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气流床气化低阶煤的脱水提质预处理

文档作者：张鸿林文档来源：水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心		点击数：	更新时间： 2022年08月28日
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第6期(总第157期)
2011年l2月
煤化工
Coa1 Chemical Industry
No．6(Total No．157)
Dec．2011
气流床气化低阶煤的脱水提质预处理
张鸿林
(水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心，山东滕州277527)
摘要褐煤、长焰煤等高含水低阶煤，无法直接用于水煤浆和粉煤气流床气化。概述了目前国内外开发的
低阶煤低温蒸发脱水和干燥提质，低阶煤液态脱水提质，转化提质等方法。适用于粉煤气化的预处理关键是脱
水；适用于水煤浆气化的预处理关键是提质，以提高煤表面结构的疏水性，降低干燥后煤的水分回吸平衡，制备
高浓度煤浆。
关键词低阶煤气流床气化脱水提质
文章编号：1005—9598(2011)一06—0010—03 中图分类号：T054 文献标识码：A
我国内蒙古、新疆的褐煤和长焰煤储量极为丰
富，但由于成煤相对年轻，煤质化程度浅，煤分子基本
结构单元的核周围存在着一定数量的羧基、酚羟基等
亲水含氧官能团，煤的表面10-scm以下的毛细孔发
达，孔容和比表面积较大，使得这些低阶煤具有氧含
量高和水含量高的特点，导致其热值低、易自燃、难贮
运、燃烧气化效率低、成本高等。气流床气化的用煤，
由于水煤浆气化经济性对煤浆浓度的要求以及粉煤
气化煤粉密相输送对水含量的要求，使得高含水量的
褐煤、长焰煤等低阶煤的脱水干燥、脱水提质成为高
效利用的关键。
1 低阶煤低温蒸发脱水及干燥提质
蒸发脱水干燥，即通过加热方法使褐煤、长焰煤
所含的大部分水被蒸发脱出，降低其水含量。加热介
质通常是蒸汽、烟气等惰性热风，加热方式可以直接
或间接加热，加热工艺有带式、旋转盘式、移动床干
燥、回转滚筒干燥、流化床干燥等。
1．1 低温浅度蒸发脱水
目前，对于现代大型煤化工项目，设计的浅度蒸
发脱水装置中，大多选择德国ZEMAG蒸汽回转滚筒干
燥技术。原煤被破碎至小于6mm，均匀分布到滚筒内
众多干燥管内，煤在管内设置的螺旋叶片导流下，向
收稿日期：201卜08—1l
作者简介：张鸿林(194l一)，男，1966年毕业于天津大学
化工系，高级工程师，总工程师，长期从事煤化工技术工作。
前推进，被管外低压蒸汽间接加热。蒸发脱水后，煤中
水分可由40％左右降至10％～15％。干燥系统按防爆设
计，单台加工量可达50t／h，技术成熟，安全可靠。对
新疆的褐煤、长焰煤采用Shel1、GSP、东方炉等气化
技术，用于粉煤气化制天然气项目，设计院均推荐
ZEMAG干燥技术，先对原煤预干燥至含水<12％，再送
至中速磨机，制备可密相输送的煤粉，送气化炉气化。
粉煤气化对高含水的褐煤、长焰煤预干燥，只需
浅度蒸发脱水。因此ZEMAG干燥系统的加热蒸汽温度
不高于170 oC，干燥煤的温度100℃左右，干燥过程中
煤粒温度达不到煤的热解温度。经预干燥含水12％的
煤进入辊盘式中速磨机，进一步磨制成含水<2％、
70p~m左右煤粉时，加热介质惰性烟气的温度为
230℃ ，煤粉出磨机的温度为95℃～105℃ ，煤粉也不
会发生热解。
高含水的褐煤、长焰煤通过低温浅度蒸发脱水，
可满足粉煤气化制备煤粉的要求，而且在煤的干燥过
程中不发生煤热解和挥发分的释出，无需考虑挥发分
损失或回收问题。
低温浅度蒸发脱水，即使可以把高含水的褐煤、
长焰煤脱至含水2％～10％，包括了部分内在水分的脱
除，但在制作水煤浆时，仍会发生水分的复吸，导致无
法制成高浓度的水煤浆。这是因为褐煤、长焰煤在低
温浅度蒸发脱水干燥过程中，煤的亲水性表面结构没
有发生质的改变。
1．2 低温干燥提质
如果在褐煤、长焰煤干燥的过程中，不只是脱除
了大部分吸附水分，而且在一定的温度范围内，对煤
2011年l2月 张鸿林：气流床气化低阶煤的脱水提质预处理
的亲水表面结构还有一定程度的破坏，造成煤颗粒的
含氧官能团、羧基和酚羟基含量降低及煤的孔容和比
表面积减少，会达到低阶煤干燥提质的目的，这种提
质会对处理后煤的水分回吸有所影响。
中国矿业大学初茉等⋯以内蒙古宝日希勒矿区
褐煤为煤样，研究分析了干燥温度对煤样表面含氧官
能团含量及孔结构的影响；并通过干燥煤样回吸水实
验，研究了含氧官能团和孔结构的变化对干燥煤样回
吸水特性的影响。实验表明，煤样中含氧官能团含量
随干燥温度升高而降低，在280℃前主要脱除羧基，
280℃之后主要脱除酚羟基；干燥使煤样孔隙结构变
化，330℃前孔容积与比表面积随干燥温度升高而减
小，380℃煤表面发生热解，挥发分析出，形成表面新
的孔隙，孔容与比表面积显著增大；煤表面含氧官能
团的含量越低，孔容与比表面越小，煤的吸水能力越
弱，反之越强。130℃～380℃干燥煤样吸水平衡时，全
水分为12．75％～8．31％；对干燥条件全面优化，干燥温
度≥230℃时，干燥后褐煤回吸平衡水分基本上可以
稳定在≤10％，实现褐煤的有效脱水提质。
褐煤、长焰煤的干燥提质，对煤的亲水表面结构
造成一定程度的破坏。含氧官能团的脱落和分解以及
煤表面孑L隙的孔容与比表面减小，有效地降低了煤的
吸水能力，形成部分c0 和H20的释出，没有构成煤的
有效成分损失。提质后的煤，降低了含水，提高了热
值，降低了运输成本，提高了燃烧气化效率，可以作粉
煤气化和动力用煤。能否用于水煤浆气化，要看回吸
水平衡含水10％左右的煤粉，制备水煤浆的质量分数
能否接近或达到60％。而干燥提质的低阶煤应用于气
流床气化的前提是，干燥温度≥230℃煤的显热如何
科学合理地得到回收与利用，在与后工序衔接时，减
少热能的损失。
2 低阶煤液态脱水提质
低阶煤液态脱水提质是一种非蒸发水热解技术，
可应用于高于150℃的高压水解过程，使低阶煤中亲
水的含氧官能团发生分解，总酸值下降，羧基、酚羟基
含量明显下降，并随水热解反应终温的升高，下降幅
度提高。亲水含氧官能团数量的减少，使低阶煤水体
系释放更多的束缚水成为自由水，煤表面性质由亲水
改为疏水。煤的内水不需蒸发，而是以液态形式不可
逆地被脱除。在水热解过程中，生成的煤焦油凝结在
煤表面缝隙和毛细孔中，封闭破坏了煤表面微孔结
构，有效地防止水分的回吸。用提质后的煤制作水煤
浆，其浓度可有明显提升。
清华大学曾维薇等f2 将内蒙白音华、霍林河的褐
煤和新疆哈密次烟煤，在高压釜中进行高压水热解实
验。煤样在高压釜中加热至320℃ ，保温保压30min，
水热解处理后，煤明显变化的指标为：(1)两褐煤挥发
分下降5％左右，哈密次烟煤挥发分下降1．5％；(2)白
音华褐煤氧质量分数降低7％左右，霍林河褐煤、哈密
次烟煤氧质量分数降低4％左右；(3)两褐煤o／c原子
比下降较大；(4)白音华褐煤表面含氧官能团降低约
0．50mmol／g，霍林河褐煤表面含氧官能团降低约
0．75mmol／g，而哈密次烟煤表面含氧官能团降低仅
0．06mmol／g；(5)最大成浆质量分数：白音华褐煤由
54．7％提至65．7％，霍林河褐煤由50．8％提至61．9％，
哈密次烟煤则由55．4％变为54．6％。
浙江大学的研究_3 也表明，褐煤在高压水热解处
理实验中，可以提高褐煤的煤阶和热值，表现为内水
含量降低，氧含量减少，进而提高褐煤的成浆条件。
目前，液态脱水使低阶煤提质的技术在国内外仍
处于试验开发阶段，反应时高温、高压，时间长，工业
化成本比较高。同时也存在着高温煤浆余热回收和与
后工序衔接的问题。
3 低阶煤的转化提质
褐煤、长焰煤的转化提质技术，即煤在450℃～
650℃轻度热解干馏工艺技术。该过程首先是干燥除
去煤中大部分水分，接着是煤的轻度热解，除去剩余
水分和部分挥发分。热解后的低阶煤经激冷钝化，成
为性质稳定的固体燃料半焦。副产回收低温干馏气相
冷凝物煤焦油，不凝气含有部分可燃物。
经转化提质得到的半焦的水分大为降低，固定碳
和热值大幅提高，不易自燃，可长途运输，也可作为电
站锅炉优质燃料、各种气化原料。灰分、硫分低的半焦
还可用于高炉喷吹、铁合金、电石等行业。内蒙某矿褐
煤转化提质后，半焦含水质量分数由原煤的39．00％
降至5．36％，固定碳由44．56％升至67．90％，收到基低
位热由15．OSMJ／kg提至26．22MJ／kg，制备水煤浆质
量分数由50％升至60％。
副产煤焦油性状与重油性状相似，加工可得酚、
石脑油、柴油等油品，可燃气可作燃料或化工原料。
国内外均开展了轻度热解转化提质低阶煤技术
的研发。美国LFC技术研发较早，并于1992年一l997
年在俄怀明州建成并运行1 O00t／d褐煤的示范项
目。国内浙江大学也较早开发了以煤轻度热解为核心
一12 煤化工 2011年第6期
的热、电、气多联产工艺；中科院郭慕孙院士提出了煤
拔头技术，即油、煤气、热、电四联产技术；大连理工大
学开发了DG热解煤一半焦一燃料油多联产技术等。
还有五环工程有限公司与大唐华银电力联合在美国
ENCOAL的LFC技术基础上，二次开发的LCC技术。
低阶煤轻度热解技术是成熟的，关键在于将生产
半焦、焦油、可燃气各分系统深加工产品的先进技术
进行耦合，使大规模多联产体现出节能、减排和高效的
优势。
4 结 语
4．1 对褐煤、长焰煤等含水较高的低阶煤，只要把其
水分降至约10％，送入中速磨机继续磨制，达到水质
量分数<2％、粒度约70pLm的需求，并便于密相输送，
就可以被用于粉煤气化。
4．2 对褐煤、长焰煤等含水较高的低阶煤，需要在一
定程度上破坏煤表面亲水结构，降低含氧官能团、孔
隙的孔容和比表面，把煤表面结构提质为疏水结构，
就能不可逆地降低低阶煤的含水。提质后的低阶煤就
可以用于磨制质量分数约60％的煤浆，用于水煤浆气
化。轻度热解得到的半焦也是水煤浆的较好原料。
参考文献：
[1]初茉，吴弋峰．干燥提质对褐煤表面结构及水分回
吸特性的影响[G]／／全国低阶煤加工利用技术及产业
化发展论坛文集．海拉尔：中国煤炭加工利用协会，
2O11：45—5O．
[2]曾维薇，谢蕊，张建胜，等．高压水热解处理对低阶
煤含氧官能团和成浆性影响的实验研究[G]／／全国
低阶煤加工利用技术及产业化发展论坛文集． 海拉
尔：中国煤炭加工利用协会，201 1：127—133．
[3]刘建忠，程军，周俊虎，等．褐煤脱水提质新技术研
究[G]／／全国低阶煤加工利用技术及产业化发展论
坛文集． 海拉尔：中国煤炭加工利用协会，2011：
2】一27．
Upgrade the Low Rank Coal with Dehydration Pretreatment
for Entrained Flow Gasification
Zhang Honglin
(National Engineering Research Center of Coal Water Slurry Gasification and
Coal Chemical Indust~，Tengzhou Shandong 277527，China)
Abstract The low rank coal like lignite and long flame coal，etc．has high water content and cannot be used in coal
water slurry or pulverized coal entrained flow gasification directly．The present methods that have been developed home
and abroad for updating the low rank coal，namely the evaporation dehydration method，the liquid state dehydration
method and the conversion method have been summed up．The key pretreatment for pulverized coal gasification lies in dehydration
while the key key pretreatment for the water slurry gasification lies in the upgrading of the coal quality，SO as to
improve the hydrophobicity of the coal surface structure and decrease the water absorption equilibrium of the dehydrated
coa1．Thus，the coal water slurry with high concentration is prepared．
Key words low rank coal，entrained flow gasification，dehydration，upgrading
启 事
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