煤气中含有大量的惰性氮气〔38～50%〕，造成煤气有效组份含量低、热值低〔1800～2000Kcal/m3〕，综合利用困难，大多用于燃烧或发电。热载体也可以是固体的，例如用热半焦或燃烧的灰渣或其他物料，与煤料在干馏系统相混合，热载体把煤料加热，进行干馏。外热式是指供给煤料的热量由干馏炉外部传入。煤料装在干馏炉〔室〕内，热量通过炉墙导入，炉墙外部燃烧加热。由于干馏挥发物与燃烧烟气不相混合，保证了挥发产物不被稀释，煤气中氮气含量低〔最高不超过6％〕，煤气热值高〔约4000Kcal/m3〕，可用于合成氨、甲醇等化工产品。但外热式供热方式有严重缺点，由于煤料热导率小，煤料加热不均匀导致半焦质量不均匀和焦油产率降低。内热式低温干馏与外热式相比，有下述优点：〔1〕直接传热，热效率高，耗热量低。〔2〕加热均匀，消除了局部块料过热现象。〔3〕干馏炉结构相对简单，没有复杂的加热调节设备。按热载体类型可分为固体热载体、气体热载体、固—气配合热载体褐煤热解工艺；气体热载体内热式炉的主要缺点如下：〔1〕装入煤料必须是块状的，并且希望粒度范围窄。粒度为20～80mm适合于内热式低温干馏炉要求。要求原料有一定块度的原因是由于气体热载体必须由下向上穿过料层，要求料层有足够的透气性，并使气流分布均匀。〔2〕气体热载体稀释了干馏气态产物，容积增大，增大了处理设备的容积和输送动力，产生煤气热值降低。3.3.2低温干馏产品煤低温干馏产物的产率和组成取决于原料煤性质、干馏炉结构和加热条件。焦油产率为6∽25%；半焦产率为50∽70％；煤气产率为80∽200m3／t(原料干煤)。Ⅰ、半焦性质及用途低温干馏半焦的空隙率为30%∽50%，反响性和比电阻都比高温焦炭高得多。原料煤的煤化程度越低，半焦的反响能力和比电阻越高。半焦的机械强度一般不高，低于高温焦炭。半焦块度与原料煤的块度、强度和热稳定性有关，也与干馏炉的结构、加热速度以及温度梯度有关。半焦和焦炭性质半焦用途：民用和动力燃料气化原料铁合金生产炭料生产冶金型焦高炉炼铁的喷吹料粉矿烧结Ⅱ、煤焦油性质及用途：

黑褐色液体 密度0.95∽1.1g/cm3 酚类35% 有机碱1∽2% 烷烃2∽10% 烯烃3∽5% 环烷烃10% 中性含氧化合物20∽25% 中性含氮化合物2∽3% 沥青10%用途： 生产汽油、柴油等燃料油 生产酚类、烷烃及芳烃等精细化工用品Ⅲ、煤气密度：0.9∽1.2g/cm3组成：甲烷、其他烃类用途：本企业加热燃料和其他用途

民用煤气

化学合成原料发电3.3.3影响产品产率的因素Ⅰ、原料煤。变质程度↑半焦↑焦油↓煤气↑Ⅱ、加热终温。温度↑，活化能大的热解反响发生的可能性↑，多环芳烃产物↑，煤化程度↑，煤开始热解温度↑东北泥煤160℃褐煤200∽290℃长焰煤320℃气煤320℃肥煤350℃焦煤360℃100∽120℃200℃300℃>300℃≈550℃干燥脱水，内、外在水脱除结晶水热解活泼分解，生成、排出大量挥发物焦油生成结束温度↑，焦油产率↓，酚类↓，烃类↓，中性含氧化合物↑，沥青↑，煤气产率↑，H2↑，C↓，块度↑，焦油产率↓，煤气产率↑，Ⅲ、加热速度↑半焦产率↓，焦油产率↑，煤气产率↓Ⅳ、压力↑半焦产率↑，焦油产率↓，煤气产率↑3.3.4国内外常见的几种煤炭提质工艺德国LurqiGmbH公司和美国RuhurgasAG公司联合开发的固体热载体低温干馏工艺。1、原料煤同来自别离器的热半焦在干馏器内混合，发生热分解反响，然后落入干馏器内，停留一定时间，完成热分解；2、从干馏器出来的半焦进入提升管底部，由热空气提送，同时在提升管中燃烧局部半焦或残碳，使温度升高；3、在别离器内进行气固别离，半焦再返回干馏器；4、从干馏器逸出的挥发物，经除尘、冷凝、回收焦油后，得到热值较高的煤气。 LR的优点：油收率高、能耗较低、设备结构较简单。存在的问题是排料系统堵塞，油品含尘量较大。㈠、L-R低温热解工艺㈡、Toscoal〔托斯考〕低温热解工艺㈢、ETCH-175粉煤快速热解工艺前苏联时期进行了多种固体热载体粉煤干馏工艺研究和开发工作。其中动力用煤综合利用的ETCH方法有4—6t/h试验装置，4t/h装置在加里宁工厂还在工作，曾进行了多灰多硫煤以及泥炭等的试验研究。在一个电厂建成了175t/h〔TX—175〕大装置，ETCH-175工业试验装置能力为175t/h煤，建在克拉斯诺亚尔斯克电厂。装置流程以下图：原料煤由煤槽经给料器去粉煤机，此处供入热烟气，约550℃，把粉碎了的粉煤用上升气流输送到干煤旋风器，同时把煤加热到100-120℃。干煤水分＜4%。干煤由旋风器去加热器，在此与来自热解反响并析出挥发产物，经冷却冷凝系统别离为焦油和煤气以及冷凝水。干馏槽下部生成的半焦和热载体半焦，局部去提升管燃烧升温，作为热载体循环利用。多余半焦作为产品送出系统。㈣、鲁奇三段炉工艺

〔内热式气体热载体工艺〕德国LurqiGmbH公司开发的Lurgi-Spuelgas低温热解工艺法是工业上已采用的典型内热式气体热载体工艺。其工艺是：褐煤或由褐煤压制成的型煤〔约25～60mm〕由上至下移动，与燃烧气逆流直接接触受热。当炉顶进料水分约15％时，在枯燥段可脱除至1.0％以下，逆流而上约250℃的热气体那么冷至80℃～100℃，枯燥后原料在干馏段被600℃～700℃不含氧的燃烧气加热至约500℃，发生热分解，热气体冷至约250℃，生成的半焦进入冷却段被冷气体冷却，半焦排出后再进一步用水和空气冷却，从干馏段逸出的挥发物经过冷凝、冷却等步骤，得到焦油和热解水〔工艺见图7〕。采用该工艺的工程有：锡林河褐煤提质工程。气流式内热炉

原料：块煤或型煤，20～80mm，非黏结性煤

三段

上段枯燥段

150℃

中段干馏段

500℃～850℃

下段焦炭冷却段

100℃～150℃块煤或型煤低温干馏主要用气体热载体的内热式立式炉。气体热载体内热式立式炉低温干馏20～80mm块状褐煤和型煤，这种炉型不适用中等粘结性和高粘结性烟煤。鲁奇三段炉即是这种炉型，煤在立式炉中下行，气流逆向通入进行干馏。国内在鲁奇三段炉的根底上开发了不同类型的气燃内热立式干馏炉，现以广泛应用于内蒙鄂尔多斯、陕西北部等地区，利用当地优质长焰煤(或不粘煤、弱粘煤)生产半焦或焦炭。但由于目前的生产装置过分简化，大局部煤气和焦油没有利用，环境污染严重。因此当地政府已进行整顿，实行关停小型半焦炉，新建干馏炉必须到达一定规模，配有正规焦油回收系统，煤气必须利用，整体到达环保要求。㈤、多段回转炉工艺〔煤科院〕将粒度为6～30mm的褐煤在回转枯燥器中枯燥后进入外热式回转热解炉中低温热解，所得半焦在冷却回转炉中用水冷却熄焦后得到提质半焦产品，由热解炉排出的热解气体进一步处理利用。外热式回转炉低温干馏工艺外热式回转炉低温干馏工艺与内热式直立炉干馏工艺比照表(以神府煤为例)㈥、神华低阶煤热解工艺神华煤制油化工研究院正在开发的低阶煤热解工艺。将褐煤破碎至0～30mm，经过双套桶回转枯燥器枯燥后，与半焦加热窑来的高温半焦混合，在移动床热解器内热解。该工艺为固体热载体加热方式，宽粒度入料，热态除尘。目前正在进行6000吨/年中试研究。循环烟气热半焦干煤半焦加热回转窑煤回转干燥器湿煤分料器除尘器引风机半焦冷却空分N2半焦产品热半焦燃烧器洗涤冷却筛分热解器除尘器混料器伴热鼓风机油水分离焦油放空11提升机中国神华模块化固体热载体热解工艺㈦、固体热载体新法干馏工艺原料煤被粉碎至粒径6mm(根据需要粒径上限可适当提高)，并被预热到80-120℃。然后进入混合器与数倍的来自热载体收集槽的700-750℃热半焦混合，原料煤被迅速升温至500-600℃开始热解反响。混合物料从混合器下落到热解反响器，在此完成热解反响和产品的析出后再落到加热提升管底部。多余物料由热解反响器排出进入冷却器。提升烟气从加热提升管底部进入，将热载体提升至热载体收集槽，同时，提升物料中局部半焦燃烧放热，使热载体再次被加热，燃烧烟气和热载体在热载体收集槽内别离，热载体进入混合器，从而完成循环过程。DG工艺特点：褐煤与半焦性质比较年处理60万吨煤干馏厂的经济分析LCC工艺流程简图

工艺流程图介绍说明LCC工艺流程简图见上图，原煤经破碎、筛分成碎煤后，送入枯燥炉中脱除大局部水分，枯燥后的煤进入热解炉中发生热解反响，脱除约60％的挥发分，然后再进入激冷盘中冷却，最后进入成品反响器中发生再水合、钝化反响，生产出合格的产品PDF，热解煤气经旋风除尘、激冷得到副产品CDL。工程特点：㈨、浙江大学开发的热电、气、焦油多联产工艺主要工艺流程：该装置的气化室为常压流化床，用水蒸汽和再循环煤气作气化剂，运行温度为650～750℃，燃料经给料机给入气化室，首先受热裂解，析出高热值挥发份，半焦中局部碳和气化剂反响形成水煤气，气化吸热由燃烧室的高温循环物料来提供，气化后半焦随循环物料送入燃烧室燃烬，燃烧室为循环流化床，空气鼓风，运行温度为850～900℃，燃用气化室来的半焦，产生热量，产生水蒸汽和加热从气化炉来的低温循环物料变成高温物料再送至气化室提供气化吸热，从气化炉出来的高温煤气，经煤气冷却器冷却，净化器净化，除去灰、焦油、水后变成净煤气输出供民用或合成二甲醚等化工产品，在净化过程中可回收优质焦油、苯、酚等。从燃烧室出来的高温烟气经烟气冷却器冷却、除尘器除尘后排入大气。由燃烧炉产生的蒸汽可供汽轮机发电、供热以及用作溴化锂制冷和空调。煤的气化和燃烧采用流化床，如此产生的煤灰具有良好的活性，可以生产优质建材，包括水泥、砖瓦等。

4.应用基挥发份在20%以上的各种煤都适用于这种工艺，该工艺对煤粒度也没有特殊的要求，只是采用普通循环床所需的煤粒度，这就防止了现有民用煤气化和干馏工艺对煤种和煤粒度有较严格的限制的缺点。因此，装置的燃料适应性广。5.本工艺可实现灰渣综合利用，经循环流化床燃烧后灰渣具有很高活性，可作为水泥掺合料。6.利用循环流化床高效脱硫、脱硝特点可实现较低的污染物排放，完全满足国家煤清洁利用要求其原理为：从备料工段供煤到SJ—Ⅳ低温干馏方炉炉顶布料皮带机，布料皮带机将煤料参加炉顶煤仓中，煤料通过辅助煤箱进入干馏方炉内，煤料下移经过枯燥段逐渐进入干馏段完成煤枯燥，干馏后的煤继续下移到冷却段，最后由炉底推焦机、刮板机排出。㈩、低温干馏炉工艺TDM型分段式块煤低温干馏炉概述：本设备用于对粒度为25～100mm的烟煤进行低温炭化，主要产品有兰炭、煤焦油以及煤气。它主要有如下特点：〔1〕将枯燥、干馏和冷却分段进行，荒煤气从干馏段引出，防止了用于枯燥的烟气混入荒煤气，有利于提高煤焦油的回收率和煤气的品质。〔2〕枯燥热风配风采用废烟气，既降低了燃料消耗又保证了块煤的品质。〔3〕干馏热风配风采用净化后的煤气，净煤气的特点是不会烧掉兰炭中的碳，