褐煤干燥技術(shù)發(fā)展范文

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《化學(xué)工業(yè)雜志》2014年第五期

1煤不同利用方式的最佳水含量

在成型、煉焦、氣化、低溫炭化、加氫液化等過程前，進(jìn)料煤通常需要被干燥。不同利用方式對(duì)煤水含量的需求范圍如表1所示。不同地區(qū)褐煤的水含量和組分相差較大，如表2所示。在實(shí)現(xiàn)褐煤干燥這一目標(biāo)時(shí)，需要謹(jǐn)慎地對(duì)干燥機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，在降低成本、保障安全性的同時(shí)，令干燥效率最大化。盡管有許多商業(yè)化的干燥技術(shù)和設(shè)備，但由于褐煤的組分地區(qū)差異較大，加之項(xiàng)目用途各有不同，因此沒有一種通用的干燥方法可以被用于褐煤干燥，均需要試驗(yàn)以確定可達(dá)到目標(biāo)的干燥方法。

2褐煤干燥技術(shù)

自20世紀(jì)20年代開始，人們開發(fā)了大量的煤炭脫水和提質(zhì)工藝，以生產(chǎn)低水含量、高熱值、便于運(yùn)輸?shù)拿骸１?中列出了常見的干燥機(jī)類型及其特點(diǎn)。

2.1蒸發(fā)干燥技術(shù)

2.1.1回轉(zhuǎn)滾筒式干燥機(jī)回轉(zhuǎn)滾筒式干燥機(jī)是目前最完善、通用性最強(qiáng)的干燥設(shè)備。回轉(zhuǎn)滾筒式干燥機(jī)可分為直接加熱和間接加熱兩大類，基本設(shè)計(jì)元素包括以低速旋轉(zhuǎn)的滾筒和安裝在滾筒外部的絕緣圓柱形外殼。直接接觸式干燥機(jī)中，濕物料與干燥介質(zhì)直接接觸。干燥熱空氣、煙道氣以及過熱蒸汽都可以被用作加熱介質(zhì)。其加熱介質(zhì)中，氧氣需要被嚴(yán)格去除，以避免其與煤粉直接接觸發(fā)生爆炸。干燥介質(zhì)可以通過并流或逆流的形式與待干燥的物料接觸，盡管逆流操作的熱效率更高，但褐煤干燥工藝通常采用并流方式，以避免干燥機(jī)出口處局部溫度過高，導(dǎo)致爆炸。間接接觸式干燥機(jī)(煤在管內(nèi)流動(dòng)，蒸汽通過管壁傳熱)即管式干燥機(jī)，其通過蒸汽間接換熱蒸發(fā)褐煤中的水分而將水脫除。這種干燥機(jī)從外觀看與回轉(zhuǎn)滾筒式干燥機(jī)相似，但因內(nèi)部設(shè)置了大量的干燥管，故名管式干燥機(jī)。間接干燥具有：（1）安全、可靠性高；（2）從褐煤中干燥出的水分及其熱能便于回收利用；（3）干燥介質(zhì)可循環(huán)使用等特點(diǎn)。管式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)上為一回轉(zhuǎn)滾筒系統(tǒng)，如圖2所示。在滾筒殼體內(nèi)有一個(gè)多管系統(tǒng)，筒體稍微傾斜。原煤連續(xù)不斷地從上方送入干燥機(jī)管內(nèi)，由于鼓體是傾斜的，當(dāng)鼓體旋轉(zhuǎn)時(shí)，煤不停地流到出口。干燥所需的熱能由多管系統(tǒng)內(nèi)的低壓蒸汽提供。低壓蒸汽沿鼓體軸向進(jìn)入，并迅速向管外表面擴(kuò)散；與煤一起進(jìn)入機(jī)體內(nèi)的空氣吸收了水分以后，在電除塵器內(nèi)與干煤粉分離，回收熱量和蒸汽后排入大氣。由于褐煤具有很高的反應(yīng)活性，在干燥過程中易在高溫下自燃。因此干燥條件較溫和的間接接觸式干燥在褐煤干燥過程中具有明顯的優(yōu)勢。

2.1.2流化床干燥機(jī)流化床干燥具有較高的傳熱、傳質(zhì)速率，是一種對(duì)于顆粒或顆粒狀固形物較為理想的干燥技術(shù)，在各行業(yè)中都有較廣泛的應(yīng)用，包括化學(xué)品、醫(yī)藥和生物制品、食品、高分子聚合物等。與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)滾筒式干燥機(jī)相比，流化床干燥機(jī)在干燥平均粒徑為50~5000mm的顆粒時(shí)具有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。根據(jù)干燥進(jìn)料組成和產(chǎn)品的需求的不同，流化床干燥機(jī)衍生出多種不同的形式，可分為批式、全混連續(xù)式、平推流式、振動(dòng)式、機(jī)械攪拌式、離心式和噴射床式幾大類，各有其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍。流化床干燥機(jī)具有占地小、成本相對(duì)較低、維護(hù)費(fèi)用較低和易操作等優(yōu)點(diǎn)，而其主要缺點(diǎn)在于耗電量較高、氣體處理量較大、容易產(chǎn)生較多的產(chǎn)品損耗，以及進(jìn)料形狀缺乏彈性等。Klutz等［4］開發(fā)了WTA工藝（帶內(nèi)部熱循環(huán)的流化床蒸汽干燥工藝）。該工藝以過熱蒸汽作為加熱介質(zhì)，經(jīng)過流化床后的蒸汽在此工藝中經(jīng)過疏水閥，冷凝的水用于濕煤的預(yù)熱，蒸汽部分則通過蒸汽壓縮機(jī)轉(zhuǎn)化為過熱蒸汽重新循環(huán)使用。蒸汽潛熱在此工藝過程中循環(huán)使用，提高了熱能利用率。應(yīng)用該工藝的流化床蒸汽干燥機(jī)的煤水分蒸發(fā)速率提高了約70%，而流化速率降低了約65%。

2.2非蒸發(fā)脫水技術(shù)由于在脫水過程中節(jié)省了煤中水分的蒸發(fā)熱，因此以非蒸發(fā)方式脫除煤的水分具有很高的能效，并可以簡化設(shè)備、降低成本。

2.2.1機(jī)械熱壓脫水技術(shù)機(jī)械熱壓脫水技術(shù)（MechanicalThermalEx-pression，MTE）是德國的Strauss小組［5］提出的，最早被開發(fā)用于電廠原料褐煤的提質(zhì)。澳大利亞合作研究中心對(duì)其進(jìn)行了深入研究，并認(rèn)為其是可能被商業(yè)化的褐煤脫水技術(shù)。MTE過程將熱法脫水和機(jī)械壓縮脫水結(jié)合在一起，可分為四個(gè)步驟：熱水預(yù)熱、蒸汽加熱、機(jī)械壓縮和閃蒸脫水。在整個(gè)脫水過程中，首先將褐煤加熱到相對(duì)溫和的溫度（小于220℃），此時(shí)褐煤的物理化學(xué)性能發(fā)生了一定變化，使煤更易被后續(xù)的機(jī)械壓縮，含有的水分以液態(tài)形式脫除。

2.2.2熱水脫水技術(shù)熱水脫水技術(shù)（HotWaterDrying）是由北達(dá)科他州的能源與環(huán)境研究中心（EERC）開發(fā)的。在該工藝中，濕煤與飽和蒸汽接觸10min左右，加熱到240℃，水分從煤的微孔中被由脫羧作用釋放的CO2擠出。疏水性的油在加壓水環(huán)境下仍然留存在煤的表面，形成了一層包裹微孔的疏水膜，阻止擠出水分被重新吸收。這是該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)。由于揮發(fā)分在疏水油膜的作用下被保存了下來，產(chǎn)品的燃燒性能和熱收率都較高。

2.3具有發(fā)展?jié)摿Φ暮置焊稍锛夹g(shù)越來越多的具有商業(yè)化應(yīng)用前景的褐煤干燥技術(shù)被開發(fā)出來不斷完善，并逐漸實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。例如，近期美國KFX公司［6］開發(fā)了K-燃料技術(shù)，可以將褐煤和次煙煤通過熱壓方式提質(zhì)為熱值較高的煤，同時(shí)去除其中的汞等重金屬，并降低二氧化硫和氮氧化物的排放。以下是幾種具有一定應(yīng)用前景的干燥技術(shù)。

2.3.1電法脫水技術(shù)電法脫水的原理是煤漿中的水分子帶正電荷，正電荷會(huì)在連續(xù)或間歇的電流作用下，與水分子一起向陰極移動(dòng)，從而將水分與煤漿分離。通過用機(jī)械力調(diào)整陰陽電極之間的距離和控制煤漿的壓力，可以補(bǔ)償由于水分被抽提所帶來的體積減少。此方法獲得的脫水煤漿干燥度可達(dá)25%~50%。澳大利亞的CSIRO實(shí)驗(yàn)室利用電法脫水技術(shù)對(duì)長時(shí)間沉降后含膠體物質(zhì)的煤尾礦進(jìn)行了成功的脫水。通過與真空過濾或壓力過濾相結(jié)合，電滲析脫水技術(shù)可以達(dá)到更高的脫水速率。

2.3.2微波干燥技術(shù)利用微波進(jìn)行加熱干燥，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式加熱，從而突破了必須先加熱物料表面的限制，縮短了干燥時(shí)間。在微波加熱的過程中，物料被置于轉(zhuǎn)盤或皮帶上運(yùn)動(dòng)，以使微波輻射更加均勻。微波干燥技術(shù)可與流化床干燥等其他干燥方式結(jié)合，以提高干燥效率。微波干燥技術(shù)應(yīng)用于褐煤干燥的主要問題有二個(gè)。一是電力消耗較大，具有較高的能量消耗成本；二是加熱不均勻，易出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象（熱點(diǎn)），導(dǎo)致安全問題。對(duì)于應(yīng)用微波干燥技術(shù)處理褐煤仍需進(jìn)一步探索。

2.3.3脈沖燃燒干燥技術(shù)脈沖燃燒干燥技術(shù)是通過間歇式的燃燒氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)燃料，制造高溫高流速的脈沖噴射流，對(duì)濕物料進(jìn)行干燥。該技術(shù)具有干燥時(shí)間短，能量效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，操作環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，Ellman等［7］利用脈沖燃燒干燥技術(shù)對(duì)褐煤進(jìn)行了干燥實(shí)驗(yàn)，選用的是205kW脈沖燃燒器，結(jié)果令褐煤的水含量由35%降低至10%以下，產(chǎn)量達(dá)20t／h。該技術(shù)存在噪音較大和較難放大的問題，有待解決。

3小結(jié)

在干燥機(jī)選型方面，由于干燥煤項(xiàng)目的處理量較大（水分蒸發(fā)量通常為20~500t／d），且最常需求的干燥產(chǎn)品是煤顆粒，因此回轉(zhuǎn)滾筒式干燥（包括管式干燥）常是最佳選擇。即便如此，現(xiàn)有的較成熟的褐煤干燥技術(shù)仍存在一些局限性：（1）干燥過程的復(fù)雜程度較高，導(dǎo)致投資和操作成本較高；例如，許多干燥系統(tǒng)需應(yīng)用換熱器、旋風(fēng)分離器、冷凝器等設(shè)備，增加了設(shè)備投資和維護(hù)成本等；（2）以過熱蒸汽作為干燥介質(zhì)的方法需采用較大的鍋爐和壓縮機(jī)，以獲得較高的操作溫度和壓力，換熱效率較低，熱損失較高；（3）傳統(tǒng)干燥工藝會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)煤粉。這是由于水分脫除后，煤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被削弱。細(xì)煤粉會(huì)降低工藝過程的安全性，同時(shí)也容易造成環(huán)境污染。基于以上幾點(diǎn)，盡管已有很多類型的褐煤干燥技術(shù)被商業(yè)化應(yīng)用，與褐煤干燥相關(guān)的設(shè)計(jì)、放大和技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的報(bào)道仍層出不窮。我國褐煤儲(chǔ)量占總煤炭儲(chǔ)量的13%，開采出的褐煤90%被用于坑口發(fā)電，利用方式單一。褐煤干燥技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用有利于拓展褐煤的綜合利用途徑，在一定程度上提高褐煤的市場競爭力。

作者：邢磊單位：石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院