褐煤提質(zhì)技術(shù)的試驗(yàn)研究范文
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《電站系統(tǒng)工程雜志》2014年第三期
1流化床輕度氣化褐煤提質(zhì)技術(shù)
1.1技術(shù)工藝基于流態(tài)化技術(shù)原理，在多年從事流化床發(fā)電技術(shù)研究和經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，華能清潔能源技術(shù)研究院提出了一種新型的褐煤提質(zhì)技術(shù)——流化床輕度氣化褐煤提質(zhì)技術(shù)工藝技術(shù)，并進(jìn)行了相關(guān)理論和試驗(yàn)研究。其主要工藝流程如圖1所示。原煤經(jīng)由破碎篩分系統(tǒng)，符合粒度要求（<30mm）的原煤直接送入原煤倉(cāng)。滿足粒度要求的褐煤原煤通過(guò)給煤機(jī)送入流化床輕度氣化褐煤提質(zhì)反應(yīng)器，原煤在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生輕度氣化、部分燃燒反應(yīng)，通過(guò)控制爐內(nèi)氧煤比，控制爐膛反應(yīng)區(qū)的溫度較低，還原性氣氛條件。褐煤在反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的熱量一部分用于保證爐膛溫度的穩(wěn)定，一部分用于對(duì)褐煤自身進(jìn)行干燥達(dá)到提質(zhì)的目的。在爐膛停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，被充分干燥的提質(zhì)粗顆粒產(chǎn)品經(jīng)由排料管排入粗顆粒成品冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻到50℃以下，然后送入粗顆粒成品倉(cāng)。從分離器分離下來(lái)的細(xì)顆粒成品經(jīng)由細(xì)顆粒成品冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻到50℃以下，然后送入細(xì)顆粒成品倉(cāng)。從分離器出口排出的低熱值煤氣（乏氣）送焚燒爐燃燒處理利用。
1.2技術(shù)特點(diǎn)針對(duì)褐煤脫水提質(zhì)的目的，流化床輕度氣化褐煤提質(zhì)工藝技術(shù)重點(diǎn)包括：較高的褐煤脫水率、較高品質(zhì)的干燥提質(zhì)成品、較高的熱量利用率、較低的能耗、盡量簡(jiǎn)化和操作簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。該工藝的特點(diǎn)在于：(1)不需要向反應(yīng)系統(tǒng)提供額外的熱量，最終可以控制褐煤中的水分含量低于8%，并且保證獲得較高品質(zhì)的干燥提質(zhì)產(chǎn)品。(2)適當(dāng)降低褐煤中的揮發(fā)分含量，剔除燃料中微塵，解決褐煤提質(zhì)后的自燃問(wèn)題。(3)無(wú)廢棄固體物質(zhì)（清潔的固體成品燃料），無(wú)廢水排放。(4)反應(yīng)系統(tǒng)處于低溫常壓狀態(tài)，對(duì)設(shè)備的耐溫耐壓要求較低。(5)固體產(chǎn)物經(jīng)過(guò)干燥與輕度氣化過(guò)程，內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)被有效破壞，可避免干燥提質(zhì)產(chǎn)品出現(xiàn)返潮現(xiàn)象。(6)固體產(chǎn)物顆粒為寬篩分顆粒（0～30mm），便于固體產(chǎn)物的長(zhǎng)距離運(yùn)輸，并且利于實(shí)現(xiàn)燃煙煤機(jī)組在現(xiàn)有制粉系統(tǒng)不需要大的改造的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行摻燒。(7)一次性解決了褐煤干燥提質(zhì)問(wèn)題，無(wú)需擠壓成型，無(wú)大型機(jī)械設(shè)備，便于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。
2半工業(yè)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)研究
為了驗(yàn)證流化床輕度氣化褐煤提質(zhì)工藝的可行性，并獲取關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，改造建成了褐煤處理能力300～400kg/h的流化床輕度氣化褐煤提質(zhì)半工業(yè)性試驗(yàn)臺(tái)，并以蒙東典型的伊敏褐煤為試驗(yàn)煤種，進(jìn)行了褐煤輕度氣化提質(zhì)的相關(guān)試驗(yàn)研究。
2.1原煤的煤質(zhì)特性
試驗(yàn)所用褐煤的主要理化分析結(jié)果如表1所示。由上述分析結(jié)果可知，試驗(yàn)煤種伊敏褐煤屬高揮發(fā)分、低灰分、低熱值、高水分燃料。
2.2提質(zhì)成品的煤質(zhì)特性
試驗(yàn)臺(tái)褐煤提質(zhì)試驗(yàn)生產(chǎn)出的提質(zhì)成品主要包括粗顆粒成品和細(xì)顆粒成品兩種產(chǎn)品。其中，粗顆粒成品由反應(yīng)器底部排出，而細(xì)顆粒成品由反應(yīng)器出口旋風(fēng)分離器收集。試驗(yàn)過(guò)程中生產(chǎn)出的提質(zhì)成品的樣品如下圖所示。試驗(yàn)取得的粗顆粒成品和細(xì)顆粒成品的理化分析結(jié)果如表2所示。由分析結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)提質(zhì)的褐煤，粗顆粒成品和細(xì)顆粒成品中的水分都近趨于0，顯示即使在試驗(yàn)溫度情況下，入爐褐煤可以有充分停留時(shí)間完成干燥過(guò)程。
2.2.1溫度對(duì)提質(zhì)成品揮發(fā)分的影響提質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)部溫度將直接影響提質(zhì)成品揮發(fā)分的含量，如圖4所示。隨著提質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)溫度的升高，褐煤在提質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)的物理和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程更加劇烈，固體顆粒中的揮發(fā)分，更多的釋放到煙氣中去，導(dǎo)致固體顆粒揮發(fā)分含量隨著溫度的升高迅速降低。
2.2.2溫度對(duì)提質(zhì)成品熱值的影響提質(zhì)反應(yīng)器的溫度水平將對(duì)提質(zhì)成品的熱值產(chǎn)生影響，但對(duì)粗顆粒和細(xì)顆粒成品的影響還不盡相同，如圖5所示。由圖5可知，隨著提質(zhì)反應(yīng)器溫度的升高，粗顆粒成品的熱值迅速下降。分析認(rèn)為，由于粗顆粒成品在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng)（2～5min），隨著提質(zhì)反應(yīng)器溫度的升高，粗顆粒在提質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)加劇，燃燒、氣化及干餾份額提高，導(dǎo)致了固體顆粒成品的熱值下降。而對(duì)于細(xì)顆成品，由于在提質(zhì)反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間很短（5s左右），隨著提質(zhì)反應(yīng)器溫度的升高，其燃燒和氣化份額變化不大，干餾份額有所增加，導(dǎo)致細(xì)顆粒成品的熱值略有降低。
2.2.3溫度對(duì)提質(zhì)成品產(chǎn)率的影響提質(zhì)反應(yīng)器溫度對(duì)提質(zhì)成品的產(chǎn)率有著重要的影響，如圖6所示。隨著提質(zhì)反應(yīng)器溫度的升高，提質(zhì)成品的產(chǎn)率呈下降趨勢(shì)。一般而言，隨著提質(zhì)反應(yīng)器溫度的升高，褐煤熱解程度加劇，褐煤中揮發(fā)分的析出份額增加，同時(shí)，燃燒與氣化反應(yīng)加劇，導(dǎo)致了提質(zhì)成品的產(chǎn)率下降。為了保證較高的提質(zhì)成品產(chǎn)率，提質(zhì)反應(yīng)器溫度是一個(gè)重要的控制參數(shù)。
2.2.4提質(zhì)產(chǎn)品的燃燒特性著火及燃盡特性是判斷提質(zhì)成品品質(zhì)的一個(gè)重要的指標(biāo)。采用熱重分析法對(duì)褐煤提質(zhì)成品的著火及燃盡特性進(jìn)行了分析。熱重分析的結(jié)果如表3所示。為了對(duì)提質(zhì)褐煤成品的著火和燃盡特性有比較清晰的認(rèn)識(shí)，表中還列出了幾種比較典型煙煤的熱重分析結(jié)果作為對(duì)比。由表3可知，經(jīng)過(guò)提質(zhì)的褐煤，其著火溫度與原煤相比有一定程度的升高，更接近于煙煤的著火溫度，但其著火特性仍屬于易或極易著火燃料。著火溫度的升高，預(yù)示著褐煤提質(zhì)成品的自燃傾向變?nèi)酰置禾豳|(zhì)成品與原煤相比更加的穩(wěn)定。從燃盡特性來(lái)看，褐煤經(jīng)提質(zhì)后的成品與原煤相比，其燃盡特性略有降低，但并沒(méi)有發(fā)生本質(zhì)改變，仍屬于易燃盡煤種范疇。這樣，原設(shè)計(jì)燃用煙煤的鍋爐，若改用該提質(zhì)產(chǎn)品，預(yù)計(jì)仍可保證很好的燃盡性能。
2.2.5提質(zhì)產(chǎn)品的吸水特性褐煤提質(zhì)成品的吸水特性是判斷提質(zhì)成品特性的一個(gè)比較重要的指標(biāo)。如果褐煤提質(zhì)成品的吸水性很強(qiáng)，在褐煤提質(zhì)成品的運(yùn)輸與儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)吸收大量的水分，使褐煤提質(zhì)成品的含水量增加，導(dǎo)致褐煤提質(zhì)成品的熱值降低，品質(zhì)變差，失去了褐煤提質(zhì)的意義。對(duì)扎賚諾爾褐煤的提質(zhì)成品的吸水試驗(yàn)在一個(gè)開(kāi)放的自然環(huán)境中進(jìn)行的，提質(zhì)成品的樣品被平鋪在表面皿中，放置于一個(gè)開(kāi)放自然空間的天平上。連續(xù)對(duì)表面皿進(jìn)行稱(chēng)重，獲得褐煤提質(zhì)成品的吸水特性參數(shù)。其試驗(yàn)吸水特性曲線如圖7所示。由圖可知，扎賚諾爾褐煤粗顆粒成品的自然條件吸水飽和增重在8%左右，細(xì)顆粒成品的自然條件吸水飽和增重在10%左右。相比較而言，細(xì)顆粒成品的吸水性強(qiáng)于粗顆粒成品。試驗(yàn)研究顯示，流化床輕度氣化褐煤提質(zhì)工藝能有效地破壞褐煤中的微孔結(jié)構(gòu)，減弱褐煤提質(zhì)成品的吸水性，避免了褐煤在長(zhǎng)距離運(yùn)輸和存貯過(guò)程中發(fā)生再吸水，保證了提質(zhì)褐煤具有穩(wěn)定的品質(zhì)。
2.2.6提質(zhì)成品的自燃特性褐煤是極易發(fā)生自燃的煤種。在運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及利用過(guò)程中，常常會(huì)因?yàn)榘l(fā)生自燃而帶來(lái)很大的安全問(wèn)題。褐煤提質(zhì)的一個(gè)主要目的，就是降低褐煤的自燃傾向，以便其能安全地運(yùn)輸和儲(chǔ)存。以常規(guī)物理方法進(jìn)行褐煤干燥或半干燥處理，一般不會(huì)改變褐煤的自燃特性，且由于褐煤中水分降低，干燥后的成品更容易發(fā)生自燃。因此，適用的褐煤提質(zhì)技術(shù)必須能有效降低褐煤提質(zhì)成品的自燃傾向，保證提質(zhì)成品運(yùn)輸和儲(chǔ)存的安全性。降低褐煤自燃傾向的本質(zhì)是脫除褐煤中的羧基，降低褐煤在常溫下的氧化反應(yīng)性。這就需要褐煤在提質(zhì)過(guò)程中發(fā)生某種程度的煤化反應(yīng)，以降低褐煤中羧基的含量。為了分析流化床輕度氣化褐煤提質(zhì)工藝在褐煤提質(zhì)過(guò)程中是否能降低褐煤提質(zhì)成品的自燃傾向，建立了煤的自燃特性試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)扎賚諾爾褐煤的提質(zhì)成品進(jìn)行了自燃特性試驗(yàn)研究。煤的自燃特性的判別標(biāo)準(zhǔn)如下表所示。表5為試驗(yàn)褐煤原煤及提質(zhì)成品的自燃特性試驗(yàn)結(jié)果。作為比較，表中還列出其它幾種煤種的自燃特性測(cè)量結(jié)果。從自燃特性試驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出，經(jīng)過(guò)流化床輕度氣化褐煤提質(zhì)工藝進(jìn)行處理獲得的提質(zhì)成品，自燃傾向明顯變?nèi)酰梢鬃匀既剂献兂芍械茸匀既剂希渥匀继匦耘c常規(guī)高揮發(fā)分煙煤趨近，這就很好保證了褐煤提質(zhì)成品在運(yùn)輸、存儲(chǔ)與使用過(guò)程中的安全性。
3結(jié)論
根據(jù)循環(huán)流化床的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合在循環(huán)流化床方面多年的技術(shù)積累，西安熱工研究院提出了整體流化床輕度氣化褐煤提質(zhì)工藝技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)將流化床技術(shù)與褐煤干燥、氣化過(guò)程緊密結(jié)合，并進(jìn)行系統(tǒng)整體化設(shè)計(jì)，有效降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，為褐煤提質(zhì)技術(shù)的大型化和工業(yè)化應(yīng)用開(kāi)辟了一條全新的道路。試驗(yàn)表明，采用流化床技術(shù)進(jìn)行褐煤提質(zhì)在技術(shù)上可行。提質(zhì)成品的理化分析結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)提質(zhì)的褐煤，粗顆粒成品和細(xì)顆粒成品中的水分都近趨于0，發(fā)熱量可以達(dá)到5000kcal/kg左右。提質(zhì)成品的著火、燃盡、自燃、吸水等特性試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)提質(zhì)的褐煤，其化學(xué)穩(wěn)定性與原煤相比明顯提高，更接近于煙煤的特性。本試驗(yàn)研究結(jié)果，驗(yàn)證了流化床輕度氣化褐煤提質(zhì)工藝在技術(shù)上的可行性，為下一步開(kāi)展工業(yè)化應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。
作者：李強(qiáng)徐正泉江建忠呂海生郭濤肖平單位：中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司