褐煤不同干燥技术的优缺点分析_陈际显.pdf

第 3 期收稿日期:20220915作者简介:陈际显，本科，工程师，主要从事干燥工程工艺及设备设计、工程项目管理等工作。通信作者:尹凤交，女，工学硕士，高级工程师，主要从事干燥技术与设备方面的研究工作。褐煤不同干燥技术的优缺点分析陈际显，尹凤交*，吴静，王寿权，史勇春(山东天力能源股份有限公司，山东 济南250101)摘要:褐煤虽储量大，但褐煤水分高、发热量低给其应用带来很多难题，因此褐煤干燥提质刻不容缓。本文分析了褐煤干燥的特点，简述了各种褐煤干燥工艺流程及优缺点，并对国内外褐煤干燥技术应用现状进行了简单叙述。最后对我公司研发的褐煤过热蒸汽内加热流化床干燥工艺进行了介绍，该工艺节能高效、安全，是一项技术先进、具有推广前景的技术。关键词:褐煤;干燥工艺;优缺点中图分类号:TQ53文献标识码:A文章编号:1008021X(2023)03012304Analysis of Advantages and Disadvantages of Different Drying Technologies for LigniteChen Jixian，Yin Fengjiao*，Wu Jing，Wang Shouquan，Shi Yongchun(Shandong Tianli Energy Co，Ltd，Jinan250101，China)Abstract:The lignite reserves are large，but its high moisture content and low calorific value bring many problems to itsapplicationTherefore，the drying and upgrading of lignite cannot be delayedThis paper analyzes the characteristics of lignitedrying，briefly describes various lignite drying processes，advantages and disadvantages，and briefly describes the application statusof lignite drying technology at home and abroadFinally，we introduce the internal heating fluidized bed drying process for thelignite superheated steam which is developed by our company This process is energy saving，efficient，and safe，and is atechnology with advanced technology and promising promotionKey words:lignite;drying process;advantages and disadvantages目前，中国的燃料结构仍然是以煤炭为主，高烟煤、无烟煤等优质煤炭资源已被充分利用，而褐炭资源丰富，已经探明的储量已达到 1 303 亿 t，约占我国煤炭总储量的 13%以上，是一个可以取代原油、天然气的主要化石燃料。在中国当前“缺油、少气、富煤”的大趋势下，褐煤的综合利用已成为中国专家学者最主要的科研方向12。褐炭的使用方法主要包括直接焚烧、气化、液化、热解等，但褐炭的煤化程度较低，含水量高，灰分高，挥发分高，发热量较小和灰熔点低等特性，为褐炭的使用造成了如下问题35:(1)含水量较高导致储运费用提高，严重影响了其利用规模和外运使用;(2)褐煤若直接燃烧，则存在耗能和 CO2排放量大，锅炉燃烧不稳定，热效率低的问题;(3)褐煤热稳定性低，致使固定床气化后煤气出口的温度低，难以处理焦油和废水。因此，为保证褐煤的运输、储存和综合高效利用，有必要对褐煤进行干燥脱水处理。含水率高的褐煤经干燥后，含水率降低，发热量增大，可使褐煤燃烧效率大大提高，对环境的污染有所降低，长距离运输利用也便利。因此，在褐煤开采利用前进行提质干燥，可提高褐煤品质，改善褐煤气化产物、液化产物、热解产物品质及燃烧特性，减少对环境的污染。1褐煤干燥的特点11褐煤水分分布情况褐煤水分主要有内在水和外在水，内在水和外在水的特征如表 1 所示，褐煤水分分布图如图 1 所示。褐煤的水分主要以内部毛细管水为主，因此褐煤干燥过程中水分蒸发需消耗大量的热能。表 1内在水和外在水的特征内外水分类名称特征外在水吸附水主要存在于褐煤颗粒表面的缝隙和较大的毛细孔中，依靠水分表面微弱的黏附力吸附在褐煤的表面黏附水褐煤微粒表面与水膜之间有较强的机械约束力也会黏附一定的水分中间毛细管水在煤粉微粒表面的缝隙以及较大的毛细孔中存在的水分内在水粗毛细管水主要存在于褐煤煤粉颗粒中直径 20120 nm 的毛细孔中，水分主要靠毛细孔壁与水的电偶极子之间相互吸引的力量形成的内部毛细管水主要存在于煤粉颗粒中直径 35 nm 的毛细孔中，依靠水中的氢元素和褐煤相互结合形成的吸附力形成的结晶水321陈际显，等:褐煤不同干燥技术的优缺点分析DOI:10.19319/ki.issn.1008-021x.2023.03.030山东化工图 1褐煤水分分布图12褐煤干燥热源的选择热风、过热蒸汽、饱和蒸汽、热烟气、热油、热水等作为褐煤干燥的热源，其中最常用的是热烟气、热风及过热蒸汽。采用传统热烟气作为热源干燥褐煤，热烟气潜热利用率低，并且由于褐煤挥发分高、着火温度偏低，容易产生过热甚至自燃或爆炸现象;采用低位热风作为干燥热源，则干燥速度较慢、干燥强度较低，很难满足大型化工业生产的要求;而采用过热蒸汽作为热源，干燥效率高，还可回收潜热，不存在自燃或爆炸危险，安全是首选热源。2褐煤干燥技术简介按干燥装置分类，褐煤干燥技术可分为:转筒干燥技术、回转管式干燥技术、流化床干燥技术和气流干燥技术等6。21转筒干燥7 目前，褐煤干燥应用非常广泛的是转筒干燥机，其工作原理如图 2 所示。湿物料从转筒干燥机的入口进入干燥机中，在其内部与高温干燥气体直接接触并吸收热量，褐煤中水分受热蒸发，随热风从干燥机出气口排出。干燥过程中，褐煤跟随圆筒转动，在重力作用下从较高一端移动到较低一端，干燥后的物料从干燥机出料口排出。转筒内通常安装有抄板、链条等打散装置，将物料抄起后洒下，既提高了换热强度又使物料往出口移动。干燥热源通常采用热烟气、热空气、过热蒸汽、蒸汽等。图 2转筒干燥机工作原理图褐煤转筒干燥具有下列优点:结构简单易操作、产能大、适用范围大。但其还存在一些缺点，如设备占地大、投资高、系统热效率低、物料停留时间较长等。褐煤高温烟气直接干燥技术及工艺存在一些安全隐患，过高的褐煤水分给系统调节带来一定困难，且磨粉系统动力消耗和磨损较高。总的来说，褐煤转筒干燥工艺并不是一种安全、节能的干燥工艺。22回转管式干燥8 由于转筒干燥热效率低，为提高该技术及设备的干燥热效率，在回转圆筒内增加 13 排以同心圆排列的加热管，这些加热管内通导热油、饱和蒸汽、热水等，并将热量间接传递给湿物料，这种干燥方式通常称为回转管式干燥。回转管式干燥机剖面图如图 3 所示。图 3回转管式干燥机剖面图回转管式干燥机具有转筒干燥机的所有优点，除此以外还有以下优点:热效率高;容易保证干燥产品质量;传热面积大，处理能力大;低污染。但其仍存在以下不足:设备费用高，运行维护费用高;占地面积大;筒壁易粘料。23流化床干燥9 目前，流化床干燥工艺广泛应用于各个行业，特别是气固流化床的应用尤为广泛。其工作原理为:气体由下而上从布风板穿过固体颗粒层时，随气体流速大小出现不同现象。当气体流速较低时，气体从固体颗粒层空隙间通过，固体颗粒层中的颗粒静止不动，此时处于固定床状态;当气体流速继续增加，固体颗粒开始浮游，固体颗粒层的空隙率开始增加，床层体积逐渐增大，此时处于膨胀床状态;当气体流速达到某一限值，气体压头损失等于粒子质量时，开始流化;随气体气速不断增大，床内呈现不同的流化状态，如图 4 所示，从左至右，随流化速度增大，流化床内的孔隙率和流化状态不断变化，由固定床状态最终变为气力输送状态。图 4各种流态化流型特征示意图流化床干燥具有物料和干燥介质充分接触、温度分布均匀、传热传质效率高、生产能力大等优点，具有不易操作、不适合含水率过高且易粘结成团的物料干燥等缺点。24气流干燥10 气流干燥工作原理为:湿物料颗粒和热空气、热烟气等加热介质直接接触，湿颗粒悬浮于加热介质中。由于气固两相流的接触面积较大，气流干燥的传热传质效率相对较高，适用于褐煤颗粒等散状物料的干燥。气流干燥工艺流程如图 5 所示。421SHANDONG CHEMICAL INDUSTY2023 年第 52 卷第 3 期1抽风机;2布袋除尘器;3排气管;4旋风除尘器;5气流干燥管;6螺旋加料器;7加热器;8鼓风机图 5气流干燥机基本流程图气流干燥具有以下优点:设备体积小，结构简单且紧凑，热效率较高，干燥停留时间短，干燥强度大，设备投资省，维护费用少，操作便捷。气流干燥的不足之处:不适合粘附性较强的物料，动力消耗大，处理量小。3褐煤干燥技术国内外应用现状31国外应用现状德国的褐煤资源丰富，是现代褐煤加工与利用技术的发源地。20 世纪 70 年代后，国外其他褐煤资源丰富的国家也进行了褐煤干燥技术及工艺研究，如美国、波兰、澳大利亚、希腊等国家，褐煤干燥提质技术研发非常活跃。作为能源缺乏国家的日本也非常重视廉价褐煤的开发与利用。国外开发出多种褐煤干燥提质技术及工艺7:转筒干燥工艺、流化床干燥工艺、气流干燥工艺、回转管式干燥工艺和热压脱水工艺等，其中最成熟的工艺是褐煤过热蒸汽流化床干燥技术和褐煤间接回转干燥技术。32国内应用现状国内的褐煤干燥技术工业化应用处于刚起步阶段，近年来，国内一些企业引进了国外褐煤干燥提质技术。如:2006 年，神华集团开始采用美国 ECT Coldry 公司的褐煤干燥提质和无粘结剂高压成型技术进行中试，将褐煤转变成高热值的洁净型煤;2007 年，大唐华银锡林浩特褐煤干燥项目采用美国 Encoal公司的加压热蒸馏技术进行干燥脱水中试，生产半焦，但设备投资巨大，运行费用过高。褐煤间接回转干燥技术在欧洲国家已应用很多年，德国合资公司也在上海办厂，瞄准了中国褐煤干燥市场，但其设备投资额大，尾气大量余热没有回收利用，能源消耗高，该技术在中国市场推广难。目前，只有德国 WE 公司掌握先进的过热蒸汽褐煤干燥工艺，且已在德国建成 3 套，整个干燥过程为无氧环境，安全可靠，可连续操作，实现与原有电厂的配套工艺无缝连接，且干燥蒸发出来的水分全部回收利用，节能效果明显，但存在以下问题:蒸汽机械再压缩设备投资大，功率消耗高，且其关键技术严格保密，与国内没有合作项目。33天力公司过热蒸汽流化床干燥工艺技术天力公司经过十几年的研发，开发了褐煤过热蒸汽内加热流化床干燥技术。干燥流化介质是过热蒸汽，干燥所需的大部分热量(70%以上)由流化床的内置换热器提供，整个干燥系统为无氧气氛，惰性气体闭路循环，流化床干燥机为穿流床，床内布置有多层换热器，布风装置采用新型排管式结构。褐煤水分蒸发后形成的过热蒸汽，经余热利用装置后可全部回收利用，整个系统的蒸汽耗量是普通蒸汽回转干燥机的五分之一，热效率大幅提高。其工艺流程和布置示意图如图 6 所示。图 6褐煤过热蒸汽内加热流化床干燥工艺流程图工艺特点:(1)节能高效，干燥的绝大部分热量由流化床内置热交换器提供，水分蒸发所形成的过热蒸汽仅保证正常流态化，排气热损失少，系统电耗小，外排的过热蒸汽便于进行余热回收利用，干燥系统的能源利用率高;(2)占地面积小，系统投资省;(3)环保压力小，系统流化气速比普通流化床低，床内物料夹带少，扬析损失小，尾气排放量少，环保。表 2 列出了几种褐煤干燥技术对比，结果表明，天力公司推出的过热蒸汽内加热流化床干燥工