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褐煤干燥技术发展

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《化学工业杂志》2014年第五期

1煤不同利用方式的最佳水含量

在成型、炼焦、气化、低温炭化、加氢液化等过程前,进料煤通常需要被干燥。不同利用方式对煤水含量的需求范围如表1所示。不同地区褐煤的水含量和组分相差较大,如表2所示。在实现褐煤干燥这一目标时,需要谨慎地对干燥机的设计进行系统评估,在降低成本、保障安全性的同时,令干燥效率最大化。尽管有许多商业化的干燥技术和设备,但由于褐煤的组分地区差异较大,加之项目用途各有不同,因此没有一种通用的干燥方法可以被用于褐煤干燥,均需要试验以确定可达到目标的干燥方法。

2褐煤干燥技术

自20世纪20年代开始,人们开发了大量的煤炭脱水和提质工艺,以生产低水含量、高热值、便于运输的煤。表3中列出了常见的干燥机类型及其特点。

2.1蒸发干燥技术

2.1.1回转滚筒式干燥机回转滚筒式干燥机是目前最完善、通用性最强的干燥设备。回转滚筒式干燥机可分为直接加热和间接加热两大类,基本设计元素包括以低速旋转的滚筒和安装在滚筒外部的绝缘圆柱形外壳。直接接触式干燥机中,湿物料与干燥介质直接接触。干燥热空气、烟道气以及过热蒸汽都可以被用作加热介质。其加热介质中,氧气需要被严格去除,以避免其与煤粉直接接触发生爆炸。干燥介质可以通过并流或逆流的形式与待干燥的物料接触,尽管逆流操作的热效率更高,但褐煤干燥工艺通常采用并流方式,以避免干燥机出口处局部温度过高,导致爆炸。间接接触式干燥机(煤在管内流动,蒸汽通过管壁传热)即管式干燥机,其通过蒸汽间接换热蒸发褐煤中的水分而将水脱除。这种干燥机从外观看与回转滚筒式干燥机相似,但因内部设置了大量的干燥管,故名管式干燥机。间接干燥具有:(1)安全、可靠性高;(2)从褐煤中干燥出的水分及其热能便于回收利用;(3)干燥介质可循环使用等特点。管式干燥机结构上为一回转滚筒系统,如图2所示。在滚筒壳体内有一个多管系统,筒体稍微倾斜。原煤连续不断地从上方送入干燥机管内,由于鼓体是倾斜的,当鼓体旋转时,煤不停地流到出口。干燥所需的热能由多管系统内的低压蒸汽提供。低压蒸汽沿鼓体轴向进入,并迅速向管外表面扩散;与煤一起进入机体内的空气吸收了水分以后,在电除尘器内与干煤粉分离,回收热量和蒸汽后排入大气。由于褐煤具有很高的反应活性,在干燥过程中易在高温下自燃。因此干燥条件较温和的间接接触式干燥在褐煤干燥过程中具有明显的优势。

2.1.2流化床干燥机流化床干燥具有较高的传热、传质速率,是一种对于颗粒或颗粒状固形物较为理想的干燥技术,在各行业中都有较广泛的应用,包括化学品、医药和生物制品、食品、高分子聚合物等。与传统的回转滚筒式干燥机相比,流化床干燥机在干燥平均粒径为50~5000mm的颗粒时具有很强的竞争优势。根据干燥进料组成和产品的需求的不同,流化床干燥机衍生出多种不同的形式,可分为批式、全混连续式、平推流式、振动式、机械搅拌式、离心式和喷射床式几大类,各有其优缺点和应用范围。流化床干燥机具有占地小、成本相对较低、维护费用较低和易操作等优点,而其主要缺点在于耗电量较高、气体处理量较大、容易产生较多的产品损耗,以及进料形状缺乏弹性等。Klutz等[4]开发了WTA工艺(带内部热循环的流化床蒸汽干燥工艺)。该工艺以过热蒸汽作为加热介质,经过流化床后的蒸汽在此工艺中经过疏水阀,冷凝的水用于湿煤的预热,蒸汽部分则通过蒸汽压缩机转化为过热蒸汽重新循环使用。蒸汽潜热在此工艺过程中循环使用,提高了热能利用率。应用该工艺的流化床蒸汽干燥机的煤水分蒸发速率提高了约70%,而流化速率降低了约65%。

2.2非蒸发脱水技术由于在脱水过程中节省了煤中水分的蒸发热,因此以非蒸发方式脱除煤的水分具有很高的能效,并可以简化设备、降低成本。

2.2.1机械热压脱水技术机械热压脱水技术(MechanicalThermalEx-pression,MTE)是德国的Strauss小组[5]提出的,最早被开发用于电厂原料褐煤的提质。澳大利亚合作研究中心对其进行了深入研究,并认为其是可能被商业化的褐煤脱水技术。MTE过程将热法脱水和机械压缩脱水结合在一起,可分为四个步骤:热水预热、蒸汽加热、机械压缩和闪蒸脱水。在整个脱水过程中,首先将褐煤加热到相对温和的温度(小于220℃),此时褐煤的物理化学性能发生了一定变化,使煤更易被后续的机械压缩,含有的水分以液态形式脱除。

2.2.2热水脱水技术热水脱水技术(HotWaterDrying)是由北达科他州的能源与环境研究中心(EERC)开发的。在该工艺中,湿煤与饱和蒸汽接触10min左右,加热到240℃,水分从煤的微孔中被由脱羧作用释放的CO2挤出。疏水性的油在加压水环境下仍然留存在煤的表面,形成了一层包裹微孔的疏水膜,阻止挤出水分被重新吸收。这是该工艺的主要优点。由于挥发分在疏水油膜的作用下被保存了下来,产品的燃烧性能和热收率都较高。

2.3具有发展潜力的褐煤干燥技术越来越多的具有商业化应用前景的褐煤干燥技术被开发出来不断完善,并逐渐实现商业化应用。例如,近期美国KFX公司[6]开发了K-燃料技术,可以将褐煤和次烟煤通过热压方式提质为热值较高的煤,同时去除其中的汞等重金属,并降低二氧化硫和氮氧化物的排放。以下是几种具有一定应用前景的干燥技术。

2.3.1电法脱水技术电法脱水的原理是煤浆中的水分子带正电荷,正电荷会在连续或间歇的电流作用下,与水分子一起向阴极移动,从而将水分与煤浆分离。通过用机械力调整阴阳电极之间的距离和控制煤浆的压力,可以补偿由于水分被抽提所带来的体积减少。此方法获得的脱水煤浆干燥度可达25%~50%。澳大利亚的CSIRO实验室利用电法脱水技术对长时间沉降后含胶体物质的煤尾矿进行了成功的脱水。通过与真空过滤或压力过滤相结合,电渗析脱水技术可以达到更高的脱水速率。

2.3.2微波干燥技术利用微波进行加热干燥,可以实现非接触式加热,从而突破了必须先加热物料表面的限制,缩短了干燥时间。在微波加热的过程中,物料被置于转盘或皮带上运动,以使微波辐射更加均匀。微波干燥技术可与流化床干燥等其他干燥方式结合,以提高干燥效率。微波干燥技术应用于褐煤干燥的主要问题有二个。一是电力消耗较大,具有较高的能量消耗成本;二是加热不均匀,易出现局部过热的现象(热点),导致安全问题。对于应用微波干燥技术处理褐煤仍需进一步探索。

2.3.3脉冲燃烧干燥技术脉冲燃烧干燥技术是通过间歇式的燃烧气态、液态或固态燃料,制造高温高流速的脉冲喷射流,对湿物料进行干燥。该技术具有干燥时间短,能量效率高,产品质量好,操作环境友好等优点,Ellman等[7]利用脉冲燃烧干燥技术对褐煤进行了干燥实验,选用的是205kW脉冲燃烧器,结果令褐煤的水含量由35%降低至10%以下,产量达20t/h。该技术存在噪音较大和较难放大的问题,有待解决。

3小结

在干燥机选型方面,由于干燥煤项目的处理量较大(水分蒸发量通常为20~500t/d),且最常需求的干燥产品是煤颗粒,因此回转滚筒式干燥(包括管式干燥)常是最佳选择。即便如此,现有的较成熟的褐煤干燥技术仍存在一些局限性:(1)干燥过程的复杂程度较高,导致投资和操作成本较高;例如,许多干燥系统需应用换热器、旋风分离器、冷凝器等设备,增加了设备投资和维护成本等;(2)以过热蒸汽作为干燥介质的方法需采用较大的锅炉和压缩机,以获得较高的操作温度和压力,换热效率较低,热损失较高;(3)传统干燥工艺会产生大量的细煤粉。这是由于水分脱除后,煤的结构稳定性被削弱。细煤粉会降低工艺过程的安全性,同时也容易造成环境污染。基于以上几点,尽管已有很多类型的褐煤干燥技术被商业化应用,与褐煤干燥相关的设计、放大和技术经济方面的报道仍层出不穷。我国褐煤储量占总煤炭储量的13%,开采出的褐煤90%被用于坑口发电,利用方式单一。褐煤干燥技术的发展与应用有利于拓展褐煤的综合利用途径,在一定程度上提高褐煤的市场竞争力。

作者:邢磊单位:石油和化学工业规划院

化学工业杂志责任编辑:田老师    阅读:人次